Становление ИТЭР в России

2012, Tом 9, выпуск 3

Тематика: НТСП устройства, Крупные проекты

В связи с начавшимися российскими поставками сверхпроводниковых токонесущих элементов (ТНЭ) в Кадараш (Франция) на строительную площадку ИТЭР, редакция обратилась к руководителю разработок сверхпроводников для ИТЭР д.т.н., проф., зам. директора НБИКС Центра Курчатовского института Александру Константиновичу Шикову с просьбой рассказать об истории становления разработки этих материалов для ИТЭР в России.

А.К.Шиков Советский Союз, главным образом, усилиями России, Украины и Казахстана был одним из лидеров технического использования сверхпроводимости. Достаточно сказать, что первая в мире магнитная система установки Токамак-7 (Т-7) на NbTi сверхпроводниках была создана в Курчатовском институте, которому принадлежит и сама идея создания таких установок термоядерного синтеза.

Рис. 1 Токамак Т-7 (1978 г.) - первый в мире Токамак со сверхпроводящей магнитной системой на основе сверхпроводника NbTi.

Для изготовления сверхпроводящего материала на основе NbTi сплава к магнитной системе Т-7 требовалась организация производственных мощностей. Ближе к середине 70-х годов во Всесоюзном научно-исследова-тельском институте неорганических материалов им. А.А. Бочвара (ВНИИНМ) такой материал был создан, и на Ульбинском металлургическим заводе (Усть-Каменогорск, Восточный Казахстан) организовано первое в мире крупномасштабное производство ТНЭ на основе NbTi сверхпроводника.

a) б)

Рис. 2 Сверхпроводник (а) и токонесущий элемент (б) для магнитной системы Токамака-7 (1976г.).

На рис. 2 показаны NbTi сверхпроводник (диаметр сверхпроводника – 1,0 мм, количество волокон – 37 при диаметре волокна – 96 мкм) и токонесущий элемент, изготовленный из 16 таких сверхпроводников.

Успешное испытание установки Т-7 позволило предложить использование NbTi сверхпроводников и для ускорительной техники.

Большое количество сверхпроводника, (примерно 1200 тонн) потребовалось для создания магнитной системы ускорительно-накопительного комплекса (УНК) в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино. Во ВНИИНМ вместе с Курчатовским институтом и ИФВЭ был разработан проводник, в котором диаметр NbTi волокна составлял уже 6 мкм в проводе уменьшенного диаметра (0,85 мм вместо 1 мм), который содержал 5000 волокон. Успех был достигнут с помощью оригинальной, запатентованной, технологии – использовании диффузионного ниобиевого барьера для предотвращения взаимодействия NbTi волокна с медной матрицей.

Рис. 3 Сверхпроводник для УНК, выпущенный в количестве более 100 тонн (диаметр проводов – 0,85 мм, диаметр NbTi волокон - 6- мкм).

Для установки Токамак-15 (Т-15) было предложено использовать новый материал - сверхпроводник на основе Nb₃Sn, у которого примерно в два раза было выше и критическое верхнее поле, и критическая температура. Практически одновременно с зарубежными странами во ВНИИНМ вместе с Курчатовским институтом были разработаны две технологии получения сверхпроводников на основе Nb₃Sn. Одна - путем твердофазного взаимодействия, когда в медно-оловянную, бронзовую, матрицу помещались ниобиевые жилы, и проходила термообработка с образованием слоя Nb₃Sn.

