Поиск - новости науки и техники

Наукоемкий бублик. Отечественные физики решили уникальную по сложности задачу.

Непосвященному в таинства микромира такое даже представить трудно, не то что понять, как это сделать. Судите сами. В середине 90-х годов прошлого столетия сотрудники Курчатовского института, ВНИИНМ им. академика А.А.Бочвара, еще нескольких научных организаций страны отправились в Японию испытать свои силы в невиданном доселе конкурсе. Вызов приняли 17 лучших мировых фирм. Цена победы была чрезвычайно высока – участие в уникальном международном проекте экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР), инициатором создания которого стал президент Курчатовского института академик Е.Велихов. Вступительный экзамен был под стать проекту: конкурсантам предлагалось изготовить сверхпроводник – проволочку диаметром 0,7-0,8 миллиметра, содержащую до 10 тысяч волокон, диаметр каждого приблизительно 2 микрона. (Сравнивать с человеческим волосом рука не поднимется – его толщина 50-60 микрон). Длина же всех 10 000 сверхпроводниковых жил должна достигать 18-20 километров.
Среди тех, кто отправился в Японию защищать честь страны, был и Александр Шиков, на тот момент директор металлургического направления бочваровского института, сегодня – заместитель директора Курчатовского НБИК Центра (Центр нано-, био-, информационных и когнитивных технологий), начальник научно-технологического комплекса сверхпроводимости этого центра, доктор технических наук, профессор МИФИ:

