Технологические применения сверхпроводимости

Технологические применения сверхпроводимости включают:

производство чувствительных магнитометров на основе СКВИДов (сверхпроводниковых квантовых интерференционных устройств)
быстрые цифровые схемы (в том числе на основе джозефсоновских переходов и быстрых однопоточных квантов ), технологии
мощные сверхпроводящие электромагниты, используемые в поездах на магнитной подвеске , машинах для магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР), термоядерных реакторах с магнитным удержанием (например, токамаках ), а также магниты для управления лучом и фокусирующие магниты, используемые в ускорителях частиц.
силовые кабели с низкими потерями
Радиочастотные и микроволновые фильтры (например, для базовых станций мобильных телефонов , а также военных сверхчувствительных/селективных приемников)
короткого замыкания ограничители тока
высокочувствительные детекторы частиц , в том числе датчик края перехода , сверхпроводящий болометр , сверхпроводящий детектор туннельного перехода , детектор кинетической индуктивности и сверхпроводящий однофотонный детектор на нанопроволоке.
для рейлгана и койлгана магниты
электродвигатели и генераторы ^[1]

Низкотемпературная сверхпроводимость

Магнитно-резонансная томография и ядерный магнитный резонанс

Наибольшее применение сверхпроводимости — создание больших по объему, стабильных и высокоинтенсивных магнитных полей, необходимых для магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это представляет собой рынок стоимостью в несколько миллиардов долларов США для таких компаний, как Oxford Instruments и Siemens . В магнитах обычно используются низкотемпературные сверхпроводники (LTS), поскольку высокотемпературные сверхпроводники еще недостаточно дешевы, чтобы экономически эффективно создавать необходимые высокие, стабильные и большие по объему поля, несмотря на необходимость охлаждения инструментов LTS до температур жидкого гелия . Сверхпроводники также используются в научных магнитах с сильным полем.

Ускорители частиц и устройства магнитного синтеза

Ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, могут включать в себя множество электромагнитов сильного поля, требующих большого количества LTS. Для создания магнитов БАК потребовалось более 28 процентов мирового производства ниобий-титановой проволоки в течение пяти лет, при этом большие количества NbTi также использовались в магнитах для огромных экспериментальных детекторов БАК. ^[2]

В обычных сварочных машинах (JET, ST-40, NTSX-U и MAST) используются медные блоки. Это ограничивает их поля до 1-3 Тесла. Создание нескольких сверхпроводящих термоядерных машин запланировано на 2024-2026 годы. К ним относятся ИТЭР , ARC и следующая версия ST-40 . Добавление высокотемпературных сверхпроводников должно привести к улучшению поля (10-13 тесла) на порядок для нового поколения токамаков. ^[3]

Высокотемпературная сверхпроводимость

Коммерческое применение высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) до сих пор было ограничено другими свойствами обнаруженных к настоящему времени материалов. Для охлаждения до сверхпроводящих температур HTS требуется только жидкий азот , а не жидкий гелий . Однако известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники представляют собой хрупкую керамику, которую дорого производить и из которой нелегко сформировать провода или другие полезные формы. ^[4]Таким образом, приложения для HTS были там, где у него есть некоторые другие внутренние преимущества, например:

токовые выводы с низкими тепловыми потерями для устройств LTS (низкая теплопроводность),
ВЧ- и СВЧ-фильтры (низкая устойчивость к радиочастотам) и
все чаще в специализированных научных магнитах, особенно там, где размер и потребление электроэнергии имеют решающее значение (хотя провод HTS намного дороже, чем провод LTS в этих приложениях, это может быть компенсировано относительной стоимостью и удобством охлаждения); желательна возможность линейного изменения поля (более высокий и широкий диапазон рабочих температур HTS означает, что можно управлять более быстрыми изменениями поля); или желательна работа без криогена (для LTS обычно требуется жидкий гелий, который становится все более дефицитным и дорогим).

Системы на базе HTS

HTS находит применение в научных и промышленных магнитах, в том числе в системах ЯМР и МРТ. Коммерческие системы теперь доступны в каждой категории. ^[5]

Кроме того, одним из внутренних свойств HTS является то, что он может выдерживать гораздо более сильные магнитные поля, чем LTS, поэтому HTS при температурах жидкого гелия исследуется для вставок с очень сильным полем внутри магнитов LTS.

Многообещающие будущие промышленные и коммерческие применения HTS включают индукционные нагреватели , трансформаторы , ограничители тока повреждения , накопители энергии , двигатели и генераторы , термоядерные реакторы (см. ИТЭР ) и устройства на магнитной левитации .

