CC BY
2Обзор
Россия готова к коммерческому производству сверхпроводящих обмоток
Е. Ю. Клименко1*
1 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
125993, Москва, Россия
* klimenko_e@mail.ru
Наивные надежды на то, что с появлением высокотемпературных сверхпроводников удастся повысить рабочую температуру сверхпроводящих устройств, рассеялись. Реабилитирован жидкий гелий в качестве наилучшего хладагента. Россия становится одним из крупных поставщиков гелия на внешний рынок. Еще не утрачена технология ниобий-титановой проволоки - наилучшего сверхпроводящего материала для коммерческих применений сверхпроводящих устройств. Россия свободна от распространенных в мире предрассудков относительно возможности коммерческого использования сверхпроводящих обмоток и занимает передовые позиции в разработке научно-технических основ прикладной сверхпроводимости. Отечественные специалисты имеют опыт разработки, изготовления и эксплуатации низкотемпературных сверхпроводящих устройств. В России существуют все предпосылки для разработки комплексной программы, включающей возобновление производства низкотемпературных сверхпроводящих проводов из отечественного сырья, организацию серийного производства сверхпроводящих электромашин, индуктивных накопителей энергии, оборудования для обогащения руд редкоземельных элементов и пр. с одновременным созданием инфраструктуры эксплуатации этих устройств.
Ключевые слова: сверхпроводящие обмотки, жидкий гелий, ниобий-титановые провода, ВТСП обмотки.
1. Введение
Коммерческий потенциал сверхпроводимости очевиден: метафорически он формулируется, как возможность сэкономить 10% вырабатываемой в мире энергии. Вряд ли найдется ещё одна ветвь науки, претендующей на почетный титул «прикладной», которая за свою вековую историю испытала бы такое количество всплесков энтузиазма и последующих разочарований. Можно вспомнить ранний проект Камерлинг-Оннеса, пообещавшего в 1911 г. соорудить сверхпроводящий магнит с полем 100 кГс. Мечта не осуществилась из-за того, что критическая температура оказалась не единственным параметром, определяющим возможность реализации этой идеи. Можно рассматривать этот случай в качестве модели ситуации, сложившейся после открытия в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Хорошо известный факт, заключающийся в том, что критический ток возрастает при снижении температуры (что и заставляет выбирать для сверхпроводящих устройств возможно низкую рабочую температуру), не смог проникнуть в сознание масс, охваченных энтузиазмом. Потребовалось тридцать лет небывалых в истории сверхпроводимости затрат и упорной (несомненно, плодотворной) работы многочисленных научных коллективов, чтобы сообщество пришло к выводу о целесообразности охлаждения ВТСП обмоток до температур кипения гелия или водорода. Автор втуне сожалеет, что открытие Мюллера и Беднорца не состоялось лет на десять позже. Возможно, продвижение в направлении, обозначенном титулом этой статьи, успело бы стать необратимым. К сожалению, поколения исследователей и потенциальных инвесторов, вошедшие в сознательный период жизни за прошедшие тридцать с лишним лет, уже не воспринимают термин «прикладная сверхпроводимость» без необязательного эпитета «высокотемпературная». Профессиональные энтузиасты, не удовлетворенные достижениями ВТСП, переключились на мечту о комнатной сверхпроводимости, не подозревая о том, что обмотки из новых материалов, когда и если они появятся, будут тоже работать при гелиевой температуре. Ниже приводится анализ трудностей перехода от впечатляющих достижений прикладной сверхпроводимости в научном приборостроении и индустриальной физике к коммерческим применениям, результаты преодоления этих трудностей и предложения по реализации намерений, вынесенных в титул статьи.
Как анализ, так и предложения основаны на отечественных публикациях, поскольку из зарубежных источников удалось обнаружить лишь одну статью [1], автор которой наивно декларирует необходимость перейти к коммерческому производству лабораторных соленоидов из ВТСП проводов, поскольку применению низкотемпературных соленоидов грозят прогнозируемые трудности с приобретением жидкого гелия в Европе. На Западе коммерциализации сверхпроводящих обмоток препятствует набор укоренившихся предрассудков. А именно, представление о неизбежности деградации, т. е. критических механотермических возмущений в крупных обмотках. Самопроизвольные переходы таких обмоток исключают возможность надежного управления ими. Эти технические препятствия были преодолены в нашей стране уже к началу девяностых годов прошлого столетия. К сожалению, предрассудки, как старые, так и возникшие в связи с мировой ВТСП эпопеей, до сих пор не позволяют реализовать открывшиеся возможности.
