Supravodivost (1)

Supravodivost (1)

prof. Václav Černý

1. Úvod

Až do roku 1980 byly známy pouze materiály, které pro supravodivý provoz vyžadovaly velmi nízké teploty a musely být chlazeny tekutým heliem nebo dusíkem. Teplota kapalného helia je 4,1 K a označuje se LHe (Liquid Helium). Teplota kapalného dusíku je 77 K a označuje se LN₂ (Liquid Nitrogen). Teplota, při které k supravodivému jevu u jednotlivých materiálů dochází, se označuje jako kritická teplota T_C. Při této teplotě klesá elektrický odpor (rezistance) materiálu téměř na nulu. Při překročení hodnoty kritické magnetické indukce B_C nebo při překročení určité hodnoty kritické hustoty proudu J_C supravodič přechází do normálního rezistivního režimu. Tyto tři parametry, vyznačené na příslušných osách, vymezují tzv. kritický povrch, oddělující supravodivou oblast S s kritickými parametry T_C, B_C a J_C od oblasti normální N (obr. 1). V tab. 1 jsou uvedeny kritické hodnoty T_C některých materiálů.

Tab. 1. Kritické hodnoty některých supravodivých materiálů

Obr. 1. Kritický povrch oddělující supravodivou oblast S s krit. parametry T_C, B_C, J_C od oblasti normální N
Obr. 5. Supravodivý lanovaný vodič SSC GEC ALSTHOM
Obr. 6. Supravodivý kabel Nb3Sn firmy GEC ALSTHOM

Důležitým mezníkem se stal objev tzv. vysokoteplotních supravodičů. V roce 1986 objevili J. G. Bendorz a K. A. Müller ze švýcarských laboratoří IBM keramickou sloučeninu LaBa₂Cu₃O₇, která vykazovala supravodivost při teplotě 30 K. Ve stejném roce další badatelé M. K. Wu a C. W. Chu objevili sloučeninu YBa₂Cu₃O₇, která do supravodivého stavu přecházela při teplotě 93 K, tedy při teplotě vyšší než bod varu dusíku (77,3 K při tlaku 0,1013 MPa). Tím se stalo chlazení podstatně spolehlivější, účinnější a především levnější. Dusík je zatím k dispozici v neomezeném množství, životnímu prostředí neškodí, jeho zkapalňování je levné a jako chladicí médium i hasicí prostředek je pro energetiku velmi vhodný.

Obr. 2. Krystalická struktura sloučeniny Ba₂YCu₄O8 (černé kuličky představují molekuly kyslíku)

Pro aplikace v praxi v energetice bylo vyvinuto a ověřeno několik supravodivých materiálů. Jsou to např. sloučeniny bismut-stroncium-vápník-oxid mědi (BSCCO) a sloučeniny ytrium-barium-oxid mědi (YBCO – např. sloučenina Ba₂YCu₄O₈, jejíž kritická teplota T_C = 100 K). Krystalická struktura sloučeniny Ba₂YCu₄O₈ je na obr. 2.

Supravodivý vodič ze stříbrného pásku (obr. 3), který má uvnitř ve třech vrstvách uložena jádra bismutového typu 2223BPSCCO, vykazuje supravodivost při 110 K. Tento materiál má dobrou zpracovatelnost při velkých délkách, což je podmínkou jeho využití u vinutí a kabelů.

Důležitým parametrem je dovolená proudová hustota, která je u současných materiálů v rozmezí 10 až 40 kA/cm² při teplotě 77 K. Cílové hodnoty byly stanoveny především s ohledem na hospodárnost v rozmezí 60 až 100 kA/cm² při délkách několika stovek metrů.

Obr. 3. Průřez devatenáctivláknového pásku Bi-2223 potaženého stříbrem
Obr. 4. Supravodivý lanovavý vodič NbTi firmy GEC ALSTHOM

2. Supravodivé kabely

Při srovnání s komerčními měděnými kabely je možné supravodivými kabely přenášet až pětkrát větší výkon s podstatně menšími elektrickými ztrátami. Je tak možné snížit napětí sítě ze 440 na 110 kV a přenášet i při tomto sníženém napětí výkon až 1 000 MV·A. Nicméně v důsledku přídavných nákladů na chlazení supravodivých kabelů je přenos rentabilní jen při plném zatížení, protože chlazení musí běžet stále na plný výkon, přestože je přenášený výkon menší. Na obr. 4 je supravodivý lanovaný vodič NbTi firmy GEC ALSTHOM, který je tvořen čtyřiceti prameny o průměru 0,84 mm, jednotlivé vláknové vodiče mají průměr 5 µm. Na obr. 5 je supravodivý lanovaný vodič SSC GEC ALSTHOM, jehož vnější průměr je 0,648 mm, průměr vláken 6 µm, kritický proud I_C > 286 A, kritická indukce B_C = 5,6 T, kritická teplota T_C = 4,2 K. Na obr. 6 je supravodivý kabel Nb₃Sn firmy GEC ALSTHOM v měděné matrici, jehož vnější průměr je 0,765 mm ±5 µm, kritická proudová hustota J_C = 635 ±10 % A·mm^–2, B_C = 12 T, T_C = 4,2 K, ztráty v supravodivé části činí 440 mJ·cm^–3.

(pokračování)