Сверхспособности профессора Никулина: к 100-летию одного из создателей сверхпроводников

Развитие цивилизации неразрывно связано с освоением новых материалов: каменный век, медный, бронзовый, железный… Профессор Анатолий Никулин, заместитель директора Института Бочвара, был человеком из века сверхпроводников. В этом году отмечается 100 лет со дня рождения одного из разработчиков технических сверхпроводников и организатора их промышленного производства в СССР.

Отличник из деревни Стенки

Анатолий Никулин родился 9 апреля 1926 года в деревне Стенки Владимирской области. Его отец работал в литейном цехе на Кольчугинском заводе. Мальчику было 10 лет, когда отца не стало.

После школы Анатолий поступил в техникум по обработке цветных металлов. В 1942 году техникум из Кольчугина эвакуировали в Казахстан. Анатолий Никулин остался и работал слесарем в том же цехе, что и его отец.

Когда война закончилась, Анатолий Никулин доучился, получил красный диплом о среднем профессиональном образовании и поступил в Московский институт цветных металлов и золота им. Калинина. Судьба складывалась вполне успешно: второй красный диплом, аспирантура и место ассистента на кафедре обработки металлов давлением. Там молодого ученого заметил Андрей Бочвар, руководитель кафедры металловедения, директор НИИ‑9, названного впоследствии его именем.

Анатолий Никулин пришел в «Девятку» в 1955 году уже кандидатом наук и сразу был назначен старшим инженером, а потом — заместителем начальника лаборатории. Разрабатывал технологии производства металлических изделий из урана, алюминиевых сплавов, бериллия, циркония и др. В 1962‑м стал лауреатом Ленинской премии за создание высокоэффективных автоматизированных прокатных линий для производства изделий из урана.

Сверхпроводящий композит

В начале 1960‑х с подачи академиков Исаака Кикоина и Анатолия Александрова в атомной отрасли занялись сверхпроводимостью. Уже были открыты сверхпроводники второго рода — сплавы ниобия с титаном, цирконием, оловом и др. Ученые видели большие перспективы этих материалов в электротехнике, а атомщикам они были остро необходимы еще и для исследований в области физики высоких энергий и управляемого термоядерного синтеза. Изготовление сверхпроводников поручили НИИ‑9.

«Современные технические сверхпроводники, на создание которых потребовалось несколько десятков лет, представляют собой сложную композитную систему, состоящую из разнородных материалов, различающихся по физико-химическим, механическим и физическим свойствам, — поясняет Сергей Никулин, сын знаменитого материаловеда, заведующий кафедрой металловедения и физики прочности Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». — В 1960–1970‑е годы в мире не было теоретических разработок и аналитических методов конструирования таких композитов, их крайне мало до сих пор. Наряду с решением чисто научных материаловедческих задач наши ученые разрабатывали специальные технологические приемы изготовления сложных металлических композитов с уникальными свойствами».

Первые образцы сверхпроводящих проводов представляли собой одножильные проволоки из ниобий-циркониевого и ниобий-титанового сплава в медной оболочке (высокочистая медь с высокой теплопроводностью стабилизирует сверхпроводящее состояние). В 1963 году в НИИ‑9 изготовили первый полномасштабный сверхпроводник — тонкую биметаллическую проволоку из ниобий-циркониевого сплава НЦ‑50.

Позже ученые поняли, что более эффективна другая конструкция: множество сверхпроводящих волокон в медной матрице. Чтобы получить длинный провод такой структуры, надо собрать в медную или бронзовую оболочку несколько тысяч ниобий-титановых стержней. Сборку деформируют методами прессования и волочения до тонкой композиционной проволоки диаметром менее миллиметра, волокна в ней — микронного диаметра. Дело это трудное, так как механические и физические свойства компонентов очень разные, для них требуются особые режимы деформации.

Первые многоволоконные сверхпроводники получили из ниобий-титановых сплавов (они довольно пластичны). Технологию передали на Ульбинский металлургический завод (УМЗ в Усть-Каменогорске, Казахстан), где в 1965 году началось опытное производство сверхпроводников.

В 1966–1970 годах в «Девятке» продолжали экспериментировать с режимами выдавливания, волочения и термической обработки проводников с несколькими десятками тысяч волокон. Результаты внедряли на УМЗ. Однако объем выпуска оставался невысоким.

«В начале 1970‑х интерес к сверхпроводимости в различных областях потребовал создания промышленного производства, — продолжает Сергей Никулин. — Появились проекты сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в термоядерных условиях, управления заряженными частицами в мощных ускорителях. Разрабатывались сверхпроводящие линии электропередачи, двигатели, генераторы и другие агрегаты».

Бронзовый метод

В 1972 году Анатолий Никулин, будучи начальником отдела функциональных материалов института, стал научным руководителем проблемы получения технических сверхпроводников. Одна из первых заслуг ученого в новой для него области — разработка метода твердофазной диффузии для изготовления сверхпроводников на основе интерметаллидов: ниобия-олова и ванадия-галлия. Технология известна во всем мире как «бронзовый метод». «В его основе — совместное деформирование медно-оловянной или медно-галлиевой бронзы с ниобием или ванадием. В результате получается композит из тонких сверхпроводящих нитей в бронзовой матрице, — рассказывает Сергей Никулин. — При термической обработке за счет диффузионного взаимодействия на поверхности нитей образуется интерметаллическое сверхпроводящее соединение. Уже в 1972 году на УМЗ изготовили первые образцы сверхпроводников по новому методу».

Известно, что бронзовый метод разработали практически одновременно и независимо в СССР, Японии и США. Однако материалы исследований, полученные в 1971–1972 годах в «Девятке», из-за режимных ограничений опубликовали только в 1974‑м. Американские патенты датируются 1971 годом. Новый метод открыл большие возможности для создания магнитных систем с рабочими магнитными полями выше 12 Тл, что для ниобий-титановых сверхпроводников было недостижимо.