2. Оптимизация выбора хладагента для коммерческих обмоток
Для адекватного восприятия содержания этой статьи читателю нужно убедиться в том, что последовавшая за открытием ВТСП диффамация жидкого гелия в качестве хладагента для сверхпроводящих устройств была не только некорректной, но и злонамеренной. До трагедии девяностых годов гелий не был дешев, но был вполне доступен благодаря достойному государственному финансированию прикладной сверхпроводимости. Оренбургский ГПЗ обеспечивал страну газообразным гелием, а цена определялась тем, что он добывался из небогатого гелием (0,04%) природного газа. Неприемлемый современный уровень цены на газообразный гелий связан со стократной инфляцией и, в первую очередь, с потерей государственного финансирования. Свою роль сыграли и манипуляции монополиста, в какой-то мере спровоцированные компрометацией гелия энтузиастами ВТСП.
Рис.1. Цистерна для поставки жидкого гелия с Амурского ГПЗ в Сингапур и Малазию [2]
С вводом первой из трех линий выделения, сжижения и затаривания гелия на Амурском ГПЗ (20 млн куб. м гелия в год) [3] Россия стала одним из крупнейших поставщиков гелия в мире. Если прикладное сообщество России проявит минимальную инициативу для поставки гелия на внутренний рынок, сверхпроводящие устройства на ближайшие 200 лет будут надежно обеспечены гелием. Важно то, что Амурский ГПЗ получает природный газ с Ковыктинского месторождения природного газа. Содержание гелия в этом газе 0,35%. Несколько других богатых гелием месторождений открыты в Сибири. На рис.2 приведена зависимость стоимости выделения гелия посредством криогенной технологии в зависимости от его концентрации в природном газе.
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Содержание гелия в природном газе, %
Рис.2. Стоимость извлечения гелия криогенным методом [4]
Трудно представить, по какой причине цена гелия на внутреннем рынке в ближайшее время не упадет на порядок, тем более что сейчас для выделения гелия используется более дешёвая мембранная технология [4].
Нокаутирующий удар прикладной сверхпроводимости был нанесен утверждением о том, что получение холода на уровне 4,2 К требует в пятьдесят раз больших затрат мощности при комнатной температуре, чем на уровне 78 К. Этот аргумент оказался убедительным для профанов. Он был бы корректен, если бы теплопритоки к устройствам, охлаждаемым жидким гелием и жидким азотом были бы одинаковыми. Однако жидкий гелий никогда не используется без экрана с температурой около 80 К, снижающего теплоприток к гелию в 200 раз. Соответственно декларированную оценку нужно уменьшить до 1,5-2 раз. Коварство этого аргумента заключалось в том, что он полностью дискредитировал низкотемпературные устройства и позволил декларировать экономическую эффективность ВТСП устройств сравнением с медными устройствами, работающими при комнатной температуре. Если бы эффективность честно определяли сравнением с низкотемпературными устройствами, то эффект оказался бы много меньше 1%, что надолго бы сделало ВТСП предметом камерных исследований с ограниченным финансированием. В последние годы мировое сообщество пришло к выводу, что ВТСП провода целесообразно использовать при температуре кипения гелия или, на худой конец, в водородной шуге (14 К). Этот вывод реабилитирует низкотемпературную сверхпроводимость. Читатель понимает, что о термодинамическом преимуществе использования жидкого водорода можно не говорить. Газ, конечно, дешевле, но жёсткий регламент использования ограничит его применение.
3. Преодоление предрассудков, препятствующих коммерческим применениям
сверхпроводящих обмоток
Приведём причины, которые казались непреодолимыми для коммерческих применений прикладной сверхпроводимости и укажем методы их преодоления.
3.1. Убеждённость в неустранимости явления деградации, заключающейся в том, что силы, действующие в крупных обмотках, деформируют её скачкообразно, вызывая локальные повышения температуры. Прежде, чем ток достигнет проектной величины, эти возмущения локально переводят обмотку в нормальное состояние, после чего нормальная зона распространяется на всю обмотку. Из-за этого рабочий ток обмотки непредсказуем, что ограничивает возможности надежного проектирования обмотки. Это не фатально для исследовательских сверхпроводящих магнитов — исследование можно провести и при пониженном магнитном поле, но абсолютно не приемлемо для коммерческих обмоток.
Многочисленные зарубежные и отечественные неудачи в создании макетов электромашин, сепараторов и других коммерческих приложений спровоцировали появление в нашей стране внешне респектабельного заключения: «сверхпроводимость побеждает только там, где она решает проблемы, которые нельзя решить другими способами». Рациональный смысл этого заключения в том, что для некоторых важных применений приходится смириться с деградацией обмоток, если не понятно, как её преодолеть. Но второе, лицемерное толкование заключается в полном отказе от коммерческих применений прикладной сверхпроводимости. Вряд ли этот второй смысл должен предотвратить кратное увеличение удельных параметров электротехнических устройств за счёт использования недоступных традиционной технике индукций магнитного поля (3-8 Тл) и конструктивных плотностей постоянного тока в десятки кА/см2.