Рис. 4. Схемы получения сверхпроводников

Другая, запатентованная, технология, разработанная сотрудником ВНИИНМ Гелием Николаевичем Калининым (за 5 лет до японцев) – технология  внутреннего источника, по которой олово помещалось в середину проводника, содержащего в медной матрице ниобиевые жилы. При наличии медной матрицы было возможно избежать многочисленных промежуточных термообработок и, самое главное, получить в проводнике большее количество сверхпроводящей фазы, которая обеспечивала очень высокую токонесущую способность (ТНС), особенно в высоких магнитных полях, потому что твердожидкое взаимодействие обеспечивало получение Nb₃Sn с высокими значениями критической температуры и верхнего критического поля. Однако, для получения таких высококачественных, безобрывных материалов с тонкими волокнами требовалось разработать совершенно новые сорта исходных материалов - прежде всего сверхчистый Nb, а также сверхгомогенную и беспористую оловянную бронзу с содержанием олова до 8,5-10 %. Бронза с таким содержанием олова до сих пор считается литейным сплавом, не подлежащим деформации из-за растрескивания. Специалисты в этой области из ГИПРОЦМО (Научно-исследовательский, проектный и конструкторский институт сплавов и обработки цветных металлов) были немало удивлены, когда им был показан многожильный сверхпроводник с матрицей из сплава бронзы Cu - 8 % Sn, который выдерживал деформации при неоднократном волочении.

а) б)

Рис. 5. Nb₃Sn сверхпроводник (а) (диаметр сверхпроводника – 1,5 мм, количество волокон – 14641,

диаметр волокна – 5 мкм) и токонесущий элемент (б) на его основе для магнитной системы Т-15

(1988 г.).

ТНЭ на основе Nb₃Sn должен был быть пригодным для магнитной системы Т-15. Для этого был проведен во ВНИИНМ широкий комплекс исследований

для повышения ТНС: кинетики роста и микроструктуры сверхпроводящих слоев, механических свойств, особенно при изгибе, влияния деформации на целостность волокон и токонесущую способность. В результате за период с начала 80-х до 1986 года также на Усть-Каменогорском металлургическом заводе с нуля была поставлена технология получения исходных материалов и композитов для создания первого в мире ТНЭ на основе Nb₃Sn. Операции изготовления кабеля осуществлялись по технологии, разработанной во Всесоюзном институте кабельной промышленности (ВНИИКП). Из ТРЭ на основе Nb₃Sn была изготовлена успешно прошедшая испытание в Курчатовском институте магнитная система Т-15.

Применение этого материала показало, что он вполне подходит для технического использования, несмотря на его хрупкость, просто надо с ним уметь обращаться. В значительной степени успешные результаты, полученные на Т-7 и Т-15, позволили президенту Курчатовского института Евгению Павловичу Велихову в середине 80-х годов выйти к Михаилу Сергеевичу Горбачеву с инициативой создания международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

Рис. 6. Первый в мире Т-15 (1988 г.) со сверхпроводящей магнитной системой на основе соединения Nb₃Sn.

Схема реактора ИТЭР.

1 - центральный соленоид (индуктор)

2 - катушки полоидального магнитного поля

3 - катушка тороидального магнитного поля

4 - вакуумная камера

5 - криостат

6 – дивертор

Рис. 7. Международный термоядерный экспериментальный реактор ИТЭР, его размеры 40х40 м.

Эта идея была подхвачена президентами Японии, США и нескольких стран Европы. Началась работа по конструированию реактора, а с 1992 года - работы по демонстрации инженерных технологий создания такого реактора, где было необходимо продемонстрировать готовность промышленности к столь масштабному проекту. Для его создания требовалось порядка 720 т сверхпроводника, примерно 1/3 – на основе NbTi и 2/3 – на основе Nb₃Sn. Технические параметры сверхпроводников для ИТЭР, заявленные в 1992 году, были существенно выше, чем для Т-7 и Т 15.

В Таблице 1 сравниваются технологические параметры сверхпроводников для Т-7 и Т-15 с требуемыми величинами для проекта ИТЭР. В два раза должна быть увеличена плотность тока для NbTi в поле 5 Тл, а для Nb₃Sn – увеличена плотность тока в полтора раза и в поле уже не 8 Тл, а 12Тл. Были добавлены многие другие технические требования: были уменьшены диаметр волокна и диаметр стренда, фиксировался параметр объемного содержания меди в сверхпроводнике, предъявлены требования к чистоте меди, которое контролируется отношением r₂₇₃/r₂₀. Медное стабилизирующее покрытие должно было уже быть введено в тело сверхпроводника. Увеличивалась также единичная длина ТНЭ. Был ужесточен режим последней термообработки с увеличением ее длительности до 175 часов. Однако в то время промышленность в мире выпускала сверхпроводящие материалы с техническим параметрами примерно на 15 % ниже, чем требовалось для ИТЭР. В связи с этим был объявлен конкурс, в котором приняли участие 17 крупных фирм – производителей сверхпроводников. Среди них была и одна российская фирма –

ВНИИНМ. Все фирмы собрались в Японии в г. Нака, и около часа каждый из представителей фирм доказывал, что именно его фирма готова и может разработать сверхпроводники нужного качества.

