Введение
Технологические применения сверхпроводности включают:
производство чувствительных магнитометров на основе SQUID (сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств),
быстрые цифровые схемы (включая схемы на основе джозефсоновских переходов и технологии быстрого одиночного магнитного потока),
мощные сверхпроводящие электромагниты, используемые в поездах на магнитной подушке, магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерно-магнитно-резонансных (ЯМР) аппаратах, реакторах магнитного удержания для термоядерного синтеза (например, токамаках), а также магниты для управления и фокусировки пучков, используемые в ускорителях частиц,
силовые кабели с низкими потерями,
RF и микроволновые фильтры (например, для базовых станций мобильной связи, а также для военных сверхчувствительных/селективных приемников),
быстродействующие ограничители тока,
высокочувствительные детекторы частиц, включая датчики переходного края, сверхпроводящие болометры, сверхпроводящие туннельные детекторы, детекторы на основе кинетической индуктивности и сверхпроводящие нанопроволочные детекторы одиночных фотонов,
магниты для рельсотронов и электромагнитных пушек,
электрические двигатели и генераторы.
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
Магнитно-резонансная томография и ядерный магнитный резонанс
Наибольшее применение сверхпроводности заключается в создании больших по объему, стабильных и высокоинтенсивных магнитных полей, необходимых для магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это представляет собой многомиллиардный долларовый рынок для таких компаний, как Oxford Instruments и Siemens. В магнитах обычно используются низкотемпературные сверхпроводники (LTS), поскольку высокотемпературные сверхпроводники пока недостаточно дешевы для экономически эффективного создания высоких, стабильных магнитных полей больших объемов, несмотря на необходимость охлаждения LTS-установок до температуры жидкого гелия. Сверхпроводники также применяются в научных магнитах с высокой напряженностью поля.
Ускорители частиц и устройства магнитного синтеза
Ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, могут включать в себя множество электромагнитов с высоким полем, требующих больших объемов низкотемпературных сверхпроводников (LTS). Для создания магнитов БАК потребовалось более 28 процентов мирового производства ниобий-титановой проволоки в течение пяти лет, а также значительное количество NbTi для магнитов огромных экспериментальных детекторов БАК. Традиционные термоядерные установки (JET, ST 40, NTSX U и MAST) используют медные блоки, что ограничивает их магнитное поле до 1–3 Тесла. Планируется создание нескольких сверхпроводящих термоядерных установок в период с 2024 по 2026 год, включая ITER, ARC и следующую версию ST 40. Внедрение высокотемпературных сверхпроводников должно обеспечить увеличение магнитного поля на порядок (10–13 Тесла) для нового поколения токамаков.
Системы на базе HTS
HTS находит применение в научных и промышленных магнитах, включая использование в системах ЯМР и МРТ. Коммерческие системы доступны в настоящее время в каждой из этих категорий. Важной характеристикой HTS является его способность выдерживать значительно более высокие магнитные поля, чем LTS, поэтому HTS при температурах жидкого гелия исследуется для создания вставок с очень высоким полем внутри LTS-магнитов. Многообещающими областями будущего промышленного и коммерческого применения HTS являются индукционные нагреватели, трансформаторы, ограничители тока короткого замыкания, накопители энергии, двигатели и генераторы, термоядерные реакторы (например, ITER) и устройства магнитной левитации. Первоначальные применения будут востребованы там, где преимущества меньшего размера, меньшего веса или возможности быстрого переключения тока (ограничители тока короткого замыкания) перевешивают дополнительные затраты. В долгосрочной перспективе, с падением стоимости проводников, системы HTS должны стать конкурентоспособными в гораздо более широком спектре применений, основываясь лишь на критериях энергоэффективности. (Для получения относительно технического и ориентированного на США обзора текущего состояния технологии HTS в энергосистемах и статуса разработки проводников второго поколения, обратитесь к документу "Superconductivity for Electric Systems 2008 US DOE Annual Peer Review").
Передача электрической энергии
Проект Holbrook Superconductor, также известный как проект LIPA, был проектом по проектированию и строительству первого в мире серийного сверхпроводящего кабеля передачи электроэнергии. Кабель был введен в эксплуатацию в конце июня 2008 года Управлением электроэнергетики Лонг-Айленда (LIPA) и проработал два года. Подземная кабельная система, питающая пригородную электроподстанцию Лонг-Айленда, состоит примерно из 99 миль (159 км) высокотемпературного сверхпроводящего провода, изготовленного компанией American Superconductor и охлаждаемого жидким азотом, что значительно снизило стоимость доставки дополнительной электроэнергии. Кроме того, установка кабеля позволила обойти строгие правила, регулирующие воздушные линии электропередач, и решить проблему обеспокоенности общественности по поводу этих линий. Проект Tres Amigas был предложен в 2009 году как электрический межсистемный линк постоянного тока высокого напряжения между восточной, западной и техасской энергосистемами. Предполагалось создание многомильного треугольного пути из сверхпроводящих электрических кабелей, способного передавать пять гигаватт мощности между тремя энергосетями США. Проект был закрыт в 2015 году, когда Восточная энергосистема вышла из него. Строительство так и не было начато. В Эссене, Германия, находится самый длинный в мире сверхпроводящий кабель передачи мощности, находящийся в производстве – 1 километр. Это кабель на 10 кВ с охлаждением жидким азотом. Кабель меньше по размеру, чем эквивалентный обычный кабель на 110 кВ, а более низкое напряжение дает дополнительное преимущество в виде уменьшенных трансформаторов. В 2020 году алюминиевый завод в Воерде, Германия, объявил о планах использовать сверхпроводники для кабелей, рассчитанных на ток 200 кА, ссылаясь на меньший объем и потребность в материалах как на преимущества.
Диборид магния
Диборид магния значительно дешевле, чем BSCCO или YBCO по стоимости на единицу тока на единицу длины (стоимость / (кА*м)), сопоставим по этому показателю с НТП-сверхпроводниками, и на этой основе многие производимые провода уже дешевле меди. Более того, MgB2 проявляет сверхпроводимость при температурах выше, чем у НТП-сверхпроводников (его критическая температура составляет 39 K, по сравнению с менее чем 10 K для NbTi и 18,3 K для Nb3Sn), что открывает возможность его использования при 10–20 K в криогенных магнитах, не требующих криогенного охлаждения, или, возможно, в будущем – в жидком водороде. Однако MgB2 имеет ограничения по величине магнитного поля, которое он может выдерживать при этих более высоких температурах, поэтому необходимы дальнейшие исследования для подтверждения его конкурентоспособности в приложениях с высоким магнитным полем.
Магниты с задержанным полем
Подвергая сверхпроводящие материалы воздействию кратковременного магнитного поля, можно зафиксировать это поле для использования в машинах, таких как генераторы. В некоторых областях применения они могут заменить традиционные постоянные магниты.