Supraconductivitate la temperaturi ridicate
Descoperirea la sfârșitul anului 1986 a unei noi clase de materiale supraconductoare la temperatură înaltă extinde radical posibilitățile de utilizare practică a supraconductivității pentru a crea noi tehnologii și va avea un efect revoluționar asupra eficienței sectoarelor economiei naționale.
Fenomenul, care constă în dispariția completă a rezistenței electrice a unui conductor atunci când acesta este răcit sub temperatura critică, a fost descoperit în 1911, dar utilizarea practică a acestui fenomen a început la mijlocul anilor '60, după materiale supraconductoare adecvate pentru tehnică. au fost dezvoltate aplicații. Datorită faptului că temperaturile critice ale acestor materiale nu depășeau 20 K, toate dispozitivele supraconductoare create au fost operate la temperaturi ale heliului lichid, adică. la 4-5 K. În ciuda deficitului acestui agent frigorific, a costurilor mari de energie pentru lichefierea lui, a complexității și a costului ridicat al sistemelor de izolare termică, utilizarea practică a supraconductivității a început într-o serie de domenii. Cele mai mari aplicații ale supraconductorilor au fost electromagneții acceleratorilor de particule încărcate, instalațiile termonucleare și generatoarele MHD. Au fost create prototipuri de generatoare electrice supraconductoare, linii electrice, dispozitive de stocare a energiei, separatoare magnetice etc.. În ultimii ani, a început producția în masă a tomografelor RMN medicale de diagnosticare cu magneți supraconductori în diferite țări capitaliste, piața potențială pentru care este estimată la câteva miliarde de dolari.
Descoperirea supraconductorilor de înaltă temperatură, a căror temperatură critică depășește cu mult punctul de fierbere al azotului lichid, modifică fundamental performanța economică a dispozitivelor supraconductoare, deoarece costul lichidului de răcire și costul menținerii temperaturii necesare sunt reduse cu 50- 100 de ori. În plus, descoperirea supraconductivității la temperatură înaltă (HTSC) a ridicat interdicția teoretică privind o creștere suplimentară a temperaturii critice de la 30 la temperatura camerei. Astfel, de la descoperirea acestui fenomen, temperatura critică a crescut de la 30 la 130 K.
Programul științific și tehnic de stat prevede o gamă largă de lucrări, inclusiv cercetare fundamentală și aplicată care vizează rezolvarea problemei implementării tehnice a supraconductivității la temperatură înaltă.
În conformitate cu structura programului, principalele domenii de lucru sunt:
1. INVESTIGARE A NATURII ȘI A PROPRIETĂȚILOR HTSC-urilor.
Obiectivele principale ale acestui domeniu sunt cercetarea fundamentală pentru elucidarea mecanismului supraconductivității la temperatură înaltă, dezvoltarea teoriei HTSC, predicția căutării de noi compuși cu parametri critici înalți și determinarea proprietăților lor fizico-chimice.
2. INFLUENȚA FACTORILOR EXTERNI ASUPRA PROPRIETĂȚILOR MATERIALELOR HTSC.
În această direcție, se vor efectua studii privind influența presiunilor înalte, a efectelor mecanice și termice, a radiațiilor ionizante, a câmpurilor electromagnetice și a altor factori externi asupra proprietăților materialelor HTSC și elaborarea de recomandări privind realizarea materialelor HTSC cu tehnologia optimă. si caracteristici tehnice.
3. BAZELE ŞTIINŢIFICE ŞI TEHNOLOGII PENTRU OBŢINEREA MATERIALELOR HTSC.
Principalele obiective ale cercetării în acest domeniu sunt dezvoltarea fundamentelor teoretice pentru obținerea materialelor supraconductoare la temperatură înaltă cu proprietăți dorite, sinteza de noi materiale cu parametrii necesari implementării tehnice, precum și dezvoltarea tehnologiilor de obținere a supraconductorilor la temperatură înaltă de forme tehnice specificate. Problemele cheie în această direcție și întregul program în ansamblu sunt crearea de structuri tehnologice și stabile cu peliculă subțire, adecvate pentru implementare în tehnologia cu curent scăzut, și în special elemente purtătoare de curent de mare curent sub formă de fire, benzi, cabluri etc. pentru utilizare în tehnologia cu curent ridicat.
4. APLICAȚII HTS CU CURENȚ JOC.
Crearea de produse tehnice specifice bazate pe materiale HTSC este cea mai realistă în viitorul apropiat tocmai în tehnologia cu curent redus, adică. în microelectronică și tehnologie informatică.
În cadrul programului, este planificată dezvoltarea și stăpânirea producției în masă a trei clase de dispozitive electronice supraconductoare:
SQUID-urile (instrumente bazate pe joncțiuni Josephson) ca detectoare de câmpuri magnetice slabe pentru utilizare în medicină (magnetoencefalografie), geologie și geofizică (căutare de minerale, studiul structurii geologice a scoarței terestre, predicția cutremurelor), știința materialelor
(încercări nedistructive ale materialelor, structurilor), echipamentelor militare
(detecția anomaliilor magnetice, în special a submarinelor adânci), cercetare științifică, comunicații și navigație.
Dezvoltarea și implementarea pe scară largă a metodei magnetometrice SQUID de măsurare va permite într-un timp scurt schimbarea calitativă a multor tipuri de echipamente de măsurare, creșterea sensibilității instrumentelor și precizia măsurării de sute sau mai multe ori, aducerea capacităților de măsurare a unei game largi de senzori. la limita teoretică și aduce echipamentele de măsurare la cel mai înalt nivel calitativ nou.
Dispozitive analog-digitale (ADC) care utilizează trecerea ultra-rapidă (fracții de picosecundă) de la modul de funcționare Josephson la „Giver”, pentru aplicații în cele mai recente sisteme de comunicații, dispozitive de calcul digital pentru procesarea și analiza semnalelor analogice etc.
Dispozitive bazate pe efectul apariției unei tensiuni constante pe joncțiunea Josephson atunci când i se aplică un semnal cu microunde, pentru utilizare în sisteme de măsurare de precizie (de exemplu, un standard
Volta).
Supraconductivitatea la temperatură înaltă va găsi o largă aplicație în tehnologia computerelor. Deja în prezent, machete ale unei celule de memorie, un element de citire ultra-sensibil pe filmele HTSC cu o reducere multiplă a eliberării de energie în comparație cu amplificatoarele de citire cu semiconductor, linii de comunicație de ultra-înaltă viteză, care vor crește performanța sistemelor prin De 10 - 100 de ori, au fost deja dezvoltate, fabricate și testate. Introducerea supraconductivității la temperatură înaltă în tehnologia computerelor va da o creștere multiplă a vitezei și a gradului de integrare. Da, trec la
Conexiunile HTSC și scăderea temperaturii de funcționare a supercalculatoarelor cu semiconductori vor crește performanța acestora de la 10x9 la 10x12 operațiuni/sec.
Perspective largi de utilizare a HTSC-urilor se deschid în tehnologia cu microunde și în crearea de senzori în domeniul vizibil și IR cu sensibilitate ridicată.
5. APLICAȚII DE CURENȚ ÎNALT ALE HTSC.
Utilizarea HTSC în tehnologia de înaltă curent va avea cele mai radicale consecințe economice pentru economia națională.