Большой опыт, накопленный при создании сверхпроводников для Т-7 и Т-15 помог найти путь повышения плотности критического тока у NbTi до требуемого тогда значения в 2700 А/мм². Необходимо было применить крупные составные заготовки с тем, чтобы к концу деформации на конечном диаметре сверхпроводника была большая накопленная деформация, и было выделено необходимое количество наночастиц a-Ti – которые, в основном, являются центрами пиннинга в этих сверхпроводниках.

Рис. 8. Сборка составной заготовки для изготовления NbTi провода магнитной системы ИТЭР.

Таблица 1. Сравнение спецификаций NbTi и Nb₃Sn стрендов для проектов Токамак и ИТЭР

Первые заготовки диаметром 250 мм с 5000 NbTi волокон изготавливали во ВНИИНМ, затем отправляли на завод в г. Глазов (Удмуртская республика), где на циркониевом производстве их выдавливали.

   Рис. 9 NbTi сверхпроводник

   для магнитной системы ИТЭР

   диаметр сверхпроводника - 0,73 мм

   диаметр волокна - 6,4 мкм

На Рис. 9 показано фото сечения NbTi сверхпроводника для магнитной системы ИТЭР. Эта фотография, показанная на одном из совещаний по ИТЭР, была принята за рисунок. Оправданием был продемонстрированный образец темплета «живого» проводника. По условию конкурса, проводник ВНИИНМ был протестирован в 10 лабораториях мира с подтверждением достижения всех необходимых параметров.

Ситуация с Nb₃Sn была более сложной. Помогла идея академика Андрея Анатольевича Бочвара, который еще в начале 70-х годов предположил, что ТНС можно повысить путем введения легирующих элементов, как в материал матриц, так и волокон. Исследования показали, что Ti является доступным и наиболее благоприятно влияющим на ТНС материалом в поле 12 Тл. Однако требовалось ввести всего 2 % Ti в ниобий, а поскольку такие сплавы в этом интервале состава обладали провалом пластичности, из них невозможно было получить жилы Nb₃Sn диаметром 2 микрометра. Поэтому была предложена интересная, запатентованная, технология искусственного легирования ниобиевых волокон. В 2,5 мкм жилу вставлялся порядка 100 нм керн из сплава NbTi, затем, в процессе диффузионной термообработки, Ti диффундировал в Nb и образовывал сплав с 2 % Ti. Олово, диффундирующее в ниобиевое волокно, приводило к образованию легированного титаном слоя Nb₃Sn, что и позволило достичь необходимого значения ТНС.

Рис. 10 Искусственное легирование Nb волокон сплавом NbTi.

Второй серьезной проблемой было введение в проводник меди до 50% ее объемной доли, не допуская при этом диффузии олова в медную оболочку. Эта проблема была решена путем введения диффузионного барьера на границе бронзы с медью. Сначала он был танталовый, так как Ta не взаимодействует ни с медью, ни с оловянной бронзой. Затем, ради дешевизны, Ta заменили на двойной композиционный барьер Nb/Ta, поскольку Nb также не взаимодействовал с медью, а Ta - с бронзой.

По этой технологии во ВНИИНМ мной и к.т.н. Воробьевой Александрой Евгеньевной было предложено семь различных вариантов сборки. Только одна их них удовлетворила всем требуемым условиям конкурса. По этой технологии и был изготовлен Nb₃Sn сверхпроводник для ИТЭР, достижение всего комплекса свойств которого подтвердили все 10 лабораторий мира.

Рис. 11. Заготовка для  получения многоволоконных композиционных Nb₃Sn сверхпроводников по бронзовой технологии с диффузионным барьером.

