Проблема: Получить втсп при 300к с высоким jкр

Эта задача очень сложная

Связана с длиной когерентности СП.

Это вызвано с аномально низким значением

длины когерентности (размер куперовской пары)

оксидных сверхпроводников - 0.2 нм

по сравнению с металлидными НТСП - 2 нм.

Как следствие, граница раздела кристаллитов

в металлических НТСП соизмерима с длиной когерентности

и не являются существенной преградой для тока.

В оксидных ВТСП сверхпроводниках, напротив,

границы зерен сильно ограничивают ВТСП-ток.

Ситуация осложняется тем,

что в силу слоистой структуры ВТСП-фазы анизотропны.

Это приводит к необходимости структурирования материала.

Для фононного механизма образования купер. пар

По теории БКШ механизм перехода в сверхпроводящее состояние

максимальная величина критической температуры не может превышать 40К.

Для реализации КТСП необходим более энергичный механизм (экситонный)

Его предложили Литтл и Гинсбург

Модельный образец такого сверхпроводника

представляет собой металлическую пленку

в слоях диэлектрика или полупроводника.

Электроны проводимости, движущиеся в металле,

отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя

облаком избыточного положительного заряда,

который и приводит к образованию электронной пары («куперовской»).

Итальянские физики-теоретики предсказали,

что допированный бором гидрид графена

может оказаться ВТСП с Т_С около 90 ⁰К

Механизм возникновения сверхпроводимости

в графане описывается теорией БКШ.

Сверхпроводимость фуллеренов и нанотрубок

При обычных условиях фуллерены  являются изоляторами.

Но при допировании ионами щелочных металлов

становятся сверхпроводниками с Т_КР =40K.

Исследователям из из Bell Lab увеличить Т_КР до 54К

Путем внедрения в материал дырок.

Ученые Хьюстонского университета

установили косвенные призники

сверхпроводимости в УНТ при Т> 300К.

Сверхпроводящие кабели - реальные очертания будущей энергетики

. Исторически первыми были получены так называемые ВТСП – кабели первого поколения. Такой кабель представляет из себя серебряную ленту, продольно пронизанную множеством жилок из сверхпроводника состава Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀₊δ. Технология

получения подобных структур включает в себя многократную прокатку и протяжку

серебряных трубок с набитым в них ВТСП - порошком через последовательно

уменьшающиеся отверстия (т.н. экструзия), вследствие которой формируется текстура в

сверхпроводящем материале (OPIT метод, oxide powder in tube). В силу высокой стоимости серебра и ряда особенностей фазы Bi2Sr2Ca2Cu3O10+δ ВТСП – кабели первого поколения не получили повсеместного распространения, хотя в ряде стран (США,

Германия, Япония) они были удостоены внимания.

Поперечное сечение ВТСП-кабеля 1 поколения

Получение ВТСП – кабеля второго поколения. На длинную ленту (до нескольких сот метров) последовательно наносится один или несколько буферных слоев, обладающих двуосной текстурой, затем – слой ВТСП состава YBa2Cu3O7-δ, наследующий текстуру буферного слоя, а сверху – защитный слой.

Существует три основных способа получения текстурированного буферного слоя: IBAD

(ion beam assisted deposition), в котором текстура буферного слоя формируется за счет

бомбардировки поверхности роста направленным ионным пучком; ISD (inclined

substrate deposition), при котором напыление слоя на металлическую ленту производится

под строго определенным углом, и вследствие этого формируется биаксиальная

текстура; RABiTS (rolling-assisted biaxially textured substrate), где в качестве подложки

используется биаксиально текстурированная лента из Ni сплава, получаемая в результате

сложного и многостадийного процесса многократной прокатки сплава.

Схема многослойной структуры, полученной на подложке RABiTS.

Буферный слой, который наносят на ленту, за счет эпитаксиального роста наследует ее текстуру, которую и передает тонкой пленке сверхпроводника. Основная работа в области получения сверхпроводящих кабелей направлена во всем мире на повышение эксплуатационных характеристик получаемых токонесущих элементов и на снижение их себестоимости.

Поперечное сечение ленты RABiTS Внешний вид подложки RABiTS и ленты с нанесенными буферным и сверхпроводящим слоями

На настоящий момент технология RABiTS является одной из наиболее перспективных с точки зрения коммерциализации ВТСП - кабелей 2-го поколения, так как допускает возможность использования недорогих химических способов нанесения буферных слоев. Ведутся работы по получению ВТСП - кабелей по технологии RABiTS с нанесением функциональных слоев методомMOCVD.

Наиболее эффективным способом десятикратного увеличения мощности распределительных сетей (без изменения напряжения в сетях) является замена традиционных силовых кабелей сверхпроводящими.

С другой стороны принципиальное решение задачи уменьшения потерь при передаче электрических сигналов связано с созданием сверхпроводящих кабелей связи.

По конструкции сверхпроводящие кабели выполняются коаксиальными (рис. 1). Внутренний проводник изготавливается из ниобия, внешний из свинца, а изоляция из фторопласта. Сверхпроводящий кабель помещается в трубопровод из нержавеющей стали, меди или алюминия с теплоизолирующим покрытием. По трубопроводу прокачивается хладоагент – жидкий или газообразный азот, водород или гелий, создающий нужную низкую температуру.

Критический ток, который может быть пропущен по кабелю без разрушения сверхпроводимости, тем выше, чем лучше ориентированы зерна сверхпроводника в образце. Таким образом, при получении кабелей необходимо достичь низких углов разориентации зерен в сверхпроводящем материале.

Зависимость плотности критического тока в YBa2Cu3O7-δ от угла разориентации кристаллитов.

Для обеспечения прокачки хладоагента через каждые 10…20 км сверхпроводящего кабеля устанавливаются криогенные станции.

Рис.1. Конструкция сверхпрово- дящего кабеля: 1 – пластмассовая оболочка; 2 – гелиевое заполнение; 3 – стальные трубы; 4 – коаксиальные пары; 5 – держатели

В настоящее время ведутся работы по созданию комбинированных сверхпроводящих кабелей для линий электропередачи и электросвязи, что позволит резко сократить расходы на строительство магистралей. Основное достоинство сверхпроводящего кабеля состоит в малом затухании передаваемых по нему сигналов. Затухание сверхпроводящего кабеля по сравнению с традиционным меньше в 10⁸ раз при частоте 1 кГц, в 10⁶ раз при 1 МГц и 10⁴ раз при 1 ГГц.

Это позволяет организовать передачу сигналов электросвязи на большие расстояния без промежуточного усиления. Весьма существенно и свойство повышенной защищенности от внешних помех.

К недостаткам сверхпроводящего кабеля относится необходимость иметь криогенные станции, стоимость которых высока. В целом затраты на сооружение сверхпроводящей магистральной линии передачи в настоящее время значительно превышают затраты на обычные кабельные линии.