Această direcție include crearea de dispozitive și sisteme de energie electrică care generează, transmit și convertesc energie electrică la scară industrială. La baza acestei direcții se află capacitatea supraconductoarelor de a transporta fără pierderi densități mari (10x9-10x10 A/m2) ale curentului de transport în câmpuri magnetice puternice la temperaturi sub cea critică. Această proprietate a supraconductorilor face posibilă crearea de echipamente electrice de putere pentru diverse scopuri, cu caracteristici de greutate și dimensiune îmbunătățite, mai mari.
eficienta si reducerea semnificativa (de zeci de ori) a costurilor de operare.
Astfel, la transmiterea puterii de peste 20 de milioane de kW pe liniile electrice de cablu pe o distanță mai mare de 2000 km, se așteaptă o scădere a pierderilor electrice cu 10%, ceea ce corespunde unei economii de 7 până la 10 milioane tce. in an. În același timp, costurile reduse pentru o linie de transmisie prin cablu supraconductor nu pot fi mai mult decât pentru o linie tradițională de transmisie de înaltă tensiune.
Generatoarele supraconductoare sincrone pentru centrale termice, centrale nucleare și hidrocentrale vor avea
Eficiență cu 0,5-0,8% mai mare și greutate și dimensiuni cu 30% mai mici. Se preconizează crearea unor dispozitive de stocare a energiei inductive supraconductoare, care, în comparație cu stațiile de stocare cu pompare, singurul tip de dispozitive de stocare a energiei care și-au găsit aplicații industriale în sectorul energetic, vor avea o eficiență semnificativ mai mare (în schimb până la 97-98% de 70%). În cadrul programului, este planificată crearea unei game largi de dispozitive electrice și de putere, în timp ce amploarea economiilor totale de energie datorate utilizării masive a HTSC va fi atât de mare încât va permite o revizuire radicală a celor existente. strategie extinsă pentru dezvoltarea complexului de combustibil și energie.
Conform structurii programului, se are în vedere dezvoltarea și producerea de dispozitive și sisteme supraconductoare, a căror creare este fezabilă din punct de vedere economic și tehnic pe baza supraconductoarelor tradiționale cu heliu.
Acestea sunt separatoare supraconductoare, tomografe RMN, sisteme magnetice pentru limitarea plasmei în TOKOMAKS și acceleratoare de particule etc.
Crearea unor astfel de sisteme, pe lângă efectul economic real din implementarea lor, va pune bazele tehnice și tehnologice necesare pentru o tranziție rapidă la HTSC pe măsură ce se creează conductori tehnologici HTSC.
6. CRYOSTATIZARE.
Deoarece, în ciuda creșterii semnificative a temperaturilor critice ale noilor materiale supraconductoare, valoarea lor absolută rămâne la nivelul temperaturilor criogenice, unul dintre cele mai importante domenii de cercetare și dezvoltare este crearea de instalații automate de lichefiere și refrigerare a azotului extrem de economice, fiabile. , sisteme de criostatizare pentru produse supraconductoare specifice, precum și căutarea unor metode fundamental noi de obținere a frigului în intervalul de temperatură de funcționare a HTSC-urilor.
Se are în vedere crearea de sisteme de diagnosticare și control al parametrilor dispozitivelor criostatice.
În plus, pentru produsele și sistemele create pe baza supraconductoarelor tradiționale, vor fi dezvoltate și fabricate instalații de heliu de nouă generație cu indicatori tehnici și economici înalți.
7. PREZENTAREA LUCRĂRII ÎN PROGRAMUL HTSC.
În cadrul acestei direcții, se are în vedere realizarea unei game largi de lucrări privind prognoza științifică și tehnică și un studiu de fezabilitate pentru utilizarea HTSC, dezvoltarea și implementarea sistemelor informatice automatizate, precum și crearea de baze de date pe HTSC.
În plus, un program cuprinzător de formare și recalificare a personalului de diferite calificări pentru lucru pe problemele de
HTSC.
Posibilitățile de utilizare practică a materialelor HTSC rămân promițătoare pentru microelectronică, medicină și sisteme eficiente de producere, stocare și transmitere a energiei.
Utilizarea filmelor a făcut posibilă crearea de mostre pilot de sisteme de comunicații de nouă generație (inclusiv scuturi electromagnetice, modulatoare, antene, comutatoare și filtre pentru semnale cu microunde și impulsuri, structuri de film multistrat, inclusiv, pe lângă straturile HTSC, straturi de dielectrice, feroelectrice, metale normale), bolometre cu unde milimetrice, gama submilimetrică și infraroșu de radiații, diagrame de circuite ale computerelor de mare viteză, tomografe medicale sensibile și dispozitive de diagnosticare ultrasensibile capabile să răspundă chiar și la modificările stării mentale ale unei persoane (aparate de măsurare folosind efectul Josephson).
De-a lungul anilor de existență a HTSC-urilor, curenții critici și dimensiunile benzilor cu caracteristici supraconductoare ridicate au crescut cu ordine de mărime, ceea ce face posibil să se vorbească despre posibilități reale de aplicare practică a acestei clase de materiale HTSC, inclusiv pentru crearea de magneți superputernici și linii de transfer de energie disipativă. Benzile cu manta argintie pot fi deja produse de multe companii pe o bază industrială și în volum (mulți kilometri) suficient pentru majoritatea aplicațiilor solicitate, iar acest proces este încă limitat de costul lor ridicat. Cu toate acestea, multe proiecte pilot și linii de testare sunt deja în funcțiune.
Experimente privind levitația ființelor umane în laboratorul de supraconductivitate ( Superconductivity Research Laboratory, ISTEC, Tokyo, Japonia)
Perspectivele de utilizare a materialelor HTSC pe baza fazei 123 sunt legate de faptul că cele mai de succes și practic soluții semnificative în acest domeniu pot fi găsite pentru produsele vrac cu o formă destul de simplă. Astfel de produse pot fi împărțite în două clase mari. Prima dintre acestea include mostre care au o capacitate mare de a ecrana un câmp magnetic extern sau de a fi împins de acesta, care poate fi caracterizată prin așa-numita forță de levitație, care depinde de densitatea curentului critic intracristalin. O altă clasă este formată din materiale HTSC cu valori mari ale curentului de transport (intercristalin). Aplicațiile practice așteptate ale unor astfel de ceramice sunt: (1) magneți permanenți cu flux magnetic „înghețat”, (2) trenuri de perne magnetice (proiectul MAGLEV), (3) acumulatori mecanici (rotativi) de energie bazați pe volante levitate (roți zburătoare), ( 4) rulmenți care se rotesc fără frecare, (5) motoare eficiente și economice și generatoare de sarcină grea, transformatoare, (6) separatoare magnetice de minereu, (7) relee supraconductoare, limitatoare de curent de mare viteză, (8) conductoare de curent puternice nedisipative , (9) tomografe care au fost utilizate în mod activ recent în medicină, (10) sisteme magnetice puternice pentru fuziunea termonucleară, acceleratori de particule elementare (Tokamak de o nouă generație), (11) generatoare magnetohidrodinamice.
Cea mai reală aplicație practică a monocristalelor mari poate fi materialele substrat în tehnologia filmelor subțiri și microelectronică. Acest lucru se datorează faptului că, fiind create dintr-un material similar ca compoziție chimică cu peliculele subțiri depuse, monocristalele ar trebui să prezinte nepotrivire scăzută între parametrii celulei unitare și film, coeficienți similari de dilatare termică și să promoveze creșterea filmului epitaxial. Toți parametrii cristalo-chimici și termomecanici ai cristalelor substratului pot fi ajustați destul de precis prin utilizarea soluțiilor solide cu diferite substituții atât în pozițiile de ytriu, cât și de bariu.
