- Вы знаете, что БАК просто купается в дорогущем коньяке? Мы такого позволить себе не можем - поэтому решили сэкономить…
Я с недоверием покосился на собеседника: был не так давно в ЦЕРНе, и даже опускался в подземелье, где пролегает кольцо ускорителя и расположены детекторные станции. Воздух свежий, с легким "привкусом" озона - как после грозы, но никаких намеков на Camus, Otard или Hennessy…
- Наши сверхпроводящие ленты можно охлаждать азотом, он в десятки раз дешевле гелия, который в огромных количествах закачан в криогенную систему БАК. А литр жидкого гелия - все равно, что бутылка хорошего коньяка...
С этой шутки-прибаутки и начался физический ликбез, который устроил для журналиста-гуманитария в Курчатовском комплексе НБИКС-технологий заместитель руководителя отделения сверхпроводимости Сергей Викторович Шавкин.
Задача у него тогда и у меня сейчас одна и та же - рассказать понятным языком, зачем потребовалась и что дала на практике принятая в России пять лет назад программа "Сверхпроводниковая индустрия". Ее инициатором стал Михаил Ковальчук, а возглавляемый им НИЦ "Курчатовский институт" был и остается интегратором научно-производственной кооперации на этом направлении.
В 2011 году отмечали столетие самого открытия сверхпроводимости - лавры здесь принадлежат голландцу Хейке Камерлинг-Оннесу, сумевшему создать лучшую по тем временам криогенную лабораторию и получить жидкий гелий. С его помощью голландский физик исхитрился охладить испытуемые образцы до четырех Кельвинов (около - 269 градусов по Цельсию, что близко к Абсолютному нулю) и с удивлением обнаружил, что электрическое сопротивление некоторых материалов, например, ртути в таком состоянии практически исчезает. То есть получается идеальный проводник - электрический ток (мощность) может передаваться без потерь на любые расстояния (если конечно будет обеспечено должное охлаждение сверхпроводника).
В октябре 2011 года в Курчатовском институте собрали первую национальную конференцию по прикладной сверхпроводимости. И на ней, с участием авторитетных ученых, представителей ГК "Росатом" и Федеральной сетевой компании "Единая энергетическая система", была намечена стратегия и тактика преодоления возникшего в 90-е годы и в начале нулевых отставания России в технологиях, главным образом, высокотемпературной сверхпроводимости. Сокращенно - ВТСП.
Тут надо сделать остановку и пояснить: высокотемпературная сверхпроводимость не является, как можно было бы подумать, противоположностью низкотемпературной. Просто в одном случае желаемый эффект достигается при температуре порядка -269 градусов, для чего требуется жидкий гелий. А в другом (и на других материалах) это становится возможным при температуре -196 градусов Цельсия, и тут для охлаждения может быть использован более доступный жидкий азот. Явления и материалы, связанные с высокотемпературной сверхпроводимостью, были обнаружены в середине 80-х годов прошлого столетия. И с тех пор во многих странах настойчиво ищут этому полезное применение.
Вот и в России в конце 2015 года созвали уже третью национальную конференцию по прикладной сверхпроводимости. Незадолго до нее, в октябре 2015-го, в НИЦ "Курчатовский институт" без шума и фанфар запустили экспериментальный цех-участок по производству сверхпроводящей ленты с использованием принципа высокотемпературной сверхпроводимости - ВТСП второго поколения.
Эту уникальную ленту, из которой потом будут создавать-сплетать сверхпроводящий кабель, охлаждаемый жидким азотом, мне и демонстрировал Сергей Шавкин. Смотанная на катушку и очень похожая внешне на ленту первых магнитофонов, она содержит внутри себя несколько нанесенных друг на друга тончайших слоев, и в разрезе, если сильно увеличить, напоминает сэндвич.
