ITERация сверхпроводимости
Следи за успехами России в Телеграм @sdelanounas_ru
В 2011 г. физики всего мира праздновали 100-летний юбилей грандиозного события — открытия голландским ученым Хейке Камерлингом-Оннесом явления сверхпроводимости. Об истории, сегодняшнем дне и перспективах развития прикладной сверхпроводимости нам рассказал заместитель директора Курчатовского НБИКС-центра, начальник научно-технологического комплекса сверхпроводимости Александр Константинович Шиков
— Я занимаюсь сверхпроводимостью уже более 40 лет. При охлаждении целого ряда материалов до очень низких температур— температуры кипения жидкого гелия. т.е. минус 269° С — сопротивление электрическому току становится равным нулю. Это и есть сверхпроводимость. В 1913 г. X. Камерлинг-Оннес обнаружил разрушение сверхпроводимости сильными магнитными полями и токами. И только в середине 1960-х гг.. когда советские ученые Лев Ландау. Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург разработали теорию сверхпроводимости, появилась надежда, что сверхпроводящие материалы найдут применение в технике, поскольку они смогут сохранить токонесущую способность в высоких магнитных нолях. Их назвали сверхпроводниками второго рода. Ученым за это была присуждена Нобелевская премия, правда, только в 2003 г. В целом, за работы в области сверхпроводимости даны уже шесть Нобелевских премий, причем одна из последних — за открытие высокотемпературных сверхпроводников.
Исследования по прикладной сверхпроводимости активно начали развиваться в Советском Союзе в середине 1960-х гг. Их инициатором и организатором был Курчатовский институт. Курчатовцы совместно с ВНИИ неорганических материалов им. академика А.А. Бочвара впервые разработали низкотемпературные композиционные сверхпроводники на основе сплавов и соединений. Когда в конце 1980-х гг. были открыты высокотемпературные сверхпроводники, которые теряют сопротивление уже при температуре жидкого азота— минус 196° С. — мы также довольно быстро получили композиты на их основе.
— Какие материалы используются в сверхпроводниках и есть ли технологические «хитрости» их изготовления?
— Первыми техническими материалами, созданными Курчатовским институтом и ВНИИНМ, были сверхпроводники на основе сплава ниобия и циркония (Nb-Zr). К сожалению, этот сплав оказался не очень технологичным. из него сложно было изготовить сверхпроводники требуемой конструкции. А конструкция сверхпроводника тоже удивительна: представьте себе проводничок диаметром 0.5-1 мм. длиной до 20 км, состоящий из медной матрицы, причем эта медь сверхчистая, а в этой матрице распределено несколько тысяч волокон диаметром до 10 мкм из сверхпроводящего материала. Вскоре были разработаны сверхпроводники на основе сплавов ниобия с титаном (Nb-Ti). Они начали широко использоваться, поскольку благодаря нулевому сопротивлению могли пропускать через квадратный сантиметр гигантские токи — порядка нескольких миллионов ампер, в то время как через традиционные электротехнические материалы можно пропустить лишь токи до 1 тыс. А. Если этот сверхпроводник смотать в катушку и сделать соленоид, через который пропустить большой ток, то он может создать сильнейшее магнитное поле. Так в 1979 г.. впервые в мире, в Курчатовском институте появилась установка термоядерного синтеза «Токамак-7» (тороидальная камера с магнитными катушками) на ниобий-титановых сверхпроводниках.
Вскоре в Курчатовском институте родилась новая идея— создать установку термоядерного синтеза с использованием сверхпроводников на основе ниобия и олова (Nb Sn). Это соединение было гораздо лучше своих предшественников по всем свойствам, в их числе критический ток (который еще не «убивает» сверхпроводимость), критическая температура (при охлаждении до которой соединение теряет свое сопротивление) и верхнее критическое поле (превышение этого поля тоже «убивает» сверхпроводимость). В 1988 г. также впервые в мире, в Курчатовском институте был создан «Токамак-15» на ниобий-оловянных сверхпроводниках. Это был первый и очень важный шаг на пути к воплощению идеи о создании термоядерных электростанций, заложивший основы для международного проекта 1TER. Приблизительно с середины 1980-х гг. курчатовцы участвуют в этом глобальном международном проекте.
