Кіріспе
Суперөткізгіштіктің технологиялық қолданыстары: SQUID-тер (суперөткізгіш кванттық интерференциялық құрылғылар) негізіндегі жоғары сезімтал магнитометрлер, жылдам цифрлық тізбектер (Джозефсон тораптары және жылдам жалғыз кванттық ағын технологиясын қоса алғанда), магниттік левитациялық (маглев) пойыздарда, магниттік-резонанстық бейнелеу (МРТ) және ядролық магниттік-резонанстық (ЯМР) аппараттарында, магниттік конфайнмент синтез реакторларында (мысалы, токамактарда) және бөлшектер үдеткіштерінде қолданылатын қуатты суперөткізгіш электромагниттер, төмен шығынды қуат кабельдері, радиожиілік (RF) және микротолқынды сүзгілер (мысалы, ұялы телефон базалық станцияларында, сондай-ақ әскери жоғары сезімтал/таңдамалы қабылдағыштар үшін), жылдам тоқ шектегіштері, жоғары сезімтал бөлшектерді анықтағыштар, оның ішінде өткісі шегі сенсоры, суперөткізгіш боллометр, суперөткізгіш туннельдік детектор, кинетикалық индуктивті детектор және суперөткізгіш наносымды фотондық детектор, рельстік және катушкалы қару магниттері, электр моторлары және генераторлар.
Technological applications of superconductivity include:
the production of sensitive magnetometers based on SQUIDs (superconducting quantum interference devices)
fast digital circuits (including those based on Josephson junctions and rapid single flux quantum technology),
powerful superconducting electromagnets used in maglev trains, magnetic resonance imaging (MRI) and nuclear magnetic resonance (NMR) machines, magnetic confinement fusion reactors (e. g. tokamaks), and the beam steering and focusing magnets used in particle accelerators
low loss power cables
RF and microwave filters (e. g., for mobile phone base stations, as well as military ultra sensitive/selective receivers)
fast fault current limiters
high sensitivity particle detectors, including the transition edge sensor, the superconducting bolometer, the superconducting tunnel junction detector, the kinetic inductance detector, and the superconducting nanowire single photon detector
railgun and coilgun magnets
electric motors and generators
Магниттік резонанстық бейнелеу және ядролық магниттік резонанс
Үдемелі өткізгіштіктің ең маңызды қолданылуы – магниттік резонанс бейнелеу (МРТ) және ядролық магниттік резонанс (НМР) үшін қажетті үлкен көлемді, тұрақты және жоғары қарқынды магнит өрістерін жасау. Бұл Oxford Instruments және Siemens сияқты компаниялар үшін миллиардтаған АҚШ долларын құрайтын нарық. Магниттер көбінесе төмен температуралы суперөткізгіштерді (LTS) пайдаланады, себебі жоғары температуралы суперөткізгіштер қажетті жоғары, тұрақты және үлкен көлемді өрістерді экономикалық тұрғыдан тиімді жеткізуге әлі де жеткілікті арзан емес, LTS құралдарын сұйық гелий температурасына дейін салқындату қажеттігіне қарамастан. Үдемелі өткізгіштер жоғары өрісті ғылыми магниттерде де қолданылады.
Бөлшектерді жеделдетуші және магниттік синтез құрылғылары
Бөлшектерді жылдамдатушылар, мысалы, Ұлкен адрондық коллайдер, көп мөлшерде LTS қажет ететін көптеген жоғары өрісті электромагниттерді қамтуы мүмкін. LHC магниттерін құру үшін бес жыл бойы әлемдік ниобий-титан сымы өндірісінің 28 пайызынан астам бөлігі қажет болды, ал NbTi LHC-тің ірі эксперименттік детекторына арналған магниттерде де көп мөлшерде қолданылды. Дәстүрлі термоядролық реакторлар (JET, ST 40, NTSX U және MAST) мыс блоктарын пайдаланады. Бұл олардың өрістерін 1-3 Тесламен шектейді. 2024-2026 жылдар аралығында бірнеше суперөткізгіш термоядролық реакторлар жоспарлануда. Оларға ITER, ARC және ST 40 станциясының келесі нұсқасы кіреді. Жоғары температуралы суперөткізгіштерді қосу токамактардың жаңа буыны үшін өрістерді бірнеше есе (10-13 Тесла) арттыруға мүмкіндік беруі керек.
