Технологические применения сверхпроводимости

Технологические применения сверхпроводимости включают:

Низкотемпературная сверхпроводимость

Магнитно-резонансная томография и ядерный магнитный резонанс

Наибольшее применение сверхпроводимости — это создание больших, стабильных и высокоинтенсивных магнитных полей, необходимых для магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это представляет собой многомиллиардный рынок для таких компаний, как Oxford Instruments и Siemens . Магниты обычно используют низкотемпературные сверхпроводники (НТС), поскольку высокотемпературные сверхпроводники еще недостаточно дешевы, чтобы экономически эффективно обеспечивать высокие, стабильные и высокоинтенсивные требуемые поля, несмотря на необходимость охлаждения приборов НТС до температур жидкого гелия . Сверхпроводники также используются в высокополевых научных магнитах.

Ускорители частиц и устройства магнитного термоядерного синтеза

Ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, могут включать в себя множество электромагнитов с высоким полем, требующих большого количества LTS. Для создания магнитов LHC потребовалось более 28 процентов мирового производства ниобий-титановой проволоки в течение пяти лет, а также большие количества NbTi использовались в магнитах для огромных экспериментальных детекторов LHC. [2]

Обычные термоядерные машины (JET, ST-40, NTSX-U и MAST) используют блоки из меди. Это ограничивает их поля до 1-3 Тесла. Несколько сверхпроводящих термоядерных машин запланированы на период 2024-2026 годов. К ним относятся ITER , ARC и следующая версия ST-40 . Добавление высокотемпературных сверхпроводников должно дать улучшение полей на порядок (10-13 Тесла) для нового поколения токамаков. [3]

Высокотемпературная сверхпроводимость

Коммерческое применение высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) до сих пор ограничивалось другими свойствами материалов, открытых до сих пор. ВТСП требуют только жидкий азот , а не жидкий гелий , для охлаждения до сверхпроводящих температур. Однако известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники представляют собой хрупкую керамику, которая дорога в производстве и нелегко формуется в провода или другие полезные формы. [4] Поэтому применение ВТСП было там, где у него есть некоторые другие внутренние преимущества, например:

  • токопроводы с низкими тепловыми потерями для устройств LTS (низкая теплопроводность),
  • Фильтры ВЧ и СВЧ (низкое сопротивление ВЧ) и
  • все чаще в специализированных научных магнитах, особенно там, где размер и потребление электроэнергии имеют решающее значение (хотя в этих приложениях провод ВТСП намного дороже, чем НТС, это может быть компенсировано относительной стоимостью и удобством охлаждения); желательна возможность наращивания поля (более высокий и широкий диапазон рабочих температур ВТСП означает, что можно управлять более быстрыми изменениями поля); или желательна работа без криогена (для НТС обычно требуется жидкий гелий, который становится все более дефицитным и дорогим).

Системы на основе HTS

HTS имеет применение в научных и промышленных магнитах, включая использование в системах ЯМР и МРТ. Коммерческие системы теперь доступны в каждой категории. [5]

Еще одним неотъемлемым свойством ВТСП является то, что он может выдерживать гораздо более сильные магнитные поля, чем НТС, поэтому ВТСП при температурах жидкого гелия исследуются для создания вставок с очень сильным полем внутри НТС-магнитов.

Перспективные будущие промышленные и коммерческие применения ВТСП включают индукционные нагреватели , трансформаторы , ограничители тока короткого замыкания , накопители энергии , двигатели и генераторы , термоядерные реакторы (см. ИТЭР ) и устройства магнитной левитации .

Ранние приложения будут там, где преимущество меньшего размера, меньшего веса или возможности быстрого переключения тока (ограничители тока короткого замыкания) перевешивает добавленную стоимость. В долгосрочной перспективе, поскольку цены на проводники падают, системы HTS должны быть конкурентоспособны в гораздо более широком диапазоне приложений только по соображениям энергоэффективности . (Относительно технический и ориентированный на США взгляд на состояние дел в области технологии HTS в энергосистемах и статус разработки проводников поколения 2 см. в ежегодном обзоре коллег Министерства энергетики США «Сверхпроводимость для электрических систем» за 2008 г.)

Передача электроэнергии

Проект Holbrook Superconductor , также известный как проект LIPA, был проектом по проектированию и строительству первого в мире сверхпроводящего кабеля передачи мощности. Кабель был введен в эксплуатацию в конце июня 2008 года Управлением энергетики Лонг-Айленда (LIPA) и находился в эксплуатации в течение двух лет. Пригородная электрическая подстанция Лонг-Айленда питается от подземной кабельной системы длиной 2000 футов (600 м), которая состоит из около 99 миль (159 км) высокотемпературного сверхпроводящего провода, произведенного American Superconductor, охлажденного до -371 °F (-223,9 °C; 49,3 K) жидким азотом , [ сомнительно – обсудить ] значительно сокращая затраты, необходимые для подачи дополнительной мощности. [6] Кроме того, установка кабеля обошла строгие правила для воздушных линий электропередач и предложила решение для общественных опасений [ какие? ] по поводу воздушных линий электропередач. [7] [ неудачная проверка ]