Рис. 12. Nb₃Sn

сверхпроводник для магнитной системы ИТЭР.

диаметр сверхпроводника – 0,81 мм

количество волокна – 7225

Поскольку российская фирма оказалась в числе 4-х из 17 участвующих в конкурсе фирм, полностью справившихся с этой высокой сложной задачей, России было разрешено перейти к следующему этапу – созданию ТНЭ.

Эти работы были выполнены вместе с ВНИИКП. Под руководством д.т.н. Виктора Евгеньевича Сытникова на вновь созданном оборудовании были решены следующие задачи: 1) нанесение на Nb₃Sn проводник тончайшего слоя хрома и никеля - на NbTi; 2) транспонирование провода; 3) изготовление кабеля очень сложной конструкции, обеспечивающей циркуляцию жидкого гелия, омывающего все эти проводники; 4) изготовление длинномерной (порядка 800 м) герметичной трубы методом сварки отдельных кусков длиной 10-12 м; 5) джекетирование кабеля – затягивание его в оболочку-трубу, (Рис.13 а-г)

Рис. 13. Установки для производства ТНЭ на основе Nb₃Sn: а) и б) – скручивание кабеля во ВНИИКП в Подольске, в) – изготовление оболочки и г) - заключение кабеля в оболочку в ИФВЭ в Протвино.

На рис. 14 показано поперечное сечение Nb₃Sn ТНЭ для обмотки тороидального поля с критическим током около 120 тыс. А в поле 12 Тл при диаметре 40 мм.

Тестирование в Швейцарии показало, что наш материал также полностью удовлетворяет требованиям ИТЭР и не только по уровню характеристик, но и по воспроизводимости свойств от образца к образцу. Следующим этапом было изготовление модельной катушки-вставки для моделирования поведения сверхпроводника в магнитной системе ИТЭР. Для этого сначала в НИИ электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) из изготовленного во ВНИИНМ 100 м куска ТНЭ была изготовлена модельная катушка-вставка диаметром 2 м и высотой 5 м, которая затем подвергалась термообработке для образования в сверхпроводнике фазы Nb₃Sn. Термообработка проводилась в специально разработанной по рекомендации ВНИИНМ и изготовленной в НИИЭФА цилиндрической печи длиной более 5 м и диаметром более 2 м, которая позволила производить отжиг ТНЭ в течение более 600 часов в вакууме 10^-6 рт.ст. с перепадом температуры не более ±2° в течение всей термообработки, а это примерно 23 дня. Изготовленная катушка была погружена в НИИЭФА на автомобиль и отвезена в Финляндию. Из Финляндии уже самолетом эта семитонная конструкция была отправлена в японский Институт атомной энергии (JAERI).

Рис. 15. Катушка-вставка проводника

тороидального поля ИТЭР.

Заключительный этап испытаний проводился в сентябре 2002 года в момент прохождения конференции по магнитной технологии в Швейцарии. Когда закончился очередной доклад, прервали конференцию, вышел представитель оргкомитета и объявил, что только что получено сообщение, что российская катушка-вставка полностью вышла на все параметры, которые требовались для подтверждения работоспособности ТНЭ. Причем вышла с первого раза.

В процессе разработки сверхпроводников для ИТЭР российским специалистам не раз приходилось корректировать предлагаемые Центральной командой решения. Так однажды Центральная команда ИТЭР выставила требования по повышению ТНС Nb₃Sn проводника с внутренним источником олова до уровня 2000 А/мм² в поле 12 Тл. Такие требования должны были привести к существенному ухудшению механических свойств сверхпроводника и опасности потери ТНС. Нашим специалистам удалось доказать, что ТНС сверхпроводника, получаемому по бронзовой технологии должна быть не выше 720 А/мм², а по технологии внутренним источником – не более 800 А/мм².

Рис. 16. Сборка композиционной заготовки диаметром 200 мм для получения проводников на основе соединения Nb₃Sn

Для достижения поставленных нормативов, когда и так все было на пределе по бронзовой технологии, нам пришлось изменить конструкцию сверхпроводника. И этот высокий уровень требований нашими специалистами был достигнут. Такие ТНЭ, также изготовленные впервые во ВНИИКП, были посланы в Швейцарию, и также полностью подтвердили нашу способность к изготовлению материалов с требуемыми свойствами.

