3.1.1. Ngành công nghiệp điện
a) Truyền tải năng lượng
Hiện nay, các đường dây tải điện siêu dẫn nhiệt độ cao đã được xây dựng ở một số nước tiên tiến như Mỹ, Nhật,…Tải điện bằng cáp siêu dẫn có lợi rất lớn so với đường dây tải điện thông thường. Lợi ích lớn nhất là khả năng tải dòng rất lớn và không bị tổn hao năng lượng trong quá trình tải điện. Các dây siêu dẫn BSCCO sẵn có trên thị trường mật độ dòng điện có thể tới ≈2MA cm/ 2 với chiều dài 800m. Các dây siêu dẫn RBCO được nghiên cứu và triển khai ở vùng nhiệt độ của Nitơ lỏng. Các thí nghiệm về tải đối với băng siêu dẫn BSCCO và màng siêu dẫn YBCO cho thấy mật độ dòng đạt cỡ 10A/ cm2 đảm bảo cho việc đưa vào sử dụng để tải điện năng. Thực nghiệm cho thấy: dây cáp được làm lạnh trong trạng thái siêu dẫn có thể tải dòng lớn gấp ba lần dòng điện trong cáp đồng bình thường với đường kính dây và hiệu điện thế giống nhau. Trước đây, người ta sử dụng Heli hóa lỏng ở nhiệt độ -2690C để làm lạnh, nhưng ngày nay các nhà khoa học đã tạo ra loại vật liệu có thể đạt được tính năng siêu dẫn chỉ với việc làm lạnh bằng Nitơ lỏng, tức là ở nhiệt độ khoảng -700C. Đây là một bước tiến có ý nghĩa kinh tế lớn bởi chi phí sản xuất và làm lạnh Nitơ rẻ hơn so với chi phí này đối với Heli. Hệ thống làm lạnh sẽ tiêu hao một phần năng lượng từ dây cáp nhưng ở mức nhỏ hơn rất nhiều nếu so với lượng thất thoát điện năng khi sử dụng đường dây điện bằng đồng.
Một lợi ích không thể có được ở các dây tải điện bình thường là, khi tải điện trong trạng thái siêu dẫn, không bị mất mát năng lượng do điện trở dây dẫn (nhiệt Jun). Ngoài ra, dùng dây siêu dẫn có thể tải dòng lớn trên một đơn vị diện tích mà hao phí gần như bằng 0. Trong khi đối với dây dẫn thông thường, khoảng 10 15%÷
công suất điện bị tổn hao trên đường dây. Điều này cho phép truyền tải năng lượng điện đến những khoảng cách rất xa mà không tốn kém. Cáp siêu dẫn cũng có thể tải năng lượng địa nhiệt, năng lượng điện Hydro và năng lượng mặt trời, năng lượng lấy từ than đá hoặc năng lượng hạt nhân từ nguồn đến các trung tâm dân cư sử dụng hoặc nơi tiêu thụ.
Hình 3.1. Dây siêu dẫn nhiệt độ cao
Ngoài ra, việc dẫn điện bằng dây siêu dẫn thường được ngâm dưới lòng đất với các thiết bị làm lạnh đặc biệt. Như vậy sẽ giảm hao phí tài nguyên đất và ô nhiễm môi trường.
b) Máy phát điện và động cơ điện siêu dẫn
Việc sử dụng các chất siêu dẫn hoạt động ở mật độ dòng cao trong từ trường lớn dẫn đến làm giảm kích thước, trọng lượng và cải thiện hiệu suất của máy phát điện xoay chiều cỡ lớn. Các chất siêu dẫn thông thường được sử dụng cho các chương trình này là các hợp kim Nb-Ti.
Việc khám phá ra các chất siêu dẫn nhiệt độ cao gây ra sự phấn khích trong cộng đồng khoa học bởi khả năng nâng cao nhiệt độ hoạt động hứa hẹn làm giảm chi phí tài chính và chi phí hoạt động. Các nghiên cứu chỉ ra rằng: Máy phát điện siêu dẫn đã chứng tỏ tính năng tốt, kích thước chỉ bằng một nửa kích thước máy phát điện thường, giá thành rẻ hơn cỡ 40% so với máy phát điện thông thường 300MW; hiệu suất được nâng lên 98- 99%.
