Школа по прикладной сверхпроводимости Rambler's Top100
РФФИ        Российский фонд фундаментальных исследований - самоуправляемая государственная организация, основной целью которой является поддержка научно-исследовательских работ по всем направлениям фундаментальной науки на конкурсной основе, без каких-либо ведомственных ограничений
 
На главную Контакты Карта сайта
Система Грант-Экспресс
WIN-1251
KOI8-R
English
Rambler's Top100
 

ШКОЛА ПО ПРИКЛАДНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

Л.С. Ширшов
Лаборатория высокополевых магнитов ИФВЭ

В последнюю неделю мая 1998 г. на базе отдыха "Курчатовец", расположенной вблизи г. Протвино, прошла Школа по прикладной сверхпроводимости. Организованная Институтом сверхпроводимости и физики твердого тела (ИСФТТ) Российского Научного центра "Курчатовский институт" (РНЦ КИ) школа привлекла внимание 25 организаций России и зарубежья. Свыше 80 участников учебного процесса представляли как старшее поколение, так и молодежь, пробующую силы на ниве сверхпроводимости.

Открывая занятия, председатель Оргкомитета школы профессор В.Е.Кейлин (зам. директора ИСФТТ) пожелал ученикам и учителям плодотворного обмена знаниями и идеями. Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году Х.Камерлинг-Оннесом в процессе измерения проводимости ртути при низких температурах. Это фундаментальное открытие было неожиданным и в какой-то степени случайным, никто и не предполагал в те времена, что могут быть проводники без сопротивления. Первое краткое сообщение о новом эффекте называлось "О неожиданном изменение скорости, с которой исчезает сопротивление". Термин сверхпроводимость появился позже, и теоретикам потребовалось много десятилетий на объяснение этого загадочного явления.

Но совсем не случайно через 65 лет после открытия Камерлинг-Оннеса состоялась первая отечественная школа по сверхпроводимости, которая прошла в подмосковном Звенигороде. К этому времени сверхпроводимость из явления экзотического перешла в фазу индустриального применения, в первую очередь в физике высоких энергий. Вторая школа состоялась в 1979 году на базе отдыха Цахкадзор, расположенной в горах Армении. Затем хлопоты по организации взял на себя Курчатовский институт. После пятилетнего перерыва школы возобновили в 1996 г. Финансовую поддержку в последние годы оказывают РФФИ и Миннауки.

Работу школы открыл доклад "Перспективы исследований в сильных магнитных полях", который сделал д.ф.-м.н. Е.П. Красноперов (Курчатовский институт). Первые работы по достижению импульсных магнитных полей высокой напряженности относятся к началу 30-х годов. Петр Леонидович Капица создал установку в Кембридже, в Кавендишской лаборатории Э.Резерфорда, на которой с помощью ударного мотор-генератора был достигнут рекордный на тот период уровень поля 30 Тесла.

Фрэнсис Биттер в 1936 г. предложил конструкцию дискового соленоида, создающего стационарное магнитное поле, который известен сейчас под названием "биттеровского". Отличие магнита от прежних заключалось в том, что использовались штампованные медные диски с отверстиями для протока охлаждающей воды и радиальной прорезью, которая позволяла стопку таких дисков соединять в виде спирали, используя слюдяные пластины в качестве изолятора. Распределение тока в медных дисках обратно пропорционально расстоянию от центра. Для получения поля индукцией 10 Тл с электростанции подавалась мощность 1,7 МВт. Для отвода выделяемого тепла требовался расход воды 50 л/с.

В нашей стране работы по получению импульсных магнитных полей ведутся в Красноярске. Для кратковременного получения больших магнитных полей выгодней использовать водоохлаждаемые магниты, а преимущества сверхпроводящих установок возникают в области стационарных полей. Но возможно и объединение этих магнитных систем разного типа в одной установке.

