Nadprzewodnictwo w stulecie odkrycia: wybrane przykłady zastosowań

Transkrypt

1 Ukazuje się od 1919 roku 12a'11 Organ Stowarzyszenia Elektryków Polskich Wydawnictwo SIGMA-NOT Sp. z o.o. Antoni CIEŚLA Akademia Górniczo - Hutnicza w Krakowie Nadprzewodnictwo w stulecie odkrycia: wybrane przykłady zastosowań Streszczenie. W roku 2011 mija 100 lat od odkrycia nadprzewodnictwa przez Kamerling Onnesa. Minione stulecie ogromnie wzbogaciło obszar wiedzy dotyczącej zjawiska nadprzewodnictwa zarówno w teorie (np. teoria BCS, efekt Meissnera), technologie (opanowanie produkcji przewodów nadprzewodzących nisko- i wysokotemperaturowych) jak i aplikacje. Ten ostatni wątek ma istotne znaczenie ze względów na praktyczne wykorzystanie zjawiska w krioelektrotechnice. Główne obszary wykorzystania nadprzewodnictwa to: wzbudzanie pola magnetycznego w elektromagnesach nadprzewodnikowych (zastosowania w procesach technologicznych, fizyce, medycynie), elektroenergetyka (kable, maszyny nadprzewodnikowe, zasobniki energii SMESy, ograniczniki prądu zwarcia), lewitacja magnetyczna. Należy przypomnieć, że w roku 1986 (a więc 25 lat temu) odkryto tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Odkrycie to spowodowało ponowne, jeszcze bardziej intensywne zainteresowanie tym zjawiskiem. Abstract. It has been 100 years since Kimerling Onnes discovered superconductivity. Over the past century the knowledge about superconductivity both in theory (e.g. BCS theory, Meissner effect), technology (production of low- and high-temperature superconductors) and applicability have been greatly enriched. The latter is especially important owing to the practical use of superconductivity in exciting magnetic field in superconductor electromagnets (for technological processes, physics and medicine), power engineering (wires, superconductor machines, energy storages SMES, surge protection), magnetic levitation. In 1986, i.e. 25 years ago, the high-temperature superconductors were discovered, intensifying the interest in this phenomenon. Supeconductivity in its 100 th anniversary: exemplary applications. Słowa kluczowe: nadprzewodnictwo, materiały nadprzewodnikowe, nadprzewodnikowe zasobniki energii (SMES), nadprzewodnikowe ograniczniki prądu zwarciowego (SFCL), lewitacja magnetyczna, separacja magnetyczna. Keywords: superconductivity, superconducting materials, superconducting magnetic energy storage (SMES), superconducting fault current limiters (SFCL), magnetic levitation, magnetic separation Wstęp W roku 1908 Kamerling Onnes skroplił hel (4,2 K). Możliwe stało się prowadzenie badań nad właściwościami metali w ekstremalnie niskich temperaturach. Doprowadziło go to z kolei w roku do odkrycia zjawiska nadprzewodnictwa. Mimo intensywnych badań tego zjawiska, pierwsze zastosowania nadprzewodników w elektrotechnice zrealizowano dopiero w latach sześćdziesiątych. Odkrycie w 1986 roku nadprzewodników wysokotemperaturowych było przyczyną ponownego wzrostu zainteresowania nadprzewodnictwem wśród elektrotechników. Podobny wzrost zainteresowania, choć w nieco mniejszej skali, obserwowano w drugiej połowie lat sześćdziesiątych, gdy opanowana została produkcja przewodów nadprzewodnikowych Nb-Ti i Nb 3 Sn. Nadprzewodnictwem, które było domeną fizyków, zajęli się inżynierowie, głównie elektrycy, a rezultatem tego było opracowanie szeregu modeli urządzeń elektrycznych. Rozwinęła się nowa gałąź elektrotechniki - krioelektrotechnika. Materiały nadprzewodzące W urządzeniach silnoprądowych stosowane są od lat sześćdziesiątych nadprzewodniki II rodzaju, takie jak związki międzymetaliczne Nb 3 Sn i stopy Nb-Ti, których temperatura krytyczna nie przekracza 25 K. Temperatury takie zapewnia chłodzenie ciekłym helem o temperaturze wrzenia 