Сверхпроводящие материалы

В настоящее время при научном руководстве ВНИИ неорганических материалов им. Бочвара (г. Москва) на АО ЧМЗ создано широкомасштабное производство сверхпроводящих материалов. Это производство является обязательством России по участию в строительстве исследовательского термоядерного реактора (ИТЭР).

Технические сверхпроводники – это многожильные композиты диаметром от 0,1 до 6 мм, длиной от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров, содержащие в металлической матрице с высокой тепло- и электропроводностью строго определенную долю непрерывных жил из сверхпроводящего материала.

К сверхпроводниковым материалам предъявляются высокие требования – величина и стабильность значений критических параметров, сохранение целостности материала, структурная однородность по длине, допуски на геометрические размеры поперечного сечения, уровень токовых характеристик и т.п.

Производство сверпроводящих материалов (СПМ)

Создание единственного в России промышленного производства сверхпроводников началось в 2004 г. Целью создания производства низкотемпературных сверхпроводников является участие России в проекте Международный Термоядерный Экспериментальный Реактор (ИТЭР).

Решение этой задачи было возложено на АО "ТВЭЛ", входящее в состав ГК Росатом. Его дочернее предприятие АО "Чепецкий механический завод", имеющее на своей базе металлургическое, прессовое и прокатное оборудование было выбрано как предприятие, способное создать уникальное наукоемкое, технически и технологически сложное производство. С 2010 года начато промышленное производство низкотемпературных сверхпроводящих материалов диаметром 0,7-0,8 мм, длиной не менее 1000 м на основе ниобий-титанового сплава и соединения Nb3Sn в медной матрице с высокими электро-физическими свойствами.

ИТЭР в разрезе:

1. Центральный соленоид
2. Полоидальная магнитная подушка
3. Тороидальная магнитная катушка
4. Вакуумная камера
5. Криостат
6. Дивертор

Этапы реализации проекта:

2001 г. – обоснование инвестиций.
2002 г. – ТЭО проекта.
2003 - 2008 г.г. – создание производства.
2009 г. – отработка технологии.
2010 г. – начало промышленного производства, выпуск 30 тонн стрендов.
2011 г. – выход на проектную мощность – до 60 тонн в год.
2014 г. – в рамках международного проект ИТЭР изготовлено около 100 т ниобий-оловянных стрендов для проводника тороидального поля и 125 т ниобий-титановых – для проводника полоидального поля будущей установки.

На данный момент, ЧМЗ, сохраняя все накопленные компетенции, принимает участие в других международных проектах, связанных со сверхпроводниками.

Свойства NbTi сверхпроводника для ИТЭР: Диаметр сверхпроводника: 0.730±0.005 мм Длина единичного куска: не менее 1000 м Количество волокон: 4488 Критический ток: >306 А

Свойства Nb3Sn сверхпроводника для ИТЭР: Диаметр сверхпроводника: 0.820±0.005 мм Длина единичного куска: не менее 1000 м Количество сдвоенных волокон: 9540 Критический ток: >190 А

Начиная с 2014 г, после завершения выпуска продукции для программы ИТЭР, на создаваемом производстве возможен выпуск сверхпроводящего провода для других применений:

• ЯМР - томографы для медицины фото;
• транспорт: водный, воздушный, наземный (поезда на магнитной подушке) фото;
• электроэнергетика - накопители энергии (СПИН) фото;
• промышленность - магнитные сепараторы;
• исследования в области химии и биологии - ядерно-магнитные сканеры;
• геологоразведка, добыча и переработка полезных ископаемых;
• исследовательские лаборатории - высокопольные импульсные магниты;
• системы телекоммуникации.

Технологическая схема производства многожильных NbTi сверхпроводников Разработана АО "ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара	Технологическая схема производства многожильных Nb3Sn сверхпроводников Разработана АО "ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара

В результате выполнения работ по организации производства сверхпроводящих материалов на АО ЧМЗ введены в действие комплексы оборудования: восстановительной плавки ниобия; электронно-лучевого и  электронно-лучевого с промежуточной ёмкостью переплава - 1, 4; прессования на гидравлических прессах с усилием 1500 и 6000 тс, волочения с диам. 80 до 0,7 мм - 2; обработки резанием деталей типа тел вращения - 3; вакуумного индукционного, вакуумного дугового и вакуумного дугового гарнисажного переплава; специального оборудования для сборки и сварки заготовок, необходимых для изготовления композитных материалов; печное оборудование для отжига проволоки различного диаметра в защитной и восстановительной атмосфере; специального оборудования для сборки, дегазации и сварки заготовок, необходимых для изготовления композитных материалов - 5; оборудования для химических и ультразвуковой очистки проволоки и прутков различного диаметра; оборудования для получения защитных газов и проведения криогенных испытаний.

Компоненты составной заготовки сверхпроводящего стренда Многоволоконная сборка NbTi

Оборудование производства сверхпроводящих материалов может быть использовано для выпуска следующих видов продукции:

• ниобий-титановые (NbTi) и ниобий-оловянные (Nb3Sn) стренды различных конструкций;
• слитки NbTi и изделия из этих слитков (прутки, прокат);
• слитки и прокат из высокочистого ниобия;
• сварочная проволока различного диаметра из сплавов титана, проволока различных диаметров из различных металлов и сплавов;
• жидкий гелий.