Kомбинированный соленоид, в котором внутренняя секция биттеровского типа из медных дисков oхлaждается водой, а внешняя обмотка выполнена на основе сверхпроводящего сплава NbTi, был испытан в ИАЭ имени И.В.Курчатова в 1972 г. Медный соленоид биттеровского типа создает поле 17 Тл, а суммарная индукция магнитного поля в центре достигает 25 Тл. Публикация об этой уникальной установке, изготовленной в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) им. Д.В. Ефремова, была сделана в 1976 г., а создатели были отмечены Государственной премией. В настоящее время проводится модернизация оборудования с целью получения магнитного поля 30~Тл на основе комбинации сверхпроводящих обмоток, выполненных из материала Nb3Sn и Nb-Ti-Ta.

Доклад "Сверхпроводящие магнитные системы ИТЭРа" сделал к.т.н. С.А.Егоров - сотрудник НИИЭФА им.Д.В.Ефремова (С.- Петербург) и один из редакторов журнала Cryogenics. Закончен эскизный проект Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Сейчас идет техническое проектирование систем реактора, в котором принимают участие специалисты Японии, России, США и стран Европейского союза под патронажем Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).

В результате проводимых работ необходимо подтвердить техническую возможность использования управляемого термоядерного синтеза как безопасного и экологически чистого источника энергии.

Идея магнитной термоизоляции плазмы, выдвинутая в начале 50-х годов академиками А.Д.Сахаровым и И.Е.Таммом, нашла воплощение в установках типа токамак. Токамаки первых разработoк представляли большой трансформатор с железным сердечником. Многовитковая первичная обмотка индуцировала ток вдоль плазменного тороида, играющего роль вторичной обмотки. В последующем росли габариты установок, а конструкции становились сложнее. В нескольких токамаках были использованы сверхпроводящие обмотки катушек тороидального магнитного поля, так обмотки отечественного токамака Т-15 были изготовлены из перспективного Nb3Sn, а обмотки токамака Tore-Supra (Франция) из NbTi, охлаждаемого сверхтекучим гелием.

Магнитная система ИТЭР будет содержать центральный соленоид, создающий магнитное поле 12~Т, а также обмотки тороидального и полоидального поля. Тороидальные катушки будут опираться на соленоид, размещенный в центральной области тороида, и обхватывать его конструкцию, дополнительно выполняя функции бандажа. Обмотка соленоида будет выполнена на основе Nb3Sn, а другие катушки будут изготовлены на базе NbTi.

О разработке оборудования и создании сверхпроводящего кабеля в оболочке из инкаллоя для проекта ИТЭР сообщил В.Е. Сытников из Всероссийского научно-исследовательского института кабельной промышленности (ВНИИКП), расположенного в г.Подольске. Представляя докладчика, В.Е.Кейлин вспомнил, что на первой школе по сверхпроводимости в 1976 г. он был самым молодым участником, а в настоящее время доктор технических наук В.Е.Сытников является ведущим специалистом и координатором в международном сотрудничестве по использованию сверхпроводимости в проекте ИТЭР.

Доклад "Проводники типа "Cable-in-Conduit" для Международного термоядерного реактора (ИТЭР)" был посвящен особенностям конструкции сверхпроводящего кабеля и разработке оборудования для промышленного изготовления токонесущего элемента. Для самой большой обмотки ИТЭР требуется 870 т сверхпроводника, наиболее длинный отрезок кабеля составляет 1,4 км. Задача по изготовлению материала может быть решена содружеством стран, владеющих высокими технологиями.

Докладчик отметил, что вблизи Подольска создана уникальная линия для затягивания сверхпроводящего кабеля в оболочку. При разработке оборудования ставилась задача обеспечить погружение кабеля в трубу диаметром 40 мм (толщина стенки 1 мм). При небольшом свободном пространстве (зазор около 1 мм) на длине 1 км необходимо "вставить нитку" с усилием не более 9 тонн. Причем, исключалось использование смазки, которая при последующем отжиге может оказать негативное влияние на характеристики материала.

Для избежания возможных изгибов трубы, что может привести к резкому возрастанию трения, юстировка системы производилась с помощью лазера. "Нитку" длиной 860 м удалось вправить с усилием около 3 т в оболочку из сплава инкаллой-908 (основную часть которого составляют Ni и Fe, с небольшими добавками Al и Ti). Подобная линия имеется в Италии, но длина ее значительно уступает созданной в Подольске.