– К конкурсу вернемся обязательно, – говорит Александр Константинович, – но сначала предыстория. В этом году исполнилось 100 лет со дня открытия явления сверхпроводимости. Авторство принадлежит голландскому физику Х.Камерлинг-Оннесу. При охлаждении ртути до температуры минус 269 градусов по Цельсию сопротивление электрического тока исчезло, став равным нулю. Это и есть сверхпроводимость. В течение 50-60 лет физики наблюдали ее и в других материалах. Но воспользоваться открытием стало возможным в начале 1960-х годов, когда ученые приблизились к созданию сверхпроводящих материалов, сохраняющих токонесущую способность в высоких магнитных полях. Перед индустриальной физикой, как говорят специалисты, открывались необыкновенные перспективы.
Магнитное поле играло решающую роль в создании ускорителей, где ученые изучали процессы деления вещества при столкновении ядер и частиц. В установках термоядерного синтеза реакции происходят при колоссальных температурах – более 100 миллионов градусов. И удержать плазму по силам лишь магнитному полю. Так появились установки токамак, впервые в мире созданные в Курчатовском институте.
Однако обмотки магнитных систем этих установок невозможно сделать из традиционных материалов, скажем меди или алюминия. В этом случае сечение проводов стало бы неоправданно большим, а значит, и вся конструкция достигла бы огромных размеров. Тогда и возникла идея заменить традиционные электротехнические материалы сверхпроводниками. Впервые стало возможным через сверхпроводящее вещество сечением порядка 1 кв. см пропустить миллионы ампер, а при известных условиях даже десятки миллионов.
В конце 1960-х Курчатовский институт вместе с ВНИИНМ им. академика А.А.Бочвара впервые разработал композиционные материалы на основе сплавов ниобий-цирконий и ниобий-титан, а затем и соединений Nb3Sn и V3Ga. Так в Курчатовском институте появились установки термоядерного синтеза Токамак-7 на ниобий-титановых сверхпроводниках и Токамак-15 на ниобий-оловянных сверхпроводниках, которые были примером первого в мировой практике крупномасштабного использования этих материалов в столь сложных устройствах. Это был первый и очень важный шаг на пути к строительству термоядерных электростанций – фактически неисчерпаемого источника энергии. Во многом благодаря успешному испытанию этих материалов в СССР международное сообщество приняло решение использовать сверхпроводники при сооружении установки ИТЭР. С конца 1980-х годов курчатовцы принимают участие в этом международном проекте.
Представьте исполина приблизительно 50 метров в высоту и столько же в ширину. Человек рядом с такой махиной просто незаметен. Сверхпроводники в ней применяются для обмоток тороидального поля – “бублика”, внутри которого находится плазма, а также для обмоток полоидального поля, которое корректирует ее положение. Поля и удерживают плазму, чтобы она не расплавила конструкции при соприкосновении с ними. Ведь температура, напомню, более 100 миллионов градусов. Но для ИТЭР требовались сверхпроводники с небывалым уровнем свойств. Никто в мире с подобной задачей еще не сталкивался. Тогда и родилась идея международного конкурса. По его условиям, претендентам нужно было изготовить образцы сверхпроводников и разослать для тестирования в 10 наиболее авторитетных лабораторий мира.
Насколько сложной была поставленная перед участниками задача, можно судить по результату: из 17 самых продвинутых в этой области фирм лишь четырем удалось полностью справиться с ней. Победители представляли Россию, Германию, Японию и США (неплохая компания, согласитесь!), позднее к ним присоединились Китай и Корея. Наши сверхпроводники признали одними из лучших.
– Почему не один лидер из лидеров, а несколько?
– Проблема не только в достижении чрезвычайно высоких технических параметров, но и в количестве сверхпроводникового материала: И ТЭР нужно ни много ни мало около 700 тонн. Ни одна даже развитая страна в одиночку не справится с такими объемами. Россия удостоилась права изготовить приблизительно 1/3 всего объема – 220 тонн. Этот крупный заказ – признание огромного вклада нашей страны в строительство реактора. (А мне, в шутку, конечно, руководство проекта присвоило звание “Мистер сверхпроводимость ИТЭР”).
– Освоить изготовление материала было, наверное, не менее трудной задачей?
– Безусловно. Ведь предстояло не только создать комплексное производство сверхпроводящей проволоки и исходных материалов для нее, но и кабеля, содержащего более 1000 проволок, помещенного затем в вакуум-плотную трубу из нержавеющей стали, по которой должен циркулировать охлаждающий гелий. Длина такого токонесущего элемента достигает более 760 метров, а вес – около 10 тонн.
В течение семи лет на ОАО “Чепецкий механический завод” в Глазове (Удмуртия) было создано производство сверхпроводников на основе Nb3Sn и Nb-Ti, а также исходных материалов – ниобия, оловянной бронзы, сплава Nb-Ti, полуфабрикатов из сверхчистой меди. С середины 2009 года уже выпущено более 80 тонн этой наукоемкой продукции, соответствующей высоким международным стандартам ИТЭР.
Курчатовский институт обеспечил это производство методиками и оборудованием для контроля качества выпускаемой продукции. ВНИИ кабельной промышленности разработал технологии нанесения на сверхпроводники тонких покрытий из хрома и никеля, улучшающих эксплуатационные характеристики этих материалов, технологии получения сверхпроводящего кабеля и затягивания его в трубу из нержавеющей стали. Эти производства также вошли в строй в Подольском отделении
ВНИИКП и на территории ИФВЭ, который теперь входит в НИЦ “Курчатовский ин-
ститут”.
Эти предприятия вместе с НИИЭФА им. Д.В.Ефремова изготовили токонесущие элементы и экспериментальные катушки-вставки, моделирующие обмотки магнитного поля, которые успешно прошли испытания в Швейцарии и Японии.
В настоящее время подписаны контракты на поставку из России во Францию 28 токонесущих элементов на основе Nb3Sn и 39 кабелей на основе Nb-Ti, их отправка начата после успешных испытаний на специально созданных по международным стандартам в НИЦ “Курчатовский институт” стендах.
