26.08.2019

Холодное сердце будущего

Сверхпроводимость – одна из тех важнейших и перспективных технологий, которая сегодня является ярким признаком промышленно развитой страны. Без этой технологии невозможно развитие ускорителей элементарных частиц и термоядерной техники, спектрометров высокого разрешения, медицинских магниторезонансных томографов и других высокотехнологичных систем. В ближайшем будущем  сверхпроводники будут широко проникать в самые разные сферы: сверхпроводящие кабели, трансформаторы, электромоторы, авиадвигатели, магнитолевитационные транспортные системы и другие изделия, по мнению специалистов, неизбежно станут работать на сверхпроводниках, вытеснив применяемые сегодня технологии. Каковы перспективы сверхпроводников, какую роль они играют для развития науки и новых технологий и что делать, чтобы не отстать от времени, сохранив лидирующие позиции в этой области, «Вестнику Атомпрома» рассказал заместитель генерального директора – директор научно исследовательского отделения технологии и материаловедения сверхпроводящих и функциональных материалов АО «ВНИИНМ» Ильдар Абдюханов.

Ильдар Мансурович, какие существуют виды сверхпроводников, в чём их отличие друг от друга и где они могут найти применение?
Технические сверхпроводники делятся на два больших класса. Первый – низкотемпературные, которые работают около температуры, близкой к абсолютному нулю, порядка 4,2 Кельвина (–269 градусов по Цельсию). Ноль Кельвина – это абсолютный ноль, ничего холоднее во Вселенной не бывает. Наиболее применяемые сейчас низкотемпературные сверхпроводники изготавливают на основе сплава ниобий-титан и соединения Nb3 Sn. Несколько в стороне стоят сверхпроводники на основе соединения MgB2, которые работают при немного более высоких температурах, порядка 20 Кельвина (–253 по Цельсию). Второй класс-высокотемпературные сверхпроводники, которые работают при температуре жидкого азота –196 градусов по Цельсию (77 Кельвина). Низкотемпературные сверхпроводники на основе сплава ниобий-титана – это рабочая лошадка для магниторезонансных томографов. Они же вместе с Nb3 Sn сверхпроводниками будут использованы для создания сверхпроводящей магнитной системы нового ускорителя элементарных частиц – кольцевого коллайдера будущего (FCC). Сверхпроводники на основе соединения Nb3 Sn работают при более высоких магнитных полях, правда,они и более дорогие. Поэтому их применяют там, где исключительно важны подобные свойства. Высокотемпературные сверхпроводники считаются перспективными для электротехники и энергетики. На их основе можно изготавливать сверхпроводящие кабели, которые позволят передавать большие потоки энергии из одной точки в другую, а также такие сверхпроводящие устройства, как токоограничители, генераторы, трансформаторы, двигатели, в том числе на морских и океанских судах и тому подобное. Свою нишу найдёт и магний-бор: во всевозможных гибридных магистралях, где передают одновременно и энергию, и жидкий реагент, например водород. Также MgB2 весьма перспективен для так называемой зелёной энергетики. Например, для ветрогенераторов. Одна из проблем ветряков – большой вес электротехнической части, которую надо поднять на высоту около 100 метров. В случае использования сверхпроводников на основе магнийбора можно значительно снизить вес, что, очевидно, будет выигрышно для разработчиков подобного рода устройств.

Над какими типами сверхпроводников вы работаете во ВНИИНМ?
Наше отделение занимается разработкой, конструкцией, технологией, а также исследованием технических сверхпроводников. Это прежде всего композиционные сверхпроводники на основе соединения Nb3 Sn и сплава ниобий-титан. Мы также разрабатываем сверхпроводники на основе MgB2 и работаем в области технологий высокотемпературных сверхпроводников типа Y(Gd)-Ba-Cu O, как исходных материалов для них (ленты-подложки, мишени), так и технологий получения самого сверхпроводящего слоя на ленте-подложке. Технология технических композиционных сверхпроводников – это исключительно перспективная и интересная тематика, для работы над которой специалист должен хорошо знать материаловедение, металлургию, теорию и практику обработки металлов давлением, понимать физику, по крайней мере аспекты, связанные со сверхпроводимостью, обладать хорошими теоретическими знаниями и, безусловно, практическим опытом. Наша технология многоступенчатая и включает в себя самые разные процессы. Необходимо знать, как происходят взаимодействия между элементами конструкции внутри композитов сверхпроводнике – как он работает, будучи охлаждённым до рабочих температур и помещённым, скажем, в магнитное поле, от чего зависит его токонесущая способность и уровень энергетических потерь. Это позволяет понять, каким образом мы можем влиять на характеристики сверхпроводника через изменение его конструкции и используемых материалов. Это очень интересно и одновременно очень сложно, ведь многие процессы весьма тесно переплетены друг с другом. У нас в отделении работают преданные тематике люди, и результаты их труда с научной точки зрения исключительно значимы и полезны. Среди них много талантливой и интересной молодёжи. Когда они набираются опыта, подкрепляя его теоретическими знаниями, то, как следствие приобретают и больше самостоятельности. Используя возможность посоветоваться со старшими товарищами, они тем не менее очень часто принимают решения самостоятельно. Это исключительно важный момент для формирования специалиста-профессионала.

