Szupravezetők a mindennapokban

Átírás

1 Szupravezetők a mindennapokban Szupravezetők az elektrotechnikában Jelen és jövő Dr Vajda István egyetemi tanár Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék, Supertech Laboratórium

2 Szupravezetés

3 Mire jó a szupravezető? Különleges vezető

4 Mire jó a szupravezető? Különleges mágnes

5 Mire jó a szupravezető? Különleges mágnes

6 Szupravezetés Ma hozzuk létre a holnapot!

7 1 Szupravezetős Nobel-díjasok

8 Nobel Díjasok Szupravezetős Nobel-díjasok Rövid történeti áttekintés Elektrotechnika, BME VIK 2012

9 2 A szupravezetés jelensége

10 1877 folyékony oxigén 1898 folyékony hidrogén 1908 folyékony hélium 1911 szupravezetés 1913 Nobel Díj Heike Kamerlingh Onnes

11 Elméletek a fémek ellenállásáról

12 A szupravezetés felfedezése H. Kamerlingh Onnes fedezte fel 1911-ben a LHe-n végzett első kísérletei során. Tiszta Hg-on végzett mérései feltárták, hogy az ellenállás 4.2K-en zérusra csökkent ben megállapította, hogy a rezisztív állapot elég nagy mágneses terekben illetve nagy áramok esetén visszaáll. 1913

13 A kritikus tér hőmérséklet-függése A kísérleti tapasztalat: H c ( T) H c, 0 1 T T h ( t) 1 t c c 2 2 Kritikus tér Silsbee: ha létezik kritikus tér, akkor az áramnak is létezik kritikus értéke: I C

14 A szupravezető elemek Li Be Na Mg Al K Ca Sc Ti Rb Sr Y Zr Cs Ba La V Nb Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Mo (Niobium) Hf Ta W 0.12 Nb T c =9K H c =0.2T T c (K) B T=0 (mt) Tc Re Ru Os Rh Ir T c és B c általában kis értékek. Fe (iron) T c =1K (at 20GPa) Pd Ag Cd Pt Au Hg B C N O F Ne Ga In Tl Si P S Cl Ar Ge As Se Br Kr Sn Pb Legjobban vezető fémek általában nem-szupravezetők Sb Te I Xe Bi Po At Rn A mágneses elemek általában nem szupravezetők...így tudtuk 2001-ig

15 Kritikus hőmérséklet (K) Szupravezető ötvözetek és oxidok 160 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 (under pressure) HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 TlBaCaCuO BiCaSrCuO YBa 2 Cu 3 O 7 Folyékony nitrogén hőmérséklet (77K) Hg Pb Nb NbC NbN Nb 3 Sn NbN V3Si 3 (LaBa)CuO Nb 3 Ge

16 Valóban nincs ellenállása a szupravezetőnek? Meghatározható-e a szupravezető ellenállásának felső korlátja? Ez például úgy lehetséges, hogy áramot hozunk létre egy zárt szupravezető gyűrűben. Az áram által létesített mágneses tér időbeni változása mérhető. i B(t) i(t) i(0)e (R /L)t A több mint két évig tartó mérés azt mutatta, hogy sc m!! B

17 Szupravezető = Ideális villamos vezető

18 Szupravezető (I. Típus) = ideális diamágnes

19 A Meissner-effektus Az eddigiekben tárgyaltak ideális vezetőre és a szupravezetőre egyaránt vonatkoztak ban Meissner és Oschenfeld olyan felfedezést tette, ami alapján feltárult és két vezetési állapot közötti különbség: A Meissner Effektus A szupravezető a minta belsejéből az teljes fluxust kiszorítja.

20 Az ideális vezető viselkedése

21 A Meissner-effektus

22 Miért zérus az ellenállás? Cooper-párok Prof. Vajda István: Szupravezető anyagok és alkalmazásaik

23 Szupravezetők osztályozása #1 AHS KHS MHS SzHS Fémes Példák: NbTi, Nb 3 Sn Fémes Példa: MgB 2 Kerámia Példák: YBCO, BSCCO??? T c, max = 23,2 K T c, max = 39 K T c, max = 138 K Nincs elméleti korlát (USO) Elméleti: < 30 K T c 40 K Elméleti: > 30 K Hűtés nélkül (?) Gyakorlati Gyakorlati T c, határ < 77 K T c, határ > 77 K

24 Szupravezetők osztályozása #2 Típus Állapot Feltétel Megjegyzés I. típus Meissner állapot B < B c London-féle behatolási mélység Normál állapot B c < B II. Típus Meissner állapot B < B c1 Ideális: pinning-mentes Kevert állapot B c1 < B < B c2 Nemideális: pinningelt Normál állapot B c2 < B