4,2 K. Nadprzewodniki te nazywane są umownie nadprzewodnikami niskotemperaturowymi (ang. Low Temperature Superconductors LTS). Wymienione nadprzewodniki są podstawowymi materiałami do wytwarzania przewodów w postaci wiązek włókien nadprzewodnikowych o średnicach kilku mikrometrów, umieszczonych w matrycy miedzianej lub aluminiowej pełniącej rolę stabilizatora (patrz rys. 2a). Włókna w wiązce są dodatkowo skręcane w celu zmniejszenia strat sprzężenia od pola zewnętrznego i własnego. Przewody te mogą pracować w silnych polach magnetycznych dochodzących do 20 T, przy uzyskiwanych gęstościach prądu w materiale nadprzewodnika rzędu 10 9 A/m 2. Odkrycie nadprzewodnictwa w ceramikach tlenków miedzi przez K. A. Müllera i G. Bednorza w temperaturach wyższych niż dopuszczała teoria BCS wywołało wzrost zainteresowania nadprzewodnictwem i swoisty wyścig w odkrywaniu materiałów o coraz wyższej temperaturze krytycznej, przekraczającej 100 K (rys.1) [1]. Nadprzewodniki takie nazywa się nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi (ang. High Temperature Superconductors HTS). Odkrycia te umożliwiły użycie stosunkowo taniego ciekłego azotu o temperaturze wrzenia 77 K do chłodzenia urządzeń nadprzewodnikowych. Obecnie najbardziej realne do zastosowań silnoprądowych staje się wykorzystanie nadprzewodników wysokotemperaturowych Bi-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3Ox), YBCO (YBa2Cu3Ox) oraz odkrytego w 2001 roku dwuborku magnezu MgB 2 [2]. Rys. 2 przedstawia widok nadprzewodników nisko- i wysokotemperaturowych [3]. Temperatura krytyczna jest jednym z trzech parametrów krytycznych. W urządzeniach nadprzewodnikowych, szczególnie silnoprądowych, bardzo istotnymi parametrami są ponadto: krytyczna gęstość prądu J c oraz krytyczne PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 12a/2011 1

2 natężenia pola magnetycznego H c. W Tabeli 1 przedstawiono definicje krytycznych parametrów nadprzewodników [4]. Wartości parametrów konkretnych przewodów i taśm nadprzewodnikowych aktualnie oferowanych, ich właściwości cieplne i mechaniczne zostały zebrane m. in. w [2]. Rys.1. Zmiany temperatury krytycznej od czasu odkrycia zjawiska nadprzewodnictwa a) b) Rys. 2 Budowa nadprzewodników: a) nadprzewodnik LTS (stop NbTi), b) konfiguracja taśmy HTS drugiej generacji SuperPower 2G HTS Wire Tabela 1. Definicje parametrów krytycznych nadprzewodników [4] nazwa i symbol definicja temperatura krytyczna Tc temperatura, poniżej której nadprzewodnik wykazuje nadprzewodnictwo przy zerowym natężeniu pola magnetycznego i przy zerowym prądzie elektrycznym natężenie dolnego natężenie pola magnetycznego, przy którym krytycznego pola flukson wnika po raz pierwszy do objętości magnetycznego H c1 nadprzewodników II rodzaju powodując odstępstwo od idealnego diamagnetyzmu natężenie górnego krytycznego pola magnetycznego H c2 prądkrytyczny I c gęstość prądu krytycznego J c maksymalne natężenie pola magnetycznego, poniżej którego nadprzewodnik II rodzaju jest w stanie mieszanym maksymalny prąd stały, który może być rozpatrywany jako płynący bez rezystancji gęstość prądu elektrycznego przy prądzie krytycznym określona albo dla całego przekroju przewodu (całkowita), albo gdy występuje stabilizator, niestabilizowanej części przewodu Urządzenia nadprzewodnikowe Urządzenie elektryczne zawierające elementy wykonane z nadprzewodnika i pracujące w stanie nadprzewodzącym to urządzenia nadprzewodnkowe. Elementem nadprzewodnikowym może być uzwojenie, przepust, tor prądowy, złącze Josephsona, rura, cylinder, bifilarny stos czy inna kształtka. Materiał nadprzewodnikowy stanowi często tylko część objętości i masy urządzenia [4]. Zazwyczaj tylko elementy nadprzewodnikowe urządzenia są umieszczone w kriostacie i