К.т.н. П.И. Долгошеев (заведующий лабораторией ВНИИКП) сделал доклад "Длинномерные ВТСП материалы для транспорта переменного тока и результаты испытаний модели кабеля". При передаче электроэнергии в существующих системах теряется до 10%, что порождает "блуждающие токи" и нарушает экологию среды. Начало экспериментам по использованию сверхпроводимости для передачи электроэнергии было положено в 30-е годы, но реальная возможность появилась после открытия жестких сверхпроводников второго рода.

В 70-е годы приступили к использованию для этих целей Nb3Sn, а наиболее последовательны в решении этой задачи Брукхейвенская национальная лаборатория (BNL, USA) и ВНИИКП, где созданы испытательные стенды и ведутся работы по созданию длинномерных кусков кабеля. Основную трудность составлял ввод тока в низкотемпературную среду. Для решения этой проблемы в Подольске были разработаны сверхпроводящие трансформаторы на ток 9 кА и 120 кА (1986 г.). Высокая стоимость сверхпроводящего кабеля, большая цена жидкого гелия и сложное криогенное оборудование привели к угасанию интереса к использованию низкотемпературных сверхпроводников для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в 1986 г. возродило интерес к данной сфере использования материалов без сопротивления. Получение длинномерных кусков ВТСП кабеля, работающего при температуре жидкого азота (77 К), сулило значительный выигрыш при передаче электроэнергии на большие расстояния за счет снижения джоулевых потерь при небольших затратах на охлаждение линии передачи.

Но в связи с реформами, проходящими в экономике нашей страны, и неустойчивым финансированием исследовательских работ за истекший период больших достижений не было. На сегодняшний день создан ВТСП кабель, пропускающий до 1,5 кА, но ток в кабеле вытесняется в наружные слои, где плотность тока становится повышенной. Неравномерное распределение тока приводит к тому, что внутренние слои не работают и следует менять конструкцию кабеля.

И.И.Акимов из Всероссийского научно-исследовательского института неорганических материалов (ВНИИНМ) им. А.А. Бочвара (Москва) сделал обзор "Современные высокотемпературные сверхпроводники". Сейчас в повестке дня стоит задача не гнаться за рекордами в отдельных образцах, а создать технологию изготовления ВТСП материалов. Первым реальным применением ВТСП стал дисковый электродвигатель мощностью 2,5 кВт. Планируется продолжить работы по созданию массивных изделий на базе иттриевой керамики для гистерезисных электродвигателей большей мощности.

В совместной работе с ВНИИКП был изготовлен кабель из ВТСП на ток 3 кА. Совместно с РНЦ "Курчатовский институт" изготовлены и испытаны композиционные токовводы из ВТСП на 1 кА. Серебряная оболочка висмутовых токовводов приводит к повышенному теплопритоку, в дальнейшем планируется легировать оболочку для снижения теплопроводности. Изучаются вопросы пайки таких материалов и задача решается совместно со специалистами ИФВЭ в рамках программы по созданию токовводов большого адронного коллайдера LHC.

К.т.н. В.И. Панцырный (сотрудник ВНИИНМ им. А.А. Бочвара) сделал доклад "Современное состояние разработки сверхпроводящих проводов на основе Nb3Sn и NbTi". Сверхпроводящие материалы имели большой инкубационный период с момента открытия, который закончился в 60-е годы усилиями Кюнцлера и его сотрудников, впервые использовавших интерметаллическое соединение Nb3Sn (полученное отжигом порошка в трубе). Последующее крупномасштабное использование сверхпроводников связано с успехами в технологии изготовления новых материалов.

Индустриальная физика начала 70-х годов способствовала улучшению характеристик сверхпроводников в процессе создания новых ускорителей и токамаков. Существуют разные требования у разработчиков, например, магнитов для детекторов или отклоняющих диполей протонных синхротронов, что требует индивидуальной оптимизации свойств сверхпроводника для каждого конкретного случая.

Токонесущая способность NbTi зависит от структуры материала и для повышения критического тока подбираются режимы холодной и горячей обработки сплава. В технологии изготовления следует контролировать исходные материалы и полуфабрикаты, следить за режимом промежуточных отжигов и холодного проката. Для достижения магнитных полей до 10 Тл предпочтение в последнее время отдается Nb-Ti-Ta. Достаточно дорогой тантал (стоимостью свыше 100 долларов за кг) используется для создания барьера поверх титановых жил, размещенных в медной матрице. В перспективе предстоит работа по созданию Nb3Al, но отсутствие финансирования не позволяет приступить к экспериментам.

