Свръхпроводимост в електроенергийната индустрия: настоящето и бъдещето

Общият модел на нашето време е стесняване на пропастта между определено откритие и неговото изпълнение. След като този интервал достигна стотици години, сега той намаля до минимум. Например въвеждането на фотографията е на 112 години след нейното откриване. Минералните торове започнаха да се използват 70 години след създаването им, телефонни комуникации - след 50 години, излъчване - след 35, радиолокация след 15, телевизия - след 12, атомна бомба - след 6 години, транзистор - след 3 и лазер - само след 2 година.

Началото на техническото използване на свръхпроводници е от 1955 г., когато с тяхна помощ е създаден първият електромагнит. Изминаха 56 години от откриването на свръхпроводността до нейното въвеждане. Какъв е въпросът?

Според някои британски физици това забавяне се дължи на две причини: недостатъчното развитие на криогенните технологии и откриването само на меки, чисти свръхпроводници. Твърдите материали с технически приемливи параметри стават известни едва през 1930 г. и само четвърт век след това всъщност са създадени проводници от такива материали. И веднага е изграден и успешно изпробван соленоид със свръхпроводяща намотка. Техническата свръхпроводимост се роди.

По този начин изобретението и началото на използването на технически подходящи свръхпроводящи материали съвпадат във времето (1955 г.). Но действителното изобретение на свръхпроводници се случи, може би, по-късно. В крайна сметка, едва през 1963 г. беше възможно да се създадат наистина работещи проводници, които трябваше да бъдат забавени за термична стабилизация. Парадоксално е факт: въвеждането на свръхпроводници започна осем години по-рано от реалното им откритие.

Днес свръхпроводниците практически се използват във физиката, където големи изследователски съоръжения и нови устройства се използват от много години. От пресата са известни единични приложения на свръхпроводящи електродвигатели, жироскопи, соленоиди на кораби, самолети. В медицината се появяват свръхпроводими метри магнитни полета, създадени от живи организми.

Използването на свръхпроводници в енергийния сектор и в транспорта е изключително актуално. Тук подготвителната работа продължава от много години, но нови машини и кабели все още не работят. Защо?

Има много причини, които отлагат датата на масовото използване на свръхпроводници в националната икономика. Например, не беше лесно да се разработи теория за свръхпроводимост, но за инженерите не е по-малко трудно да овладеят тази теория. Неочаквано трудна задача беше изграждането на свръхпроводящи проводници, няма друга дума за процеса на създаване на многоелементна композиция от различни метали. Производството на свръхпроводящи ленти, гуми и проводници изискваше развитие на специални технологии, създаване на специални машини и дори нови индустрии.

Големите трудности са свързани с криогенното снабдяване на свръхпроводящи обекти, тъй като свръхпроводимостта възниква само при много ниски температури. Необходими бяха хладилни камиони с висока мощност.

Развитието на криогенните технологии е немислимо без използването на дълбок вакуум, така че трябва да се научите как да го приемате и поддържате. И разбира се, измервания: имаме нужда от специални сензори и устройства, контролни проводници, които преминават през кухини с различна температура.

Но когато е възможно да се преодолеят всички тези трудности, няма да е лесно да се реши електрическият проблем. Досега във високоенергийната електротехника обикновено се използват токове от десетки до стотици ампери, а технически и икономически е възможно да се прехвърлят токове хиляди пъти по-високи чрез свръхпроводници. Но необходими ли са такива многоамперни инсталации?

Такива инсталации съществуват, но те са малко. Не е лесно да ги създадете, тъй като текущата носеща способност на традиционните проводници, мед и алуминий, е ограничена. Сега, когато с помощта на свръхпроводници е възможно многократно да се увеличават плътностите на тока и самите токове, би било реалистично да се говори за модернизиране на всички електроенергийни съоръжения от електроцентрали до потребители. Но необходима ли е такава корекция? Ако не, защо да създавате свръхпроводящи електрически компоненти?

Такива единици трябва да са много амперни, това е неоспоримо. В края на краищата, свръхпроводниците са прекрасен проводник. Но електрическите вериги са проектирани за малки токове и много високи напрежения. Е, вграждате мулти амперни обекти в ниско амперни вериги? Unreal. И цялостното преструктуриране на цялото електрическо оборудване е огромна задача. Дали суперпроводниците наистина ще намерят своето място само в уникални физически инсталации?

Трудностите на проблема, свързан с въвеждането на свръхпроводници, обаче постепенно се решават. Когато започна работа с приложени свръхпроводници, липсата на обучен персонал, нови материали, оборудване и устройства беше особено остра. Но все пак един след друг възникнаха малки модели. Налице е постоянно търсене на нови проводници, флуидизатори, инструменти и сензори. Физиците и математиците участват в решаването на чисто практически проблеми: определяне на критични полета и токове, оценка на променливи загуби, изчисляване на термостабилното поведение на свръхпроводници в течен хелий.

Днес стотици изследователски екипи са ангажирани с проблемите на техническата свръхпроводимост. Определени са дългосрочни планове за научни изследвания, формулирани са вериги за работа, готови са списъци с съоръжения, които трябва да бъдат приложени.

Като цяло може да се счита, че търсенето, необходимо за създаване на водещите образци на свръхпроводници на оборудването, е извършено с около 30-50%. Сред създадените модели са електромагнитите за физически изследвания и за турбогенератори, двигатели и др. свръхпроводящи трансформатори и кабелни секции, лагери и устройства.

„Следващите няколко години ще бъдат от решаващо значение за прехода на свръхпроводници от лаборатории към индустрията за широкомащабни приложения“, казва Дж. Бардин, носител на Нобелова награда два пъти.

Прочетете за бъдещето на свръхпроводимостта в следващата статия.

Михаил Чернов https://e.imadeself.com

Продължение:

Бъдещето е свръхпроводници