Спектр сверхпроводимости

Институт Бочвара ведет исследования и разработки по различным направлениям в области сверхпроводников

Институт им. А. А. Бочвара обладает компетенциями мирового уровня в области технологии низкотемпературных сверхпроводников и является равноправным членом научно-технической кооперации предприятий «Росатома», организаций РАН, Курчатовского института, ведущих вузов страны, созданной более 50 лет назад и являющейся основой российской отрасли технических сверхпроводников.

Использование явления сверхпроводимости (то есть способности материалов пропускать ток без энергетических потерь, что дает, например, возможность создавать сверхмощные магнитные системы или кабельные линии, которые могут передать колоссальные потоки энергии, практически не занимая места и идеально вписываясь в плотную городскую застройку) непрерывно тревожит умы ученых, которые упорно ищут возможности внедрить сверхпроводники в нашу реальность. К сожалению, пока известные сверхпроводники, из которых можно изготовить необходимые технические устройства, проявляют свои удивительные свойства лишь при температурах, близких к температуре жидкого гелия, — это так называемые низкотемпературные сверхпроводники, или при температуре жидкого азота — это высокотемпературные сверхпроводники.

Общей мечтой всех исследователей является открытие так называемой комнатной сверхпроводимости. Теория гласит, что это возможно.

НТСП: улучшение характеристик

Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) на основе ниобий-титанового сплава — важнейший компонент для создания научно-исследовательских установок в области физики высоких энергий, ускорительных комплексов и др. Направление ниобий-титановых сверхпроводников хорошо изучено, наработана большая эксплуатационная практика — именно эти сверхпроводники используются в большей части изделий, как в уже действующих, так и в перспективных образцах ускорительной техники. Такие сверхпроводники, произведенные в России (в городе Глазове, на ЧМЗ) по технологиям Бочваровского института, поставлены для сооружения магнитной системы ИТЭР, российского коллайдера NICA. Также они предложены для немецкого проекта международного ускорительного комплекса — Центра по исследованию ионов и антипротонов (FAIR, Facility for Antiproton and Ion Research) — для эксперимента PANDA. Особенностью этих сверхпроводников является в первую очередь достижение высокой токонесущей способности.

Второе направление разработок в области НТСП — материалы на основе соединения станнид триниобия (Nb₃Sn). Эти разработанные специалистами Бочваровского института сверхпроводники были также изготовлены на промышленном предприятии, входящем в АО «ТЭВЛ» (АО «ЧМЗ»), из них в АО «ВНИИКП» были изготовлены токонесущие элементы (кабели в оболочке), которые и были поставлены на площадку ИТЭР. По признанию международной команды, российские сверхпроводники — одни из лучших в мире.

Сейчас специалисты разрабатывают новое поколение Nb₃Sn-сверхпроводников. Опытные партии таких сверхпроводников уже изготовлены и направлены в ЦЕРН. Однако прогресс не стоит на месте, и сейчас физикам и разработчикам сверхмощных магнитных систем устройств физики высоких энергий требуются Nb₃Sn-сверхпроводники с еще более высокими характеристиками, которые необходимы для создания Кольцевого коллайдера будущего (FCC, Future Circular Collider) — нового ускорителя частиц, который, как ожидается, придет на смену Большому адронному коллайдеру (БАК) к 2040-м годам. Именно в этом направлении развивается индустрия сверхпроводников в мире. Основной задачей является достижение повышенных характеристик сверхпроводников. В первую очередь требуется повысить величину токонесущей способности, которая должна быть не менее 1,5 кА в магнитном поле 16 Тл (токонесущая способность и магнетизм взаимосвязаны, поскольку магнитное поле «мешает» сверхпроводимости). Эффективный размер волокна должен быть менее 60 микрон, а важный для сверхпроводника параметр RRR (residual resistance ratio: отношение сопротивлений образца, измеренных при комнатной и гелиевой температурах) — более 150 единиц. На сегодняшний день нигде в мире не получен сверхпроводник с характеристиками, отвечающими всем этим требованиям. Но в целом есть понимание, что возможности традиционных методов производства почти исчерпаны.

Сейчас мировые лидеры индустрии сверхпроводимости все более активно переключаются на поиск новых способов получения сверхпроводников — например, обратились к методам порошковой металлургии. Так, интенсивно развиваются работы по модернизации известного ранее метода «порошок в трубе», в котором предложено использовать внутреннее окисление. Для этого в исходный ниобий, используемый для получения трубных волокон, добавляют не только тантал, который увеличивает устойчивость к повышению магнитного поля, но и цирконий или гафний, которые в процессе реакционной термообработки взаимодействуют с кислородом, поступающим из внутреннего источника порошкового олова (содержащего и добавки порошка диоксида олова). Эти элементы могут образовать оксидные включения в виде наночастиц, которые, являясь дополнительными центрами пиннинга, способствуют увеличению токонесущей способности.