«Уже к 1975 году на УМЗ освоили производство более чем 20 типов сверхпроводников, — отмечает Сергей Никулин. — Это позволило обеспечить сверхпроводящими материалами создаваемые в СССР магнитные системы различного назначения, что вывело на новый научно-технический уровень термоядерные исследования, разработку ускорителей и магнитных технологий».

В 1979 году в Институте атомной энергии (сейчас Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт») запустили Т‑7 — первый в мире токамак с обмоткой из ниобий-титановых сверхпроводников. Испытания показали, что для питания установки потребовалась мощность в 600 раз меньше, чем для аналогичного токамака, но без сверхпроводников.

Магнит для Т‑15

В 1978 году в проекте токамака Т‑15 было решено использовать ниобий-оловянные сверхпроводники. Этот хрупкий сплав не допускает деформации растяжением более 0,5 %, что требует исключительно осторожного обращения с ним в производстве и при транспортировке. Задачу решали всем миром. Проводник делали в Усть-Каменогорске, скручивали в кабель в Ереване, наматывали на магнит в Усть-Каменогорске. «Добавим к этому, что технологию изготовления высокооловянистой бронзы и высокочистой меди для производства сверхпроводника разработали во Владикавказе, длинномерных вакуум-плотных медных труб — в Кольчугине, высокочистого ниобия — в Эстонии, — говорит Сергей Никулин. — Кроме того, была разработана специальная вакуумная печь с большим рабочем пространством и высокой однородностью температурного поля, а также габаритная оснастка для термической обработки, гальванического сращивания и транспортировки».

Масштабный проект завершился в 1988 году испытанием токамака с крупнейшим в мире сверхпроводящим магнитом. В Советском Союзе было создано первое в мире промышленное производство высококачественных ниобий-оловянных сверхпроводников. Этот опыт сыграл основную роль при выборе производителей сверхпроводников для магнитных систем Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

В 1990–2000‑е годы Анатолий Никулин руководил разработкой и изготовлением сверхпроводников для модельных катушек ИТЭР, которые на тестировании в Японии показали требуемые свойства. Институт Бочвара стал членом команды производителей сверхпроводников для ИТЭР. Позднее под руководством специалистов института и при поддержке ТВЭЛ на Чепецком механическом заводе запустили производство, где к 2014 году сделали более 200 т сверхпроводников для магнитов полоидального и тороидального поля ИТЭР.

В 77 лет Анатолий Никулин о пенсии даже не задумывался. Жил работой, жертвовал отдыхом. Скоропостижно скончался в 2003 году. У него осталось 209 дней неиспользованного отпуска.

Вспоминают сотрудники отдела функциональных материалов Института Бочвара

Анатолий Костылев
Ветеран института, в конце 1980‑х заместитель начальника отдела

— В марте 1986 года меня вызвали к начальнику отдела 420 Никулину. Он сказал, что его помощник покинул этот мир и теперь одному ему сложно справляться с отделом, и назначил меня своим заместителем. В отделе тогда было 496 человек, три лаборатории, еще одно подразделение по разработке и исследованию бериллиевых сплавов и изделий из них, а также три производственных подразделения, в которых проводились операции по обработке давлением: прессование, волочение, прокатка, ковка, — механической и термообработке различных материалов, включая радиационно активные металлы и сплавы. По сути, отдел представлял собой почти завод с оборудованием, не уступающим оборудованию промышленных предприятий.

Елена Дергунова
Ведущий научный сотрудник

— Создавая фактически новое научное направление, техническую сверхпроводимость, Анатолий Дмитриевич задумывался о том, кто продолжит эту большую науку и связанную с ней технологию. Еще в начале 1990‑х он начал сотрудничать с МИФИ и приглашал студентов на практику. На первых порах сам проводил занятия, беседовал со студентами у себя в кабинете, позже подключил нас, младших коллег, к лабораторным занятиям, лекциям. В начале 2000‑х он обратился ко мне, так как я под его научным руководством защитила диссертацию, и сказал, что из-за состояния здоровья ему сложно заниматься преподаванием. Поручил продолжить его дело. С тех пор я доцент кафедры НИЯУ «МИФИ», читаю лекции по материаловедению сверхпроводников, это стало частью моей жизни. Спасибо Анатолию Дмитриевичу за то, что он основал школу материаловедения сверхпроводящих материалов. Многие молодые специалисты приходят в наш институт и продолжают начатые им разработки.

Александр Силаев
Заместитель начальника отдела

— Большая заслуга Анатолия Дмитриевича — создание институтской производственной базы в виде опытно-экспериментального цеха с оборудованием, характеристики которого максимально приближены к промышленному производству, и самого промышленного производства сверхпроводников на УМЗ. Анатолий Дмитриевич был не только ученым, руководителем и организатором, но и моим учителем, научным руководителем кандидатской диссертации.

Игорь Губкин
Ведущий научный сотрудник

— Мне казалось, что для Никулина сверхпроводящие материалы были настоящей отдушиной. Науке в нашем направлении было посвящено все время. Даже партийные и комсомольские собрания использовались как площадка для обсуждения исследований. Фактически Никулин возглавил новое научное направление, и ответственность, которая легла на его плечи, была серьезной ношей даже для такого опытного руководителя и выдающегося ученого. Технологии новые и сложные, вопросов слишком много. Никулин постоянно ездил в Минсредмаш, что-то доказывал, о чем-то договаривался. Авторитет Никулина как ученого и руководителя в отрасли был огромен. Крепкий, умный, сильный, жесткий, но не самодур. И никаких приписок — никогда и нигде. Все всегда предельно честно.