Для токамака Т-15 был разработан проводник на основе Nb3Sn и в 1988 г. была разработана технология и налажено производство на Ульбинском металлургическом заводе, расположенном в г.Усть-Каменогорск (Казахстан). Производственные мощности позволяли произвести до 40 т этого материала, что превышало возможности мирового сообщества. В рамках проекта ИТЭР нашей стране могут поручить производство 50 т Nb3Sn, но в этом случае встанет необходимость развивать собственную базу и создавать новый завод из-за того, что Казахстан стал самостоятельным государством.

Проведенные испытания показали, что в магнитном поле 12 Тл отдельные образцы Nb3Sn позволяют получить плотность тока 1 кА/мм2 в сверхпроводнике (без учета меди в сечении), а гарантированным уровнем можно считать 600 - 700 А/мм2. На опытном производстве ВНИИНМ им. А.А. Бочвара изготовлена первая тонна провода диаметром 0,81 мм, содержащего 7225 жил Nb3Sn в медной матрице. Для создания этого материала проведена реконструкция оборудования, включающего плавильные печи и прессы для экструзии. Были изготовлены установки для волочения и твистирования (скручивания) проволок. Пришлось воссоздавать производственную базу чтобы реализовать сложную технологическую схему и требуемые режимы при изготовлении материала, которые ранее решались при помощи заводов и институтов, расположенных в Казахстане, Армении и Эстонии.

Свыше 9 тысяч томографов (общей стоимостью около 18 млрд.дол.) с обмотками из низкотемпературного сверхпроводника работают в мире. В ближайшее время в Японии планируется запустить первую линию движения поездов со скоростью 500 км/час, левитация состава и его движение будет осуществляться на базе сверхпроводящих обмоток.

Начиная с 1986 г. после открытия ВТСП материалов обычные сверхпроводники отошли на второй план, их разработка скорее относится не к научным проблемам, а к технике и высоким технологиям. В ближайшее время ВТСП материалы будут использованы в линиях электропередачи и в качестве токоограничителей сети на случай аварии. В перспективе предстоит внедрение приборов на базе ВТСП в сотовой радиосвязи. Объем использования ВТСП в этой сфере представляется большим и известные фирмы готовы вести разработки в этом направлении.

Своеобразным ответом криогенщиков на открытие ВТСП стала разработка надежных охлаждающих устройств - микрохолодильников, так называемых криокулеров. Эту тему осветил В.И.Магарычный (МЭИ) в докладе "Криорефрижераторы на температурный уровень 4,2 - 120 К; современные достижения и перспективы". Постановку вопроса, волнующего заказчика на сегодняшний день, можно сформулировать в следующей форме: "что в целом дешевле - сложная и хрупкая обмотка на основе ВТСП, работающая в среде жидкого азота, или традиционный низкотемпературный сверхпроводник, охлаждаемый надежной и простой криогенной системой?"

Криогенные холодильники замкнутого цикла базируются на термодинамических циклах Джиффорда и Мак-Магона (Gifford W., McMahon H.) или Стирлинга. Хладагент (обычно гелий) циркулирует между стадией сжатия и расширения, имея промежуточные стадии ренегерации. В криокулерах, работающих по циклу Джиффорда и Мак-Магона, сжатие происходит вне области холода и поэтому они менее чувствительны к загрязнению газа и более надежны. Они создают меньшую вибрацию, но имеют большие габариты. Криогенные системы на цикле Стирлинга более удобны в случае когда необходимы малогабаритные системы небольшой производительности.

Лидерство среди криокулеров захватили газовые машины, работающие в цикле Джиффорда и Мак-Магона. Прогресс идет по линии совершенствования технологии. Выпускаемые в Омске микрохолодильники на основе цикла Стирлинга гарантируют около 9 тысяч часов работы. Микрокриогенная техника рассчитана на использование в бытовых условиях, например, в кабинете врача, который не вникает в особенности прибора, а нажимает кнопку, гарантирующую получение холода. Криогенная система, работающая как домашний холодильник на основе компрессора, позволяет просто охлаждать и ВТСП приборы, что позволяет упростить их использование в бытовых условиях.

