20 век был веком полупроводников. 21-й станет веком сверхпроводников.
Так называют материалы, которые при определенных условиях (обычно при очень низких температурах) теряют электрическое сопротивление. Это значит, что они могут проводить электрический ток без потерь энергии.
Сверхпроводники нужны в медицине для создания более точных диагностических инструментов, в энергетике для повышения эффективности передачи электроэнергии, в квантовых компьютерах для обработки больших объемов информации.
Началом технической сверхпроводимости считают 1961 год, когда был предложен метод Кюнцлера. Он позволил создать длинномерную сверхпроводящую проволоку для соленоида. В том же году академик Исаак Кикоин из Курчатовского института предложил заняться разработкой сверхпроводящих материалов Андрею Бочвару из института, ставшего впоследствии Бочваровским (сегодня входит в ТВЭЛ).
До 1972 года специалисты из разных подразделений института активно исследовали методы получения сверхпроводников. Были изготовлены опытные и промышленные образцы композиционных сверхпроводящих материалов разного состава.
Направление признали перспективным и организовали специальную лабораторию в отделении под руководством доктора технических наук Анатолия Никулина, который был идейным вдохновителем этих разработок более 30 лет. Затем дело ученого продолжил его ученик и последователь Александр Шиков, которого за границей даже прозвали «Мистером Сверхпроводником».
Одним из первых успешных проектов лаборатории стал запуск Токамака-7 (Т-7) в 1974–1978 годы в партнерстве с другими российскими организациями. Это был первый в мире токамак со сверхпроводящим магнитом тороидального поля, использующий сверхпроводники на основе сплава NbTi.
Материалы для сверхпроводящей обмотки магнитной системы изготовили на Ульбинском металлургическом заводе (Казахстан). Технологию разработали и внедрили в промышленное производство специалисты Бочваровского института. Спустя несколько лет там изготовили сверхпроводники на основе хрупкого интерметаллида Nb3Sn для токамака Т-15 (1988), также первой магнитной системы такого типа в мире.
В те годы эти разработки были закрытыми. В 1991 году ситуация изменилась: после конференции по магнитным технологиям МТ-12 в Санкт-Петербурге научный мир узнал об уровне российских разработок. В Бочваровский институт приезжали с научными визитами из Японии, Кореи, США, Великобритании, Бельгии.
Институт выиграл тендер для участия в крупнейшем научном международном проекте ИТЭР, несмотря на конкуренцию среди 15 организаций. Чтобы получить сверхпроводящие стренды в соответствии с требованиями проекта, создали новое производство в России.
Топливная компания «ТВЭЛ» организовала его на Чепецком механическом заводе в Глазове. Сейчас это одно из немногих предприятий в мире, где производят сверхпроводники. Оборудование закупали по всему миру, в том числе в США, Польше.
Технические сверхпроводники – это сложная композиционная система. В ней сверхпроводящие интерметаллидные волокна, хрупкие как стекло, распределены в пластичной матрице из меди или ее сплавов с диффузионными барьерами и другими элементами. Обычно это длинномерные провода диаметром 0,5–1,5 мм, содержащие несколько тысяч волокон.
Самое сложное при производстве сверхпроводников – следить за температурными режимами и деформационной схемой при получении полуфабрикатов. Повышение температуры выше установленной нормы при термообработке композитных прутков могло привести к образованию хрупкого интерметаллида и обрыву проволоки.
На ЧМЗ создали криогенную лабораторию для контроля электрофизических свойств сверхпроводников для изготовления кабеля в оболочке и изготовления секций магнитов.
До 2014 года произвели более 220 тонн сверхпроводников. Это почти 56 000 км – достаточно, чтобы обернуть Землю полтора раза. После 1000 электромагнитных циклов, имитирующих условия работы реактора, Международная организация ИТЭР признала их лучшими в мире по стабильности характеристик.
ИТЭР является ключевым шагом в развитии термоядерной энергетики. Он предназначен для демонстрации возможности контролируемого термоядерного синтеза как источника энергии. Ожидается, что после завершения сборки реактора в 2025 году начнутся испытания, которые подтвердят возможность поддержания устойчивой плазмы при экстремально высоких температурах.
Проект ДЕМО, который последует за ИТЭР, должен стать первой экспериментальной термоядерной станцией, способной производить электроэнергию на коммерческой основе. К 2045 году мы сможем увидеть первые результаты работы таких установок. Однако для широкомасштабного внедрения термоядерной энергетики, скорее всего, потребуется еще несколько десятилетий. 2060–2080 годы представляются реалистичными сроками для начала коммерческой эксплуатации.
У термоядерной энергии огромный потенциал. Ведь она обещает дать практически неистощимый источник энергии с минимальным воздействием на окружающую среду.
Будущее немыслимо без сверхпроводников. Например, из них изготовили обмотку магнитных систем ускорителя элементарных частиц Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Там была открыта новая частица, названная бозоном Хиггса в честь Питера Хиггса, предсказавшего ее существование и получившего Нобелевскую премию.
Магниты БАК, запущенного в 2008 году, изготовили на основе NbTi-сверхпроводников. Для повышения мощности магнитной системы начали ее модернизацию. Она предусматривает замену обмотки магнитов на Nb3Sn- сверхпроводники, позволяющие создать более высокие магнитные поля.
В 2022 году начал испытания уникальный российский линейный ускоритель тяжелых ионов NICA в Дубне. Для его магнитной системы в Бочваровском институте разработаны новые технологии производства длинномерных NbTi-проводников.
В ближайшие десять лет планируют построить шесть новых ускорителей, три из которых будут в России.