Некоторые из технологических применений сверхпроводимости включают:
- производство чувствительных магнитометров на основе СКВИДов (сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств)
- быстрые цифровые схемы (в том числе на джозефсоновских переходах и быстрой квантовой технологии одиночного потока ),
- мощные сверхпроводящие электромагниты , используемые в магнитной подвеске поездов , магнитно - резонансная томография (МРТ) и ядерный магнитный резонанс машина (ЯМР), с магнитным удержанием слитых реакторы (например , токамаки ), и луч и фокусирующие магниты , используемых в ускорителей частиц
- силовые кабели с малыми потерями
- Радиочастотные и микроволновые фильтры (например, для базовых станций мобильных телефонов , а также сверхчувствительных / селективных приемников военного назначения)
- быстро придираться ограничители тока
- высокочувствительные детекторы частиц , включая датчик края перехода , сверхпроводящий болометр , детектор сверхпроводящего туннельного перехода, детектор кинетической индуктивности и детектор одиночных фотонов на сверхпроводящей нанопроволоке
- магниты для рельсотрона и койлгана
- электродвигатели и генераторы [1]
Низкотемпературная сверхпроводимость
Магнитно-резонансная томография (МРТ) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
Наибольшее применение сверхпроводимости - это создание стабильных и интенсивных магнитных полей большого объема, необходимых для МРТ и ЯМР. Это представляет собой многомиллиардный рынок для таких компаний, как Oxford Instruments и Siemens . В магнитах обычно используются низкотемпературные сверхпроводники (LTS), потому что высокотемпературные сверхпроводники еще не достаточно дешевы, чтобы рентабельно обеспечивать требуемые высокие, стабильные и большие поля, несмотря на необходимость охлаждения LTS-инструментов до температур жидкого гелия . Сверхпроводники также используются в сильнопольных научных магнитах.
Ускорители элементарных частиц и устройства магнитного синтеза
Ускорители элементарных частиц, такие как Большой адронный коллайдер, могут включать в себя множество сильнопольных электромагнитов, требующих большого количества НТС. Для создания магнитов LHC потребовалось более 28 процентов мирового производства ниобий-титановой проволоки в течение пяти лет, при этом большое количество NbTi также использовалось в магнитах для огромных экспериментальных детекторов LHC. [2]
Небольшое количество магнитных термоядерных устройств (в основном токамаки ) использовали катушки SC. Текущее строительство ИТЭР потребовало беспрецедентного количества НТС (например, 500 тонн, что привело к 7-кратному увеличению годовой производственной мощности в мире). [3]
Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП)
Коммерческое применение высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) пока ограничено.
Для охлаждения до сверхпроводящих температур ВТСП требуется только жидкий азот , а не жидкий гелий . Однако проблема технологии ВТСП заключается в том, что известные в настоящее время высокотемпературные сверхпроводники представляют собой хрупкую керамику, которую дорого производить, и которую нелегко формовать в провода или другие полезные формы. [4] Таким образом, приложения для HTS были там, где они имели некоторые другие существенные преимущества, например, в
- токоподводы с низкими тепловыми потерями для устройств LTS (низкая теплопроводность),
- RF и микроволновые фильтры (низкое сопротивление RF), и
- все чаще используются специализированные научные магниты, особенно там, где размер и потребление электроэнергии имеют решающее значение (в то время как HTS-провода намного дороже, чем LTS в этих приложениях, это может быть компенсировано относительной стоимостью и удобством охлаждения); желательна возможность линейного изменения поля (более высокий и широкий диапазон рабочих температур HTS означает более быстрое изменение поля); или желательна работа без криогена (для LTS обычно требуется жидкий гелий, который становится все более дефицитным и дорогим).
Системы на основе HTS
ВТСП применяется в научных и промышленных магнитах, в том числе в системах ЯМР и МРТ. Коммерческие системы теперь доступны в каждой категории. [5]
Также одним из неотъемлемых атрибутов ВТСП является то, что он может выдерживать гораздо более высокие магнитные поля, чем НТС, поэтому ВТСП при температурах жидкого гелия исследуются для вставок с очень сильным полем внутри магнитов НТС.
Многообещающие будущие промышленные и коммерческие приложения HTS 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) перевешивают добавленную стоимость. В долгосрочной перспективе по мере падения цен на проводники ВТСП-системы должны быть конкурентоспособными в гораздо более широком диапазоне приложений только по соображениям энергоэффективности. (Относительно технический и ориентированный на США взгляд на состояние технологии HTS в энергосистемах и статус разработки проводников поколения 2 см. В Ежегодном экспертном обзоре Министерства энергетики США, 2008 г., «Сверхпроводимость для электрических систем» .)
