T. Henderson / Wikimedia commons
Исследователи из Новой Зеландии, США и Швейцарии создали и протестировали высокотемпературный сверхпроводящий кабель, отличающийся надежностью, простотой конструкции, термостойкостью и высокой механической стабильностью. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Superconductor Science and Technology.
Сверхпроводимость — состояние материала, подразумевающее отсутствие электрического сопротивления. Оно наблюдается более чем у сотни элементов и соединений, и их число постоянно пополняется. Состояние достигается при охлаждении вещества или соединения до определенной (критической) температуры и при нормальном давлении эта температура ниже 100 кельвин для большинства материалов.
С помощью сверхпроводников можно получать сильные магнитные поля, которые можно применять, например, в токамаках и стеллараторах — реакторах для управляемого термоядерного синтеза, а также в коллайдерах, маглевах и в других интересных проектах. Обмотка реакционной камеры из сверхпроводящего кабеля в токамаке организует тороидальные магнитные поля, которые удерживают плазму на расстоянии от стенок камеры, которые не способны выдержать температуру плазмы, равную 108 и более кельвин.
Проблема в том, что сверхпроводящие кабели имеют ненадежную многослойную конструкцию, а сильное магнитное поле способно выдавить жилы сверхпроводника из-под обмотки кабеля наружу. Обслуживать и производить кабели дорого, они нуждаются в регулярной подаче криогенного охладителя для поддержания состояния сверхпроводимости. Кроме того, монтировать такие кабели сложно — места контакта уязвимы и недолговечны. Любое нарушение структуры приводит к возникновению электрического сопротивления и нагреву, что разрывает цепочку сверхпроводимости. Эти недостатки тормозят изучение управляемого термоядерного синтеза, увеличивая себестоимость энергии, полученной таким путем.
Захари Хартвиг (Zachary S Hartwig) из Массачусетского технологического института вместе с коллегами представил сверхпроводящий кабель, совмещающий в себе относительно небольшую стоимость изготовления и высокую надежность. Разработка получила название VIPER (Vacuum pressure impregnated, Insulated, Partially transposed, Extruded and Roll-formed) — акроним технологических процессов его изготовления и структуры. Основа кабеля состоит из впаяных в медный сердечник методом вакуумной пропитки скрученных лент сверхпроводниковых материалов GdBa2Cu3O7−δ и YBa2Cu3O7−x — оксидов гадолиния-бария-меди и иттрия-бария-меди. В центре кабеля расположен канал для хладагента. Сверху кабель покрыт дополнительной медной оболочкой и опционально может быть обернут нержавеющей сталью. Именно за счет паяной цельной конструкции и оптимального соотношения толщины медного основания и сверхпроводящих лент достигается высокая стабильность кабеля.
Создатели отмечают простоту соединения нескольких кабелей такого типа между собой: конец кабеля покрывают серебром, а контакт происходит с помощью двояковогнутого соединительного элемента из меди с проволокой из индия, в пазы которого вкладываются кабели. Конструкцию легко можно дублировать на большие длины и ее стоимость обещает быть невысокой при ожидаемом спросе 1000 километров в год на сверхпроводящие кабели.
Структура сверхпроводящего кабеля VIPER
Zachary S Hartwig et al./ Superconductor Science and Technology, 2020
Разработку испытали в Институте Пауля Шеррера, в Швейцарии на установке для тестирования магнитов и кабелей SULTAN, способной генерировать магнитное поле до 11 Тесла и ток до 100 килоампер. Несколько кабелей подвергали воздействию сил равных от 136 до 382 килоньютон на метр, при прохождении максимального тока до 35 килоампер и магнитного поля 10,9 Тесла на метр, в течение от 150 до 2000 циклов работы. При максимальной нагрузке 382 килоньютон на метр, что почти в четыре раза больше предыдущего рекорда в 102 килоньютон на метр, деградация проводящих свойств оказалось незначительной, и составила не более 4,1 процента. Конструкция кабеля также показала высокую криостабильность и выдержала три последовательных тепловых импульса от нагревателя мощностью 45 ватт, быстро возвращаясь к рабочему значению температуры и сохраняя сверхпроводящие свойства.
Конструкторы утверждают, что их кабель планируется использовать в проекте нового токамака SPARC, строительство которого запланировано на 2021 год. В отличие от купратов-керамиковв роли сверхпроводников в кабеле VIPER, сверхпроводимость в твердом материале на основе сероводорода и метана недавно достигли при температуре выше нуля градусов Цельсия. Правда, давление, необходимое для сохранения сверхпроводимости в этом материале, должно превышать 1,4 миллиона атмосфер.
Роман Колесов