В 1988 г. впервые в мире, в Курчатовском институте был создан «Токамак-15» на ниобий-оловянных сверхпроводниках. Это был очень важный шаг на пути к воплощению идеи о создании термоядерных электростанций, заложивший основы для международного проекта ITER
— Преимущества нового материала очевидны. По крайней мере, в теории. Что мы имеем на практике?
— На практике с Nb3Sn есть одна проблема. Nb-Ti — это сплав, из него методом совместной деформации составляющих композита можно изготовить многожильный проводник, а соединение Nb3Sn— это хрупкий, как стекло, интерметаллид, а из него необходимо было изготовить проволоку, из которой можно намотать магнитную систему. Однако и эта задача была успешно решена Курчатовским институтом и ВНИИНМ с помощью так называемой «бронзовой технологии». Мы тем же методом совместной деформации изготавливали композит, только вместо меди матрица состояла из оловянной бронзы — сплава меди с оловом, а волокна были выполнены не из сплава ниобий-титан, а из сверхчистого ниобия. Затем такой композит подвергался термообработке. при которой олово диффундировало в ииобиевые жилы с образованием хрупкого интерметаллического соединения Nb3Sn по краям этих жил. В конце концов был разработан сверхпроводник, содержащий при диаметре 1.5 мм 7225 волокон. При диаметре каждой жилы 5мк., а это в десять раз меньше диаметра человеческого волоса, длина таких проводников тогда составляла порядка 5 км. С использованием такого материала и была изготовлена первая в мире сверхпроводящая магнитная система для «Токамака».
— Следовательно, надежд на скорое создание таких материалов было мало?
— Нам тоже казалось, что пройдет очень много времени. прежде чем удастся достигнуть таких характеристик. В 1992 г. Международной организацией ITER был объявлен конкурс на разработку таких сверхпроводников, в котором приняли участие 17 мировых фирм-производителей, в том числе ВНИИНМ, Курчатовский институт, а также ВНИИ кабельный промышленности и НИИ электрофизической аппаратуры — это четверка, которая успешно создала магнитные системы, основы «Токамака-7» и «Токамака-15».
Особо сложной была задача разработки металлургических технологий получения сверхпроводников. Нужны были не просто оловянная бронза или ниобий, а сверхчистые металлы и сплавы, чтобы обеспечить им необыкновенную пластичность. Необходимо было получить в металлической матрице сверхтонкие «жилки», не имеющие обрывов на длине до 20 км. Но мало получить такие «жилки» целыми, надо обеспечить им специальную наноструктуру, которая позволяла бы достигать высокой токонесущей способности. Сегодня о нанотехнологиях говорят все, а мы уже тогда понимали: без создания в сверхпроводнике наноструктуры достичь поставленной цели будет невозможно, и мы успешно справились с разработкой таких технологий. Из 17 фирм только четыре разработали сверхпроводники с необходимым уровнем свойств, включая и российских специалистов.
Непростым был и процесс участия в тендере. Нужно было получить 100-метровые куски проводника, разрезать их на десять частей и послать в десять лабораторий мира, чтобы избежать «лукавых» результатов, чтобы все было подтверждено. Установка грандиозная, и свойства должны быть гарантированы. Из всех десяти лабораторий пришел ответ, что российские сверхпроводники на основе сплава ниобий-титан и на основе соединения ниобий-олово полностью удовлетворяют высоким международным требованиям.
Затем необходимо было изготовить так называемые токонесущие элементы. Дело в том. что такая проволочка при температуре жидкого гелия может проводить токи порядка сотен ампер в магнитных полях силой до 5Тл (для Nb-Ti) и 12 Тл (для Nb3Sn). Однако нужны тысячи ампер, чтобы обмотка могла удерживать плазму. Для повышения токонесущей способности сверхпроводники сплетают в жгут. В одном жгуте более 1 тыс. проволок, причем такой жгут имеет определенную конструкцию, определенную пористость. Его помещают в трубу, по которой циркулирует жидкий гелий, а поры позволяют гелию проникать и омывать каждую проволочку, тем самым переводя ее в сверхпроводящее состояние. И такой токонесущий элемент при диаметре 40 мм в магнитном поле 12 Тл может проводить уже 120 тыс. A., а без поля, которое плохо влияет на сверхпроводимость. — несколько миллионов ампер. Длина такого отрезка должна быть 765 м.
