Проводниковые материалы

КРИОПРОВОДЯЩИЕ И СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ кабелЬНЫЕ ЛИНИИ

При передаче электрической энергии по кабелям значительная часть мощности расходуется на тепловые потери в токопроводящих жилах. Поэтому задача передачи сверхбольших мощностей не может быть решена при помощи усовершенствования кабелей традиционных конструкций, например маслонаполненных. Решением может быть разработка криопроводящих кабелей, у которых сопротивление жил, а следовательно, и уровни потерь снижаются за счет их глубокого охлаждения до температур 20–80 К, а также сверхпроводящих кабелей, у которых в рабочих режимах потери на постоянном токе в токопроводящих жилах равны нулю.

Рабочие температуры криопроводящих кабелей составляют 77–80 К (реже 20 К), что достигается за счет применения в качестве хладагента сравнительно дешевого и доступного жидкого азота либо жидкого водорода или неона.

По сравнению со сверхпроводящими криопроводящие системы значительно проще, дешевле и удобнее в эксплуатации, однако передаваемая мощность в этих системах ограничена тепловыми потерями в токопроводящих жилах.

 

В качестве материала для токопроводящих жил криопроводящих кабелей используются так называемые криопроводники, т. е. металлы, обладающие минимальным сопротивлением при криогенных температурах.

Наименьшим сопротивлением при 20–80 К обладают такие металлы, как медь, алюминий, серебро, бериллий. При 77–80 К наименьшим сопротивлением обладает бериллий, а при 20 К – алюминий и медь. Применение бериллия в качестве криопроводника является перспективным, однако пока в связи с дороговизной, а также сложностью переработки он является неконкурентоспособным по сравнению с алюминием и медью. Таким образом, основными криопроводниками в настоящее время остаются медь и алюминий. Причем величина их сопротивлений при криогенных температурах существенно зависит от чистоты металла и различного рода деформаций, возникающих при изготовлении, как самого проводника, так и токопроводящих жил, а также от режима отжига проводника.

Сопротивление криопроводников при низких температурах определяется целым рядом факторов. В общем случае их сопротивление в отсутствие магнитного поля можно представить как сумму:

1) собственного (фононного) сопротивления металла, которое определяется природой самого металла и уменьшается при уменьшении температуры;

2) сопротивления, обусловленного наличием атомов примесей;

3) плюс сопротивлений, обусловленных всеми остальными влияющими факторами.

С уменьшением температуры электрическое сопротивление металлов, как известно, снижается, что обусловлено уменьшением энергии взаимодействия электронов с атомной решеткой из-за уменьшения ее теплового движения.

Если значение собственного сопротивления металла при уменьшении температуры уменьшается, то остальные слагаемые практически не зависят от температуры и поэтому при низких температурах оказывают большое влияние на величину сопротивления.

Вещества, для которых наблюдается явление сверхпроводимости (скачкообразное уменьшение до нуля электрического сопротивления материала при достижении критической температуры близкой к абсолютному нулю), называются сверхпроводниками. Сверхпроводниками являются не менее 27 чистых металлов, кроме того, к настоящему времени получено большое количество сверхпроводящих сплавов и соединений.

Сверхпроводниковые элементы (чистые металлы) по своим физико-химическим свойствам делятся на две группы: так называемые мягкие и жесткие сверхпроводники. Мягкие сверхпроводники характеризуются низкой температурой плавления и отсутствием внутренних напряжений. Для образцов из жестких сверхпроводников характерны значительные внутренние напряжения.

Все сверхпроводниковые материалы по изменению их свойств в магнитном поле можно разделить на две группы: сверхпроводники первого и второго рода.

Также обычно выделяют идеальные и неидеальные сверхпроводники. Например: к идеальным сверхпроводникам второго рода относятся жесткие металлы (ниобий и ванадий), а также сверхпроводниковые сплавы и соединения с размерами неоднородностей не больше атомного ядра. Неидеальные сверхпроводники второго рода – это материалы (сплавы и соединения), имеющие в структуре дефекты или неоднородности, превышающие атомный размер.

Из всех идеальных сверхпроводников первого рода (мягких сверхпроводников) пригодным для изготовления жил сверхпроводящих кабелей может быть только свинец (Т_к=7,2 К). Остальные сверхпроводниковые элементы имеют слишком низкую критическую температуру.

Наиболее перспективными для создания сверхпроводящих кабелей являются идеальные и неидеальные сверхпроводники второго рода, а именно ниобий (Т_к=9,3 К) и его соединение с оловом Nb₃Sn (Т_к=18 К).

Характерной особенностью использования сверхпроводников второго рода для жил кабелей является то, что они выполняются в виде либо тонкой фольги (Nb), либо тонкого покрытия (Nb и Nb₃Sn) на металлической подложке. Это связано с тем, что глубина проникновения тока в сверхпроводник составляет примерно 10^{-5 см} и это делает нецелесообразным выполнение всего сечения жилы из сверхпроводника (ниобия или Nb₃Sn). Кроме того, соединение Nb₃Sn обладает недостаточной пластичностью, чтобы из него можно было изготовить гибкую проволоку. Удобнее всего жилы кабеля выполнять в виде медных или алюминиевых труб, по которым может циркулировать хладагент, с нанесением на их поверхность тонкого слоя ниобия или его соединений.

До 90-х годов реализовать явление сверхпроводимости в электротехнических устройствах удавалось лишь с применением жидкого гелия (температура близкая к абсолютному нулю, около 4 К). Однако в 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость у некоторых керамических материалов, а в 1987 г. критическая температура таких материалов была повышена до 90 К (азотный уровень: 60–80 К). Но пока это не находит широкого практического применения.