В Бочваровском институте работа по этому направлению ведется активно. Уже отработаны процессы получения исходных ниобиевых слитков с равномерным распределением легирующих элементов. Весь дальнейший технологический процесс тоже сложен и требует научного подхода и высочайшей производственной культуры. Например, одна из основных операций при изготовлении сверхпроводников — волочение композиционных прутков. Металл на растяжение работает хорошо, но, если это не проволока, а трубка с порошком внутри, такое изделие при растяжении требует особого подхода. Его можно изготовить лишь при глубоком понимании процесса пластической деформации, так как необходимо учитывать взаимодействие компонентов, отличающихся механическими и физическими свойствами. Композит нельзя отжигать для снятия напряжений и восстановления деформационной способности из-за присутствия легкоплавкого олова, и поэтому рекристаллизационный отжиг трубной оболочки можно проводить только до заполнения порошком. Режимы деформации и термообработки тоже отрабатываются, чтобы добиться равномерного распределения легирующих частиц: рассчитывается оптимальное содержание диоксида и лигатур в порошке, варьируется режим термообработки. Даже когда одноволоконный сверхпроводник получился качественным, нужно решать такие же проблемы и при деформации композиционных многоволоконных прутков.

ВТСП: новые подходы

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) были открыты в 1986-м, индустрия моложе по сравнению с НТСП, а сложностей не меньше. Достоинство ВТСП в том, что они могут работать при более высоких температурах, поскольку находятся в сверхпроводящем состоянии уже при температуре кипения жидкого азота. Форма ВТСП тоже отличается: если традиционный НТСП — это проволока с круглым сечением, то высокотемпературный — это лента, как правило стальная, с нанесенным на нее ориентированным слоем сверхпроводящей керамики.

Технология производства ВТСП тоже весьма сложна и состоит из следующих операций: стальная лента медленно перематывается с катушки на катушку, проходя специальные камеры, в которых на нее последовательно наносятся ориентированные буферные и сверхпроводящие слои керамики, далее полученная композиционная лента покрывается серебром и медью. Технология сложная и дорогая, известно, что в этом изделии лишь 10% стоимости составляют материалы, остальное — производство, включая дорогостоящее оборудование.

Основной метод напыления, освоенный в промышленности, — лазерная абляция, при которой излучение высокой мощности фокусируется на поверхность твердой мишени, нагревает ее и приводит к взрывообразному испарению вещества, которое конденсируется на подложке. Метод этот в целом отработан, но он очень малопроизводителен. При лазерной абляции формирование направленной текстуры и кристаллизация происходят практически одновременно (in situ), но очень медленно, что также делает технологию дорогой.

Поэтому в Бочваровском институте сейчас начата отработка другого, более производительного подхода: использование магнетронного напыления ВТСП с последующей кристаллизацией. Мишень подвергается не лазерному нагреву, а действию магнетронов — устройств, направляющих микроволновую энергию электронов. При этом испаряемое вещество оседает на подложку, но аморфным слоем. Для создания требуемой текстуры проводится направленная кристаллизация, для этого на следующем этапе аморфный слой в кислородной среде, при заданной температуре, под давлением кристаллизуется, то есть как бы «пересобирается» в структуру с требуемой ориентировкой кристаллитов. Формируется сверхпроводящий слой толщиной всего 1 микрон, что достаточно для хорошей токонесущей способности.

Экспериментальная установка, которой располагает Бочваровский институт, оснащена тремя магнетронами, есть и лабораторное компактное устройство для направленной кристаллизации. Первые эксперименты показали, что напылять слои с требуемой стехиометрией уже удается, как и получить фазу нужной ориентировки при перекристаллизации. Но до перехода к промышленному масштабированию еще многое надо проработать. Поэтому готовится к работе новая установка, в которой исходная лента будет сматываться с бобины, проходить последовательно шесть магнетронов и несколько камер, в которых будет идти перекристаллизация и нанесение защитных слоев. На приемную бобину будет наматываться готовый сверхпроводник. Таким образом будет осуществлена возможность создания промышленной установки с производительностью, существенно превосходящей лучшие мировые аналоги.

В институте также созданы мишени всех нужных типов — для нанесения сверхпроводящих и буферных слоев. В технологии их получения тоже много тонкостей и сложностей. Например, исследуется способ легирования материала мишени оксидом цирконата бария с целью формирования в его составе наночастиц, повышающих токонесущую способность изделия. Есть еще интересный подход — использование свойств нестехиометрии, то есть комбинации введения нескольких добавок, которые встраиваются в пустоты кристаллической решетки материала, что позволяет модифицировать структуру и состав материалов ВТСП с сохранением базовых свойств и дополнением новых качеств. Большое значение в этом направлении работы играет взаимодействие с Курчатовским институтом. Задача, которую решают специалисты, — это поиск возможности увеличить диаметр керамических мишеней до 200 мм, что может повысить производительность и позволит перейти к промышленному масштабированию технологии. Также разрабатывается технология получения металлических цирконий-иттриевых мишеней различных форм.

