Technologiczne zastosowania nadprzewodnictwa

Niektóre z technologicznych zastosowań nadprzewodnictwa obejmują:

Nadprzewodnictwo niskotemperaturowe

Rezonans magnetyczny (MRI) i jądrowy rezonans magnetyczny (NMR)

Największym zastosowaniem nadprzewodnictwa jest wytwarzanie dużych, stabilnych i intensywnych pól magnetycznych wymaganych do MRI i NMR. Stanowi to wielomiliardowy rynek dla firm takich jak Oxford Instruments i Siemens . Magnesy zazwyczaj wykorzystują nadprzewodniki niskotemperaturowe (LTS), ponieważ nadprzewodniki wysokotemperaturowe nie są jeszcze wystarczająco tanie, aby w opłacalny sposób dostarczać wymagane pola o dużej, stabilnej i dużej objętości, niezależnie od potrzeby schładzania instrumentów LTS do ciekłego helu temperatury. Nadprzewodniki są również stosowane w magnesach naukowych o silnym polu.

Akceleratory cząstek i urządzenia do fuzji magnetycznej

Akceleratory cząstek , takie jak Wielki Zderzacz Hadronów, mogą zawierać wiele elektromagnesów o wysokim polu, które wymagają dużych ilości LTS. Skonstruowanie magnesów LHC wymagało ponad 28 procent światowej niobowo-tytanowego przez pięć lat, przy czym duże ilości NbTi były również wykorzystywane w magnesach do ogromnych detektorów eksperymentalnych LHC.

Konwencjonalne maszyny do syntezy jądrowej (JET, ST-40, NTSX-U i MAST) wykorzystują bloki miedziane. To ogranicza ich pola do 1-3 Tesli. Na lata 2024-2026 planowanych jest kilka nadprzewodzących maszyn termojądrowych. Należą do nich ITER , ARC i kolejna wersja ST-40 . Dodatek nadprzewodników wysokotemperaturowych powinien przynieść poprawę pola o rząd wielkości (10-13 tesli) dla nowej generacji tokamaków.

Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe (HTS)

Jak dotąd komercyjne zastosowania nadprzewodników wysokotemperaturowych (HTS) były ograniczone.

HTS wymagają tylko ciekłego azotu , a nie ciekłego helu , aby ochłodzić się do temperatur nadprzewodzących. Jednak problem z technologią HTS polega na tym, że obecnie znane nadprzewodniki wysokotemperaturowe są kruchymi materiałami ceramicznymi, które są drogie w produkcji i niełatwo je formować w druty lub inne przydatne kształty. Dlatego aplikacje dla HTS były tam, gdzie ma jakąś inną wewnętrzną zaletę, np

  • przewody prądowe o niskich stratach termicznych do urządzeń LTS (niskie przewodnictwo cieplne),
  • Filtry RF i mikrofalowe (niska odporność na RF) oraz
  • coraz częściej w specjalistycznych magnesach naukowych, zwłaszcza tam, gdzie rozmiar i zużycie energii elektrycznej mają kluczowe znaczenie (chociaż drut HTS jest znacznie droższy niż LTS w tych zastosowaniach, można to zrekompensować względnym kosztem i wygodą chłodzenia); pożądana jest zdolność do narastania pola (wyższy i szerszy zakres temperatury roboczej HTS oznacza, że ​​można zarządzać szybszymi zmianami pola); lub pożądane jest działanie bez kriogenu (LTS generalnie wymaga ciekłego helu , który staje się coraz rzadszy i droższy).

Systemy oparte na HTS

HTS ma zastosowanie w magnesach naukowych i przemysłowych, w tym w systemach NMR i MRI. Komercyjne systemy są teraz dostępne w każdej kategorii.

Jedną z nieodłącznych cech HTS jest to, że może wytrzymać znacznie wyższe pola magnetyczne niż LTS, więc HTS w temperaturach ciekłego helu jest badany pod kątem wkładek o bardzo wysokim polu wewnątrz magnesów LTS.

Obiecujące przyszłe przemysłowe i komercyjne zastosowania HTS obejmują nagrzewnice indukcyjne , transformatory , ograniczniki prądu zwarciowego , magazyny energii , silniki i generatory , reaktory termojądrowe (patrz ITER ) oraz urządzenia lewitacji magnetycznej .

Wczesne zastosowania będą tam, gdzie korzyści wynikające z mniejszych rozmiarów, mniejszej wagi lub możliwości szybkiego przełączania prądu (ograniczniki prądu zwarciowego) przeważają nad dodatkowymi kosztami. W dłuższej perspektywie, wraz ze spadkiem cen przewodów, systemy HTS powinny być konkurencyjne w znacznie szerszym zakresie zastosowań wyłącznie ze względu na efektywność energetyczną. (Aby zapoznać się ze stosunkowo technicznym i skoncentrowanym na Stanach Zjednoczonych spojrzeniem na stan technologii HTS w systemach elektroenergetycznych oraz stan rozwoju przewodnika 2. generacji, patrz Superconductivity for Electric Systems 2008 US DOE Annual Peer Review ).

Przesył energii elektrycznej

Projekt nadprzewodników Holbrook

Holbrook Superconductor Project , znany również jako projekt LIPA, to projekt mający na celu zaprojektowanie i zbudowanie pierwszego na świecie nadprzewodnikowego kabla transmisyjnego . Kabel został oddany do użytku pod koniec czerwca 2008 roku przez Long Island Power Authority (LIPA). Podstacja elektryczna na Long Island jest zasilana przez około 600-metrowy podziemny system kablowy składający się z około 99 mil (159 km) wysokotemperaturowego drutu nadprzewodnikowego wyprodukowanego przez firmę American Superconductor , zainstalowanego pod ziemią i schłodzonego za pomocą ciekły azot znacznie zmniejsza kosztowne pierwszeństwo przejazdu wymagane do dostarczenia dodatkowej mocy. Ponadto instalacja kabla uniknęła komplikacji związanych ze ścisłymi pozwoleniami na napowietrzne linie energetyczne i stanowiła rozwiązanie dla obaw opinii publicznej dotyczących napowietrznych linii energetycznych.

Projekt Tres Amigas

Firma American Superconductor została wybrana do projektu Tres Amigas , pierwszego centrum rynku energii odnawialnej w Stanach Zjednoczonych. Centrum rynku energii odnawialnej Tres Amigas będzie wielomilową, trójkątną ścieżką elektryczną nadprzewodnikowych rurociągów elektrycznych zdolnych do przesyłania i równoważenia wielu gigawatów mocy między trzema amerykańskimi sieciami energetycznymi (Eastern Interconnection, Western Interconnection i Texas Interconnection). W przeciwieństwie do tradycyjnych linii energetycznych, będzie przesyłać energię jako prąd stały zamiast prądu zmiennego. Będzie zlokalizowany w Clovis w stanie Nowy Meksyk.

Śródmieście Essen

Essen w Niemczech ma najdłuższy na świecie produkowany nadprzewodzący kabel zasilający o długości 1 kilometra. Jest to kabel 10 kV chłodzony ciekłym azotem. Kabel jest mniejszy niż odpowiednik zwykłego kabla 110 kV, a niższe napięcie ma dodatkową zaletę w postaci mniejszych transformatorów.

Fabryka aluminium Voerde

Fabryka aluminium w Voerde w Niemczech planuje stosować nadprzewodniki w kablach przenoszących 200 kA, podając jako zalety mniejszą objętość i zapotrzebowanie na materiały.

Diborek magnezu

Diborek magnezu jest znacznie tańszym nadprzewodnikiem niż BSCCO lub YBCO pod względem kosztu w przeliczeniu na obciążalność prądową na długość (koszt / (kA * m)), w tym samym polu co LTS, i na tej podstawie wiele produkowanych drutów jest już tańszych niż miedź. Ponadto MgB 2 jest nadprzewodnikiem w temperaturach wyższych niż LTS (jego temperatura krytyczna wynosi 39 K, w porównaniu z poniżej 10 K dla NbTi i 18,3 K dla Nb 3 Sn), wprowadzając możliwość stosowania go w temperaturze 10-20 K w warunkach bezkriogenicznych magnesy, a może ostatecznie w ciekłym wodorze. [ potrzebne źródło ] Jednak MgB 2 ma ograniczone pole magnetyczne, które może tolerować w tych wyższych temperaturach, dlatego konieczne są dalsze badania w celu wykazania jego konkurencyjności w zastosowaniach o wyższym polu.

Uwięzione magnesy polowe

Wystawienie materiałów nadprzewodzących na działanie krótkotrwałego pola magnetycznego może uwięzić to pole do wykorzystania w maszynach, takich jak generatory. W niektórych zastosowaniach mogłyby zastąpić tradycyjne magnesy trwałe.

Notatki

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Technological_applications_of_superconductivity&oldid=1139381413 ”