Практически все основные направления технического прогресса на ближайшие десятилетия связывают со сверхпроводниками. Сегодня такие материалы востребованы в космосе и на нефтедобывающих платформах, в подводных лодках и на самолётах. А завтра, когда технологию запустят в массовое производство, сверхпроводники могут дойти до каждого дома.
Внедрение сверхпроводников по-прежнему ограничено, в первую очередь из-за их дороговизны и дефицита материалов нужного качества. И тот, кто сумеет эти проблемы преодолеть, имеет все шансы добиться мирового лидерства. У Росатома в данном случае есть хорошие заделы и весомое преимущество — Чепецкий механический завод в Удмуртии уже давно наладил выпуск сверхпроводников.
О том, как эти технологии развиваются и будут развиваться в России, нашей газете рассказал генеральный директор корпорации ООО «Русский сверхпроводник» Александр Кацай.
ОТ ТОКАМАКА ДО ТОМОГРАФА
Эффект сверхпроводимости зафиксировал голландский физик Камерлинг-Оннес ровно 100 лет назад. В 1911 году он обнаружил, что электрическое сопротивление ртути при температуре 4,15 К резко падает до нуля. Второе основное свойство сверхпроводимости — выталкивание проводником магнитного потока — было описано в 1933 году и названо по имени первооткрывателя эффектом Мейснера.
Учёные и инженеры продолжают размышлять над вариантами практического использования сверхпроводников. Заманчиво, например, заменить ими традиционные линии электропередачи, при передаче тока по которым теряется до 10% электроэнергии. Однако пока это звучит как фантастика. Хоть сверхпроводник для электросетей имел бы сечение в десятки раз меньшее, чем у медного кабеля (плотность тока в сверхпроводящих проводах в десятки и сотни раз выше), устройство криогенного обеспечения для такой линии длиной в сотни километров было бы слишком дорого и нерентабельно.
До недавних пор сверхпроводники использовались только локально. Начиная с 1960 х их стали применять в электрических магнитах, которые служили, например, для удержания высокотемпературной плазмы в токамаках, а с 1982 года — в магнитно-резонансных томографах. Кроме того, сверхпроводники есть в так называемых СКВИД (сверхпроводящие квантовые интерферометры), производящих сверхточные измерения. Они определяют амплитуду колебаний магнитного поля Земли, сверхнизкие температуры, магнитные сигналы, идущие от органов человеческого тела.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ И НЕ ОЧЕНЬ
Переходу сверхпроводимости в прикладную сферу препятствует также сложность и дороговизна криогенных установок, которые должны обеспечивать рабочие для сверхпроводников температуры, близкие к абсолютному нулю. Само собой, учёные пытались изобрести сверхпроводники с более высокой рабочей температурой, но за 75 лет от начала исследований продвинулись лишь до 23,9 градусов Кельвина (около –250 градусов по Цельсию).
Прорыв произошёл в 1986 году, когда немец Беднорц и швейцарец Мюллер обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария переходить в сверхпроводящее состояние при 30 К (Нобелевская премия по физике за 1987 год). Тему сразу же подхватили во всём мире, и уже через семь лет были открыты керамические сверхпроводники, переходящие в рабочее состояние при 135 К. То есть не при температуре сжиженного гелия, а при температуре сжиженного азота. Что, в свою очередь, многократно упрощало и удешевляло криогенное обеспечение, нужное для включения эффекта сверхпроводимости.
— Уже ко второй половине 1990 х годов криогенная техника азотного уровня была усовершенствована настолько, — говорит Александр Кацай, — что получила большие запасы по надёжности, стала дешёвой в эксплуатации и не требовала постоянного технического обслуживания. В настоящее время её параметры продолжают улучшаться.
Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) многократно расширило перспективы их применения. В частности, в энергетике сверхпроводящее оборудование позволяет увеличить рабочие нагрузки на порядок, а значит во много раз усиливается надёжность систем, сокращаются их габариты. Однако до полной замены традиционных полупроводников ещё далеко. Основная проблема в материалах. Пока продолжается работа над технологией изготовления сверхпроводников, цена которых была бы хоть сколько-нибудь сопоставима с традиционными материалами — медью и алюминием.
ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПОБОЧНЫЙ ПРОДУКТ
— Высокотемпературные сверхпроводники стали отдельной темой в Росатоме с 2006 года, — рассказывает Александр Кацай, — Тогда был создан центр «Атом-инновации», перед которым стояла задача определить перспективные технологии в отрасли, способные выйти на гражданский рынок через небольшой отрезок времени. Дело в том, что учёные-атомщики, работая в своих основных направлениях, сделали довольно много открытий, не имеющих отношения к профильным исследованиям. Вот эти технологии нам и предстояло изучить. За два года центр собрал более 2 тыс. инновационных проектов. Оказалось, все они укладываются в несколько крупных сегментов: водоподготовка и очистка стоков, медицинские технологии, дефектоскопия, плазменные и лазерные технологии и, наконец, одно из самых перспективных направлений — сверхпроводниковая индустрия.
Всё поле сверхпроводниковой деятельности делится на два направления: высокотемпературные и низкотемпературные проводники. Причём если по ВТСП корпорации «Русский сверхпроводник», образованной в 2008 году, пришлось начинать практически с нуля, то в части низкотемпературных сверхпроводников топливной компанией «ТВЭЛ» уже проделана большая работа в рамках вклада России в проект создания международного экспериментального термоядерного реактора ITER.
