Сверхпроводимость – это сверхактуально

Одно из сегодняшних применений высокотемпературных сверхпроводников – научные исследования в области физики высоких энергий. ВТСП модуль монтируется на ускорителе в Лаборатории Ферми (США).
Фото «CERN Courier»

Известно, что, несмотря на все инженерные ухищрения, не менее 10% производимой в стране электроэнергии теряется. А все дело в том, что часть энергии безвозвратно уходит на нагрев проводов протяженных линий электропередачи и окружающего пространства. Впрочем, аналогичная картина во всем мире. Физика, она и в Африке физика...

Между тем уже почти 100 лет минуло с тех пор, как было открыто явление сверхпроводимости – путь к тому, как обойтись без потерь в проводах. Путь, однако, непростой. Для того чтобы некоторые (не все) проводящие материалы потеряли свое электрическое сопротивление, их необходимо охлаждать до очень низких температур, а это ставит серьезные технические задачи. Тем не менее уже на десятки лет идет счет практическому использованию сверхпроводников (СП) в научных приборах и в медицине.

В науке – это СП-электромагниты, работающие при температуре жидкого гелия («минус» 269 градусов по Цельсию) и применяющиеся в современных больших ускорителях элементарных частиц – коллайдерах. В медицине – магниторезонансные томографы со сверхпроводящими магнитами в гелиевых криостатах. За рубежом ежегодно выпускается около тысячи таких томографов, годовой рынок этой аппаратуры оценивается в несколько миллиардов долларов США.

Что до энергетики, то высокая стоимость сверхпроводящих материалов и необходимость охлаждения до весьма низких температур существенно тормозит их массовое применение. Однако ученые многих стран, и России в том числе, ведут исследования, нацеленные на смягчение, а в перспективе – и устранение этих препятствий. Так, на недавней IV научно-практической конференции «Использование достижений фундаментальных исследований в ядерных технологиях» отмечалось, что благодаря фундаментальным исследованиям ученых атомной отрасли наша страна сегодня находится на стадии освоения и полупромышленного внедрения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Директор Института физики твердого тела и сверхпроводимости РНЦ «Курчатовский институт» член-корреспондент РАН Николай Черноплеков представил на этой конференции основной доклад – «Фундаментальные исследования сверхпроводимости и ее использование в интересах отрасли и народного хозяйства». В частности, он сообщил, что в мире активно ведутся исследования по созданию сверхпроводящих линий электропередачи на основе материалов, работающих при температуре жидкого азота (около минус 196 градусов по Цельсию). Уже существуют опытно-демонстрационные линии длиной в несколько сотен метров в Детройте (США). Там же планируют через несколько лет создать производственные мощности по выпуску ВТСП – провода на тысячи километров линий электропередачи. Было высказано мнение, что и в России уже к 2020 г. вполне реально построить линии электропередачи на основе ВТСП на десятки гигаватт передаваемой мощности.

Фундаментальные научные заделы для реализации подобного проекта имеются. Но сегодня в практическом смысле Россия на новом витке мировой сверхпроводниковой гонки выглядит пока достаточно скромно. Производство ВТСП-провода налажено во ВНИИ неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара (Москва), где в год выпускается несколько километров материала, причем российские технологии в этой области находятся на мировом уровне.

В рамках программы создания ускорительно-накопительного комплекса (УНК) в Институте физики высоких энергий (г. Протвино) в начале 90-х годов была создана производственная база для серийного изготовления СП-магнитов и выпущена опытная партия из нескольких десятков полномасштабных дипольных СП-магнитов. Однако из-за тех же причин финансового свойства реализация программы УНК была вначале приостановлена, а затем и закрыта.

Больше «повезло» СП-программе, осуществляемой по международному проекту термоядерного реактора ИТЭР (ведущая организация от России – РНЦ «Курчатовский институт»). Здесь продолжаются работы по созданию элементов магнитной системы с использованием СП-магнитов гелиевой температуры.

Общее состояние сверхпроводящих исследований и технологий в атомной отрасли было подвергнуто анализу на недавнем заседании секции «Сверхпроводимость» научно-технического совета «Росатома». Итогом заседания стало экспертное одобрение программы «Разработка технологий создания сверхпроводящих материалов и изделий на их основе для атомной науки, техники и других применений». В частности, в нее включены такие проекты, как совершенствование технологии производства ВТСП на основе висмутовых керамик (первое поколение ВТСП) с выпуском опытных партий, создание опытно-промышленной технологии производства пленочных ВТСП на основе иттриевых керамик (второе поколение ВТСП) и другие.