Astfel, în urma cercetărilor în domeniul supraconductorilor chimici, au fost rezolvate un număr imens de probleme și s-au obținut rezultate cu adevărat remarcabile. La rândul său, o înțelegere profundă a fundamentelor fizico-chimice ale proceselor care au loc în timpul preparării diferitelor materiale HTSC au fost cauzele fundamentale și pietrele de temelie ale acestui succes, iar acest lucru a îmbogățit în mod semnificativ teoria și practica sintezei anorganice a compușilor de oxizi complecși. Specificul cercetării moderne rusești privind HTSC constă în proporția mare a cercetării fundamentale, în care știința academică autohtonă este chemată să joace un rol important. În opinia noastră, aceste studii vor contribui la crearea unor dezvoltări interne destul de reale și competitive.
Fenomenul de supraconductivitate la temperatură înaltă (HTSC) a fost de interes doar pentru oamenii de știință nu cu mult timp în urmă. Cu toate acestea, astăzi produse profitabile comercial bazate pe HTSC, inclusiv cele rusești, intră pe piața echipamentelor de energie electrică. HTSC poate face o descoperire în tehnologiile de transmisie a energiei.
HTS deloc fierbinte
La începutul secolului al XX-lea, s-a descoperit că o serie de metale și aliaje sunt caracterizate de supraconductivitate, adică capacitatea de a avea rezistență zero la o temperatură apropiată de zero absolut (aproximativ -270 ° C). Pentru o lungă perioadă de timp, supraconductorii au putut fi utilizați numai la temperatura heliului lichid, ceea ce a făcut posibilă crearea de echipamente de accelerație. și rezonanța magnetică tomografii.
În 1986, supraconductivitatea a fost descoperită la o temperatură de aproximativ 30 K, care a fost distins cu Premiul Nobel, și la începutul anilor 1990. a fost posibil să se obțină supraconductivitate deja la 138 K și nu metale, ci compuși de oxid au fost utilizați ca supraconductor.
Materialele ceramice care au rezistență zero la temperaturi peste temperatura azotului lichid (77K) se numesc supraconductori la temperatură înaltă (HTSC). Cu toate acestea, dacă convertim Kelvin în grade Celsius, care ne sunt mai familiare, vom înțelege că vorbim despre temperaturi nu prea ridicate, să zicem, aproximativ minus 169–200 ° С. Nici iarna aspră rusească nu este în măsură să ofere astfel de condiții.
Mințile cercetătorilor sunt entuziasmate de ideea de a găsi materiale care pot merge în supraconductor stare la temperatura camerei (293K). Teoretic, o astfel de posibilitate există. Potrivit unor rapoarte, proprietățile supraconductoare au reușit să fie fixate chiar și în boabe individuale de grafit după o prelucrare specială. Până în prezent, căutarea supraconductorilor „la temperatura camerei” (RTSC) este considerată una dintre sarcinile cheie de cercetare în domeniul nanotehnologiei. Cu toate acestea, nu numai aplicarea practică, ci și confirmarea experimentală fiabilă a RTFT rămâne o problemă de mâine. Industria energiei electrice de astăzi stăpânește utilizarea HTSC.
Echipamentele bazate pe supraconductivitate la temperatură înaltă necesită răcire cu azot lichid. Potrivit experților din industrie, acesta este un agent frigorific relativ ieftin și convenabil care oferă o temperatură de 77K și vă permite să implementați proiecte practice.
Beneficiile supraconductivității
Supraconductivitatea poate fi utilizată (și este deja utilizată) într-o varietate de domenii. A fost folosit pentru prima dată la crearea magneților cu câmpuri mari. Cu ajutorul supraconductorilor se poate asigura levitația magnetică, permițând trenurilor de mare viteză să se deplaseze lin, fără zgomot și frecare. Se creează motoare electrice HTSC pentru nave și industrie care au parametrii de greutate și dimensiune semnificativ mai mici cu putere egală. Supraconductivitatea este interesantă din punctul de vedere al microelectronicii și al tehnologiei computerizate. Supraconductorii la temperatură joasă sunt utilizați în dispozitivele de diagnosticare medicală (tomografie) și chiar în proiecte exotice de „megasștiință” precum Large Hadron Collider și International Thermonuclear Reactor.
Speranțele sunt asociate cu supraconductivitate la temperatură înaltă pentru a depăși dilema energetică globală asociată, pe de o parte, cu o creștere constantă a consumului de energie în prezent și în viitor și, pe de altă parte, cu nevoia reducerea drastică a emisiilor de carbon pentru a preveni schimbările climatice. Până la urmă, de fapt, HTSC scoate la iveală echipamentele obișnuite pentru generarea și transmiterea energiei electrice fundamental un nou nivel în ceea ce privește eficiența.
Una dintre cele mai evidente aplicații ale supraconductorilor este în transportul de electricitate. Cablurile HTSC pot transmite o putere semnificativă cu o secțiune transversală minimă, adică au o lățime de bandă de altă ordine decât cablurile tradiționale. Când curentul trece printr-un supraconductor, nu se generează căldură și practic nu există pierderi, adică principala problemă a rețelelor de distribuție este rezolvată.
Generatoare datorită înfășurărilor din supraconductor materialele care oferă câmpuri magnetice uriașe devin mult mai puternice. De exemplu, concernul Siemens a construit trei generatoare HTSC cu o capacitate de până la 4 MW. Aparatul este pe jumătate la fel de ușor și mai mic decât un generator convențional de aceeași putere. De asemenea, generatorul HTS a prezentat o stabilitate mai mare a tensiunii în timpul schimbărilor de sarcină și caracteristici mai mari în ceea ce privește consumul de putere reactivă.
Astăzi, lumea dezvoltă activ turbine eoliene bazate pe supraconductivitate la temperatură ridicată. FolosindÎnfășurări HTSC Este realist să se creeze generatoare HTSC cu o capacitate de 10 MW, care vor fi de 2-4 ori mai ușoare decât cele convenționale.
Un domeniu promițător pentru utilizarea pe scară largă a supraconductorilor este stocarea energiei, al cărei rol este mare și în ceea ce privește dezvoltarea sistemelor energetice moderne care utilizează surse regenerabile de energie. Chiar și echipamentele electrice familiare, cum ar fi transformatoarele, capătă noi caracteristici calitativ datorită HTSC.
Supraconductivitatea vă permite să creați astfel de dispozitive neobișnuite, cum ar fi limitatoarele de curent de scurtcircuit, care limitează complet automat curentul în timpul unui scurtcircuit. si automat pornit atunci când scurtcircuitul este eliminat.
Bandă de a doua generație
Care dintre aceste idei promițătoare a fost deja pusă în practică și prin eforturile cui? În primul rând, trebuie remarcat faptul că în prezent sunt pe piață supraconductori la temperatură înaltă de prima și a doua generație (HTSC-1 și HTSC-2). În ceea ce privește volumul de produse produse până în prezent, HTSC-1 câștigă până acum, dar pentru experți este evident că viitorul dincolo de supraconductori a doua generație. Acest lucru se datorează faptului că în proiectarea supraconductoarelor HTSC-2, mai mult de 70% este o matrice din argint.
