Сверхпроводимость

ТЕМА НОМЕРА / #9_2022

Записала Ирина ДОРОХОВА / Фото: Unsplash.com

Благодаря ЕОТП приоритетные направления научно-­технологического развития, в том числе «Сверхпроводимость», получили необходимое финансирование и возможность пройти путь от научных идей до востребованных коммерческих продуктов. Один из таких продуктов — высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Скорее всего, ближайшим масштабным применением российских сверхпроводников будет научный мегапроект в области управляемого термоядерного синтеза (УТС). Об этом рассказывает заместитель генерального директора по термоядерным и магнитным технологиям АО «НИИЭФА», научный руководитель ПННТР «Сверхпроводимость» Росатома Игорь Родин.

Основное свой­ство сверхпроводников — нулевое электрическое сопротивление при сверхнизких (криогенных) температурах. Разделение сверхпроводников на низко- и высокотемпературные (НТСП и ВТСП) условно и говорит скорее о разнице в используемых при производстве технологиях и материалах.
Главная особенность сверхпроводников — в том, что тонкая проволока или лента может нести в сильных магнитных полях токи зарядом в несколько тысяч ампер на 1 мм² — показатель, совершенно недостижимый для нормально проводящих материалов. Сверхпроводники позволяют создавать сильные магнитные поля, передавать большие мощности, причем в очень компактных габаритах — отличаясь от обычных проводов на порядки. Прикладные применения сверхпроводников — энергетика, установки мегасайенс, где нужны сильные магнитные поля, транспорт и др.
Развитие направления сверхпроводимости стимулирует развитие смежных областей знаний. Сверхпроводники работают при низких температурах, значит, необходимы создание и ускоренное развитие криогенных систем. Есть риск разрушения оборудования при переходе сверхпроводников в резистивное состояние — создаются автоматические системы обнаружения перехода и защиты от его последствий. И так далее.
НТСП выпускаются на базе металлов, сплавов и интерметаллидов. Основная сложность их использования — необходимость поддерживать сверхнизкую (ниже -250 °C) температуру. У ВТСП (монокристаллы, керамики, пленки) сверхпроводимость появляется при относительно высоких температурах, например, при температуре жидкого азота (-195,75 °C). Однако «плата» за это — сложность технологии изготовления и высокая стоимость конечного продукта. Особенно это характерно для ленточных ВТСП, представляющих собой многослойные структуры: на подложку последовательно напыляются слои, обеспечивающие сверхпроводимость, а затем добавляются стабилизирующие слои серебра, меди и др.
Специфика отношения к сверхпроводникам в том, что все понимают их перспективность, но не все хотят использовать из-за дороговизны и усложнения оборудования. Один метр ленты ВТСП шириной 4 мм стоит $ 80−100. Обычный медный проводник стоит на порядки меньше.

