Материалы портала «Научная Россия»

Учёным из России удалось повысить стабильность проводников

Учёным из России удалось повысить стабильность проводников
Вместо дорогостоящего охлаждения российские учёные предлагают использовать для повышения стабильности проводников модификацию керамич

Межинститутский коллектив исследователей из Курчатовского института, ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара и ВНИИ кабельной промышленности пытаются решить проблему нестабильности сверхпроводников, создающих сильные магнитные поля для работы томографов.

Как передаёт портал «Наука и технологии России», учёные развивают идею использования в составе сверхпроводников механических добавок с высокой теплоёмкостью. Они снижают риск перегрева установки и неизбежной при перегреве потери сверхпроводимости. Последняя работа коллектива опубликована в журнале Superconductive Science and Technology.

 «Материал в сверхпроводящем состоянии обладает строго нулевым электрическим сопротивлением, но даже самые незначительные изменения условий – механические деформации, повышение температуры или напряжённости магнитного поля – могут перевести его в нормальное состояние», – объяснил Виктор Кейлин, руководитель исследовательской группы и профессор Курчатовского института.

«К примеру, композитные провода, из которых изготавливают обмотки сверхпроводящих соленоидов, при температуре жидкого гелия имеют чрезвычайно низкую теплоёмкость. В результате даже самое незначительное тепловыделение в обмотке (например, из-за подвижки витков или растрескивания эпоксидной смолы) может привести к потере сверхпроводящих свойств. Сопротивление такого участка резко возрастает, а вся энергия, запасённая в магнитном поле соленоида, выделяется в виде тепла, что без принятия специальных мер по защите соленоида может привести к серьёзной аварии и разрушению устройства. А плотность этой магнитной энергии огромна! Например, в магните на 12 тесла объемом 30 литров сосредоточена кинетическая энергия разогнанного поезда метро», – рассказал Кейлин.

Эту проблему термической стабильности обычно решают за счёт введения дорогостоящей системы охлаждения или же наращивания слоёв сверхпроводника и стабилизатора, влекущего к тому же уменьшение плотности тока. В основе же подхода научной группы Курчатовского института лежит простая и изящная идея модификации керамическими добавками с чрезвычайно высокой теплоёмкостью, за счёт которой композитный сверхпроводящий материал становится гораздо менее чувствительным к термическим возмущениям.

Как замечает Кейлин, высокотеплоёмкие добавки (ВД) составляют всего 3–5 % от объёма обмотки, но повышают её среднюю объёмную теплоёмкость в 10–12 раз. Соответственно, во столько же раз снижается нагрев проводника. Поэтому сверхпроводник с ВД может терпеть в 10 раз большие по энергиям тепловые возмущения, сохраняя стабильность.

В первых своих экспериментах исследователи применяли технику внешнего легирования. Порошки добавок вносились между витками сверхпроводящей катушки-соленоида, что уже приводило к значительному улучшению её стабильности. Однако расчёты показали, что избыточная теплоёмкость добавок срабатывает лишь частично, поскольку характерное время тепловой диффузии между сверхпроводником и включением значительно больше времени термического возмущения. Лишнее тепло буквально не успевало распределиться по введённым добавкам.

Поэтому в следующих своих работах исследователи решили применять технику внутреннего легирования и внедрять жилы теплоёмких добавок непосредственно в сверхпроводящие материалы. Так, для последнего эксперимента были изготовлены два сверхпроводящих (идентичных используемым в МРТ) стометровых провода из ниобата титана NbTi. Один из них был модифицирован добавками оксида гадолиния Gd2O3 (2 % по объёму), распределёнными по 14 продольным каналам, а второй оставлен без изменений. В результате критическая энергия возмущений перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние для модифицированного провода оказалась больше почти в два раза.

Кроме того, в предыдущих работах исследователям также одновременно удавалось достичь и улучшения другого, механического аспекта (потеря сверхпроводящего состояния вызывается механическими напряжениями) стабильности сверхпроводников. Так что предложенная техника оказывается ещё более универсальной и, конечно, помимо сверхпроводников для МРТ вполне может быть использована для создания, например, токомаков или сверхпроводящих линий электропередач. Тем более что стоимость теплоёмкой модификации оценивается учёными лишь в 3–5% от общей стоимость NbTi-проводов, что заставляет лишний раз задуматься о рациональности дорогостоящих и повсеместно распространённых хладагентов.

Источник: www.strf.ru

внии кабельной промышленности внии неорганических материалов курчатовский институт материалы полупроводники

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий