Криогенные и сверхпроводящие электроэнергетические устройства (прикладная сверхпроводимость). Лекция 1

1.

Криогенные и сверхпроводящие
электроэнергетические устройства
(000025237)
(прикладная сверхпроводимость)
Лекция 1
Профессор Е.Ю.Клименко

2.

Прикладная сверхпроводимость – независимая
техническая наука. Она имеет связи с физикой
сверхпроводников, но не столь прочные, как принято
думать.
Для большинства физиков
появление в 1961 г.
материалов, способных нести
большие объемные токи,
явилось неожиданностью.
Теория сверхпроводимости
имела дело только с
поверхностными токами.
Никаких подходов к
объяснению поведения вновь
появившихся материалов у
физики не было. Мы оказались
в положении натуралистов 17
века.
2

3.

В 1962-63 г.г. предлагали фантастические модели,
чтобы объяснить результаты лавины
экспериментальных данных. Часть этих моделей
оказалась плодотворной, но не исчерпывающей.
Другая часть была просто вздорной. Но все они
живы до сих пор, как это не удивительно.
Причина в том, что открывшаяся возможность
перестать тратить 10% производимой
электроэнергии на никому не нужный подогрев
атмосферы вовлекла в прикладную
сверхпроводимость тысячи специалистов и
авантюристов. Такое «научно-техническое
сообщество» оказывается «толпой» в
социологическом смысле этого слова (энтузиазм,
консерватизм в сочетании с неустойчивостью
парадигм, готовность безоглядно идти за лидером в
сочетании с готовностью предать его и пр.)
3

4.

Именно по этой причине прикладная сверхпроводимость
не достигла до сих пор уровня развитой общепризнанной
технической науки. Сверхпроводящие обмотки далеко
не всегда достигают проектных характеристик. Это
препятствует коммерческим применениям прикладной
сверхпроводимости. Сообщество смирилось с этой
ситуацией.
На самом деле понято, как построить адекватную
прикладную сверхпроводимость независимо от
традиционной науки о сверхпроводниках, но эту точку
зрения пока разделяют лишь несколько специалистов.
Поэтому наш курс построен традиционно, чтобы вы могли
общаться с «толпой» на понятном ей языке. По ходу курса
я познакомлю вас с этим адекватным подходом. 4

5.

Явление сверхпроводимости
1.
2.
3.
4.
5.
Нулевое сопротивление. (Значения
сопротивления, измеренные по
затуханию тока в сверхпроводящем
кольце, не более 10-21 ом.см
(E.W.Colligs), 10-23 ом.см (D.J.Quinn,
W.B.Ittner, 1962)).
Идеальный диамагнетизм.
Квантование магнитного потока.
Туннелирование электронных пар.
Квантовая интерференция
Критические свойства
технических
сверхпроводников
5

6.

Прикладная сверхпроводимость
Сверхпроводящие обмотки
◦ Лабораторные магниты
◦ Диполи и квадруполи ускорителей
◦ Магниты детекторов
◦ МР-томографы
◦ Обмотки токамаков,
стеллараторов,
других плазменных устройств
◦ Трансформаторы
◦ Электромоторы и
электрогенераторы
oБолометры
oКриотроны
oВЧ- устройства
oРезонаторы,
oКвантовые устройства
oФильтры
oИзмерители полей и градиентов
oQ-биты
oНанопроволоки
oДетекторы частиц
◦ Токоограничители
◦ Магнитные экраны
◦ Линии электропередачи
6

7.

Сверхпроводящие обмотки
Используемые свойства сверхпроводников:
1.Близкое к нулю сопротивление,
2.Высокие критические поля сверхпроводников II рода,
3. Высокая токонесущая способность сверхпроводников с
сильным пиннингом в высоких полях .
Сверхпроводник
Nb-Ti
Nb3Sn
ВТСП 1G
ВТСП 2G
Bс2 (0 K), Тл
14.5
23-25
~40
~60
1.109 (12 Тл)
2.109 (20 Тл)
1.71010 (20 Тл)
Jc (4.2K, B), А/м2
3.109 (5 Тл)
Достигнутые значения постоянных полей:
23 Тл в лабораторном соленоиде
13 Тл в крупном соленоиде 0.6 м
45 Тл в гибридном магните
7

8.