Новейшая история сверхпроводников в России
Росатом заинтересовался ВТСП во второй половине 2000‑х годов. Сверхпроводящие кабели, сверхпроводниковые сильнополевые магнитные системы, энергооборудование, способное максимально эффективно ограничивать токи перегрузки, накапливать и преобразовывать энергию, — все это казалось перспективнейшими направлениями развития продуктовой линейки. Тем более что еще в первом десятилетии 2000‑х в России (а именно в АО «НИИЭФА») было создано основное технологическое оборудование, необходимое для производства ВТСП, —эксимерные лазеры.
К 2010 году команда, лидером которой был Вячеслав Александрович Першуков, организовала проект «Инновационная энергетика/ Сверхпроводниковая индустрия», рассчитанный на период до 2015 года. Финансирование было выделено как на развитие ВТСП, так и на их прикладные применения в энергетике. В реализации проекта участвовали как институты в контуре Росатома (ВНИИНМ, НИИТФА, НИИЭФА), так и сторонние организации (НИЦ «Курчатовский институт», ЭНИН и др.); каждый участник решал собственную задачу.
Цель была амбициозной — массовое производство и прикладное использование ВТСП. Итогом пятилетней совместной работы стала установка для выпуска ВТСП- ленты шириной 4 мм и длиной до 1 км. Одновременно были созданы сверхпроводниковые трансформатор, индуктивный накопитель (СПИН) энергоемкостью 1 МДж, ограничитель тока (СОТ) — устройства, обычно применяемые на энергоподстанциях. К сожалению, прорывные работы закончились опытными образцами, а не продуктами, готовыми к серийному выпуску и последующей реализации. Например, трансформатор со сверхпроводниковыми обмотками получился слишком дорогим. Выигрыш, который он демонстрировал по сравнению с обычными трансформаторами, оказался не настолько велик, чтобы потребители захотели его установить вместо традиционного, с нормально проводящими обмотками. Неудачный опыт выхода на рынок определил необходимость продолжения разработок.
В 2016 году предполагался запуск федерального целевого проекта, предусматривающего дальнейшее развитие наработанного потенциала сверхпроводимости, но по разным причинам планы не реализовались. И только благодаря усилиям команды Юрия Александровича Оленина — «отца» ЕОТП и системы из десяти ПННТР, одним из которых стала «Сверхпроводимость», — наука Росатома вновь получила ресурсы как на свободный научный поиск, так и на доработку опытных образцов до коммерческого уровня. Основной задачей стало сделать продукты такими, чтобы потенциальным клиентам захотелось их купить.
Сегодня в развитии проектов ПННТР «Сверхпроводимость» участвуют несколько научных институтов как в контуре Росатома, так и за его пределами. Например, в НИЦ «Курчатовский институт» и в АО «НИИЭФА» работают опытные установки изготовления ВТСП. В АО «ВНИИНМ» создано и эксплуатируется оборудование для изготовления исходных материалов (распыляемых мишеней и подложек ленточных ВТСП).