Многочисленные попытки преодолеть деградацию за счёт исключения движения отдельных витков в обмотке путем пропитки её различными компаундами (от воска до прочной эпоксидной смолы) приводили к успеху только для малых цилиндрических обмоток. Магнитные силы, действующие в крупных обмотках и в любых обмотках, не обладающих цилиндрической симметрией, приводили к их деформации, не устраняемой внешним бандажом.
Довольно давно сформулирован принцип [5], против которого нет возражений: чтобы исключить деградацию обмотки, нужно избегать суммирования сил, действующих отдельно на каждый её виток. У обмотки должен быть прочный и жесткий каркас, деформации которого под действием магнитных сил и моментов не превышали бы допустимый для провода уровень. Каждый виток обмотки по всей длине должен быть зафиксирован на этом каркасе. Формулированию этого принципа предшествовал успешный опыт [6-9] фиксации витков плоских галет овальной и прямоугольной формы между тонкими листами из нержавеющей стали с помощью авиационного клея, разработанного в ВИАМ и испытанного в сверхпроводящих обмотках в ходе совместной работы сотрудников ВИАМ и Курчатовского института. Прочность клеевого соединения на сдвиг при 4,2 К оказалась 90-100 МПа, что обеспечивает десятикратный запас по сдвиговым напряжениям в большинстве обмоток. Позже благодаря взаимодействию сотрудников ВИАМ и ГНЦ РФ ТРИНИТИ применение клеевой пленки ВК-36 [10] позволило усовершенствовать технологию таких обмоток, названных «ламинарными». Ламинарные обмотки испытаны неоднократно, в них всегда достигался критический ток. Были проведены сравнительные испытания традиционной обмотки с такой же ламинарной с применением сверхпроводящего пресса для достижения проектных нагрузок [5]. Оказалось, что импульсные возмущения в традиционной обмотке достигали 1.0 К при радиальной нагрузке и 0,65 К при аксиальной. В ламинарной обмотке возмущений не было. Разумеется, при выборе этого типа обмоток для коммерческого применения потребуется провести ресурсные испытания. Можно с высокой вероятностью рассчитывать на успех, ориентируясь на результаты эксплуатации клеев ВИАМ в конструкции самолетов, в которых клей в течение 30 лет три раза в неделю подвергается температурным колебаниям с амплитудой до 120 °С (от+50 на земле до -70 на высоте и снова до +50). Ламинарным обмоткам иногда противопоставляют вариант, в котором каждый виток помещен в спиральную канавку выфрезерованную в толстой пластине из нержавеющей стали. Такие обмотки уступают ламинарным по конструктивной плотности тока. Они значительно дороже из-за стоимости пластины и её обработки.
Другие трудности, перечисленные ниже, так или иначе, связаны с признанием деградации неизбежным злом и относительно просто устраняются в обмотках, свободных от деградации.
3.2. Неуправляемость. Рабочий ток деградирующих обмоток выбирается на 15-20% ниже критического тока. Тем не менее, при вводе тока до достижения номинального значения в обмотке происходят скачки деформации, регистрируемые схемой диагностики. Какой-то из таких скачков вызывает возникновение и распространение нормальной зоны. Его появлению не предшествует какой-либо сигнал, позволяющий использовать обратную связь для предупреждения перехода обмотки в нормальное состояние. Чтобы избежать повреждения обмотки, приходится прибегать к срочному выводу из неё энергии, что приводит к разогреву обмотки и потере хладагента. При последующем вводе тока критический скачок нередко происходит при большем токе.
Традиционно применяется приём, названный тренировкой. В процессе тренировки обмотку переводят в нормальное состояние несколько десятков раз, чтобы приблизиться к номинальному значению рабочего тока. Как правило, обмотка запоминает это своё вытренированное состояние.
Номинальный рабочий ток ламинарных обмоток тоже выбирается несколько ниже критического, определяемого по характеристике короткого образца для максимального значения индукции в обмотке. Этот страховочный запас составляет 2-5%. В случае превышения номинального значения тока схема диагностики регистрирует медленно нарастающее с ростом тока напряжение, соответствующее устойчивому участку вольт-амперной характеристики провода. Протяженность этого участка и напряжение, при котором он завершается потерей устойчивости, тем больше, чем более размыта переходная характеристика провода. Это напряжение обеспечивает надёжную обратную связь для управления источником тока [11]. Первый управляемый таким образом относительно крупный соленоид (рис.3) был изготовлен в Курчатовском институте в 1976 году. Его успешные испытания дали импульс для разработки современной теории стабильности сверхпроводящих проводов [12, 13].
