Сверхпроводящие кабели

     В ходе эксперимента можно выделить три  устойчивых криогенных температурных режима при захолаживании жидким гелием (табл. 6).

     В этих режимах измерялись параметры  ВЧ пар: волновое сопротивление по длине, затухание в зависимости от частоты и искажения импульсов. Температура на концах кабеля контролировалась с помощью полупроводниковых датчиков.

     Данные  измерений затухания сверхпроводящей  цепи, в которую входила первая пара длиной около 50 м, представлены в. табл. 6. Как и следовало ожидать, при снижении температуры от 30—45 до 10—12 К не происходило больших изменений затухания. При температуре 5—6 К кабель перешел в сверхпроводящее состояние и наблюдалось резкое уменьшение потерь в линии. Затухание в основном обусловлено подводящими кабелями, так как потери в самой сверхпроводящей линии не превышают на этих частотах 0,1 дБ, что подтвердили измерения затухания в криостате с жидким гелием, т. е. при 4,2 К. Полученные на ГСПК-50 данные несколько хуже, так как температура кабеля была выше 4,2 К и неравномерна по длине. Велики также неоднородности на концах из-за наличия стыковок сверхпроводящих пар с обычными, что показали измерения неоднородностей с помощью импульсного рефлектометра.

     Передача по силовому кабелю ГСПК-50 переменного тока 400 А с частотой 50 Гц и постоянного тока до 6 кА не повлияла на характеристики информационного кабеля. Частотная зависимость затухания при всех изменениях тока была стабильной, что говорит о хорошем экранировании от магнитного поля тока, текущего в энергетическом кабеле.

     Как показали испытания ГСПК-50, необходимо предусмотреть меры для защиты ВЧ кабелей при монтаже, так как  они миниатюрные и их легко повредить. За время монтажа, несмотря на принятые меры, кабели повреждались 5 раз, что сказалось на их испытаниях. 

Специализированные сверхпроводящие кабели связи

     Японские  специалисты создали конструкции  сверхпроводящих кабелей в криогенных оболочках, обладающие высокими электрическими, теплофизическими и механическими характеристиками. Эксперименты показали, что теплоприток к хладоагенту в разработанных криогенных оболочках составляет не более 60 мВт/м.

     Из  конструкций криогенных оболочек последние отличаются тем, что внутри экранно-вакуумной изоляции размещается адсорбент, проложенный вдоль всея оболочки. Такое оригинальное решение позволяет не только выполнять быстрое и эффективное вакуумированис в начальный период, но и поддерживать высокий вакуум в течение длительного срока.

     Конструкции сверхпроводящих кабелей. Фирмой «Фудзикура»  создан прототип сверхпроводящего кабеля, который имеет следующую сложную конструкцию.   Вокруг спирали из медной проволоки уложены 18 коаксиальных пар. Этот сердечник находится в медной   гофрированной трубе, способной выдержать внутреннее давление в несколько атмосфер. Жидкий гелий прокачивается внутри такого сердечника. Медная гофрированная труба   окружена   экранно-вакуумной теплоизоляцией, укрепленной сверху спирально намотанной медной лентой, выполняющей роль и теплового экрана. Поверх медной ленты спирально наложены медные трубки и полиэтиленовые кордели, обмотанные медной лентой. Медные трубки предназначены для прокачки гелия при температуре 100 К. Между трубками и двумя спиральными лентами образуются каналы для вакуумирования (вакуум 10^-4—10^-6 мм рт. ст.). Поверх второй медной ленты наложен следующий слой экранно-вакуумной теплоизоляции, а затем стальная гофрированная труба с полиэтиленовой защитной оболочкой. Общий диаметр кабеля 70 мм. Теплоприток     к жидкому гелию составляет 100 Вт/км, к газообразному (на уровне 100 К) — 1 кВт/км.

     Фирма «Фурукава» создала свой кабель (рис. 5.2). Фирмой «Хитачи» предложен кабель аналогичной конструкции. Его теплоизоляционная оболочка содержит внутреннюю и внешнюю медные трубы, которые для гибкости гофрированы. Между ними размещаются многослойная экранно-вакуумная изоляция и промежуточные трубки для возврата газообразного гелия. Десять сверхпроводящих коаксиальных пар помещены во внутреннюю трубу диаметром 12,3 мм. Хладоноситель — жидкий гелий — должен течь через зазор между парами и трубкой. Защитная оболочка из полиэтилена диаметром 64 мм покрывает внешнюю трубу, наружный диаметр которой 60 мм. Поверх многослойной (30 слоев) экранно-вакуумной изоляции намотана медная лента, которая поддерживается за счет прокачки жидкого азота при промежуточной температуре около 80 К.

