Analiza perspektyw i problemy zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych w elektrotechnice

W artykule przeprowadzono analizę perspektyw i problemów wykorzystania nadprzewodników wysokotemperaturowych w urządzeniach elektro-energetycznych oraz miernictwie. Przedstawiono skalę rynku komercyjnego związanego z poszczególnymi urządzeniami nadprzewodnikowymi oraz jego rozwój. Omówiono specyficzną warstwową strukturę nadprzewodników wysokotemperaturowych i jej wpływ na zagadnienia przepływu prądu przez te materiały, straty mocy generowane w taśmach II generacji oraz konstrukcję warstwowych urządzeń pomiarowych SQUID-ów. Zanalizowano zalety wykorzystania tych czujników pomiarowych w medycynie oraz wykorzystania nadprzewodników wysokotemperaturowych w kriokablach.

Pobierz artykuł w PDF

Perspektywy zastosowań nadprzewodników w elektryce

W dobiekryzysu energetycznego zjawisko nadprzewodnictwa coraz szerzej wchodzi w obszar zainteresowań elektryków, co związane jest z nowymi możliwościami urządzeń zbudowanych przy wykorzystaniu wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodnikowych. Rosnące zainteresowanie przemysłu elektrotechnicznego
technologiami nadprzewodnikowymi uwidocznione jest w wynikach sondażu organizacji zrzeszającej firmy zajmujące się nadprzewodnictwem stosowanym CONECTUS. Skrót ten pochodzi od nazwy Consortium of European Companies Determined to Use Superconductivity. Według tego sondażu przedstawionego na rys. 1 światowy budżet na nadprzewodnictwo, osiąga rocznie w skali globalnej ponad 5 mld Euro z tendencją wzrostową od 5,08 mld Euro w 2011 r. do 5,42 mld Euro w bieżącym roku, z prognozą 5,665 mld Euro w 2016 r. Porównanie skali różnych kategorii
zastosowań nadprzewodników, zarówno nisko jak i wysokotemperaturowych wskazuje na nadal silną dominację zastosowań przemysłowych nadprzewodników klasycznych w porównaniu do wysokotemperaturowych. Największe znaczenie mają elektromagnesy nadprzewodnikowe stosowane przede wszystkim w medycynie, jak też w projektach
olbrzymich akceleratorów nadprzewodnikowych. Elektromagnesy nadprzewodnikowe otwierają w medycynie, nieosiągalne innymi metodami możliwości badania na przykład schorzeń, w tym nowotworów mózgu z pomocą techniki obrazowania (MRI), przy użyciu jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR).

Z rysunku 1 widać zdecydowaną dominację wykorzystania materiałów nadprzewodnikowych w badaniach NMR, których obecnym finalnym celem jest skonstruowanie aparatu pracującego na częstotliwości 1 GHz w polu magnetycznym elektromagnesów nadprzewodnikowych nawet ponad 23 T. Obrazy uzyskane w tej metodyce tomografii komputerowej MRI (Magnetic Resonance Imaging), jak wynika z fotografii przedstawionej na rys. 2 przyrównać można do uzyskanych z pomocą cięcia chirurgicznego przy użyciu skalpela.

Jak pokazuje to rysunek 1 obecnie rynek związany z zastosowaniami nadprzewodników w NMR, łącznie
z tomografią przetwarzania obrazów MRI oraz w sferze badań i rozwoju (R&D) sięga 5 mld euro rocznie, co w około 90% wyczerpuje całkowity budżet związany z materiałami nadprzewodnikowymi. Drugim ważnym wnioskiem wynikającym z rys. 1 jest dominująca rola materiałów niskotemperaturowych w przemysłowych zastosowaniach nadprzewodników, jakkolwiek zaczynają zarysowywać się tutaj także zaczątki zastosowań nadprzewodników wysokotemperaturowych już w bieżącym roku, co oznacza przejście od fazy konstrukcji modelowych w obszar urządzeń przemysłowych.

