Вены будущего
Иногда между открытием и пользой, которую оно приносит человечеству, проходит немало времени. Явление сверхпроводимости, впервые изученное более 100 лет назад, только недавно стало находить практическое применение. Сегодня сверхпроводники используются там, где нужно получить очень большую электрическую мощность, в частности в ускорителях заряженных частиц, например в Большом адронном коллайдере или термоядерных реакторах, а также в компьютерной томографии.Однако мечтой учёных остаётся широкое применение сверхпроводимости, и в первую очередь – в электроэнергетике. В конце прошлого года Минэнерго России утвердило национальный проект «Разработка и внедрение сверхпроводниковых технологий в топливно-энергетический комплекс Российской Федерации». Интегратором направления от Росатома назначено АО «НИИЭФА». Какие задачи предстоит решить российским учёным?
Как известно, основное свойство сверхпроводника в отличие от традиционных проводников – нулевое омическое сопротивление электрическому току при определённой температуре и величине внешнего электромагнитного поля. Используя в настоящее время для передачи электроэнергии провода на основе меди или алюминия, человечество благодаря сопротивлению значительную часть энергии теряет на обогрев атмосферы. По различным оценкам, эти потери сравнимы с энергией десятков электростанций. При переходе на сверхпроводящие линии электропередачи вырабатываемая ныне действующими электростанциями электроэнергия будет передаваться потребителям без потерь, а значит, более эффективно использоваться, и не потребуется строительство новых.Также важно то, что сверхпроводники позволяют уменьшить габариты электромагнитных и электромеханических устройств и систем при сохранении или даже повышении их характеристик. Токи, которые необходимы для создания большого электромагнитного поля, требуют соответствующего сечения обычного проводника – медного или алюминиевого. При таких же токах сверхпроводники в несколько раз уменьшаются в сечении, и можно сделать более компактными электромагнитную систему, электродвигатель, генератор и так далее. Это приобретает особое значение, если говорить о морских или воздушных судах – компактность электромеханических системы и кабелей позволит судну взять на борт больше полезной нагрузки. А если оставить традиционные габариты, то за счёт увеличения числа ампервитков будут созданы более мощные электромеханические устройства и системы и повысятся характеристики судов и лайнеров. Можно рассмотреть применение сверхпроводников и более утилитарно, например в условиях мегаполиса.
Что они нам дадут? Во-первых, опять же, мы будем меньше греть окружающую среду за счёт отсутствия термических потерь и более эффективной передачи энергии от генерирующих систем потребителям. Во-вторых, можно будет отказаться от высоковольтных линий электропередач. Сейчас, чтобы передавать электроэнергию большой мощности, используются воздушные ЛЭП, провода которых находятся под очень большим напряжением. Ведь, как мы уже упоминали выше, пропускная способность провода зависит от его сечения, и чем больше ток, тем больше оно должно быть. А тяжёлый провод большого диаметра попробуйте проложить или подвесить! Поэтому энергетики идут путём повышения напряжения до сотен киловольт, передавая мощность при более низких значениях тока по тонким проводам. Но высокое напряжение даёт сильные электрические поля, которые не позволяют проложить линии под землёй, на земле и низко над землёй.
Провода поднимают высоко, и под ними остаётся зона отчуждения в несколько десятков метров шириной, где нельзя строить какие-либо жилые или промышленные объекты. И это при большом дефиците и дороговизне земли в мегаполисах. ЛЭП имеют большую ширину и протяжённость – в природе это вырубка лесов, а в городе – бесполезная площадь. Другое дело сверхпроводящие токопроводы. Поскольку из-за отсутствия сопротивления токи можно пропускать большие – десятки тысяч ампер при более низких напряжениях, то возможно протягивать кабель под землёй с малой зоной отчуждения в 1–2 метра шириной.
Бесценный холод
Однако есть существенное неудобство, которое пока мешает повсеместно использовать сверхпроводники: все процессы, приводящие к сверхпроводимости определённых материалов, происходят при криогенных температурах. Для низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) это значения ниже точки кипения жидкого азота (−196° C) до практически абсолютного нуля, температуры кипения жидкого гелия (−269° C). Поскольку мы живём не в ледниковом периоде, все сверхпроводники, как правило, работают в криостатах – устройствах, которые заполняются жидким гелием или азотом. При этом сначала его нужно произвести, затратив определённую энергию, обеспечить криостатам необходимую теплоизоляцию для уменьшения его потерь, а поскольку их всё равно не избежать, всё время его пополнять. И это дорогое удовольствие. НТСП используют для создания больших электромагнитных полей в экспериментальных термоядерных реакторах, в ускорителях элементарных частиц для фундаментальных исследований. Например, в Большом адронном коллайдере, в проекте ИТЭР, для которых вопрос цены не так критичен. Для утилитарных же целей низкотемпературным сверхпроводникам нашлось применение пока только в медицинских и промышленных ЯМР-томографах. НТСП имеют длинную историю и достигли уровня промышленного производства, при котором снижается себестоимость, с наличием нормативно-технической документации, необходимой для внедрения в те же промышленные образцы томографов, диагностических комплексов и так далее.
