Дергунова Елена Александровна

«Мистер Сверхпроводимость»

Годом начала раз­ра­ботки тех­ни­че­ских сверх­про­вод­ни­ков в мире счита­ется 1961-й, когда был открыт метод Кюн­ц­лера, впервые поз­во­лив­ший полу­чить длин­но­мер­ную сверх­про­во­дя­щую про­волоку, исполь­зо­ван­ную для изго­то­в­ле­ния сверх­про­во­дя­щего соле­но­ида. В том же году ака­демик Исаак Кон­стан­ти­но­вич Кикоин (Инсти­тут атомной энергии им. И. В. Кур­ча­това) пред­ло­жил дирек­тору ВНИИНМ Андрею Ана­то­лье­вичу Бочвару заняться раз­ра­бот­кой сверх­про­во­дя­щих мате­ри­а­лов. С позиции сего­д­няш­него дня мы можем оценить огромную заслугу ака­демика Бочвара: он как выда­ю­щийся ученый сумел увидеть пер­спек­тиву и важ­ность нового напра­в­ле­ния и понять, какую пользу это может при­не­сти в будущем оте­че­ствен­ной науке и технике.

До 1972 года тема­ти­кой сверх­про­во­ди­мо­сти зани­мались несколько групп спе­ци­али­стов из раз­лич­ных под­раз­де­ле­ний ВНИИНМ, было про­ве­дено большое коли­че­ство иссле­до­ва­ний, полу­чены опытные и про­мыш­лен­ные образцы сверх­про­вод­ни­ков. Эти резуль­таты были поло­жены в основу дея­тель­но­сти спе­ци­аль­ной лабо­ра­то­рии, соз­дан­ной в отде­ле­нии под руко­вод­ством доктора тех­ни­че­ских наук Ана­то­лия Дмит­ри­е­вича Нику­лина, который был орга­ни­за­то­ром и вдох­но­ви­те­лем этого напра­в­ле­ния более 30 лет, с самого начала работ и до послед­него дня его жизни. Эста­фету под­хва­тил его ученик и после­до­ва­тель, доктор тех­ни­че­ских наук Алек­сандр Кон­стан­ти­но­вич Шиков, кото­рого хорошо знали и ценили спе­ци­али­сты не только в нашей стране, но и за рубежом: там его даже про­звали «Мистер Сверх­про­во­ди­мость».

Первым успешно осу­ще­ст­в­лен­ным про­ек­том лабо­ра­то­рии в сотруд­ни­че­стве с другими орга­ни­за­ци­ями — Инсти­ту­том атомной энергии им. И. В. Кур­ча­това (ИАЭ), Уль­бин­ским метал­лур­ги­че­ским заводом в Усть-Каме­но­гор­ске (УМЗ) и др. — стал Токамак-7 (Т-7), который был изго­то­в­лен и запущен в работу в период 1974–1978 гг. Это первый в мире токамак со сверх­про­во­дя­щим маг­ни­том с обмот­кой из сплава NbTi. Ком­по­зи­ци­он­ные мно­го­воло­кон­ные сверх­про­вод­ники для него были изго­то­в­лены под руко­вод­ством спе­ци­али­стов ВНИИНМ на Уль­бин­ском метал­лур­ги­че­ском заводе (Усть-Каме­но­горск, Каза­х­стан), где была вне­дрена раз­ра­бо­тан­ная во ВНИИНМ тех­ноло­гия. Еще через несколько лет там же были изго­то­в­лены сверх­про­вод­ники на основе сое­ди­не­ния Nb₃Sn для маг­нит­ной системы тока­мака Т-15 (1988), который был уста­но­в­лен в ГНЦ КИ и также был первым в мире.

При­зна­юсь, в совет­ское время было даже обидно, что напра­в­ле­ние сверх­про­во­дя­щих мате­ри­а­лов счита­лось у нас закры­тым и мы не могли тогда пуб­ли­ко­вать свои работы в меж­ду­на­род­ных научных изда­ниях. Напри­мер, мы читали в СМИ о япон­ских пере­до­вых раз­ра­бот­ках и пони­мали: мы подоб­ные тех­ноло­гии уже не только при­ду­мали, но и исполь­зо­вали, а для японцев наш «вче­раш­ний день» был новым научным дости­же­нием. В 1991 году поли­ти­че­ская ситу­а­ция изме­ни­лась, страна стала более откры­той, и стало воз­мож­ным обме­ни­ваться науч­ными резуль­та­тами с зару­беж­ными кол­ле­гами. После меж­ду­на­род­ной кон­фе­рен­ции по маг­нит­ным тех­ноло­гиям МТ-12 в Санкт-Петер­бурге об уровне раз­ра­бо­ток сверх­про­во­дя­щих мате­ри­а­лов в СССР с большим уди­в­ле­нием узнали в научном мире. Начались визиты пред­стави­те­лей зару­беж­ных орга­ни­за­ций во ВНИИНМ. К нам при­ез­жали ученые и спе­ци­али­сты из Японии, Кореи, США, Вели­ко­брита­нии и других стран. Мы их зна­ко­мили с нашими раз­ра­бот­ками, и они пора­жались тому, как все орга­ни­зо­вано. Непод­дель­ное вос­хи­ще­ние вызы­вало то, что у нас в одном месте скон­цен­три­ро­вано все необ­хо­ди­мое для полу­че­ния и иссле­до­ва­ния сверх­про­вод­ни­ков: от литейного обо­ру­до­ва­ния, меха­ни­че­ской обра­ботки заго­то­вок (включая уни­каль­ный 1600 тонный пресс), тер­мо­об­ра­ботки и до лабо­ра­то­рии кри­о­ген­ных изме­ре­ний и метал­ло­вед­че­ского ком­плекса с воз­мож­но­стью тонких струк­тур­ных иссле­до­ва­ний. При этом, при­ни­мая ино­стран­ных спе­ци­али­стов, мы не боялись за наши тех­ноло­гии, так как их прак­ти­че­ски невоз­можно вос­про­из­ве­сти. Изго­то­в­ле­ние сверх­про­во­дя­щих мате­ри­а­лов — это слож­нейший процесс, там много тон­ко­стей, которые и явля­ются опре­де­ля­ю­щими.

В те годы, бла­го­даря прави­тель­ствен­ным заказам и само­от­вер­жен­ной работе сотруд­ни­ков инсти­тута и заводов, мы не только не отста­вали, но и зани­мали лиди­ру­ю­щие позиции в мире по этому напра­в­ле­нию. Это поз­во­лило кол­лек­тиву нашего инсти­тута всту­пить в меж­ду­на­род­ный проект соз­да­ния круп­нейшего в мире иссле­до­ва­тель­ского тока­мака ИТЭР, стро­и­тель­ство кото­рого завер­ша­ется в насто­я­щее время во Франции (г. Кадараш). После старта проекта ИТЭР был про­ве­ден тендер по выбору про­из­во­ди­те­лей сверх­про­вод­ни­ков, в котором участ­во­вали 16 орга­ни­за­ций, но из них выбрали только восемь. И в их число попали мы. Почему мы так смело приняли участие в этом тендере? Потому что до этого мы при­об­рели огромный опыт при раз­ра­ботке и про­мыш­лен­ном выпуске таких мате­ри­а­лов, изго­то­вили сверх­про­вод­ники для тока­ма­ков Т-7 и Т-15. На момент про­ве­де­ния тендера у нас еще не было мате­ри­ала с необ­хо­ди­мым уровнем свойств. Нам при­шлось раз­ра­ба­ты­вать новые кон­струк­ции и кор­рек­ти­ро­вать тех­ноло­гию полу­че­ния провода, который отвечал бы высоким тре­бо­ва­ниям, соот­вет­ству­ю­щим спе­ци­фи­ка­ции ИТЭР.

Для выпол­не­ния обя­за­тель­ств, взятых на себя нашей страной, было необ­хо­димо создать рос­сийское про­из­вод­ство сверх­про­вод­ни­ков, поскольку после распада СССР про­из­вод­ство на УМЗ отошло Каза­х­стану. И бла­го­даря участию топ­лив­ной ком­па­нии «ТВЭЛ» такое про­из­вод­ство было создано на Чепец­ком меха­ни­че­ском заводе (ЧМЗ, г. Глазов). Это уни­каль­ное, первое в России и одно из немно­гих в мире про­из­вод­ство, где изго­та­в­ли­вают низ­ко­тем­пе­ра­тур­ные сверх­про­вод­ники.

