Проект «Инновационная энергетика/Сверхпроводниковая индустрия»

По прогнозу специалистов (WORLD ENERGY OUTLOOK FACTSHEET; IEA) мировое потребление электроэнергии за период 2011-2035 гг. вырастет более чем на 2/3.Потери же электроэнергии в энергосистеме РФ по данным Минэнерго России оцениваются в 13-15%. Проект Госкорпорации «Росатом» «Инновационная энергетика/ Сверхпроводниковая индустрия» направлен на создание инновационной технической базы для повышения энергетической эффективности экономики страны.

Проект был утвержден в рамках Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России по приоритетному направлению «Энергоэффективность» в октябре 2009 г. со сроками реализации 2010-2015 гг.

Для ликвидации отставания отечественных разработок по высокотемпературным сверхпроводникам второго поколения (ВТСП-2) ГК «Росатом» приобрела у немецкой компании Bruker HTS технологию по производству таких сверхпроводников. Была поставлена задача к 2015 г. создать основы инновационной сверхпроводниковой индустрии, разработав ряд прототипных устройств на основе эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, заложить основы промышленного производства высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.

В работе принимали участие более 20 научных, промышленных и конструкторских организаций, в том числе: ИАЭ, НИИЭФА, ИФВЭ, ФИАН, ИМЕТ, ХФТИ, ИМФ СО РАН, ВЭИ, ВНИИНМ, ВНИИКП, НИИТФА, «Кристалл», УМЗ, ЧМЗ, Кирскабель, Электросила, МИФИ, МАИ, ГУАП, МИСиС и др.

Рис.1 Стадии проекта 2010-2015 гг. [Развитие в ГК «Росатом» сверхпроводящих технологий на базе ВТСП-2, Панцырный В. И., Авдиенко А.А. ОАО «Русский сверхпроводник», V Всероссийская НПК «Принципы и механизмы формирования национальной инновационной системы», Дубна 2014 г.]

В рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия» были поставлены задачи:

Разработать отечественные технологии производства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) методом импульсной лазерной абляции,

Разработать прототипные сверхпроводниковые устройства энергетического назначения на основе ВТСП:

Сверхпроводниковые ограничители токов короткого замыкания резистивного и индуктивного типов для сетей постоянного и переменного тока мощностью в интервале от 5 до 35 МВт;

Двигатель мощностью 200 кВт,

Генератор мощностью 1 МВт,

Трансформатор мощностью 1000 кВА,

Индуктивный накопитель энергии энергоемкостью 1 МДж,

Кинетический накопитель энергии энергоемкостью более 5 МДж,

Токовводы в криогенные системы с токонесущей способностью 15 кА.

В перспективе рассматривается создание производств электротехнического оборудования на основе высокотемпературных сверхпроводников. Ключевыми направлениями с точки зрения коммерческой энергетики является применение сверхпроводников для создания кабелей и силовой электротехники и устройств хранения электроэнергии (индуктивные и кинетические накопители).

За счет сверхмалых потерь энергии и больших токов сверхпроводниковые кабели выводят на новый уровень энергоэффективность сетевого хозяйства. Возникают принципиально новые условия для размещения объектов генерации и экспорта электроэнергии. Электротехническое оборудование и силовые установки на основе эффекта сверхпроводимости повышают показатели эффективности на железнодорожном и морском транспорте, в энергетике, нефтегазовой отрасли, обрабатывающей промышленности и др. Системные применения сверхпроводимости охватывают сверхпроводящие магнитные устройства; криогенные хранилища; космические платформы; кинетические накопители энергии. Поезда, использующие эффект магнитной левитации (MagLev), могут развивать скорость до 1000 км/ч. Ещё одним применением сверхпроводимости может стать сверхпроводниковый квантовый компьютер.

По мнению главы ОАО «Русский сверхпроводник» В.И.Панцырного, использование сверхпроводников позволит России существенно экономить за счет сокращения потерь электроэнергии.

История вопроса

Технологией создания сверхпроводниковых материалов атомщики занимаются давно. Начиная с 1970-х гг., технические сверхпроводники начали разрабатывать Курчатовский институт и Институт им. А.А. Бочвара. С 1960-х гг. проблемами технической сверхпроводимости занимается НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, основным направлением которого было создание магнитных систем термоядерных реакторов. Разработанные во ВНИИНМе им. А. А. Бочвара технологии композиционных сверхпроводниковых материалов были внедрены в промышленное производство. Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) на основе сверхпроводящего сплава NbTi и интерметаллида Nb 3 Sn, работающие при температуре жидкого гелия 4,2 К (-268,9°С), использовались для создания в СССР первых в мире крупных токамаков (тороидальных камер с магнитными катушками) Т-7 и Т-15 со сверхпроводящими магнитными системами.

40-летний опыт работ в области композиционных НТСП позволил России принять участие в международном проекте по созданию термоядерного реактора ИТЭР. Наряду с ведущими компаниями Европы, США и Японии, Россия вошла в число производителей сверхпроводников. Для обеспечения поставок сверхпроводящих материалов для магнитной системы ИТЭР на базе Чепецкого механического завода (ЧМЗ) было организовано промышленное производство НТСП мощностью 60 т/годсверхпроводящих материалов. С момента запуска производства в 2009 г. для ИТЭР было выпущено ~99 т сверхпроводящих материалов на основе Nb 3 Sn и ~125 т - на основе Nb-Ti.

Другим ключевым потребителем низкотемпературных сверхпроводников является производство медицинских магнитно-резонансных томографов.

В 1990-х гг. начался новый этап в развитии сверхпроводимости. Ученые А.Мюллер и Й.Беднорц из исследовательской лаборатории IBM в Швейцарии в 1985-1986 гг. синтезировали металлооксидную керамику - соединение лантана, бария, меди и кислорода (La—Ва—Cu—О) , которое проявляло сверхпроводимость при температуре 35 К. Мир охватила лихорадка поиска новых сверхпроводников. Критическая температура от 45 К для соединения La—Sr—Cu—О поднялась до 52 К для La—Ва—Cu—О (под давлением). В феврале 1987 г. американец Пол Чу синтезировал соединение YBa 2 Cu 3 O 7, критическая температура которого достигла 93К, перевалив через «азотный рубеж». Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) отодвинуло температурную границу сверхпроводимости до температуры кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости, которая к тому же обладает высокими диэлектрическими свойствами, сопоставимыми с трансформаторным маслом. По состоянию на 1 января 2006 г. рекорд принадлежал керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), критическая температура для которого равна 138 К. При давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при температурах до 166 К. Й. Беднорцу и К.Мюллеру в 1987 г. была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП).

Как коммерческий продукт ВТСП-лента появилась на мировом рынке в конце 2000-х гг. Были созданы образцы ВТСП проводов и кабелей; на основе сверхпроводящей керамики были изготовлены ВТСП двигатели, генераторы, ограничители тока, информационные системы, антенные решетки, сверхпроводящие подшипники и другие изделия. В 2004 г. были созданы сверхпроводниковые прототипы всех электрических устройств.

Ограничители тока резистивного типа на основе лент ВТСП-2 производства американской фирмы «SuperPower» были подключены к сети компании «Silicon Valley Power» в Калифорниив 2013 г. Другой ограничитель тока был подключен к сети компании «Central Hudson» в штате Нью-Йорк в июне 2014 г. Первый в мире промышленный сверхпроводящий кабель длиной 1 км, соединивший две городские подстанции, был запущен в немецком Эссене в сентябре 2014 г. Трехфазный концентрический кабель на 10000 В проекта «AmpaCity» был рассчитан на передачу 40 МВт мощности.

Задачи проекта «Сверхпроводниковая индустрия»

Головной компанией для реализации проекта была утверждена ГК «Росатом», координация работ поручена АО «Русский сверхпроводник», научное руководство - НИЦ «Курчатовский институт».

Под №1 в этой программе стояла «разработка технологий и создание опытного производства длинномерных ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП-2) и объемных керамик для производства ВТСП». В качестве головных исполнителей выступили АО «НИИЭФА» и АО «НИИТФА», разработчиками технологий полуфабрикатов ВТСП-2 - АО «ВНИИНМ», АО «ГИРЕДМЕТ».

В промышленности производятся два типа материалов на основе высокотемпературной сверхпроводимости - ВТСП материалы 1 и 2 поколения. ВТСП 1 поколения представляют собой ленты, состоящие из нитей сверхпроводника на основе оксида висмута, имплантированных в серебряную матрицу. Их недостатки — наличие больших теплопритоков и механическая хрупкость, а также высокая стоимость из-за серебряной матрицы.

ВТСП ленты 2 поколения имеют слоистую структуру. На основу - металлическую ленту последовательно наносятся буферный слой для защиты поверхности металла, слой ВТСП и защитный слой. ВТСП ленты 2 поколения по сравнению с ВТСП-1 лентами имеют ряд преимуществ:

Меньшую стоимость (более дешевые материалы);

Большую плотность критического тока и меньшие потери на переменном токе;

Большую механическую прочность;

Возможность работы в сильных магнитных полях.

На базе опытно-экспериментальной установки по производству ВТСП-2 лент, приобретенной у немецкой компании «Брукер Эйч Ти Эс», в НИЦ «Курчатовский институт» была смонтирована экспериментальная линия по производству ВТСП-2 ленты шириной 4 мм и длиной 100 м (рис.2).

Опытное производство высокотемпературных сверхпроводящих материалов «Росатома» было организовано на трех площадках:

Во ОАО «ВНИИНМ» производят ленту-подложку, на которую в «НИИТФА» наносят ориентированный слой. Там же во ВНИИНМе разработана технология изготовления всех типов мишеней для нанесения буферных и сверхпроводящих слоев;

В АО «НИИТФА» функционирует участок опытного производства лент-подложек длиной до 1000 м с ориентированным буферным покрытием на основе ионного напыления с ориентированием;

В ОАО «НИИЭФА» - участок опытного производства ВТСП-2 лент длиной до 1000 м (рис.3), где лазерным напылением на ленту наносят остальные слои, включая слой сверхпроводящей оксидной керамики.

Опытное производство длинномерных ВТСП-2 в НИИЭФА и НИИТФА запущено в 2015 г. Данная стратегия позволила создать в России мирового уровня научный центр по материаловедению высокотемпературных сверхпроводников, разработать и изготовить уникальное оборудование промышленного масштаба для производства ВТСП-2 ленточных проводников. Были отработаны отечественные технологии и созданы опытные участки для производства необходимых исходных материалов. В АО «Русский сверхпроводник» запущено опытное производство объемных ВТСП.

Рис.2 Линия для изготовления ВТСП-2 длиной до 100 м

Промышленное производство ВТСП-2 планируется создать на базе ЧМЗ. Чепецкий механический завод обладает высоким технологическим потенциалом для реализации наукоемких проектов в различных сферах применения, в том числе высокотемпературной сверхпроводимости, поэтому в 2012 г. ОАО «ТВЭЛ» и ОАО «ЧМЗ» был поручен сбор исходных данных и выполнение предварительной технико-экономической оценки создания нового промышленного производства ВТСП-2.

Для успешной коммерциализации ВТСП-технологий должны быть разработаны различные электротехнические устройства (двигатели и генераторы, токоограничители, накопители энергии и т.д.), в которых будут заинтересованы потребители, так как в перспективе их применение позволит снизить стоимость киловатт-часа для потребителя.

По сравнению с медным проводом такого же размера ВТСП кабель может

передавать в 5 раз больше энергии, несмотря на наличие системы охлаждения.