Способы получения постоянных магнитных полей:
1. Постоянные магниты (1-2Тл)
2. Электромагниты (до 3 Тл)
3. Медные магниты
4. Сверхпроводящие магниты
5. Гибридные магниты
Лабораторный
электромагнит
До 3 Тл, 2.5 кВт
«Lake Shore» США
Биттеровский магнит
30 Тл, 17 МВт
Лаборатория сильных
магнитных полей в
Ниймегене,
Нидерланды
С П магнит
УИС1 10 Тл
РНЦ «КИ»
Гибридный магнит КС-250
25 Тл, 5 МВт,
РНЦ«КИ», НИИЭФА, 1972
8

9.

Эффект использования сверхпроводящей обмотки
Затраты мощности при комнатной
температуре
на криостатирование 100-200 Вт
V = 12554 см
Ниобий-оловянный соленоид 15.02 Тл
Рабочая температура 4.2 К
РНЦ «КИ» 1985
Затраты мощности на получение такого
же поля в таком же соленоиде из меди:
P=J²ρV = 6.276 MВт

10.

Медные водоохлаждаемые магниты
Чтобы отвести из обмотки 6.3 МВт при
перепаде температур между
обмоткой и водой 20 градусов, нужно
прогонять через нее 75 л/с
дистиллированной воды.
20 кА, 300 В
Для работы такого магнита требуется
электрогенератор 6-10 МВт,
теплообменная станция ( несколько
кубометров дистиллированной воды,
насосы, теплообменники)
10

11.

Сопоставим мощность Q рефрижераторов, компенсирующих теплоприток к полной поверхности
НТСП-соленоида, и мощность W, расходуемую на генерацию того же поля медной обмоткой той
же формы и с той же плотностью тока.
Обычно эффект от применения
сверхпроводящих устройств
рассчитывают как экономию
мощности по сравнению с затратами
в такой же обмотке, сделанной из
меди
11

12.

Существует множество оптимистических оценок
результатов применения сверхпроводящих устройств.
Однако их реализация
переносится с одного
десятилетия на другое.
Полагаю, что эффект
будет достигнут не
ранее, чем прикладная
сверхпроводимость
станет реальной
технической наукой.
HIGH TEMPERATURE
SUPERCONDUCTIVITY:THE
PRODUCTS AND THEIR
BENEFITS
L. R. Lawrence, Jr., Ph.D., Craig
Cox, Jodi Hamrick,David Reed,
Bob Lawrence & Associates,
Inc. December 31, 2002
Оптимистические оценки с перспективой внедрения через 10-15 лет давались
в 1974 г. см. «Сверхпроводящие машины и устройства» «Мир» М. 1977. По
магнитам для научных исследований прогнозы сбываются, по промышленным
применениям – увы!
12

13.

Большой адронный коллайдер (LHC) (2009)
B=0.5-8.3 Тл
7 МДж в двух
апертурах
13

14.

14

15.

Диполи LHC
Dipole
length 15 m
The coils must be
aligned very precisely to
ensure a good field
quality
(i.e. ‘pure’ dipole)
15

16.

The incident on 19/10/08
16

17.

1 МДж
1 м 3 He
РНЦ «Курчатовский институт» лето 1980 г.
17

18.

Большой адронный коллайдер (LHC) (2009)
Детектор «CMS»
Детектор «ATLAS»
18

19.

Первый в мире
сверхпроводящий токамак Т-7
Первый в мире токамак
с ниобий-оловянной обмоткой Т-15
РНЦ «КИ» 1978
РНЦ «КИ» 1985
19

20.

Международный термоядерный экспериментальный реактор
ИТЭР
* Gamble (англ) - авантюра
20

21.

Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии
Существует множество видов накопителей (аккумуляторы,
конденсаторы, маховики, ГАЭС и пр.)
Преимущества СПИН:
1.
Высокий КПД (95-98%).
2.
Высокое быстродействие.
3.
Отсутствие выбросов, шумов, возможность компенсации рассеянных магнитных
полей (отсутствие нежелательных взаимодействий с внешними устройствами).
4.
Длительный срок службы (30 и более лет).
5.
Отсутствие специальных требований к месту размещения.
6.
Наилучшие весогабаритные показатели при высоких уровнях энергоемкости.
Энергия накапливается в магнитном поле, создаваемом
сверхпроводящей обмоткой.
21

22.

Желательно, чтобы СПИН не имел рассеянного поля,
существует много вариантов таких обмоток
Общий вид компактного тора
М едианное сечение компактного тора
Среди них наилучший вариант : «компактный тор»:
1.
2.
3.
Однородная плотность энергии внутри
Практическое отсутствие поля снаружи
Минимальные габариты
22

23.

ТОПОГРАФИЯ ПОЛЯ СПИН108
Энергия накапливается внутри тороида
23

24.