Газопроводы исчезнут
Однако человечество всё время стремилось получить сверхпроводимость при более высоких температурах, в идеале – вообще при комнатной. На данном этапе развития науки и техники получены и выпускаются промышленные протяжённые сверхпроводники, работающие при температурах выше температуры кипения жидкого азота. Они получили название высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В НИИЭФА производятся ВТСП, которые работают при температурах выше 90 К. В чём их преимущество перед НТСП? Прежде всего жидкий азот – достаточно дешёвый продукт. Доля его в атмосфере 75%, а стоимость сжижения сравнительно мала. Стоимость жидкого азота сейчас составляет где-то 0,7 доллара, или 45 рублей за литр. Для сравнения стоимость жидкого гелия составляет 12 долларов. К тому же криотехника ушла настолько далеко, что мы можем уже сейчас создавать мобильные криокулеры, которые прямо на месте могут производить жидкий азот и потом пополнять его объём в криостате при потерях. Это резко удешевляет процесс, а значит, мы вплотную подошли к тому, чтобы использовать технологии ВТСП в обычной жизни. Если при НТСП проблемно применить на длинные расстояния гелиевые криостаты и станции, то здесь можно смело говорить о линиях электропередач большой протяжённости. В этом случае – сейчас я, наверное, немного заглядываю в будущее – нам больше не нужны будут газопроводы. Мы сможем в тех же тепловых электростанциях газ прямо на месте добычи превращать в электроэнергию и передавать её на огромные расстояния без потерь за счёт сверхпроводимости. Зачем тянуть трубы, чтобы в конце концов всё равно сжигать газ, если дешевле и проще будет перекачивать не газ, а передавать сразу электроэнергию? Также ВТСП с криосистемами на жидком азоте можно ставить на корабли и самолёты и даже использовать в быту – это будет огромный скачок в сторону энергоэффективности.
НТСП и ВТСП отличаются по составу, по технологии изготовления, по характеристикам. ВТСП могут работать не только при азотных, но и при более низких температурах. В этом случае они и токи будут пропускать больше при более высоких внешних электромагнитных полях. Сверхпроводники «боятся» не только повышения температуры, но и повышения внешнего магнитного поля. ВТСП можно использовать при более низких температурах для создания значительно более высоких полей, тем самым увеличивая возможность прикладного применения электромагнитных систем.
Что тормозит массовое применение ВТСП?
Высокая себестоимость самого проводника: она в разы выше, чем стоимость той же меди или алюминия. За килоамперметр цена производимого сегодня в мире ВТСП достигает 150– 200 долларов, а меди – порядка 40–50 долларов. Высокая себестоимость обусловлена сложностью изготовления сверхпроводника. Сложная технология, уникальное оборудование, дорогие материалы, но это все лишь потому, что пока нет массового производства. При переходе к серийному производству, когда это не десятки, сотни метров, километр в год, а десятки тысяч километров проводников, когда будет много технологических линий, которые доведены до достаточно высокого уровня по производительности и проценту годного выхода, цена на сверхпроводники станет рыночно привлекательной для потребителя. По предварительным оценкам специалистов АО «ТВЭЛ», при создании такого завода себестоимость может упасть до 30–35 долларов за килоамперметр, а это ниже стоимости меди.
Всё определяет развитие направления. Помните, когда только-только появились светодиодные лампочки, о них можно было только мечтать, да и брали сомнения – сможет ли эта лампочка освещать комнату? А сейчас все знают, что экономически они более выгодны, их КПД гораздо выше, да и стоят они гораздо дешевле. Отработана технология, начато массовое производство. А ещё какие-то 20–30 лет назад светодиоды стоили десятки сотни долларов. Сейчас они завоевали рынок.
При всей привлекательности продукта рынка сверхпроводников пока нет, поскольку нет их широкомасштабного использования. Рынок надо делать, надо создавать. Если посмотреть историю любого продукта, то тот, кто его придумал, потом сам же и создавал для него рынок, привлекая инвесторов, доказывал его рыночную перспективу. Первый автомобиль, первый самолёт, и каждый раз первой реакцией общества было характерное: «Да зачем? Для кого? Да ведь дорого!» И задача НИИЭФА, как интегратора нового технологического направления «Прикладная сверхпроводимость» госкорпорации «Росатом», совместно с другими предприятиями – участниками направления донести до людей, что применение сверхпроводников – это объективная необходимость. Наряду с этим мы должны продемонстрировать, что можем производить конкурентоспособную сверхпроводниковую продукцию, конкурентоспособную криогенную технику и на базе всего этого создавать такие устройства, которые реально можно будет применять в различных отраслях.
Сегодня НИИЭФА имеет определённый задел и опыт создания электрофизического оборудования для промышленного применения. Мы готовы создать производство и имеем для этого все компетенции, техническую базу, научную, технологическую, кадровую. В рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия» у нас создана опытная линия, отработаны технологии производства длинномерных ВТСП-2 проводников. Мы уже сейчас приступили к разработке оборудования и нормативно-технической документации для промышленного производства сверхпроводников для создания завода на предприятиях АО «ТВЭЛ». Вдобавок у нас есть компетенции в области криогенной техники, создания прикладных устройств (тех же индуктивных накопителей, токоограничителей, электромагнитных систем).
Сейчас АО «НИИЭФА» как интегратор осуществляет взаимодействия между предприятиями – участниками технологического направления «Прикладная сверхпроводимость» по определению продуктовой линейки, которая будет востребована в ближайшее время, и разработке стратегии развития этого направления с целью продвижения его на рынки и создания нового бизнеса.
СПРАВКА
В сфере ответственности НИИЭФА как интегратора находится консолидация отраслевых ресурсов и компетенций предприятий Росатома для формирования комплексного предложения сверхпроводящих материалов и сверхпроводникового оборудования на всех этапах цикла создания новой промышленной технологии. Нам предстоит создать новое, актуальное, конкурентоспособное электротехническое оборудование, максимально учитывающее требования конечных потребителей. Главная цель проекта – не просто импортозамещение, но уверенный выход отечественных сверхпроводников на российский и международный рынки. У НИИЭФА и других участников нового бизнеса достаточно опыта и потенциала, чтобы совершить качественный прорыв в этом направлении.