Дополнительные затраты на сверхпроводниковые устройства компенсирует их повышенная энергоэффективность. Чтобы передать 300 МВт мощности на

распределительном напряжении 10-20 кВ, нужно 36 обычных кабелей, которые укладываются в кабельный канал шириной до 8 м. Эту же мощность можно передать одним ВТСП-кабелем, диаметр которого 11 см с учетом системы охлаждения.

На примере использования ВТСП-кабеля в сетевом хозяйстве Москвы «Русский сверхпроводник» показал, что эти решения дешевле на 20% по сравнению с традиционными технологиями. Научно-технический центр Федеральной сетевой компании (НТЦ ФСК) разработал новый формат линии электропередачи, предназначенной для Москвы, Санкт-Петербурга и других крупнейших городов России - кабельную ЛЭП постоянного тока на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП-КЛПТ). ВТСП-КЛПТ применяются в случаях, когда необходимо распределение больших потоков электроэнергии на низком напряжении (10 кВ или 20 кВ) непосредственно с шин генераторного напряжения ТЭЦ или шин питающих подстанций. При этом в схеме отсутствуют необходимые для передачи значительной мощности повышающие и понижающие трансформаторы (например, 20/110 кВ и 110/20 кВ) и исключается или замещается строительство занимающих городское пространство воздушных линий электропередачи. ВТСП-кабели позволяют в разы снизить потери в силовых электросетях, сверхпроводниковые ограничители тока — существенно повысить надежность электроснабжения.

Рис.3 Оборудование опытного производства ВТСП-2 длиной до 1000 м на основе лазерного напыления (НИИЭФА)

Другим перспективным для использования сверхпроводников сектором является транспорт. В 2014 г. «Росатом» подписал с «Российскими железными дорогами» соглашение о научно-техническом сотрудничестве, предполагающем создание ВТСП-устройств:

Электроустановок для локомотивов,

Ограничителей тока для тяговых подстанций,

Использование эффекта магнитной левитации для сверхскоростных поездов.

В городском транспорте рассматривается использование сверхпроводниковых двигателей и накопителей энергии на электробусах.

Ведутся работы по применению ВТСП в судостроении для систем электродвижения и в авиации при создании полностью электрических самолетов.

Для инновационной энергетики на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) перспективным является создание сверхпроводниковых генераторов для ветроустановок (ВЭУ) большой мощности, позволяющее в разы сократить вес и габариты установок по сравнению с традиционными генераторами. Оптимальным вариантом является создание автономных комплексов - ВЭУ со сверхпроводниковыми генератором и накопителем энергии.

По оценкам В.И.Панцырного, директора по развитию «Русского сверхпроводника», объем рынка ВТСП с $1,8 млрд долл. в 2015 г. вырастет до $5,8 млрд к 2022 г. А к 2040 г. суммарный объем спроса на ВТСП-технологии составит 6-17 млрд долл.

Преимущества сверхпроводниковых электрических машин

Общими для всех типов преимуществами сверхпроводниковых электрических машин являются следующие:

Пониженные потери и повышенный КПД (до 0.5-1.0%),

Улучшенные массогабаритные характеристики (в 2-3 раза),

Уменьшенные величины реактивных сопротивлений,

Уменьшенные энергозатраты в процессе производства (до 30%),

Замедленный процесс старения электрической изоляции,

Экологическая безопасность.

Электротехнические устройства на основе ВТСП

Опытный образец ограничителя тока короткого замыкания (СОТ) для сетей 3,5/10/35 кВ был разработан в «НИИТФА» - СОТ на основе ВТСП-2 резистивного типа на постоянное напряжение 3,5 кВ, номинальный ток 2 кА. Опытное производство НИИ технической физики и автоматизации способно выпускать 10-15 СОТ в год. Модифицированный по результатам испытаний опытного образца СОТ будет использоваться в системе тягового электроснабжения железных дорог.

Внедрение альтернативных источников энергии потребует специальных решений для включения их в существующие энергетические сети, в том числе должен быть решен вопрос накопления энергии. Сверхпроводниковые накопители энергии используются также при создании источников бесперебойного питания и в качестве элементов энергосистем транспортного исполнения. Разработкой кинетического накопителя энергии (КНЭ) со сверхпроводниковым магнитным подвесом занимался Московский авиационный институт. Опытный образец КНЭ энергоемкостью 5 МДж с ВТСП магнитным подвесом был испытан в декабре 2015 г. на испытательном стенде АО «НИИЭМ» (г. Истра).

МАИ разработал также сверхпроводниковый электродвигатель для транспортных систем. Сокращение массогабаритных параметров электротехнических устройств за счет применения ВТСП-материалов является весьма важным преимуществом при их использовании на транспорте (авиационном, морском, железнодорожном, автомобильном). На рис.4 показан опытный образец синхронного ВТСП электродвигателя мощностью 200 кВт с ВТСП-2 обмотками возбуждения на роторе и вращающимся криостатом. Рабочая температура ВТСП-2 магнитной системы - 77К.

Рис.4 ВТСП электродвигатель мощностью 200 кВт (МАИ)

Развитие ветроэнергетики набирает обороты во всем мире, в том числе и в России.По итогам конкурса на строительство объектов, работающих на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), "ВетроОГК" (входит в ГК "Росатом") получила право на строительство 15 ветропарков общей установленной мощностью 360 МВт. Объекты ветрогенерации планируется построить в Краснодарском крае и Адыгее, два объекта - в Курганской области. Ветроэнегетика также будет востребована для хозяйствующих объектов Арктического побережья. Подразделение компании “Электросфера”, “Ветропарк Инжиниринг” собиралась построить на территории петербургской дамбы ветроэлектростанцию, состоящую из 30 ветряков. Общая мощность ветровой электростанции должна была составить 100 МВт. Пока ВЭС остается в стадии проекта.

Коллектив специалистов МАИ под руководством К.Л.Ковалева (в кооперации с сотрудниками НИИЭМ, АКБ «Якорь», ГУАП, НИФ «Криомагнит») создал компактный ВТСП синхронный генератор для ветроэнергетических установок мощностью 1 МВА с ВТСП-2 обмотками возбуждения на роторе и вращающимся криостатом. Рабочая температура ВТСП-2 системы - 77К.

Снижение потерь энергии на каждый генератор мощностью 6 МВт составит 170 кВт. При работе 6000 час/год экономия составит 3 млн. руб/год на каждый генератор. Массогабаритные размеры сверхпроводящих генераторов при равной мощности в 3-4 раза меньше традиционных.

В Петербургском «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова» был создан индуктивный накопитель энергии (СПИН) с ВТСП-2 магнитной системой энергоемкостью 1 МДж и мощностью 1 МВА (рис.5).

Сверхпроводящие накопители индуктивного типа запасают энергию в виде магнитного поля в соленоидальных или тороидальных магнитных системах. И позволяют быстро вывести запасенную энергию, что важно для специальных импульсных систем.

Разработкой СПИН в качестве импульсных источников питания для устройств мощностью 10 11 -10 12 Вт при токах 1-6 MA с продолжительностью импульса 1-100 мсек в НИИЭФА занимались с 1970-х гг. Современные технологии сделали возможным создание соленоидов с запасенной энергией 12-17 MДж. Возможно производство источников тока с запасенной энергией до 30 МДж и мощностью 1-5 MВт для использования в локальных сетях.

Рис.5 ВТСП СПИН 1 МДж

Интересным направлением в сверхпроводниковой технике является использование эффекта левитации для высокоскоростного транспорта. Этим занимается Китай, Япония. После сильного землетрясения, при котором очень сильно пострадал монорельс на опытном кольце в Осаке, японцы отдали предпочтение транспорту на ВТСП-подвесе. Сам поезд с ВТСП-подвесом - это электрическая машина, и поездной путь - это фактически обмотка статора. То, что было повреждено на опытном кольце в Японии после землетрясения, быстро выровняли.

На выставочной экспозиции международного форума «АТОМЭКСПО 2017» (Москва, июнь 2017 г.), среди инновационных продуктов и технологий атомной отрасли посетителям был представлен действующий макет систем магнитной левитации с пониженным электропотреблением, работающий на принципе сверхпроводимости, также созданный специалистами АО «НИИЭФА».

В рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия» Энергетическим институтом им. Г.М.Кржижановского (АО «ЭНИН») был разработан опытный образец сверхпроводникового трансформатора.

Отсутствие старения изоляции; возможность кратковременной двукратной перегрузки; возможность получения меньшего значения напряжения короткого замыкания; меньший вес и размеры по сравнению с обычными трансформаторами - являются очевидными преимуществами силовых трансформаторов на базе ВТСП материалов. Нагрузочные потери в ВТСП трансформаторах при номинальном токе ниже на 80-90%, общая масса меньше ~ в 2 раза, габариты в 2-3 раза, что позволяет устанавливать такие трансформаторы в энергосистемах транспортного назначения.

Был создан опытный образец трехфазного ВТСП трансформатора мощностью 1 МВА, класса напряжения 10/0,4 кВ с ВТСП-2 обмотками и магнитопроводом из аморфной стали. Рабочая температура ВТСП-2 обмоток - 77К.

Наибольший интерес ВТСП-трансформаторы представляют для стран с системой транспортировки по железным дорогам с туннелями, то есть ограничением по габаритам (Корея, Япония, Швейцария).

Одним из перспективных направлений развития атомной энергетики являются термоядерные реакторы с магнитным удержанием плазмы, в магнитной системе которых используются как низкотемпературные, так и высокотемпературные сверхпроводники. В качестве токовводов, рассчитанных на пропускание токов в десятки кА, используются токовводы на основе ВТСП материалов.

ВТСП-токовводы к НТСП-системам были разработаны коллективом Курчатовского НБИКС под руководством В.Е.Кейлина (26.02.1933 - 24.11.2014). В последние годы В.Е.Кейлин принимал активное участие в работах по созданию устройств ВТСП-индустрии: мощных высокотемпературных токовводов, сверхпроводниковых линий электропередач, токовводов для коллайдера NICA в Дубне. Его работы по криостатам для сверхпроводящих магнитов и сильноточным токовводам получили широкое признание и до сих пор считаются классическими.

Были созданы нескольких типов ВТСП токовводов:

Для ускорительной техники,

Для устройств термоядерного синтеза,

Электроэнергетического назначения (соединительные муфты ВТСП кабеля),

Сильноточные гибкие ВТСП-2 токоподводы.

Коллективом специалистов СПбГУАП под руководством Л.И.Чубраевой был создан компактный проект комплекса ВТСП оборудования для плавучей АЭС, который одобрило руководство «Росатома». При разработке проекта было учтено и место размещения ПАТЭС. Металлургический комбинат и больница, находящиеся рядом с местом дислокации ПАТЭС, могли бы получать кислород, образующийся в процессе получения жидкого азота для работы ВТСП оборудования ПАТЭС. Работа над проектом показала, что для эффективной сверхпроводниковой техники важно создание не единичных изделий, а ВТСП комплексов, в которых слабые места отдельных устройств будут перекрываться суммарным эффектом всей системы, которая может иметь замкнутый контур охлаждения. Комплексное решение позволяет сокращать не только габариты всей системы, но и экономить расходы на её содержание.

Рис.6 Комплекс ВТСП оборудования для плавучей АЭС.

В НТЦФедеральной сетевой компании Единой энергетической системы» («ФСК ЕЭС») в декабре 2014 г. был введен в эксплуатацию криогенный испытательный комплекс для сверхпроводниковых устройств. Фрагментированная стендовая криогенная база в России сдерживает развитие сверхпроводниковой индустрии. Модернизация одной из ключевых в стране криогенных исследовательских установок позволит решить часть этих проблем.