  а - в исходном состоянии до проведения

  б - после проведения термической обработки;

  Кабель в оболочке с компоновкой скрутки

 Рис. 17. Nb₃Sn сверхпроводник с внутренним источником олова

Для подстраховки нами был изготовлен ТНЭ из сверхпроводников на основе Nb₃Sn с внутренним источником олова, который также успешно прошел испытания в Швейцарии. Поскольку в технологии внутреннего источника была опасность повышенной хрупкости, а значит и потери ТНС, был применен для упрочнения медной оболочки уникальный наноструктурированный медь-ниобиевый материал. Он обладал прочностью стали, и близкой к меди теплопроводностью. Предел прочности провода увеличился с 290 до 370 мДж/см³ при сохранении и даже улучшении других характеристик. В Курчатовском институте родилась идея введения в тело низкотемпературного сверхпроводника соединений с высокой теплоемкостью, что обеспечивало лучшую тепловую стабилизацию. К сожалению, эти разработки уже не попали в ИТЭР, но они открывают перспективу для других использованиях, например, в томографических проводах.

Рис. 18. Слева направо: Олег Геннадиевич Филатов (директор НИИЭФА, он был и является бессменным руководителем российской команды по ИТЭР), Норберт Хольткамп (бывший зам. генерального директора ИТЭР), Евгений Павлович Велихов, Анатолий Витальевич Красильников, Виталий Михайлович Коржавин, Александр Константинович Шиков.

Предъявленные российскими коллективами результаты дали возможность Е.П.Велихову подписать соглашение о поставке для строительства ИТЭР в Кадараше из России 220 тонн сверхпроводников: примерно 120 т NbTi и 100 т Nb₃Sn.

Рис. 19. Nb₃Sn сверхпроводники с внутренним источником олова. Слева - просто медная матрица, справа - упрочненная медная оболочка.

Мы выиграли право производить 220 т сверхпроводника, а где это делать? Усть-Каменогорский завод прекратил существование. В конце трудных 90-х годов, а это было время дефолта, мы стали добиваться права создать российское производство сверхпроводящих материалов. Помогла нам тогда уникальная ситуация: министр атомной промышленности Евгений Олегович Адамов активно поддерживал сверхпроводящие работы. Его сменил Румянцев Александр Юрьевич (бывший исполнительный директор Курчатовского института), первым заместителем у него был бывший директор ВНИИНМ Михаил Иванович Солонин. Президентом ТВЭЛа, который хорошо знал сверхпроводящие дела, был Виталий Федорович Коновалов - бывший начальник цеха сверхпроводников Усть-Каменогорского завода. Владимир Григорьевич Виноградов был первым зам.ми-нистра по экономике, а раньше был главным инженером московского завода полиметаллов, с которым мы вместе там работали. Игорю Владимировичу Боровкову, первому зам.министра в Росатоме (мы с ним тоже много работали) было поручено возглавить все работы в России по ИТЭРовским делам. Начальником Управления Атомной науки и техники был Ю.А.Соколов, хорошо знавший термоядерную тематику. Зам.министра И.М.Каменских, курировавший конверсионные работы в Росатоме тоже не по-наслышке знал о работах по сверхпроводимости. Наконец, огромную поддержку помимо академика Е.П.Велихова оказывал тогдашний директор НИИЭФА академик В.А.Глухих и заместитель директора НИИЭФА, руководитель Российской домашней команды О.Г.Филатов. Еще благоприятным было то, что на Глазовском заводе я был научным руководителем циркониевого производства от ВНИИНМ и хорошо знал цеха, оборудование, свободные площади. Все это, но также и, прежде всего - технические результаты высокого мирового уровня, достигнутые коллективами, в это тяжелое время позволили добиться первых денег.