Máy phát điện siêu dẫn có dạng giống như các turbin thông thường. Sự điều khiển và hoạt động của máy phát điện siêu dẫn giống như turbin về mặt vật lý. Nhưng sự khác nhau cơ bản là motor siêu dẫn được bao bọc trong một buồng chân không quay tròn. Chất lỏng Nitơ được bơm vào buồng chân không bằng lực hướng tâm để duy trì nhiệt độ của motor ở trạng thái siêu dẫn. Mật độ dòng điện trong cuộn dây có thể đạt được gấp từ 30-100 lần, so với giá trị đạt được với các cuộn dây đồng ở nhiệt độ phòng.
Hình 3.2. Motor siêu dẫn nhiệt độ cao.
Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao, phù hợp cho thế hệ năng lượng phục vụ hoạt động hàng ngày. Nhà máy phát điện lớn sẽ đạt được sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải carbon dioxide đáng kể.
Các động cơ điện cũng được chế tạo sử dụng cuộn dây siêu dẫn cho công suất rất cao, đang được ứng dụng trong các mục đích đặc biệt trong công nghiệp và quốcphòng. Ví dụ năm 1995, phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân Mỹ đã chế tạo motor dùng dây siêu dẫn Bi-2223 với công suất 167 mã lực. Các motor công suất cao đang được chế tạo và đưa vào ứng dụng.
c) Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn (Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES)
Các dao động mạnh của tải hoặc các ngắt mạch diễn ra trên mạng điện dẫn đến việc sụt thế với khoảng thời gian từ một vài ms đến một vài giây. Các nhà máy hiện đại trang bị máy móc chính xác, rất nhạy với điện áp của các ngành công nghiệp như bán dẫn, giấy, cao su và nhựa thì các dao động của mạng điện làm gián đoạn quá trình sản xuất, tăng chi phí tiêu hao. Để bù điện cho nguồn cung cấp, một hệ lưu trữ năng lượng cung cấp công suất cao trong một thời gian ngắn là thích hợp. Hệ lưu trữ năng lượng bằng từ siêu dẫn (SMES) là một lựa chọn do khả năng cung cấp và điều phối điện công suất lớn.
Lưu trữ năng lượng trong vật liệu từ siêu dẫn (SMES- Superconducting Magnetic Energy Storage) đã được theo đuổi từ lâu với công nghệ quy mô lớn vì nó cho phép xả năng lượng tức thời và chu kỳ sạc là vô hạn theo lý thuyết. Tuy nhiên, chi phí vật liệu cho các thiết bị SMES lên rất cao nhưng rất ít ứng dụng. Hiện nay đang có một dự án được tài trợ bởi Bộ Năng lượng Mỹ (DOE- U.S. Department of
Energy) có thể mở đường cho công nghệ SMES cung cấp dung lượng lưu trữ đến megawatt giờ năng lượng. Dung lượng cỡ như vậy ngày càng trở nên cần thiết cho lưới điện nhằm cân bằng cho các gián đoạn từ các nguồn năng lượng tái tạo. SMES là thiết bị lưu trữ điện dưới hình thức từ trường tạo ra bởi dòng điện một chiều chạy qua các dây siêu dẫn. Các cuộn dây siêu dẫn tạo ra trường điện từ kín, mạnh nhưng chỉ cần ít năng lượng để duy trì trường này. Năng lượng được phát ngược ra bằng cách xả các cuộn dây.
Một lợi thế quan trọng mà SMES hơn hẳn các công nghệ lưu trữ năng lượng khác là khả năng tích năng lượng trong vài phút và phóng năng lượng trong vài giây mà không gây ảnh hưởng đến hệ nam châm. Hệ nam châm chính là cuộn dây siêu dẫn được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ TC. Việc tích điện năng vào cuộn dây siêu dẫn phải đảm bảo điều kiện dòng điện I <IC và từ trường cuộn dây H <HC . Ở
trạng thái siêu dẫn, năng lượng lưu trữ trong cuộn dây đối với dòng một chiều không bị tổn hao. Đối với dòng xoay chiều tổn hao không đáng kể. Theo tính toán nhiệt độ hoạt động tối ưu cho SMES trong khoảng 50-77 K nếu dùng siêu dẫn nhiệtđộ cao.
"Nó có thể đi từ trạng thái nạp đầy sang trạng thái xả hết- không có công nghệ nào khác có thể làm được điều đó", phát biểu của ông Cesar Luongo, điều phối viên cao cấp về bộ phận nam châm cho dự án thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế lò phản ứng tại Cadarache của Pháp. Nhanh chóng xả giúp SMES hấp dẫn trong việc nhanh ổn định lưới điện cao áp trong thời gian cao điểm. Điều quan trọng, ABB đang phát triển thiết bị chuyển mạch điện cho phép hệ thống SMES phát năng lượng tăng dần để bù cho lượng điện giảm đi từ các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời.