Проект Tres Amigas был предложен в 2009 году как электрический соединитель HVDC между Eastern Interconnection , Western Interconnection и Texas Interconnection . [8] Предполагалось, что это будет многомильный треугольный путь сверхпроводящих электрических кабелей, способный передавать пять гигаватт электроэнергии между тремя энергосистемами США. Проект прекратил свое существование в 2015 году, когда Eastern Interconnect вышла из проекта. Строительство так и не было начато. [9]

Участок сверхпроводящего кабеля, установленный в Эссене, Германия

Эссен, Германия, имеет самый длинный в мире сверхпроводящий силовой кабель в производстве — 1 километр. Это 10-киловольтный кабель с жидким азотным охлаждением. Кабель меньше, чем эквивалентный 110-киловольтный обычный кабель, а более низкое напряжение имеет дополнительное преимущество в виде меньших трансформаторов. [10] [11]

В 2020 году алюминиевый завод в Фёрде , Германия, объявил о планах использования сверхпроводников для кабелей с током 200 кА, ссылаясь на меньший объем и потребность в материале в качестве преимуществ. [12] [13]

Диборид магния

Диборид магния является гораздо более дешевым сверхпроводником, чем BSCCO или YBCO с точки зрения стоимости на пропускную способность тока на единицу длины (стоимость/(кА*м)), на том же уровне, что и LTS, и на этой основе многие производимые провода уже дешевле меди. Кроме того, MgB2 сверхпроводит при температурах выше, чем LTS (его критическая температура составляет 39 К по сравнению с менее чем 10 К для NbTi и 18,3 К для Nb3Sn ) , что открывает возможность его использования при 10-20 К в криогенных магнитах или, возможно, в конечном итоге в жидком водороде. [ необходима цитата ] Однако MgB2 ограничен в магнитном поле, которое он может выдерживать при этих более высоких температурах, поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы продемонстрировать его конкурентоспособность в приложениях с более высокими полями.

Захваченные магниты поля

Воздействие сверхпроводящих материалов на кратковременное магнитное поле может захватить поле для использования в таких машинах, как генераторы. В некоторых приложениях они могли бы заменить традиционные постоянные магниты. [14] [15] [16]

Примечания

  1. ^ Фишер, Мартин. Новый путь к возобновляемой энергии мощностью 10 МВт в мире , 12 октября 2010 г. Получено: 14 октября 2010 г.
  2. ^ Сверхпроводники смотрят в будущее. 2010
  3. ^ Магниты ИТЭР
  4. ^ См., например, LR Lawrence et al: «Высокотемпературная сверхпроводимость: продукты и их преимущества». Архивировано 08.09.2014 в Wayback Machine (2002) Bob Lawrence & Associates, Inc.
  5. ^ См., например, HTS-110 Ltd и Paramed Medical Systems.
  6. ^ Gelsi, Steve (2008-07-10). «Энергетические компании осваивают новые технологии для стареющих сетей». Market Watch . Получено 2008-07-11 .
  7. ^ Экроуд, С. (декабрь 2012 г.). «Сверхпроводящее-энергетическое-оборудование» (PDF) . Technology*Watch*2012 – через EPRI.
  8. ^ "Сверхпроводящие электропровода будут приняты для первого в Америке рыночного центра возобновляемой энергии". 2009-10-13 . Получено 2009-10-25 .
  9. ^ Босвелл-Гор, Алиса (13 марта 2021 г.). «Tres Amigas: What could have been». The Eastern New Mexico News . Получено 28 мая 2023 г.
  10. ^ Уильямс, Диармейд (7 января 2016 г.). «Успех Nexans в Эссене может распространиться и на другие города». Энергетика . Получено 6 июля 2018 г.
  11. ^ "Ein Leuchtturmprojekt für den effizienten Stromtransport" (PDF) (на немецком языке). Архивировано из оригинала (PDF) 8 ноября 2014 г.
  12. ^ "Demo200" . Получено 2020-03-07 .
  13. ^ "Trimet in Voerde setzt auf nachhaltige Supraleitertechnologie" (на немецком языке). 04 февраля 2020 г. Проверено 7 марта 2020 г.
  14. ^ "Захваченный магнит поля | Центр электромеханики". cem.utexas.edu . Получено 2023-11-09 .
  15. ^ "Физики обнаружили недостатки в теории сверхпроводников". phys.org . Получено 2023-11-09 .
  16. ^ Wen, HM; Lin, LZ; Xiao, LY; Xiao, L.; Jiao, YL; Zheng, MH; Ren, HT (2000). «Захваченные магниты поля высокотемпературных сверхпроводников». Труды IEEE по прикладной сверхпроводимости . 10 (1): 898– 900. Bibcode : 2000ITAS...10..898W. doi : 10.1109/77.828376. S2CID  38030007.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Technological_applications_of_superconductivity&oldid=1246986560#Electric_power_transmission"