Рис.3. Внутренняя секция этого магнита с обмоткой из гальванического провода с параллельными ниобий-оловянными проволоками (параметр Стекли 5,65) сохраняла управляемость при критическом токе 7,13 кА благодаря размытости ВАХ проволок
3.3. Высокая стоимость деградирующих сверхпроводящих обмоток. Традиционные конструкция и технология обмоток с внешним бандажом весьма сложны и затратны. Особенно массивны бандажи обмоток, форма которых отличается от цилиндрической. На такие обмотки действуют большие изгибающие моменты, вызывающие скачкообразные деформации. В тех случаях, когда достижение номинального тока необходимо гарантировать (например, в случае тысяч дипольных магнитов Большого Адронного Коллайдера), изготовлению серии рабочих обмоток предшествует длительный дорогостоящий процесс изготовления и исследования полномасштабных моделей с достижением уровня магнитных сил и моментов, ожидаемых в проекте. Применение магнитного пресса для достижения проектных усилий на маломасштабной модели обсуждалось, но было использовано лишь единожды [5].
Вводу обмотки в эксплуатацию предшествует упомянутый выше трудоемкий и затратный процесс тренировки. Отчаянный способ, призванный обеспечить достижение в обмотке расчётного рабочего тока, использован в проекте международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Поскольку скачки деформации признаны неизбежными, предложено режим
работы выбрать так, чтобы обмотка имела «температурный запас» 0,6-1,5 К, т.е. при максимальном ожидаемом возмущении температура не поднималась при номинальном токе выше критической в точке с максимальным полем. Для реализации такого режима иногда приходится удваивать количество сверхпроводника в обмотке, соответственно возрастает её стоимость. Этот способ одобрен сверхпроводящим сообществом и тиражируется.
Весьма дорог традиционный способ защиты крупных сверхпроводящих магнитных систем. При энергоемкости порядка 1-40 ГДж для того чтобы спасти обмотку при неожиданном переходе её в нормальное состояние приходится быстро за 10-30 с выводить запасённую энергию на защитное сопротивление с начальной мощностью порядка 0,5-2 ГВт. Для этого рабочий ток должен быть порядка 50 кА, а начальное напряжение защитного вывода — несколько десятков кВ. Немало стоит применяемое мощное электротехническое оборудование и изоляция.
Сообщество высоко оценило используемый в проекте ИТЭР обмоточный провод С1С («кабель в трубе»). Его принято использовать в большинстве крупных сверхпроводящих магнитов. Для современных токамаков другие варианты просто не рассматриваются. Один из группы недостатков такого провода — сложная многоступенчатая технология и, соответственно, высокая цена.
Вряд ли перечисленные недостатки деградирующих обмоток приемлемы для коммерческих обмоток.
Особенность ламинарных обмоток заключается в использовании не внешнего, а внутреннего бандажа (рис.4). Прочность обмотки обеспечивается выбором толщины пластин, а отсутствие деформаций замечательной жёсткостью пластин, пропорциональной кубу их ширины. Масса такого каркаса значительно меньше любого внешнего бандажа. Каждый виток надежно приклеен с двух сторон по всей длине обмотки. Слой клея толщиной 100 мкм не растрескивается и не генерирует возмущений в отличие от иногда применяемой пропитки обмотки эпоксидными компаундами. Пластины выравнивают напряженное состояние обмотки, делая его почти однородным по всему её объёму. Они же выполняют важные дополнительные функции: температура обмотки однородна вследствие их тепло- и температуропроводности, а в случае аварийной защиты возникающие в пластинах вихревые токи, одновременно нагревая всю обмотку, переводят её в нормальное состояние и запасённая энергия выделяется в ней однородно, не вызывая локальных перегревов. При таком выводе в обмотке не возникает чрезмерных электрических напряжений, поскольку активное напряжение частично компенсируется индуктивным. В ламинарных обмотках такие события чрезвычайно редки, поскольку деформационные возмущения исключены, а надёжная система управления током не допускает переходов из-за превышения номинального тока.
4 5 6
з
2
1
1 мо ) С 1 Г! :
Axis direction Рис. 4. Фрагмент ламинарной обмотки. 1 - СП провод, 2 - структурный лист, 3 - аксиальная опора, 4 - слой клея, 5 - трубка с хладагентом, 6 - хладопроводящая оболочка
3.4. Эксплуатация деградирующих обмоток сложна и затратна. Большой набор криогенного и электротехнического оборудования, постоянно обслуживается высококвалифицированным персоналом. Это приемлемо для крупных проектов, таких как токамаки и ускорители, но должно быть исключено в многочисленных коммерческих применениях. Они должны быть избавлены от этой нагрузки. При широком распространении таких обмоток неизбежно возникнет инфраструктура, которая возьмёт на себя разработку, комплектацию и монтаж оборудования, постоянное снабжение хладагентами и периодическое обслуживание. Элементы такой инфраструктуры существуют сейчас в виде группы небольших фирм, обслуживающих медицинские магниторезонансные томографы, избавляя медиков от несвойственных им забот.