Una dintre companiile ruse cheie care lucrează pe tema supraconductoarelor de a doua generație este CJSC SuperOx. Ea își are originea în zidurile Universității de Stat din Moscova numită după Lomonosov, unde grupul științific al Facultății de Chimie a lucrat la tehnologia depunerii peliculelor subțiri de supraconductori. În 2006, pe baza cunoștințelor acumulate, a fost lansat un proiect comercial pentru a crea o producție internă de fire HTSC de generația a 2-a.
În 2011, aria de interes a SuperOx a fost extinsă printr-o strânsă cooperare cu nou creata SuperOx Japan LLC. A fost înființată o linie de producție pilot pentru a produce fir HTSC cu un curent critic de până la 500 A/cm lățime. Din 2011, SuperOx-Innovations este, de asemenea, rezident în Skolkovo, unde efectuează cercetări aplicate care vizează optimizarea caracteristicilor tehnice ale benzilor HTSC de a doua generație și dezvoltă diverse tehnologii pentru producerea acestor materiale. În 2013, producția de bandă HTSP-2 a fost lansată în parcul industrial Slava din Moscova.
„Produsul nostru, banda supraconductoare de a doua generație, este un substrat din oțel inoxidabil special rezistent la temperaturi ridicate, care ulterior nu își pierde proprietățile mecanice atunci când sunt aplicate pelicule subțiri”, spune Vadim Amelichev, specialist de top la SuperOx CJSC. - Folosind metode speciale, pe acest substrat se aplică straturi de oxid tampon, iar ca strat funcțional se aplică o peliculă de cuprat de gadoliniu-bariu. Apoi, această structură este acoperită cu straturi subțiri de argint sau cupru și în această formă este utilizată în supraconductor dispozitive.
Cu o grosime a filmului de numai unul sau doi microni, un astfel de material are o capacitate de purtare a curentului de aproximativ 500 A per 1 mm² de secțiune transversală, adică de sute de ori mai mare decât cea a unui cablu de cupru convențional. În consecință, o astfel de bandă este ideală pentru aplicațiile în care este necesar un curent ridicat. Cabluri pentru curenți mari, magneți pentru câmpuri mari - principalul domeniu de aplicare.
SuperOx are un ciclu complet de producție pentru banda HTSP-2. În 2012, vânzările acestui produs inovator au început, iar acum materialul este furnizat nu numai Rusiei, ci și și exportateîn nouă țări, inclusiv Uniunea Europeană, Japonia, Taiwan și Noua Zeelandă.
„Nu există mulți producători de bandă HTSC-2 în lume”, explică Vadim Amelichev. - Există două firme americane, companii din Coreea de Sud și Japonia. În Europa, în afară de noi, nimeni nu produce o astfel de bandă la scară industrială. Banda noastră a fost testată în multe centre de cercetare și a confirmat competitivitatea caracteristicile sale”.
Dezvoltați o nouă industrie
„În ciuda faptului că supraconductivitatea la temperatură înaltă a apărut destul de recent, problemele aplicării sale în tehnologie sunt studiate intens în tehnologicțările dezvoltate ale lumii, - spune Viktor Pantsyrny, doctor în științe tehnice, membru cu drepturi depline al AES al Federației Ruse, director de dezvoltare al Russian Superconductor JSC, - În țara noastră, în cadrul Comisiei sub președintele Rusiei Federația pentru Modernizare si tehnologice dezvoltarea economiei ruse, proiectul „Industria superconductorilor” a fost inițiat în cadrul proiectului „Energie inovatoare” în domeniul prioritar „Eficiență energetică”.
Acest proiect din domeniul industriei supraconductoarelor este coordonat de compania rusă Superconductor, creată de Corporația de Stat Rosatom. În perioada de cinci ani din 2011 până în 2015, este planificată crearea de tehnologii competitive pentru producția de supraconductori la temperatură înaltă de a doua generație, producția pilot de fire de bandă HTSC-2 cu lungime mare (până la 1000 m) și, de asemenea, dezvolta prototipuri de echipamente bazate pe fire HTSC-2 pentru industria energiei electrice. Acestea sunt generatoarele limitatoare de putere mare și curent (COT) și stocare de energie cinetică (KNE), precum și cabluri de curent puternice pentru sisteme magnetice, stocare inductivă a energiei (SPIN), transformatoare, motoare electrice de mare putere.
Din 2016, este planificată lansarea producției în masă a firelor HTSC-2 și a unui număr de dispozitive bazate pe acestea. Aproximativ 30 de organizații sunt implicate în activitatea acestui proiect, inclusiv universități, centre de cercetare academice și industriale, birouri de proiectare și organizații industriale, în special VNIINM JSC, NIIEFA JSC, NIITFA JSC, GIREDMET JSC, JSC NIFHI, JSC TVEL, JSC Tochmash și în afara acestuia, la Centrul Național de Cercetare „Institutul Kurchatov”, ENIN lor. Krzhizhanovsky, Instituția de învățământ bugetară de stat federală MAI, NRNU MEPhI, GUAP, OJSC Rosseti, OJSC NTC FGC UES, CJSC SuperOks, OJSC VNIIKP, OJSC NIIEM, OKB Yakor etc.
„Din punct de vedere structural, proiectul constă din nouă sarcini realizate în paralel”, explică Viktor Pantsyrny. - Din 2011 până în 2013 a reușit să creeze primele modele de funcționare casnice de mașini supraconductoare - un motor și generator de 50 kW, un dispozitiv de stocare a energiei cinetice de 0,5 MJ, un limitator de curent de scurtcircuit supraconductor de 3,5 MW pentru rețelele electrice cu o tensiune de 3,5 kV, un supraconductor de 10 kVA transformator, cabluri de curent pentru sisteme magnetice, curent de trecere 1500A.
De asemenea, s-au creat bazele tehnologiei pentru producția complet internă a sârmelor panglici HTSC-2, pornind de la materii prime și terminând cu metode de control al produselor finite. Au fost găsite principalele soluții tehnologice, care au făcut posibilă trecerea la crearea de prototipuri la scară largă de dispozitive energetice. Astfel, lucrările la realizarea unui motor de 200 kW sunt în curs de finalizare.
Datorită utilizării înfășurărilor HTSC-2, un astfel de motor, atunci când este instalat, la o mașină electrică(autobuz electric) va crește kilometrajul cu 15-20% între reîncărcarea bateriilor. Un limitator de curent de scurtcircuit supraconductor cu o putere mai mare de 7 MVA a fost fabricat și este în curs de pregătire pentru testare în rețeaua de transport feroviar. Producția unui generator cu o capacitate de 1 MVA, promițător pentru utilizare în centralele eoliene, este aproape de finalizare.
Pe baza tehnologiilor unice ale Rosatom, este creat un dispozitiv de stocare a energiei cinetice cu supraconductoare suspensie volantă, care are o intensitate energetică mai mare de 7 MJ. Trebuie remarcată dezvoltarea unui dispozitiv inductiv de stocare a energiei capabil să livreze energie acumulată de până la câțiva MJ într-un timp extrem de scurt. Lucrările de realizare a unui transformator supraconductor cu o capacitate de 1000 kVA sunt și ele în faza finală.