В ноябре 2015 г. на заседании Научного совета Отделения механики, энергетики, машиностроения и процессов управления (ЭММПУ) РАН по прикладной сверхпроводимости в энергетике были представлены результаты выполнения Проекта «Сверхпроводниковая индустрия».

В конце 2015 г. разработка программ перспективных работ по созданию и совершенствованию производства ВТСП-2, а также по электроэнергетическим применениям ВТСП оборудования продолжилась.

Проект «Сверхпроводниковая индустрия» на 2016-2020 гг. (ВТСП системы различного назначения) предполагал создание СП систем в объектах генерирования и передачи электроэнергии (ГЭС, АЭС, ТЯС, ветровые) - построение электрогенерирующего комплекса электростанций с применением ВТСП в единой системе: Криосистема - Генератор - Кабель - Трансформатор - СОТ - СПИН (накопитель) - ЛЭП.

Применение ВТСП в космическом, морском, авиационном, автомобильном, железнодорожном, в том числе, МАГЛЕВ транспорте, в медицине (томографы, циклотроны), в науке (ускорители) и др.

На сегодняшний день сформирована инфраструктура технической сверхпроводимости, объединяющая научные центры, вузы, промышленные предприятия. Для формирования рынка сверхпроводниковой продукции в России необходима государственная поддержка путем участия в финансировании работ по созданию кластеров сверхпроводниковой индустрии СП энергетических устройств, изготовленных из отечественных сверхпроводников.

В настоящее время продолжается формирование следующего этапа программы проекта «Сверхпроводниковая индустрия». По мнению экспертов, для достижения необходимых параметров ВТСП не стоит отказываться от низкотемпературной сверхпроводимости. Исследования в этом направлении должны продолжаться. Требуется также скачок в поиске новых сверхпроводящих материалов. Замечательный сверхпроводник второго рода диборид магния имеет критическую температуру 39 К, то есть нуждается в охлаждении неоном.

Сложные системы охлаждения, необходимые для устойчивой работы сверхпроводниковых устройств гелиевого уровня тормозили широкое применение явления сверхпроводимости. Им на смену на этапе ВТСП пришли компактные и надежные криоохладители различных типов. Создание новых материалов, способных сохранять сверхпроводящее состояние без охлаждения, будет иметь революционное значение для технологий будущего. Применение таких материалов кардинально повысит эффективность энергораспределительных сетей и сделает энергетику значительно экономичней.

Участники проекта «Сверхпроводниковая индустрия» представили доклады о своей работе на Национальной конференции по прикладной сверхпроводимости (НКПС-2015) в НИЦ «Курчатовский институт», на Международной научной конференции «АтомТех-2015. Электрофизика», на ПМЭФ 2015-2017 гг., Международном форуме «АТОМЭКСПО 2017».

На конференции «АтомТех-2015. Электрофизика» представители АО «Русский сверхпроводник» выступили с докладами о результатах работ в области технологий и применений ВТСП-2 для энергетики и транспорта, проведенных в рамках Проекта. О перспективах применения сверхпроводящих материалов и технологий на базе ВТСП-2 директор по развитию ОАО «Русский сверхпроводник» В.И.Панцырный докладывал на Международном форуме «Атомная энергия для устойчивого развития» в Петербурге и Всероссийской научно-практической конференции «Принципы и механизмы формирования национальной инновационной системы» в Дубне в 2014 г. Обсуждению вопросов развития прикладной сверхпроводимости был посвящен целый ряд заседаний Дома ученых им. Горького в Санкт-Петербурге.

Материал по выступлениям на вышеперечисленных конференциях подготовлен Т.А.Девятовой

Одним из основных направлений развития науки намечены теоретические и экспериментальные исследования в области сверхпроводящих материалов, а одним из основных направлений развития техники - разработка сверхпроводниковых турбогенераторов.

Сверхпроводящее электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10...50 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8...1 Тл в обычных машинах. Если учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во много раз!

По мнению одного из конструкторов системы охлаждения новых типов криогенных турбогенераторов советского ученого И.Ф. Филиппова, есть основание считать задачу создания экономичных криотурбогенераторов со сверхпроводниками решенной. Предварительные расчеты и исследования позволяют надеяться, что не только размеры и масса, но и КПД новых машин будут выше, чем у самых совершенных генераторов традиционной конструкции.

Это мнение разделяют руководители работ по созданию нового сверхпроводникового турбогенератора серии КТГ-1000 академик И.А. Глебов, доктора технических наук В.Г. Новицкий и В.Н. Шахтарин. Генератор КТГ-1000 испытан летом 1975 г., за ним последовал модельный криогенный турбогенератор КТ-2-2, созданный объединением «Электросила» в содружестве с учеными Физико-технического института низких температур АН УССР. Результаты испытаний позволили приступить к постройке сверхпроводникового агрегата значительно большей мощности.

Приведем некоторые данные сверхпроводникового турбогенератора мощностью 1200 кВт, разработанного во ВНИИэлектромаш. Сверхпроводящая обмотка возбуждения выполнена из провода диаметром 0,7 мм с 37 сверхпроводящими жилами из ниобий-титана в медной матрице. Центробежные и электродинамические усилия в обмотке воспринимаются бандажом из нержавеющей стали. Между наружной толстостенной оболочкой из нержавеющей стали и бандажом размещен медный электротермический экран, охлаждаемый потоком проходящего в канале холодного газообразного гелия (он затем возвращается в ожижитель).

Подшипники работают при комнатной температуре. Обмотка статора выполнена из медных проводников (охладитель - вода) и окружена ферромагнитным экраном из шихтованной стали. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внутри оболочки из изоляционного материала. Сохранение вакуума в оболочке гарантируют уплотнители.

Опытный генератор КТГ-1000 был в свое время самым крупным по габаритам криотурбогенератором в мире. Цель его создания - отработка конструкции вращающихся криостатов больших размеров, устройств подачи гелия к сверхпроводящей обмотке ротора, исследование тепловой схемы, работы сверхпроводящей обмотки ротора, его захолаживания.

А перспективы просто завораживают. Машина мощностью 1300 МВт будет иметь длину около 10 м при массе 280 т, в то время как аналогичная по мощности машина обычного исполнения имеет длину 20 м при массе 700 т! Наконец, обычную машину мощностью более 2000 МВт создать трудно, а при использовании сверхпроводников можно реально достичь единичной мощности 20 000 МВт!

Итак, на выигрыш в материалах приходится примерно три четверти себестоимости. Облегчаются производственные процессы. Любому машиностроительному заводу проще и дешевле сделать несколько крупных электрических машин, чем большое количество мелких: меньше требуется рабочих, не так напряженно загружаются станочный парк и другое оборудование.

Для установки мощного турбогенератора нужна относительно небольшая площадь электростанции. Значит, сокращаются расходы на сооружение машинного зала, станцию можно быстрее ввести в строй. И, наконец, чем крупнее электрическая машина, тем выше ее КПД.

Однако все эти преимущества не исключают технических трудностей, возникающих при создании крупных энергетических агрегатов. И, что самое существенное, их мощность можно увеличивать лишь до определенных пределов. Расчеты показывают, что перешагнуть верхний предел, ограниченный мощностью турбогенератора 2500 МВт, ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, не удастся, так как этот предел определяется, в первую очередь, прочностными характеристиками: напряжения в механической конструкции машины более высокой мощности возрастают настолько, что центробежные силы неизбежно вызовут разрушение ротора.

Немало забот возникает при транспортировке. Для перевозки того же турбогенератора мощностью 1200 МВт пришлось построить сочлененный транспортер грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась на 16 вагонных осей.

Многие препятствия сами по себе отпадают, если использовать эффект сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы. Тогда потери в роторной обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в ней сопротивления. А раз так, повышается КПД машины. Протекающий по сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, что уже нет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его инерционность.

Создание криогенных электрических машин - не дань моде, а необходимость, естественное следствие научно-технического прогресса. И есть все основания утверждать, что к концу века сверхпроводящие турбогенераторы мощностью более 1000 МВт будут работать в энергосистемах.

Первая в Советском Союзе электрическая машина со сверхпроводниками была спроектирована в Институте электромеханики в Ленинграде еще в 1962...1963 гг. Это была машина постоянного тока с обычным («теплым») якорем и сверхпроводниковой обмоткой возбуждения. Мощность ее составляла всего несколько ватт.

С тех пор коллектив института (сейчас - ВНИИэлектромаш) работает над созданием сверхпроводящих турбогенераторов для энергетики. За истекшие годы удалось построить опытные конструкции мощностью 0,018 и 1 МВт, а затем и 20 МВт...

Каковы же особенности этого детища ВНИИэлектромаша?

Сверхпроводящая обмотка возбуждения находится в гелиевой ванне. Жидкий гелий поступает во вращающийся ротор по трубе, расположенной в центре полого вала. Испарившийся газ направляется обратно в конденсационную установку через зазор между этой трубой и внутренней стенкой вала.

В конструкции трубопровода для гелия, как и в самом роторе, есть вакуумные полости, создающие хорошую теплоизоляцию. Вращающий момент от первичного двигателя подается к обмотке возбуждения через «тепловые мосты» - конструкцию, достаточно прочную механически, но плохо передающую тепло.

В итоге конструкция ротора представляет собой вращающийся криостат со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.

Статор сверхпроводящего турбогенератора, как и в традиционном варианте, имеет трехфазную обмотку, в которой магнитным полем ротора возбуждается электродвижущая сила. Исследования показали, что применять сверхпроводящую обмотку в статоре нецелесообразно, так как на переменном токе в сверхпроводниках возникают немалые потери. Но в конструкции статора с «обычной» обмоткой есть свои особенности.

Обмотку оказалось возможным в принципе разместить в воздушном зазоре между статором и ротором и крепить по-новому, с помощью эпоксидных смол и конструктивных элементов из стеклопластика. Такая схема позволила разместить больше медных проводников в статоре.

Оригинальна и система охлаждения статора: тепло отводится фреоном, который одновременно выполняет и функцию изолятора. В перспективе это отведенное тепло можно будет использовать для практических целей с помощью теплового насоса.

В моторе турбогенератора мощностью 20 МВт был применен медный провод прямоугольного сечения 2,5 х 3,5 мм. В него впрессовано 3600 жил из ниобий-титана. Такой провод способен пропускать ток до 2200 А.

Испытания нового генератора подтвердили расчетные данные. Он оказался вдвое легче традиционных машин той же мощности, а его КПД выше на 1%. Сейчас этот генератор работает в системе «Ленэнерго» в качестве синхронного компенсатора и вырабатывает .

Но основной итог работы - колоссальный опыт, накопленный в процессе создания турбогенератора. Опираясь на него, ленинградское электромашиностроительное объединение «Электросила» приступило к созданию турбогенератора мощностью уже 300 МВт, который будет установлен на одной из строящихся в нашей стране электростанций.

Сверхпроводящая обмотка возбуждения ротора изготовлена из ниобий-титанового провода. Устройство его необычно - тончайшие ниобий-титановые проводники запрессованы в медную матрицу. Сделано это для того, чтобы предотвратить переход обмотки из сверхпроводящего состояния в нормальное в результате воздействия флуктуаций магнитного потока или других причин. Если же это все-таки произойдет, ток потечет по медной матрице, тепло рассеется, сверхпроводящее состояние восстановится.