25 3 Lebegtetési kísérletek

26 Az alkalmazott szupravezetők és állandó mágnesek 25,4 mm YBCO lebegtető 36 mm NdBFe állandó mágnes

27 Lebegtetési kísérlet #1 ZFC = Zero Field Cooled (mágneses tér mentes hűtés) ZFC lebegtetés

28 Lebegtetési kísérlet #2 Stabil pozíció keresése

29 Lebegtetési kísérlet #3 FC = Field Cooled (hűtés mágneses térben) FC felfüggesztés, a fluxus befagyasztása

30 Lebegtetési kísérlet #4 Felmelegedés (S N átmenet folyamata)

31 4 II. Típusú szupravezetők

32 Ideális II. típusú szupravezető Ideális, szennyeződésektől és rácshibáktól mentes homogén anyagi minőségű (ideális) II. típusú szupravezetőkben az örvényrács szabadon mozoghat.

33 A fluxus-kvantum A mágneses tér a szupravezetőbe ún. fluxus-örvények (fluxusszálak, örvények) formájában hatol be. Minden egyes fluxus-szál ugyanakkora fluxust tartalmaz, az ún. fluxus-kvantumot, amelynek értéke f 0 h/2e = Vs, ahol h a Planck-állandó, e az elektron töltése.

34 Pinning Inhomogén, nemideális II. típusú szupravezető anyagban a fluxusszálak rögzítődnek az inhomogenitásokon. Az inhomogenitások neve pinning-centrum, a fluxus-szálak rögzítődése ezeken a pinning-centrumokon pinning néven ismert. Fluxuskvantum Pinning: akadályozza a tér behatolását A mágneses tér eloszlása Kritikus áramsűrűség

35 Pont-típusú pinning-centrum A normál magra ható vonzóerő B Pontszerű hiba j

36 A véletlenszerű pinning problémája kollektív pinning véletlen pontszerű pinning-centrumokon vortex A pinning-erők összege zérus az egyenes örvényszálon Effektív pinning meghajolt örvényszálon

37 A mágneses tér behatolása a szupravezetőbe: első mágnesezés (video felvétel)

38 A mágneses tér behatolása a szupravezetőbe: átmágnesezés (video felvétel)

39 II. Típusú szupravezetők mágneses viselkedése 4pM, G M 1 0 H H e dx Mágnesezési görbe (mért)

40 II. Típusú szupravezetők (MHS) villamos karakterisztikái (E-J görbe) MgB 2 huzal YBCO gyűrű

41 II. Típusú szupravezetők kritikus felülete Áramsűrűség, A/cm 2 Kritikus felület Hőmérséklet, K Mágneses tér, T

42 A lebegtetési kísérlet magyarázata Mágneses erővonalak Lebegtetés Állandó mágnes Pinning centrumok MHS tárcsa (levitátor)

43 A szupravezető mint Különleges mágnes

44 Ember lebegtető

45 Lebegtetett jármű (kismodell)

46 5 Az alacsony hőmérséklet előállítása

47 Forráspontok és párolgáshők Hűtőanyag T forrás [K] T min ~ T max [K] p min ~ p max [torr] h L [J/cm 3 ] Hélium ~ ~ Hidrogén ~ ~ Neon ~ ~ Nitrogén ~ 80 (!) 109 ~ Oxigén 90,18 55 ~ 94 (!) 1.4 ~

48 A hűtés teljesítmény-igénye Szobahőmérséklet = 1x K. Salama, Lecture notes at ASSE 2004

49 A hűtés hatásfoka (fajlagos hűtőteljesítmény) Hűtőgép hatásfoka T alacsony, K 1 W teljesítmény (alacsony hőmérsékleten) elszállításához szükséges hűtőteljesítmény = 100 % = 20 % Tipikus 4,2 K 1000 W K 125 W 77 K 6-10 W

50 Az elektrotechnikai gyakorlatban alkalmazott szupravezetők Anyag T c Alak Nb-Ti 9 K Huzal Nb 3 Sn 18 K Huzal MgB 2 39 K Huzal és tömb YBCO 93 K Szalag és tömb BSCCO 110 K Szalag és tömb

51 6 A szupravezetős elektrotechnikai alkalmazásokok osztályozása

52 Az elektrotechnikai alkalmazások osztályai 1. Az előállított mágneses tér nagysága alapján 2. Az áramnem alapján 3. Az alkalmazások jellege alapján

53 1. Az előállított mágneses tér nagysága alapján Nagy mágneses terű (high field, HF), > 1 T alkalmazások, úgymint generátorok, motorok, fúziós erőművek, magnetohidrodinamika (MHD) és mágneses energiatárolás; Kis mágneses terű (low field, LF), < 1 T alkalmazások, úgymint erősáramú kábelek, transzformátorok, áramkorlátozók.

