Сверхпроводниковые магниты нашли применение в промышленности. Самый яркий пример их использования – магнитно-резонансные томографы (МРТ). Но возможности сверхпроводниковых магнитов могли бы быть шире, если бы удалось решить ряд технологических проблем, над чем работают в Курчатовском институте вместе с ВНИИНМ имени академика А. А. Бочвара.

Сверхпроводники в технике

Несмотря на то что сверхпроводимость была открыта ровно 100 лет назад, в 1911 году, в течение полувека она оставалась лишь занятным физическим явлением, не приносящим практической пользы. Ситуация резко изменилась с открытием сверхпроводящих материалов на основе ниобия – NbTi, Nb₃Sn, способных нести большие токи без разрушения сверхпроводящего состояния. Величина магнитного поля, получаемого с помощью обычных электромагнитов, ограничена огромными тепловыделениями в обмотке при протекании значительных токов. Эксплуатация таких устройств получается неоправданно дорогой из-за постоянно требующегося охлаждения и больших энергозатрат.

Рис. 1. Коллектив Курчатовского института, занимающийся разработкой метода стабилизации сверхпроводниковых магнитов с помощью ВД. Слева направо: И. А. Ковалев, А. А. Ильин, В. Е. Кейлин, А. В. Наумов, С. Л. Круглов, Д. И. Шутова. Фото из архива Виктора Кейлина.

Сверхпроводящий магнит (СМ) благодаря отсутствию электрического сопротивления практически не потребляет электроэнергии и, самое главное, позволяет получать поля, недоступные для обычных материалов. Он может функционировать только при низких температурах, однако на сегодняшний день методы охлаждения СМ хорошо разработаны. Более того, с появлением компактных устройств – криокулеров, позволяющих получать гелиевые температуры ~4К (-269^oС) вообще без жидкого хладагента, затраты на собственно охлаждение магнитной системы становятся невелики. Сейчас СМ широко применяются в медицине, промышленности и, конечно, научном приборостроении. Россия планирует обзавестись магнитно-резонансными томографами собственного производства и даже выйти с ними на международный рынок, а для этого надо решить ряд технических проблем СМ.

Конструкция современных композитных сверхпроводников достаточно сложна и представляет собой тысячи (а иногда даже десятки тысяч) тонких сверхпроводящих волокон, размещённых в медной матрице. Рост температуры сверхпроводника при воздействии пусть даже незначительного теплового импульса целиком определяется только теплоёмкостью композита. При гелиевых температурах теплоёмкости обычных конструкционных материалов крайне малы (в сотни и даже тысячи раз ниже их значений при комнатной температуре), поэтому даже незначительного тепловыделения может быть достаточно для разогрева сверхпроводника до температуры выше критической, что сопровождается неконтролируемым переходом СМ в нормальное состояние и иногда даже выгоранием частей его обмотки. Похожее произошло на Большом адронном коллайдере, что остановило его работу на продолжительное время.

Один из способов решить эту проблему и повысить надёжность СМ – добавить к сверхпроводящему материалу вещества с высокой теплоёмкостью. Этим путём пошли в Курчатовском институте. Там экспериментируют с высокотеплоёмкими добавками (ВД), теплоёмкость которых в интервале температур 4–10 К из-за различных квантовых эффектов в сотни раз выше, чем у обычных материалов.

Как добавки улучшают свойства СМ

Чтобы больше узнать о новой разработке Курчатовского института, я встретился с одним из её авторов – заведующим лабораторией сильнокоррелированных электронных систем Владимиром Лазуковым. Прежде всего меня интересовало, каким образом ВД позволяют улучшить свойства магнитов.

• То, что мы вводим в состав СМ добавки, имеющие экстремально высокую теплоёмкость при низких температурах, позволяет увеличить общую теплоёмкость вокруг сверхпроводника и тем самым создать тепловой буфер, – объясняет Владимир Лазуков. – Поэтому чтобы перевести сверхпроводник в нормальное состояние, требуется в 2–3 раза большее количество тепла, чем в обычном магните без добавок.

–Как редкоземельные материалы, которыми занимается ваша лаборатория, могут применяться в СМ?

• Электронные системы на основе редкоземельных материалов обладают совершенно аномальными свойствами. Например, при охлаждении могут как расширяться, так и сжиматься, магнитные моменты в некоторых из них, вместо того чтобы упорядочиваться при понижении температуры, могут исчезать. Кроме того, в районе гелиевых температур (4–6К), за счёт сильных электронных корреляций в них возникает дополнительный, очень большой вклад в теплоёмкость. Этот эффект мы и предложили использовать для стабилизации сверхпроводящих магнитных систем. Практическая же проверка этой идеи была выполнена коллективом под руководством Виктора Кейлина.