Технология изготовления собственно ротора потребовала внедрения принципиально новых технических решений. Если ротор обычной машины делают из цельной поковки магнитопроводящей стали, то в данном случае он должен состоять из нескольких вставленных один в другой цилиндров, изготовленных из стали немагнитной. Между стенками одних цилиндров находится жидкий гелий, между стенками других создан вакуум. Стенки цилиндров, естественно, должны обладать высокой механической прочностью, быть вакуумно-плотными.

Масса нового турбогенератора, так же как масса его предшественника, почти в 2 раза меньше массы обычного той же мощности, а КПД увеличен еще на 0,5...0,7%. Турбогенератор «живет» около 30 лет и большую часть времени находился в работе, поэтому совершенно очевидно, что такое, казалось бы, небольшое увеличение КПД будет весьма солидным выигрышем.

Энергетикам нужны не только холодные генераторы. Уже изготовлено и испытано несколько десятков сверхпроводящих трансформаторов (первый из них построен американцем Мак-Фи в 1961 г.; трансформатор работал на уровне 15 кВт). Имеются проекты сверхпроводящих трансформаторов на мощность до 1 млн. кВт. При достаточно больших мощностях сверхпроводящие трансформаторы будут легче обычных на 40...50% при примерно одинаковых с обычными трансформаторами потерях мощности (в этих расчетах учитывалась и мощность ожижителя).

У сверхпроводящих трансформаторов, однако, есть и существенные недостатки. Они связаны с необходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящего состояния при перегрузках, коротких замыканиях, перегревах, когда магнитное поле, ток или температура могут достичь критических значений.

Если трансформатор при этом не разрушится, то потребуется несколько часов, чтобы снова охладить его и восстановить сверхпроводимость. В ряде случаев такой перерыв в электроснабжении неприемлем. Поэтому, прежде чем говорить о массовом изготовлении сверхпроводящих трансформаторов, необходимо разработать меры защиты от аварийных режимов и возможности обеспечения потребителей электроэнергией во время простоев сверхпроводящего трансформатора. Достигнутые в этой области успехи позволяют думать, что в ближайшем будущем проблема защиты сверхпроводящих трансформаторов будет решена, и они займут свое место на электростанциях.

В последние годы становится все более близкой к осуществлению мечта о сверхпроводящих линиях электропередачи. Все возрастающая потребность в электроэнергии делает очень привлекательной передачу большой мощности на большие расстояния. Советские ученые убедительно показали перспективность сверхпроводящих линий передачи. Стоимость линий будет сопоставима со стоимостью обычных воздушных линий передачи электроэнергии (стоимость сверхпроводника, если учесть высокое значение критической плотности его тока по сравнению с экономически целесообразной плотностью тока в медных или алюминиевых проводах, невелика) и ниже стоимости кабельных линий.

Осуществлять сверхпроводниковые линии электропередачи предполагается так: между конечными пунктами передачи в земле прокладывается трубопровод с жидким азотом. Внутри этого трубопровода располагается трубопровод с жидким гелием. Гелий и азот протекают по трубопроводам вследствие создания между исходным и конечным пунктами разности давлений. Таким образом, ожижительно-насосные станции будут лишь на концах линии.

Жидкий азот можно использовать одновременно и в качестве диэлектрика. Гелиевый трубопровод поддерживается внутри азотного диэлектрическими стойками (у большинства изоляторов диэлектрические свойства при низких температурах улучшаются). Гелиевый трубопровод имеет вакуумную изоляцию. Внутренняя поверхность трубопровода жидкого гелия покрыта слоем сверхпроводника.

Потери в такой линии с учетом неизбежных потерь на концах линии, где сверхпроводник должен стыковаться с шинами при обычной температуре, не превысят нескольких долей процента, а в обычных линиях электропередачи потери в 5...10 раз больше!

Силами ученых Энергетического института имени Г.М. Кржижановского и Всесоюзного научно-исследовательского института кабельной промышленности уже создана серия опытных отрезков сверхпроводящих кабелей переменного и постоянного тока. Подобные линии смогут передавать мощности во много тысяч мегаватт при КПД более 99%, при умеренной стоимости и относительно невысоком (110...220 кВ) напряжении. Может быть, еще более важно, что сверхпроводящие линии электропередачи не будут нуждаться в дорогостоящих устройствах компенсации реактивной мощности. Обычные линии требуют установки токовых реакторов, мощных конденсаторов, чтобы нивелировать чрезмерные потери напряжения вдоль трассы, а линии на сверхпроводниках в состоянии себя самокомпенсировать!

Сверхпроводники оказались незаменимыми и в электрических машинах, принцип действия которых предельно прост, но которых никогда раньше не строили, ибо для их работы нужны очень сильные магниты. Речь идет о магнитогидродинамических (МГД) машинах, осуществить которые Фарадей пытался еще в 1831 г.

Идея опыта проста. В воду Темзы на ее противоположных берегах погружали две металлические пластинки. Если скорость реки 0,2 м/с, то, уподобив струи воды проводникам, движущимся с запада на восток в магнитном поле Земли (его вертикальная составляющая примерно равна 5·10-5 Тл), с электродов можно снять напряжение примерно 10 мкВ/м.

К сожалению, этот опыт окончился неудачей, «генератор-река» не заработал. Фарадей не смог замерить тока в цепи. Но через несколько лет лорд Кельвин повторил опыт Фарадея и получил небольшой ток. Казалось бы, все осталось, как у Фарадея: те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются с соленой водой пролива.

Вот она разгадка! Вода ниже по течению была более соленой и, следовательно, обладала большей проводимостью! Это было сразу же зарегистрировано приборами. Увеличение проводимости «рабочего тела» - генеральный путь увеличения мощности МГД-генераторов. Но увеличить мощность можно и другим способом - повышая магнитное поле. Мощность МГД-генератора прямо пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля.

Мечты об МГД-генераторах получили реальную основу примерно в середине нашего века вместе с появлением первых партий сверхпроводящих промышленных материалов (ниобий-титан, ниобий-цирконий), из которых удалось сделать первые, еще маленькие, но работающие модели генераторов, двигателей, токопроводов, соленоидов. А в 1962 г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Вильсон и Роберт предложили проект МГД-генератора на 20 МВт с полем 4 Тл. Если обмотку сделать из медного провода, то при стоимости 0,6 мм/долл. джоулевы потери в ней «съедят» ѕ полезной мощности (15 МВт!). Зато на сверхпроводниках обмотка будет компактно облегать рабочую камеру, потерь в ней не будет, а на охлаждение уйдет всего 100 кВт мощности. КПД возрастет с 25 до 99,5%! Тут есть о чем задуматься.

МГД-генераторами занялись всерьез во многих странах, потому что в таких машинах можно использовать плазму в 8...10 раз более горячую, чем пар в турбинах тепловых электростанций, а при этом по известной формуле Карно КПД будет уже не 40, а все 60%. Вот почему в ближайшие годы недалеко от Рязани заработает первый промышленный МГД-генератор на 500 МВт.

Конечно, создать и экономично использовать такую станцию непросто: нелегко разместить рядом поток плазмы (2500 К) и криостат с обмоткой в жидком гелии (4...5 К), раскаленные электроды обгорают и зашлаковываются, из шлаков надо выщелачивать те присадки, которые только что добавлялись в топливо для ионизации плазмы, но ожидаемые выгоды должны окупить все трудозатраты.

Можно представить себе, как выглядит сверхпроводящая магнитная система МГД-генератора. Две сверхпроводящие обмотки расположены по бокам канала с плазмой, отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать, эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть друг к другу.

Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепло не выделяется, рефрижератор, который требуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен отводить лишь то тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию и токоподводы. Потери в токоподводах можно свести практически к нулю, если использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые от сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.

Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося через изоляцию, по расчетам должен вырабатывать несколько десятков литров жидкого гелия в 1 ч. Такие ожижители выпускает промышленность.

Без сверхпроводящих обмоток были бы нереальными крупные токамаки. В установке «Токамак-7», например, обмотка массой 12 т обтекается током 4,5 кА и создает на оси плазменного тора объемом 6 м3 магнитное поле 2,4 Тл. Это поле создается 48 сверхпроводящими катушками, потребляющими за час всего 150 л жидкого гелия, повторное сжижение которого требует мощности 300...400 кВт.

Не только большая энергетика нуждается в экономичных компактных мощных электромагнитах, без них трудно обойтись ученым, работающим с рекордно сильными полями. На порядок производительнее становятся установки для магнитного разделения изотопов. Уже не рассматриваются проекты крупных ускорителей без сверхпроводящих электромагнитов. Совершенно нереально обойтись без сверхпроводников на пузырьковых камерах, которые становятся чрезвычайно надежными и чувствительными регистраторами элементарных частиц. Так, одна из рекордно больших магнитных систем на сверхпроводниках (Аргоннская национальная лаборатория, США) создает поле 1,8 Тл с запасенной энергией 80 МДж. Исполинская обмотка массой 45 т (из них 400 кг ушло на сверхпроводник) при внутреннем диаметре 4,8 м, наружном 5,3 м и высоте 3 м требует для охлаждения до 4,2 К всего 500 кВт - ничтожно малую мощность.

Еще более внушительным представляется сверхпроводящий магнит пузырьковой камеры Европейского центра ядерных исследований в Женеве. Он имеет следующие характеристики: магнитное поле в центре до 3 Тл, внутренний диаметр «катушки» 4,7 м, запасенная энергия 800 МДж.

В конце 1977 г. в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) вступил в строй один из крупнейших в мире сверхпроводящих магнитов «Гиперон». Рабочая зона его имеет диаметр 1 м, поле в центре системы 5 Тл (!). Уникальный магнит предназначен для проведения экспериментов на протонном синхротроне ИФВЭ в Серпухове.

Осмыслив эти впечатляющие цифры, уже как-то неудобно говорить о том, что техническое освоение сверхпроводимости только начинается. В качестве примера можно напомнить о критических параметрах сверхпроводников. Если температура, давление, ток, магнитное поле превысят некоторые предельные значения, называемые критическими, сверхпроводник потеряет свои необычные свойства, превратившись в обычный материал.

Наличие фазового перехода вполне естественно использовать для контроля внешних условий. Если есть сверхпроводимость, значит, поле меньше критического, если у датчика восстановилось сопротивление - поле выше критического. Уже разработана серия самых разнообразных сверхпроводящих измерителей: болометр на спутнике может «почувствовать» зажженную спичку на Земле, гальванометры становятся чувствительнее в несколько тысяч раз; в резонаторах ультравысокой добротности колебания электромагнитного поля словно консервируются, ибо они чрезвычайно долго не затухают.

Теперь самое время окинуть взором всю электрическую часть энергетики, чтобы понять, как россыпь сверхпроводящих устройств может дать суммарный народнохозяйственный эффект. Сверхпроводники могут повысить единичную мощность энергоагрегатов, высоковольтная энергетика может постепенно превратиться в многоамперную, вместо четырех-шестикратного преобразования напряжения между электростанцией и потребителем реально говорить об одной-двух трансформациях с соответствующим упрощением и удешевлением схемы, общий КПД электрических сетей неминуемо вырастет вследствие джоулевых потерь. Но и это еще не все.

Электрические системы неизбежно приобретут другой вид, когда в них будут применять сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН)! Дело в том, что из всех отраслей промышленности только в энергетике нет складов: выработанное тепло и электричество хранить негде, их надо потреблять сразу. Определенные надежды связаны со сверхпроводниками. Из-за отсутствия в них электрического сопротивления ток может циркулировать по замкнутому сверхпроводящему контуру сколь угодно долго без затухания до тех пор, пока не настанет время его отбора потребителем. СПИНы станут естественными элементами электрической сети, их остается только оснастить регуляторами, переключателями или преобразователями тока или частоты при объединении с источниками и потребителями электричества.