"Новые типы электрических машин с объемными ВТСП элементами. Состояние разработок в мире и Российские проекты" - тема обзора профессора Л.К.Ковалева из Московского авиационного института (МАИ). Докладчик наглядно представил успехи наших специалистов в этой области. В настоящее время стоит вопрос о создании электрических машин с мощностью выше 100 кВт. Причем создание новых моторов не требует разработки ВТСП проводов, так как во многих случаях достаточно использовать объемную намагниченность и полагаться на отработанные технологии по изготовлению массивных ВТСП материалов.

В ряде устройств ВТСП материалы комбинируются с железом, что позволяет получить в якоре две ортогональные плоскости в которых, одна ось - ферромагнитная, а другая - диамагнитная. Созданы устройства для непосредственного преобразования тепловой энергии в механическую или электрическую.

Доклад А.В. Дударева (РНЦ КИ, ИСФТТ) был посвящен разработке и успешному запуску в марте 1998 года вигглера с полем 6 Тл для китайского источника синхротронного излучения. Вигглеры предназначены для преобразования энергии быстрых электронных пучков в энергию электромагнитного излучения и представляют устройство, в котором создаются периодические поля. Электроны, ускоренные до больших энергий, пролетают через магнитные поля чередующейся полярности, испуская синхротронное излучение.

Сверхпроводящие обмотки вигглера типа рейстрэк были выполнены на основе традиционного ниобий-титаного сплава, что позволило получить 6 Тл при магнитном периоде менее 20 см. Систему запустили в рекордные сроки - за два дня, и специалисты Национальной лаборатории синхротронного излучения (Г.Хефей) не ожидали такого быстрого успеха. Обычно изменения в магнитной структуре ускорителя приводят к длительной подстройке оборудования и аппаратуры.

Для уменьшения расхода жидкого гелия система работает в режиме "замороженного" магнитного потока, который достигается при помощи сверхпроводящих ключей. Такое решение позволяет избежать тепловыделений в токовводах (рабочий ток - 460 А). Расход жидкого гелия за сутки составляет около 30 л, при стоимости гелия порядка 10 долларов/л. Большое значение поля при малом магнитном периоде позволяет сместить спектр в область жесткого излучения.

Заместитель директора Института физических проблем им.П.Л.Капицы РАН д.т.н. Л.Б. Луганский сделал доклад об оптимальных распределениях тока по сечению соленоида и сообщение о работе Международной лаборатории сильных магнитных полей и низких температур во Вроцлаве (Польша). Тридцать лет тому назад, в мае 1968 года было подписано соглашение четырех стран-учредителей этой лаборатории: СССР, ГДР, Болгарии и Польши. Инициатором создания такого объединения стал ИФП, представитель которого традиционно возглавляет Ученый совет. Председателями Совета были известные экспериментаторы Н.Е.Алексеевский и А.С.Боровик-Романов, а сейчас его работу возглавляет теоретик, академик РАН А.Ф.Андреев.

Директором лаборатории является представитель Польши. В штате 47 постоянных сотрудников и основную работу ведут визитеры. Подается заявка с темой работы, а Ученый совет решает, каким экспериментам отдать предпочтение. Как правило, срок командировки определен месяцем. Путь этот проторен сотрудниками ИФВД (Троицк), представителями Черноголовки, Урала и многих других мест.

Оборудование лаборатории включает три биттеровских магнита на поля 10, 15 и 20 Тл (диаметр апертуры 22 мм). В импульсном (3мс) магните можно достигнуть поля до 50 Тл. Сейчас работы ведутся в основном на сверхпроводящем магните. Бюджет лаборатории составляет около полумиллиона долларов.