„În plus, cele mai importante rezultate ale proiectului vor fi crearea unui experiment puternic si tehnologice de bază, precum și formarea de echipe de specialiști cu înaltă calificare în domeniul tehnologiilor supraconductoare, - conchide Viktor Pantsyrny. - În acest an, la Centrul Național de Cercetare Institutul Kurchatov va începe să funcționeze o linie complexă de producție și cercetare pentru producția de supraconductori cu bandă HTSC-2 prin ablație cu laser. Linia va deveni un instrument de dezvoltare a științei și tehnologiei materialelor HTSC, utilizând în cea mai mare măsură infrastructura științifică puternică a Centrului NBICS Kurchatov. Acest lucru va face posibilă dezvoltarea intensivă a unui domeniu de înaltă tehnologie promițător spre comercializare tehnologii supraconductoare”.
cabluri AC
Este imposibil să nu spunem despre proiectul rusesc de a crea un cablu supraconductor de 200 m lungime. SA „Energie institut lor. G.M. Krzhizhanovsky"(ENIN), SA „Tot-rusă Institutul de Cercetare al Industriei Cablurilor (VNIIKP), Institutul de Aviație din Moscova și OAO NTC Industria Energiei Electrice. Dezvoltarea a început în 2005, în 2009 a fost creat un prototip, care a fost testat cu succes la un site de testare unic special creat.
Principalele avantaje ale cablului HTSC sunt sarcina de curent mare, pierderile reduse, respectarea mediului și siguranța la incendiu. În plus, atunci când se transmite putere mare printr-un astfel de cablu la o tensiune de 10–20 kV, nu sunt necesare stații intermediare.
Cablul HTSC este o structură complexă cu mai multe straturi. Elementul de reazem central este realizat sub forma unei spirale din oțel inoxidabil înconjurat de un mănunchi de fire de cupru și oțel inoxidabil învelite cu bandă de cupru. Două straturi de benzi supraconductoare sunt așezate peste elementul central, iar deasupra este plasată izolația de înaltă tensiune. Aceasta este urmată de aplicarea unui ecran supraconductor, straturi de benzi flexibile de cupru învelite în bandă de oțel inoxidabil. Fiecare miez de cablu este tras în propriul său criostat flexibil de 200 m lungime.
Crearea acestui design multicomponent este complicată de faptul că banda HTSC este extrem de sensibilă, cea mai mare parte a operațiunilor tehnologice a fost realizată pe baza OAO VNIIKP. Cu toate acestea, pentru fabricarea izolației de înaltă tensiune, cablul a fost adus în orașul Perm la uzina de cabluri Kamsky.
„Pentru cablul HTSC, am efectuat operația de aplicare a izolației din hârtie”, spune Alexander Azanov, tehnolog șef adjunct al Kamsky Cable LLC. - S-au folosit echipamente unice, care au fost utilizate anterior pentru producerea cablurilor de înaltă tensiune umplute cu ulei. De aceea, nu au economisit resurse pentru livrarea semifabricatului de la Moscova la Perm și înapoi. Și cred că deocamdată, pentru producerea unor astfel de cabluri speciale, este indicat să folosiți echipamente unice instalate la diferite fabrici decât să organizați producția într-un singur loc.
În viitorul apropiat, organizarea producției în masă a acestui cablu la noi sau la orice altă fabrică este puțin probabilă, deoarece instalarea liniilor cu supraconductori produs extrem de rar și în lungimi foarte scurte (nu mai mult de 1 km). Motivul principal pentru aceasta este costul cablurilor HTSC și întreținerea acestora (este necesar să pompați constant azot lichid prin cablu).
cabluri DC
Până în prezent, evoluțiile în domeniul creării cablurilor HTSC continuă. JSC FGC UES și JSC NTC FGC UES desfășoară în comun cercetare și dezvoltare „Crearea unei linii de cablu DC supraconductoare de înaltă temperatură pentru o tensiune de 20 kV cu un curent de 2500 A, până la 2500 m lungime”. Primul prototip al viitorului sistem inovator de transmisie a puterii - două bucăți de cablu HTSC bipolar de 30 m fiecare, dezvoltate la STC FGC UES și fabricate la uzina Irkutskkabel - a depășit cu succes actualul si de inalta tensiune procese în 2013
În noiembrie 2014, a fost testat un set de echipamente convertoare pentru transportul inovator de energie electrică cu o capacitate de 50 MW. folosind cablu supraconductor lung de câteva sute de metri. Utilizarea cablului HTSC pentru alimentarea cu energie a orașelor mari va face posibilă realizarea unei reduceri a suprafețelor de alocare a terenurilor, refuzarea din constructie linii aeriene și reduce pierderile de putere.
Centrul de cercetare și dezvoltare al FGC UES observă că o linie de cablu DC bazată pe HTSC are o serie de avantaje în comparație cu o linie AC. Nu numai că vă permite să transmiteți putere cu pierderi minime, ci și să limitați curenții de scurtcircuit, să reglați puterea reactivă, să controlați fluxurile de putere și să asigurați inversarea acesteia.
„Este plăcut să realizezi că dezvoltatorii ruși de cabluri HTSC sunt în frunte”, spune Vitaly Vysotsky, doctor în științe tehnice, academician al AES al Federației Ruse, director de știință - șef. departamentul de fire și cabluri supraconductoare al SA „VNIIKP”. - De exemplu, cablul de 200 m a fost cel mai mare din Europa în perioada 2009-2013, iar abia în 2014 a fost instalat un cablu de 1 km în Germania. Dar acest record va fi doborât și cu un test de cablu de 2,5 km pentru Sankt Petersburg.”
De la sprijinul de stat la investițiile private
Experții prevăd o dezvoltare destul de activă a pieței mondiale și rusă a supraconductoarelor. Astfel, Andrei Vavilov, Președintele Consiliului de Administrație al CJSC SuperOx, notează că volumul pieței globale HTSC se dublează în fiecare an și va ajunge la 1 miliard de dolari în 2017, în timp ce cota Rusiei pe piața globală poate fi estimată la aproximativ 10% .
„Piața pentru supraconductivitate pentru industria energiei electrice trebuie să se dezvolte, deoarece densitatea consumului de energie este în continuă creștere și este imposibil să susținem cerințe în creștere fără supraconductivitate”, este sigur Vitaly Vysotsky. - Cu toate acestea, inginerii energetici sunt foarte conservatori în ceea ce privește tot ce este nou și chiar si costisitoare. Prin urmare, deocamdată, sarcina principală este în continuare promovarea de noi proiecte cu sprijinul organizațiilor de stat. Acest lucru va dovedi fiabilitatea și eficiența dispozitivelor supraconductoare. Apariția de noi proiecte va genera cerere pentru producția de benzi HTSC, va crește producția acestora și va reduce prețurile, ceea ce va ajuta din nou la dezvoltarea pieței.”
„În această etapă, o soluție cuprinzătoare a tuturor sarcinilor stabilite este imposibilă fără asistența cuprinzătoare a statului, dar atractivitatea investițională a tehnologiei HTSC crește în fiecare an, ceea ce face posibil să ne așteptăm la un aflux de investiții private în continuarea acesteia. dezvoltare cu un grad ridicat de încredere”, este de acord Viktor Pantsyrny cu colegul său.
Experții sunt încântați că, în general, la nivel de stat, există o înțelegere a semnificației tehnologiilor supraconductoare.
„Dezvoltarea industriei supraconductoare este de importanță națională și este o parte importantă a tranziției la inovatoare calea de dezvoltare a economiei tarii. Acest lucru a fost declarat recent la o reuniune extinsă a Consiliului Consultativ sub președintele Comitetului pentru Energie al Dumei de Stat al Adunării Federale a Federației Ruse, unde, în special, s-a remarcat că, pentru a asigura independența economică și politică a Rusiei , este necesar din punct de vedere strategic să existe producție internă de si temperatura ridicata materiale supraconductoare, dispozitive supraconductoare și produse bazate pe acestea”, spune Viktor Pantsyrny.