СОПОСТАВЛЕНИЕ СПИН
СОЛЕНОИД / КОМПАКТНЫЙ ТОР
Рассеянные поля в ближайшей окрестности СПИН у
24
тороида меньше на три-четыре порядка, чем у соленоида

25.

25

26.

Так может выглядеть СПИН энергоемкостью 28 ГВт.ч, способный сгладить
суточные колебания спроса на энергию в крупной энергетической системе
26

27.

МР-томографы
Замкнутый(1-3 Тл) и открытый (0.3Тл) магниты МР-томографов с NbTi обмотками (Tc = 9K) . В мире работают тысячи таких устройств
27

28.

ТТ к магнитам МР томографов
(для обеспечения качества изображения)
1. Однородность поля в объеме объекта лучше 10 ppm
обеспечивается формой обмотки магнита
28

29.

37 МВт двигатель с ротором из ВТСП для эсминца
США (2007)
29

30.

Опыт разработки ВТСП устройств на к.310
ВТСП электродвигатель мощностью 200 кВт
для транспорта
ВТСП генератора мощностью 1МВА для
ветроустановок
ВТСП КНЭ 5 МДж
ВТСП генератор мощностью 960 кВА
для морских судов
30

31.

В 1985-2003 г.г. В НПО «Гранат» разработаны и изготовлены ~10 ударных
униполярных генераторов и зарядных устройств с железным магнитопроводом
Максимальные параметры различных устройств:
Энергоемкость до 200 МДж
Мощность до 200 МВт
Ток до 1 МА
Напряжение до 250 В
Удельная мощность до 45 МДж/т
Удельная энергоемкость до 200 МДж/т
Устройства применялись на полигоне
«Радуга» и др.
31

32.

Двухдисковый СПУГ
(Электропитание собственных нужд)
Ток в обмотке 9.5 кА
Мощность 10 МВт
Длина 1.2 м
Скорость вращения 6000 об/мин Диаметр 1.7 м
Напряжение 500 В
Масса 5 т
КПД 0.99
Мощность криокулера 5 Вт при 4.2 К
Число витков в обмотке 2278
Длина НО провода 6788 м
32

33.

Поезд на СП магнитном подвесе на ЖД полигоне
в Японии
33

34.

Линейный двигатель для катапульты
авианесущего крейсера Варяг
РНЦ КИ и ХПИ (1990)
Авианосец Ляонин (б.Варяг)
34

35.

Генераторы силы
Взаимодействие сверхпроводящих обмоток позволяет генерировать
большие силы в небольших объемах
Между двумя
встречно
включенными
неподвижными
обмотками ,
создающими
радиальное поле,
находится
подвижная обмотка,
передающая на
образец,
действующую на
нее силу F=I×B L
Эталон силы 100 кН
35

36.

Сверхпроводящие линии электропередачи
могут сэкономить до 10% передаваемой энергии, которая
сейчас теряется на нагрев проводов.
3-фазный ВТСП кабель (1.5 кА, 20 кВ) ОАО «ВНИИКП» РФ
ВТСП ЛЭП позволяют ввести на порядок большую мощность, чем обычные
кабели через кабельный канал того же размера. Об экономике СЛЭП пока
сведений нет.
36

37.

Измерение малых магнитных полей
Сверхпроводящий квантовый
интерферометр (СКВИД)
20 мкм
НТСП СКВИД Nb-Al2O3-Nb
37

38.

Рекомендуемая литература
(основная)
1. М. Уилсон. Сверхпроводящие магниты, М., Мир, 1985.
2. Бертинов А.И. и др. Сверхпроводниковые электрические машины и
магнитные системы. Учебное пособие. Москва, МАИ, 1993.
3. Алиевский Б.Л. и др. Специальные электрические машины. Учебное
пособие. Т. 1 и 2. Энергоатомиздат, 1993ю
4. Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев и др. Электромеханические преобразователи
на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. – М.:Изд-во
МАИ-ПРИНТ, 2008, -400 с.
5. Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев и др. Электрические машины и устройства на
основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. – М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2010, -396 с.
38

39.

Рекомендуемая литература
(дополнительная)
1. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М., Наука,
1982, 220 с.
2. Глебов Н.А. и др. Электрофизические проблемы использования
сверхпроводимости. М., Наука, 1980.
3. Фонер С. и Шварц В. Сверхпроводящие машины и устройства.
М., Мир, 1977.
4. БрехнаТ. Сверхпроводящие магнитные системы. М., Мир, 1976.
5. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников.
Под редакцией Д.М. Гинзберга. М., Мир, 1990.
39