Сегодня всё более широкое использование сверхпроводников становится мировым трендом. Можно ли сказать, что приближается эрасверхпроводников? Мы соответствуем времени или есть опасностьотстать, превратившись в аутсайдеров?
Эра сверхпроводников приближается, и она неизбежно наступит, потому что такова логика научно технического прогресса, а его не остановить. Сверхпроводимость – одна из тех важнейших технологий, которая будет масштабно задействована в недалеком будущем. Это очевидный факт. Сверхпроводники станут широко применять при передаче больших потоков энергии, при преобразовании этой энергии из электрической в механическую, в электромоторах. Сверхпроводники – материал, который обязательно будет использован в электротехнике. Массогабаритные показатели электромоторов, сделанных с использованием сверхпроводников, снижаются в разы. Этот показатель всегда играет важную роль, особенно, когда речь идёт о кораблях. Сверхпроводящие кабели, позволяющие передавать большие потоки энергии, способны кардинально изменить городскую инфраструктуру. Очень часто в условиях плотной городской застройки прокладка обычного кабеля сопряжена со множеством трудностей. Зачастую в уже существующих коллекторах просто не хватает места для кабелей, необходимых для обеспечения растущего энергопотребления. В то время как всего один сверхпроводящий кабель решает подобную проблему. Один из таких примеров, проект, который будет реализован в Петербурге, где между двумя подстанциями проложат 2,5 км сверхпроводящего кабеля. Сверхпроводник, кстати, обладает ещё одним уникальным свойством: его можно вывести из сверхпроводящего состояния, подав на него ток, превышающий определённую критическую величину. В этом случае он превратится в изолятор и будет выполнять функцию предохранителя. В Москве на подстанции Мневники уже работает несколько сверхпроводящих ограничителей тока (СОТ). С точки зрения безопасности – это идеальные предохранители – они безотказны и срабатывают быстрее любого электромеханического устройства. Также сверхпроводники могут использоваться в авиастроении. Тот же диборид магния работает при температуре жидкого водорода, и уже есть водородные двигатели для самолётов. Таким образом на борту летательного аппарата можно заменить гидравлические системы на электромеханические, к которым ток подаётся по ботовым сверхпроводящим линиям. Охлаждение таких линий осуществляется жидким водородом, который используется в качестве топлива для водородных двигателей.

Какова роль ВНИИНМ в развитии сверхпроводниковых материалов и технологий, связанных со сверхпроводимостью?
Если говорить о ВНИИНМ – мы разработчики сверхпроводящих материалов, конструкций и технологий. Ими были, есть и будем.Мы стараемся принимать участие в крупнейших международных проектах, например таких, как строительство FCC колайдера в ЦЕРНе, так как это даёт возможность решать научно технологические задачи колоссальной сложности. Ещё пару лет назад мы не знали, как сделать сверхпроводник с уровнем токонесущей способности более 2,5–2,8 тысячи А/мм2 во внешнем магнитном поле напряжённостью 12 Тл. Сейчасмы его сделали, отправили опытную партиюв ЦЕРН, где он был признан соответствующим требуемым характеристикам. Для сравнения – предыдущие партии для проекта ИТЭР были рассчитаны на конструктивную плотность тока в 700–800 А/мм2 в том же внешнем магнитном поле напряжённостью 12 Тл. То есть мы в разы улучшили самую главную характеристику сверхпроводника. Сейчас стоит следующая задача – сделать сверхпроводник, обладающий высокой токонесущей способностью в высоких магнитных полях (до 1500 А/мм2 во внешнем магнитном поле 16 Тл). 

Может ли направление сверхпроводимости, как одно из перспективных и востребованных в будущем направлений, стать своего рода локомотивом для материаловедения в целом?
Как локомотив, который вытащит всё, сложно сказать, но как яркий пример материаловедческих достижений на международном уровне – безусловно. Обладание технологиями сверхпроводимости – один из признаков промышленно развитой страны, включающий подготовку высококвалифицированных кадров. Если мы не будем развивать свои сверхпроводники, знаковые международные проекты обойдутся без нас, тот же круговой коллайдер будущего (FCC). Это один из крупнейших международных проектов, в области сверхпроводимости, может быть, самый крупный. Если мы туда попадём, цех по производству сверхпроводников на ЧМЗ будет загружен заказами на много лет. Мы приобретём новые знания и опыт, что позволит нам участвовать в последующих проектах.