Первые применения будут там, где преимущества меньшего размера, меньшего веса или возможности быстрого переключения тока (ограничители тока повреждения) перевешивают добавленную стоимость. В более долгосрочной перспективе, по мере падения цен на проводники, системы HTS должны быть конкурентоспособными в гораздо более широком спектре приложений только по соображениям энергоэффективности . (Относительно технический и ориентированный на США взгляд на состояние применения технологии HTS в энергетических системах и состояние разработки проводников поколения 2 см. в ежегодном экспертном обзоре Министерства энергетики США «Сверхпроводимость для электрических систем, 2008 г. »).

Передача электроэнергии

Проект Holbrook Superconductor Project , также известный как проект LIPA, представлял собой проект по разработке и созданию первого в мире серийного сверхпроводящего силового кабеля передачи . Кабель был введен в эксплуатацию в конце июня 2008 года Управлением энергетики Лонг-Айленда (LIPA) и находился в эксплуатации в течение двух лет. Электрическая подстанция в пригороде Лонг-Айленда питается от подземной кабельной системы длиной 2000 футов (600 м), которая состоит из около 99 миль (159 км) высокотемпературного сверхпроводящего провода производства American Superconductor , охлажденного до -371 ° F (-223,9 ° C). 49,3 К) с жидким азотом , ^{[ сомнительно – обсудить ]} значительно снижая затраты, необходимые для доставки дополнительной мощности. ^[6] Кроме того, прокладка кабеля обошла строгие правила для воздушных линий электропередачи и предложила решение проблем общественности. ^{[ который? ]} на воздушных линиях электропередачи. ^[7]^{[ не удалось пройти проверку ]}

Проект Tres Amigas был предложен в 2009 году как электрический HVDC соединитель между Eastern Interconnection , Western Interconnection и Texas Interconnection . ^[8] Предполагалось, что это будет многомильная треугольная трасса из сверхпроводящих электрических кабелей, способная передавать пять гигаватт энергии между тремя энергосетями США. Срок действия проекта истек в 2015 году, когда компания Eastern Interconnect вышла из проекта. Строительство так и не было начато. ^[9]

В Эссене, Германия, находится самый длинный в мире сверхпроводящий силовой кабель длиной 1 километр. Это кабель на напряжение 10 кВ, охлаждаемый жидким азотом. Кабель меньше, чем эквивалентный обычный кабель на 110 кВ, а более низкое напряжение имеет дополнительное преимущество, заключающееся в использовании трансформаторов меньшего размера. ^[10]^[11]

В 2020 году алюминиевый завод в Фёрде , Германия, объявил о планах использовать сверхпроводники для кабелей с током 200 кА, сославшись на меньшие объемы и потребность в материалах как на преимущества. ^[12]^[13]

Диборид магния

Диборид магния является гораздо более дешевым сверхпроводником, чем BSCCO или YBCO, с точки зрения стоимости токонесущей способности на длину (стоимость/(кА*м)), на том же уровне, что и LTS, и на этом основании многие производимые провода уже дешевле. чем медь. Кроме того, MgB ₂ является сверхпроводником при температурах выше LTS (его критическая температура составляет 39 К по сравнению с менее 10 К для NbTi и 18,3 К для Nb ₃ Sn), что открывает возможность использования его при 10-20 К в безкриогенных средах. магнитах или, возможно, в конечном итоге в жидком водороде. ^{[ нужна ссылка ]} Однако MgB ₂ ограничен в магнитном поле, которое он может выдерживать при таких более высоких температурах, поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы продемонстрировать его конкурентоспособность в приложениях с более высокими полями.

Захваченные магниты поля

Воздействие на сверхпроводящие материалы кратковременного магнитного поля может привести к его улавливанию для использования в таких машинах, как генераторы. В некоторых приложениях они могут заменить традиционные постоянные магниты. ^[14]^[15]^[16]