Четыре направления развития
Сегодня практическая работа продолжается по четырем основным направлениям. Первое — установки мегасайенс, такие как российский токамак с реакторными технологиями (ТРТ), идея создания которого принадлежит Анатолию Витальевичу Красильникову — руководителю ЧУ «Проектный центр ИТЭР».
Второе — передача электроэнергии ВТСП кабелями постоянного и переменного тока. Здесь Росатом планирует выступать в тесной кооперации с Научно-­техническим центром Федеральной сетевой компании («НТЦ ФСК ЕЭС») ПАО «Россети».
Третье — сильнополевые соленоиды и другие магнитные системы, способные найти применение в гиротронах, спетрометрах, томографии, ускорительной технике и другом высокотехнологичном оборудовании.
Четвертое направление — электромеханические преобразователи: двигатели и генераторы, активно используемые в ветроэнергетике.
В рамках первого направления продолжается развитие всем известного международного проекта ИТЭР. Параллельно идут эскизное проектирование и продвижение к реализации «в железе» установки ТРТ, которую предполагается построить в АО «ТРИНИТИ». В отличие от ИТЭР, в российском ТРТ планируют использовать не НТСП, а ВТСП, способные работать в сильных магнитных полях. Размеры токамака небольшие, чуть больше 3 метров в диаметре (в ИТЭР — 28 метров), зато индукция магнитного поля выше — до 20 тесла (в ИТЭР — 13 Тл).
Второе направление нацелено на разработку сверхпроводящих генераторных перемычек и линий электропередачи, обеспечивающих существенное снижение омических потерь при поставке электроэнергии потребителю на всем пути от генератора через генераторные перемычки к трансформатору и далее через линии электропередачи к распределительной подстанции.
Примеры практического использования подобных линий электропередачи уже есть в российской энергетике. Например, АО «НТЦ ФСК ЕЭС» использует сверхпроводящий кабель из ВТСП в проекте, обеспечивающем объединение мощности двух подстанций в Санкт-­Петербурге. Это первый случай, когда линия электропередачи постоянного тока, использующая сверхпроводники, по итогам рассмотрения ТЭО оказалась эффективнее других решений. Это демонстрационный проект в части промышленного использования сверхпроводимости. И хотя сверхпроводники там зарубежные, проект должен подтвердить на практике технические и экономические параметры эксплуатации российских решений в части конструкции сверхпроводниковых кабелей. Со своими сверхпроводниками мы надеемся вой­ти во второй проект АО «НТЦ Россети ФСК ЕЭС», предполагающий прямое электроснабжение одной из энергоподстанций Москвы.
Кроме того, по результатам проекта ЕОТП в части создания сверхпроводниковых генераторных перемычек с низкими омическими потерями мы начали формирование инвестпроекта по использованию сверхпроводимости при строительстве реактора БН‑1200 Белоярской АЭС. Закупка оборудования предполагается после 2025 года. До этого необходимо получить разрешение Ростехнадзора на использование сверхпроводимости при строительстве АЭС и добиться максимального снижения цены продукта.
По направлению сильнополевых соленоидов работа в самом разгаре. Ведется она совместно с коммерческой организацией ЗАО «СуперОкс». Задача на этот год — продемонстрировать образец ВТСП-магнита с индукцией до 20 Тл и другими особенностями, интересными потенциальным заказчикам, среди которых — изготовители магниторезонансных томографов (МРТ). Сначала МРТ выпускались с магнитным полем 0,5 Тл, а сейчас индукция доходит до 7 Тл, что близко к пределу используемых сегодня НТСП — а значит, требует перехода к ВТСП.
Кроме того, магнитные поля до 15 Тл требуются новым поколениям гиротронов для установок со спектрометрами ядерного магнитного резонанса, которые под руководством Григория Геннадьевича Денисова разрабатываются и промышленно выпускаются в нижегородском Институте прикладной физики РАН. Мы считаем, что в этом сегменте ВТСП необходимы, особенно с учетом запроса на импортонезависимость. Однако реальные продажи будут напрямую зависеть от того, появятся ли заказы от производителей высокотехнологичной техники. Если все останется по-прежнему, и, например, производители гиротронов будут выпускать по 10−12 единиц продукции в год, мы обязаны предложить им наши соленоиды.
По направлению электромеханических преобразователей есть наработки в части создания ВТСП-генератора для ветроэлектростанций. С помощью сверхпроводников можно создать машину, которая в ограниченных габаритах даст гораздо большую мощность, чем используемые в настоящее время. Оборудование разработано на уровне технического предложения. Совместно с Дирекцией по гражданской продукции ЯОК Росатома формируется инвестпроект. В качестве заказчика предполагается АО «НоваВинд», отвечающее за направление ветрогенерации. Надеемся, что наши решения докажут свою эффективность и будут приняты к коммерческому использованию. Задача непростая. Сверхпроводники требуют введения в состав оборудования ветростанций систем криогенного обеспечения. Потребуются новые навыки. Следовательно, придется обучить персонал, дополнить технические регламенты и так далее. Однако дорогу осилит идущий.
Одновременно в рамках проектов ЕОТП ведутся прикладные разработки, нацеленные на развитие технологий изготовления ВТСП-лент. В частности, в АО «НИИЭФА» под руководством Александра Михайловича Юдина было создано оборудование, способное выпускать сверхпроводники шириной не 4 или 12 мм, как ранее, а 40 мм. Более широкая ВТСП-лента не перегорает, если вдруг происходит нарушение условий эксплуатации и сверхпроводник переходит в резистивное состояние. Кроме того, у широкой ВТСП-ленты больше возможностей использования при разработке и производстве сверхпроводникового оборудования.
Мы также работаем над созданием исходных материалов для высокотемпературных сверхпроводников. В частности, это мишени, куда бьет лазерный луч, испаряя исходные вещества, которые затем осаждаются на металлическую ленту-­подложку -базовый элемент сверхпроводника. В АО «ВНИИНМ» под руководством Ильдара Мансуровича Абдюханова в рамках проектов ЕОТП и за счет иного государственного финансирования разрабатываются технологии, оборудование и испытательные стенды, необходимые для выпуска материалов нужного качества.