Jak wynika z tej analizy, o ile pierwotnie nadprzewodnictwo było domeną badań uczonych w laboratoriach fizycznych, to obecnie coraz większą uwagę przywiązuje się do zastosowań nadprzewodników. Wynikało to również z faktu, że pierwsze badania dotyczące materiałów nadprzewodnikowych prowadzone były na jednoskładnikowych metalach, takich jak historycznie ujmując rtęć, cyna, ołów, ind. Pierwiastki te charakteryzowały się prostą strukturą krystalograficzną i niskimi parametrami nadprzewodnikowymi, w tym niewysokimi prądami krytycznymi, co negatywnie wpływało na możliwości ich wykorzystania w elektroenergetyce. Dopiero opracowanie w latach 60-tych technologii produkcji przewodów nadprzewodnikowych z dwuskładnikowych metali, głównie NbTi i Nb₃Sn
przyniosło pierwszy przełom w elektro-energetycznych zastosowaniach nadprzewodników. Na rys. 3 pokazano przekrój wielowłóknowego przewodu nadprzewodnikowego z Nb₃Sn w matrycy brązowej. Włókna Nb₃Sn o mikronowej średnicy tworzą kilkadziesiąt żył, które następnie zanurzone są w matrycy. Specjalna konfiguracja ułożenia włókien uzależniona jest od dopuszczalnych strat mocy i warunków stabilizacji całego przewodu. Dla
zmniejszenia strat mocy stosuje się również transpozycję żył, co jest łatwiejsze do wykonania dla niskotemperaturowych przewodów nadprzewodnikowych.

Prawdziwa rewolucja z zakresu nadprzewodnictwa, w tym jego zastosowań ma miejsce obecnie, po odkryciu nadprzewodników wysokotemperaturowych o podstawowym składzie YBa₂Cu₃O_7-x i Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀, a więc już 4-komponentowych oraz pięcio-komponentowych nadprzewodników o temperaturze krytycznej znacznie przekraczającej temperaturę wrzenia ciekłego azotu, wynoszącą 77 K [1,2]. Dla stechiometrycznego składu YBa₂Cu₃O_7-x temperatura krytyczna wynosi 92 K, jakkolwiek możliwe są tutaj podstawienia
innych ziem rzadkich w miejsce itru, jak gadolin, lantan, a także rtęci, co prowadzi do podwyższenia temperatury krytycznej. W przypadku nadprzewodników na bazie bizmutu mamy do czynienia z dwoma fazami umownie oznakowanymi symbolami Bi-2223 oraz Bi-2212, gdzie liczby opisują koncentrację odpowiednich składników.
Faza Bi-2223 ma temperaturę krytyczną 125 K, również T_c = 85 K dla Bi-2212 jest wielkością znacznie przewyższającą temperaturę wrzenia ciekłego azotu. Nadprzewodniki na bazie bizmutu stosowane są do wytwarzania taśm
nadprzewodnikowych tak zwanej I generacji, metodą PIT (Powder in Tube) przeciągania i wygrzewania rurki srebrnej wypełnionej drobnym proszkiem z nadprzewodnika. Na rys. 4 pokazany jest wykonany z użyciem wysokotemperaturowych taśm nadprzewodnikowych uchwyt modelu ogranicznika nadprzewodnikowego oraz
wysokotemperaturowe uzwojenie nadprzewodnikowe nawinięte wysokotemperaturowym przewodem I generacji na bazie BiSCCO, w izolacji kaptonowej.

Przewody II generacji wytwarzane są stosując technologię epitaksjalnego wzrostu cienkiej warstwy nadprzewodnikowej na odpowiednio dobranym podłożu. Podłożem tym jest na ogół taśma hastelloyowa zawierająca ponad 50% niklu, stosowana ze względów technologicznych, gdyż umożliwia ona właśnie epitaksjalny wzrost warstwy nadprzewodnika wysokotemperaturowego. Obecność niklu, manganu i żelaza w tym stopie prowadzi jednak do podwyższenia natężenia pola magnetycznego i histerezowych strat mocy zarówno w nadprzewodniku, jak też w samym podłożu, co omówione zostanie w następnym punkcie. Jest to więc pewne ograniczenie wykorzystania zmiennoprądowego tych taśm nadprzewodnikowych. Struktura warstwowa jest charakterystyczną cechą wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodnikowych zarówno w postaci taśm nadprzewodnikowych II generacji, jak też uwidacznia się ona w strukturze krystalograficznej nadprzewodników wysokotemperaturowych, pokazanej na rys. 5.