Энергоемкость СПИНов может быть самой различной - от 10-5 (энергия портфеля, выпавшего из рук) до 1 кВт-ч (глыба 10 т, упавшая со скалы 40 м) или 10 млн. кВт-ч! Столь мощный накопитель должен иметь размеры беговой дорожки вокруг футбольного поля, его цена будет составлять 500 млн. дол., а КПД - 95%. Равноценная гидроаккумулирующая электростанция окажется на 20% дешевле, но на свои нужды потратит треть мощности! Поучительна раскладка стоимости такого СПИНа по составляющим: на рефрижераторы 2...4%, на преобразователи тока 10%, на сверхпроводящую обмотку 15...20%, на теплоизоляцию холодной зоны 25%, а на бандажи, крепления и распорки - почти 50%.

Со времени доклада Г.М. Кржижановского по плану ГОЭЛРО на VIII Всероссийском съезде Советов прошло более полувека. Претворение этого плана в жизнь позволило повысить мощность электростанций страны с 1 до 200...300 млн. кВт. Теперь появляется принципиальная возможность усилить энергосистемы страны в несколько десятков раз, переведя их на сверхпроводящее электрооборудование и упростив сами принципы построения таких систем.

Основой энергетики начала XXI века могут стать атомные и термоядерные станции с чрезвычайно мощными электрогенераторами. Электрические поля, порожденные сверхпроводящими электромагнитами, могучими реками смогут перетекать по сверхпроводящим линиям электропередачи в сверхпроводящие накопители энергии, откуда по мере необходимости будут отбираться потребителями. Электростанции смогут равномерно вырабатывать мощность и днем, и ночью, а освобождение их от плановых режимов должно повысить экономичность и срок службы главных агрегатов.

К наземным электростанциям можно добавить космические солнечные станции. Зависнув над фиксированными точками планеты, они должны будут преобразовывать солнечные лучи в коротковолновое электромагнитное из лучение, чтобы посылать сфокусированные потоки энергии к наземным преобразователям в токи промышленной назначения. Все электрооборудование наземно-космических электрических систем должно быть сверхпроводящим, в противном случае потери в проводниках конечной электропроводности окажутся, по-видимому, неприемлемо большими.

Владимир КАРЦЕВ "Магнит за три тысячелетия"

Вплоть до последнего времени практическое применение было весьма ограниченным вследствие их низких рабочих температур - менее 20К. Открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников, которые имеют критические температуры

изменило

ситуацию,

упростив весь комплекс вопросов охлаждения (рабочая температура обмоток «выросла», они стали менее чувствительны к тепловым возмущениям). Теперь появились возможности

создания

поколения

электрооборудования,

использования

низкотемпературных

сверхпроводников

оказалось

бы чрезвычайно

дорогостоящим,

нерентабельным.

Вторая половина 90-х годов прошлого века - это начало широкого

наступления

высокотемпературной

сверхпроводимости на электроэнергетику. Высокотемпературные

сверхпроводники

использовать

изготовлении

трансформаторов,

электрических

индуктивных

накопителей

неограниченным

хранения), ограничителей тока и т.д. В сравнении с установленными

характеризуются

уменьшенными

потерями

и габаритами и обеспечивают повышение эффективности производства, передачи и распределения электроэнергии. Так, сверхпроводящие трансформаторы будут обладать

потерями,

чем трансформаторы той же мощности, имеющие обычные обмотки. Кроме того, сверхпроводящие трансформаторы

способны

ограничивать

перегрузки,

не нуждаются в минеральном масле, а значит экологичны и не подвержены риску возгорания. Сверхпроводящие ограничители

временные

характеристики, то есть менее инерционны; включение в электрическую сеть сверхпроводящих генераторов и накопителей энергии улучшит ее стабильность. Токонесущая способность

подземных

сверхпроводящих

может быть в 2-5 раз выше, чем у обычных . Сверхпроводящие кабели гораздо компактнее, то есть существенно облегчается их прокладка в условиях насыщенной городской/пригородной инфраструктуры.

Показательны

технико-экономические

расчеты южно-корейских

энергетиков,

проведенные

рамках долговременного

планирования

электрических

сетей сеульского региона. Их результаты свидетельствуют о том, что прокладка на 154 кВ, 1 ГВт сверхпроводящими

кабелями

обойдется

чем обычными.

включаются

конструирование и монтаж кабеля и кабелепроводов (учитывается уменьшение числа требуемых ниток и, соответственно, уменьшение общего количества кабеля в км и уменьшение внутреннего диаметра кабелепроводов). Европейские специалисты при проработке схожих вопросов обращают внимание на тот факт, что по сверхпроводящим

значительно

напряжении.

Следовательно, уменьшится электромагнитное загрязнение окружающей

густонаселенных

отказаться от линий сверхвысокого напряжения, прокладка которых

встречает

серьезное

сопротивление общественности, особенно «зеленых». Вселяет оптимизм и оценка, сделанная в США: внедрение

сверхпроводящего

оборудования

о генераторах, трансформаторах и двигателях) и кабелей в национальную энергетику позволит сэкономить до 3 % всей электроэнергии. При этом, широкое распространение

последних

Было подчеркнуто, что основные усилия разработчиков необходимо сосредоточить на: 1) повышении эффективности криосистем; 2) повышении токонесущей способности

сверхпроводящих

проводов

динамические потери и увеличить долю сверхпроводника по сечению провода); 3) снижении стоимости сверхпроводящих проводов (в частности, за счет роста производительности);

4) снижении расходов на криогенное оборудование. Отметим, что наивысшая достигнутая на сегодняшний день «инженерная» критическая плотность тока (критический ток, деленный на полную площадь сечения) двухсотметрового отрезка ленты на основе Bi-2223 составляет 14-16 кА/см 2 при температуре 77К. В развитых странах осуществляется плановая коммерциализация

технологий

высокотемпературных сверхпроводников. Показательна с этой точки зрения американская программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996-2000 гг.». Согласно этой программе,

включение

сверхпроводящих

компонент

электрооборудование обеспечит глобальное стратегическое

преимущество

промышленности

ХХI в. При этом, следует иметь в виду, что по оценкам Всемирного банка за грядущий 20-летний период (то есть к 2020 г.) ожидается 100-кратный рост объема продаж сверхпроводящего

оборудования

электроэнергетических

устройств

вырастет

32 млрд долл. (общий

сверхпроводников,

включающий

такие области применения, как транспорт, медицина, электроника и наука, достигнет уровня 122 млрд долл.).

Заметим, что Россия наряду с США и Японией сохраняла лидерство

развития

сверхпроводящих

технологий до начала 90-х годов ХХ в. С другой стороны, интересы

промышленно-технической

безопасности России несомненно требуют их энергичного использования как в электроэнергетике, так и в других отраслях. Прогресс сверхпроводящей технологии и ее «продвижение» на мировой электроэнергетический рынок сильно

результатов

демонстрации

успешной работы полноразмерных прототипов по всем видам продукции. Каковы

достижения

мирового

сообщества

в этом направлении? В Японии под патронажем Министерства экономики, торговли и промышленности осуществляется долговременная

программа

области разработки

ВТСП-оборудования,

первую очередь, силовых кабелей.

Проект разделен на две фазы: фаза 1 (2001-2004 гг.) и фаза 2 (2005-2009 гг.).

Координаторами

являются

Организация

развитию новых технологий в энергетике и промышленности (NEDO) и Исследовательская ассоциация по сверхпроводящему оборудованию и материалам (Super-GM). В

задействованы

KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi и др. (ВТСП-кабели); KEPCO, Sumitomo, Toshiba и др. (ВТСП-ограничители тока); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric и др. (ВТСП-магниты). В области кабелей работы сосредоточатся на разработке

ВТСП-проводни-ка

динамическими потерями

охлаждающей

способной

долговременно

поддерживать

температуру

кабеля (около 77К) длиной 500 м. Согласно программе, фаза 1 заканчивается изготовлением десятиметрового кабеля на 66-77 кВ (3 кА), имеющего динамические потери не более 1 Вт/м, а фаза 2 - изготовлением пятисотметрового кабеля на 66-77 кВ (5 кА) с такими же потерями. Работы

отработана конструкция

изготовлены

испытаны

первые отрезки, создана и испытана система охлаждения.

Параллельно,

Furukawa, Sumitomo ведут еще один проект по развитию электрических

токийского

сверхпроводящих. В рамках этого проекта проанализирована возможность подземной прокладки ВТСП-кабеля на 66 кВ (три фазы), имеющего диаметр 130 мм (его можно монтировать в существующих кабелепроводах диаметром 150 мм), вместо обычного однофазного кабеля на 275 кВ. Оказалось, что даже в случае строительства новых

кабелепроводов,

сверхпроводящую линию будут на 20 % ниже (исходя из цены сверхпроводящего провода 40 долл. за 1 кА м). Этапы проекта последовательно выполняются: к 1997 г. смонтирована тридцатиметровая

(однофазная)

прототипная

с замкнутым циклом охлаждения. Она была испытана под нагрузкой 40 кВ/1 кА в течение 100 час. К весне 2000 г. изготовлено 100 метров кабеля на 66 кВ (1 кА)/114 МВА - полноразмерного прототипа диаметром 130 мм (конструкция с «холодным» диэлектриком). Масштабный подход к этой проблеме демонстрируют США. В 1989 г. по инициативе EPRI началось детальное исследование применения высокотемпературных сверхпроводников, и уже в следующем году фирмы Pirelli

Superconductor Corp. разработали технологию изготовления сверхпроводящих

«порошок

трубке»).

В дальнейшем American Superconductor постоянно наращивала

производственные

мощности,

добившись показателя 100 км ленты в год, а в ближайшем будущем, с вводом в строй нового завода в г. Дивенсе (штат Миннесота), эта цифра дойдет до 10000 км в год. Прогнозируемая цена ленты составит 50 долл. за 1 кА м (сейчас фирма предлагает ленту по 200 дол. за 1 кА м). Следующий

важнейший

появление

так называемой партнерской инициативы в области сверхпроводимости (Superconductivity Partnership Initiative - SPI)

ускоренной

разработки

внедрения

энергосберегающих электрических систем. Вертикально интегрированные

SPI-команды,

включающие

партнеров из

промышленности,

национальные

лаборатории

и эксплуатационные

компании,

осуществили

два серьезных проекта. Одним из них является полноразмерный прототип - сверхпроводящая трехфазная линия (Pirelli Cavi e Sistemi,

связавшая

низковольтную

трансформатора 124 кВ/24 кВ (мощность 100 МВА) с 24 кВ-шинами двух распределительных подстанций, находящихся на расстоянии 120 м (станция Фрисби компании Детройт Эдисон, г. Детройт).

Успешные испытания линии прошли

электроэнергия поступила к потребителям, «пройдя» по сверхпроводящим кабелям на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O. Три таких

(конструкция

«теплым»

диэлектриком, причем каждый проводник был изготовлен одной длиной

заменили

при одинаковой

токонесущей

способности

кабель рассчитан на 2400 А (потери 1 Вт/м на фазу) и проложен в существующих стомиллиметровых подземных каналах. При этом, траектория прокладки имеет повороты на 90 о: кабель допускает изгиб с радиусом 0,94 м. Подчеркнем, что это первый опыт прокладки сверхпроводящего

действующей

распределительной сети, в энергетическом хозяйстве большого города. Второй

тридцатиметровая

сверхпроводящая

на 12,4 кВ/1,25 кА (60 Гц) которая была пущена в эксплуатацию 5 января 2000 г. (рабочая температура 70-80К, охлаждение

давлением).