chłodzone do temperatur kriogenicznych w przedziale od kilku do kilkudziesięciu kelwinów a pozostałe podzespoły urządzenia pracują w temperaturze otoczenia powyżej 290 K. Zastosowanie nadprzewodników zamiast przewodników konwencjonalnych pozwala na zwiększenie średnich gęstości prądu w urządzeniach nawet o 2 rzędy wielkości. Tak duże gęstości prądu pozwalają na generowanie pól magnetycznych o indukcjach rzędu 30 T za pomocą uzwojeń z nadprzewodników niskotemperaturowych i rzędu 60 T za pomocą uzwojeń z nadprzewodników wysokotemperaturowych [4]. Duża wartość indukcji magnetycznej oraz duże gęstości prądu generują olbrzymie naprężenia mechaniczne, wywołane siłą Lorentza, przekraczające wytrzymałość mechaniczną materiałów nadprzewodnikowych. Konieczne jest zatem stosowanie dodatkowych elementów konstrukcyjnych (np. karkasy) w urządzeniach nadprzewodzących. Chłodzenie urządzeń nadprzewodnikowych Podstawowym i najtrudniejszym do utrzymania parametrem decydującym o nadprzewodnictwie jest temperatura. W praktyce, urządzenia zbudowane na bazie nadprzewodników LTS, pracują w temperaturze 4,2 K wykorzystując technikę chłodzenia z użyciem ciekłego helu. Urządzenia nadprzewodnikowe są izolowane termicznie od otoczenia, co realizowane jest przez umieszczenie ich w specjalnych kriostatach wyposażonych w złożoną izolację termiczną minimalizującą dopływ ciepła z zewnątrz drogą przewodnictwa, konwekcji i promieniowania. Do chłodzenia urządzeń nadprzewodnikowych wykorzystywane mogą być kriochłodziarki oraz ciecze kriogeniczne: ciekły hel (temperatura wrzenia 4,2 K), ciekły wodór (temperatura wrzenia 20,4 K) oraz ciekły azot (temperatura wrzenia 77,4 K). Można wyróżnić cztery podstawowe techniki chłodzenia urządzeń nadprzewodnikowych: chłodzenie w kąpieli, chłodzenie wymuszone, chłodzenie kontaktowe (przy wykorzystaniu kriochłodziarki) oraz chłodzenie w kąpieli ze wspomaganiem. Techniki te obrazuje rys. 3. [5] Rys.3. Sposoby realizacji chłodzenia uzwojeń nadprzewodnikowych: a) chłodzenie w kąpieli, b) chłodzenie kontaktowe (przy wykorzystaniu kriochłodziarki), c) chłodzenie w kąpieli ze wspomaganiem T 0 = 293 K T 1 = 77 K T 2 = 4 K a) b) Przepusty prąowe Ekran miedziany Ścianka zewnętrzna kriostau Elektromagnes nadprzewodnikowy Głowica kriochłodziarki PRÓŻNIA HEL AZOT T 0 = 293 K T 1 = 40 K T 2 = 4 K Rys. 4. Konstrukcja elektromagnesów nadprzewodnikowych dla dwóch technik chłodzenia uzwojenia nadprzewodnikowego: a) w kąpieli helowej, b) techniką kontaktową Wykorzystanie techniki kontaktowej (mikrochłodziarki) do chłodzenia uzwojeń nadprzewodnikowych, znakomicie upraszcza budowę kriostatu, w którym to uzwojenie jest umieszczone. Na rys. 4 porównano budowę elektromagnesu nadprzewodnikowego, którego uzwojenie znajduje się w kąpieli helowej (rys. 4a), lub chłodzone jest 2 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 12a/2011

3 przy pomocy mikrochłodziarki (rys. 4b). Widać, że konstrukcja urządzenia w rozwiązaniu 4b nie wymaga dodatkowych elementów chłodzenia (zbiornika ciekłego azotu, helu) [1], [5]. W Akademii Górniczo Hutniczej dostępny jest elektromagnes nadprzewodnikowy, w którym chłodzenie uzwojenia realizowane jest techniką kontaktową (pokazaną schematycznie na rys. 3b). Parametry elektromagnesu zestawiono w tabeli 2 [6]. Widok elektromagnesu pokazuje rys. 5 [6]. Tabela 2. Podstawowe parametry elektromagnesu, model HF10-100VHT-B. [6] Parametry cryocoolera Pole magnetyczne 1) Typ: SumitomoRDK-408 2) Cykl pracy: Modified McMahon Cycle 3) Pojemność cieplna: 1.0 W/4.2K 4) Nieprzerwany cykl pracy: ok godzin 5) Czas schładzania: około 60 godz. 1) Indukcja w centrum kanału: 0 10 T 2) Czas zasilania (0 T do 10 T): ok. 10 min. 3) Zewnętrzna średnica magnesu: 600 mm 4) Średnica kanału: 100 mm znamionowy sieci. Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu zabezpieczają chroniony obwód przed skutkami termicznymi i dynamicznymi przepływu prądu awaryjnego, wprowadzając do niego dużą impedancję w chwili przekroczenia dopuszczalnej, bezpiecznej wartości prądu w obwodzie. Czas zadziałania ogranicznika nadprzewodnikowego jest niemal natychmiastowy, amplituda prądu awaryjnego nie osiąga pierwszego, najniebezpieczniejszego, maksimum. Po zaniku prądu awaryjnego ogranicznik szybko powraca do pierwotnego stanu charakterryzującego się znikomo małą impedancją. Wyróżnia się zatem następujące stany pracy ogranicznika (rys. 7) [7]: 1. stan wyczekiwania - element nadprzewodzący znajduje się w stanie nadprzewodnictwa, 2. stan przejściowy I wyjście z nadprzewodnictwa (wzrost wartości prądu w chronionym obwodzie, ponad wartość dopuszczalną, powoduje skokową zmianę impedancji ogranicznika), 3. stan awaryjny ograniczania (działanie elementu nadprzewodnikowego w stanie rezystywnym powoduje że impedancja ogranicznika jest maksymalna)., 4. stan przejściowy II powrót do nadprzewodnictwa. a) b) Rys. 5. Widok elektromagnesu nadprzewodnikowego: model HF10-100VHT-B. Urządzenia nadprzewodnikowe w elektroenergetyce Wśród najbardziej zaawansowanych technologicznie i aplikacyjnie silnoprądowych urządzeń nadprzewodnikowych znajdują się nadprzewodnikowe ograniczniki prądu oraz nadprzewodnikowe zasobniki energii. Opisane w tym rozdziale prace nad zastosowaniem nadprzewodnictwa w elektroenergetyce prowadzone są także w naszym kraju, w szczególności w Pracowni Technologii Nadprzewodnikowych w Lublinie (Filia Instytutu Elektrotechniki w Międzylesiu). Informacje zawarte w tym rozdziale pochodzą w głównej mierze z prac publikowanych w tym ośrodku [4], [5], [7]. Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu (Superconducting Fault Current Limiters SFCL) [7] Zwarcia awaryjne w sieciach elektroenergetycznych są dużym zagrożeniem dla transformatorów, generatorów, szyn zbiorczych i linii przesyłowych oraz zmniejszają pewność dostarczania energii odbiorcom. Konieczne jest zatem ich ograniczanie. Temu celowi służą m.in. nadprzewodnikowe ograniczniki prądu. Istnieją dwa rodzaje rozwiązań nadprzewodnikowych ograniczników prądu zwarciowego: rezystancyjne i indukcyjne (rys.6). Ograniczniki rezystancyjne są proste w swej konstrukcji, jednak wymagają doprowadzenia prądu roboczego do elementu nadprzewodnikowego za pomocą przepustów prądowych. W ogranicznikach indukcyjnych elementem nadprzewodnikowym jest pierścień stanowiący zwarte uzwojenie wtórne transformatora o konwencjonalnym uzwojeniu pierwotnym na prąd Rys. 6. Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu; a) rezystancyjne, b) indukcyjne [7] a) b) Rys. 7. Działanie nadprzewodnikowego ogranicznika prądu; a) stany pracy, b) przebieg prądu w chronionym obwodzie z ogranicznikiem prądu [7] PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 12a/2011 3

4 Szczegółowy opis działania obu typów ograniczników prądu można znaleźć w cytowanej literaturze, np. [7]. Nadprzewodnikowe zasobniki energii (Superconducting Magnetic Energy Storage SMES) W nowej koncepcji systemu elektroenergetycznego bardzo ważną rolę odgrywają zasobniki energii (rys. 8) [8]. Spośród znanych rozwiązań tych urządzeń, na szczególną uwagę w aspekcie omawianych aplikacji nadprzewodnictwa zasługują nadprzewodnikowe zasobniki energii (SMESy). System SMES jest urządzeniem pozwalającym na magazynowanie energii w polu magnetycznym. Pole magnetyczne w systemie SMES jest wytwarzane przez prąd stały płynący w elektromagnesie nadprzewodnikowym (rys. 9.) [4]. Nadprzewodnikowe zasobniki energii charakteryzuje bardzo duża gęstość mocy, którą można pobrać lub oddać w bardzo krótkim czasie, dlatego