Rys. 5 przedstawia strukturę krystalograficzną nadprzewodnika wysokotemperaturowego typu YBa₂Cu₃O_7-x z widocznymi płaszczyznami miedziowo-tlenowymi odpowiedzialnymi za efekt nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Można mówić o występowaniu warstwowej struktury także w przypadku ostatnio odkrytych nadprzewodników żelazowych – pniktydów, o strukturze pokazanej na rys. 6. Nadprzewodnictwo w tych materiałach odkryto w 2006 r. w związku LaFePO_1-x o temperaturze krytycznej 5 K. Obecnie temperatura krytyczna podwyższona została do ponad 50 K, stosując różne podstawienia chemiczne ich składu. W przeciwieństwie do nadprzewodników wysokotemperaturowych wymienionych poprzednio zawierających płaszczyzny CuO₂
materiały te nie zawierają miedzi, co było zaskoczeniem. Natomiast odwołując się do pokazanego na rysunku 3 przewodu nadprzewodnikowego na bazie brązu, żartobliwie określa się obecną sytuację badań w obszarze nadprzewodnictwa stosowanego, przejściem z epoki brązu w erę żelaza. Badania te zelektryzowały środowisko
kriogeników, gdyż nie oczekiwano uzyskania nadprzewodnictwa w związkach żelaza, które jest ferromagnetykiem, co prowadzi do rozrywania elektronowych par Coopera o przeciwnych spinach.

Po pierwszym zaskoczeniu okazało się jednak, że nadprzewodnictwo w związkach żelaza znane jest od dawna, czego przykładem są związki uranu U₆Fe, toru Th₇Fe oraz innych ziem rzadkich o składzie (Sc, Y, Lu i Tm)₂Fe₃Si₅
lub (La, Y)Fe₄P₁₂. Temperatura przejścia nadprzewodnikowego wynosi dla tych materiałów kilka stopni. Natomiast w
pniktydach, odkrytych przez grupę prof. Hosono osiągnięto już temperaturę krytyczną 56 K oraz wysokie wartości prądu krytycznego i krytycznych pól magnetycznych ponad 100 T, co plasuje te związki w sferze nowych przyszłościowych materiałów do wytwarzania taśm nadprzewodnikowych. W kolejnych latach odkryto
nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe w całym szeregu nadprzewodników na bazie żelaza.

Warstwowa struktura nadprzewodników wysokotemperaturowych wykorzystywana jest także w elektronice nadprzewodnikowej, w tym w konstrukcji najczulszego znanego magnetometru mierzącego pole magnetyczne: SQUID-u (Superconducting Quantum Interference Device) skonstruowanego z pomocą cienkich warstw z nadprzewodników wysokotemperaturowych. O czułości i skali przydatności tego urządzenia świadczyć może rys. 7 pokazujący rozkład występujących w medycynie pól magnetycznych i ich częstotliwości oraz analogiczne
charakterystyki pomiarowe SQUID-u niskotemperaturowego (LTS) i wysokotemperaturowego (HTS). Jak wynika z tego rysunku wykorzystanie SQUID-ów umożliwia otwarcie całkiem nowych obszarów medycyny jakimi jest analiza pól magnetycznych ciała ludzkiego. Magneto-encefalografia opisująca te słabe pola magnetyczne wytworzone w ciele ludzkim jest dodatkowym żródłem informacji w porównaniu do elektrokardiogramów, tak ważnych dla analizy zdrowia pacjentów.

