Chương 2: Ứng dụng hiện tượng siêu dẫn Chuyển tải điện năng Đoàn tầu chạy trên đệm từ Tạo ra Máy gia tốc mạnh Máy đo điện trường chính xác Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc Máy quét MRI dùng trong y học 3.1 chuyển tải điện năng Sự phát triển của ngành điện hiện đại, điện vật lý, vật lý năng lượng cao, tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển, công nghệ cao về y học và nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác không thể có được nếu không sử dụng rộng rãi những thiết trí ứng dụng hiện tượng siêu d ẫn. Trong thuật ngữ kỹ thuật, vật liệu siêu dẫn được chia thành hai lo ại: Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp (VSNT) hoạt động ở mức nhiệt độ hêli và các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (VSNC) có khả năng hoạt động ở cấp nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (~ 77 K). Trong số rất nhiều hợp kim và hợp chất VSNT có thể có, sau gần bốn mươi năm tiến hành lựa chọn, người ta đã xác định được hai vật liệu đầu bảng l à hợp kim Nb -Ti được biến dạng và h ợp chất giữa các kim loại Nb3Sn, về nguyên tắc thoả mãn được những đòi hỏi chủ yếu của ngành điện và điện vật lý. Chính các vật liệu Nb -Ti và Nb3Sn tại nhiệt độ làm việc từ 1, 8 đến 8 K thực tế đảm bảo mức yêu cầu trên toàn bộ dải từ trường và mật độ dòng làm việc trong các thiết trí kỹ thuật điện và điện vật lý. Những VSNC chính đang được sử dụng ngày nay là những vật liệu trên cơ sở các hợp chất: Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212); Bi2Sr2Cu2CXu3Ox (Bi - 2223) và YBa2Cu3O7 (Y-123). Các ch ất siêu dẫn trên cơ sở của hợp chất Bi -2212 do nhiệt độ tới hạn tương đối thấp (90 K) không có ý nghĩa để sử dụng ở cấp nhiệt độ sôi của nitơ lỏng. ở các nhiệt độ từ hêli đến hyđrô, chúng có khả năng tải dòng vượt trội hơn các vật liệu nhiệt độ thấp trong các từ trường mạnh (Nb-Ti; Nb3Sn) ở nhiệt độ 4, 2 K. Về kết cấu, dây dẫn Bi -2212 được chế tạo bằng phương pháp "bột tán - trong ống" chủ yếu ở dạng băng (dải) và đôi khi ở dạng các dây xoắn tr ong lớp vỏ bọc bằng bạc hoặc hợp kim bạc. Chất siêu dẫn Bi -2223 khi chế tạo ít đòi hỏi về mặt công nghệ hơn so với Bi -2212, tuy nhiên nhiệt độ tới hạn 107 K cho phép đạt được ở các nhiệt độ của nitơ (~ 77 K) mật độ d òng điện tới 108 A/m2 trong từ trường của dòng điện bản thân nó. Khi giảm nhiệt độ tới 35 K, vật liệu hoạt động hoàn toàn có hiệu quả (mật độ d òng ở mức 108 A/m2) với độ cảm ứng của từ trường đạt tới gần 5 T (tesla). Công nghệ chế tạo tương tự như Bi -2212. Để nghiên cứu triển khai kỹ thuật, người ta sử dụng các phần tử tải dòng trên cơ sở hợp chất Bi -2223 trong vỏ bọc bằng bạc và các dây d ẫn trên cơ sở hợp chất Y -Ba-Cu-O. Dây dẫn compozit trên cơ sở hợp chất Bi -2223 được sử dụng cho dải các trường dưới 0, 5 T ở 77 K. Các vật liệu trên cơ sở hợp chất Y-Ba-Cu-O có kh ả năng làm việc trong trường từ tới 5 T ở 77 K hiện nay đã b ắt đầu được tăng cường nghiên cứu triển khai cho các thiết trí kỹ thuật điện sắp tới, kể cả các bộ tích trữ năng lượng. Đến ngày nay đã tạo ra được công nghệ sản xuất những sản phẩm lớn Y - 123 và các bộ phận bằng bitmut (các phần tử tải dòng hình xuy ến). Đã bắt đầu chế tạo các vật liệu khối lớn, những vật liệu này ở chế độ trường đông lạnh có khả năng cạnh tranh được với các nam châm vĩnh cửu như Nd -Fe-B. Ch ất siêu dẫn trên cơ sở hợp kim Nb -Ti biến dạng Các dây dẫn trên cơ sở các hợp kim Nb -Ti đang chiếm ưu thế trên thị trường vật liệu siêu dẫn toàn thế giới. Các hợp kim của hệ thống Nb -Ti có trị số tối đa về trường tới hạn trên ~ 11 T và nhiệt độ tới hạn ~ 9, 85 K. Thông thường, các chất siêu dẫn Nb -Ti được sử dụng trong các trường 1 - 8 T ở nhiệt độ 4,2 - 4, 5 K. Trong công nghiệp chế tạo, người ta lựa chọn hợp kim Nb -Ti (46 - 48,5% khối lượng). Dây compozit trên cơ sở hợp kim Nb -Ti là compozit chứa các sợi Nb - Ti được phân bố trong ma trận bằng đồng siêu tinh khi ết hoặc hợp kim điện trở trên cơ sở đồng. Trong thành phần compozit có thể có các vật liệu khác được sử dụng để làm các rào khuy ếch tán và điện trở (Nb, Cu-Ni, Cu-Mn). Chuỗi dây compozit Nb -Ti rất rộng, từ các dây đường kính 0,3 - 1, 5 mm v ới 6 - 100 sợi kích thước 25 - 100 mm tới các dây compozit đường kính 0,1 - 0, 25 mm chứa khoảng 106 sợi kích thước 0,1 - 0,5 mm trong ma trận bằng các hợp kim điện trở. Số lượng đáng kể các dây dẫn Nb -Ti đường kính 0,65 - 0, 85 mm với các sợi 6 - 10 mm để chế tạo hệ thống từ của máy gia tốc cần thiết cho sự phát triển của ngành vật lý năng lượng cao. Đến nay, công nghệ chế tạo các chất si êu dẫn Nb -Ti đã khá hoàn thi ện. Mật độ dòng tới hạn đạt được trong sản xuất hàng lo ạt các dây với đường kính sợi 6-10 mm là 3.103 A/mm2 trong trường 5 T. Giá thành các chất siêu dẫn Nb -Ti thuộc cấp này vào khoảng 150 USD /kg. Đối với các thiết trí bằng chất siêu dẫn vận hành ở dòng điện tần số công nghiệp, đã nghiên cứu triển khai các dây dẫn Nb -Ti đường kính 0,15 - 0, 2 mm với mức tổn thất thấp chứa các sợi siêu mỏng đường kính 0,1-0,2 mm được phân bố trong ma trận bằng các hợp kim điện trở Cu -Ni hoặc Cu -Mn. ở tần số 50 Hz và biên độ trường ± 5,5 T, mật độ d òng tới hạn trong các dây d ẫn đó là 2,1-3,3.103 A/mm2, mức tổn thất từ trễ là 1,3-2,9 kW/m3. Giá thành các ch ất siêu dẫn cấp này là trên 1.000 USD /kg (± 0, 5 T ở tần số 50 Hz). Cả mức tổn thất năng lượng tương đối cao ở nhiệt độ 4, 2 K cũng như giá thành vật liệu n ày là nh ững yếu tố kìm hãm sự phát triển các công trình chế tạo VSNT cho các thiết trí kỹ thuật điện vận hành ở tần số công nghiệp. Các nhà sản xuất chính các chất siêu dẫn Nb -Ti trên thế giới là: Oxford Instrument (OST), Outokumpu US, Magnex Ltd, Wang NMR (M ỹ); Alstom Power Conversation (Pháp); European Advanced Superconducters (EAS) Europa Metalli (Ý); Outokumpu Poricopper Oy (Ph ần Lan); Furu - Kawa; Hitachi Cable; Sumitomo; Kobe Steel (Nh ật Bản). Chất siêu dẫn trên cơ sở hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn Để sử dụng trong thực tế ngành điện, người ta cũng quan tâm tới các chất siêu dẫn nhiều sợi trên cơ sở hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn (nhiệt độ tới hạn quá độ chuyển sang trạng thái siêu d ẫn là ~ 18,6 K, có khả năng làm việc trong các từ trường cao với độ cảm ứng từ 20 - 24 T). Thông thường, kết cấu các chất siêu dẫn compozit trên cơ sở Nb3Sn phức tạp hơn so với các chất siêu dẫn Nb -Ti. Theo công nghệ "đồng thanh" dựa trên sự khuyếch tán pha rắn của thiếc từ ma trận Cu -Sn vào các sợi niobi (Nb) trong