ITER И ДРУГИЕ НАПРАВЛЕНИЯ СБЫТА
Сегодня Чепецкий механический завод, входящий в состав ТВЭЛ, выпускает примерно 80 т низкотемпературных сверхпроводников в год. Эта продукция (ниобий-оловянные и ниобий-титановые стренды) целиком поставляется во Францию для строительства ITER. Однако по плану в 2014 году реактор будет полностью укомплектован, а огромный цех на ЧМЗ, оснащённый уникальным оборудованием и насчитывающий более 800 человек персонала, рискует потерять основное направление сбыта.
— Мы сразу же начали искать альтернативу, — рассказывает Александр Кацай. — Вместе с ТРИНИТИ и рядом других институтов был разработан сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии. Удельная энергоёмкость, то есть способность мгновенно выдать ток большой мощности, у него выше, чем у любого аккумулятора. Мы планируем использовать их в источниках бесперебойного питания, в системах электрического обеспечения больниц, центров хранения данных, аппаратов по выращиванию кристаллов, пунктов связи — везде, где даже малейший сбой питания может привести к необратимым последствиям или крупным потерям. Речь идёт о том, чтобы «подхватить» энергосистему на 14 секунд, которые проходят от отключения сети до включения аварийных генераторов. Для производства одной такой катушки на 24 МДж требуется 3–3,5 т низкотемпературного сверхпроводника. То есть при развитии этого направления всё, что делает ЧМЗ, может найти своего потребителя.
В настоящее время разрабатывается ещё один проект по созданию магниторезонансного томографа. Совместно с медиками и физиками уже подготовлено техническое задание на сам томограф и все его системы. Осталось найти спонсора. Идут переговоры с отечественными и иностранными компаниями. Была идея обратиться за поддержкой в госкорпорацию «Роснано», однако пока такой возможности нет, ведь Роснано не финансирует НИОКР.
НЕТ КОРОТКОМУ ЗАМЫКАНИЮ
Самая близкая перспектива по использованию высокотемпературных сверхпроводников — их применение в токоограничителях, которые позволяют купировать пик короткого замыкания и очень быстро возвращают энергосистему в рабочее состояние.
— Приведу пример, — продолжает Александр Кацай. — Токоограничивающие бетонные реакторы, которые используются на подстанциях сегодня, имеют предел напряжения 10 кВ. Тогда как у сверхпроводящих токоограничителей этот предел может быть и 35, и 110, и даже 220 кВ. В конце января мы согласовали с Федеральной сетевой компанией программу совместных разработок сверхпроводящих изделий, и там, в частности, токоограничители на 110 и 220 кВ оказались на первом месте.
— То есть токоограничители только предстоит разработать? — спрашиваю я.
— Мы именно этим занимаемся вместе с Курчатовским институтом и ВЭИ им. Ленина. У нас уже есть действующие макеты, испытанные в лабораторных условиях. Сейчас ведутся переговоры с заинтересованными организациями на предмет испытания токоограничителей в реальных условиях, на полигонах, где обкатывается оборудование, проверки изделия на питающей подстанции.
ЭНЕРГИЯ ПРО ЗАПАС
— В 2009 году мы начали широкомасштабные НИОКР по целому ряду направлений высокотемпературной сверхпроводимости, — рассказывает Кацай. — В первую очередь это поиск технологий производства самого ВТСП. Сейчас занимаемся подготовкой к запуску такой линии, которую смонтируем на собственном предприятии. Параллельно разрабатываются изделия, где будут применяться ВТСП. Во первых, токоограничители для систем энергоснабжения ОАО «РЖД». Устройство для сетей в 3,5 кВ постоянного тока будет стоить несколько миллионов рублей. Внешне оно выглядит как металлическая бочка диаметром 50–60 см и весом несколько десятков килограммов. Внутри размещены катушки из сверхпроводника и поддерживается температура жидкого азота.
Ещё одно изделие, макет которого протестирован в лабораторных условиях, — кинетический накопитель энергии. Устройство представляет собой закрытый в вакуумном кожухе маховик (в макете использовали металлическое колесо массой порядка 100 кг и диаметром 60 см), подвешенный на сверхпроводящем керамическом магните. Получился подшипник без трения, обладающий свойством самокорректировки оси вращения. Подобный накопитель может работать порядка 20 лет, непрерывно запасать и отдавать энергию. За это время придётся лишь два раза поменять криосистему и изредка подливать в неё жидкий азот.
Потребителем кинетических накопителей станут предприятия, энергокомпании и транспорт. Парк таких устройств — «силовая плантация», сможет запасать электроэнергию ночью, закупая её по дешёвому тарифу, а днём отдавать. В Москве разница между дневными и ночными тарифами почти трёхкратная, а есть регионы, где она ещё больше.
— В конце 2009 года мы начали подготовку проекта «Сверхпроводниковая индустрия», в которую вошла разработка технологий производства ВТСП второго поколения и изделий из них, — подытоживает Александр Кацай. — В комиссию при президенте России по модернизации экономики страны была подана заявка. Проект нашёл поддержку. В конце 2009 года подписано распоряжение о выделении 4,3 млрд. рублей Росатому на разработку образцов и создание опытных производств. В конце декабря 2010 года средства поступили к нам. В ближайшие два года они пойдут на организацию выпуска сверхпроводника, токоограничителей и кинетических накопителей. Кроме того, на деньги бюджета НИОКР госкорпорации в 2011 году стартует разработка сверхпроводящих моторов, генераторов и трансформаторов для энергетики. Так что сверхпроводящее будущее России определённо не за горами.
Павел ОРЛОВ,
для «Страны РОСАТОМ»
СПРАВКА
ООО «Русский сверхпроводник» — специально созданная структура, которая занимается разработкой технологий и изделий в сфере сверхпроводников. Финансирование этой работы осуществляет госкорпорация «Росатом» через свою дочернюю компанию ОАО «Русский сверхпроводник».