Расскажите подробнее про FCC. Какова вероятность принять в нём участие? Что может сделать Росатом, чтобы помочь вам попасть в FCC?
FCC – гигантский проект, реализовать его, используя одного поставщика сверхпроводящих материалов, невозможно. Будут задействованы производители из нескольких стран, что не только позволит обеспечить его сверхпроводниками в требуемых объёмах, но и создаст конкуренцию. Объём финансирования на FCC фиксирован, поэтому ЦЕРН заинтересован иметь нескольких поставщиков, чтобы снизить цену. Это тоже бизнес. Мы пару лет назад заключили договор на изготовление опытной партии со свойствами, о которых говорили, – в три раза выше, чем для проекта ИТЭР. Мы её изготовили и отправили в ЦЕРН. Наша работа понравилась, и нам (нам и ТВЭЛу) предложили дальнейшее сотрудничество, в частности изготовить новую опытную партию стрендов для коллайдера FCC. Можно сказать, что наша попытка зайти в этот проект удалась, теперь задача – в нём удержаться. И здесь нужна поддержка со стороны Госкорпорации и ТВЭЛа по финансированию работ по этой новой технологии. ЦЕРН готов покупать продукцию, но финансирование научных работ он не обеспечивает. Чтобы двигаться дальше, нам необходим механизм поддержки наших НИОКРов. На FCC жизнь не закончится. Будут другие: в сфере ускорительной и термоядерной техники, спектрометров высокого разрешения, где также требуются сверхпроводники с повышенными электрофизическими характеристиками. Наработав приёмы повышения этих характеристик, испытав новые конструкции и технологии, мы сможем участвовать в этих проектах. Это как тренировки у спортсмена, если он бросает тренироваться, то не может двигаться вперед. Это постоянный процесс, нужно переходить из одного проекта в другой, используя предыдущий как ступеньку. Если отстал – догнать практически невозможно.

Задам вопрос с позиции инвестора. Зачем вкладываться в долго окупаемые научные разработки, когда при необходимости можно купитьвсё у иностранцев?
Во-первых, мы знаем на собственном опыте, что в определённых обстоятельствах зарубежную высокотехнологичную продукцию могут просто запретить продавать. Самый наглядный пример – санкции, введённые в отношении России. Если не иметь своих разработок, мы попадём в полную зависимость от политической и коммерческой конъюнктуры. Особенно это касается материалов. Если вам не продадут сверхпроводник, не будет отечественных сверхпроводящих кабелей, электромоторов на сверхпроводниках и так далее. С точки зрения материалов, очевидно, должна быть обеспечена импортонезависимость. Во-вторых, мы уже говорили, что широкое внедрение сверхпроводимости – это вопрос времени. Мы с этим неизбежно столкнёмся уже в среднесрочной перспективе. Не имея своих разработок, мы будем вынуждены покупать сверхпроводники на условиях, которые нам будут диктовать. Помимо этого развитие новых сверхпроводящих технологий выдавит с рынка устройства, создаваемые по старым технологиям. И, как следствие, мы не только не сможем организовать своего производства, но и потеряем то, которое есть сейчас. В классике, когда движешься в ногу с научнотехническим прогрессом, новое производство естественным образом замещает старое. Мы внимательно наблюдаем за публикациями
зарубежных коллег и видим, что они начинают вести исследования заранее. Ищут новые соединения и новые возможности управления свойствами сверхпроводников. У них есть на это возможности. Гранты и другие формы финансирования позволяют зарубежным фирмам вести поисковые работы, которые необязательно сразу принесут доход. Но такие работы гарантированно дают знания о природе сверхпроводников. И на основе этих знаний уже можно разрабатывать новые технологии и конструкции, переходить на иной уровень свойств. Это очень важный и очень тонкий момент. И здесь у наших зарубежных конкурентов явное преимущество. У них есть возможность в течение нескольких лет вести пристрелочные, поисковые работы, которые на первый взгляд  коммерчески не обоснованны. Но эти наработки дают мощный научно-технологический базис, позволяющий сделать рывок в сторону новых свойств. У нас с этим колоссальные проблемы, потому что получить деньги от бизнеса невозможно – им нужен быстрый возврат инвестиций. Сейчас мы упираемся в достигнутый уровень свойств, и чтобы перепрыгнуть его, надо принципиально поменять свои подходы к разработке и конструированию сверхпроводников, к системам легирования и так далее. Важно исследовать и новые сверхпроводящие соединения, которые могут «выстрелить» в будущих применениях. И только тогда мы сможем вовремя выходить с новыми технологиями. Мы должны иметь постоянный, устойчивый источник финансирования по этим работам. Или хотя бы механизм, за счёт которого мы могли бы найти возможность профинансировать наши поисковые работы. Не исключена возможность, что нам придётся привлекать достаточное количество контрагентов, например, тот же НИЦ Курчатовский институт, институты РАН, вузы, обладающих возможностями тонких структурных исследований и использования специальных программ, математического комплекса для моделирования разного рода процессов. Здесь нам нужный гибкий, быстрый метод реализации наших научных идей. Один из положительных моментов-система аванпроектов в Росатоме. Надеюсь, что она превратится в полноценную систему финансирования поисковых работ. Наработав определённый базис, понимая, за счёт чего можно изменять свойства сверхпроводников, мы будем готовы при появлении нового крупного проекта предложить идеи, как сделать для него материалы с требуемыми характеристиками. Сверхпроводники – это нестандартные изделия. Под каждый проект их делают индивидуально, в соответствии с заявленными требованиями к свойствам. И эти требования для каждого проекта разные.