Trong SMES, năng lượng được sinh ra từ từ trường của cuộn dây siêu dẫn rất lớn được chôn trong lòng đất. Năng lượng được tích trữ trong cuộn dây siêu dẫn và các mạch điện trong hệ thống này không bị tiêu hao.
Năng lượng ở đây không cần chuyển đổi từ các dạng năng lượng khác nhau vào bình chứa. (Ví dụ các dạng năng lượng hóa học, cơ học, nhiệt học,…). Khi cần sử dụng, năng lượng được phóng ra rất nhanh với cường độ rất mạnh. Điều này làm giảm từ trường và giảm năng lượng tích trữ. SMES có hiệu suất đến 97%. Hiện nay,
các nghiên cứu đã chế tạo các SMES có công suất vài ngàn MW đang được triển khai.
Ngoài ra, SMES còn có nhiều ứng dụng trong khoa học quân sự như: năng lượng laser, súng chạy trên đường ray có thể bắn các loại tên lửa tầm xa với tốc độ rất lớn. Có thể sử dụng thiết bị này để phóng các loại máy bay phản lực, tàu vũ trụ, …
Hình 3.3. Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn.
3.1.2. Máy gia tốc hạt (Particle Accelerators)
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 bị ứng dụng hiện tượng siêu dẫn.
Một ứng dụng quan trọng của siêu dẫn nhiệt độ cao là có thể tạo máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc của nguyên tử. Máy gia tốc hạt (máy gia tốc hạt nhân, máy gia tốc hạt cơ bản) là thiết bị sử dụng các năng lượng bên ngoài truyền cho các hạt nhằm tăng vận tốc và năng lượng của hạt chuyển động. Người ta dùng những nam châm cực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn và va đập vào nhau, qua đó nghiên cứu những “mảnh” sinh ra do những va đập mạnh. Người ta gọi đó là “siêu va đập siêu dẫn”. Dựa theo nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một “máy gia tốc cực mạnh” trong đường hầm dài 88 kmở bang Texec để nghiên cứu các hạt cơ bản của vật chất.
Hình 3.3. Máy gia tốc thẳng sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao.
Các máy gia tốc hạt có hai dạng: máy gia tốc thẳng cho các hạt chuyển động theo đường thẳng đến mục tiêu va chạm của chúng, các hạt điện tích được tăng tốc nhờ lực điện mạnh. Máy gia tốc tròn thì hạt điện tích chuyển động theo các quỹ đạo tròn dưới một từ trường đều có hướng vuông góc với vận tốc hạt. Đồng thời nằm trong một hộp hình tròn gồm hai nửa hộp rỗng hình chữ D nối vào một hiệu điện thế xoay chiều. Tất cả đều nằm trong chân không. Khi đó, điện trường xoay chiều giữa hai hình chữ D có tác dụng tăng tốc cho hạt trong quá trình chuyển động. Vận tốc hạt ngày càng tăng lên cùng với bán kính quỹ đạo. Khi động năng của hạt tăng lên đến giá trị đủ lớn thì người ta cho chùm bắn vào một tấm “bia” để tạo ra các phản ứng hạt nhân.
Ở những năng lượng thấp hơn nhiều, các máy gia tốc hạt được sử dụng phổ biến trong y khoa. Liệu pháp hạt được sử dụng trong điều trị ung thư, sử dụng chùm proton năng lượng cao hoặc những hạt khác.
3.1.3. Lò phản ứng nhiệt hạch từ (Magnetic fusion reactors)
Để sử dụng cho các thí nghiệm với lò phản ứng nấu chảy từ. Các nam châm siêu dẫn sẽ giữ plasma ở giữa không trung trong lò phản ứng Tokamak hình bánh răng. Nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể sản sinh ra từ trường lên đến 11T. Trạng thái plasma của khí gas nóng được đưa vào bên trong từ trường. Phản ứng nóng chảy tự xuất hiện khi plasma nóng lên ngưng đọng lại. Vật liệu siêu dẫn không có điện trở, chúng không bị nóng lên, như vậy điện không bị thất tán khi truyền tải.
