Корреспондент STRF.ru побывал в подольском филиале ОАО «Всероссийского научно-исследовательского института кабельной промышленности» (ВНИИКП) и выяснил современное состояние и перспективы производства российских сверхпроводящих кабелей.

Важность сверхпроводящих технологий для страны отмечена на самом высоком уровне. В прошлом году в послании Федеральному собранию президент России напомнил, что страна теряет гигантские объёмы энергии при её передаче. И сверхпроводящие технологии — в будущем — призваны сократить эти потери и кардинально преобразовать сферу производства, передачи и использования электроэнергии. Так, сверхпроводящие высоковольтные кабели могут передавать значительно большие мощности при том же объёме, что и обычные.

Сегодня в мире и, в частности, в России развивают различные технологии сверхпроводящих кабелей. Их используют как в сверхпроводящей электроэнергетике, так и в самых разных других устройствах с такими же свойствами.

Во-первых, созданы низкотемпературные сверхпроводящие кабели (НТСП) различного назначения, с рабочей температурой в единицы K. В качестве хладагента к ним используют жидкий гелий. НТСП-кабели применяют в сверхпроводящих магнитах, в том числе в магнитах ускорителей элементарных частиц. Сложнейшие «НТСП-кабели-в-оболочке» используют для создания огромных магнитов с сильными магнитными полями. В частности, для магнитов международного термоядерного реактора ITER.

Во-вторых, разработаны силовые сверхпроводящие линии на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Сейчас выпускают ВТСП двух поколений. К первому относят сверхпроводящие ленты в матрице из серебра или сплава на его основе. Второе поколение сверхпроводников (ВТСП-2) представляет собой тонкое сверхпроводящее покрытие на ленте-подложке. ВТСП-2 имеют наименьшие потери, но пока дороги в производстве. В обоих случаях хладагентом может быть жидкий азот, криогенные системы на нём намного дешевле, чем на жидком гелии, да и сам азот дёшев и доступен.

Один из лидеров работ в области сверхпроводимости в России — ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности» (ВНИИКП). Образованный в 1947 году, он стал головной организацией по разработке и созданию практически всех видов кабелей и проводов в СССР. Это касалось и работ в области сверхпроводимости — отделение сверхпроводящих проводов и кабелей ВНИИКП было организовано в 1967 году. Оно остаётся ведущим исследовательским центром любых видов сверхпроводящих проводов и кабелей в России. С января 2010 года отделение возглавляет доктор технических наук Виталий Высоцкий, ранее работавший в лаборатории физических исследований и разработок и занимавшийся высокотемпературными сверхпроводниками. Однако своим современным состоянием отделение обязано и доктору технических наук Виктору Сытникову. «Всё, что есть помимо голого сверхпроводящего исходного провода (как низкотемпературного, так и высокотемпературного), делалось здесь, в этом отделении, ещё во времена СССР и делается сейчас», — говорит Виталий Высоцкий.

Виталий Высоцкий

Сейчас среди проектов отделения сверхпроводящих кабелей и проводов ВНИИКП выделяют два. Во-первых, разработанная и изготовленная крупнейшая в Европе 200-метровая кабельная линия (ВТСПК-20–1500) с номинальным напряжением 20 кВ и передаваемой мощностью 50 МВА, прошедшая в декабре 2009 года приёмочные испытания. В 2011—2012 годах эта линия будет установлена на московской подстанции «Динамо» для опытной эксплуатации. Перед этим проведут её интенсивные испытания на специальном полигоне в московском Научно-техническом центре электроэнергетики.

Второй проект связан с созданием НТСП-кабелей для обмоток тороидальных и полоидальных магнитов проекта ITER. Сверхпроводящие жилы для них из сплава NbTi и интерметаллида Nb3Sn производят теперь на Чепецком механическом заводе (ЧМЗ) в Глазове (Удмуртия), а затем отправляют во ВНИИКП. Там их покрывают хромом или никелем, скручивают, кабель помещают в нержавеющую трубу и обжимают. ЧМЗ до 2013 года планирует произвести 170 тонн сверхпроводящих материалов для ITER — Россия поставляет обмотку двух из шести полоидальных катушек и 20 процентов обмотки тороидальных катушек ITER. Соответственно, без работы в ближайшие годы ВНИИКП не останется.