głównym obszarem zastosowań systemów SMES jest zabezpieczenie przed nieplanowanymi przerwami w dostawie energii, zapewnienie jakości dostarczanej energii elektrycznej poprzez łagodzenie efektów chwilowych zaników napięcia, a także do wyrównywania obciążeń mocy odbiorników energii pracujących w sposób impulsowy lub przerywany. Możliwości zastosowania SMES przedstawia tabela 3 [4]. Rys. 8. Koncepcja rozproszonego systemu elektroenergetycznego z zasobnikiem energii Nadprzewodnikowy zasobnik energii włączony do systemu elektroenergetycznego, współpracuje z nim poprzez elektroniczny konwerter, który umożliwia dwukierunkowy przepływ energii pomiędzy siecią elektryczną i elektromagnesem nadprzewodnikowym (rys. 10) [4]. Opracowane i realizowane w ostatnich latach projekty przemysłowych zastosowań SMES-ów obejmują trzy grupy: - układy µsmes o energiach rzędu MJ wchodzących częściowo w fazę komercjalizacji, - układy o energiach rzędu GJ (lub MWh), będące jeszcze w fazie studiów projektowych i konstrukcyjnych, - zasobniki wysokotemperaturowe o niewielkich energiach w zakresie kilodżuli. Rys. 10. Schemat układu nadprzewodnikowego zasobnika energii współpracującego z siecią elektroenergetyczną W tabeli 4 przedstawione zostały parametry wybranych SMES-ów z elektromagnesami z nadprzewodnikami LTS i HTS [4] Tabela 4. Parametry wybranych SMES-ów opracowanych na świecie [4] kraj organizacja typ specyfikacja Uniwersytet HTS Finlandia 160 A/ 200 V, 5 kj w Tempere µsmes HTS Niemcy EUS GmbH 100 A/ 200 V, 8 kj µsmes Niemcy ACCEL LTS µsmes 1 ka/ 400 V, 2 MJ Niemcy FZK Research LTS µsmes 2,5 ka/ 6 kv, 0,22 MJ Center Niemcy TU Munich LTS µsmes 1380 A/ 3 kv, 1 MJ Wochy CESI LTS µsmes 1 MVA, 4 MJ USA FSU CAPS LTS SMES 4 ka/ 24 kv, 100 MJ Japonia JAERI LTS SMES 3 ka/ 32,6 kv, 71,1 MW Japonia KEPCo HTS µsmes 600 A, 4 kj Korea KEMCo LTS µsmes 0,9 ka, 1 MJ Opis innych urządzeń nadprzewodnikowych znajdujących zastosowanie w elektroenergetyce (kable, generatory) można znaleźć w cytowanej literaturze. sieć elektroenergetyczna przekształtnik AC/DC Rys. 9. Idea działania SMES uzwojenie nadprzewodnikowe Tabela 3. Potencjalne zastosowania SMES-ów [4] zastosowanie energia czas rozładowania wyrównywanie szczytów 50 MJ 180 GJ minuty, godziny poprawa jakości energii 0,1 MJ 10 MJ sekundy lokalne źródło mocy 0,1 MJ 10 MJ dziesiątki mikrosekund współpraca ze źródłami małej mocy i innymi źródłami energii, współpraca z rozproszonymi źródłami energii, współpraca z systemami fotowoltaicznymi i akumulatorowymi 5-50 kj sekundy Nadprzewodnictwo w elektrotechnice Spośród licznych zastosowań nadprzewodnictwa w obszarze elektrotechniki, uwagę Czytelnika autor pragnie zwrócić na dwa: lewitację magnetyczną i wykorzystanie silnych pól magnetycznych wzbudzanych przez elektromagnesy nadprzewodnikowe do separacji magnetycznej. Ten ostatni problem rozwijany jest m. in. przez autora w trakcie realizacji projektów badawczych. Lewitacja magnetyczna Lewitacją (łac. levitas = lekkość) słowem zapożyczonym z okultyzmu, przyjęto nazywać unoszenie lub podwieszenie ciał ferromagnetycznych pod wpływem pola magnetycznego magnesów trwałych lub elektromagnesów bądź pola prądów indukowanych w litych ciałach przewodzących szybko poruszających się względem pola wzbudzającego. Obecnie zjawisko to jest wykorzystywane na skalę przemysłową zarówno przy podwieszaniu wagonów na poduszce magnetycznej, w procesach technologicznych (topienie metali), konstrukcji maszyn (łożyska 4 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 12a/2011