     Теплоприток через криооболочку измерялся в  условиях, когда внутренняя труба имела температуру жидкого азота, а промежуточный трубки — комнатную температуру. Оценка теплоприток показывает, что он составит 94 мВт/м, если температура внутренней трубки будет 6 К, а трех промежуточных труб — 80 К.

     Для гибкости в оболочке применены гофрированные трубы. Изготовленные оболочки могут наматываться на барабан диаметром 1,8 м. Экранно-вакуумная теплоизоляция имеет слои, состоящие из алюминированных полиэфирных лент и полиэфирной сетки в качестве прокладки между ними. Этому материалу отдано предпочтение не только из-за механической прочности, но и малой гигроскопичности. Указанный вид криогенной изоляции был испытан в калориметрической установке, подобной по структуре криогенной кабельной оболочке. Измеренное значение теплопроводности составило от 0,5 до 1 мкВт/см-К при давлении в криогенной изоляции ниже 10^-2 Па.

     Протяженная конструкция, в которой экранно-вакуумная изоляция формируется из множества слоев, имеет очень малую проводимость газов при вакуумировании. Если насосы располагаются на концах кабеля, трудно получить вдоль линии достаточно высокий и однородный вакуум. Адсорбент, проложенный в низкотемпературных участках слоев теплоизоляции, поглощает остаточный газ, который не может быть выкачан насосами.   В качестве адсорбента опробовано несколько видов молекулярных сит и активированного древесного угля и исследованы их поглощающие свойства. Изучены характеристики   вакуумирования,   поглощающая способность охлажденных адсорбентов и характеристики охлаждения в зависимости от времени. В результате исследований было установлено, что охлажденные адсорбенты обладают поглощающей способностью, достаточной для достижения вакуума порядка 10^-2—10^-4 Па. Исследовались также механические характеристики криогенных оболочек. Внешняя гофрированная труба испытывалась на изгиб, а внутренняя (гелиевая) — на величину давления. Результаты испытаний   показали, что внешняя труба выдерживает свыше пяти изгибов с радиусом 1 м. Для внутренней медной трубы диаметром 16 мм допустимо давление не менее 10⁶ Па.

     Криогенные  оболочки конструкций, показанных на рис. 5.3, были изготовлены для оценки теплопотерь через криогенную изоляцию большой длины, исследования характеристик охлаждения кабеля, изучения эффективности вакуумирования охлажденным адсорбентом.

     Первые  эксперименты по захолаживанию были проведены в 1974 г. с криогенной оболочкой длиной 28 м, имеющей жид-j коазотные экранирующие трубки. Оболочка была захоложена до 40 К и определен теплоприток внутрь такой оболочки при температуре 10 К, который составил 50 мВт/м. Затем была захоложена оболочка того же типа длиной 100 м. На вход подавали гелий при 10 К. Средняя температура вдоль оболочки была 12 К. Теплоприток к гелиевому хладоагенту составил менее 60 Вт/км. Для внутреннего слоя теплоизоляции получена теплопроводность 0,9 мкВт/см К. Это число лежит в интервале значений, полученных при калориметрических измерениях. Результаты эксперимента показывают, что нет существенного ухудшения эффективности криогенной изоляции из-за помещения ее в оболочку большой длины. При введении жидкого азота в экранные трубки давление в криогенном изоляционном слое уменьшилось с 1 до 10^-2—10^-3 Па. Таким образом, вакуумирование с помощью адсорбента оказалось очень эффективным для такой конструкции.

     Подробно исследованы особенности эффективного вакуумирования и длительного поддержания высокого вакуума в криогенных оболочках. Если ранние исследования касаются в большей степени имитационных установок, то в последних работах подробно исследуется одна из основных характеристик криогенных кабелей для дальней связи — длительность поддержания высокого (10^-3—10^-4 Па) вакуума в длинных (100 м и более) криогенных оболочках.