Основная наша задача, наш кормилец и поилец — проект международного термоядерного реактора ITER,

— признаётся Виталий Высоцкий. — Там используются очень сложные огромные низкотемпературные сверхпроводящие кабели. Работа эта финансируется отдельной строкой в госбюджете. Деньги мы получаем через “Росатом”, Курчатовский институт и домашнее агентство ITER. В 2009 году речь шла о 75 процентах нашего бюджета, в 2010-ом — это 95 процентов. Потому что в прошлом году у нас был ВТСП-кабель, а в этом году у нас пауза. “200 метров” мы сделали, а что дальше — переговоры ведутся, мы ждём окончательных решений». По его словам, раньше второй половины года вряд ли будет что-нибудь запланировано. Поэтому сейчас «высокотемпературная группа» занимается интересными исследовательскими работами по заказу американцев. В отделе сейчас — около 80 человек. Большая часть персонала занята производством. Существует и исследовательская лаборатория, которой в своё время заведовал Высоцкий. «Теперь я заведую всем», — объясняет он.

Трёхфазная кабельная линия длиной 200 метров, прошедшая в декабре приёмку, была создана командой под руководством коллектива Энергетического научно-исследовательского института им. Г. М. Кржижановского и непосредственно изготовлена в ОАО «ВНИИКП». Токовые вводы разработаны в МАИ им. С. Орджоникидзе совместно с ВНИИКП, также в МАИ придумана оригинальная криогенная система. Каждая из фаз кабеля изготовлена из двух слоёв ВТСП-провода первого поколения марки DI-BSCCO производства японской фирмы Sumitomo. Экран ВТСП-кабеля — сверхпроводящий из одного слоя того же сверхпроводника. Фазы кабеля размещены в гибких криостатах компании Nexans (Германия).

Что касается самой приёмки, то, по словам Виталия Высоцкого, она была очень короткой — просто убедились, что кабель работает: «Грубо говоря, захолодили, ввели ток, за сутки передали мощность. Проверили высоковольтную изоляцию — держит. Это минимальное испытание. Сейчас мы планируем новые: составляется программа дополнительного финансирования на более длительные испытания. Мы уже попробуем гораздо больше вещей — и более длительную передачу энергии, и другую криогенную систему, и более жёсткие испытания с перегрузкой, повышением тока».

На вопрос, какое место такая сверхпроводящая линия занимает в системе энергоснабжения, Высоцкий отвечает: «Как сейчас работает энергосистема? Есть генератор. Он производит напряжение порядка 20 киловольт. Это напряжение подстанция повышает с 20 до 110. Потом воздушная линия, самая дешёвая (по дешевизне с ней сравниться никто не может), передаёт их в город. Вы видели, Москва окружена подстанциями и опутана воздушными линиями. Дальше 110 киловольт понижают до 20, а потом передают потребителю. Это огромные затраты — на передачу и на площадь. Воздушные линии тоже занимают довольно большую территорию. И в городе их никто видеть не хочет. Что можем сделать мы?

Мы берём эти 20 киловольт и ту же самую мощность передаём на 20 киловольтах напрямую, убирая и подстанции, и воздушные линии. Это колоссальная финансовая выгода.

Но её надо рассчитывать для конкретного места. То есть пока сверхпроводящие кабели — это не массовое производство. Это вещь, внедрение которой нужно прорабатывать для конкретного места и потребителя». В качестве примера он приводит строящийся деловой район «Москва-сити», который будет потреблять огромную мощность, при этом провести там воздушные линии не представляется возможным. Понадобится вооружиться множеством обычных наземных кабелей, охлаждать их — прокладывать в каналах, которые ещё придётся вырыть. А сверхпроводящий кабель производства ВНИИКП может передать при тех же габаритах мощность в 3—9 раз большую, чем обычный.

Виталий Высоцкий уверен: при определённых условиях (особенно при больших передаваемых мощностях) экономическая выгода от сверхпроводящих кабелей есть. Также он уточняет: «Пока мы ведём речь не об экономике, а о наработке опыта, применении и внедрении кабелей. Энергосистема — это одна из самых консервативных вещей в мире. Никто не хочет, чтобы прерывалась подача энергии.