– Какие материалы для этого потребовались, оборудование, цеха?
– Нужны были не просто, скажем, медь или ниобий, а сверхчистые металлы, чтобы обеспечить им необыкновенную пластичность. Ведь необходимо было получить в металлической матрице сверхтонкие “жилки”, не имеющие обрывов, длиной до 20 км. Но мало получить такие “жилки” целыми. Надо обеспечить им специальную наноструктуру, которая позволяла бы достичь высокой токонесущей способности. Сегодня о нанотехнологиях кто только ни говорит, а мы уже тогда понимали: без создания в сверхпроводнике наноструктуры достичь поставленной цели будет невозможно.
Производство сверхпроводников размещается в нескольких цехах Чепецкого механического завода, где установлено специально разработанное оборудование: электронно-лучевые, дуговые, индукционные печи для производства сверхчистых исходных материалов и всевозможные прессы, станы и печи для деформации и термообработки сверхпроводников. Примерно 95 процентов оборудования поставили иностранные фирмы. Но ничего зазорного в этом я не вижу – ведь главное, как его использовать. Важно, что сегодня Россия обладает самым современным промышленным производством изготовления низкотемпературных сверхпроводников. Современное зарубежное оборудование применяется и для производства кабеля и токонесущего элемента, а также для контроля их качества.
– Приближают ли достижения Курчатовского и других институтов пуск экспериментального термоядерного реактора?
– Строительство на юге Франции (в городке Кадараш под Марселем) идет полным ходом. Поставка наших сверхпроводящих материалов осуществляется точно в срок. Их качество, как свидетельствует авторитетная международная комиссия, периодически работающая на Чепецком механическом заводе, во ВНИИКП и в Курчатовском институте, отвечает самым высоким требованиям.
– Применение супертехнологии ограничивается только ИТЭР?
– Нет, конечно. Одна зарубежная компания испытала наши сверхпроводники и готова закупить около 100 тонн материала для производства медицинских томографов. Это коммерческий проект: возможности приборов останутся на прежнем уровне, но они станут более надежными, а их цена будет несколько ниже. Используя нашу технологию, мы научились получать и другие уникальные композиционные материалы. Один такой материал обладает прочностью стали и при этом сохраняет электропроводность, близкую к меди. Идея создания таких наноструктурных материалов, содержащих 450 млн волокон из ниобия в медной матрице сечением 4х6 мм2, также принадлежит Курчатовскому институту, а технология изготовления разработана во ВНИИНМ. Перспективы применения огромные. Из них, например, можно делать соленоиды для импульсной штамповки металла особо сложной конфигурации. Наш высокопроизводительный метод превосходит все существующие и обеспечивает более высокое качество продукции. Применить этот материал можно всюду: в электротехнической и автомобильной промышленности, в авиации и космонавтике, на водном транспорте.
Новые материалы дадут огромную экономию при строительстве ЛЭП, особенно в труднодоступных районах и на Крайнем Севере. Прочность проводов будет в разы выше существующих, они, в частности, выдержат большое налипание снега. Механические свойства этого композита позволят также значительно увеличить расстояние между опорами. Еще одна важная область применения – высокоскоростной железнодорожный транспорт. При скорости свыше 250 км в час контактная сеть начинает вибрировать с такой силой, что разрушается. А благодаря нашим материалам долговечность сети повысится в семь-восемь раз.
– Вы преподаете в МИФИ. Студентам интересны эти исследования и разработки?
– Да. В этом году мы открыли кафедру прикладной сверхпроводимости (я стал ее заведующим). В Курчатовском институте мы читаем лекции студентам, здесь они проходят практику. И фундаментальные исследования, и технологии новых материалов их чрезвычайно увлекают. Потому что ребята видят конечный результат всех наших проектов. Производит на них впечатление и современное оборудование, на котором мы работаем. Кстати, сейчас оно еще значительно обновляется. Появляются приборы (цена некоторых из них достигает миллионов евро). Их разрешающая способность такова, что мы, например, видим атомы. Совершенная аппаратура позволяет на более высоком уровне изучать вещества, добиваться высочайших результатов.
– И в каких направлениях идут исследования?
– Использование высокотемпературных сверхпроводников, способных терять сопротивление при температуре более дешевого и доступного жидкого азота (авторы этой выдающейся работы удостоены Нобелевской премии 1987 года), приведет к созданию еще более эффективных электроэнергетических систем. Но получить эти сверхпроводники, являющиеся керамиками, в виде обмоточных материалов с высокой токонесущей способностью – непростая задача для всех лабораторий мира. Этот прорыв без преувеличения сулит революционные преобразования в электротехнике. Станет возможным, например, прокладывать более высокоэкономичные линии электропередачи, выпускать более эффективные генераторы и малогабаритные электромоторы. Совсем недавно по инициативе директора НИЦ “Курчатовский институт” члена-корреспондента РАН М.Ковальчука совместно с ГК “Росатом” и Минэнерго была разработана и утверждена в рамках Комиссии Президента России по модернизации и экономическому развитию страны Программа “Сверхпроводниковая индустрия”. Она ставит задачу разработки технологий получения высокотемпературных сверхпроводников и создания опытного производства этих материалов, а также опытных производств различных электроэнергетических устройств, изготовленных с их использованием. В ее осуществлении Курчатовский институт также играет ключевую роль.

На фото:

1. Стенд для вакуумных и гидравлических испытаний токонесущего элемента на основе Nb3Sn в НИЦ “Курчатовский институт”

2. Поперечное сечение токонесущего элемента ИТЭР в оболочке из нержавеющей стали диаметром 42 мм

Юрий Дризе
Фото Юрия Макарова

Нет комментариев