Таким образом, технические проблемы в принципе решены в России. Стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации ламинарных обмоток невелика. Клей прочно связывает всю конструкцию. Как видно из рис. 4, 8, 9 и 11 никакого крепежа и дополнительных деталей бандажа не требуется. Такая конструкция приспособлена для серийного производства на промышленном предприятии. Не требуется ни моделирование, ни длительная тренировка. Можно ожидать, что с накоплением опыта можно будет не испытывать обмотку у изготовителя и дополнительно снизить её себестоимость.
Наибольший вклад в стоимость обмотки вносит цена провода. Обоснование его выбора и мероприятия, способные снизить эту цену, изложены в разделе 4.
4. Оптимальный выбор сверхпроводящего обмоточного провода
Автор сознаёт, что подвергшееся в течение 30 лет разнузданной пропаганде общество не готово принять в качестве сверхпроводящего материала для коммерческих применений что-либо, кроме ВТСП-ленты второго поколения. Автор относится с уважением к настойчивым усилиям группы предприятий компании СуперОкс внедрить устройства из этого материала [14]. Однако, хрупкая лента не оптимальный материал для изготовления обмоток. Проблемы её использования оказались более сложными, чем те, что приходилось до 1973 года решать для ниобий-оловянной ленты, потерявшей актуальность сразу же после освоения бронзовой технологии многоволоконных ниобий-оловянных проволок. Надежды на то, что увеличенная теплоёмкость обеспечит стабильность ленты, не оправдались ни при азотной, ни при гелиевой температуре. Нормальная зона в обмотках возникает до достижения критического тока. При этом значительный температурный запас настолько ограничивает скорость её распространения, что эту зону трудно обнаружить, чтобы вовремя уменьшить ток и предотвратить локальное повреждение ленты. Не срабатывает и режим самосохранения обмотки, свойственный лабораторным соленоидам из низкотемпературных сверхпроводников благодаря быстрому распространению в них нормальной зоны. Проблема защиты обмоток из ВТСП ленты пока не решена. Предложения использовать для изготовления обмоток неизолированный провод [15] не кажутся серьёзными из-за длительности перераспределения токов в таких обмотках, отсутствия линейной связи между полем и током и трудностями управления ими. Такие идеи рассматривались в шестидесятые годы для низкотемпературных сверхпроводников и были отвергнуты. Очевидно, что возрождение этих идей свидетельствует об отсутствии разумных решений. Видимо, следует дождаться революционно оптимального решения для ВТСП проводов.
При обсуждении проблем применения ВТСП-ленты, следует учесть то, что критический ток этой ленты в жидком водороде вдвое ниже, чем в жидком гелии. Это означает, что цены эквивалентных обмоток, предназначенных для работы в жидком водороде и в жидком гелии, будут различаться в два раза. Это весомый аргумент для выбора гелия в качестве оптимального хладагента. Для коммерческих применений высокое критическое поле ВТСП ленты не является решающим преимуществом. Доступный для проводов из НТ-50 уровень рабочих индукций 3-8 Тл надолго обеспечит рентабельность коммерческих устройств.
Решающее преимущество ниобий-титановых проводов заключается в их пластичности. Не опасаясь повреждения провода, можно изготавливать обмотки произвольной формы и разнообразные транспонированные провода. Разработаны разнообразные конструкции ниобий-титановых проволок (рис.5) и отработаны их технологии.
Рис. 5. Поперечные сечения ниобий-титановой и ниобий-оловянной проволок из партий,
выпущенных ЧМЗ для ИТЭР
Лет двадцать назад во ВНИИНМ им. А. А. Бочвара выпущена опытная партия проволок с десятком тысяч волокон диаметром 0,1 мкм с шагом скрутки около 1 мм. Обмотки из таких проволок могут работать с переменным током в якорях сверхпроводящих электромашин.
Кроме отмеченных достойных сверхпроводящих и непревзойденных намоточных характеристик ниобий-титановых проводов, при выборе их для производства коммерческих обмоток в России нужно принять во внимание дополнительные их преимущества. Никакого импорта не нужно для их выпуска, все исходные материалы производятся в России. Производственные возможности Чепецкого механического завода (ЧМЗ) способны удовлетворить самые оптимистические ожидания потребности производителей коммерческих устройств на обозримые сроки. Качество отечественной ниобий-титановой проволоки определяет мировой уровень этого вида сверхпроводящих материалов, что продемонстрировано содружеством разработчиков технологии (ВНИИНМ) и специалистов-производственников (ЧМЗ) при выпуске большой партии проволоки для ИТЭР.
