Перспектива використання надпровідних матеріалів
Найбільш важливими областями застосування надпровідників є створення сильних магнітних полів, отримання та передача електроенергії. Соленоїд з надпровідного матеріалу може працювати без підведення енергії ззовні як завгодно довго, оскільки одного разу збуджений в ньому струм не загасає. Підтримка соленоїда в надпровідного стану не вимагає великих енергетичних витрат. При нульовому опорі легко вирішується проблема відводу тепла. Крім того, надпровідні магніти набагато компактніше звичайних. Кожен кілограм маси надпровідного магніту створює магнітне поле, еквівалентну за силою полю 20-тонного електромагніту з залізним сердечником.
Надпровідні магніти використовують для досліджень в області фізики високих енергій, створення потужних магнітних кільцевих прискорювачів частинок і систем управління рухом пучків частинок на виході з прискорювача. Надпровідні магнітні системи застосовують в жідководородних бульбашкових камерах, в яких по кривизні траєкторій від бульбашок скипає рідини визначають знак заряду і імпульс пролітають часток.
Проблеми термоядерної енергетики не можуть бути вирішені без застосування потужних надпровідних магнітів. Для здійснення керованого термоядерного синтезу ядер гелію з ядер дейтерію і тритію необхідно утримувати в реакційному просторі гарячу тритій-дейтерієву плазму, нагріту до 108 – 109 ° С. Тільки надпровідні магніти здатні створити поля такої потужності.
У найближчому майбутньому великий внесок у вирішення енергетичної проблеми можливе за рахунок підвищення термодинамічної коефіцієнта корисної дії теплових електростанцій з використанням МГД-генераторів, принципова схема яких показана на малюнку 3.6.
Іонізовані гарячі продукти згоряння палива в вигляді нізкотем-температурних плазми з температурою близько 2500 ° С пропускають з великою швидкістю через сильне магнітне поле. Утворену електроенергію знімають електродами, розташованими вздовж плазмового каналу. Таким чином, за допомогою МГД-генератора здійснюється пряме перетворення теплової енергії в електричну.
У перспективі передачу енергії великої потужності доцільно здійснювати за допомогою надпровідних кабельних підземних ліній. Розрахунки показали, що за надпровідного кабелю товщиною в руку можна пропускати всю пікову потужність, яку вироблено електростанціями США. З техніко-економічного аналізу випливає, що при передачі енергії великої потужності (близько 3 – 4 ГВ * А) завдяки малій питомої матеріаломісткості і меншій ширині траси надпровідний кабель буде в 2 – 3 дешевше звичайного. При цьому він характеризується більшою пропускною спроможністю і меншими втратами. Принципово конструкції надпровідних кабелів постійного і змінного струму не відрізняються один від одного (малюнок 3.7).
Надпровідні кабелі мають поперечний переріз у вигляді ряду мно-гослойних труб з вакуумною ізоляцією між ними. Внутрішні труби по-криті шаром надпровідного матеріалу товщиною близько 0,3 мм і заповнені рідким гелієм. Як надпровідника може бути використаний сплав ніобію з титаном або цирконієм. Кабелі подібної конструкції пройшли виробничі випробування в Росії, США і Японії.
Надпровідність дозволяє також вирішити проблему запасу електро-енергії про запас з видачею її при пікових навантаженнях. Індуктивний накопичувач енергії являє собою тороидальний кріостат діаметром кілька метрів, по витків обмотки якого практично без втрат циркулює струм.
Звичайний залізничний потяг, що рухається по сталевих рейках, має принциповий межа швидкості близько 350 км / ч. При його перевищенні порушується надійне зчеплення коліс з рейками, різко зростає сила аеродинамічного опору, з’являється “струмознімальних бар’єр”, що перешкоджає нормальному функціонуванню системи підвіски контактного проводу внаслідок занадто великих вібрацій.
Використання ефекту надпровідності дозволяє створити поїзд без коліс з магнітною підвіскою і тягою – поїзд на магнітній подушці (рисунок 3.8).
У днище вагонів поїзда встановлені надпровідні електромагніти 4, що охолоджуються рідким гелієм 5. При русі поїзда в алюмінієвих смугах-рейках 1 наводяться струми, в свою чергу створюють магнітні поля. Згідно з правилом Ленца, магнітне поле індукованого струму протилежно по напрямку зовнішнього магнітного поля, і між магнітом і алюмінієвої смугою виникають сили відштовхування, що підводять вагон над естакадою. Застосування надпровідних магнітів дозволяє підняти вагон над дорогою на висоту більше 100 мм.
Тяга створюється за допомогою лінійного безконтактного електродвигуна. Лінійний двигун 3 можна представити як модифікацію звичайного обертового двигуна, який розрізали уздовж твірної, розгорнули і поклали на площині. На полотно дороги між алюмінієвими смугами прокладений третій активний рейок, який грає роль статора, а надпровідна котушка вагона – ротора. Уздовж шляху рухається тягне поїзд магнітна хвиля, швидкість якої пропорційна частоті змінного струму в рейці.
Колеса в поїзді на магнітній подушці використовуються, як в літаку, тільки для розгону і гальмування. За аналогією такі поїзди називають магнітопланамі.
В Японії прокладена швидкісна магістраль між Токіо і Осакою протяжністю 500 км, по якій курсують надпровідникові поїзда зі швидкістю 500 км / год.
Кріогенні надпровідні матеріали, що знаходять застосування в електродвигунах і трансформаторах, дозволяють зменшити їх обсяг, знизити масу на 80%, довести коефіцієнт корисної дії при цьому до 98%.
Обертається надпровідний шар із сплавів ніобію при взаємодії із зовнішнім магнітним полем здатний парити без опор в повітрі або в вакуумі. Така куля є ідеальним ротором гіроскопа – основного приладу для орієнтації космічних кораблів.
Кріогенні надпровідники використовують в магнітних насосах, що дозволяють перекачувати магнітні поля з великих обсягів в малі, тим самим збільшуючи їх напруженість Н. Розроблено проект реактивної підводного човна без гребного гвинта з магнітогідродинамічним двигуном (рисунок 3.9).
Схема реактивної підводного човна з МГД-двигуном
Малюнок 3.9 – Схема реактивної підводного човна з МГД-двигуном
Струм, що проходить через надпровідні обмотки, породжує магнітне поле, що біжить від носа човна до корми. У заповненому водою кільцевому каналі, розташованому між зовнішнім і внутрішнім корпусом човна, індукуються струми. Взаємодія цих струмів з магнітним полем надпровідника створює силу, рухався човен. Розрахункова швидкість ходу реактивної підводного човна може скласти не менше 90 км / год.
Сильні магнітні поля кріогенних надпровідних пристроїв дозволяють захищати космічні кораблі від підвищеної радіації.
(2 votes, average: 4.50 out of 5)