22 мая 2002 года Румянцевым был подписан приказ о создании на Чепецком механическом заводе (ЧМЗ) в г. Глазов российского производства сверхпроводников мощностью 60 т: 50 т – для создания сверхпроводников под ИТЭР и 10 т – под провода для МРТ магнитов. Ваш покорный слуга был назначен научным руководителем разработки технологии и организации промышленного производства российских сверхпроводников и ТНЭ на их основе. Мы приступили к работе, и в сжатые сроки было разработано техническое задание вместе со специалистами ВНИИНМ,

ТВЭЛа (потому что завод входил в ТВЭЛ), завода и ГСПИ (Государственный специализированный проектный институт).

Рис. 20. Чепецкий металлургический завод до и после строительно-монтажных работ.

А в апреле 2009 года мы разрезали красную ленточку, что символизировало пуск промышленного производства. На заводе было налажено производство не только сверхпроводников, но и производство сверхчистого ниобия, высокогомогенного NbTi сплава, поскольку производственные мощности по их производству в г. Силламяэ отошли к Эстонии, а также производство сверхчистой меди и оловянной бронзы, поскольку в г. Владикавказ (Осетия) оно было потеряно. Для создания этих производств потребовалось закупить более ста единиц крупного оборудования стоимостью, от 100 тыс. до более, чем 5 млн. долларов.

Промышленное производство сверхпроводящих Nb₃Sn и NbTi стрендов на площадке ЧМЗ состоит из 3-х технологических комплексов. №1 - производство ниобия, начиная от сверхчистой пятиокиси ниобия; №2 - производство сплавов меди и ниобия; №3 - производство сверхпроводящих стрендов.

К настоящему времени производство вышло на 100 % мощность и может выпускать 60 т сверхпроводников в год. Под научным руководством ВНИИНМ на ОАО ЧМЗ уже изготовлено более 93 т сверхпроводников для ИТЭР.

Из производимых на ЧМЗ единичных сверхпроводников предстояло изготавливать ТНЭ на производстве, которого тоже не было и которое стоило немалых денег. Ряд специалистов Росатома предлагали этот процесс отдать в Европу, но мы вместе с В.Е.Сытниковым, хлопотали о выделении средств на создание кабельного передела и передела по джекетированию во ВНИИКП. Нам удалось убедить представителей Росатома в необходимости создания российского производства ТНЭ, и под руководством ВНИИКП кабельный передел был организован в Подольске, передел джекетирования – в ИФВЭ (Протвино).

Рис. 21. Объемы производства в 2009-2011гг.

Следующий этап - контроль качества ТНЭ был осуществлен в Курчатовском институте на используемом ранее для Т-15 и модернизированном оборудовании. Оснащенное согласно международным требованиям оборудование предназначено для испытания механических свойств труб и модельных образцов материала оболочки при температуре жидкого гелия. Короткие куски оболочек и вырезанные из них образцы подвергаются в Курчатовском институте механическим испытаниям при комнатной и гелиевой температурах. Испытания на герметичность ТНЭ проводятся в вакуумной камере при давлении 30 атм.

Рис 22. Оборудование для испытания герметичности проводников ИТЭР.

Для этого из ИФВЭ токонесущий элемент длиной 765 м на барабанах везут ночью в сопровождении ГАИ в Курчатовский институт. Из Курчатовского института 28 кусков таких ТНЭ до конца 2014 года будут поставлены через Италию, где пройдут операции по изготовлению обмоток тороидального поля, в Кадараш на строительную площадку ИТЭР. ВНИИКП уже поставил в Европу пять транспонированных кусков сверхпроводников на основе NbTi, где они должны быть одеты в прямоугольную оболочку и доставлены на площадку ИТЭР.

Таким образом, почти за 20 лет, коллективы упомянутых институтов Росатома и других организаций, на мой взгляд, совершили научный и человеческий подвиг, создав в обеспечение проекта ИТЭР российское производство сверхпроводников, и практически спасли техническую сверхпроводимость в России. Хочется выразить надежду, что мы сообща осилим и задачу разработки технологии и повышения свойств высокотемпературных сверхпроводников, которые, конечно же, более широко должны войти в технику, чем сверхпроводники низкотемпературные. Эти работы успешно начаты в рамках проекта “Сверхпроводниковая индустрия” комиссии Президента по модернизации и технологическому развитию страны.