thời gian dài xử lý nhiệt ở nhiệt độ 600 - 800 oC người ta thu được các dây dẫn kết cấu khác nhau với chiều dài trên 10 km và số lượng sợi tới 2.104. Riêng lớp siêu dẫn với độ dầy cỡ micromét được sắp xếp ở lớp bi ên phân cách giữa sợi niobi và ma trận đồng thanh. Các dây siêu dẫn nhiều sợi được chế tạo theo công nghệ "đồng thanh" có độ ổn định cao về các tính chất si êu dẫn và tổn thất năng lượng từ trễ tương đối thấp. Chú ng có mật độ dòng tới hạn (Jc) tới 900 A /mm2 (12 T; 4,2 K) và mức tổn thất từ trễ (Q) tới 400 mJ /cm3 (± 3 T). Các dây siêu dẫn loại này được các hãng sau đây sản xuất: EAS (trước đây là hãng Vacuumschmelze) ở Đức và Furukawa, Hitachi, JASTEC (trước đây l à Kobe Steel) ở Nhật Bản. Giá thành dây dẫn này tùy theo các đặc tính kỹ thuật, là 600 - 800 USD/kg (12 T; 4,2 K). Các dây d ẫn được chế tạo theo phương pháp nguồn thiếc bên trong có kh ả năng tải dòng cao hơn. Cách đây không lâu, người ta đ ã đạt được những trị số kỷ lục về mật độ dòng tới hạn, khoảng 3.000 A /mm2 trong trường 12 T, nhưng với tổn thất từ trễ rất cao Q ³ 6.000 mJ/cm3. Các hãng áp d ụng công nghệ nguồn thiếc bên trong để sản xuất dây siêu dẫn Nb3Sn là: Mitsubishi Electric, Showa Electric (Nh ật Bản), Oxford Instrument, Outokumpu US, Supergenics (Mỹ) và Europa Metalli (Ý). Mức mật độ dòng tới hạn trong dây compozit được các h ãng nói trên khuyến nghị phụ thuộc đáng kể vào yêu cầu đặt ra đối với mức tổn thất từ trễ của dây dẫn. Thí dụ, khi cần phải đảm bảo tổn thất ở mức £ 250 mJ/cm3 thì m ật độ dòng tới hạn tại tiết diện không có đồng là 750 - 900 A/mm2 (12 T; 4 K). Khi không có các đòi hỏi về tổn thất từ trễ Jc (12 T; 4,2 K) thì mật độ dòng tới hạn có thể đạt tới 2.500 - 3.000 A/mm2. Giá thành ch ất siêu dẫn loại này tới 1.200 USD /kg (12 T; 4,2 K) tùy theo các đặc tính kỹ thuật. Tính giòn tăng cao của hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn là hạn chế đáng kể đối với mức biến dạng cho phép của dây compozit khi chế tạo các cuộn dây. Vì lý do đó trong hàng loạt trường hợp người ta áp dụng công nghệ "Quấn dây - ủ dây", nghĩa là cuộn dây được chế tạo bằng dây "chưa tinh chế", sau đó được ủ bằng khuyếch tán nhiệt. Thời gian xử lý nhiệt bằng khuyếch tán sau khi quấn dây là 60 giờ, ngắn hơn đáng kể so với các công ngh ệ khác. Từ năm 1992, hãng Shape Metal Innovation (SMI) đã chế tạo các chất siêu dẫn theo công nghệ này. Hãng này đã đạt được trị số mật độ dòng tới hạn (Jc) trên 1.500 A /mm2 (12 T; 4,2 K), t ổn thất từ trễ dưới 400 mJ /cm3. Giá thành của chất siêu dẫn loại này lên tới 690 USD /kg (12 T; 4,2 K). Dây siêu dẫn nhiều sợi trên cơ sở hợp chất giữa các kim loại NbJAI ít bị suy giảm về các đặc tính tới hạn dưới tải. Một số hãng Nhật Bản đang nghiên cứu triển khai loại chất siêu dẫn này. Đến nay các h ãng đó mới chỉ chế tạo được trong phòng thí nghi ệm và giá thành hiện nay còn rất cao. Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao thuộc các thế hệ thứ nhất và thứ hai Ngày nay ở các nước phát triển (Mỹ, châu Âu, Nhật) và hàng lo ạt các nước đang phát triển (Trung Quốc, Hàn Quốc) đang diễn ra bước quá độ từ giai đoạn nghiên cứu triển khai sang giai đoạn sản xuất công nghiệp với sản lượng tương đối lớn các vật liệu siêu dẫn kỹ thuật trên cơ sở các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (VSNC) và thử nghiệm chúng với việc chế tạo hàng loạt các thiết trí mẫu kỹ thuật điện ở nhiệt độ cực thấp như cáp điện lực, bộ dẫn dòng, bộ hạn chế dòng, máy biến áp, động cơ và máy phát điện, các hệ thống từ, v.v. Rất nhiều công ty hàng đầu như AMSC (Mỹ), EAS, Trithor (Đức), Sumitomo Electric Industry (S EI), Furukawa, Hitachi (Nh ật), Innova ST (Trung Quốc), có sản lượng dây dẫn VSNC đạt tới 1.000 km mỗi năm. Nhiều dự án xây dựng các xí nghiệp công nghiệp đang được tích cực thực hiện với sản lượng lên tới 20.000 km một năm (AMSC - Mỹ). Khối lượng vốn đầu tư của cả tư nhân, cũng như của nhà nước cho việc nghiên cứu triển khai các công nghệ này ở Mỹ lên tới 100 triệu USD mỗi năm. Cho đến nay, phương pháp chế tạo ho àn chỉnh nhất về mặt kỹ thuật đối với các VSNC ở dạng dây compozit dài là phương pháp "bột tán trong ống". Phương pháp này cho phép dễ dàng thay đổi kết cấu dây dẫn cho các công dụng khác nhau và chế tạo được những dây siêu dẫn liền sợi dài tới vài kilômét (dây VSNC th ế hệ thứ nhất, hoặc dây siêu dẫn 1-G). Những thành công l ớn nhất đạt được trong việc áp dụng phương pháp này thích hợp với việc chế tạo các vật liệu siêu dẫn dạng băng trên cơ sở hợp chất (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3O10-d (Bi-2223). Hợp chất này ở giai đoạn đầu của công nghệ chế tạo được đổ vào ống bằng bạc hoặc hợp kim bạc ở dạng bán thành phẩm bột tán. ở nhiều nước đ ã hình thành việc chuyên môn hóa các hãng sản xuất bán thành phẩm như Nexans Superconductor (Đức), Superconductor Components, Seatle Superconductors (Mỹ), v.v. và về chế tạo, cung cấp thành phẩm - các dây siêu dẫn đoạn dài cho nh ững công dụng cụ thể. Trong số những hãng nổi tiếng trước hết phải kể đến AMSC (Mỹ), Innova ST (Trung Quốc), Sumitomo Electric Industry (Nhật), EAS, Trithor (Đức). Đặc tính các dây dẫn do các h ãng kể trên chế tạo theo các số liệu năm 2005 được trình bày trong bảng 1. Giá của các dây dẫn Bi -2223/Ag cho mức nhiệt độ 77 K sẽ giảm đáng kể vào năm 2010. ở Nga, trong điều kiện cấp kinh phí hiện nay mới chỉ sản xuất thí nghiệm các compozit Bi -2223/Ag. Các compozit VSNC ch ế tạo theo phương pháp "bột tán trong ống " có dòng công tác không cao, bị hạn chế về từ trường ở 77K, và giá thành cao, do vậy người ta nghiên cứu triển khai các compozit đoạn dài trên cơ sở hợp chất Y -Ba-Cu-O trên các phần tử mang - nền đệm (thường là niken và các hợp kim niken) kim loại đoạn dài. Các chất siêu dẫn này mang tên "VSNC thế hệ thứ hai" hoặc các chất siêu dẫn 2-G. . điện vật lý. Những VSNC chính đang được sử dụng ngày nay là những vật liệu trên cơ sở các hợp chất: Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi -22 12) ; Bi2Sr2Cu2CXu3Ox (Bi - 22 23) và YBa2Cu3O7 (Y- 123 ). Các ch ất siêu. hiện tượng siêu d ẫn. Trong thuật ngữ kỹ thuật, vật liệu siêu dẫn được chia thành hai lo ại: Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp (VSNT) hoạt động ở mức nhiệt độ hêli và các vật liệu siêu dẫn nhiệt. này thích hợp với việc chế tạo các vật liệu siêu dẫn dạng băng trên cơ sở hợp chất (Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3O10-d (Bi -22 23). Hợp chất này ở giai đoạn đầu của công nghệ chế tạo được đổ vào ống bằng