Neděle, Červenec 23

Viktor Pancyrnyj: Supravodič, to je 8 200 vláken o průměru pět mikrometrů

Poměrně dobře je známo, že Velký hadronový urychlovač v CERNu používá supravodivé magnety a že je bude používat i tokamak ITER. Jak je to však s použitím supravodičů v dalších vědeckých zařízeních? Kdy byl použit supravodič poprvé?

Supravodiče byly použity poprvé v detektorech částic s magnetickým systémem na počátku 70. let minulého století. Přelomovým projektem byl tokamak T-7, který byl postaven ve výzkumném ústavu Kurčatovský institut v Moskvě na konci 70. let a stal se prvním supravodivým tokamakem na světě. Potom se supravodiče začaly objevovat také v urychlovačích částic.

pancyrnyj_1024
Viktor Pancyrnyj během kulatého stolu Projekt NICA – nové okno do mikrosvěta. (Zdroj: MMS)

Jakým vývojem prošly supravodiče za těch několik desítek let?

Jejich výkonnost vzrostla na trojnásobek až čtyřnásobek. Navíc jsme se významně posunuli v jejich výrobě, protože vznikla řada nových výrobních podniků. Dále došlo k jedné zásadní události – objevu vysokoteplotních supravodičů, které přinesly změnu samotné podstaty supravodičů. Ke chlazení už nemuselo být používáno nedostatkové helium, ale levný a dostupný dusík. Vysokoteplotní supravodiče mají supravodivé vlastnosti při –194 °C, což je také významný posun oproti heliem chlazeným typům, které musejí být udržovány při teplotě jen několik stupňů nad absolutní nulou. Za krátkou dobu od jejich objevu se podařilo dosáhnout toho, že dusíkem chlazené supravodiče mají stejné vlastnosti jako heliem chlazené, a to byl obrovský pokrok. Bez ohledu na to ovšem pokračuje i vývoj a výroba nízkoteplotních supravodičů. Supravodiče totiž nejsou jako housky na krámě a každý projekt vyžaduje svůj vlastní specifický supravodič, který bude schopen pracovat v požadovaném rozsahu intenzity magnetického pole.

Jaké supravodiče dodává Rusko pro projekty ITER a NICA?

Jako svůj příspěvek do projektu dodalo Rusko kolem 100 tun niobcínových supravodičů a zhruba 100 tun niobtitanových. Kromě toho vyrábí šestinu kompletní cívky poloidálního magnetu, která v sestavené podobě bude přepravena na staveniště ITERu ve Francii. Pro projekt NICA vyrábí supravodiče nuklotronového typu s průměrem vláken 6 mikronů. Nyní je vyrábí Čepecký mechanický závod podle technologie vyvinuté Bočvarovým institutem. Pilotní část již byla sestavena do cívky, aby byly ověřeny parametry produkce, a nutno konstatovat, že převýšily očekávání a požadavky zákazníka. Do konce roku by měla být dokončena výroba více než dvou tun supravodičů pro NICA.

Jak takový supravodič vlastně vypadá?

Fyzicky je ho těžké odlišit od obyčejného vodiče, jde totiž také o drát průměru 0,7 nebo 0,9 milimetrů. Avšak v supravodivém kabelu je 8 200 tenkých vláken, které mají zhruba 5 mikrometrů v průměru. Přitom se průměr vláken nesmí lišit o více jak 10 % po celé délce mnohakilometrového kabelu. Tímto vodičem se ovíjí trubička, kterou proudí tekuté helium. Takto získaný kabel se potom omotá izolací a může být použit pro výrobu magnetů urychlovače NICA.

supravodic_1024
Polotovary pro výrobu nízkoteplotních supravodičů typu Nb3Sn. (Zdroj: MMS)

Jak náročná je výroba supravodičů, když jednotlivá vlákna mají průměr pouze několik mikrometrů?

Dalo by se říci, že prostě vezmeme 8 000 niobtitanových proutků, vložíme je měděné trubky o průměru 300 milimetrů a pak je natáhneme na průměr 0,5 milimetru. Avšak není to tak jednoduché a vyžaduje to rozsáhlé know-how. Vše podléhá velmi striktní kontrole kvality, od přejímky základních materiálů až po výsledný produkt. Kontroly se navíc provádějí po každém kroku ve výrobě, tedy po každém válcování nebo tažení materiálu, aby se vyloučila přítomnost cizích částeček o průměru větším než 5 mikronů v polotovaru vážícím několik set kilogramů. Jde o velmi vyspělou technologickou výrobu, která zajišťuje vysokou čistotu výsledných produktů. Výrobní cyklus zabere až půl roku.

V jakých dalších oborech se mohou supravodiče uplatnit?

Nejvýznamnější aplikací je v současné době lékařství, typicky přístroje pro magnetickou rezonanci. Těch se po celém světě vyrobí asi 3 000 kusů ročně a každý z nich používá méně než tunu supravodičů. Kromě toho mají supravodiče také perspektivu v několika dalších oblastech, čímž se zabývá program Rosatomu Supravodivý průmysl. Například použití vysokoteplotních supravodivých kabelů pro přenos elektřiny by umožnilo zmenšit průměr kabelů a dvakrát až třikrát snížit přenosové ztráty. Pilotní kabelové vedení o délce několika kilometrů má být v roce 2017 uvedeno do provozu v Petrohradu, nyní probíhají jeho testy za provozních podmínek, které trvají téměř rok. Dále supravodiče umožňují několikanásobně snížit hmotnost a velikost elektrogenerátoru pro větrné elektrárny, což zjednoduší jejich konstrukci a zvýší výkon každé elektrárny až na 10-20 MW. Díky rozvoji obnovitelných zdrojů energie roste také potenciál pro akumulaci energie, což je další oblast možného použití supravodičů. Dnes jsou testována pilotní zařízení o kapacitě 20–30 MJ. V neposlední řadě jde o dopravu, kde by použití supravodičů umožnilo podstatně snížit energetické ztráty lokomotiv.

 

Viktor Pancyrnyj se v Bočvarově institutu (celým názvem Vysokotechnologický výzkumný ústav anorganických materiálů akademika Bočvara, zkráceně VNIINM je součástí palivové společnosti TVEL) zabývá výzkumem kovových kompozitních materiálů, vývojem supravodičů pro mezinárodní projekt experimentálního termojaderného reaktoru ITER a vývojem nanomateriálů pro impulzní magnetické systémy. Je hlavním vědeckým pracovníkem v institutu, má titul doktor technických věd a je autorem přes 150 vědeckých prací a 10 patentů.

 

Zdroj: MM Průmyslové spektrum 12/2016

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *