Проводник в будущее

В этом году завершается пятилетний проект «Сверхпроводниковая индустрия», инициированный президентской Комиссией по модернизации и технологическому развитию экономики. «Росатому» поручили ликвидировать отставание в России в производстве высокотемпературных сверхпроводников и изделий из них. Ученые и инженеры консорциума предприятий «Росатома» разработали принципиально новые технологии производства высокотемпературных сверхпроводящих материалов второго поколения (ВТСП-2) и создали на их основе энергетические устройства. Все это обеспечит скачок в промышленности и в научном приборостроении. С таким заделом «Росатом» сможет выйти на мировой рынок высокотехнологичной продукции.

Производство низкотемпературных сверхпроводников в России мире освоили довольно давно. НТСП, а точнее ленты на их основе уже много лет широко используют в научных мегапроектах. «В системах Большого адронного коллайдера 1,5 тыс. т сверхпроводника на основе деформируемого сплава NbTi. Для ускорителя следующего поколения, который планирует строить ЦЕРН, потребуется уже 9 тыс. т модернизированных низкотемпературных сверхпроводников на основе NbTi и Nb3Sn с существенно более высокими сверхпроводящими свойствами. В ИТЭР 500 т ниобий-оловянного низкотемпературного сверхпроводника, 200 т ниобий-титанового», — сообщил на международной научной конференции «Атомтех» Виктор Панцырный, директор по развитию компании «Русский сверхпроводник», которая координирует работу участников национального проекта «Сверхпроводниковая индустрия». В начале 2000-х пришло время России сделать следующий шаг — освоить ВТСП.
Лента для мегапроектов
Российские инженеры наладили производство исходных материалов для ВТСП-лент и лент-подложек. «Чтобы вы представили масштаб задачи, скажу, что длинномерный сверхпроводник — это ленточка толщиной 50 — 100 мк и длиной до 1 км с уровнем шероховатости поверхности 10 нм, изготовленная из разных материалов: сплава никеля и вольфрама, жаропрочных нержавеющих сталей. На ленте сверхпроводниковый слой, состоящий из иттрия, бария, меди и кислорода. Его наносят в высоковакуумных установках с помощью специальных прецизионных керамических мишеней методами лазерной абляции», — объясняет Виктор Панцырный.
В Курчатовском институте по немецкой технологии создали экспериментальную технологическую линию для производства высокотемпературных сверхпроводников. Здесь можно получать ленты ВТСП-2 длиной до 100 м. На установке совершенствуют технологию для увеличения допустимых величин тока и снижения стоимости производства
В НИИТФА вторая производственная линия. На ней можно изготавливать сверхпроводники длиной до 1 км, используя в качестве исходных материалов разработанные во ВНИИНМ металлические ленты-подложки и керамические высокопрецизионные мишени сверхпроводящих и буферных материалов. Сейчас оборудование проходит последние испытания, буквально через пару недель будет готова первая российская километровая ВТСП-лента. Это уже самоценный, конкурентоспособный продукт для мирового рынка.

Энергия без потерь

ВТСП-ленты – это еще и основа для производства электротехнических устройств. Любое из них будет компактнее и эффективнее традиционных аналогов. «Свойство всех сверхпроводящих устройств – отсутствие потерь электроэнергии в процессе работы», — рассказал корреспонденту «СР» руководитель проекта «Русского сверхпроводника» Андрей Кащеев. Например, создан опытный образец сверхпроводникового ограничителя тока (СОТ), который можно использовать в устройствах тягового электроснабжения на железных дорогах. «У нормально проводящих ограничителей потери энергии — 120 — 150 кВт в час. У СОТ — не больше 5 кВт в час», — сравнивает Андрей Кащеев.
В прошлом году «Росатом» и РЖД подписали соглашение о научно-техническом сотрудничестве. НИИТФА и Всероссийский НИИ железнодорожного транспорта договорились создать сверхпроводящие токоограничители. Демонстрационный образец, разработанный в НИИТФА, ВНИИЖТ скоро проверит на подстанции в Щербинке.
В системах электроснабжения мегаполисов выгодно использовать сверхпроводящие трансформаторы. Помимо уже названных плюсов — веса, размера, высокого КПД — они требуют меньше затрат на установку, служат дольше. Да и с точки зрения экологии лучше: вместо масла в качестве охлаждающей среды используют жидкий азот, который не загрязняет почву и не пожароопасен.

Вращающиеся машины

Отдельный класс сверхпроводящих устройств, созданных в рамках президентского проекта, — вращающиеся машины: генераторы, двигатели, кинетические накопители энергии. Атомщики предлагают на их основе выстраивать комплексные системы электроснабжения для судов. «Любое сверхпроводниковое устройство будет занимать в три-четыре раза меньше площади. Потери топлива сократятся на 10 — 15 %. Можно поставить систему на сверхпроводниковый подшипник, и мы получим практически бесшумный двигатель – это важно для военного флота», — перечисляет Виктор Панцырный.
Сверхпроводящие генераторы – лучший вариант для ветровых электростанций нового поколения в районах Крайнего Севера. «В мире вводится до 40 ГВт мощностей ветровой энергетики в год, — рассказывает руководитель «Русского сверхпроводника». — Генератор в ветроэнергетических установках весит до 500 т при мощности 3 — 5 МВт. Он располагается на высоте 160 м. Мы создали демонстрационный образец сверхпроводникового генератора мощностью 1 МВт, который весит в три-четыре раза меньше, чем нормально проводящий аналог. Работаем над устройствами мощностью 10 МВт, которые будут как минимум в два-три раза меньше традиционных. Поставьте 100 таких генераторов — получите энергию, сопоставимую с выдаваемой АЭС. Применение ветроэнергетических станций высокой мощности со сверхпроводниковыми генераторами особенно перспективно в северных регионах, которые богаты минеральными ресурсами, но не имеют доступа к централизованной энергосистеме. Кстати, Areva ветрогенераторы большой мощности уже выпускает. Надо и нам следовать тенденции».
Кинетические сверхпроводниковые накопители энергии емкостью до 20 МДж пригодятся в дата-центрах. Система резервного питания там основана на аккумуляторах, объединенных в сеть. В случае отключения электроэнергии они могут некоторое время питать оборудование. Кинетический накопитель продлит это время в разы. «У аккумуляторов есть ограничения скорости выдачи запасаемой энергии, количества циклов выдачи. У сверхпроводниковых накопителей ничего такого нет. При этом они имеют неоспоримые экологические преимущества», — добавляет Андрей Кащеев.

Рынок будет

Скептики говорят, что все эти устройства можно сложить на полку: рынка сверхпроводящей электротехники ни в России, ни в мире пока нет. Но это вопрос ближайшего будущего, уверен Виктор Панцырный: «Прототипы принципиально новых энергетических устройств и технологии их производства готовы, однако мы не можем просто так взять и поставить, например, сверхпроводящий ограничитель тока на действующую подстанцию железной дороги. Это совершенно новый класс устройств, в стране просто нет нормативной документации. Но промышленность верит в сверхпроводники. С нами многие компании готовы сотрудничать, чтобы довести опытные образцы до серии. Нормы и правила будут разработаны, нет сомнения. Дело двух-трех лет».
Мировой рынок сверхпроводящей электротехники в общих чертах сформируется к 2020 году, прогнозирует Андрей Кащеев. «Чем шире будет у нас к этому моменту ассортимент прошедших апробацию в условиях реальных энергосистем, тем больше конкурентных преимуществ, — уверен он. — То, что уже сделано в рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия», дает нам хороший задел для включения в конкурентную борьбу».