Александр Шиков
Заместитель генерального директора ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, доктор технических наук

П

рактическое использование сверхпроводимости, физический феномен которой был открыт в 1911 году, сулит человечеству поистине революционные изменения во всех областях, связанных с производством, передачей и потреблением электрической энергии. При этом способность пропускать через квадратный сантиметр сечения проводника гигантские токи с плотностью в миллионы ампер открывает возможность создания крупномасштабных магнитных систем с высокой индукцией поля, например, для установок термоядерного синтеза и ускорительно-накопительных комплексов. Уже сегодня применение этих сверхпроводящих материалов позволяет интенсифицировать развитие наиболее перспективных областей медицины, транспорта, связи, горнорудной промышленности и других отраслей. Недаром за последние 15 лет открытия и разработки в области сверхпроводимости удостоены двух Нобелевских премий, среди лауреатов которых — российские физики Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов.
    Практическое применение сверхпроводимости стало возможным благодаря созданию специальных материалов — так называемых низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), переходящих в сверхпроводящее состояние при температурах до 25 К и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с температурой перехода до 150 К, что позволило использовать для их охлаждения жидкий азот (температура около 77 К против 4,2 К для гелия), который существенно дешевле жидкого гелия. Важнейшими параметрами, определяющими сверхпроводящее состояние, являются критическая температура, при охлаждении до которой материал переходит в это состояние, а также верхнее критическое поле и критический ток.
    В настоящее время насчитывается несколько тысяч сверхпроводящих материалов, однако в технике нашли применение лишь некоторые из них, в основном сплавы, интерметаллические соединения и сложные многокомпонентные оксиды. Среди низкотемпературных сверхпроводников такими являются деформируемый сплав Nb-Ti и интерметаллическое соединение Nb3Sn, имеющие критическую температуру около 9 и 18 К соответственно. При этом верхнее критическое поле Nb-Ti-сплавов составляет примерно 11 Тл, в то время как у соединения Nb3Sn оно более чем в два раза выше и достигает 22—23 Тл. Из высокотемпературных сверхпроводников наиболее широко разрабатываются материалы на основе соединений Y-Be-Cu-O (критическая температура 90 К) и Bi-Sr-Ca-Cu-O (критическая температура до 110 К), верхние критические поля которых превышают 190 Тл.
    Наиболее сложной проблемой использования сверхпроводимости для практических целей является выбор технологии производства сверхпроводящих материалов, большинство которых имеет сравнительно низкие механические свойства, что ограничивает использование традиционных методов деформации и затрудняет получение, например, таких изделий, как проволока или лента, которые в первую очередь нужны для технического использования. К тому же специфика эксплуатации сверхпроводящих материалов требует специальных мер для стабилизации свойств и, соответственно, защиты от механических, тепловых, магнитных и других воздействий, которые способны перевести материал в нормальное состояние. Поэтому технические сверхпроводники, как правило, являются многожильными композитами весьма сложной конструкции и сечения и могут содержать до 5—6 разнородных материалов, выполняющих функции сверхпроводящих жил, резистивных и диффузионных барьеров, стабилизирующих оболочек, прочных армирующих элементов и др.
    В большинстве случаев композиционные сверхпроводники имеют круглое или прямоугольное сечение миллиметровых размеров и содержат в металлической матрице с высокой тепло- и электропроводностью до нескольких десятков тысяч сверхпроводящих жил микронных размеров (рис. 1). Длина таких сверхпроводников может достигать нескольких десятков километров.
    Для получения композиционных сверхпроводников столь сложной конструкции потребовалось разработать, прежде всего, технологии производства их компонентов — специальных сортов высокочистой меди, ниобия, тантала, титана, оловянной бронзы, сплава Nb-Ti и других исходных материалов с высокими требованиями к составу, структуре и механическим свойствам. Так, в качестве материала матриц сверхпроводников на основе Nb3Sn необходимо использовать оловянную бронзу с содержанием олова до 13—14 % (масс.), со значительной деформацией при изготовлении композитов. Однако в цветной металлургии бронзы со столь высоким содержанием олова относятся к классу литейных, то есть практически не деформируются. Только применение специально разработанных методов вакуумной индукционной плавки, а также оснастки при изготовлении слитков диаметром до 300 мм и весом до 500 кг позволило изменить условия и характер протекания ликвационных процессов, что обеспечило высокую микрооднородность по составу олова и исключило образование эвтектоидных частиц с размерами более 100 мкм. Такие бронзы при соблюдении определенных условий уже могут быть подвергнуты требуемой деформации без разрушения.
