Фізичне визначення надпровідності, застосування в енергетиці, проблеми та ключові показники

ПАМ'ЯТАТИ
  • У надпровіднику електричний опір дуже раптово згасає при дуже низьких температурах. Потім матеріал ідеально проводить струм без втрати енергії.
  • Магнітні поля сильно впливають на надпровідники. Вони дозволяють, серед іншого, левітувати поїзди, в тому числі найшвидші у світі в Японії.
  • Однак надпровідність сьогодні в основному застосовується до слабких струмів, тобто до програм обробки інформації.
  • В даний час дослідники працюють над пошуком пояснення надпровідності «найгарячіших» елементів (ця «висока температура» залишається нижче -135 ° C).
Резюме
  • Визначення та категорії
  • Фізичні пояснення
  • Програми
  • Ключові цифри
  • Минуле
  • Ставки та майбутнє

Надпровідність відноситься до властивості деяких матеріалів ідеально проводити електричний струм (без будь-якого опору), створюючи сильні магнітні поля. Це фізичне явище досягається лише при дуже низьких температурах, близьких до абсолютного нуля (- 273,15 ° C).

визначення

Таким чином надпровідні матеріали дозволяють поширювати значні електричні струми ("сильні струми"), але також дуже великі інформаційні потоки ("слабкі струми") без розсіювання енергії. У цих матеріалах ми також можемо зберігати електроенергію без довготривалих втрат і використовувати інтенсивні магнітні поля, які їх оточують, для левітації сильних металевих зарядів і переміщення їх без механічного тертя.

Складність технологій охолодження при дуже низьких температурах ще більше обмежує застосування надпровідників. Однак технічний прогрес, як очікується, частково зменшить це обмеження.

Відсутність електричного опору

У надпровіднику електричний опір дуже раптово зменшується нижче температури, яка називається "критичною температурою". Потім матеріал ідеально проводить струм. Наприклад, електричний струм може продовжувати нескінченно протікати в надпровідному кільці після відключення живлення.

В атомному масштабі, коли матеріал стає надпровідним при дуже низькій температурі, його електрони (які також є хвилями на квантовому рівні) об’єднуються попарно. Потім всі пари електронів накладаються одна на одну, утворюючи єдину квантову хвилю ("конденсат"), яка стає нечутливою до дефектів матеріалу (1), усуваючи таким чином весь електричний опір.

Модифікація магнетизму

Магнітні поля сильно впливають на надпровідник:

  • вони можуть повністю скасувати один одного в матеріалі (ефект Майснера). Цей ефект характеризується у надпровіднику шляхом екстеріоризації магнітних полів (2);
  • їх можна заморозити в тій конфігурації, в якій вони перебували, коли потрапили в надпровідний стан (захоплення вихорів).

Той чи інший з цих ефектів спостерігається залежно від природи надпровідного матеріалу. Левітувати магніт можна, комбінуючи ці ефекти в системі: ефект Майснера відштовхує магніт від надпровідника, тоді як захоплення вихорів утримуватиме магніт там, де він був, коли надпровідник охолоджувався. Потім магніт потрапляє в пастку, не притягуючись.

Електричний транспорт за допомогою надпровідних кабелів

Надпровідний кабель проводить електричний струм без опору, отже, без втрат (за ефектом Джоуля). Таким чином, це дозволяє досягти значно більшої пропускної здатності, ніж традиційний кабель (коефіцієнт 3 - 5). Це дає можливість збільшити пропускну здатність насиченої мережі без проведення будівельних робіт та без збільшення площі приміщення, за винятком охолоджувальних установок.

Вигоди від відсутності розсіювання потужності компенсуються витратами на охолодження кабелю.

В контексті збільшення електроенергії в деяких великих містах надпровідні кабелі є дуже цікавою економічною альтернативою розробці нового резистивного кабелю більшої ємності. Його нульовий тепловий підпис забезпечує велику гнучкість при монтажі кабелю.