Первоначально нужно было изготовить образец длиной 4 м. отправить его в Швейцарию, в Институт Пауля Шеррера, и измеряющая свойства лаборатория должна была подтвердить, что с полученным токонесущим элементом все в порядке: ничего не сломалось при кабельных переделах, поры не зажаты, гелию есть куда проникать и что охлаждать. Мы с нетерпением ждали результата, и он также был успешным. Так что мы вновь удовлетворили все требования, предъявляемые и к этому проводнику.
Далее нужно было изготовить прототип магнитной системы — так называемую катушку-вставку. Это магнит диаметром 2 м. высотой 5 м. весом 7 т., для него требовалась тонна сверхпроводника. Содружество ВИИИНМ, Курчатовского института, ВНИИКП и НИИЭФА успешно решило и эту задачу: тонна сверхпроводника была изготовлена, из нее — токонесущий элемент, из токонесущего элемента— катушка-вставка. Ее транспортировали из Санкт-Петербурга самолетом в Японию, где были проведены испытания, которые тоже прошли удачно: российская катушка-вставка при температуре жидкого гелия достигла рабочего тока 43.1 кА. Таким образом, мы получили право внести существенный вклад в международный проект.
Экстренная реанимация
— Но производственных мощностей к тому времени не было. Как вышли из положения?
— Россия выиграла тендер на изготовление 220 т. сверхпроводника, приблизительно треть всего объема. Этот крупный заказ уже невозможно было выполнить в условиях институтов. Такое супертехнологичное производство необходимо было создать в промышленном масштабе, на заводе, где есть культура производства и высококвалифицированные специалисты. В то время я работал заместителем генерального директора ВНИИНМ и отвечал за реконструкцию циркониевого производства на Чепецком механическом заводе в городе Глазове в Удмуртии, и вместе с коллегами из Курчатовского института и «Росатома» мы выбрали этот завод для организации производства сверхпроводников. В 2002 г. руководитель Минатома А.Ю. Румянцев подписал приказ о создании такого производства. Меня назначили научным руководителем разработки технологий и организации производства. Работы был непочатый край, поскольку необходимо было также создать производство исходных материалов: сверхчистой меди, высокогомогенной оловянной бронзы, высокогомогенного сплава Nb-Ti, сверхчистого ниобия, самих композитов и их полуфабрикатов.
В сжатые сроки на Чепецком механическом заводе Топливной компании ТВЭЛ ГК «Росатом» были подготовлены пять больших цехов. На приобретенном у ведущих зарубежных и отечественных фирм оборудовании специалисты ВНИИНМ отрабатывали технологию, а ученые Курчатовского института разрабатывали методы диагностики этих материалов— определение критических токов, критической температуры, качества меди, однородности свойств по длине — более 40 сертифицированных методик было применено для того, чтобы аттестовать материалы по международным стандартам.
К тому времени уже определились, что ITER будет построен во Франции, недалеко от Марселя, в городке Кадараш. Все страны-участницы, к которым добавились Китай, Корея и Индия, подписали решение о строительстве. В апреле 2009 г. мы запустили производство. Начался крупномасштабный выпуск сверхпроводящего материала. Вошли в строй кабельное производство в Подольском отделении ВНИИКП и линия джекетирования на территории Института физики высоких энергий (ИФВЭ), который теперь входит в НИЦ «Курчатовский институт».
К концу 2012 г. выпущено уже более половины всего сверхпроводника. Изготовлено семь ниобиево-оловянных токонесущих элементов, которые полностью соответствуют высоким международным требованиям: два из них в октябре 2012 г. отправлены в Италию, где на них должны нанести изоляцию, подвергнуть термообработке и затем отправить во Францию для создания магнитной системы реактора. Всего мы должны за 2.5 года изготовить и проверить около 30 таких токонесущих элементов. Они представляют собой бобину диаметром 4 м и высотой более 5м. весом около 10т. внутри которой проводник — токонесущий элемент — и распределен. Материал приходится везти ночью из Протвино в Курчатовский институт в сопровождении ГАИ. т.к. это негабаритный груз.