Planuri de viitor
Am cerut experților să evalueze ce aplicații de supraconductivitate consideră că sunt cele mai promițătoare și unde se pot aștepta la utilizarea comercială a tehnologiei în următorii ani.
„Ca peste tot în lume, în Rusia astăzi proiectele de cabluri supraconductoare sunt cele mai avansate. Ei trebuie și, sperăm, se vor dezvolta, - spune Vitaly Vysotsky. - Cablurile supraconductoare pe bază de HTSC sunt deja un produs pur comercial, deși sunt încă destul de scumpe. Va deveni mai ieftin atunci când începe introducerea sa pe scară largă și este necesară o cantitate semnificativă de benzi HTS, ceea ce va reduce costul producerea lor.
Cu toate acestea, după părerea mea, cel mai necesar și la cerere pentru industria energiei electrice sunt limitatoare de curent de scurtcircuit supraconductoare pentru niveluri de tensiune de la 100 kV și mai sus. Dispozitivele convenționale din această clasă de tensiune pur și simplu nu există, iar supraconductivitatea este pur și simplu indispensabilă aici. La noi se discută deja despre astfel de proiecte. În plus, după părerea mea, mașinile HTSC pentru turbine eoliene au perspective bune. Ele promit o reducere semnificativă (de multe ori) a greutății unui singur generator și o creștere a unei singure puteri.
„Astăzi, motorul dezvoltării pieței produselor supraconductoare este industria energiei electrice (cabluri de alimentare și limitatoare de curent), - crede Andrey Vavilov. - Dar într-o serie de alte industrii există un potențial semnificativ. De exemplu, astăzi sunt dezvoltate opțiuni pentru utilizarea firului HTSC ca un înlocuitor eficient pentru supraconductorii de temperatură joasă în tehnologia acceleratoarelor utilizate în știință, producția de izotopi și medicină. Rusia are planuri mari în acest domeniu, în special, construirea unui colisionar NICA modern la Dubna.
Crearea de mașini rotative eficiente cu caracteristici unice de tracțiune, masă și greutate reduse are un potențial mare. Astfel de motoare sunt solicitate în primul rând pentru a asigura mișcarea navelor mari, iar generatoarele pot fi utilizate în regenerabile energie.
Fenomenul de levitație magnetică deschide astăzi perspective complet noi. Acestea nu sunt doar sisteme de transport, ci și manipulatoare fără contact, precum și rulmenți durabili cu o gamă largă de aplicații.”
„Dezvoltarea în continuare a supraconductivității la temperatură înaltă va avea un efect multiplicativ pronunțat nu numai în industria energetică, dar și în alte industrii precum spațiul, aviația, marină, auto si calea ferata transport, inginerie mecanică, metalurgie, electronică, medicină, tehnologie acceleratoare. Tehnologiile de supraconductivitate sunt, de asemenea, importante pentru consolidarea capacității de apărare a țării”, este convins Viktor Pantsyrny.
Într-un cuvânt, dezvoltarea în continuare a tehnologiilor bazate pe supraconductivitate deschide perspective uriașe pentru omenire și deja în viitorul apropiat.
Fizicienii au reușit să sintetizeze un nou tip de supraconductor cu formula chimică generală ReFeAsO (unde Re denotă unul dintre metalele pământurilor rare: Sm este samariu, Nd este neodim, Pr este praseodim, Ce este ceriu, La este lantan). Aceste substanțe au o temperatură de tranziție neașteptat de mare la starea supraconductivă, ajungând la 55 K. Aproape toți supraconductorii de temperatură înaltă (HTSC) descoperiți anterior includeau oxid de cupru. Clasa largă de HTSC non-cuprate obținute pentru prima dată dă speranța că va fi găsită în sfârșit o explicație teoretică a fenomenului de supraconductivitate la temperatură înaltă și, de asemenea, deschide noi posibilități pe calea unei creșteri suplimentare a temperaturii de tranziție către starea supraconductoare.
Supraconductivitatea este fenomenul de absență completă a rezistenței în timpul curgerii curentului electric, precum și diamagnetismul ideal (adică „împingerea” câmpului magnetic din probă: câmpul magnetic nu pătrunde adânc în material).
Diamagnetismul ideal al unui supraconductor poate fi explicat prin faptul că pe suprafața probei începe să curgă un curent continuu, al cărui câmp magnetic compensează complet câmpul magnetic extern. Densitatea curentului neamortizat care protejează câmpul magnetic extern scade rapid odată cu distanța de la suprafață în interiorul supraconductorului. În consecință, în această regiune, câmpul magnetic extern scade de la o anumită valoare pe suprafață la zero în adâncime. Fenomenul descris a fost descoperit în 1933 de către fizicienii germani Walter Meisner și Robert Oksenfeld și se numește efectul Meissner-Ochsenfeld. Se obișnuiește să se considere o stare ca fiind supraconductoare dacă îndeplinește două cerințe: absența rezistenței și expulzarea unui câmp magnetic din probă (efectul Meissner-Ochsenfeld).
Fără îndoială, sarcina principală a tehnologilor - specialiști în supraconductivitate „aplicată” este de a crea un supraconductor cu temperatura critică a camerei ( T c). Desigur, este dificil să cauți astfel de materiale la întâmplare, așa că fizicienii vin în ajutorul oamenilor de știință din materiale, care încearcă să indice direcția căutării cu modelele lor. Deși, așa cum arată istoria, în cazul supraconductivității, mai degrabă, se observă procesul opus - tehnologii găsesc HTSC, teoreticienii construiesc un model. Cu toate acestea, dacă s-ar construi teoria supraconductivității la temperatură înaltă, căutarea unor substanțe cu încăpere T c sigur ar fi mai usor.
Prima teorie care a descris în mod satisfăcător fenomenul de supraconductivitate a fost teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (teoria BCS). Aceasta este teoria supraconductivității la temperatură scăzută. Esența sa este următoarea: electronii dintr-o substanță, prin interacțiunea cu vibrațiile rețelei cristaline a materialului (fononi), sunt combinați în perechi, numite Cooper, și se comportă ca și cum ar fi un singur „organism” cu dimensiuni uriașe la scară atomică. Drept urmare, sistemul electronic al perechilor Cooper „nu observă” obstacole atunci când curge prin material (adică experimentează rezistență zero).
Când în 1986 Johannes Bednorz și Karl Müller, angajați ai sucursalei din Zurich a IBM Corporation, au descoperit capacitatea ceramicii bazate pe cupru, lantan și oxid de bariu (La 2-x Ba x CuO 4) de a intra într-o stare supraconductoare la 30 K. , aceasta a fost prima etapă în calea către supraconductivitate la temperatură înaltă. De atunci, au fost descoperite mult mai multe substanțe legate de HTSC. Mai mult, de atunci temperatura critică a crescut de peste 5 ori (vezi Fig. 1), dar până acum nu a fost posibil să se construiască un model teoretic care să descrie bine proprietățile observate ale HTSC.