–Наверное, производство СМ с такими добавками станет значительно дороже?

• Вовсе нет. Термостойкость позволит использовать меньшее количество дорогостоящих сверхпроводников при создании СМ и затрачивать меньше энергии на их охлаждение, а повышение термомагнитной устойчивости приведёт к применению более дешёвых проводников, имеющих меньшее количество сверхпроводящих волокон большего сечения. Такое повышение качества проводов с лихвой компенсирует небольшое удорожание их производства из-за введения ВД. Более того, это может привести к расширению использования сверхпроводников и повышению конкурентоспособности российских СМ на мировом рынке.

Рис. 2. Зависимости теплоёмкости (вертикальная ось) различных ВД и материалов, обычно используемых в СМ, от температуры (горизонтальная ось). Видно, что теплоёмкости меди, из которой обычно делают оболочку проводов, NbTi, в сотни раз ниже теплоёмкости ВД.

На данный момент разработано два способа легирования СМ высокотеплоёмкими добавками HoCu₂, PrB₆, Gd₂O₂S,Gd₂О₃ и др. При «внешнем» легировании добавки в виде мелкодисперсных порошков, смешанных с эпоксидной смолой, вводятся в межвитковое пространство магнитов. Введение всего нескольких объёмных процентов ВД повышает теплоёмкость до 10 раз, что, в свою очередь, позволяет в разы повысить стабильность магнита. Метод наиболее эффективен при продолжительных возмущениях (0,01–1с) и может найти применение при создании поворотных магнитов ускорителей или индуктивных накопителях энергии. В технологии «внутреннего» легирования добавки в виде жил толщиной 20–70 мкм вводятся непосредственно в NbTi и Nb₃Sn композитные сверхпроводники. Введение всего лишь 5–7 процентов добавки от объёма провода позволяет до 6 раз повысить стабильность проводника.

Рис. 3. Сечения NbTi и Nb3Sn сверхпроводников с внутренним легированием ВД.

По словам руководителя проекта Виктора Кейлина, улучшенные сверхпроводники найдут применение в производстве магнитно-резонансных томографов – самой коммерциализированной из связанных со сверхпроводниками области. Пока единственная возможность выхода России на мировой рынок СМ – участие в международном термоядерном проекте ITER, согласно которому наша страна должна осуществить поставку нескольких сотен тонн сверхпроводниковых проводов. Однако улучшать что-либо в этих проводах уже поздно – для этого потребуется менять все договорённости.

Передовая технология

–Должно быть, в мире уже предпринимались попытки создать подобную технологию…

• Мы работаем с этой тематикой с начала 2000-х годов, имеем три патента. Когда только начинали разрабатывать технологию, казалось, что повышение стабильности сверхпроводников на 10–15 процентов уже будет колоссальным успехом. Это был бы выход на мировой уровень данных технологий. Результаты экспериментов превзошли ожидания – удалось повысить её в разы. В этом смысле наше предложение носит инновационный характер.

–На какой стадии сейчас ваша работа?

• Всесторонние научные исследования и лабораторные тесты, выполненные в Курчатовском институте, продемонстрировали преимущества предложенного метода. Во ВНИИНМ имени академика А. А. Бочвара под руководством Александра Шикова, в настоящее время возглавляющего работы по сверхпроводимости в Курчатовском институте, уже представлена технология получения прототипов сверхпроводников с внутренним легированием ВД с характерными длинами порядка нескольких сотен метров.
• Обычно исследования сверхпроводников мы проводим в инициативном порядке за счёт своего бюджета, – рассказал первый заместитель директора Курчатовского института Ярослав Штромбах. – Однако данную работу мы предложили концерну ТВЭЛ, который и профинансировал её.

По словам разработчиков метода, следующим шагом должно стать внедрение новой технологии в промышленное производство, в том числе и для создания МРТ. Ведутся переговоры с Чепецким механическим заводом в Глазове, специализирующемся на промышленном изготовлении низкотемпературных сверхпроводников. Однако этот главный шаг потребует серьёзных финансовых затрат.

• Мы надеемся, что корпорация ТВЭЛ пойдёт на эти расходы, ведь они окупятся спросом на отечественные сверхпроводники на мировом рынке, – добавил Виктор Кейлин. – Однако нельзя полностью исключать пессимистического варианта – средств на промышленный выпуск сверхпроводников с ВД не будет. Тогда, возможно, несмотря на наши патенты, производство таких проводов будет освоено за рубежом. Человечество выиграет, а Россия?