5 magnetyczne), jak i w diagnostyce (np. bezdotykowe zawieszenie ciał w tunelach aerodynamicznych) [9]. U podstaw lewitacji magnetycznej z wykorzystaniem materiałów nadprzewodnikowych leży wzajemne odpychanie się jednoimiennych biegunów magnetycznych. Podstawowym prawem wykorzystywanym w lewitacji jest efekt Meissnera. Cechą charakterystyczną tego efektu jest wypychanie pola magnetycznego na zewnątrz nadprzewodnika. Pełną analizę zachowania się nadprzewodnika wysokotemperaturowego lewitującego w polu magnesu trwałego można znaleźć m. in. w [10]. Na rys. 11 pokazano podstawową konfigurację do analizy zjawiska lewitacji nadprzewodnika wysokotemperaturowego (HTS) w polu magnetycznym magnesu trwałego (PM), zaś na rys. 12 pokazano efekt lewitacji tego nadprzewodnika po schłodzeniu poniżej temperatury krytycznej bez obecności pola magnetycznego (nadprzewodnik jest wówczas traktowany jako doskonały diamagnetyk (μ r = 0)) [10]. Żelazo Rys. 11. Podstawowa konfiguracja do badania zjawiska lewitacji z wykorzystaniem nadprzewodnika wysokotemperaturowego (HTSC) i magnesu trwałego (PM) Rys. 12. Nadprzewodnik wysokotemperaturowy (HTSC) jako doskonały diamagnetyk lewitujący w polu magnesu trwałego (magnes trwały namagnesowany osiowo) Najbardziej spektakularnym przykładem wykorzystania zjawiska lewitacji jest budowa pociągu na poduszce magnetycznej osiągającego najwyższe prędkości. W Japonii tradycje szybkich kolei związane są ze słynnym pociągiem Shinkanzen kursującym między poszczególnymi miastami od Kyushu po Hokkaido z olbrzymią prędkością ponad 250 km/godzinę. Program Shinkanzen funkcjonuje od 40 lat i rozpatruje się obecnie następny etap - pociąg lewitujący na poduszce magnetycznej wytworzonej przez elektromagnesy nadprzewodnikowe Yamanashi Line. Pierwszy krok w tym zagadnieniu został już wykonany. Ogromną nadzieję na kolejną aplikację pociągu na poduszce magnetycznej wzbudził komunikat rządu japońskiego odnośnie budowy takiej kolei miedzy Tokio, Nagoja i Osaką: The Japanese government has signalized Central Japan Railway "to proceed with construction" of its magnetically levitated {maglev} train line between Tokyo, Nagoya and Osaka (TOKYO, Japan, May 30, 2011 (ENS) [3]) Separacja magnetyczna Górnictwo XXI wieku zmuszone jest do sięgania po surowce coraz uboższe w składniki użyteczne, znacznie rozproszone w skałach w postaci coraz drobniejszych ziaren ich nośników. Górnictwo będzie także zmuszone do minimalizacji skutków środowiskowych przy pozyskiwaniu surowców mineralnych, po którym pozostają coraz większe ilości odpadów. Niestety klasyczne i bezpieczne ekologicznie fizyczne metody wzbogacania i oczyszczania surowców (np. flotacja, wzbogacanie grawitacyjne, konwencjonalna separacja magnetyczna) okazują się w takich przypadkach coraz mniej skuteczne. Jednym z bardzo obiecujących kierunków otwierających nowe możliwości w zagospodarowaniu ubożejących surowców pierwotnych i wtórnych jest zastosowanie szczególnej fizycznej metody - separacji magnetycznej wysokogradientowej (High Gradient Magnetic Separation HGMS) z użyciem elektromagnesów nadprzewodnikowych. Cechą charakterystyczną takich urządzeń są uzyskiwane wielkie wartości gęstości siły pola magnetycznego dochodzące nawet do N/m 3 pozwalające na wydzielanie bardzo drobnych cząstek mineralnych różniących się właściwościami magnetycznymi nawet w zakresach niskich wartości podatności magnetycznej. Metoda separacji wysokogradientowej opiera się na wykorzystaniu powszechnie znanej zależności określającej siłę z jaką pole magnetyczne o natężeniu H działa na cząstkę nieferromagnetyczną znajdującą się w tym polu [11]: (1) 1 Fm cvc grad H B0 2 w której: c - podatność magnetyczna cząstki, objętość. W wyrażeniu (1) człon V c c Vc - jej charakteryzuje fizyczne właściwości cząstek, które mają być wydzielone w procesie separacji (lub filtracji), natomiast drugi człon tego wyrażenia charakteryzuje zdolność pola magnetycznego do ekstrakcji cząstek o określonych