Ngày nay, người ta sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao làm giảm tổng năng lượng cần thiết để làm lạnh nam châm và đơn giản hóa hệ thống làm lạnh. Một ví dụ là khả năng điều chỉnh được sự tổng hợp nhiệt hạch thường xuyên xảy ra trong mặt trời từ hơn bốn tỷ năm qua. Ðó là lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế ITER
(International Thermonuclear Experimental Reactor) đang được xây dựng ở Cadarache miền nam nước Pháp để nghiên cứu việc sản xuất năng lượng sạch. Dự án quốc tế khổng lồ này là sự hợp tác giữa Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và Liên Bang Nga. Lò ITER dùng từ trường siêu dẫn cực kỳ mạnh để giam hãm plasma hạt nhân nguyên tử, điều kiện tiên quyết để khởi động sự tổng hợp nhiệt hạch. Khoảng 15000 tấn dây siêu dẫn Nb Sn3 sẽ được dùng cho dự án này. Vì nguồn nhiên liệu hóa thạch thông thường và cả nhiên liệu dùng cho phản ứng phân hạch chỉ tồn tại trong một vài trăm năm nữa nên việc sử dụng nhiên liệu Đơtrium từ nước biển cho các phản ứng nhiệt hạch là cực kỳ quan trọng do nguồn liệu gần như là vô tận.
Một ứng dụng vô cùng quan trọng nữa là khả năng giữ được trạng thái thứ tư của vật liệu- trạng thái plasma của siêu dẫn. Chúng ta biết rằng phản ứng nhiệt hạch (Thermonuclear reactions) với khả năng tạo ra một năng lượng khổng lồ, năng lượng được tạo ra do phản ứng nhiệt hạch từ một gam D-T tương đương với năng lượng từ 10000 lít dầu. Ở trạng thái plasma với thành phần chủ yếu là Hidro và Heli với nhiệt độ khoảng 60000C sẽ không có loại vật liệu nào có thể giữ, khống chế được nguồn năng lượng này. Với khả năng ưu việt của chất siêu dẫn, các ion và electron quay xung quanh các đường từ trường tạo ra một áp lực tử vô cùng lớn có thể giữ được trạng thái plasma trong các lò phản ứng hạt nhân.
Khác nhau cơ bản của các nam châm siêu dẫn so với các nam châm điện làm lạnh bằng nước thông thường là khả năng tạo từ trường cực mạnh, đồng nhất và khá ổn định bằng việc sử dụng nguồn nguyên liệu có sẵn trong phòng thí nghiệm. Việc đòi hỏi công suất thấp và chất lượng từ trường được cải thiện là hiệu quả của tính siêu dẫn, dẫn đến việc ứng dụng rộng rãi các nam châm siêu dẫn trong nhiều lĩnh vực khoa học.
3.2. Ứng dụng hiệu ứng Meissner: Hiệu ứng nâng
Đặc tính quan trọng của chất siêu dẫn là từ trường trong lòng chất siêu dẫn bằng không. Điều này có nghĩa là, nếu đặt một từ trường ngoài vào chất siêu dẫn, các đường sức từ bị đẩy ra ngoài chất siêu dẫn. Do hiệu ứng này, ta đã biết, một nam châm có thể nổi lơ lửng trên mặt chất siêu dẫn. Người ta đã ứng dụng tính chất này để chế tạo những thiết bị như ôtô điện, giá đỡ từ, động cơ không tiếp xúc,…
3.2.1. Ôtô điện (Electric Automobils)
Người ta chế tạo các motor siêu dẫn dựa trên cơ sở của hiệu ứng Meissner. Tính chất của các motor siêu dẫn là gây nên sự đẩy các đường từ thông. Sức đẩy
này sử dụng để lái rotor trong motor điện. Các motor siêu dẫn rất rắn chắc và có kích thước cỡ 1/3 kích thước motor thường. Sự mất mát dòng trong motor siêu dẫn ước tính giảm đi cỡ 50% so với motor thường. Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng cả trong công nghiệp sản xuất ôtô, các loại bơm, quạt, các máy thổi, các máy cơ khí, máy nghiền và rất nhiều phương tiện khác.
Có thể sử dụng motor siêu dẫn cho các ôtô điện và máy kéo. Điện năng được tích trữ trong bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn, thiết bị được lắp đặt trên các phương tiện truyền tải. Các ôtô và máy kéo này chạy êm, hiệu suất năng lượng cao và không làm ô nhiễm môi trường. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao ở nhiệt độ phòng trong tương lai sẽ làm tăng hiệu quả và giá thành cho ứng dụng này.
3.2.2. Tách chiết từ (Magnetic Separation)
Hình 3.4. Bộ lọc sóng micro bằng siêu dẫn nhiệt độ cao.
Tách lọc từ là phương pháp tách chiết các thành phần tạp chất xác định nào đó ra khỏi hỗn hợp của nó. Do sự khác nhau về các tính chất từ của các thành phần