Однак з економічної точки зору вигоди від нерозсіювання потужності переважають витрати на охолодження кабелю. Надпровідність кабелів не дуже сприятлива з кріогенної точки зору через високе співвідношення між площею поверхні та об'ємом. Крім того, енергетичний баланс надпровідного кабелю є вигіднішим, ніж у звичайного кабелю, лише за певного струму, з урахуванням втрат кріостата, який його охолоджує. Нарешті, зверніть увагу, що надпровідний кабель іноді може зазнати невеликих втрат, коли його проходить змінний струм, наприклад, при 50 або 60 Гц.

Технологія надпровідних кабелів набула певної зрілості завдяки численним досягненням. Наприклад, компанія Nexans (3) експлуатує з березня 2008 року 600 м надпровідного кабелю, що несе найбільшу потужність у світі (600 МВт) у США (проект LIPA).

Обмежувачі струму або "Несправний обмежувач струму" (FCL)

Надпровідні кабелі також можуть допомогти поліпшити безпеку електричної мережі, включаючи обмежувач струму.

FCL можна порівняти з постійним "супер запобіжником", оскільки він автоматично відновлюється після відключення електроживлення.

Обмежувач струму - це пристрій, який автоматично і природно обмежує струм, як тільки він перевищує задане значення. В даний час струми не обмежені, а лише перериваються вимикачами, що призводить до перебоїв у передачі електроенергії.

FCL можна порівняти з постійним "супер запобіжником", оскільки він автоматично відновлюється після відключення електроживлення. Він заснований на внутрішньому і майже миттєвому переході із стану, що не має опору надпровідного елемента, у високорезистивний стан, коли струм перетинає певне значення.

Якщо перехід між надпровідним і дисипативним режимом надзвичайно швидкий (мільйонні частки секунди), відновлення «нормального» струму займає набагато більше часу і може досягати декількох хвилин (4) .

В даний час у Великобританії та Німеччині в європейській мережі працюють 2 FCL.

Зберігання енергії: SMES ("Надпровідне магнітне накопичувач енергії")

Енергія може зберігатися електричним струмом, що надходить через котушку надпровідного дроту. Після короткого замикання (замкнутої на собі) котушки струм протікає майже нескінченно довго без втрат і створює "вічне" магнітне поле. Тому енергія зберігається в котушці в магнітному та електричному вигляді, а потім може бути відновлена ​​в дуже короткий термін час.

SMES мають високу щільність потужності (але помірну щільність енергії), надзвичайно велику кількість циклів заряду-розряду та чудову ефективність перетворення енергії (більше 95%).

Кілька МСП продемонстрували свою продуктивність та експлуатаційні можливості для потужностей в мегават-діапазоні та тривалості порядку секунди. Вони використовувались як джерела переривання (“інвертори”) для чутливих навантажень або для стабілізації електричних мереж. Деякі мережі вже використовують ці пристрої, зі значним зворотним зв’язком у США та Японії. Тим не менше, кількість проданих МСП залишається низькою через високу початкову вартість та конкуренцію з боку більш зрілих технологій зберігання.

SMES також служить "імпульсним" джерелом струму: це відмінне рішення для джерел безперебійного живлення або певного статичного обладнання для поліпшення роботи електричних мереж.

Потяги майбутнього

"Механічні" властивості надпровідності використовуються в транспортній галузі: протиставлення фіксованого магнітного поля (колії) та бортового магнітного поля (надпровідні котушки, розміщені та охолоджувані на борту поїзда) дає можливість "левітувати" поїзди без тертя між твердими тілами (5) .

В Японії найшвидший потяг у світі (603 км/год на випробуваннях у квітні 2015 року) використовує надпровідники і левітує на кілька сантиметрів над своїми рейками. Комерційний розвиток цих поїздів додатково обмежується вартістю спеціальних рейок, необхідних для їх руху.

Неенергетичні програми

Зараз надпровідна техніка більше застосовується до слабких струмів, тобто до програм обробки інформації, таких як стільникові телефони чи комп’ютери.

У медицині при МРТ використовуються дуже сильні магнітні поля, створені котушкою надпровідного дроту.

Найефективніші фільтри, доступні для релейних антен у мобільних мережах, уже використовують надпровідники: маленький «холодильник» охолоджує електронну схему за допомогою електричної енергії.

У медицині для МРТ (магнітно-резонансної томографії) використовуються дуже сильні магнітні поля, створені котушкою надпровідного дроту, зануреного в дуже холодну рідину, таку як гелій.