Мы также должны поставить на строительную площадку 39 кусков ниобиево-титанового сверхпроводника в виде кабеля. Таким образом, в России появилось крупномасштабное уникальное производство сверхпроводников. Специалисты из центральной команды ITER, которая находится в Кадараше, проехали по всему миру, посетили производства — 12 заводов — и признали российское производство одним из самых современных и совершенных.
— Крупномасштабное использование сверхпроводников в индустриальной физике— явление не новое. Но для обычного человека это как параллельная реальность. Существует ли «народно-хозяйственное» применение у сверхпроводимости?
— Безусловно. Это, например, медицинские томографы, которые позволяют на уровне клетки исследовать процессы, в том числе и приводящие к образованию злокачественных опухолей, на очень ранних стадиях, что дает возможность своевременно засечь их и принять меры для ликвидации. Магнитная система МР-томографа изготавливается также из Nb-Ti-сверхпроводника. В настоящее время такой российский сверхпроводник уже поставлен на ряд фирм, которые подтвердили его пригодность для МР-применений и выразили готовность потреблять его в объеме до 100 т в год. Рассматривается вопрос и о создании совместного производства МР-томографов с одной из зарубежных фирм при использовании российских сверхпроводников.
Повышение градуса
— Теперь несколько слов о высокотемпературных сверхпроводниках.
— В 1986 г. были открыты высокотемпературные сверхпроводники, которые, в отличие от низкотемпературных, теряющих сопротивление при температуре кипения жидкого гелия, теряют сопротивление при температуре кипения жидкого азота. Швейцарские ученые Йоханнес Беднорц и Карл Мюллер открыли такие вещества, но они оказались керамиками — LaSrCuO. затем YBaCuO и более сложные — BiSrCaCuO. Сам переход от жидкого гелия к жидкому азоту сулил революционные изменения во всей электротехнике, электроэнергетике, медицине. т.е. в тех областях, где используется сверхпроводящий материал. Например, мощность электродвигателя можно было повысить без изменения габаритных размеров в четыре-пять раз или, наоборот, при той же мощности уменьшить массо-габаритные характеристики тоже в разы. Можно было без потерь транспортировать ток на большие расстояния. Для электроэнергетики это открывает огромные перспективы.
Мы, всю жизнь занимающиеся сверхпроводящими материалами. понимали, что это задача на далекую перспективу. В Nb3Sn только два элемента — ниобий и олово, а здесь висмут, стронций, кальций, медь, кислород — это керамика. Тем не менее воодушевление во всем научном мире было колоссальное, проходили бесконечные семинары, собиравшие огромное количество людей. Однако со временем желающих заниматься столь сложной работой оставалось все меньше, но мы продолжали усиленные работы в этом направлении, несмотря на сложные для российской науки 1990-е гг. Нами были изготовлены ленточные проводники на основе висмута и керамики — это первое поколение высокотемпературных сверхпроводников. Представьте себе ленточки шириной 3-4 мм и толщиной 0.1-0.2 мм. которые содержали 1539 жил диаметром 15-20 мк из керамики. И такая ленточка могла изгибаться с определенным радиусом, который называется критическим, без нарушения токонесущей способности.
В итоге была разработана технология получения подобных сверхпроводников длиной до 1 км. но матрица должна была быть из серебра. Мы испытали около 20 металлов, и все они окислялись, а значит отбирали у соединении кислород, приводя его к неудовлетворительному составу, который уже не обладал сверхпроводящими свойствами. Только серебро не отбирало кислород: более того, это соединение можно было насытить кислородом через серебро и достичь высоких критических свойств— таких, что этот материал терял сопротивление при температуре жидкого азота. К сожалению, до сих пор в сверхпроводниках на основе такой керамики не удается достичь структуры, которая сохраняла бы токонесущую способность при высоких магнитных нолях. Иттриевая же керамика имеет более высокие свойства при высоких полях и более перспективна. Но из нее сложно изготовить многожильные проводники, поэтому технологи пошли по пути создания ленточных проводников.