właściwościach fizycznych (podatność, uziarnienie). Wysokogradientowa separacja magnetyczna z użyciem magnesów nadprzewodzących stanowi jedno z najbardziej zaawansowanych rozwiązań w przeróbce surowców mineralnych. Najważniejszą technologicznie cechą takich rozwiązań jest niska energochłonność i niewielka masa urządzeń oraz możliwość wydzielania słabo magnetycznych cząstek o rozmiarach <1m., niedostępnych dla żadnych innych fizycznych metod separacji [13]. Rys. 13. Schemat separatora wysokogradientowego z wykorzystaniem elektromagnesu nadprzewodnikowego typu FREE HELIUM MAGNET (z rys. 5) Rys.14. Wypełnienie przestrzeni separatora elementami gradientotwórczymi (watą ferromagnetyczną) W Katedrze Elektrotechniki i Elektroenergetyki AGH realizowano pod kierunkiem autora projekt badawczy: Wydzielanie składników silnie rozproszonych z surowców i odpadów mineralnych w ekstremalnie silnych polach magnetycznych (do 10 T) przy użyciu magnesu nadprzewodnikowego typu Free Helium Magnet (projekt nr N N ). Badania wysokogradientowej separacji magnetycznej prowadzono na stanowisku pokazanym na rys. 13, z wykorzystaniem elektromagnesu nadprzewodnikowego pokazanego na rys. 5. Należy podkreślić fakt, że jest to jedyne tego typu stanowisko w kraju. Badania obejmowały opracowanie nowych metod wzbogacania prowadzących do określenia potencjalnych źródeł cennych pierwiastków rzadkich, co powinno skutkować lepszym niż dotychczas, bardziej kompleksowym wykorzystaniem surowców PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 12a/2011 5

6 mineralnych. Istotnym elementem projektu było także testowanie różnych kierunków wykorzystania posiadanej unikalnej aparatury i opracowanie metodyki do celów diagnostycznych form mineralnych i wydzielanych nośników pierwiastków rozproszonych w surowcach i odpadach. Dla osiągnięcia tak sformułowanych celów, wytypowano jako materiały do badań wybrane z założenia trudno wzbogacalne surowce i odpady mineralne. Były to surowce krajowe kaolinowe o różnym stopniu obróbki fizykochemicznej, drobnoziarniste odpady skalne wzbogacane z celem usunięcia zanieczyszczeń lub pozyskania cennych pierwiastków w nich rozproszonych. W każdym z przebadanych materiałów metodą separacji magnetycznej wysokogradientowej otrzymano bardzo interesujące rezultaty. Wskazują one jednoznacznie na celowość stosowania pól magnetycznych o indukcjach znacznie wyższych (pola rzędu 4 8 T). Aplikacja pól o takich indukcjach gwarantuje otrzymanie uzysków związków żelaza i tytanu w kaolinach i mączce skaleniowo kwarcowej zdecydowanie większych niż można uzyskać w separatorach klasycznych [12]. Podsumowanie Stały rozwój nadprzewodnictwa czyni tę tematykę coraz bardziej interesującą dla inżynierów różnych specjalności, w tym szczególnie elektryków. Zerowa rezystancja, a w konsekwencji brak rozpraszania energii elektrycznej powoduje, że nadprzewodniki są stosowane powszechnie w uzwojeniach elektromagnesów nadprzewodnikowych (na przykład w medycynie, w tomografii komputerowej, fizyce). Doskonały diamagnetyzm nadprzewodników odkryty przez Meissnera, ma swoje praktyczne przełożenie w lewitacji magnetycznej (pociągi na poduszce magnetycznej Maglev). ZEROWA REZYSTANCJA Heike Kamerlingh Onnes TYP I (metale, np.: rtęć, ołów) TYP II (stopy, np.: NbTi, Nb 3Sn) NADPRZEWODNICTWO WŁAŚCIWOŚCI DOSKONAŁY DIAMAGNETYZM Walther Meissner LEWITACJA MAGNETYCZNA TEMPERATURA KRYTYCZNA TEORIA BCS KRYTYCZNE POLE MAGNTETYCZNE EFEKTY KWANTOWE Braian Josephson KRYTYCZNA GĘSTOŚĆ PRĄDU NADPRZEWWODNIKI WYSOKOTEMPERATUROWE (HTS) (np.: LaBaCuO, BaCuO, TiBaCuo) ZASTOSOWANIA WZBUDZANIE POLA MAGNETYCZNEGO W ELEKTROMAGNESACH NADPRZEWODNIKOWYCH: SEPARACJA MAGNETYCZNA, MEDYCYNA, FIZYKA (SYNCHROTRONY, SYNTEZA JĄDROWA), SMES ELEKTRONIKA (Efekt