     Еще в ранних работах на имитационных установках были измерены скорость вакуумирования и поглощение азота адсорбентом при 77 К. Затем эти эксперименты были проведены на длинных оболочках. Исследованы также первоначальный прогрев и обезгаживание оболочки с использованием    экспериментальных установок для захолаживания длинных кабелей.

     На  основе полученных результатов можно  считать установленной возможность достаточно длительного поддержания высокого вакуума в криогенной оболочке, в которой использована многослойная экранно-вакуумная изоляция. 
 
 

ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 

     С 16 по 20 сентября 2007 года в Брюсселе состоялась всеевропейская конференция EUCAS-2007 по проблемам изучения и использования явления сверхпроводимости. Состоявшуюся конференцию без преувеличения можно назвать съездом победителей. EUCAS-2007 зафиксировал очередной триумф человеческой мысли, который возможно станет ключом к решению глобальных энергетических и экологических проблем на планете в XXI веке.

     Человечество  стоит на пороге очередного технологического прорыва, способного перевернуть привычный  всем нам мир. Масштабы новой индустриальной революции могут сравнится с  тем, как изменился образ жизни  людей после обнаружения замечательных свойств полупроводников.

     Ученые  всей земли долго бились над проблемой  практического применения сверхпроводимости, и, похоже, что этот вопрос успешно  разрешился. Человечество «оседлало» сверхпроводимость. Это явление  все чаще используется в современной электронике, энергетике, промышленности и медицине. 

     Согласно  данным известного в Европе консорциума Conectus, специально созданного в целях  изучения и пропаганды возможностей коммерческого использования явления  сверхпроводимости, международный рынок оборудования, использующего это явление к 2010 году составит 5 млрд. $ и вырастит до 38 млрд. $ к 2020 году. 
          На сегодняшний день основные сферы применения сверхпроводимости - это медицинские установки магнитно-резонансной терапии (именно в этих аппаратах впервые удалось эффективно использовать явление) и электроника. К 2020 году ситуация изменится. Сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике.    
Выделяют три больших области использования сверхпроводников:

• различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;
• микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей (SQUID), цифровая электроника, искусственные биологические системы;
• макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

4.1 Передача энергии

     Потенциально  наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной сети ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной. 

Проект «Гидра»

     В 2007 году в США началась реализация "Проекта «Гидра» (Project Hydra), за которым  внимательно наблюдает вся заинтересованная общественность в мире. Проект реализует  корпорация American Superconductor (AMSC). 
Полная стоимость проекта оценивается в 39,3 млн. долл. Министерство национальной безопасности США (Department of Homeland Security (DHS)) планирует инвестировать в данный проект 25 млн. долл., ожидая, что в дальнейшем это позволит использовать технологию безопасных энергосистем «Secure Super Grid™» на основе ВТСП проводов, кабелей и токоограничителей в сетях США. Министерство подписало с AMSC предварительное соглашение на 1.7 млн. долл. (из них 1.1 млн. долл. от DHS), и работа над проектом началась. Подписано отдельное соглашение между AMSC и Con Edison – субподрядчиком этого проекта.

     В рамках контракта будет разработана  и построена беспрецедентная  по защищенности и степени резервирования система электроснабжения центра г. Нью-Йорка, исключающая нарушение  электроснабжения при любых авариях  (из-за погоды, технологических сбоев, атак террористов). Название «Проект Гидра» («Project Hydra») программа получила по ассоциации c многоголовым мифическим чудовищем. Подобно тому как у него отрастали головы после их отсечения, так электроснабжение должно иметь множество запасных каналов на аварийные случаи. 
Размещение ВТСП кабеля в сети Нью-Йорка планируется осуществить за три года двумя этапами. Первый, уже начатый этап, состоит в подготовке прототипов систем. К 2008 г. намечено завершение испытаний первой системы Secure Super Grid.  
Второй этап сфокусирован на размещении этой системы на участке энергосети Con Edison в Нью-Йорке. В рамках проекта к 2010 г. фирмой Southwire Company (США) (по контракту с AMSC) будет изготовлен триаксиальный «Triax™» кабель из ВТСП провода 2-го поколения «344» на 13 кВ (рис. 2).