В середине 2000-х гг.. когда директором Курчатовского института стал Михаил Валентинович Ковальчук, мы обсуждали с ним необходимость принятия комплексных мер по разработке такого материала, прежде всего для электроэнергетики. М.В. Ковальчук собрал в Курчатовском институте все заинтересованные стороны, серьезно обсудил все детали, а затем по его инициативе совместно с ГК «Ростатом» и Минэнерго был запущен крупномасштабный государственный проект по созданию и использованию высокотемпературных сверхпроводников. который состоял из двух частей. Первая — разработка высокотемпературных сверхпроводников с приемлемым для технического использования уровнем характеристик. Вторая посвящена созданию устройств, работающих с использованием сверхпроводящего материала. В этом проекте Курчатовскому институту поручена самая сложная часть— разработка технологий и повышение токонесущей способности проводников.
— Что представляет собой конструкция ленточного сверхпроводника?
— Она весьма сложна: подложка состоит из нержавеющей стали или сплава никеля с вольфрамом. Эти сплавы имеют одну кристаллическую решетку, а керамика — другую. Чтобы добиться сопряжения и избежать отслаивания, необходимо создать несколько промежуточных слоев из определенных оксидов— итакой «слоеный пирог» позволяет иметь сверхпроводник с набором необходимых физико-механических свойств. В Курчатовском институте будет установлена линия но изготовлению стометровых кусков таких сверхпроводников, а параллельно мы будем исследовать связи состава и структуры сверхпроводящей керамики со свойствами с целью их повышения. В Курчатовском институте создан мощнейший не только в России, но и в мире комплекс для материаловедческих исследований, включая синхротронный и нейтронный источники, а это уникальная комбинация. Теория и эксперименты говорят о том. что токонесущую способность по сравнению с сегодняшней можно поднять еще в четыре-пять раз. И это многолетняя кропотливая черновая работа, которая должна увенчаться успехом.
— Какие устройства могут использовать такие ленточные сверхпроводники?
— Прежде всего, это токоограничители —устройства, которые позволяют в десять раз быстрее отключить сеть, если в ней произошли какие-то неприятности, например короткое замыкание. Это позволяет продлить срок годности различного оборудования и сохранить его. Токоограничители широко используются также на железной дороге, в энергетических сетях. Второй тип устройств — это токовводы, обеспечивающие энергией крупные магнитные системы, например в Большом адронном коллайдере, в перспективе — для термоядерных реакторов. Наконец, третье применение — это линии электропередач. Высокотемпературная сверхпроводимость войдет в повседневную жизнь в гораздо большем масштабе, чем она вошла в индустриальную физику. Безусловно, она принесет революционные изменения в этих областях, потому что ввод энергии в города сейчас затруднен из-за дороговизны земли, а можно будет уже через меньшие каналы вводить больше энергии. Наши коллеги из ВНИИ кабельной промышленности. с которыми мы работаем по ITER, создали крупнейший в Европе отрезок токонесущих элементов длиной 220 м — он установлен и прошел успешные испытания в НТЦ электроэнергетики. Федеральной сетевой компанией с участием Курчатовского института начал осуществляться проект линии электропередачи уже длиной 2.5 км для Санкт-Петербурга. Но и это еще не предел. Например, уже сегодня мы просчитываем прокладку электроэнергетического кабеля из России в Японию по дну океана, чтобы торговать не нефтью и газом, а продуктом с высокой добавленной стоимостью — электроэнергией.
— Но затраты на охлаждение при этом все же будут ощутимы. В этой связи возникает вопрос: возможна ли чисто теоретически сверхпроводимость при комнатной температуре?
