Найти тему
ТВЭЛ Дзен

Суперсила будущего: сверхпроводимость

Оглавление

Ты не ты, когда охлажден до сверхнизкой температуры. Ты сверхпроводник.

Сверхпроводимость – уникальная способность некоторых материалов проводить электрический ток практически без сопротивления.

Этот квантовый эффект может наблюдаться только при очень низких температурах, чаще всего при температуре жидкого гелия (–268,9°С). Современные сверхпроводники могут проявлять эти свойства при температурах жидкого азота (−195,75°C) и выше. Поэтому сегодня различают низкотемпературную и высокотемпературную сверхпроводимость.

Это явление было открыто случайным образом. В начале 19 века голландский физик Хейке Камерлинг-Онес занимался сжижением различных газов и получением низких температур. Эффект снижения сопротивления металлов при охлаждении уже тогда был хорошо известен.

Чтобы выяснить, насколько уменьшится сопротивление, голландец использовал самый необычный металл того времени – ртуть, который находится в жидком состоянии при нормальных условиях. При достижении температуры около 4,2 Кельвин (–268,9°С) сопротивление практически мгновенно исчезло. В последствии в 1911 году это явление получило название – сверхпроводимость.

После этого события стартовала эра сверхпроводимости. Этот эффект был обнаружен у многих металлов (свинец, олово, алюминий, тантал, ниобий) а затем и у более 1000 сложных соединений и сплавов.

-2

Передавая электроэнергию по медным проводам из-за наличия сопротивления мы теряем почти 20% передаваемой энергии, по сути, расходуя их на нагрев проводника и окружающей среды. Сверхпроводимость помогает этих потерь избежать.

В машинах будущего по максимуму будут задействованы все преимущества, которые дает это явление: высокое магнитное поле, мощный ток и минимальные потери энергии. Например, сверхпроводимость понадобится, чтобы создать сверхпроводящий двигатель для больших судов, которые могут быть в несколько раз меньше и легче сегодняшних, или спроектировать поезд на магнитной подушке, который сможет развивать скорость до 600 км/час.

Сверхпроводники на основе ниобий-титана и ниобий-олова применяют в проектах фундаментальной науки. Они выглядят как композиционная проволока (стренд) диаметром 0,5–2,0 мм, которая содержит до нескольких десятков тысяч непрерывных сверхпроводящих волокон диаметром 1,5–5 мкм.

Единственным в России производителем полного цикла низкотемпературных сверхпроводников является Топливная компания Росатома «ТВЭЛ». В нее входят несколько организаций, которые занимаются сверхпроводниками:

  • ВНИИНМ проводит научные изыскания, разработку конструкций сверхпроводящих стрендов и технологий их изготовления;
  • на Чепецком механическом заводе организовано промышленное производство.

«Русатом МеталлТех» управляет отраслевыми проектами по изготовлению и поставкам низкотемпературных сверхпроводниковых материалов и проводников.

Поперечное сечение сверхпроводящей проволоки на основе ниобия Nb3Sn диаметром 0,7 мм
Поперечное сечение сверхпроводящей проволоки на основе ниобия Nb3Sn диаметром 0,7 мм

Где применяют сверхпроводники?

Для научных установок

Свойства сверхпроводника, охлажденного до температуры жидкого гелия (–269°C), позволяют создавать высокие магнитные поля до 12 Тесла.

Стренды используются в мощных ускорительных установках, на которых проводятся научные исследования в области физики высоких энергий, квантовой физики и физики элементарных частиц. Их применяют, например, в таких мегасайенс-установках, как международный термоядерный реактор ИТЭР, Кольцевой коллайдер будущего (FCC), ускорительные комплексы NICA и FAIR.

ТВЭЛ квалифицирован как поставщик сверхпроводников для программ разработки высокополевых магнитов ускорителей частиц проекта Кольцевого коллайдера будущего (FCC).

Для медицинских установок

Сверхпроводники используют для создания постоянного магнитного поля в томографах. Благодаря эффекту сверхпроводимости, то есть отсутствию сопротивления, электрический ток практически бесконечно циркулирует в обмотке, генерируя постоянное магнитное поле. Также сверхпроводники позволяют повысить магнитное поле томографа, увеличивая разрешение получаемых изображений и улучшая качество диагностики.

Для высокополевых магнитов

Для исследования свойств и параметров материалов в научных установках необходимо создавать высокие электромагнитные поля. Использование для этих целей сверхпроводников позволило во много раз снизить массогабаритные характеристики лабораторных установок, тем самым расширив их функциональные возможности и увеличив сферу применения.

-4

Для квантовых компьютеров

Для работы квантового компьютера требуется очень низкая температура (сотые доли кельвина), а для высокоскоростной передачи информации без потерь требуются сверхпроводящие коаксиальные кабели, которые обладают низкой теплопроводностью и не имеют электрического сопротивления.

Прокат из высокочистого ниобия

На базе ЧМЗ разработана импортозамещающая технология производства листов из высокочистого ниобия. Этот материал используется как основа для сверхпроводящих резонаторов – устройств, создающих электрическое поле для ускорения элементарных заряженных частиц (протонов, ионов и электронов).

Ускорители частиц являются основным инструментом ученых в современной экспериментальной физике. Технологии на базе сверхпроводящих резонаторов заложены в основу исследовательских установок крупнейших научных проектов класса мегасайенс.

Наука
7 млн интересуются