    Новые технологии были использованы также для изготовления слитков высокогомогенных сплавов Nb с 46—50 % Ti (масс.) диаметром до 250 мм. Выбор оптимальных параметров дуговой плавки, учитывающих значительную разницу (более 700оС) температур плавления компонентов сплавов и почти двукратное различие их удельной плотности, позволил обеспечить микрогомогенность в пределах 0,5 %.
    Разработка технологии электроннолучевой плавки ниобия и тантала, обеспечивающая глубокую очистку этих металлов от примесей, позволила получить слитки этих материалов с твердостью в два раза более низкой, чем у обычных коммерческих сортов. Сверхчистая медь, применяемая в качестве материала матрицы в Nb-Ti-сверхпроводниках и в качестве стабилизирующей оболочки в Nb3Sn-сверхпроводниках, имеет показатели тепло- и электропроводности при низких температурах в 20—25 раз более высокие, чем у традиционной меди для электротехнических целей. Полуфабрикаты исходных материалов должны иметь однородную мелкозернистую структуру с тем, чтобы в составе композитов без разрушения выдержать огромные деформации.
    Технология получения самих композитов, являющаяся прецизионным многостадийным процессом (рис. 2), основана на разработке новых металлургических способов и методов обработки материалов и создании специального высокоточного оборудования. Особое внимание при изготовлении композиционных биметаллических и многожильных составных заготовок должно быть уделено чистоте поверхности ее элементов. Даже незначительное загрязнение может привести к несварке составляющих в процессе горячей экструзии, а попадание в сборку инородных частиц даже микронных размеров на стадии холодного волочения может вызвать обрыв жил и всего сверхпроводника.
    Процесс горячей экструзии является одной из важнейших операций, в процессе которой формируется заданная геометрия жил в композите и необходимая структура материалов матриц, жил и других элементов, имеющих резко различные механические свойства. Для этих целей обязательно жесткое соблюдение параметров и условий процесса, включая начальную и конечную температуру, усилие и скорость выдавливания, профиль инструмента, использование смазки и т.п., что также позволяет избежать образования на границе раздела матрица/жила твердых и хрупких частиц интерметаллидов, которые на стадиях, например, холодного волочения могут привести к хрупкому обрыву жил и всего композита.
    Процесс холодного волочения или прокатки, чередующийся с промежуточными термообработками, также является важнейшей операцией, определяющей качество сверхпроводника. Оптимальный выбор режима деформации, подбор смазок и специальный профиль фильер позволяют избежать растрескивания или обрыва сверхпроводников при уменьшении размеров их поперечного сечения, а соблюдение режимов промежуточной термообработки не только снимает наклеп и восстанавливает пластичность материалов матриц, но и, что особенно важно для Nb-Ti-сверхпроводников, формирует в материале жил структуру, благоприятную для протекания больших токов. Окончательная термообработка Nb-Ti-сверхпроводников должна завершить формирование в сплаве мелкодисперсных частиц -титана определенных размеров с заданной плотностью распределения, которые и обеспечивают высокую токонесущую способность.
    В процессе окончательной термообработки NbSn-сверхпроводников материал жил ниобий взаимодействует с оловом из бронзовой матрицы с образованием слоя сверхпроводящего соединения Nb3Sn, при этом содержание олова в матрице снижается. Двойной ниобий-титановый барьер препятствует диффузии олова в стабилизирующую медь, сохраняя ее высокие свойства.
    С целью формирования сильноточных элементов, в том числе для погружных и циркуляционных магнитных систем, используются методы, включающие плетение и скрутку единичных сверхпроводников, а также их гальваническое сращивание медью или пайку.
    Очевидно, что успешную разработку сверхпроводящих композиционных материалов, компоненты которых часто имеют нанометрические размеры, а также создание технологий их получения невозможно осуществить без комплексного исследования состава, структуры, сверхпроводящих, теплофизических, механических и других свойств с применением самых современных методов анализа, включая металлографический, микрорентгеноспектральный, рентгеноструктурный, электронномикроскопический.
    Разработка технологий получения сверхпроводников с середины 60-х годов проводилось во ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара, а во ВНИИ кабельной промышленности — получение с их использованием транспонированных сверхпроводящих токонесущих элементов. Эта работа велась в тесном сотрудничестве с институтами ИАЭ им. И.В. Курчатова, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ИФВЭ, осуществлявшими создание уникальных магнитных систем, главным образом в интересах атомной науки и техники.