— Когда высокотемпературная сверхпроводимость еще не была открыта, мы этот вопрос обсуждали с В.Л. Гинзбургом, и он отметил, что теория этого не запрещает. Более того, у Виталия Лазаревича когда-то вышла книга, посвященная сверхпроводимости, где говорится о комнатной температуре. Я думаю, что сверхпроводимость— такая область физики, что и сегодня существуют вещества, а возможно, жидкости или газы, или даже органические соединения, которые обладают сверхпроводимостью при комнатной температуре. К сожалению. мы еще пока их не нашли, но я уверен, что они есть, и опыт работы в сверхпроводимости говорит, что знание теории, проведение экспериментов с большим количеством материалов позволит получить те сверхпроводники, у которых более высокие свойства. Теория дает направление, а поиск все равно должен быть экспериментальным.
От истоков к мировым рекордам
— Как вы взаимодействуете с остальными подразделениями Курчатовского института?
— В СССР работа строилась таким образом: Курчатовский институт был центром, откуда исходили прежде всего физические идеи. После того как родилась физическая идея, необходимы материалы, чтобы ее осуществить. Атомный проект — самый яркий пример, потому что не было ни урана, ни плутония, ни конструкционных материалов, все это необходимо было разработать для создания ядерного щита страны. Для этого был организован ВНИИНМ. Конструкции изделий создавали Арзамас и Снежинск. Одна из основных особенностей Курчатовского института— выстраивание всей цепочки: от идеи до промышленного производства. Я как специалист по материаловедению по целой гамме созданных новых материалов могу это проследить. Сегодня наш НИЦ «Курчатовский институт» генерирует идеи, разрабатывает технологии материалов и делает пилотные образцы. Это очень правильно, что в одном месте сконцентрирован весь комплекс — от идеи до машины. Собственно, сверхпроводимость — тоже ярчайший пример: если бы физики, технологи, материаловеды, конструкторы каждый день не взаимодействовали друг с другом на одной площадке Курчатовского института, то таких успехов достичь было бы очень сложно.
— А как обстоят дела с молодыми кадрами?
— В 2011 г. по инициативе М.В. Ковальчука и М.Н. Стриханова была создана кафедра прикладной сверхпроводимости в Московском инженерно-физическом институте, и мне поручили ее возглавить. В настоящее время наши специалисты читают лекции в МИФИ и в Курчатовском институте. Практика, фундаментальные исследования и технологии новых материалов их очень увлекают, т.к. они видят конечный результат. Впечатление производит и современное оборудование, на котором мы работаем. Уже в течение двух лет мы принимаем попять молодых аспирантов, причем они проходят комплексное собеседование. и к нам попадают только тс ребята, которые готовы посвятить себя интереснейшему делу — разработке сверхпроводников и их использованию.
— Были ли в вашей работе «побочные эффекты», когда от основного направления возникают «ответвления»?
— Например, по технологии многожильных сверхпроводников в Курчатовском институте более 20 лет назад было предложено создать материал для импульсных магнитных полей — порядка 50-100 Тл. Но. к сожалению, обычные электротехнические материалы— медь, алюминий— не выдерживали тех нагрузок, которые развивались в этом магните при импульсе. Тогда родилась идея применить для создания импульсных магнитов Nb-Тi-сверхпроводники, но использовать в них сверхчистую медь, а жилы Nb-Ti упрочняли бы медную матрицу. Курчатовские «токамачные» сверхпроводники установили мировой рекорд: было достигнуто поле 50Тл. Далее мы начали увеличивать количество упрочняющих жил, улучшая механические свойства. В различных лабораториях мира, изготавливающих магниты из композитов, разработанных Курчатовским институтом и ВНИИНМ, этот материал стал крайне востребованным. В марте 2012 г. в США, в Лос-Аламосской лаборатории высоких магнитных полей, на соленоиде, изготовленном из уникального российского композиционного материала, содержащего при сечении 4x6 мм (прямоугольный проводник) 450 млн ниобиевых волокон размером 10 нм каждое, удалось достичь 100.1 Тл. Материал обладает прочностью стали, электропроводностью около 70% от электропроводности меди, и самое главное, нам удалось сохранить в нем пластичность. Это пример того, как одна наукоемкая технология рождает другую. Поэтому у нас впереди много очень интересной и важной работы. и я благодарен судьбе за то. что она связала меня со сверхпроводимостью. ■
Беседовал Виктор Фридман
В мире науки 01.2013
Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈
02.07.1310:33:29
26.07.1312:41:01