54 2. Az áramnem alapján Egyenáramú (DC) alkalmazások, úgymint gerjesztő tekercsek, egyenáramú kábelek, homopoláris gépek; Váltakozóáramú (AC) alkalmazások, úgymint váltakozóáramú kábelek, armaturatekercselések, transzformátorok, áramkorlátozók, stb..

55 3. Az alkalmazások jellege alapján Versenyző alkalmazások, amelyeknek létezik hagyományos, nem-szupravezetős megoldása (alternatívája, variánsa), a szupravezetős megoldás a hagyományos alternatívánál jobb műszaki paraméterekkel (tipikus példák a nagyobb hatásfok, kisebb méret és súly) és versenyképes árral kell rendelkezzen; versenyző alkalmazásokra példák a generátorok, transzformátorok, kábelek. Résekbe illeszkedő alkalmazások, amelyeknek legalábbis az ipari gyakorlatban nem létezik hagyományos, nemszupravezetős alternatívája. A szupravezetős megoldás olyan rést tölt be, amely hagyományos módon lényegében nem megoldott. Résekbe illeszkedő megoldásokra példák a mágneses energiatároló, a stabilis passzív mágneses csapágyazás, illetve az ilyen csapágyazású energiatároló lendkerék, az áramkorlátozó, továbbá az igen nagy mágneses terek előállítása..

56 7 Szupravezetős elektrotechnikai alkalmazások Piacközeli prototípusok

57 Az alkalmazások áttekintése A szupravezetők előnyei Nagy áramok veszteségmentes vezetése Nagy hatásfok (csökkent CO 2 emisszió) AC Veszteségek minimalizálhatók Kis méret és súly Nagyon nagy áramsűrűségek csökkentik a méretet és súlyt Alacsony hőmérsékletű üzem Környezeti szigetelés Olajmentes - környezetkímélő Állandó hőmérséklet nagyobb élettartam Új, növelt funkciójú eszközök lehetősége DE: Komplex technológia Az MHS gyártása ma még korlátozott Költséges Az eszközök megbízhatósága még nem kellően bizonyított Elektrotechnika, BME VIK 2012

58 Zárlatiáram-korlátozók MHS Zárlati Áramkorlátozók Dr. Vajda István: Szupravezető anyagok és alkalmazások Elektrotechnika, BME VIK 2012

59 SLIMFormer Pilot Plant SuperTech

60 A 100 kva Pilot Plant vázlatos rajza Transzformátor Zárlatiáram-korlátozó Induktív terminál Szobahőm és Alacsonyhőm között

61 A komponensek

62 Az összeállított Pilot Plant (SuperTech Lab)

63 Korlátozó üzemállapot

64 Lendkerekes energiatároló rendszer SuperTech

65 Lendkerekes energiatároló rendszer

66 Lendkerekes energiatároló rendszer

67 Motorok és Generátorok Dr. Vajda István: Szupravezetők a mindennapokban, Forgógépek Pécsi Expo, február 24.

68 Szupravezetős hajóhajtó rendszerek

69 Szupravezetős eszközök a szélenergia felhasználására

70 Egyéb alkalmazások

71 BSCCO huzalos áramhozzávezetések Copper end cap warm end HTS panel Including stacks Copper end cap cold end Warm end To water cooled power cable Heat exchanger Screw contact Copper transitions Space for HTS module Soldered contact Clamp contact To busbar HV insulator

72 Orvosbiológiai alkalmazások: MRI magnets 0.2 T BSCCO MHS mágnes MRI

73 Orvosbiológiai alkalmazások: MgB2 MRI mágnes

74 AHS MAGLEV, Japan

75 Fúziós reaktor (TOKAMAK) ITER + 13,5 T - 12 T 12 T

76 Integrált szupravezetős rendszerek Teljesen szupravezetős rendszerek Tekintsünk a jövőbe! Elektrotechnika, BME VIK 2012

77 Szupravezetős mini/mikroerőmű SuperTech

78 Szupravezetős mikro/minierőmű vázlata Megújulók alkalmazása energiatárolást igényel Legtöbbször kis helyigénnyel A környezet védelme Kisebb méret, súly Kevesebb anyagfelhasználás Csökkentett szennyezés

79 A megújulókon alapuló mikroerőmű vázlata Villamos energia konverter Szupravezetős minierőmű energiatárolással nagyford. generátor Villamos generátor melegvíz tároló Villamos generátor gázturbina gázmotor Hőenergia energiafű depónia gázgenerátor hőszivattyú biomassza talajhő geoterm Elkészülő minta rendszer