    Первыми сильноточными техническими сверхпроводниками, которые в конце 60-х – начале 70-х годов нашли наибольшее практическое применение, стали Nb-Ti-сверхпроводники. Они содержали в медной матрице не более десятков Nb-Ti-жил размером 100 и более микрон. Критическая плотность тока таких материалов в поле 5 Тл при 4,2 К не превышала 1,2—1,3х105А/см2, однако была достаточна, чтобы с их использованием изготовить лабораторные испытательные стенды, для создания магнитных полей до 10 Тл.
    Накопление опыта конструирования и испытания сверхпроводников на основе сплава Nb-Ti позволяло постепенно переходить к созданию все более сложных и масштабных систем. Значительным шагом в этом явилось успешное применение Nb-Ti-сверхпроводников для сооружения в конце 70-х годов первой в мире магнитной системы тороидального поля установки «Токамак-7» для исследований в области управляемого термоядерного синтеза.
    Следующим крупным этапом, позволившим существенно улучшить эксплуатационные свойства Nb-Ti-сверхпроводников, явилась разработка в начале 80-х годов материалов для ускорительно-накопительного комплекса в Серпухове. Этот сверхпроводник диаметром 0,8 мм содержал в медной матрице около 2900 Nb-Ti-жил диаметром 10 мкм и обладал критической плотностью тока 2,5х105А/см2 в поле 5 Тл.
    В последующем были разработаны сверхпроводники на основе Nb-Ti разнообразных конструкций, размеров и форм и с их использованием созданы установки «Гиперон-1» для исследований физики высоких энергий, «Лин-5» для изучения накопления и устойчивости плазмы в открытых ловушках, синхронный генератор мощностью 20 МВА, магнитные системы для морского и высокоскоростного наземного транспорта, медицинских ядерно-магнитных резонансных томографов, индуктивных накопителей энергии, линий электропередач, трансформаторов, токоограничителей и многих других устройств.
    В настоящее время российские специалисты являются участниками крупномасштабного проекта по созданию международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, в сооружении которого, кроме России, планируют принять участие Япония, страны ЕС, США, а также Китай и Корея. Сверхпроводники на основе сплава Nb-Ti с еще более высоким уровнем свойств будут использованы для создания обмоток полоидального поля, для чего потребуется совместно выпустить более 240 т этого материала. Во ВНИИНМ по международным стандартам уже изготовлено более 400 кг сверхпроводников на основе сплава Nb-Ti (рис. 3), которые после скручивания в кабель во ВНИИКП отправлены в Европу для изготовления и испытания модельных токонесущих элементов. Этот сверхпроводник диаметром 0,7 мм содержит в медной матрице около 5000 ниобий-титановых жил диаметром 6 мкм и имеет критическую плотность тока 2,7—2,9х105А/см2 в поле 5 Тл. В лабораторном масштабе уже изготовлены Nb-Ti сверхпроводники близких конструкций, критическая плотность тока которых превышает 3,0х105А/см2.
    Интенсивная разработка технических сверхпроводников на основе соединения Nb3Sn, получаемых по уже упоминавшейся выше «бронзовой» технологии, пришлась на 70-е годы. Первыми устройствами, созданными с их использованием, были лабораторные соленоиды, позволяющие генерировать поля величиной 12—13 Тл при достаточно высоких показателях конструктивной плотности тока. Поэтому сверхпроводящие токонесущие элементы на основе Nb3Sn, в которых конструктивная плотность тока сверхпроводников превышала 5,2х10А/см в поле 8 Тл были использованы в 1978 году для создания обмоток тороидального поля крупнейшей в мире магнитной системы установки «Токамак-15», которые дали хорошие результаты при испытаниях. В значительной степени на основе этого опыта в начале 90-х годов уже в международном проекте ИТЭР также было принято решение об использовании Nb3Sn-сверхпроводников для создания центрального соленоида и обмоток тороидального поля.
    По результатам международного тендера ВНИИНМ, ВНИИКП, НИИЭФА при участии ВЭИ получили право разработать и выпустить около тонны единичных сверхпроводников на основе Nb3Sn и создать с их использованием токонесущие элементы (рис. 4) для модельной катушки вставки высотой 5 м и диаметром 2 м, успешно испытанной в рамках этого уникального проекта в Японии. Конструктивная плотность тока Nb3Sn-сверхпроводников в поле 12 Тл составила более 6х104А/см2, что в три раза превышает токонесущую способность этого материала в «Токамаке-15».