  • Більше половини основних елементів періодичної системи є надпровідними при достатньому охолодженні. У деяких випадках також необхідно чинити тиск на матеріал.
  • Що стосується МРТ, надпровідність дозволяє створювати магнітні поля, які в 500 разів перевищують земне поле: жоден інший пристрій не може дозволити таку роботу в обсязі близько десяти м 3 .

На початку 20 століття Камерлінгх Оннес намагався зрозуміти та виміряти властивості металів при дуже низьких температурах. У квітні 1911 р. Він помітив дуже раптове падіння до нуля опору ртуті нижче 4,2 К (близько -269 ° С). Він назвав це явище "надпровідністю" в день, коли він отримав Нобелівську премію в 1913 році. Тоді Оннес виявив, що інші метали, такі як олово, свинець та алюміній, також були надпровідниками.

Хіміки та фізики винаходять нові надпровідні матеріали і прагнуть поліпшити їх характеристики: при нижчій температурі, стійкій до вищих магнітних полів.

Згодом потрібно було почекати більше 40 років, щоб троє фізиків, Бардін, Купер і Шріффер, змогли чітко пояснити надпровідність в металах в 1957 році (теоретична модель, з тих пір називана "BCS", від їх ініціалів).

З тих пір хіміки та фізики винайшли нові надпровідні матеріали і прагнули поліпшити їх характеристики: при нижчій температурі, стійкій до вищих магнітних полів або сильніших електричних струмів тощо. Ці матеріали в основному штучні та синтезуються в лабораторії.

Високотемпературна надпровідність

Іноді розрізняють "класичні надпровідники" та "нові надпровідники" залежно від того, надпровідні вони при низькій або нижчій температурі. Однак межа цього визначення залишається розмитою.

В даний час дослідники працюють над пошуком пояснення надпровідності "найгарячіших" елементів, відомих як "надпровідники з високою критичною температурою" (також звані "купрати"), до яких теорія BCS не застосовується. Зверніть увагу, що ця "висока температура" залишається, однак, нижче -135 ° C.

В даний час ми задовольняємося "феноменологічним" поясненням, яке включає нову незрозумілу фазу при температурах, проміжних між надпровідним станом і нормальним станом: "псевдощелина". Деякі вважають, що під час цієї фази утворюються електронні пари, але їх потрібно додатково охолоджувати для конденсації. Отже, надпровідність цих матеріалів достатньо відома, щоб мати змогу освоїти технології, але ще недостатня, щоб дати остаточне теоретичне пояснення.

Матеріали з високою критичною температурою роблять системи зберігання "SMES" особливо привабливішими, оскільки вони збільшують масові показники надпровідних магнітів та знижують вартість кріогенних речовин (інвестиції та експлуатація).

Конкретно

Серед звичайних надпровідників на сьогоднішній день найбільш використовуваними є сплави сімейства A15, зокрема NbTi (ніобій і титановий сплав), надпровідний при температурі 9 кельвінів (-264 ° C) і стійкий до 15 Тесла або найефективніший і найдорожчий Nb3Sn (сплав ніобію та олова) надпровідний при 18 Кельвінах (-255 ° C) і стійкий до полів до 30 Тесла. Саме ці сплави використовуються, наприклад, під час МРТ.

Ти знав ?

У деяких експериментах було встановлено, що втрати, пов'язані з енергією, що зберігається в електромагнітній формі в надпровідному пристрої, були настільки мінімальними, що їх було ледь виявити через 13,8 млрд років, вік Всесвіту.

Джерела/Примітки

Ця стаття багато в чому зобов’язана веб-сайту http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php, на який читач може корисно звернутися за детальною інформацією.

(1) У металі окремий електрон легко відхиляється електронною домішкою, що складається з більшого атома.

(2), які загрожують розривом колективної квантової хвилі, що об'єднує електрони.

(4) Нові системи дозволяють обійти цей недолік, щоб забезпечити безперервність обслуговування, з дуже швидким поверненням до служби порядку сотні мілісекунд, лінії після несправності

(5) Залишаються втрати енергії при проникненні твердої речовини в рідину, що регулюється звичайними аеродинамічними методами (включаючи вакуум).