Линия, представляющая собой три трехфазных сверхпроводящих

обеспечивает

электроэнергией три

промышленные

установки

штаб-квартире Southwire Company, в Каролтоне (штат Джорджия). Потери при передаче составляют около 0,5 % по сравнению с 5-8 %, а передаваемая мощность в 3-5 раз выше, чем при использовании традиционных кабелей того же диаметра.

праздничной

атмосфере была отмечена годовщина успешной работы линии со 100 %-ной нагрузкой в течение 5000 час. Еще три проекта стартовали в 2003 г., работы по ним находятся

начальной

интересный

включает

монтаж подземной сверхпроводящей линии на 600 МВт/138 кВ длиной около 1 км, которая будет включена в действующую

нагрузку и пройдет по существующим кабелепроводам в Ист-Гарден-Сити

Лонг-Айленде.

Необходимый

кабель будет

изготовлен

специалистами фирмы Nexans (Германия), на основе сверхпроводника, выпущенного на уже упоминавшемся заводе в Дивенсе, а криогенное оборудование

поставит

этом, Министерство энергетики США финансирует эти работы наполовину, вкладывая около 30 млн долл.; остальное обеспечивают партнеры. Данную линию планируется ввести в строй к концу 2005 г.

которого

изготовлен

трехфазный сверхпроводящий кабель, рассчитанный на 36 кВ/2 кА (конструкция

«теплым»

диэлектриком,

охлаждение жидким азотом под давлением; критический достигает 2,7 кА на одну фазу (Т=79К)). При этом особое внимание

уделялось

разработке

проводника

км ленты на основе Bi-2223), концевых устройств, а также его

подключению.

был проложен,

подстанции острова Амагер (южная часть Копенгагена), которая поставляет электроэнергию 50 тыс. потребителей, включая

осветительную

сеть (мощность выходного трансформатора 100 МВА). Тридцатиметровая сверхпроводящая линия начала функционировать 28 мая 2001 г.: сначала сверхпроводящий кабель включили параллельно с обычным, а позже он работал уже «в одиночку», причем номинальный составил 2 кА, потери - менее 1 Вт/м (рабочая температура лежала в пределах 74-84К). Кабель передает 50 % всей энергии подстанции и заменяет медные кабели с суммарным сечением жил 2000 мм 2 . К маю 2002 г. кабель эксплуатировался 1 год, находясь в захоложенном состоянии; за это время он «поставил» 101 МВт ч электроэнергии 25 тыс. датчан - владельцам частных домов. Изменения характеристик кабеля не отмечено, все криогенные системы действуют стабильно. Кроме датского, любопытен общеевропейский проект

по созданию межсистемной связи - специальной трехфазной сверхпроводящей линии длиной 200 м, которая рассчитана на 20 кВ/28 кА.

Для его реализации организован

консорциум,

Nexans (Германия),

(Франция),

(Бельгия),

специалисты

Геттингена

Тампере (Tampere University of Technology). Среди европейских изготовителей сверхпроводящих кабелей выделяется фирма Pirelli Cavi e Sistemi. Ее производственные

мощности

позволяют

выпускать

км сверхпроводника в год. Значительное событие - изготовление

двадцатиметрового

коаксиального сверхпроводящего

(конструкция

«холодным» диэлектриком), рассчитанного на 225 кВ. Pirelli совместно с американскими специалистами (Edison и CESI) участвует

созданию

тридцатиметрового кабеля-прототипа на 132 кВ/3кА (1999-2003 гг.). Переходя от кабелей к крупному электрооборудованию - трансформаторам, отметим, что из всей энергии, теряемой при передаче, на них приходится 50-65 %. Ожидается, что с внедрением сверхпроводящих трансформаторов

уменьшится

доходить

Сверхпроводящие трансформаторы смогут успешно конкурировать с обычными только при выполнении соотношения (P s /k) < P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери

сверхпроводящем

трансформаторе

рабочих температурах), k - холодильный коэффициент рефрижератора. Современная технология, в частности криогеника, позволяет удовлетворить это требование. В Европе первый прототип трехфазного трансформатора (630 кВА; 18,7 кВ/420 В) на высокотемпературных сверхпроводниках был изготовлен в рамках совместного

France), American

de Geneve) и пущен в строй в марте 1997 г. - его включили в электрическую сеть Женевы, где он проработал более года,

обеспечивая

энергией

Обмотки трансформатора

выполнены

проводом

основе Bi-2223,

охлаждаемым

сердечник трансформатора находится при комнатной температуре. Потери оказались довольно высокими (3 Вт на 1 кА м), поскольку конструкция проводника не была оптимизирована для использования на переменном токе.

Второй проект тех же участников - ABB, EdF и ASС - это трансформатор на 10 МВА (63 кВ/21 кВ), который в 2001 г. прошел полный цикл лабораторных испытаний и в 2002 г. был включен во французскую энергосистему. Специалисты АВВ еще раз подчеркнули, что сейчас основной

проблемой

разработки

экономичного

сверхпроводящего оборудования, в частности трансформаторов, является наличие провода с малыми потерями и высокой

критической

плотностью

магнитном

поле, генерируемом обмотками. Провод должен, кроме того, обеспечивать токоограничивающую функцию. В Японии (Fuji Electric, KEPCO и др.) сконструировали прототип сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА (22 кВ (45,5 А)/6,9 кВ (145 А)), который в июне 2000 г. был включен в сеть лектроэнергетической компании Kyushu. В

завершающей

находится

разработка

(Kyushu University

(Токио)) трансформатора

который предназначен

установки

электроподвижном

составе. Предварительные расчеты свидетельствуют о том, что его масса должна быть на 20 % меньше, чем у обычного трансформатора той же мощности.

В США успешно прошла демонстрация сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА, начаты работы по

аппарату

мощностью

Waukesha Electric

and Electric, а также ORNL). Немецкие специалисты (Siemens) создали прототип трансформатора

перспективе

разработка аппаратов на 5-10 МВА) с обмотками на основе Bi-2223, который можно устанавливать на локомотивах электроподвижного

предназначенный

для обычного

трансформатора.

сверхпроводящего трансформатора на 35 % меньше, чем у обычных, а КПД достигает 99 %. Расчеты показывают, что его применение обеспечит экономию до 4 кВт на один состав и годовое снижение выбросов СО 2 на 2200 т на один состав. Сложнее обстоит дело с синхронными электрическими машинами на высокотемпературных сверхпроводниках.

Известно, что мощность обычной пропорциональна ее объему V; нетрудно показать, что мощность сверхпроводящей машины пропорциональна V 5/3 , поэтому выигрыш в снижении габаритов будет иметь место только для машин большой мощности,

например,

генераторов

корабельных

двигателей.

ожидать внедрения сверхпроводящих технологий (рис. 1).

свидетельствуют

том, что для генератора мощностью 100 МВт необходим высокотемпературный сверхпроводник, имеющий критическую плотность тока 4,5 10 4 А/см 2 в магнитном поле 5 Тл. При этом, его механические свойства, а также цена, должны быть сравнимы с Nb 3 Sn. К сожалению, пока не

существует

высокотемпературных

сверхпроводников, полностью удовлетворяющих этим условиям. С

невысокая

активность американских,

европейских

японских

данной области. Среди них - успешный демонстрационный

совместно

с Rockwell Automation/Reliance Electric (партнеры по уже упоминавшейся

синхронного

двигателя

на 746 кВт и дальнейшая разработка машины на 3730 кВт.

специалисты

конструируют

двигатель

генератор.

В Германии фирма Siemens предлагает синхронный двигатель 380 кВт на высокотемпературных сверхпроводниках.

Финляндии

испытана

четырехполюсная синхронная машина на 1,5 кВт с трековыми обмотками, выполненными проводом на основе Bi-2223; ее рабочая температура составляет 20К. Кроме того, существует ряд других применений высокотемпературных сверхпроводников в электромашиностроении.

керамику

высокотемпературных сверхпроводников можно использовать при изготовлении пассивных магнитных подшипников для небольших высокоскоростных двигателей, например, для насосов, перекачивающих сжиженные газы.

Работа одного из таких двигателей, на 12000 об/мин, недавно была продемонстрирована в Германии. В рамках совместной российско-германской программы сконструирована серия гистерезисных

двигателей

(мощностью

«деятельности»

высокотемпературных сверхпроводников - устройства, ограничивающие короткого замыкания до номинальной величины. Наиболее подходящими материалами для сверхпроводниковых ограничителей считаются керамики

причем разработки

аппаратов

основные

электротехнические

Великобритании,

Германии, Франции, Швейцарии, США, Японии и других странах. Одной из первых моделей (фирма АВВ) был ограничитель индуктивного типа на 10,5 кВ/1,2 МВА, имеющий элемент из Bi-2212, помещенный в криостат. Эта же фирма выпустила компактный прототип - ограничитель резистивного типа на 1,6 МВА, который значительно меньше первого. В ходе испытаний 13,2 кА был ограничен в первом пике до 4,3 кА. Из-за нагрева 1,4 кА ограничивается за 20 мс и 1 кА за 50 мс.

Конструкция

ограничителя

представляет

мм (масса 50 кг). В нем прорезаны каналы, что позволяет иметь

эквивалентную

сверхпроводника

м. Следующий

прототип

на 6,4 МВА. Уже сейчас возможно создание ограничителя на 10 МВА, а выпуск коммерческих ограничителей такого типа можно ожидать в ближайшее время. Следующей целью АВВ является ограничитель на 100 МВА. Специалисты фирмы Siemens опробовали индуктивные

ограничители:

трансформатор

экранированием стального сердечника сверхпроводниковой обмоткой и второй вариант - сверхпроводник выполнен в виде цилиндра, на нем намотана медная обмотка. У ограничивающего

сопротивления

омическая

индуктивная компоненты. Из-за возможных перегревов в зонах с короткого замыкания должен как можно быстрее отключаться обычным выключателем.

Возвращение

сверхпроводящее

состояние

нескольких

десятков секунд, после этого ограничитель готов к работе. В

дальнейшем

резистивный

ограничитель,

сверхпроводник включается непосредственно в сеть и быстро теряет сверхпроводимость, как только короткого замыкания

превысит

критическое

значение.

нагрева сверхпроводника механический выключатель должен разорвать

нескольких

полупериодов; охлаждение

сверхпроводниковой

приводит

к сверхпроводящему состоянию. Время возврата ограничителя составляет 1-2 с.