Încercările de a aplica teoria BCS pentru a explica supraconductibilitatea la temperatură înaltă nu au avut succes; În prezent, există mai mult de o duzină de modele diferite în abordările lor, fiecare dintre acestea dând separat câteva predicții corecte. Este important de reținut că, așa cum se poate observa din graficul din figura 1, compoziția tuturor substanțelor descoperite după La 2-x Ba x CuO 4 cu T c aproape invariabil include oxid de cupru (una dintre excepții este diborura de magneziu menționată mai jos MgB 2) - majoritatea modelelor de mai sus de supraconductivitate la temperatură înaltă folosesc acest fapt. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că rapoartele din această primăvară despre o întreagă clasă de HTSC care nu au la bază oxid de cupru au interesat comunitatea științifică, sperând să vadă progrese în problema supraconductivității „în cameră”.
Până acum, diborura de magneziu a avut cea mai mare temperatură de tranziție (39 K) dintre HTSC-urile non-cuprate. MgB 2. Supraconductivitatea în ea a fost descoperită în 2001 și, după cum s-a dovedit, are propriile sale caracteristici interesante: o temperatură critică atât de mare este atinsă datorită existenței a două (!) „soiuri” de perechi Cooper în ea, care, interacționând cu fiecare altele, crește temperatura critică.
Primul raport despre descoperirea unui HTSC non-cuprat numit Iron-Based Layered Superconductor LaFeAs (x = 0,05-0,12) cu Tc = 26 K (indicele x indică proporția în care atomii de oxigen au fost înlocuiți cu atomi de fluor - ca fizicienii) să zicem, gradul de dopaj) a venit de la Institutul de Tehnologie din Tokyo, unde un grup de oameni de știință condus de Hideo Hosono (Hideo Hosono) a sintetizat un material care nu are rezistență electrică la temperaturi sub 26 K.
Desigur, 26 K nu este încă 39. Cu toate acestea, acesta a fost doar începutul. În articolul său (în februarie), Hosono a sugerat asta T c poate fi mărită, de exemplu, prin comprimarea materialului sau prin înlocuirea lantanului cu un alt element. Într-adevăr, ceva timp mai târziu, au început să apară rapoarte despre descoperirea supraconductivității în alți compuși de arseniură de fier. Iată titlurile articolelor în ordine cronologică: Supraconductivitate la 36 K în Oxizi de gadoliniu-arseniu GdO 1-x F x FeAs - supraconductivitate a fost observată în materialul GdOFeAs cu = 36 K, Supraconductivitate la 43 K în Oxizi de Samariu-arseniu - supraconductivitate în materialul SmOFeAs c T c= 43 K, supraconductivitate la 52 K în compusul cuaternar stratificat dopat cu F pe bază de fier PrFeAs - fără rezistență la 52 K și mai jos într-un compus PrOFeAs dopat cu fluor. În ceea ce privește utilizarea presiunii pentru creșterea temperaturii critice, aceleași LaOFeAs dopate cu fluor, așa cum se găsesc în supraconductivitate la 43 K într-un compus stratificat pe bază de fier LaO 1-x F x FeAs, poate la o presiune de 4 GPa (40.000 ori mai mult atmosferic) cresc T c până la 43 K.
Și recent, a apărut un articol Supraconductivitate la 55 K în compusul cuaternar stratificat dopat cu F pe bază de fier SmFeAs despre observarea supraconductivității în SmFeA cu o valoare record. T c= 55 K (Fig. 3).
Concomitent cu descoperirea acestor compuși, s-a pus întrebarea cum se formează supraconductivitatea în ei - adică cum are loc apariția perechilor Cooper responsabile de supraconductivitatea materiei.
S-a dovedit că în structura lor cristalină ReFeAsO practic nu diferă de supraconductorii cuprați - aceeași alternanță de straturi prin care se propagă curentul supraconductor (vezi Fig. 3). O astfel de analogie i-a condus pe oamenii de știință la ideea că natura formării supraconductivității în ei este probabil aceeași ca și în HTSC-urile cuprate. Pentru a testa această ipoteză, au fost efectuate calcule care au arătat că, dacă perechile Cooper se formează în HTSC-uri „proaspăt coapte” în modul în care prezice teoria BCS, atunci temperatura critică în ele nu ar trebui să depășească 1 K, ceea ce contrazice în mod evident datele experimentale. Au apărut lucrări care vorbesc despre aceleași mecanisme de formare a supraconductivității ca și în diborura de magneziu. Cu toate acestea, ca și în cazul HTSC-urilor cuprat, nici teoria finală nu a fost încă creată.
Cu toate acestea, importanța acestor descoperiri nu poate fi subestimată. Este posibil ca un nou tip de arseniură de fier HTSC să ajute la clarificarea explicației teoretice a supraconductivității la temperatură înaltă și să arate tehnologilor calea de a crește temperatura critică.
Supraconductorii de temperatură înaltă au de obicei textura granulata, ele constau din boabe - cristalite interconectate. Zonele de conectare sunt foarte defecte, prin urmare, se disting proprietățile intragranulare și intergranulare. De exemplu, tipul critic intragranular este mult mai mare decât cel intergranular. În această secțiune, luăm în considerare structura unei granule sau a unui singur cristal. După cum sa menționat deja, compușii HTSC de ytriu, bismut, taliu și mercur aparțin oxizilor metalici stratificati. În același timp, compușii pe bază de bismut și taliu au planuri de atomi de cupru și oxigen, în timp ce compușii pe bază de ytriu conțin atât planuri, cât și lanțuri Cu–O. Numeroase lucrări au fost dedicate rolului lanțurilor și planurilor în materialele HTSC. În prezent se consideră că avion joacă un rol decisiv în supraconductivitate și lanţuri servesc drept capacitate pentru electroni. Ele pot fi fie umplute, fie goale, în funcție de conținutul de oxigen și de dopanți. Dacă numărul de atomi de oxigen din celula elementului se modifică, temperatura de tranziție se modifică sau supraconductibilitatea se pierde complet. Locurile libere de oxigen sunt situate în principal în cadrul aceluiași lanț. De exemplu, în compusul YBa 2 Cu 3 O 7- d la d<1 существуют упорядоченные массивы цепочек, имеющих недостаток кислорода, при d=1 цепочки отсутствуют.
Puteți obține o serie de substanțe pe bază de bismut, taliu sau mercur cu diferite stoichiometrice compoziţie; în acest caz, celula unitară va conține un număr diferit de planuri, iar proprietățile HTSC vor fi, de asemenea, diferite, în special, temperatura de tranziție. Supraconductorii sunt de asemenea combinați printr-o formulă generală cu coeficienți stoichiometrici variabili (vezi Tabelul 2.1). Deci, de exemplu, compușii Tl-2212, Tl-2223 și Tl-2201 au formula generală:
Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n+4 , (2.1)
unde n ia valorile 2, 3, respectiv 1 și indică numărul de straturi de CuO.