При разработке технологии этой партии специалисты ВНИИНМ и ЧМЗ удовлетворили жёсткие технические требования заказчика, заключавшиеся в предельной крутизне переходной характеристики проволоки. Американские и европейские заказчики традиционно предъявляют это требование, отрицательно сказывающееся на стабильности обмоток. Наши технологи не могли игнорировать это требование, чтобы не потерять завоеванный рынок. Для коммерческих обмоток им придется скорректировать технологию и освоить производство проволок с заданной степенью размытости сверхпроводящего перехода, удовлетворяющей требованиям современной теории стабильности [16].
Цена изготовленной для ИТЭР партии соответствовала общемировой того времени (около 300 $ за килограмм сверхпроводящего сплава). Эта цена великовата для отечественного потребителя. Существуют резервы для снижения цены проволоки даже с учётом принятой на предприятиях Росатома высокой нормы прибыли. Такие резервы могут быть реализованы при увеличении объёма выпуска проволоки, упрощении её конструкции, по сравнению с малообоснованными требованиями зарубежных заказчиков, введении сортов проволоки по критическим токам и длинам отрезков для устранения потерь, связанных с некондиционной для конкретного заказчика частью продукции.
Кооперация ВНИИНМ и ЧМЗ выпустила также крупную партию ниобий-оловянного многоволоконного провода для того же проекта. Для коммерческого униполярного генератора с максимальным полем 15 Тл можно использовать такой провод.
5. Сверхпроводящие обмотки первой очереди
Ниже перечислены и кратко описаны некоторые из возможных применений сверхпроводящих обмоток, к которым автор статьи имел непосредственное отношение. Для некоторых из этих применений существуют изготовленные и испытанные образцы, для других опробованная технология, для третьих разработанные проекты. Разумеется, следует принимать во внимание и многочисленные разработки других отечественных коллективов.
5.1. Электрогенератор мощностью 50 МВт (оценка) с неподвижным якорем диаметром 200,115 мм при максимальном поле 4 Тл на поверхности. Поле создаётся безжелезным четырехполюсным индуктором, вращающимся с частотой 1500 об/мин. Его внешний диаметр 800 мм и длина 1400 мм. Рассеянное поле индуктора скомпенсировано дополнительной обмоткой и не превышает 0,008 Тл (рис.6).
Рассеянное поле будет еще уменьшено с помощью ВТСП экрана на внутренней поверхности неподвижной вакуумной оболочки.
Для обмотки якоря выбран сверхпроводящий транспонированный провод из проволок с 10 000 волокон диаметром 0,1 мкм. Стеклопластик и углепластик использованы в качестве конструкционного материала, за счёт чего ожидается рекордная удельная мощность — 60 кВт/кг.
0,5-,-1-1-!-1-1-!-!-1-1--
0,4
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Рис.6. Распределение модуля поля индуктора сверхпроводящего генератора мощностью 50 МВт
5.2. Двухдисковый униполярный генератор СПУГ-10 мощностью 10 МВт (рис.7) (проект). Характеристики этого устройства приведены в таблице 1.
Рис.7. Схема СПУГ- 10 с экранирующей сверхпроводящей обмоткой
Таблица 1. Некоторые характеристики СПУГ-10
Параметр Единицы Значение
Мощность МВт 10
Максимальное поле Тл 15
Внешний диаметр м 1,7
Длина м 1,2
Масса т 5
Скорость вращения ротора об/мин 6000
КПД % 99
Длина НО провода м 6788
Комбинация униполярных генератора, двигателя и электродинамического вариатора — отличная альтернатива традиционной схеме с синхронным генератором и преобразователем частоты для систем электродвижения судов.
5.3. Линейный синхронный двигатель (полномасштабный макет). ЛСД, предназначался для электромагнитной катапульты ТАКР «Варяг» [17]. Основные характеристики устройства приведены в таблице 2. Поперечное сечение статора длиной 14 м соответствовало статору проектированной катапульты. Индуктор катапульты должен был состоять из четырёх блоков, один из которых изображен на рис.8. Толщина индуктора в вакуумной оболочке — 40 мм.
Рис. 8. Сверхпроводящий индуктор и статор электромагнитной катапульты
Таблица 2. Основные характеристики индуктора ЛСД
Параметр Единицы Значение
Площадь индуктора м2 0,825x0.355
Сечение обмотки мм2 20x55
Магнитодвижущая сила А 2,2 105
Масса проводника кг 11
Холодная масса кг 25
Магнитный момент А м2 5,1 104
Сверхпроводящий провод ЫЪ^п
Рабочий ток А 1200
Энергоёмкость Дж 40
Конструктивная плотность тока А/мм2 300
5.4. Сепаратор для обогащения руд редкоземельных элементов. На рис. 9 изображён экспериментальный сепаратор, использовавшийся в Курчатовском институте для разработки метода обогащения руд редкоземельных элементов [6].