Член-корреспондент РАН Н.А.Черноплеков сделал обзор "О ходе развития сильноточной сверхпроводимости". Ключом к созданию сверхпроводящих устройств являются сверхпроводящие материалы. За последние 20 лет были созданы сверхпроводящие материалы для электротехнических устройств и прогресс в этой области значителен. Но тем не менее в электротехнике сверхпроводимость не проявила себя в полной мере. Может быть, сказывается консерватизм этой отрасли, которой требуются проверенные временем решения, надежные при повседневном употреблении. В последнее время в России число занятых в электротехнической промышленности выросло в 1,5 раза, идут ремонтные работы, но отсутствуют новации.

Физики смелее используют сверхпроводники в новых устройствах и прогресс в развитии ускорительной техники связан именно с таким подходом. В 80-е годы были открыты фуллерены и ВТСП материалы, что открыло новые горизонты для создания прогрессивных технологий и устройств. В будущем на основе фуллеренов и ВТСП материалов начнут создаваться устройства молекулярной электроники.

С. Прадхан (S.Pradhan) из Института плазменных исследований (IPR), расположенного в индийском научном центре, находящемся между Бомбеем и Дели, сообщил о состоянии дел в разработке и создании сверхпроводящей магнитной системы для токамака SST-1. В последние годы Китай, Индия и Южная Корея проявили интерес к установкам управляемого термоядерного синтеза. Вырабатываемая электроэнергия, приходящаяся на жителя этих стран, недостаточна для удовлетворения современных потребностей, а в этом регионе проживает добрая половина человечества. Всего 20 лет назад численность населения Земли составляла 4 миллиарда и, похоже, что технический прогресс отстает от роста потребностей общемирового населения, насчитывающего на сей день 5,8 млрд. человек.

Запасы органического топлива ограничены и следует искать новые пути в получении электроэнергии, например, путем управляемого термоядерного синтеза. Индия выделила около 50 млн. долларов на проект небольшого токамака с запасенной энергией в тороидальной обмотке порядка 50 МДж. Для обмотки тороида сверхпроводящий кабель был произведен в Японии, и сейчас он частично транспортируется в Москву, поскольку изготовление и испытание модельных катушек токамака поручено РНЦ "Курчатовский институт". Гость школы С.Прадхан, прибывший в наши края из далекой и жаркой Индии, заметил, что когда он собирался в Россию, то коллеги пугали суровым климатом нашей страны. Но директор Института успокоил тем, что холод русские компенсируют своим гостеприимством.

Прадхан (Subrata Pradhan) отметил, что он успел убедиться в справедливости этого высказывания, а его супруга Сурекха (Surekha Pradhan) добавила, что с детства мечтала побывать в великой стране северных соседей. Сейчас она работает учительницей и счастлива осуществлением детской мечты. Наших гостей поразили бескрайность наших просторов и первозданность природы (это в Подмосковье!?), менее заселенной нежели их края.

Полезно иногда посмотреть на окружающий мир глазами гостей. В последнее время мы отучились считать страну великой и забываем об ее просторах. Институты наши пустеют и стареют, быть может следует шире практиковать содружество с нашими соседями из Южной Азии. Наши лаборатории и наработанный опыт могут быть востребованы странами, осваивающими высокие технологии.

Весна в 1998 году выдалась запоздалой, но от этого бурной и яркой. Цветение черемухи сменилось сиреневым цветом. Погодные условия - явление преходящее, а знания позволяют выйти на новый уровень понимания природы вещей. Вселяет надежду присутствие молодежи и то очевидное обстоятельство, что школа по прикладной сверхпроводимости проходит уже третий год подряд после семилетних "каникул".

В организации работы школы - большая заслуга секции Научного совета РАН по применению сверхпроводимости в электротехнике и энергетике и ее руководителя Н.А. Черноплекова. Участникам школы было представлено свыше 30-и докладов и сообщений о последних достижениях в области сильноточной сверхпроводимости.

В программе было заявлено 36 докладов, но ряд сообщений был вынесен на семинар, в частности, вопросы металлофизики ВТСП материалов были обсуждены достаточно подробно. "Круглый" стол состоялся по вопросам разработки и использования токоограничителей на базе ВТСП экранов. В неформальной обстановке состоялся обмен мнениями о состоянии дел в области прикладной сверхпроводимости и перспектив использования высокотемпературной сверхпроводимости.

   
Copyright © 1997-2007 РФФИ Дизайн и программирование: Intra-Center