HTS-қа негізделген жүйелер
Жоғары температуралық өткізгіштер (ЖТӨ) ғылыми және өндірістік магниттерде, соның ішінде ЯМР және МРТ жүйелерінде қолданылады. Қазір әр санатта коммерциялық жүйелер қолжетімді. Сондай-ақ, ЖТӨ-нің маңызды қасиеті – ол төмен температуралық өткізгіштерге (ТТӨ) қарағанда әлдеқайда күшті магнит өрістеріне төтеп бере алады, сондықтан сұйық гелий температурасындағы ЖТӨ ТТӨ магниттерінің ішіндегі өте жоғары өріс тудыруға арналған элементтер ретінде зерттелуде. Болашақтағы өнеркәсіптік және коммерциялық ЖТӨ қолданыстарына индукциялық қыздырғыштар, трансформаторлар, ақаулық тогын шектегіштер, қуатты сақтау, электр қозғалтқыштары мен генераторлары, термоядролық реакторлар (ITER-ді қараңыз) және магниттік левитация құрылғылары кіреді. Алғашқы қолданыстар кішірек өлшемдерінің, жеңіл салмағының немесе токты жылдам қосу мүмкіндігінің (ақаулық тогын шектегіштер) артықшылықтары қосымша шығындардан басым келетін жағдайларда болады. Ұзақ мерзімді перспективада өткізгіштердің бағасы төмендеген сайын ЖТӨ жүйелері энергия тиімділігі тұрғысынан көптеген салаларда бәсекеге қабілетті болуы керек. (Электр жүйелеріндегі ЖТӨ технологиясының ағымдағы жағдайы және 2-ші буын өткізгіштердің даму деңгейі туралы толық техникалық және АҚШ-ға бағытталған ақпарат алу үшін 2008 жылғы АҚШ Энергетика департаментінің (DOE) жылдық сарапшылардың шолуына жүгініңіз.)
Электр қуатын беру
Holbrook Superconductor Project, сондай-ақ LIPA жобасы деп те аталады, әлемдегі алғашқы өндірістік суперөткізгіштік электр беру кабелін жобалау және салу жобасы болды. Кабель 2008 жылдың маусым айының соңында Лонг-Айленд Энергиялық Басқармасы (LIPA) тарапынан пайдалануға берілді және екі жыл бойы жұмыс істеді. Лонг-Айленд маңындағы электрлік қосалқы станциясы American Superconductor компаниясы өндірген шамамен 159 км (99 миль) жоғары температуралы суперөткізгіш сымнан тұратын жер асты кабель жүйесімен жабдықталады, ол сұйық азотпен салқындатылады, бұл қосымша қуат беруге қажетті шығындарды айтарлықтай төмендетеді. Бұған қоса, кабельді орнату ауа желілеріне қатысты қатаң ережелерді орта жолға қойып, тұрғындардың ауа желілеріне қатысты алаңдаушылықтарын шешуге мүмкіндік берді. Tres Amigas жобасы 2009 жылы шығыс, батыс және Техас тораптары арасындағы электрлік HVDC қосылысын құру мақсатымен ұсынылды. Бұл жоба АҚШ-тың үш қуат желісі арасында бес гигаватт қуатты тасымалдай алатын көп шақырымдық үшбұрышты суперөткізгіштік электр кабельдерінен тұруы керек еді. 2015 жылы шығыс торабы жобадан бас тартқаннан кейін жоба тоқтатылды. Құрылыс басталған жоқ. Германияның Эссен қаласында 1 километрлік әлемдегі ең ұзын суперөткізгіштік қуат кабелі өндірісте. Бұл 10 кВ сұйық азотпен салқындатылған кабель. Кабель 110 кВ-қа тең стандартты кабельге қарағанда кішірек, ал төменгі кернеу кішірек трансформаторлардың қосымша артықшылығын ұсынады. 2020 жылы Германияның Воерде қаласындағы алюминий зауыты 200 кА ток өткізетін кабельдер үшін суперөткізгіштерді пайдалану жоспарларын жариялады, оның артықшылықтары ретінде көлемнің және материалдық талаптың азаюын атап көрсетті.
Магний дибориді
Магний дибориді BSCCO немесе YBCO-ға қарағанда әлдеқайда арзан суперөткізгіш, тоқ өткізу қабілетінің құны (құны/kA*м) бойынша LTS-мен шамалас, және осыған байланысты көптеген өндірілген сымдар мыстан арзан. Сонымен қатар, MgB2 LTS-тен жоғары температурада суперөткізгіштікке ие (оның шығу температурасы 39 K, ал NbTi үшін 10 K-ден төмен, Nb3Sn үшін 18,3 K), бұл оны 10-20 K температурада криоген қажет етпейтін магниттерде немесе, болашақта сұйық сутекте қолдану мүмкіндігін ашады. Дегенмен, MgB2 жоғары температурада көтере алатын магнит өрісінің күшімен шектеледі, сондықтан жоғары өрістік қолдануларда оның бәсекеге қабілеттілігін анықтау үшін қосымша зерттеулер қажет.
Қалпына келтірілген өрістегі магниттер
Үдемелі өткізгіш материалдарды қысқаша магнит өрісіне ұшырату генераторлар сияқты машиналарда қолдануға болатын өрісті тұрақтандыруға мүмкіндік береді. Кейбір қолданыстарда олар дәстүрлі тұрақты магниттердің орнын баса алады.