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.