Большая работа проводится для совершенствования процесса получения ленты-подложки. Отрабатывается вся технология изготовления ленты как из аустенитной стали, так и из хастеллоев — группы сплавов на основе никеля с высокой стойкостью к коррозии. Технология включает в себя переработку материала начиная от слитка и до готовой ленты толщиной 100 микрон с исключительно гладкой поверхностью. Грубый прокат заготовок осуществляется в условиях предприятия-партнера, а наиболее ответственная операция — тонкий подкат с очень большим вниманием к культуре производства — в условиях института. В настоящее время идет оснащение нового стана плоского проката и дополнительного оборудования, чтобы замкнуть весь процесс.

Наступать широким фронтом

В Бочваровском институте работают и над другими, так называемыми среднетемпературными сверхпроводниками: на основе диборида магния (MgB₂) и на основе пниктидов.

Применение диборида магния имеет свою нишу — например, из этого материала сделаны токовводы для ускорителя Большого адронного коллайдера. Они же использованы в уникальной российской экспериментальной комплексной магистрали с «водоричеством», в которой проводник электроэнергии совмещен с подачей жидкого водорода, создающего нужную температуру, такой объект реализован российскими разработчиками из ВНИИ кабельной промышленности. В Бочваровском институте получают одноволоконные проводники на основе MgB₂ с достаточно хорошей токонесущей способностью в полях до 2 Тл, сопоставимой с мировым уровнем. Тонкость технологии состоит в том, чтобы не допускать при синтезе соединения выделения оксидов по границам зерен, это снижает токонесущую способность. В настоящее время ведется отработка технологии получения многожильных композиционных проводов на основе диборида магния.

Сверхпроводящие пниктиды тоже считаются интересными и перспективными материалами. Многочисленный класс пниктидов включает элементы 15-й группы периодической таблицы, такие как азот, фосфор, мышьяк, сурьма, которые, окружая атомы железа, создают чередующиеся слои в кристаллической решетке. Однако в них существует проблема подавления магнетизма, который, как известно, мешает сверхпроводимости. Помощь в решении этой проблемы оказывает Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), где синтезируют соединения с требуемыми свойствами. А специалисты Бочваровского института помещают полученные в виде порошков соединения в металлические оболочки, чтобы методом сборки и деформации изготовить сначала одноволоконные, а затем и многоволоконные сверхпроводники. Здесь тоже есть ряд вопросов по конструированию — толщине и материалу оболочки, режимам ТМО и др. В настоящее время на основе одного из пниктидов уже отработан процесс и получены образцы сверхпроводников, содержащих в одном проводе 40, а в другом — 31 волокно.

Почему игра стоит свеч

Даже небольшой обзор показывает, что сверхпроводимость — это сложно и дорого, проходят годы ожиданий и надежд, существуют и риски не дождаться практических результатов. В то же время это очень заманчивая перспектива, поскольку при снижении стоимости производства и эксплуатации сверхпроводников они позволят если не создать новый, то радикально улучшить имеющийся технологический уклад. Внедрение этих технологий приведет к замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее. Например, ЛЭП станут менее материалоемкими за счет устранения потерь на сопротивление. Любой сверхпроводящий генератор эффективнее обычного, сверхпроводящий электропривод — компактнее.

С развитием сверхпроводимости связаны и другие возможные изменения структурного характера, появление новых технологических направлений.

Сверхпроводимость — это ключ к термоядерной энергетике: применение более эффективных сверхпроводников позволит изготовить компактные установки (токамаки), в которых надо будет удерживать уже не 6-метровое, как в ИТЭР, кольцо плазмы, а намного меньшее, диаметром в 2–3 м. Например, в перспективном токамаке с реакторными технологиями (ТРТ) предполагается использование электромагнитной системы на основе ВТСП. Если такая энергетическая установка окажется не слишком сложной в эксплуатации, эта разработка может стать основой промышленных термоядерных источников энергии. Запуск ТРТ планируется на 2030 год, а для сверхпроводящей обмотки магнитной системы для него потребуется около 8 тыс. км сверхпроводников, причем готовы они должны быть уже к 2028 году, что потребует серьезной интенсификации их производства.

Сверхпроводники необходимы для создания квантовых компьютеров. НТСП применяются, чтобы подводить сигнал к кубитам и при этом минимизировать их нагрев (чреватый помехами). Для этого и используются сверхпроводящие кабели, которые обладают низкой теплопроводностью и не имеют электрического сопротивления.

Сверхпроводимость позволит создать новые накопители энергии: индуктивный накопитель энергии представляет собой тороидальный криостат диаметром несколько метров, по виткам обмотки которого практически без потерь циркулирует ток. В нужный момент этот запас энергии может быть направлен в сеть.

Также сверхпроводники необходимы для создания сверхскоростного транспорта на магнитном подвесе, скорость которого значительно превышает предел скорости обычного рельсового поезда на электрифицированной магистрали, которая составляет ~350 км/ч.

Итак…

Как показано выше, очень важно сохранять и укреплять лидерство в области сверхпроводимости, обеспечив институту им. А. А. Бочвара возможность продолжать исследования во всем спектре этой проблематики. Для удержания лидерских или сопоставимых с мировыми позиций, которые достигнуты в Бочваровском институте, необходимы дальнейшие поиски — и вложения в материально-техническую базу института как для новых НИР и ОКР, так и для перехода уже отработанных технологий от лабораторных к промышленным масштабам производства.