Основа проводника, несущая механическую нагрузку - тонюсенькая, всего 50-100 микрон, и шириной в несколько миллиметров ленточка из специальной жаропрочной нержавеющей стали, отполированная до зеркального блеска. На нее методом ионного ассистирования наносится текстурированный буферный слой из оксида циркония, исключающего враждебное взаимодействие стальной подложки и собственно сверхпроводника. Затем методом лазерного осаждения наносится еще один, образно говоря, склеивающий оксидный слой и уже на него наносится рабочий слой из сверхпроводящей керамики, толщина которого тоже ничтожна мала - всего один-два микрона.
Еще одним слоем, сверху, ложится полоска из серебра. И в довершение этот многоэтажный сэндвич запаковывается со всех сторон в мундир из меди - герметичный на всем 100-метровом куске сверхпроводящей ленты, что помещается на одной бобине.
- Сто метров - это предельный размер сверхпроводящей ленты, который изначально был установлен лицензионным соглашением при закупке импортного оборудования для нашей линии, - поясняет Сергей Шавкин.
Оборудование пилотной линии и базовые лицензии были закуплены у известной немецкой компании "Брукер" (одного из лидеров в области высокотемпературных сверхпроводников) со стратегической целью - изучить, освоить и создать на этой основе полностью отечественное опытно-промышленное производство ВТСП материалов. Другими словами - чтобы форсированно, одним рывком, преодолеть образовавшееся в приснопамятные годы отставание на этом важном направлении.
И сейчас, в рамках программы "Сверхпроводниковая индустрия", российскими институтами разработано, изготовлено и опробовано оборудование и технологии выпуска ВТСП материалов с единичной длиной уже до 1000 метров. Подготовлено опытное производство таких проводов и уже намечена площадка для их промышленного производства с производительностью до 7000 километров в год.
Российскими учеными и электроэнергетиками на основе подобных сверхпроводников уже разработана и изготовлена на заводе в Иркутске кабельная линия длинной 2,5 километра, которая должна соединить две электроподстанции в Санкт-Петербурге. Она сможет передавать на постоянном токе без потерь мощность до 50 МВт и станет самой длинной в мире кабельной трассой, созданной по технологии высокотемпературной сверхпроводимости.
В НИЦ "Курчатовский институт" для этого проекта разработали соединительные муфты (они потребуются для соединения отдельных секторов кабеля по 400 метров) и концевые муфты для соединения кабеля с обеспечивающей азотной криосистемой. В 2013 году провели успешные испытания ключевых элементов, подтвердивших принятые технические и технологические решения по этой кабельной линии.
Прокладка самой трассы и монтаж обеспечивающих систем - это уже заботы и ответственность подрядчика. А на оборудовании пилотной линии, что установлено в Курчатовском институте, продолжат разрабатывать новые технологии высокотемпературных сверхпроводников, будут выпускать опытные партии материалов, на основе которых создаются будущие кабельные линии и другие ВТСП устройства, проводить их испытания.
Тем временем
В рамках программы "Сверхпроводниковая индустрия", как сообщил
директор по развитию компании "Русский сверхпроводник" В.И. Панцирный,
разработан и изготовлен целый спектр перспективных прототипных устройств
на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов для
применения в энергетике. А именно: сверхпроводниковые ограничители тока
для энергосетей 4-28 кВ постоянного и переменного токов, трансформатор 1
МВА, кинетический и индуктивный накопители энергии энергоемкостью от 1
до 30 МДж, двигатель 200 кВт, генератор на 1 МВт, токовводы для
магнитных систем ускорителей. Кроме того, была создана
научно-экспериментальная база для дальнейшего совершенствования
высокотемпературных сверхпроводниковых материалов второго поколения
(ВТСП-2), разработано оборудование промышленного масштаба для выпуска
длинномерных (до 1000 метров) материалов по этим технологиям.
Какая роль принадлежит российским ученым в проектах Mega-Sience и как удается сохранять лидирующие позиции в термоядерных исследованиях и прикладном использовании технологий сверхпроводимости - интервью вице-президента НИЦ "Курчатовский институт", члена-корреспондента РАН Олега Нарайкина в выпуске "Наука и технологии" 18 марта.