Передача электроэнергии
Holbrook Superconductor Project
Сверхпроводник Проект Холбрук является проектом разработки и создания первого в мире производства сверхпроводящей передачи кабеля питания. Кабель был введен в эксплуатацию в конце июня 2008 года. Пригородная электрическая подстанция Лонг-Айленда питается от подземной кабельной системы длиной около 600 метров, состоящей из около 99 миль (159 км) высокотемпературного сверхпроводящего провода производства American Superconductor , проложенного под землей и охлаждение жидким азотом значительно сокращает дорогостоящую полосу отвода, необходимую для обеспечения дополнительной мощности. [6]
Проект Tres Amigas
Компания American Superconductor была выбрана для проекта Tres Amigas , первого в США центра рынка возобновляемых источников энергии. [7] Рыночный центр возобновляемых источников энергии Tres Amigas будет представлять собой многомиллионный треугольный путь электричества по сверхпроводящим трубопроводам, способный передавать и балансировать многие гигаватты электроэнергии между тремя энергосистемами США (Восточное межсетевое соединение, Западное межсоединение и межсетевое соединение Техаса. ). В отличие от традиционных линий электропередач, он передает мощность как постоянный, а не переменный ток. Он будет расположен в Кловисе, Нью-Мексико.
Внутренний город Эссена
Эссен, Германия , производит самый длинный в мире сверхпроводящий силовой кабель - 1 км. Это кабель 10 кВ, охлаждаемый жидким азотом. Кабель меньше, чем эквивалентный обычный кабель на 110 кВ, и более низкое напряжение имеет дополнительное преимущество в виде трансформаторов меньшего размера. [8] [9]
Алюминиевый завод Voerde
Алюминиевый завод в Воерде , Германия, планирует использовать сверхпроводники для кабелей на 200 кА, ссылаясь на меньшие объемы и потребность в материалах в качестве преимуществ. [10] [11]
Диборид магния
Диборид магния - гораздо более дешевый сверхпроводник, чем BSCCO или YBCO, с точки зрения затрат на пропускную способность по току на длину (стоимость / (кА * м)), примерно так же, как LTS, и на этой основе многие производимые провода уже дешевле. чем медь. Кроме того, MgB 2 сверхпроводник при температурах выше, чем LTS (его критическая температура составляет 39 K, по сравнению с менее чем 10 K для NbTi и 18,3 K для Nb 3 Sn), что дает возможность использовать его при 10-20 K в безкриогенных условиях. магниты или, возможно, в конечном итоге в жидком водороде. [ необходима цитата ] Однако MgB 2 имеет ограниченное магнитное поле, которое он может выдерживать при таких более высоких температурах, поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы продемонстрировать его конкурентоспособность в приложениях с более высокими полями.
Захваченные магниты поля
Воздействие кратковременного магнитного поля на сверхпроводящие материалы может удерживать поле для использования в таких машинах, как генераторы. В некоторых приложениях они могут заменить традиционные постоянные магниты. [12] [13] [14]
Заметки
- ^ Сверхпроводники смотрят в будущее. 2010 г.
- ^ Магниты ИТЭР
- ^ См., Например, LR Lawrence et al: «Высокотемпературная сверхпроводимость: продукты и их преимущества». Архивировано 8 сентября 2014 г. в Wayback Machine (2002) Bob Lawrence & Associates, Inc.
- ^ См., Например, HTS-110 Ltd и Paramed Medical Systems .
- ^ Gelsi, Стив (2008-07-10). «Энергетические компании используют новые технологии для стареющих сетей» . Обзор рынка . Проверено 11 июля 2008 .
- ^ «Сверхпроводящие электрические трубопроводы будут приняты в качестве первого в Америке узла рынка возобновляемой энергии» . 2009-10-13 . Проверено 25 октября 2009 .
- ^ Уильямс, Диармайд (7 января 2016 г.). «Успех Nexans в Эссене может быть расширен и в других городах» . Энергетика . Проверено 6 июля 2018 .
- ^ "Ein Leuchtturmprojekt für den effizienten Stromtransport" (PDF) (на немецком языке). Архивировано из оригинального (PDF) на 2014-11-08.
- ^ «Демо200» . Проверено 7 марта 2020 .
- ^ "Trimet in Voerde setzt auf nachhaltige Supraleitertechnologie" (на немецком языке). 2020-02-04 . Проверено 7 марта 2020 .
- ^ Захваченный магнит поля
- ^ Физики обнаруживают недостатки в теории сверхпроводников
- ^ Захваченные магниты поля из высокотемпературных / субк / сверхпроводников