Podsumowując perspektywy zastosowań nadprzewodników, w najbliższych latach spodziewać się można
dalszego rozwoju metodyki MRI dla diagnostyki medycznej z użyciem elektromagnesów nadprzewodnikowych. Magnesy hybrydowe z dodatkowym uzwojeniem z nadprzewodników wysokotemperaturowych wytwarzającym ultra silne pola magnetyczne ponad 23,5 T użyteczne będą zarówno w badaniach podstawowych, jak też przy analizie rezonansem magnetycznym składu chemicznego materiałów. Jakkolwiek nadal będzie dominowało wykorzystanie wielowłóknowych przewodów z nadprzewodników niskotemperaturowych typu NbTi lub Nb₃Sn w konstrukcjach elektromagnesów nadprzewodnikowych, to jednak coraz większą obecność zaczną wykazywać w konstrukcjach elektromagnesów nadprzewodniki wysokotemperaturowe, jako doprowadzenia prądowe oraz wspomagające uzwojenia dodatkowe. Oprócz wysokotemperaturowych doprowadzeń nadprzewodnikowych w układach dużych akceleratorów wykorzystywane będą wysokotemperaturowe nadprzewodnikowe wnęki rezonansowe. Niezależnie można oczekiwać w nieodległej perspektywie rozwoju przemysłowych zastosowań nadprzewodników, w szczególności wysokotemperaturowych, w nowych konstrukcjach kriokabli, nadprzewodnikowych ograniczników prądów zwarcia indukcyjnych i rezystywnych, silników, łożysk magnetycznych i innych fascynujących aplikacji. Szczególnie obiecujące będą zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych w kriokablach energetycznych. O ile tematyka ta w odniesieniu do niskotemperaturowych nadprzewodników nie sprawdziła się z przyczyn ekonomicznych, przede wszystkim wysokich kosztów chłodzenia, to wykorzystanie omówionych poprzednio taśm z nadprzewodników wysokotemperaturowych stwarza już realne perspektywy konstrukcji tych kriokabli. Pierwszy kriokabel zbudowany został w Europie w 2001 r. w Danii. Był to kabel trójfazowy, 30 metrowy o mocy 104 MVA i prądzie 2 kA, który po kilku latach pracy w Kopenhadze został zdemontowany i przechodzi fazę badań post-eksploatacyjnych. W obecnych rozwiązaniach takich jak kriokabel na Long Island w USA, kriokabel budowany przez KEPCO w Korei Południowej lub przez Sumitomo w Japonii, wartości prądu rzędu 2-3 kA są zachowane, jednak długości kriokabli sięgają już ponad 500 m. Największy postęp w dziedzinie kriokabli nadprzewodnikowych obserwuje się w Korei Południowej, gdzie w 2007 r. zainstalowano 100 m kabel w miejscowości Gochang oraz budowany jest 500 m kabel w Seulu przez konsorcjum koreańskie KEPCO i amerykańskie AMSC – American Superconductor Corporation.

Wybrane problemy wykorzystania nadprzewodników wysokotemperaturowych w elektrotechnice

Na obecnym poziomie rozwoju technologicznego, zastosowania wysokotemperaturowych materiałów nadprzewodnikowych zaczynają być już nie oryginalnym eksperymentem, ale normalną praktyką, w której decydującą rolę odgrywa ekonomia oraz zalety techniczne danego rozwiązania. Jeśli chodzi o ekonomię to istotne są koszty chłodzenia oraz materiałów nadprzewodnikowych. Osiągnięcie temperatury krytycznej wyższej
od temperatury ciekłego azotu jest dużą zaletą, gdyż koszt jednego litra azotu LN₂ wynosi około 4 zł, podczas gdy cena analogicznej ilości ciekłego helu może dochodzić nawet do kilkudziesięciu zł. Cena ta rośnie, jakkolwiek
Polska jest potentatem w produkcji ciekłego helu. W Odolanowie pod Ostrowem Wielkopolskim występują największe w Europie zasoby gazowego helu. Z kolei koszt wysokotemperaturowych taśm nadprzewodnikowych, ze względu na postęp technologiczny i coraz bardziej komercyjny proces produkcji ustawicznie maleje i obecnie szacuje się go na poziomie 70 USD/(kA•m). Ponieważ taśmy wytwarza się procedurą napylania, więc cena jej sprzedaży określona jest na podstawie szerokości napylonej taśmy w metrach. Jest bowiem wówczas do uzgodnienia z producentem
wybór szerokości taśmy, przycinanej laserowo, która będzie spełniała oczekiwania prądowe zamawiającego, jak wynika z powyższej zależności. W ostatnich wersjach taśmy takie wycina się laserowo w szczególny kształt
przeplatanych wstążek, jak pokazuje to rys. 8, co prowadzi do zmniejszenia strat mocy w efekcie transpozycji żył i jest realizowane w tzw. kablu Roebela, przewidzianym do użycia w impulsowych polach magnetycznych akceleratorów nadprzewodnikowych. Stanowią one podstawę konstrukcji reaktorów jądrowych używanych
w procesie fuzji jądrowej, jak ITER i następna projektowana wersja DEMO. Problemem jest znaczna cena takiego profilowanego kabla z transpozycją żył wielokrotnie przewyższająca cenę pojedynczej nadprzewodnikowej taśmy wysokotemperaturowej.