Создание нового уклада
Разговоры о дороговизне мы слышим всегда и везде, где вместо обычных проводов появляются сверхпроводники. Да, мы создаем новый уклад. Он на первых порах кажется затратным и хлопотным, зато результаты в перспективе могут стать прорывными. Нынешняя ситуация с ПННТР «Сверхпроводимость» похожа на ту, которая создалась больше века назад, когда автомобили — паровые, электрические и с ДВС — соседствовали с лошадьми. Лошади были понятнее и привычнее, но авторынок уже начал развиваться, и постепенно возникла реальность, которую мы сегодня уже не представляем без автомобилей.
Выгоды от использования сверхпроводников хорошо понимают создатели научных установок, ведь именно сверхпроводники позволяют достичь пограничных состояний, расширяющих границы познания. Если, например, создается ускоритель, ему требуется энергия для ускорения пучков электронов, протонов, ионов и других элементарных частиц. Для этого необходимо создать градиент магнитного поля, который обеспечит требуемую энергию и фокусировку пучка. А если нужны сильные магнитные поля, без сверхпроводимости не обойтись.
В массовом сегменте пока налицо заколдованный круг: производителю устройств нужна хорошая и недорогая ВТСП-лента. Но для снижения ее себестоимости необходим рынок массового потребления, то есть ­кто-то должен производить и ­кому-то продавать большое количество сверхпроводящих кабелей и сверхпроводниковых устройств. А для этого необходимы недорогие исходные сверхпроводники…
Надеемся, что разорвать этот круг как раз и поможет отечественный мегасайенс-­проект, который, как локомотив, вытянет сверхпроводники на массовый рынок. Для установки ТРТ нужны десятки тысяч километров лент — это не одна линия по их производству, а восемь-­девять, по нашим подсчетам. Это уже полноценный завод с промышленными объемами производства, при которых цена ленты упадет раз в пять, со $ 100 за 1 метр до $ 20, то есть ВТСП-лента станет массовым недорогим продуктом. Затем столь же массовыми станут сверхпроводниковые устройства. Если же проект ТРТ не состоится, к массовому применению ВТСП придется идти долго и мучительно.

Коротко о будущем
Росатом, благодаря проекту «Инновационная энергетика/Сверхпроводниковая индустрия» и проектам ЕОТП в рамках ПННТР «Сверхпроводимость», перешел от научных разработок к прикладному использованию сверхпроводников. Теперь важно не останавливаться, выходить на инвестиционные проекты. Это промышленный выпуск многокилометровых сверхпроводящих линий электропередачи, сильнополевых сверхпроводниковых магнитов, сверхпроводниковых ветрогенераторов и др. При этом поиск потенциальных заказчиков становится важнейшей частью проектной работы.
В 2022 году мы собираемся подать на рассмотрение в рамках ЕОТП три проекта.
Во-первых, одобрен проект АО «НИИЭФА» — создание и испытания образцов сильноточных проводов для термоядерной установки ТРТ, завершение которого предполагается в 2023 году.
Второй проект — дооснащение до полного цикла линии производства ВТСП в АО «НИИЭФА».
Третий — изготовление мишеней, с которых происходит напыление ВТСП; заявку подал АО «ВНИИНМ». Когда ЕОТП по ПННТР «Сверхпроводимость» только начинался, проектов было больше, но потом произошла их естественная концентрация на задачах, обеспечивающих последующую реализацию инвестпроектов и проектов мегасайенс. Главное — есть понимание, куда двигаться, чтобы превратить сверхпроводниковую историю в коммерчески выгодную.