Примечания

^ Фишер, Мартин. Новый путь к возобновляемой энергии мощностью 10 МВт. World , 12 октября 2010 г. Дата обращения: 14 октября 2010 г.
^ Сверхпроводники смотрят в будущее. 2010 год
^ Магниты ИТЭР
^ См., например, Л. Р. Лоуренс и др.: «Высокотемпературная сверхпроводимость: продукты и их преимущества». Архивировано 8 сентября 2014 г. в Wayback Machine (2002) Bob Lawrence & Associates, Inc.
^ См., например, HTS-110 Ltd и Paramed Medical Systems .
^ Гелси, Стив (10 июля 2008 г.). «Энергетические компании осваивают новые технологии для стареющих сетей» . Обзор рынка . Проверено 11 июля 2008 г.
^ Экроуд, С. (декабрь 2012 г.). «Сверхпроводящее силовое оборудование» (PDF) . Технология*Наблюдение*2012 – через EPRI.
^ «Сверхпроводниковые электрические трубопроводы будут использованы для первого в Америке центра рынка возобновляемой энергии» . 13 октября 2009 г. Проверено 25 октября 2009 г.
^ Босуэлл-Гор, Алиса (13 марта 2021 г.). «Трес Амигас: Что могло бы быть» . Новости Восточного Нью-Мексико . Проверено 28 мая 2023 г.
^ Уильямс, Диармайд (7 января 2016 г.). «Успех Nexans в Эссене может получить распространение и в других городах» . Энергетика . Проверено 6 июля 2018 г.
^ «Проект маяка для эффективной транспортировки электроэнергии» (PDF) (на немецком языке). Архивировано из оригинала (PDF) 8 ноября 2014 г.
^ «Демо200» . Проверено 7 марта 2020 г.
^ «Компания Trimet в Фёрде делает ставку на устойчивую сверхпроводниковую технологию» (на немецком языке). 04 февраля 2020 г. Проверено 7 марта 2020 г.
^ «Магнит в ловушке поля | Центр электромеханики» . cem.utexas.edu . Проверено 9 ноября 2023 г.
^ «Физики обнаруживают недостатки в теории сверхпроводников» . физ.орг . Проверено 9 ноября 2023 г.
^ Вэнь, Его Величество; Лин, LZ; Сяо, Линия; Сяо, Л.; Цзяо, ЮЛ; Чжэн, Миннесота; Рен, ХТ (2000). «Магниты захваченного поля ВТСП сверхпроводников» . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 10 (1): 898–900. Бибкод : 2000ITAS...10..898W . дои : 10.1109/77.828376 . S2CID 38030007 .

[htsnavywind-1] Фишер, Мартин. Новый путь к возобновляемой энергии мощностью 10 МВт. World , 12 октября 2010 г. Дата обращения: 14 октября 2010 г.

[LHC-2010-2] Сверхпроводники смотрят в будущее. 2010 год

[ITER-magnets-3] Магниты ИТЭР

[4] См., например, Л. Р. Лоуренс и др.: «Высокотемпературная сверхпроводимость: продукты и их преимущества». Архивировано 8 сентября 2014 г. в Wayback Machine (2002) Bob Lawrence & Associates, Inc.

[5] См., например, HTS-110 Ltd и Paramed Medical Systems .

[6] Гелси, Стив (10 июля 2008 г.). «Энергетические компании осваивают новые технологии для стареющих сетей» . Обзор рынка . Проверено 11 июля 2008 г.

[7] Экроуд, С. (декабрь 2012 г.). «Сверхпроводящее силовое оборудование» (PDF) . Технология*Наблюдение*2012 – через EPRI.

[8] «Сверхпроводниковые электрические трубопроводы будут использованы для первого в Америке центра рынка возобновляемой энергии» . 13 октября 2009 г. Проверено 25 октября 2009 г.

[tr2021-9] Босуэлл-Гор, Алиса (13 марта 2021 г.). «Трес Амигас: Что могло бы быть» . Новости Восточного Нью-Мексико . Проверено 28 мая 2023 г.

[10] Уильямс, Диармайд (7 января 2016 г.). «Успех Nexans в Эссене может получить распространение и в других городах» . Энергетика . Проверено 6 июля 2018 г.

[11] «Проект маяка для эффективной транспортировки электроэнергии» (PDF) (на немецком языке). Архивировано из оригинала (PDF) 8 ноября 2014 г.

[12] «Демо200» . Проверено 7 марта 2020 г.

[13] «Компания Trimet в Фёрде делает ставку на устойчивую сверхпроводниковую технологию» (на немецком языке). 04 февраля 2020 г. Проверено 7 марта 2020 г.

[14] «Магнит в ловушке поля | Центр электромеханики» . cem.utexas.edu . Проверено 9 ноября 2023 г.

[15] «Физики обнаруживают недостатки в теории сверхпроводников» . физ.орг . Проверено 9 ноября 2023 г.

[16] Вэнь, Его Величество; Лин, LZ; Сяо, Линия; Сяо, Л.; Цзяо, ЮЛ; Чжэн, Миннесота; Рен, ХТ (2000). «Магниты захваченного поля ВТСП сверхпроводников» . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 10 (1): 898–900. Бибкод : 2000ITAS...10..898W . дои : 10.1109/77.828376 . S2CID 38030007 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]