Когда оно соз­да­ва­лось, спе­ци­али­сты ВНИИНМ и «ТВЭЛ» раз­ра­ба­ты­вали тех­ни­че­ские задания на при­об­рете­ние обо­ру­до­ва­ния, которое заку­пали по всему миру: в США, Польше, других странах. Иногда, если нам, напри­мер, нужна была печь, которую выпус­кала какая-то фирма, но ее нужно было моди­фи­ци­ро­вать под наши нужды, изме­нить детали кон­струк­ции, то при­хо­ди­лось вести пере­го­воры, офор­м­лять тех­за­да­ния, их согла­со­вы­вать. Была про­де­лана огром­ная работа, тре­бу­ю­щая высокой квали­фи­ка­ции и глу­бо­кого пони­ма­ния задачи. Рабо­тали круг­лыми сутками, даже не смо­трели на время, это был насто­я­щий подвиг. На ЧМЗ при участии ВНИИНМ и ИАЭ была также создана изме­ри­тель­ная кри­о­ген­ная лабо­ра­то­рия для опре­де­ле­ния элек­тро­фи­зи­че­ских харак­те­ри­стик про­во­дов. Была раз­ра­бо­тана система каче­ства (доку­менты Quality Assurance, одо­брен­ные Цен­траль­ной коман­дой ИТЭР) для кон­троля про­из­вод­ства и готовых сверх­про­вод­ни­ков, выпус­ка­е­мых на ЧМЗ.

Мы посто­янно ездили в коман­ди­ровки, участ­во­вали в автор­ском кон­троле всех тех­ноло­ги­че­ских опе­ра­ций, делали доклады на сове­ща­ниях и кон­фе­рен­циях, кон­суль­ти­ро­вали спе­ци­али­стов и про­ве­ряли соот­вет­ствие стан­дар­там каче­ства. Главная слож­ность при про­из­вод­стве сверх­про­вод­ни­ков — это неу­кос­ни­тель­ное соблю­де­ние регла­мен­тов всех тех­ноло­ги­че­ских опе­ра­ций. Необ­хо­димо следить, чтобы на заводе не было откло­не­ний как по тем­пе­ра­тур­ным режимам, так и по режимам дефор­ма­ции ком­по­зи­ци­он­ных полу­фа­бри­ка­тов. Если, напри­мер, при про­ме­жу­точ­ных тер­мо­об­ра­бот­ках ком­по­зи­ци­он­ных прутков тем­пе­ра­тура будет пре­вы­шена, то нач­нется обра­зо­ва­ние хруп­кого интер­метал­лида и про­волока не просто порвется, но и про­и­зойдет падение ее токо­не­су­щей спо­соб­но­сти.

В эти годы шла огром­ная работа по раз­ра­ботке кон­струк­ций и тех­ноло­гии полу­че­ния тех­ни­че­ских сверх­про­вод­ни­ков, которые пред­ста­в­ляют собой сложную ком­по­зи­ци­он­ную систему, состо­я­щую из раз­но­род­ных мате­ри­а­лов, отли­ча­ю­щихся хими­че­скими, меха­ни­че­скими и физи­че­скими свойствами. В этой системе волокна из сверх­про­во­дя­щего интер­метал­лида (хруп­кого, как стекло) рас­поло­жены в матрице из меди или ее сплавов с диф­фу­зи­он­ными барье­рами и другими вспо­мо­га­тель­ными эле­мен­тами. Как правило, это длин­но­мер­ные провода (иногда до 30–50 км) диа­мет­ром 0,5–1,5 мм, содер­жа­щие несколько тысяч тон­чайших волокон, рав­но­мерно рас­пре­де­лен­ных в пла­стич­ной матрице.

