Километры науки

Российские сверхпроводники лежат в основе гигантских магнитов мощных ускорительных установок ИТЭР, NICA, FAIR и др. ТВЭЛ — один из немногих глобальных игроков, чьи километры стрендов снабжают мегасайенс-проекты по всему миру. Компетенции развиваются: на очереди высокотемпературные сверхпроводники, которые нужны для создания компактных термоядерных систем. А начиналось все с советских токамаков.

Магнитное удержание плазмы

Еще в середине прошлого века советские ученые выдвинули идею удержания плазмы с помощью магнитных полей. Для их создания были разработаны магниты на сверхпроводниках, тогда еще низкотемпературных. Это способствовало развитию отечественной школы низкотемпературных сверхпроводников (НТСП). Для токамаков Т-7 и Т-15 в Институте Бочвара разработали материалы на основе пластичного сплава NbTi (ниобий-титан) и хрупкого Nb₃Sn (станнид ниобия) и создали методики измерения их электрофизических свойств при температурах, близких к абсолютному нулю.

Для магнитной системы ИТЭР производство низкотемпературных сверхпроводников поручили Чепецкому механическому заводу (ЧМЗ) в Глазове.

Как создается супернить

Стренд — это композитная проволока, внутри которой прячутся тысячи сверхпроводящих волокон. В случае NbTi-стрендов стержень из ниобийтитанового сплава скрывают под слоем ниобия и прячут в медный чехол, после чего полученную сборку многократно прессуют и вытягивают, пока диаметр отдельных волокон не уменьшится до микрометров.

Наиболее сложен в изготовлении ниобийоловянный стренд. Интерметаллид Nb₃Sn хрупок, как стекло, поэтому его нельзя волочить. Чтобы обойти эту проблему, сначала создается многослойная основа. Для этого инженеры придумали два подхода: бронзовый метод, при котором ниобий помещен в бронзовую матрицу с оловом, и метод внутреннего источника олова, при котором олово, медь и ниобий объединяют в композит. И только в готовом проводе при нагреве образуется сверхпроводниковая фаза.

Сверхпроводящие ниобийтитановые и ниобийоловянные проводники — многожильные композиты диаметром от 0,1 до 6 мм, длиной от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров. В один провод помещается до 19 тыс. волокон, каждое из которых тоньше человеческого волоса в 10 раз. Достичь таких параметров помог симбиоз накопленных знаний, самоотверженной работы сотрудников и современной исследовательской и опытно-промышленной базы Бочваровского института.

Главный вызов для инженеров, которые разрабатывают сверхпроводниковые стренды, — создание изделий, в которых дефекты не встретить на протяжении километров, а также обеспечить воспроизводимость качества от партии к партии.

Глобальные проекты

23 апреля 2009 года на ЧМЗ запустили промышленное производство сверхпроводников. Для этого закупили более 100 единиц новейшего оборудования. За первые пять лет завод выпустил 61 тыс. км стрендов весом более 200 т.

Для ИТЭР потребовались проводники на основе Nb₃Sn. Российские разработчики справились: стренд ЧМЗ был признан эталоном для всех участников проекта. Позже на ИТЭР было поставлено 56 тыс. км таких сверхпроводящих материалов. Для понимания: такой длины хватит, чтобы полтора раза опоясать Землю вокруг экватора. Стоит добавить, что удерживающая плазму магнитная система на сверхпроводниках — это самая сложная и самая дорогая система в ИТЭР.

Для проекта FAIR в Германии поставили NbTi-стренды. Российская продукция выиграла международный тендер благодаря рекордной токонесущей способности. Обязательства были выполнены в 2015 году.

Позднее велись переговоры с Европейской организацией по ядерным исследованиям по модернизации Большого адронного коллайдера и Кольцевого коллайдера будущего (FCC). Российские ученые разработали необходимые технологии под требования проекта, такие как создание внутреннего источника олова, в кратчайшие сроки — всего за пять лет.

Для коллайдера NICA в Дубне Бочваровский институт разработал конструкции и технологии стрендов, которые также были изготовлены на ЧМЗ.

За пределами термояда

НТСП нужны не только физикам. Они же являются основой магнитно-резонансных томографов, необходимых науке ЯМР-спектрометров, сверхпроводниковых накопителей энергии и токоограничителей, в мощных импульсных магнитах для науки и промышленности.

Сегодня производство сверхпроводников на ЧМЗ временно приостановлено, но уникальное оборудование и опытная команда могут быть полезны в новых наукоемких проектах. На данный момент мощности завода переориентированы на выпуск титановой сварочной проволоки для авиа- и судостроения, прутков из сплавов титана для медицины, а также проволоки для аддитивных технологий — трехмерной печати металлами.

Новый горизонт — высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Бочваровский институт осваивает ВТСП второго поколения и исходные материалы для них, которые могут использоваться для перспективных магнитных систем.