Сверхпроводник прогресса

В 2015 г. завершился первый этап национального проекта «Сверхпроводниковая индустрия», инициированного в 2010 г. президентской Комиссией по модернизации и технологическому развитию экономики. Цель данного этапа (20112015 гг.) - построение инновационной технической базы для повышения энергетической эффективности экономики РФ путём разработки и создания производств электротехнического оборудования на основе новейших технологий, связанных с применением высокотемпературных сверхпроводников.

Для достижения названной цели были поставлены следующие задачи:

•    создание конкурентных по стоимости опытных материалов для высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП-2) - длинномерных ленточных и объёмных;

•    создание опытных производств полученных материалов ВТСП-2;

•    разработка прототипов приборов на основе ВТСП-2 для электроэнергетики: генератора, сверхпроводящего ограничителя тока (СОТ), кинетических накопителей энергии, мощных токовводов для магнитных систем, индуктивного накопителя энергии, трансформатора, электродвигателя большой мощности;

•    подготовка опытного производства созданных прототипов.

Работы по проекту поручены институтам РАН, ведущим вузам, НИИ и предприятиям ГК «Росатом». Для координации создана компания «Русский сверхпроводник».

Направления прорыва

Эксперты отмечают, что производство сверхпроводящих кабелей и магнитов, применяемых в научных исследованиях по ядерной тематике, достаточно развито. Однако электроэнергетике нужны такие устройства, как СОТ короткого замыкания на уровни напряжения 100 кВ и выше. Обычных ограничителей тока на напряжения такого класса не существует, можно создать только сверхпроводящие.

Кроме того, перспективны ВТСП-генераторы для ветровых турбин большой мощности. Они обеспечат значительное (в разы) снижение веса и габаритов генератора и/или увеличение его мощности. Возникнет многогранный эффект - сокращение расходов на строительство башен и гондол, транспортировку и сборку элементов конструкции.
Большой потенциал имеют электрические двигатели на ВТСП, обладающие уникальными тяговыми характеристиками, малыми габаритами и массой. Такие двигатели востребованы в первую очередь на флоте.

Многообещающие перспективы открывает явление магнитной левитации - не только для скоростного транспорта, но и для производства долговечных бесконтактных подшипников.

В мегаполисах может быть выгодно использовать сверхпроводящие трансформаторы. Они позволят сэкономить на площади подстанций и обеспечить высокий КПД. Кроме того, сверхпроводящие линии позволят кардинально повысить надёжность энергосистем и избегать каскадных отключений. Для этого нужно соединить низковольтные подстанции сверхпроводниковыми кабельными вставками постоянного тока.

В центрах обработки данных (ЦОД) наверняка будут востребованы кинетические сверхпроводниковые накопители энергии ёмкостью до 20 МДж. Система резервного питания в ЦОД основана на кислотно-свинцовых аккумуляторах, у которых есть ограничения по скорости выдачи запасённой энергии и количеству циклов заряда-разряда. Сверхпроводниковые накопители этих недостатков не имеют.

Для построения электростанций создана концепция объединения в единой криосисте-ме целого комплекса сверхпроводникового оборудования, включая генератор, сверхпроводящий кабель с индуктивной связью, повышающий трансформатор, ограничитель тока короткого замыкания и размыкатель, а также индуктивный накопитель энергии.

База

Следует отметить, что поставленные задачи в целом были выполнены. К сожалению, результаты первого этапа проекта не были достойно представлены публике из-за неурядиц в экономике и ухудшающейся геополитической ситуации. Что же сделано?

Во-первых, налажено опытное производство исходных материалов для ВТСП-лент и лент-подложек. «Чтобы вы представили сложность задачи, скажу, что длинномерный сверхпроводник - это ленточка толщиной 50-100 мкм и длиной до 1 км с уровнем шероховатости поверхности 10 нм, изготовленная из разных материалов: сплава никеля и вольфрама, жаропрочных нержавеющих сталей. На ленте - сверхпроводниковый слой, состоящий из соединений иттрия, бария, меди и кислорода. Его наносят в вакуумных установках с помощью специальных прецизионных керамических мишеней методами лазерной абляции», - объясняет директор по развитию «Русского сверхпроводника» Виктор Панцырный.
В НИЦ «Курчатовский институт» по немецкой технологии наладили экспериментальную технологическую линию для производства ВТСП-2. Здесь можно получать ленты длиной до 100 м. На линии совершенствуют технологию с целями увеличения допустимых величин тока и снижения стоимости производства.

