Ток без потерь: чем хороши сверхпроводники и как их делают
Без сверхпроводников невозможен практически ни один мегасайенс-проект: без них не запустили бы Большой адронный коллайдер, не замахнулись бы на сооружение международного термоядерного реактора ИТЭР, Европейского центра по исследованию ионов и антипротонов FAIR, сверхпроводящего ускорителя тяжелых ионов и протонов NICA. Чем так хороши эти материалы и как их делают? Разбираемся вместе с ВНИИНМ — разработчиком сверхпроводников, которые признают одними из лучших в мире.
КВАНТОВАЯ ЛЕВИТАЦИЯ
Сверхпроводники при определенных условиях могут левитировать сами или заставлять левитировать другие предметы. Это объясняется эффектом Мейснера: в момент перехода в сверхпроводящее состояние такие материалы полностью вытесняют из своего объема магнитное поле. Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, обычный магнит «всплывает» и продолжает парить до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. Если же магнит поместить под сверхпроводником, то взлетит последний. На этом эффекте основана работа маглевов — поездов на магнитной подушке.
ЧТО ЭТО?
Сверхпроводник — это материал, который при определенных условиях (температура, величина постоянного тока и значение магнитного поля) теряет сопротивление и без потерь проводит постоянный электрический ток. Применение сверхпроводников позволяет создавать компактные электротехнические устройства с уникальными физическими свойствами.
| Виды | Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) Проводят ток без электросопротивления при температуре жидкого гелия (–268,9 °C) | Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) Проводят ток без электросопротивления при температуре жидкого азота (–195,8 °C) | ||||||
| Примеры материалов | Ниобий-титан, ниобий-3-олово | Иттриевая керамика, иттрий-гадолиниевая керамика, диборид магния | ||||||
| Применение | • Ускорители частиц • Термоядерные реакторы • Оборудование для медицины: томографы, установки для протонной терапии | • Поезда на магнитной подушке • Кабели транспортных электромагистралей • Токоограничители • Накопители энергии • Двигатели | ||||||
| Этапы изготовления | 1. Получение первой композиционной цилиндрической заготовки — как правило, диаметром 200 мм. Она состоит из бронзовых и ниобиевых прутков, расположенных в бронзовом чехле. 2. Прессование заготовки с получением прутка. 3. Волочение прутка, рубка его на мерные части — мерные композиционные прутки. 4. Формирование второй композиционной заготовки — в медном чехле размещают мерные композиционные прутки. 5. Прессование заготовки с получением прутка. 6. Волочение прутка для получения проволоки диаметром от 0,82 до 1,5 мм. Число ниобиевых волокон в сверхпроводнике может достигать десятков тысяч. 7. Диффузионная термообработка для образования сверхпроводящего соединения. | 1. Создание металлической ленты-подложки. 2. Изготовление мишеней для нанесения буферных слоев. 3. Нанесение пяти-шести буферных слоев — они нужны для того, чтобы приблизить кристаллическую решетку лентыподложки к кристаллической решетке ВТСП-слоя. 4. Нанесение сверхпроводящего слоя. 5. Нанесение защитных слоев (серебро и медь). | ||||||
Анастасия Цаплева
Старшая научная сотрудница отделения технологии и материаловедения сверхпроводящих и функциональных материалов, ВНИИНМ
— ВНИИНМ разрабатывал сверхпроводники для модернизации Большого адронного коллайдера и для строящегося международного термоядерного реактора ИТЭР. Изготавливали их по нашей технологии на Чепецком механическом заводе. Сейчас мы создаем материалы для таких международных мегапроектов, как FCC, NICA, FAIR, а также для российского проекта плазменного ракетного двигателя.
В этом году состоится отправка очередной опытной партии сверхпроводников для проекта FCC в ЦЕРНе. Материалы были изготовлены по технологии ВНИИНМ на ЧМЗ. С момента отправки предыдущей партии в 2017 году ЦЕРН повысил требования к изделиям. К примеру, эффективный диаметр волокна должен был быть уменьшен в два раза, со 140 до 70 мкм. Для этого потребовалось существенно изменить конструкцию стренда, что неизбежно привело к усложнению как самой конструкции, так и технологии изготовления. Если раньше стренд состоял из 37 композиционных субэлементов, то теперь их уже 120. Отдельно были разработаны режимы диффузионного отжига. На данном этапе помимо достижения требуемых характеристик нужно было обеспечить технологичность процессов изготовления, то есть приемлемые показатели выхода годного и минимальную длину единичных кусков провода. В дальнейшем требования ЦЕРНа к изделиям могут возрасти еще больше. Специалисты ВНИИНМ к этому готовы. Это потребует не только перехода на новую конструкцию стренда, но и замены исходного материала с ниобия, искусственно легированного титаном, на сплавы ниобий-тантал-цирконий или ниобий-тантал-гафний.
Есть интересная история?
Напишите нам
