Новые сверхпроводящие провода ускорят развитие термоядерной энергетики

Группа ученых разработала высокотемпературные сверхпроводящие провода, которые способны нести на 50% больше тока, чем предыдущий рекордсмен.

Сверхпроводники, материалы, проводящие электричество без сопротивления, долгое время считались ключом к революционным технологиям. Однако их практическое применение оставалось ограниченным из-за технических сложностей. Новое исследование может изменить эту ситуацию.

Особенно важно, что достижение не потребовало увеличения затрат или усложнения процесса производства. Как утверждают авторы изобретения, новые провода изготавливаются с использованием тех же методов, что и существующие высокотемпературные сверхпроводники.

В отличие от классических сверхпроводников, работающих при температурах ниже 30 градусов Кельвина, высокотемпературные аналоги функционируют при температурах выше 77 К. Это позволяет охлаждать их с помощью сравнительно недорогих криогенных систем на основе жидкого азота.

Преимущества сверхпроводников перед обычными проводниками огромны. Отсутствие потерь энергии при передаче электричества открывает перспективы создания более эффективных электросетей. Кроме того, уникальные свойства сверхпроводников делают их идеальными для применения в мощных электромагнитах.

Потенциальные области применения новых проводов впечатляют. Они могут использоваться в поездах на магнитной подушке, более совершенных аппаратах МРТ, ветряных турбинах с удвоенной мощностью и даже в термоядерных электростанциях.

Они также демонстрируют рекордные показатели по переносу тока в широком диапазоне температур - от 5 до 77 К. При температуре 4,2 К они проводят ток плотностью 190 миллионов ампер на квадратный сантиметр без внешнего магнитного поля. Это на 50% превышает результаты, о которых сообщалось в 2022 году, и на 100% лучше показателей 2021 года.

В условиях, близких к тем, которые предположительно нужны для применения в термоядерных установках (20 К и внешнее магнитное поле 20 тесла), новые провода могут нести ток плотностью около 9,3 миллиона ампер на квадратный сантиметр. В 5 раз больше, чем у современных коммерческих высокотемпературных сверхпроводящих проводов.

Исследователи также добились рекордных значений силы пиннинга - способности удерживать магнитные вихри внутри сверхпроводника. Разработка продемонстрировала силу пиннинга более 6,4 триллиона ньютонов при 4,3 К в магнитном поле 7 тесла.

В основе новых проводов лежит редкоземельный барий-медный оксид (REBCO). Внутри расположены наноразмерные столбики изолирующего, не сверхпроводящего цирконата бария, которые помогают удерживать магнитные вихри, позволяя достичь более высоких сверхтоков.

Результаты исследования были опубликованы 7 августа в журнале Nature Communications. Ученые верят, что их работа приблизит нас к практическому применению сверхпроводников в повседневной жизни и откроет дорогу к новым технологическим прорывам в энергетике, медицине и транспорте.