Сверхпроводящие кабели — вещь абсолютно новая. Нам ещё нужно доказать, что она надёжная, полезная. Именно этим мы сейчас занимаемся»

Самая мощная сверхпроводящая кабельная линия в мире — проект Long Island Power Authority (LIPA) — проложена в США, в штате Нью-Йорк, по просеке поперёк острова Лонг-Айленд, в районе типичной плотной американской загородной застройки, в условиях, когда негде проложить ни дополнительную воздушную линию, ни обычные кабели. Проект там ещё не вышел на свою полную рекордную мощность (574 МВА), ведутся испытания, выявляются и устраняются проблемы — например, из-за шума от криогенных систем, пришлось вдоль линии высаживать ряды деревьев.

Что же мешает распространению менее мощных и уже освоенных в производстве сверхпроводящих кабелей, которые выпускает ОАО «ВНИИКП»? Кажется, в районах с плотной инфраструктурой недостатка нет и в России. В том числе, и в строящихся, если уж обратиться к модной теме инновационного центра в Сколково. По словам Виталия Высоцкого, ВНИИКП готов к производству, и речь может идти даже о кабелях длиной в 1—1,5 км. Мешает только одно: отсутствие заказчиков. ВТСП-кабель — вещь недешёвая. Есть ли у неё экономические перспективы? Во ВНИИКП на этот вопрос отвечают утвердительно, правда, с одной оговоркой — при достаточно высоких уровнях передаваемой мощности.

Дороговизна ВТСП-кабелей складывается из стоимости охлаждающей системы и самого кабеля. Высокотемпературный сверхпроводник пока что довольно дорог, хотя и требует сравнительно дешёвого охлаждения жидким азотом. А низкотемпературный — достаточно дёшев (дешевле меди), но ему нужно дорогое гелиевое охлаждение.

Капитальные затраты на установку сверхпроводящих кабелей значительны, а эксплуатационные — минимальны По словам Высоцкого, экономика «складывается» пока ещё не в нашу пользу, хотя идёт тенденция к удешевлению. Проблем с международными криогенными системами нет, а те, что были с отечественными, уже решены. «А дальше — только одно: нужны вам кабели, господа? Пожалуйста — они стоят столько-то!» — восклицает он.

Тенденция к удешевлению напрямую связана с ВТСП второго поколения — сверхпроводящими покрытиями микронной толщины на буферном слое поверх ленты-подложки. Мировые лидеры в их производстве — американские компании Super Power и American Superconductor, уже создавшие ленты длиной более 1 км с критическим током около 300 А на 1 см ширины. Российские производители тут пока не могут чем-либо похвастаться. Недавно созданная дочерняя «Росатому» корпорация «Русский проводник» планирует получить образцы ВТСП-2 длиной до 10 метров в 2010 году. Таким образом, ВНИИКП работает сейчас с зарубежными образцами ВТСП-2.

Преимущества ВТСП-2 просты. Ленту ВТСП-1 непременно нужно помещать в матрицу из серебра или сплава на его основе. По оценке заведующего лабораторией физических исследований и разработок отделения сверхпроводящих кабелей и проводов ВНИИКП Сергея Фетисова, серебро уже сейчас составляет до двух третей стоимости кабеля — сам сверхпроводник дёшев. А вот кабель ВТСП-2 серебряной матрицы не требует, его удорожает только сложная технология производства, но она постепенно дешевеет. Кроме того, ВТСП-2 имеет иные потери энергии — по оценке Сергея Фетисова, меньшие в 2—10 раз. Через несколько лет, по мере «взросления» и удешевления технологии, можно ожидать широкого распространения кабелей ВТСП-2. Их опытная эксплуатация уже идёт — так, в 350-метровом кабеле ВТСП-1 в Олбани (штат Нью-Йорк, США) была проверена в действии 30-метровая вставка ВТСП-2.

В России перспективность ВТСП-2 отмечена на уровне Министерства экономического развития. Как заявила в марте его глава Эльвира Набиуллина, к 2012 году будет развёрнуто опытно-промышленное производство сверхпроводящих продуктов. Этим займётся Центр прикладной сверхпроводимости, формируемый на базе РНЦ «Курчатовский институт». Соглашение о стратегическом партнёрстве в области прикладной сверхпроводимости, предполагающее создание такого центра, подписали «Курчатник», ОАО «ТВЭЛ», Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. А. А. Бочвара, Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова и Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности

Новый центр будет также вести работы по фундаментальным и прикладным проблемам технического использования сверхпроводимости. Во ВНИИКП уже сейчас занимаются собственными проектами по прикладным проблемам сверхпроводимости (помимо кабелей с такими свойствами) — в частности, по сверхпроводящим токоограничителям.