    Для достижения еще более высокой конструктивной токонесущей способности, превышающей 2х105А/см2 в поле 12 Тл, разработаны сверхпроводники с внутренним источником олова (рис. 5), что позволяет получать в сечении композита большое количество сверхпроводящей фазы Nb3Sn. Особенностью термообработки таких сверхпроводников является наличие определенных температурных ступеней, которые обеспечивают твердожидкое состояние матрицы в процессе отжига, что, несмотря на достаточно высокое содержание легкоплавкого олова, не приводит сверхпроводник к расплавлению.
    Планируется, что России для проекта ИТЭР будет поручено выпустить в течение 4—5 лет более 200 т сверхпроводников на основе сплава Nb-Ti и соединения Nb3Sn. В настоящее время для выпуска таких сверхпроводников в соответствии с федеральной целевой программой «Международный термоядерный экспериментальный реактор ИТЭР» на Чепецком механическом заводе (г. Глазов), крупнейшем предприятии корпорации «ТВЭЛ», при научном руководстве ВНИИНМ создается широкомасштабное производство сверхпроводников мощностью более 60 т/год, которое и обеспечит выполнение этого уникального проекта и позволит осуществлять поставки для других отечественных и зарубежных потребителей.
    Работы по получению композиционных высокотемпературных сверхпроводников были начаты во ВНИИНМ, как и в ведущих зарубежных фирмах, с момента открытия этого вида сверхпроводимости. В результате большого объема экспериментальных работ, связанных с исследованием синтеза сверхпроводящих керамик, их взаимодействием с материалами матрицы, деформируемостью порошков в металлических оболочках, изменением состава и структуры сверхпроводящих фаз в процессе термообработки, были получены многожильные ВТСП на основе висмутовой керамики. Такие сверхпроводники диаметром 0,5—0,6 мм, или сечением 0,25х3,1 мм2, длиной до 1 км, содержащие в матрице из серебра несколько сотен керамических жил, способны обеспечить критическую плотность тока до 4х104А/см2 в собственном поле при 77 К (рис. 6). Из таких сверхпроводников совместно с ИАЭ, МАИ, ИФВЭ, ВНИИКП, ВНИИэлектромаш уже изготовлены первые модели соленоидов, криогенераторов, криодвигателей, токовводов, отрезков линий электропередачи, токоограничителей, трансформаторов и других изделий. На этой основе была создана серия криогенных электромашин различного типа и назначения мощностью до 100 квт. Испытания показали, что машины при температурах жидкого азота (77 К) имеют в 3—4 раза более высокие удельные параметры по сравнению с аналогами из традиционных материалов. Весьма перспективными являются также ленточные ВТСП с покрытием на основе иттриевой керамики, которые разрабатываются в настоящее время.
    Большой интерес представляет новый, не имеющий аналогов в мире, тип сверхпроводников на основе керамического композита в виде листа, который может быть использован не только для пропускания высоких транспортных токов, но и, прежде всего, в качестве эффективного магнитного экрана, так необходимого для целого ряда применений.
    Вместе с тем следует отметить, что, несмотря на уникальность физического феномена высокотемпературной сверхпроводимости, для ее широкого внедрения в технику потребуется не менее 20—25 лет. По экспертным оценкам, в 2005—2010 годах разработка технологий и соответствующее снижение стоимости исходных компонентов, связанное с ростом масштаба потребления, обеспечат создание необходимого технико-экономического базиса для рынка высокотемпературной сверхпроводящей электротехники. Наибольший рост прогнозируется в электроэнергетике, медицине и телекоммуникациях. Другие области возможного применения ВТСП-электромашин — промышленный привод в криоэнергетике, высокоскоростной наземный транспорт, аэрокосмическая техника, обогащение руд, промышленная очистка воды, привод скоростных центрифуг, текстильная промышленность.
    По зарубежным оценкам, к 2010 году рынок традиционных низкотемпературных сверхпроводников будет развиваться устойчиво и составит не менее 3,6 млрд евро, а рынок ВТСП-материалов достигнет 1,6 млрд евро. В дальнейшем темпы развития рынка сверхпроводящих материалов могут составить около 15 % в год с вероятным опережающим развитием высокотемпературных сверхпроводников.