Рис. 9. Обмотка экспериментального сепаратора для обогащения парамагнитных руд
редкоземельных элементов [6]
5.5. Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН). Принято считать, что масса СПИН с ростом энергоёмкости растёт пропорционально запасаемой энергии в степени 2/3. Это считается их решающим преимуществом перед другими накопителями, масса которых пропорциональна энергоёмкости. Эта закономерность должна дать неоспоримое преимущество крупным СПИН перед всеми другими типами накопителей. К сожалению, индуктивным накопителям не повезло, граничная энергоёмкость, за которой реализуется это преимущество перед литий-ионными аккумуляторами, за последние 40 лет увеличилась со 100 МДж до десятка ГДж. Это связано с тем, что индустрия аккумуляторов интенсивно развивалась во многих странах, а разработка СПИН оставалась полем деятельности пятерки лабораторий. Мода на ВТСП материалы понизила энергоёмкость разрабатываемых СПИН на два порядка, как из-за цены ВТСП ленты, так и из-за невысоких намоточных характеристик этого материала. Тем не менее, трудно представить, что идеальные индуктивности с вполне доступной сейчас энергоёмкостью 0,1-0,5 ГДж и неограниченным сроком жизни (кто-то волюнтаристски определил его в 30 лет) не дождутся применения в электротехнике и энергетике.
Рис. 10. СПИН типа «Компактный тор» и его поперечное сечение
Рис. 11. Ламинарные сектора СПИН-8
На практике применимы только СПИНы, не имеющие рассеянного поля. «Компактный тор» — оптимальный вариант конструкции таких устройств [19] (рис. 10-13). Его достоинства заключаются в однородной плотности накапливаемой в магнитном поле энергии, минимальных при заданной энергоемкости размерах, рациональной конструкции с минимальными потерями на вихревые токи благодаря полному отсутствию массивных металлических деталей и практическом отсутствии рассеянного поля. В 2007-2009 годах в ТРИНИТИ разработаны конструкция и технология такого накопителя и изготовлено устройство с энергоёмкостью 8 МДж. Трудно представить такой накопитель в варианте с традиционной обмоткой и внешним бандажом.
Рис. 12. Распределение индукции в объёме и вокруг компактного тора
Рис. 13. СПИН- 8 в процессе сборки
5.6. Силовые устройства. Сверхпроводящие обмотки можно применить для создания различных силовых устройств: низкотемпературных прессов, промышленных прессов, эталонов силы, динамометров. Тонкая регулировка тока в подвижном соленоиде и постоянство индукции стационарных соленоидов определяют широкий динамический диапазон изменения силы при высокой точности её измерения. В 1982 году в Курчатовском институте в содружестве с Ленинградским ВНИИМ им. Д. И. Менделеева изготовлен и сертифицирован эталон силы 100 кН (рис.14) [20, 21]. Рассматривалась возможность разработки эталона 1000 кН [22].
Рис. 14. Детали эталона силы 100 кН
5.7. Токоограничители. До открытия Мюллера и Беднорца энергетики не проявляли большого интереса к сверхпроводящим токоограничителям, видимо, не доверяя такой экзотике, как жидкий гелий. Однако, родственные этим изделиям сверхпроводящие ключи были разработаны в НИИЭФА и ГНЦ ТРИНИТИ и использовались, например, для получения мегаамперных токов путём переключения 25 секций накопителя СПИН-5 [23] из последовательного соединения в параллельное с выводом импульса тока 625 кА.
Рис. 15. Сверхпроводящий ключ ТРИНИТИ объёмом 1 л сопротивлением 1 Ом
Объём сверхпроводящего ключа обратно пропорционален произведению квадрата критической плотности тока на удельное сопротивление сверхпроводника в нормальном состоянии. По этому параметру ниобий-титановая фольга на два порядка превышает свойства ВТСП-ленты при 78 К. Высоко оценивая результат разработки компанией СуперОкс ВТСП токоограничителя,
доведённого до промышленной эксплуатации на подстанции «Мнёвники» в Москве, хотелось бы заметить, что токоограничитель из ниобий-титановой фольги был бы значительно дешевле. Невысокую скорость восстановления исходного состояния можно скомпенсировать переключением сработавшего ключа на расположенный рядом столь же дешёвый ключ в сверхпроводящем состоянии. При развитой гелиевой инфраструктуре эксплуатация такого токоограничителя не создавала бы лишних забот персоналу подстанции.
