Nadprzewodnictwo w elektroenergetyce: teraźniejszość i przyszłość

Ogólnym wzorcem naszych czasów jest zmniejszanie się luki między konkretnym odkryciem a jego realizacją. Kiedy ten okres osiągnął setki lat, teraz zmniejszył się do minimum. Na przykład wprowadzenie fotografii upłynęło o 112 lat od jej otwarcia. Nawozy mineralne zaczęły być używane 70 lat po ich utworzeniu, komunikacja telefoniczna - po 50 latach, transmisja - po 35, radiolokalizacja po 15, telewizja - po 12, bomba atomowa - po 6 latach, tranzystor - po 3, i laser - po zaledwie 2 lat

Początki technicznego wykorzystania nadprzewodników sięgają 1955 roku, kiedy z ich pomocą powstał pierwszy elektromagnes. Upłynęło 56 lat od odkrycia nadprzewodnictwa do jego wprowadzenia. O co chodzi

Według niektórych brytyjskich fizyków opóźnienie to wynika z dwóch powodów: niewystarczającego rozwoju technologii kriogenicznej i odkrycia jedynie miękkich, czystych nadprzewodników. Twarde materiały o technicznie akceptowalnych parametrach stały się znane dopiero w 1930 roku, a zaledwie ćwierć wieku później faktycznie powstały przewodniki z takich materiałów. Natychmiast zbudowano elektromagnes z uzwojeniem nadprzewodzącym i pomyślnie przetestowano. Narodziła się nadprzewodnictwo techniczne.

Tak więc wynalazek i początek zastosowania technicznie odpowiednich materiałów nadprzewodzących zbiegły się w czasie (1955). Ale faktyczny wynalazek nadprzewodników nastąpił może później. W końcu dopiero w 1963 r. Udało się stworzyć naprawdę sprawne druty, które trzeba było spowolnić w celu stabilizacji termicznej. Paradoksalnie jest faktem: wprowadzenie nadprzewodników rozpoczęło się osiem lat wcześniej niż ich rzeczywiste odkrycie.

Dziś nadprzewodniki są praktycznie stosowane w fizyce, gdzie od wielu lat wykorzystywane są duże obiekty badawcze i nowe urządzenia. Z prasy znane są pojedyncze zastosowania nadprzewodzących silników elektrycznych, żyroskopów, elektromagnesów na statkach, samolotach. W medycynie pojawiły się nadprzewodnikowe mierniki pól magnetycznych wytwarzanych przez żywe organizmy.

Zastosowanie nadprzewodników w sektorze energetycznym i transporcie jest bardzo istotne. Tutaj prace przygotowawcze trwają od wielu lat, ale nowe maszyny i kable jeszcze nie działają. Dlaczego

Istnieje wiele powodów, które opóźniają datę masowego zastosowania nadprzewodników w gospodarce narodowej. Na przykład niełatwo było opracować teorię nadprzewodnictwa, ale inżynierom nie jest trudniej opanować tę teorię. Niespodziewanie trudnym zadaniem była konstrukcja drutów nadprzewodzących, nie ma innego słowa na temat procesu tworzenia kompozycji wieloelementowej z różnych metali. Produkcja taśm nadprzewodzących, opon i drutów wymagała opracowania specjalnej technologii, stworzenia specjalnych maszyn, a nawet nowych gałęzi przemysłu.

Duże trudności związane są z kriogenicznym zaopatrzeniem obiektów nadprzewodzących, ponieważ nadprzewodnictwo powstaje tylko w bardzo niskich temperaturach. Wymagane były ciężarówki chłodnie o dużej mocy.

Rozwój technologii kriogenicznej jest nie do pomyślenia bez użycia głębokiej próżni, więc musisz nauczyć się, jak ją otrzymywać i utrzymywać. I oczywiście pomiary: potrzebujemy specjalnych czujników i urządzeń, drutów kontrolnych, które przechodzą przez wnęki o różnych temperaturach.

Ale gdy uda się pokonać wszystkie te trudności, rozwiązanie problemu elektrycznego nie będzie łatwe. Do tej pory w elektrotechnice dużej mocy zwykle używa się prądów od dziesiątek do setek amperów, a technicznie i ekonomicznie wykonalne jest przenoszenie prądów tysiące razy wyższych przez nadprzewodniki. Ale czy takie instalacje z wieloma wzmacniaczami są konieczne?

Takie instalacje istnieją, ale jest ich niewiele. Nie jest łatwo ich stworzyć, ponieważ obciążalność prądowa tradycyjnych przewodów, miedzi i aluminium, jest ograniczona. Teraz, gdy za pomocą nadprzewodników można wielokrotnie zwiększać gęstość prądu i same prądy, realistycznie byłoby mówić o modernizacji wszystkich obiektów elektroenergetycznych od elektrowni po odbiorców. Ale czy taka korekta jest konieczna? Jeśli nie, to po co tworzyć nadprzewodzące elementy elektryczne?

Takie jednostki powinny być wieloamperowe, co jest niezaprzeczalne. W końcu nadprzewodniki to wspaniały materiał na przewodniki. Ale obwody elektryczne są zaprojektowane dla małych prądów i bardzo wysokich napięć. Cóż, czy osadzić obiekty o natężeniu wielu amperów w obwodach o niskim natężeniu? Nierealne. Całkowita restrukturyzacja wszystkich urządzeń elektroenergetycznych jest ogromnym zadaniem. Czy nadprzewodniki naprawdę znajdą swoje miejsce tylko w unikalnych instalacjach fizycznych?

Jednak trudności związane z wprowadzeniem nadprzewodników są stopniowo rozwiązywane. Kiedy rozpoczęto pracę z nadprzewodnikami, szczególnie dotkliwy był brak przeszkolonego personelu, nowych materiałów, sprzętu i urządzeń. Ale wciąż, jeden po drugim, powstały małe modele. Odnotowano stały popyt na nowe przewody, fluidyzatory, przyrządy i czujniki. Fizycy i matematycy biorą udział w rozwiązywaniu czysto praktycznych problemów: określanie krytycznych pól i prądów, ocena strat prądu przemiennego, obliczanie termostabilnego zachowania nadprzewodników w ciekłym helu.

Obecnie setki zespołów badawczych zajmują się problemami nadprzewodnictwa technicznego. Zidentyfikowano długoterminowe plany badań, sformułowano łańcuchy prac, sporządzono listy obiektów do wdrożenia.

Zasadniczo można uznać, że prace poszukiwawcze niezbędne do stworzenia wiodących próbek nadprzewodników urządzenia wykonano o około 30–50%. Wśród stworzonych modeli są elektromagnesy do badań fizycznych i turbogeneratorów, silników, transformatory nadprzewodnikowe i odcinki kablowe, łożyska i urządzenia.

„Najbliższe lata będą miały kluczowe znaczenie dla przejścia nadprzewodników z laboratoriów do przemysłu w zastosowaniach na dużą skalę,” dwukrotnie mówi J. Bardin, laureat Nagrody Nobla.

Przeczytaj o przyszłości nadprzewodnictwa w następnym artykule.

Michaił Czernow https://e.imadeself.com/pl

Kontynuacja:

Przyszłością są nadprzewodniki