Начались испытания сверхпроводящих токоограничителей
Сверхпроводимость открыта почти сто лет назад, но до сих пор ее применяли лишь в установках научно-исследовательского назначения. Теперь же на электростанции Боксберг начались испытания сугубо технического устройства.
С тех пор, как было открыто явление сверхпроводимости, прошло почти 100 лет, однако действительно широкого применения в технике оно до сих пор не нашло. Напомню, что сверхпроводимостью называют способность некоторых веществ при охлаждении ниже определенной температуры, именуемой критической температурой перехода, практически полностью утрачивать электрическое сопротивление и проводить электрический ток без каких-либо потерь.
Металлооксидная керамика – высокотемпературный сверхпроводник
На протяжении долгих десятилетий науке были известны только сверхпроводники с крайне низкими критическими температурами перехода, лишь незначительно превышающими абсолютный нуль. Даже у технеция, имеющего самую высокую среди чистых металлов критическую температуру перехода, она составляет всего лишь 11,2 градуса Кельвина. А ведь получение и поддержание столь низких температур с использованием очень капризного в эксплуатации жидкого гелия – дело не только сложное, но и чрезвычайно дорогостоящее. Поэтому о практическом применении сверхпроводимости в технических устройствах долгое время не могло быть и речи.
Однако в 1986 году был открыт новый класс соединений, способных переходить в сверхпроводящее состояние при значительно более высоких температурах. Синтезированная исследователями керамика из атомов кислорода, меди, бария и лантана, в обычных условиях вообще не проводящая электрический ток, обретала сверхпроводимость при температуре 58 градусов Кельвина. Годом позже, заменив в составе этой же керамики лантан на иттрий, ученые получили и вовсе сенсационный результат – 92 градуса Кельвина. С тех пор получены и другие, еще более высокотемпературные сверхпроводники с критическими температурами перехода, намного превышающими температуру кипения жидкого азота. Именно это обстоятельство и делает их перспективными в плане практического применения, поскольку жидкий азот прост в обращении и несравненно дешевле, чем жидкий гелий.
То лучше, чем у меди, то как у кирпича
И вот теперь в Саксонии, на электростанции Боксберг, начались первые полевые испытания так называемых токоограничивающих выключателей, основанных на явлении высокотемпературной сверхпроводимости. Электростанция Боксберг работает на буром угле. Масштабы предприятия впечатляют: в среднем, здесь сжигается 27 тысяч тонн угля в сутки – это содержимое 350 железнодорожных вагонов. А рядом с гигантскими энергоблоками за отдельной оградой установлен ничем вроде бы не примечательный серебристый контейнер весьма скромных размеров.
“В его передней стенке имеются три оконных проема, и сквозь них хорошо видны наши криостаты – три штуки, – поясняет Йоахим Бок (Joachim Bock), сотрудник концерна Nexans, производителя испытуемого оборудования. – Криостаты – это что-то вроде очень хороших термосов, и в них расположены наши сверхпроводящие элементы из металлооксидной керамики, охлаждаемые до температуры минус 200 градусов Цельсия”.
Идея, положенная в основу таких токоограничивающих выключателей, очень проста: в случае короткого замыкания происходит резкий нагрев проводника, состояние сверхпроводимости мгновенно исчезает, сопротивление скачком возрастает в миллионы раз. Йоахим Бок описывает это так: “Только что электропроводность кабеля была лучше, чем у меди, а уже в следующее мгновение она такая же, как у кирпича”.
Высокий спрос… в среднесрочной перспективе
Такой выключатель предохраняет от аварийного разрушения все последующие компоненты электростанции – от кабелей до распределительных устройств. По словам Томаса Крюгера (Thomas Krüger), сотрудника энергетического концерна Vattenfall, которому принадлежит электростанция Боксберг, это своего рода предохранитель, но только он не совсем прерывает подачу тока, а снижает ее до безопасного уровня.
“Тем самым мы можем проектировать распределительные устройства и прочее оборудование, рассчитанные на значительно меньшие токи короткого замыкания, – продолжает Крюгер, – а это позволит сэкономить немало средств”. Токоограничивающие выключатели обретают особо важное значение для электростанций следующего поколения, в которых предусмотрено отделение углекислого газа и закачивание его под давлением под землю. “Расход энергии на собственные нужды электростанции вырастет, – поясняет Томас Крюгер, – а это потребует новых распределительных устройств, реализовать которые на основе традиционной технологии едва ли удастся”.
По мнению Йоахима Бока, сверхпроводящие токоограничивающие выключатели найдут широкое применение не только на электростанциях, но и в электрических сетях: “Распределительные устройства в некоторых странах Европы, например, в Великобритании, работают практически на пределе своих возможностей. Это исключает оптимальное использование возобновляемых энергоресурсов. Так, подключение ветрогенераторов зачастую невозможно, потому что это чревато превышением мощности короткого замыкания нынешних сетей. Мы полагаем, что в среднесрочной перспективе наши изделия окажутся востребованными и в этой сфере”.
Конечно, при условии, что испытания в Саксонии пройдут успешно. Они продлятся ровно год.