6. Выводы
В последней четверти прошлого века универсальный принцип устранения деградации низкотемпературных обмоток в принципе решил проблему коммерциализации прикладной сверхпроводимости. По несчастью, увлечение высокотемпературной сверхпроводимостью надолго отвлекло от реализации открывшихся возможностей и посеяло надежды на то, что все проблемы решит повышение рабочей температуры обмоток. Время показало тщету этих надежд и заставило вернуться к жидкому гелию.
В России имеются все научные, технические и технологические предпосылки для начала промышленного производства сверхпроводящих обмоток из сверхпроводящих проводов на основе сплава НТ-50, и их эксплуатации при температуре жидкого гелия. Сохранилась часть специалистов, имеющих высокую квалификацию и опыт. Традиционно в нашей стране серьёзные комплексные технические проблемы не решаются без появления достойного Главного Конструктора, способного определить основное направление, решить непростые проблемы организации кооперации разработчиков, промышленности и высшей школы, а также взаимодействия с ведущими компаниями и государством.
Благодарность
Автор благодарен К. Л. Ковалёву и Р. И. Ильясову за регулярные дискуссии на темы, затронутые в статье.
Литература
[1] A. Godeke, Supercond. Sci. Technol. 36, 113001 (2023).
[2] ГАЗПРОМ. Переработка. Благовещенск // blagoveshchensk-pererabotka.gazprom.ru, 2021. URL: https://blagoveshchensk-pererabotka.gazprom.ru/press/news/2021/09/294/
[3] Отгрузка сжиженного гелия с Амурского ГПЗ // energybase.ru, 2023. URL: https://energybase.ru/ news/companies/otgruzka-szizennogo-gelia-s-amurskogo-gpz-2023-09-12
[4] А. Э. Конторович и др. Сайт «НИИ КМ» // www.niikm.ru, 2007. URL: http://www.niikm.ru/ articles/publications/helium_in_the_world/
[5] E. Yu. Klimenko et al., IEEE Trans. Appl. 12, 1557 (2002).
[6] P. A. Cheremnykh, et al., IEEE Transactions on Magnetics 24, 882 (1988).
[7] E. Yu. Klimenko, et al., Cryogenics 30, 41 (1990).
[8] E. Yu. Klimenko, et al., IEEE Trans. on Magnetics 28, 470 (1992).
[9] И. О. Анашкин и др., Атомная энергия 57, 401 (1984).
[7] Справочник «Авиационные материалы» 10, М.: ВИАМ, 2019.
[8] Е. Ю. Клименко, Письма в ЖТФ, 48, 17 (2022).
[9] N. A. Chernoplekov, et al., Superconducting Magnet Systems for Plasma Physics Research in the USSR // MT-6 Proceedings. Bratislava, 1977 / Bratislava: ALPHA, 1977, page 3.
[10] Е. Ю. Клименко и др., ДАН СССР 261, 1350 (1981).
[11] Grilli F., et al., 32nd International Symposium on Superconductivity (ISS2019), 2020 / Journal of Physics: Conference Series 1590 (2020) 012051°I0P.
[12] S. Hahn, et al, IEEE Trans. Appl. Supercond. 21, 1592 (2011).
[13] E. Yu. Klimenko, et al., IEEE Trans. on Magnetics 28, 843 (1992).
[14] Ю. П. Чудный, Экспертный союз // http://unionexpert.su, 2014. URL: http://unionexpert.su/
elektromagnitnaya-katapulta-vozmozhnosti (2014).
[15] E. Yu. Klimenko, et al., IEEE Trans. on Magnetics 28, 470 (1992).
[16] Е. Ю. Клименко, Полулях Е. П., Тороидальная обмотка с однородным модулем магнитного. Пат. 2370923 РФ (2006).
[17] Н. П. Герасимов, Е.Ю. Клименко, С.И. Новиков, Н.С. Чаленко, Устройство для градуировки динамометров. АС 1091045 СССР (1982).
[18] Klimenko E. Yu. et al. Force Generator // Proc. the First Japan-CIS joint seminar on electromagneto-mechanics in structures (JSAEM), Tokio: 1992, page 71.
[19] Ю. В Тарбеев и др., Измерительная техника 10, 26 (1984).
[20] Ю. Д. Куроедов, Обзор ГКАЗ СССР, 49 (1982).
Russia is ready for commercial production of superconducting coils
E. Y. Klimenko
Moscow Aviation Institute (National Research University), 125993, Moscow, Russia *e-mail: klimenko_e@mail.ru
Клименко Евгений Юрьевич, доктор физико-математических наук, профессор, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет).
Dr., Prof. Klimenko Evgeny Yu. - Moscow Aviation Institute (National Research University).