Однофазную модель такого ограничителя мощностью 100 кВА испытали на рабочем напряжении 6 кВ при номинальном токе 100 А. Возможный

короткого

замыкания,

кА, был ограничен до тока 300 А менее чем за 1 мс. Фирма Siemens продемонстрировала также ограничитель на 1 МВА на стенде в Берлине, причем запланировано изготовление прототипа мощностью 12 МВА. В США первый ограничитель - он имел индуктивно-электронную

разработан

компаниями General Atomic, Intermagnetics General Corp. и др. Десять лет назад в качестве демонстрационного образца был установлен ограничитель тока на испытательном стенде Norwalk энергокомпании Southern California Edison. При номинальном токе 100 А максимально возможный короткого замыкания 3 кА ограничивается до 1,79 кА. В 1999 г. сконструирован аппарат на 15 кВ с рабочим током 1,2 кА, предназначенный для ограничения тока короткого замыкания 20 кА до значения 4 кА. Во Франции специалистами компаний GEC Alsthom, Electricite de France и др. испытан ограничитель на 40 кВ: он снизил короткого замыкания с 14 кА (начальный до замыкания составлял 315 А) до 1 кА за несколько микросекунд. Остаточный короткого замыкания был отключен в течение 20 мс обычным выключателем. Варианты ограничителей разработаны на 50 и 60 Гц. В Великобритании компания VA TECH ELIN Reyrolle разработала ограничитель гибридного (резистивно-индуктивного) типа, который в ходе испытаний на стенде (11 кВ, 400 А) снижал короткого замыкания с 13 кА до 4,5 кА. При этом, время реакции ограничителя менее 5 мс, ограничивается уже первый пик; время работы ограничителя 100 мс. Ограничитель (трехфазный) содержит 144 стержня из Вi-2212, а его габариты 1 х 1,5 х 2 м.

В Японии сверхпроводящий ограничитель тока изготовлен совместно фирмами Toshiba и TEPCO - индуктивного типа, на 2,4 МВА; он содержит элемент из массивной керамики Bi-2212. Все перечисленные проекты - это прототипы «начального периода», которые призваны продемонстрировать

возможности

сверхпроводящей

технологии, ее значимость для электроэнергетики, но все же они являются

настолько

представительными,

чтобы можно

немедленного

промышленного внедрения и успешный маркетинг. Первая причина такой осторожности состоит в том, что проводники на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O еще находятся в стадии разработки и в настоящее время изготавливаются

критической

плотностью

уровне 30 кА/см 2 длинами только около километра. Дальнейшее улучшение этих проводников (усиление пиннинга, повышение плотности жил, введение барьеров вокруг них и т.д.) должно привести к увеличению J c до 100 кА/см 2 и более.

существенное

прогресс сверхпроводящей технологии и стимулирует разработку новых

конструкций

оборудования

Определенные надежды связывают также с успехами в получении проводников со сверхпроводящим покрытием (это следующее поколение сверхпроводящих проводов), обладающих заметно более высокой J c в магнитном поле до нескольких Тл. Здесь возможно изготовление сверхпроводящих лент, способных нести токи на уровне 1 кА при разумных производственных расходах. В США эти ленты

разрабатываются

MicroCoating Technologies,

Superconductivity

Oxford Superconductor Technology.

Вторая причина кроется в том, что вопросы стандартизации проводников Bi-Sr-Ca-Cu-O и нормативная база, необходимая для их применения в области передачи и распределения электроэнергии, недостаточно проработаны. Как правило, стандарты содержат руководство по проведению механических, тепловых и электрических

испытаний

материалов

оборудования.

Поскольку сверхпроводящие устройства нуждаются в криогенных системах, то их тоже необходимо специфицировать. Таким образом, до внедрения сверхпроводимости в электроэнергетику требуется создать целую систему стандартов: они должны гарантировать высокую надежность всей сверхпроводящей продукции (рис. 2).

предпринимается

мероприятий

в этом направлении. Семь групп специалистов из четырех европейских стран объединены в совместный проект Q-SECRETS (он субсидируется ЕС) по мониторингу качества

сверхпроводников

эффективных,

компактных

высоконадежных

электропередачи.

Одна из основных целей проекта - помощь в создании

расширении

«сверхпроводящего»

на рынке передачи и распределения электроэнергии. В

заключение

отметить,

несмотря

на большие

потенциальные

возможности

применения высокотемпературных

сверхпроводников

электроэнергетике, потребуются значительные усилия исследователей и разработчиков, чтобы сделать сверхпроводящую продукцию жизнеспособной в условиях современной рыночной экономики. В то же время, оценки на близкое будущее дают повод для оптимизма.

Фото: Сергей Шиловс / «Редкие земли»

Явление сверхпроводимости открывает уникальные перспективы в области электротехники, энергетики, транспорта. Уже сегодня становится возможным то, что ранее считалось фантастикой: передача энергии почти без потерь на огромные расстояния, бесконтактный высокоскоростной наземный транспорт, генерация сверхвысоких магнитных полей.

Сверхпроводимость обещает принести революционные изменения в самые различные сферы, делая возможным межпланетные космические перелеты с применением электрических ракетных двигателей, открывая новые пути к созданию летательных аппаратов с вертикальным взлетом, помогая создавать аппараты для эффективной диагностики и лечения сложнейших заболеваний и многое другое. Свойство некоторых электропроводящих материалов переходить в состояние сверхпроводимости при сверхнизких температурах было обнаружено достаточно давно, однако практическое применение этого эффекта стало реальным только после открытия в 1986 году высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), отмеченного Нобелевской премией по физике 1987 года. Второе поколение проводов на основе ВТСП позволяет эксплуатировать их при температуре 77 К (температура кипения жидкого азота). О развитии проекта по практическому использованию ВТСП-материалов и планах на будущее мы беседуем с создателем ЗАО «СуперОкс» Андреем Вавиловым и генеральным директором Сергеем Самойленковым .

Вавилов Андрей Петрович
Председатель Совета директоров ЗАО «СуперОкс», доктор экономических наук

Андрей Вавилов: На момент запуска проекта в 2006 году основной целью было разработать технологический подход и наладить производство высокотемпературного сверхпроводникового провода второго поколения. Сегодня полная производственная цепочка, все оборудование локализовано здесь, у нас, в Москве.
В мире есть всего пять производителей такого провода. Мы являемся единственными производителями ВТСП-провода в Европе и поставляем ленту таким знаковым потребителям, как ЦЕРН, MIT, Siemens, Кембриджский университет.
Помимо выпуска ВТСП-провода, мы постоянно работаем над прорывными ВТСП-устройствами, которые не только способствуют развитию отрасли, но и создают рынок потребления ВТСП-провода. Одна из уже завершенных разработок - сверхпроводниковые токоограничивающие устройства (ТОУ). Это крайне важное для существующих электрических сетей устройство во много раз повышает надежность энергосистемы, снижает стоимость реконструкции подстанций, упрощает эксплуатацию энергетических сетей. Принцип действия этих устройств основан на способности материала переходить из состояния с высокой проводимостью в резистивное при воздействии тока выше порогового значения. В 2017 году «СуперОкс» подписала договор на установку первого ВТСП токоограничивающего устройства 220 кВ на территории подстанции «Мнёвники» АО «Объединенная энергетическая компания» в Москве. Эти работы поддержаны Фондом развития про-мышленности. Другое направление - создание сверхпроводникового электрического двигателя для разных применений. Мы получили грант Фонда перспективных исследований на создание электрического двигателя мощностью 500 кВт. В результате этой работы ВТСП-электродвигатели можно будет адаптировать для самых различных применений: авиации, судостроения, ракетной техники. Ключевое преимущество этих двигателей заключается в том, что они при том же размере и весе выдают существенно больше мощности, в разы больше, чем традиционные аналоги. Их коэффициент полезного действия одинаково высокий при разных мощностях. Это предоставляет огромные возможности для оптимизации эффективности работы в пиковых режимах (например, на взлете летательного аппарата), позволяет снизить потребление топлива, улучшить массогабаритные показатели. Airbus и NASA, которые тоже работают в этом направлении, посчитали, что перспективный электрический самолет будет использовать в 4 раза меньше топлива, чем сейчас. И без сверхпроводимости эти электрические системы не обойдутся.

РЗ: Как развивается деятельность компании в этом направлении?

АВ: В конструкции будущего электрического или гибридного самолета будет использоваться ВТСП-кабель, первый прототип которого сейчас создается в «СуперОкс». Разработка электрического самолета предполагает применение распределенной системы тяги, для этого электрические двигатели без использования сверхпроводимости недостаточно эффективны. Улучшение массогабаритных показателей и мощности ВТСП-электродвигателей позволило начать разработки летательных аппаратов вертикального взлета, например конвертопланного типа. Другое, встречающееся все чаще наименование - «аэротакси». Сейчас вся Силиконовая долина бьется над созданием подобных летательных аппаратов, а мы уже работаем над конкретным образцом. Еще один проект - создание электрического ракетного двигателя (ЭРД) с использованием ВТСП-материалов. Электрический ракетный двигатель отличается от химических двигателей, где используется сжигаемое топливо и окислитель, крайне низким потреблением рабочего тела. ЭРД малой мощности давно используются в спутниках для коррекции их положения или орбиты. Мы хотим с использованием наших сверхпроводников сделать такие двигатели на один или два порядка мощнее. Если сейчас эти двигатели можно использовать только для коррекции орбиты, с нашим ВТСП ЭРД можно будет создать космический буксир, который сможет перемещать грузы между орбитами, например с опорной орбиты на геостационарную. Эта технология позволит осуществлять перелеты между Землей и Луной, и дальше, вплоть до дальнего космоса. Транспортировка грузов между орбитами - это будущее, о котором все мечтают, но пока еще никто к нему не смог приблизиться. Новые материалы имеют большие шансы сделать мечту реальностью уже завтра.

РЗ: На какой стадии сейчас находится разработка электрического ракетного двигателя?

АВ: Мы закончили первую стадию проектирования. В ближайшие месяцы запланировано проведение испытаний отдельных компонентов ЭРД с последующей адаптацией для использования в космосе. Надеемся, что через 3–4 года первый аппарат с нашим электрическим ракетным двигателем на основе ВТСП-магнитов полетит в космос.

Самойленков Сергей Владимирович
Генеральный директор ЗАО «СуперОкс», кандидат химических наук

РЗ: В каких еще областях используются высокотемпературные сверхпроводники в целом и продукция вашей компании в частности?

Сергей Самойленков: Несмотря на то что ВТСП были открыты 30 лет назад, удобные для применения материалы в виде проводов появились на рынке всего десять лет назад, одновременно с образованием нашей компании. Их можно использовать везде, где передаются высокие токи или создаются высокие магнитные поля, где есть ограничения в весе или габаритах оборудования, где необходимо снижать потери, и так далее. В первую очередь, ВТСП-провода нашли свое применение в электроэнергетике. Сверхпроводимость является единственным путем к созданию ускорителей частиц и коллайдеров. Все существующие сейчас большие ускорители изготовлены из низкотемпературных сверхпроводников. ВТСП-материалы второго поколения позволят увеличить эффективность существующего оборудования, повысить магнитное поле и проложить дорогу к новым открытиям, к обнаружению новых частиц и физических явлений. Поэтому, в частности, нашей продукцией интересуется ЦЕРН.

РЗ: Расскажите, как вы сотрудничаете с ЦЕРНом?

СС: Мы являемся поставщиками сверхпроводника и уникальных компонентов на основе ВТСП, конкурируя с четырьмя зарубежными компаниями. Мы выигрываем в конкурентном соревновании не за счет низкой цены - она у нас зачастую выше, чем у конкурентов, а за счет высокого качества и уровня кастомизации продукта. Мы поставляем в ЦЕРН специальные кабели, сделанные из многочисленных, компактно сложенных плоских лент. Сейчас из такого кабеля делаются магнитные вставки, которые планируется устанавливать внутри Большого коллайдера, чтобы повысить там магнитное поле. Это в перспективе позволит делать ускорители меньше по размеру. ВТСП-провода - это единственные материалы, способные работать в сверхсильных полях. Рекордные ВТСП-магниты приближаются к пределу 40 Тл. Это фантастические величины для магнитного поля, которые не в импульсном, а в постоянном режиме стали доступны человечеству только сейчас, в течение последних двух лет.

