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.

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.