Новые сверхпроводящие технологии для ГЛ

По словам Амалии Балларино, разработка в ЦЕРН кабелей из диборида магния и других передовых сверхпроводящих систем для сверхсветящегося БАКа также расширяет возможности применения, выходящего за рамки фундаментальных исследований.

Эра высокотемпературной сверхпроводимости началась в 1986 году с открытия исследователями IBM Георгом Беднорцем и Алексом Мюллером сверхпроводимости в оксиде лантана, бария, меди. Это открытие было революционным: новое хрупкое сверхпроводящее соединение не только принадлежало к семейству керамических оксидов, которые обычно являются изоляторами, но и имело самую высокую критическую температуру, когда-либо зарегистрированную (до 35 К по сравнению с примерно 18 К в обычных сверхпроводниках). ). В последующие годы ученые открыли другие купратные сверхпроводники (оксид висмута-стронция-меди и оксид иттрия-бария-меди) и достигли сверхпроводимости при температурах выше 77 К, температуры кипения жидкого азота (см. рисунок «Тепло поднимается»). Возможность эксплуатации сверхпроводящих систем с недорогим, обильным и инертным жидким азотом вызвала огромный энтузиазм в сверхпроводниковом сообществе.

Было изучено несколько применений высокотемпературных сверхпроводящих материалов с потенциально высоким воздействием на общество. Среди них сверхпроводящие линии электропередачи были названы инновационным и эффективным решением для передачи большой мощности. Уникальными преимуществами сверхпроводниковой передачи являются высокая пропускная способность, очень компактный объем и низкие потери. Это позволяет устойчиво передавать до десятков ГВт мощности при низком и среднем напряжении по узким каналам, а также экономить энергию. Демонстраторы были построены по всему миру совместно с промышленными и коммунальными компаниями, некоторые из которых успешно работают в национальных электросетях. Однако широкому внедрению этой технологии препятствует стоимость купратных сверхпроводников.

В физике элементарных частиц сверхпроводящие магниты позволяют пучкам высоких энергий циркулировать в коллайдерах и создают более сильные поля для детекторов, чтобы они могли обрабатывать более высокие энергии столкновений. БАК — крупнейшая сверхпроводниковая машина из когда-либо построенных, а также первая, где в больших масштабах используются высокотемпературные сверхпроводники. Осознание возможности повышения светимости и возможных будущих коллайдеров стимулирует использование сверхпроводящих материалов следующего поколения, приложения которых выходят далеко за рамки фундаментальных исследований.

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) была открыта в то время, когда продолжались концептуальные исследования БАКа. Хотя новые материалы все еще находились на стадии разработки, потенциал ВТС для использования в передаче электроэнергии был сразу же признан. Для питания магнитов БАКа (которые основаны на обычном сверхпроводнике ниобий-титан, охлаждаемом сверхтекучим гелием) требуется передача тока силой около 3,4 мА, генерируемого при комнатной температуре, в криогенную среду и из нее. Это делается с помощью устройств, называемых токоподводами, более 3000 из которых установлены в разных подземных местах по периметру БАКа. Традиционная конструкция токопроводов, основанная на металлических проводниках с паровым охлаждением, накладывает нижний предел (около 1,1 Вт/кА) на утечку тепла в жидкий гелий. Использование ленты HTS BSCCO 2223 (керамика из оксида висмута, стронция и меди), работающей в токовых выводах БАК в диапазоне температур от 4,5 до 50 К, позволило распутать теплопроводность и омическую диссипацию. Успешные междисциплинарные НИОКР с последующим созданием прототипа в ЦЕРН, а затем индустриализация, с серийным производством примерно 1100 нынешних моделей LHC HTS, начиная с 2004 года, привели как к капитальной, так и к операционной экономии (отказ от одной дополнительной криоустановки и экономия около 5000 л/ч). жидкого гелия). Он также способствовал более широкому внедрению технологии токоподводов BSCCO 2223, например, в магнитных цепях токамака ИТЭР, что дает выгоду от соглашения о сотрудничестве с ЦЕРН по разработке и проектированию токоподводов ВТС.