Josephsona) METROLOGIA (SQUID) ELEKTROENERGETYKA: NADPRZEWODNIKOWE OGRANICZNIKI PRĄDU, GENERATORY I SILNIKI Z UZWOJENIAMI NADPRZEWODNIKOWYMI, TRANSFORMATORY NADPRZEWODNIKOWE, KABLE ELEKTROENERGETYCZNE, SMES LEWITACJA MAGNETYCZNA ŁOŻYSKA MAGNETYCZNE technologicznych (separacja magnetyczna). Z uwagi na korzyści stosowania elektromagnesów z uzwojeniem nadprzewodnikowym do wzbudzania pola magnetycznego w wysokogradientowych separatorach magnetycznych (zmniejszenie masy, wymiarów, możliwość wzbudzania pola w dużych objętościach, znaczne wartości natężenia pola) czyni ten obszar niezwykle atrakcyjny dla przeróbki kopalin. Cechą charakterystyczną separatorów nadprzewodnikowych są uzyskiwane w przestrzeni roboczej separatorów wielkie wartości gęstości siły pola magnetycznego dochodzące nawet do N/m 3 pozwalające na wydzielanie bardzo drobnych cząstek mineralnych różniących się właściwościami magnetycznymi nawet w zakresach niskich wartości podatności magnetycznej. W ramach podsumowania widomości o nadprzewodnictwie, autor skonstruował diagram pokazujący jego właściwości, wzajemne relacje i potencjalne możliwości zastosowania (rys 15). LITERATURA [1] Janowski T., Postęp w zastosowaniach nadprzewodników, XXIV-IC-SPETO 2001, str 47 50, [2] Majka M.: Ograniczenia w budowie nadprzewodnikowych ograniczników dużych prądów zwarciowych. Rozprawa doktorska, Instytut Elektrotechniki, Międzylesie, 2011, [3] Krawczyk A., Xose M. Lopez-Fernandez, Wiak S.: 100 Anniversary of the Discovery of Superconductivity, ISEF2011, Funchal, Madeira, 2011, [4] Janowski T. i inni: Nadprzewodnikowe zasobniki energii, Wydawnictwo Drukarnia Liber DUO s.c. Lublin 2007, [5] Janowski T. (redakcja): Technologie nadprzewodnikowe i plazmowe w energetyce, Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Lublin 2009, [6] Cieśla A: Suprconducting magnet of free helium type used for the filtration in environmental processing, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), R. 86, Nr 5/2010, pp , [7] Janowski T. i inni: Nadprzewodnikowe ograniczniki prądu, Wydawnictwo Drukarnia LIBER, Lublin, 2002 r. [8] Malko J., Wojciechowski H.: Europejska platforma technologiczna sieci inteligentnych Smart Grids, Instal, nr 12/2009 [9] Cieśla A. Kraszewski W. Skowron M.: Określenie siły działającej na wysokotemperaturowy nadprzewodnik jako element lewitujący w polu magnesów trwałych dla przyjętej geometrii układu, XXIX-IC-SPETO 2006 r., pp [10] May H., Palka R., Portabella E., Canders W-R.:Evaluation of the magnetic field high temperature superconductor interactions, COMPEL, The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vo. 23, No. 1, 2004 r., pp [11] Cieśla A: Use of the superconductor magnet to the magnetic separation. Some selected problems of exploitation. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics 19 (2004) IOS Press, pp [12] Cieśla A. i inni: Sprawozdanie z projektu badawczego: Wydzielanie składników silnie rozproszonych z surowców i odpadów mineralnych w ekstremalnie silnych polach magnetycznych (do 10 T) przy użyciu magnesu nadprzewodnikowego typu Free Helium Magnet (projekt nr N N ). Kraków, 2011, niepublikowane Alex Műller i George Bednorz Rys. 15. Właściwości nadprzewodnictwa i potencjalne możliwości jego wykorzystania Autor dokonał przeglądu aktualnego stanu wykorzystania nadprzewodników nisko- jak i wysokotemperaturowych w elektroenergetyce i elektrotechnice. Zaprezentował także kolejną możliwość zastosowania nadprzewodnictwa w procesach Author: prof.nz. AGH, dr hab. inż. Antoni Cieśla, Akademia Górniczo - Hutnicza, Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki, al. Mickiewicza 30, Kraków, aciesla@agh.edu.pl. 6 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN , R. 87 NR 12a/2011