Podstawowym warunkiem z punktu widzenia stabilnego działania urządzeń z wysokotemperaturowymi materiałami nadprzewodnikowymi jest rozpoznanie zjawisk elektromagnetycznych zachodzących w danym urządzeniu nadprzewodnikowym, które wpływają na bezpieczną i efektywną jego pracę. Najbardziej spektakularnym
niebezpieczeństwem jest występowanie quenchu – niekontrolowanego przejścia do stanu rezystywnego, którego należy uniknąć. Istotną rolę w tym niezbilansowaniu warunków chłodzenia i generowanego ciepła podczas pracy urządzenia odgrywają straty mocy. Na rys. 9 pokazana jest obliczona zależność generowanych strat
mocy w uzwojeniu z taśm nadprzewodnikowych drugiej generacji w funkcji odległości magnetycznego podłoża, z którego wykonana została taśma nadprzewodnikowa, od warstwy nadprzewodnikowej.

Inne istotne ograniczenie dotyczy wartości prądu krytycznego nadprzewodnika, który jest ściśle uzależniony od odziaływań zakotwiczających wiry magnetyczne na defektach strukturalnych. Mechanizm tego oddziaływania pokazany jest na rys. 10 uwidaczniającym warstwową strukturę nadprzewodnika wysokotemperaturowego i z
tym związaną specyfikę kształtu wirów magnetycznych typu „naleśnikowatego” – pancake.

W języku elektromagnetyzmu zakotwiczenie opisuje się barierą potencjału ΔU, którą musi pokonać wir dla uzyskania swobodnego ruchu, co prowadzi do pojawienia się pola elektrycznego.

H_c w równaniu (1) oznacza termodynamiczne pole krytyczne, l jest grubością warstwy nadprzewodnikowej, ξ długością koherencji opisującą rozmiar rdzenia wiru nadprzewodnika, α stałą sprężystości sieci nici wirowych,
d rozmiarem nanodefektu zaczepiającego wir magnetyczny, natomiast i=j/jc zredukowaną do gęstości prądu krytycznego j_c gęstością prądu transportu. Osiągnięcie wartości krytycznej prądu transportu i=1 prowadzi do
zaniku bariery potencjału i wskutek tego przejście do stanu płynięcia strumienia magnetycznego oraz wystąpienie rezystancji w nadprzewodniku. Zauważmy jednak, że już nawet pełzanie strumienia magnetycznego w postaci przeskoków wirów pomiędzy różnymi centrami zakotwiczenia prowadzić będzie do pojawienia się rezystancji, a więc ograniczy zdolności prądowe taśmy nadprzewodnikowej. Prąd krytyczny taśm nadprzewodnikowych stanowiących podstawowy element kriokabla nadprzewodnikowego będzie więc uzależniony od koncentracji defektów w nadprzewodniku wysokotemperaturowym. Defekty strukturalne mogą powstać zarówno w samoistny sposób podczas procesu technologicznego wytwarzania taśmy nadprzewodnikowej, jak też podczas nawinięcia z niej uzwojenia lub w procesie eksploatacji. Przypadek ten zachodzi szczególnie w elektromagnesach nadprzewodnikowych stosowanych w akceleratorach jądrowych, w których nanorozmiarowe defekty wytwarzane są w skutek napromieniowania szybkimi neutronami i ciężkimi jonami. Zbyt mała koncentracja defektów nie powstrzyma sieci wirów, a zbyt duża uszkodzi nadprzewodnik.

Z kolei wielowarstwowa struktura nadprzewodników wysokotemperaturowych pokazana poprzednio prowadzi do osobliwości przepływu prądu w kierunku prostopadłym do płaszczyzn. Wówczas mechanizm ograniczający prąd transportu uzależniony jest od Josephsonowskich efektów.

Literatura

[1] Sosnowski J., Kriokable nadprzewodnikowe, Wydawnictwo Książkowe, Instytutu Elektrotechniki, 2012, s. 1-100.
[2] Sosnowski J., Materiały nadprzewodnikowe: modelowanie własności i zastosowania, Wydawnictwo Książkowe Inst. Elektrotechniki, 2008, s. 1-209.

Jacek Sosnowski,
Instytut Elektrotechniki, Zakład Wielkich Mocy, Warszawa