ВТСП токоограничивающее устройство
PLD-оборудование для получения слоя ВТСП методом импульсного лазерного осаждения

РЗ: Как могут ваши электрические ракетные двигатели использоваться в космической технике?

СС: Важное замечание: имеется в виду не первая ступень для выведения на орбиту, не преодоление земного притяжения, здесь все пока стандартно. Мы говорим о двигателях, с помощью которых можно будет придавать объектам значительный импульс для их передвижения в космосе. Одна из самых важных задач сейчас, которая пока не решена и которую поможет решить наш двигатель: как, используя малое количество топлива, то есть килограммы вместо тонн, можно передвигаться в космическом пространстве с приемлемой скоростью. Например, телескоп «Хаббл» сейчас требует ремонта, обслуживания. У человечества был единственный способ до него долететь (а находится он на орбите около 570 км) - космический челнок «Шаттл». После закрытия этой программы никто, ни Роскосмос, ни Китай, ни NASA, ни SpaceX, ни Япония не могут туда долететь. Это невозможно. Мы создаем двигатель, который может позволить создать космический корабль-буксир, способный справиться с такой задачей. Создаваемый ЭРД способен включаться-выключаться большое количество раз, работать более 10 лет и иметь достаточную мощность для того, чтобы перемещать тяжелые спутники весом 5–6 тонн.

АВ: Если рассматривать идеи полетов в дальний космос, то это может стать реальностью благодаря данной технологии. Все фильмы, которые мы смотрим, все фантастические корабли, которые там есть, они все летают на этом принципе и никто не летает на химическом двигателе.

РЗ: Могли бы вы рассказать о каких-то специальных сферах применения сверхпроводящих материалов?

СС: Самое зрелищное - это магнитная левитация, создаваемая эффектом сверхпроводимости, когда сверхпроводник может левитировать, летать над магнитным полотном. У нас в «СуперОкс» даже есть платформа, которая способна поддерживать до двухсот килограммов веса. Левитационный поезд на магнитной подушке, развивающий скорость до 600 км/ч, уже проходит испытания в Японии. Запуск самолетов, истребителей - их можно ускорять с помощью электромагнитной катапульты. Все электрические и магнитные компоненты военной техники могут быть кратно улучшены. Вес силовой кабельной системы на корабле может быть уменьшен в 10 раз! Американцы сейчас активно занимаются этим, изготавливают из ВТСП специальные магнитные петли, опоясывающие боевой корабль во всех направлениях, для того чтобы сделать его невидимым для магнитных систем обнаружения и неуязвимым для магнитных мин. Корабль зачастую размагничивают на стационарных стендах, но когда он движется на значительные расстояния и, например, пересекает экватор, он снова становится легко наблюдаемым и уязвимым. Поэтому важно создать активные системы размагничивания, интегрированные в корабль, которые способны подстраиваться по ходу движения судна.

Одна из шести камер IBAD - установка для изготовления буферных слоев по технологии текстурирования в ассистирующем ионном пучке

РЗ: Зачем нужны сверхвысокие магнитные поля?

СС: Во-первых, они используются в исследовательских и аналитических приборах для изучения веществ, проведения тонкого химического анализа, например методом ядерно-магнитного резонанса. Во-вторых, ускорительная техника, о которой мы говорили выше. Есть еще прикладные задачи, частично оборонного значения, например гиперзвуковое оружие, радиосвязь с возвращаемыми космическими кораблями, с управляемыми ракетами, движущимися в облаке плазмы. Во всех этих случаях чем выше поле, тем лучше качество создаваемого решения, технические характеристики, и нередко эта зависимость нелинейная. Для масштаба: постоянные магниты позволяют создать поле до 1,5 Тл, самые мощные магниты на основе низкотемпературных сверхпроводников, которые используются в ускорителях, коллайдерах и томографах, имеют поле около 20 Тл, а современные ВТСП-технологии позволяют достичь поля до 40 Тл, и это не предел.

РЗ: Какие у вас есть амбиции на ближайшие несколько лет?

АВ: Мы хотим, чтобы с помощью ВТСП-технологий космические буксиры с электрическим ракетным двигателем открыли новую страницу в освоении космического пространства, летательные аппараты вертикального взлета стали новым видом общедоступного и комфортабельного воздушного транспорта во всем мире, а архитектура электроэнергетического комплекса стала простой, современной и надежной. Мы будем стремиться занимать в этом если не главную, то одну из центральных позиций. Дорогу осилит идущий - мы исходим из этого. Компанией «СуперОкс» уже пройден большой путь от разработки уникального продукта до его интеграции в новые прорывные проекты, и мы планируем его продолжить.

ТЕКСТ: «Редкие земли» ФОТО: Сергей Шиловс

Справка
Компания «СуперОкс» была создана в 2006 году Андреем Вавиловым. На сегодняшний день компания является единственным в России и Европе производителем высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) провода второго поколения. Сверхпроводники - уникальные материалы, обладающие нулевым электрическим сопротивлением и способные проводить токи с исключительно высокой плотностью. Устройства с использованием оксидных ВТСП-материалов способны изменить облик электроэнергетики и транспорта, открывают путь к созданию более эффективного оборудования для научных исследований и специальных применений. В основе интеллектуального капитала компании лежит более 350 лет совокупного опыта работы в области технологий получения тонких покрытий из сложных оксидов и изучения свойств новых сверхпроводящих материалов. Сегодня ВТСП-продукция компании поставляется в 15 стран мира. В 2011 году открылось подразделение в Японии ― SuperOx Japan LLC. Эффективная совместная работа двух компаний послужила залогом быстрого успеха проекта.

Полную версию материала о компании «СуперОкс» читайте в ближайшем номере журнала «Редкие земли».

В «Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете)» (МАИ) в « Центре сверхпроводниковых электрических машин и устройств» на кафедре 310 ведутся разработки электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости, начиная с 1965 года. В 1973 – 1990 гг. с участием МАИ разработаны, созданы и испытаны низкотемпературный сверхпроводниковый (НТСП) униполярный генератор мощностью 0,5 МВт и бортовой синхронный генератор мощностью 0,7 МВт, был выполнен ряд проектов бортовых криогенных энергетических установок мощностью 10 – 30 МВт.

Для развития работ в области прикладной сверхпроводимости в 1993 при кафедре 310 МАИ создан « Центр сверхпроводниковых электрических машин и устройств» . С этого момента в Центре «Сверхпроводниковых электрических машин и устройств» МАИ проводятся работы по созданию принципиально нового класса электрических машин с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) с охлаждением жидким азотом. В 1993 – 1997 гг. эти исследования проводились по программе ГКНТ «Актуальные направления в физике конденсированных сред» (направление «Сверхпроводимость»). В период 1995 – 2008 гг. при поддержке Миннауки России и Германии (работы по созданию первых опытных образцов электрических машин на основе объемных ВТСП). В период 2009 – 2013 гг. - в рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия» (в составе проекта Комиссии «Инновационная энергетика» приоритетного направления «Энергоэффективность» (работы по созданию электрических машин на основе ВТСП второго поколения и кинетических накопителей энергии с магнитным ВТСП подвесом).

Д. А. Медведев осматривает макет транспортной системы с ВТСП магнитным подвесом

Ниже приводятся результаты работ « по созданию нового электротехнического оборудования на основе современных ВТСП за период 1993 – 2013 гг.:
– В период 1993 - 1999 гг. созданы первые в мире серии гистерезисных ВТСП двигателей мощностью 100 Вт, 500 Вт, 1 кВт и 4 кВт, работающих в среде жидкого азота. Показано, что эти двигатели превосходят в 3 – 4 раза по массогабаритным параметрам электрические машины традиционного исполнения.
– В 1997 – 2000 гг. в МАИ разработаны, изготовлены и испытаны новые типы реактивных синхронных ВТСП двигателей мощностью 0,5 кВт, 2 кВт, 5 кВт и 10 кВт с композитным ВТСП ферромагнитным ротором, работающих при температурах жидкого азота.
– В 2002 г. в рамках Германо-Российского проекта "HTS Motor < 500 kW" в МАИ совместно с ВНИИ НМ им. Бочвара и ОАО «НИИЭМ» (г. Истра) создан 100 кВт реактивный ВТСП электродвигатель. В рамках той же кооперации в 2002 г. создан бортовой крионасос с ВТСП двигателем (совместно с ОАО «Туполев») для перспективных самолетов типа "Криоплан" на водородном топливе.
– В 2003 г. в МАИ совместно с ФПГ «Новые транспортные технологии» создан первый в России макет магнитного подвеса с использованием объемных ВТСП грузоподъемностью 500 кг для систем высокоскоростного транспорта.
– С 2005 г. в МАИ ведутся разработки ВТСП электродвигателей для приводов крионасосов водородной энергетики и систем криообеспечения силовых ВТСП кабелей. Экспериментально показано, что такие двигатели с постоянными магнитами и объемными ВТСП элементами имеют выходную мощность в 1,5 раза выше, чем традиционные синхронные двигатели при тех же режимах охлаждения в среде жидкого азота.
– В 2007 г. в МАИ совместно с ОАО «НПО Энергомаш имени ак. В.П. Глушко» и ОАО «АКБ Якорь» создан и успешно испытан промышленный образец крионасоса с ВТСП электроприводом для систем криообеспечения силовых ВТСП кабелей.
– В 2008 г. совместно с фирмой “Oswald Elektromotoren GmbH” (ФРГ) создан и успешно испытан высокодинамичный синхронный ВТСП электродвигатель с охлаждением жидким азотом мощностью 500 кВт для специальных промышленных приводов.
– В 2009 г. в МАИ совместно с ОАО «НИИЭМ» (г. Истра) успешно испытан высокодинамичный ВТСП электродвигатель мощностью 150 кВт (в рамках проекта «Машук» Минобороны РФ).
– В 2010 г. в МАИ совместно с ОАО «Русский сверхпроводник» спроектирован, изготовлен и испытан макетный образец кинетического накопителя энергии (КНЭ) на основе ВТСП магнитного подвеса с запасенной энергией 0,5 МДж.

В 2011 – 2015 гг. в рамках программы «Сверхпроводниковая индустрия» МАИ в кооперации с ОАО «НИИЭМ», МГТУ им. Баумана, ИФВЭ, ОАО «ВПО Точмаш» и ГУАП, были проведены следующие работы:
– разработаны технологии намотки ВТСП обмоток возбуждения электрических машин;
– разработаны, изготовлены и испытаны первые в РФ опытные образцы двигателя и генератора на основе ВТСП второго поколения мощностью 50 кВт;
– разработан и изготовлен генератор на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения мощностью 1 МВА для ветроэнергетических установок;
– разработан и изготовлен электродвигатель для транспорта на основе ВТСП второго поколения мощностью 200 кВт;
– разработан и изготовлен КНЭ с магнитным ВТСП подвесом с запасенной энергией свыше 5 МДж.

Итоги работ « Центра сверхпроводниковых электрических машин и устройств» МАИ по созданию новых типов ВТСП электрических машин, КНЭ и систем магнитного подвеса опубликованы в четырех монографиях, десятках статей и патентах и отражены в 9 кандидатских и 3 докторские диссертациях. Лидирующие позиции разработчиков в области создания новых типов электрических машин на основе современных ВТСП являются общепризнанными как в России, так и за рубежом. Работы по созданию криогенных ВТСП электрических машин отмечены двумя Премиями правительства РФ в области науки и техники за 2002 г. и 2009 г., а также отмечены рядом дипломов и медалей российских и зарубежных конференций и выставок.