Технология включает множество этапов. Сначала на тонкую ленту из специальной жаропрочной нержавеющей стали, отполированной до зеркального блеска, наносится тек-стурированный буферный слой оксида циркония, который исключает взаимодействие подложки и сверхпроводника. Затем методом лазерного осаждения наносится склеивающий оксидный слой, а на него - рабочий слой из сверхпроводящей керамики, толщина которого ничтожно мала - один-два микрона. Сверху накладывается полоска серебра. Полученный «бутерброд» герметично запаковывается в медную оболочку. Весь 100-метровый отрезок сверхпроводящей ленты помещается на одной бобине, напоминающей ленту для катушечных магнитофонов.

В АО «НИИТФА» построен опытный участок по изготовлению сверхпроводящей ленты, где можно изготавливать отрезки длиной до 1050 м (при ширине 4 мм) с покрытием

оксидом иттрия, стабилизированным цирконием. В ЗАО «СуперОкс» налажено промышленное производство ленты ВТСП-2 длиной до 500 м с шириной 4 мм (ток 100-150 А) и 12 мм (300-500 А).

Воплощение

В Иркутске изготовлена кабельная линия длиной 2,5 км, которая должна в пилотном проекте соединить две подстанции в Санкт-Петербурге, чтобы без потерь передавать на постоянном токе напряжением 20 кВ мощность до 50 МВт.

Также в НИИТФА собран трёхфазный силовой трансформатор мощностью

1 МВА на напряжение 10 кВ с обмотками из ВТСП-2.

Как рассказал руководитель проекта «Русского сверхпроводника» Андрей Кащеев, создан опытный образец сверхпроводникового ограничителя тока, который можно использовать на электрифицированных железных дорогах. «У ограничителей на обычных проводниках в нормальном режиме потери энергии равны 120-150 кВт в час. У СОТ - не больше 5 кВт в час», - объяснил А. Кащеев.

В рамках президентского проекта в «Росатоме» созданы прототипы электрических машин: генераторы, двигатели и кинетические накопители энергии. Атомщики предлагают на их основе строить комплексные судовые системы электроснабжения. «Любое сверхпроводниковое устройство будет занимать в три-четыре раза меньше площади, чем обычное. Потери энергии заметно сократятся. Можно поставить вал на сверхпроводниковые подшипники, получив практически бесшумный двигатель - это важно для военного флота», - перечисляет В. Панцырный.

Сверхпроводящие генераторы могут оказаться лучшим вариантом для ветровых электростанций нового поколения. Особенно это касается Крайнего Севера, где есть большие проблемы со строительством фундаментов. «В мире ежегодно вводится до 40 ГВт ветровых мощностей, - рассказывает В. Панцырный. - Генератор мощностью 3-5 МВт в ветроустановках весит до 500 т и располагается на высоте 160 м. Мы создали демонстрационный образец сверхпроводникового генератора мощностью 1 МВт, который весит в три-четыре раза меньше аналогов с обычными проводниками. Работаем над устройствами мощностью 10 МВт, которые будут иметь массу как минимум в два-три раза меньше традиционных».

Выход на рынок

До прорыва в электротехнике, способного вывести электроэнергетическую отрасль на передовые позиции, совсем недалеко. Это вопрос ближайшего будущего, уверен В. Панцырный: «Прототипы принципиально новых энергетических устройств и технологии их производства готовы, однако мы не можем просто так взять и поставить, например, СОТ на действующую тяговую подстанцию. Это совершенно новый класс устройств, на которые нет нормативной документации.

Но промышленность верит в сверхпроводники. С нами многие компании готовы сотрудничать, чтобы довести опытные образцы до серийного производства. Нормы и правила будут разработаны, нет сомнения. Это дело двух-трёх лет».

Мировой рынок сверхпроводящей электротехники в общих чертах сформируется к 2020 г., прогнозирует А. Ка-щеев. «Чем шире будет у нас к этому моменту ассортимент устройств, прошедших апробацию в реальной энергосистеме, тем больше конкурентных преимуществ, - уверен он. - То, что уже сделано в рамках проекта "Сверхпроводниковая индустрия", даёт нам хороший задел для включения в конкурентную борьбу».

На следующий этап проекта намечены разработка и производство серийных ВТСП-систем различного назначения, о которых мы обязательно расскажем читателям.

Иван РОГОЖКИН

http://energovector.com/files/ev07-2016.pdf