В резуль­тате про­ве­ден­ных работ до 2014 года на ЧМЗ был выпущен весь объем сверх­про­вод­ни­ков с тре­бу­е­мыми для ИТЭР харак­те­ри­сти­ками (более 220 тонн — это почти 56 000 км; доста­точно, чтобы полтора раза обер­нуть земной шар!). В уста­но­в­лен­ные сроки сверх­про­вод­ники были доста­в­лены на пред­при­ятие ВНИИКП (г. Подольск) для даль­нейшего изго­то­в­ле­ния токо­не­су­щих эле­мен­тов для маг­нит­ных систем торо­и­даль­ного и поло­и­даль­ного полей, а затем изго­то­в­лен­ная про­дук­ция отправи­лась во Францию на пло­щадку стро­и­тель­ства ИТЭР. В даль­нейшем высокое каче­ство рос­сийских сверх­про­вод­ни­ков было под­твер­ждено в резуль­тате вери­фи­ка­ции образ­цов при пере­крест­ном тести­ро­ва­нии в зару­беж­ных лабо­ра­то­риях. Наши сверх­про­вод­ники на основе Nb₃Sn после 1000 элек­тро­маг­нит­ных циклов, которые моде­ли­руют рабочие условия маг­нит­ной системы реак­тора, были при­знаны Меж­ду­на­род­ной орга­ни­за­цией ИТЭР лучшими в мире по ста­биль­но­сти экс­плу­а­та­ци­он­ных харак­те­ри­стик!

В раз­ра­ботки, свя­зан­ные со сверх­про­вод­ни­ками, спе­ци­али­сты нашего инсти­тута вложили годы жизни, свою энергию, знания, еже­д­нев­ный напря­жен­ный труд. Часто про­во­дили дни и ночи в инсти­туте, месяцы в коман­ди­ров­ках, внедряя тех­ноло­гию на про­мыш­лен­ных пред­при­ятиях. Есте­ственно, воз­ни­кает вопрос: а что дальше? При­го­дятся ли эти знания, при­не­сут ли эти усилия пользу буду­щему поко­ле­нию? Будет ли про­дол­жена эта работа, и сможем ли мы пере­дать эста­фету молодым спе­ци­али­стам?

Об этом думал про­фес­сор Ана­то­лий Дмит­ри­е­вич Никулин, который еще в начале 1990-х пред­ло­жил заве­ду­ю­щему кафе­д­рой «Физи­че­ские про­блемы мате­ри­а­ло­ве­де­ния» (№ 9) НИЯУ МИФИ про­фес­сору Борису Алек­сан­дро­вичу Калину создать ее филиал в нашем инсти­туте. И с тех пор, уже более 30 лет, во ВНИИНМ ведется под­го­товка спе­ци­али­стов. В учебном курсе есть и часть, посвя­щен­ная метал­ло­ве­де­нию сверх­про­во­дя­щих мате­ри­а­лов. Сту­ден­тов и аспи­ран­тов мы при­гла­шаем в лабо­ра­то­рии нашего инсти­тута для выпол­не­ния выпускных маги­стер­ских и дис­сер­та­ци­он­ных работ, а затем при­ни­маем на работу. Также сту­денты других вузов (МИСиС, МИРЭА, МВТУ и др.), с кото­рыми мы сотруд­ни­чаем, при­хо­дят в отде­ле­ние сверх­про­во­дя­щих мате­ри­а­лов. Многие из них окон­чили аспи­ран­туру ВНИИНМ и успешно защи­тили кан­ди­дат­ские дис­сер­та­ции. В насто­я­щее время они уже зани­мают руко­во­дя­щие долж­но­сти в отде­ле­нии и про­дол­жают уни­каль­ные раз­ра­ботки, начатые много лет назад их предше­ствен­ни­ками. Кон­струк­ции сверх­про­вод­ни­ков изме­ня­ются в соот­вет­ствии с предъ­я­в­ля­е­мыми тре­бо­ва­ни­ями, которые посто­янно растут. Совер­шен­ство­ва­нию тех­ноло­гий полу­че­ния сверх­про­вод­ни­ков помо­гает изу­че­ние опыта, накоп­лен­ного в пре­ды­ду­щих раз­ра­бот­ках, который ото­б­ра­жен в пуб­ли­ка­циях, патен­тах и отчетах спе­ци­али­стов, про­шедших этот нелег­кий путь ранее.