Tabelul 2.1
Proprietățile de bază ale unor HTSC
| Nu. p / p | Conexiune (abreviere) | Singonie | Dimensiunile celulei unitare, А 0 | T SP | |||
| (La 1-x Sr x) CuO 4 | tetragonală | a=b=3,78 c=13,2 | 37,5 | ||||
| YBa 2 Cu 3 O 7-x (Y-123) | rombic | a=3,82 b=3,88 c=13,2 | |||||
| Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 (Bi-2212) | rombic | a=5,41 b=5,42 c=30,9 | |||||
| Bi 4 Sr 4 CaCu 3 O 14 (Bi-4413) | rombic | a=5,411 b=5,417 c=27 | |||||
| Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Bi-2223) | rombic | a=5,41 b=5,41 c=37,1 | |||||
| Tl2Ba2CuO6 (Tl-2201) | rombic | a=5,411 b=5,473 c=23,24 | |||||
| Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 (Tl-2212) | tetragonală | a=b=3,86 c=29,3 | |||||
| Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Tl-2223) | tetragonală | a=b=3,85 c=35,9 | |||||
| HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201) | tetragonală | a=b=3,86 c=9,51 | |||||
| HgBa 2 CaCu 2 O 6 (Hg-1212) | tetragonală | a=b=3,86 c=12,7 | |||||
| HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (Hg-1223) | tetragonală | a=b=3,86 c=15,9 | |||||
În mod similar, se pot scrie formulele generale pentru grupurile HTSC care conțin bismut sau care conțin mercur:
Bi 2 Sr 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4 , (2.2)
HgBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +2 , (2,3)
Cum s-a dovedit a fi fază singulară probe de bismut, taliu și alți compuși este destul de dificil. De obicei, se obține o combinație de faze, fiecare având propriul său număr de straturi de CuO și CaO per celulă și propriii parametri critici. Acest lucru determină prezența nu a unei temperaturi critice, ci a unui interval de temperatură de 4-6 K.
O astfel de „coexistență” face dificilă realizarea unui număr de experimente legate de luarea în considerare a caracteristicilor unei anumite faze sau a comportamentului acesteia într-un câmp magnetic etc.
După cum sa menționat deja, structura materialelor HTSC, în special în cadrul grupelor (2.1), (2.2) și altele, are elemente comune. Prin urmare, luați în considerare structura fazelor: YBa 2 Cu 3 O 7- x (sistem rombic) și Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 ca exemple.
Orez. 2.1. Structura cristalină a YBa2Cu3O 6,5+ d, 5 ≈ 0,5;
● – Ba, ▲ – Y, – Cu, ○ – O
Structura fazei (Y-123) este prezentată în fig. 2.1. Poate fi reprezentat ca o succesiune de straturi situate perpendicular pe axa c:
… (CuO )(BaO)(CuO 2)(Y )(CuO 2)(BaO)(CuO ) … (2.4)
unde este locul liber al atomului de oxigen.
O caracteristică a acestei structuri este relativă ușurință de a-și schimba stoichiometria oxigenului, în timp ce compoziția stratului de cupru (Z=0) se modifică de la CuO2 (d=-0,5) la (CuO) (d=0,5).
La d\u003d -0,5 celula unitară este tetragonală și compoziția YBa 2 Cu 3 O 6 are semiconductor proprietăți. Cu toate acestea, când d³ -0,2 structura devine rombică (a¹b) datorită ocupării pozițiilor în plan (x, y, o) de către atomii de oxigen și are supraconductoare proprietăți. În același timp, cu creșterea d exista o crestere T C.
Introducerea de cationi suplimentariîn HTSC poate servi la trei scopuri. În primul rând, aceasta este căutarea de noi supraconductori sau creșterea temperaturii de tranziție a celor existente, în al doilea rând, îmbunătățirea formării fazelor și, în cele din urmă, în al treilea rând, pot fi introduși cationi suplimentari pentru a crește fixarea vârtejurilor magnetice, atât asupra incluziunilor fazelor nesuperconductoare rezultate și și asupra defectelor structurale formate în acest caz.
Trebuie remarcat faptul că substituirea atomilor ytriul față de alții, modifică proprietățile compusului.
Astfel, înlocuirea atomilor de ytriu cu atomii de praseodim duce la pierderea supraconductivității. Înlocuirea atomilor de ytriu cu atomii de toriu modifică temperatura de tranziție ( T S=67 K). Dopajul ceramicii de ytriu cu unele lantanide poate fi promițător, deoarece modifică semnificativ temperatura descompunerii peritectice a fazei Y-123. Ideea este că poziția de ytriu este un punct slab în structura fazei supraconductoare, deoarece ionul de ytriu comprimă structura și creează distorsiuni structurale. Astfel, înlocuirea atomilor de ytriu cu atomi cu rază mai mare (Na 3+ , S 3+ , En 3+ , Gd 3+ etc.) stabilizează structura și oferă caracteristici mai înalte ale materialelor HTSC.
De exemplu, experții japonezi sunt înclinați să înlocuiască complet ytriul din structură cu neodim.
Înlocuirea atomilor de cupru cu alții, de regulă, duce la o scădere a temperaturii de tranziție la 60-65 K.
În concluzie, trebuie remarcat că, pe lângă faza Y-123 considerată, se mai pot forma și alte faze supraconductoare: YBa 2 Cu 4 O 8, Yba 4 Cu 7 O 14 cu temperaturi de tranziție de 80 K, respectiv 40 K. .
Structura unui alt HTSC popular, compusul Bi-2212, este prezentată în fig. 2.2.
Orez. 2.2. Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 model structura:
● - Bi, Δ - Sr, ▲- Ca, ■ - Cu, ○ - O
Trebuie remarcat faptul că structurile materialelor HTSC de bismut și taliu au multe în comun și reprezintă o creștere coerentă a blocurilor de perovskit și NaCl. În acest caz, setul de planuri de-a lungul axei C arată astfel:
(CuO2) (Ca)(CuO2)(SrO)(OBi)(BiO)(OSr)(O2Cu) … (2,5)
În această structură, primele 3 planuri corespund unui bloc de perovskit, iar ultimele 5 plane corespund unui bloc similar cu NaCl. Atomul de calciu ocupă o poziție similară cu cea a ytriului (Fig. 2.1) și are o concentrație mare de vacante anionice.
În prezent, s-a depus multă muncă legată de introducerea oricăruia aditiviîn supraconductori din seria BiSr 2 Ca n -1 Cu n O x. Aceștia pot fi cationi care înlocuiesc pozițiile din rețeaua cristalină sau aditivi neutri. De exemplu, cationul Pb 2+ face posibilă îmbunătățirea caracteristicilor electrice ale unui supraconductor, în special, creșterea curentului critic al acestuia. Inlocuirea cu elemente de pamant rare si inlocuirea cationilor de plumb duce la o crestere a fixarii, iar aceasta din urma creste si valoarea campului magnetic critic. Introducerea argintului face posibilă și creșterea curentului critic.
La sfârșitul conversației despre structura cristalelor HTSC, ar trebui să evidențiem Principalele caracteristici, a căror justificare depășește domeniul de aplicare al acestui manual, dar care sunt comune tuturor materialelor primite:
1. Structurile de fază sunt derivate din structură perovskit.
2. Structurile au un număr mare de anionici posturi vacante, a căror concentrație poate fi variată (temperatură și viteze de ardere, timpul și presiunea de păstrare a oxigenului etc.).
3. Structurile au atomi cupruîn diferite stări de oxidare (II şi III). Datorită modificării numărului de atomi de oxigen din structură, nivelul Fermi scade și se formează găuri.
4. Structuri ale fazelor HTSC - stratificat, elementul lor indispensabil este prezența planurilor (CuO 2). Formarea structurilor stratificate are loc fie din cauza ordonării locurilor vacante de anioni, fie din cauza încălcării secvenței ideale de straturi de-a lungul axei patru.
5. În aceste structuri asemănătoare perovskitei, siturile B sunt ocupate numai de atomi de cupru. Sinteza structurilor cu alți atomi în pozițiile B nu a dat încă niciun rezultat.
întrebări de testare
1. Numiți principalele tipuri de materiale HTSC.
2. Care sunt caracteristicile structurii materialelor HTSC?
3. Cum afectează impuritățile structura și proprietățile HTSC?
4. Care este rolul lanțurilor și planurilor în structură?
