Удмуртия начала производить сверхпроводники для ITER

Единственный в России завод по созданию уникальных сверхпроводников запустил новое производство: специальный кабель для гигантского термоядерного реактора ITER. О тонкостях работы участники проекта рассказали Infox.ru.

В четверг в городе Глазов (Удмуртия) началось производство сверхпроводящего кабеля для магнитных обмоток термоядерного реактора ITER. Этот грандиозный проект, реализуемый при участии Евросоюза, России, Японии и еще четырех стран, либо откроет перед человечеством двери в новый энергетический век, либо перечеркнет мечты великих физиков XX века о термоядерной энергии.

Идея использовать термоядерную реакцию синтеза трития из дейтерия в качестве источника энергии занимает умы ученых уже давно. Теоретические основы устройства таких реакторов были разработаны в 1951 году одновременно в СССР и США. Причем модели, впоследствии названные токамак и стелларатор, имели серьезные отличия в контроле протекающих процессов. И в том и в другом случае высокотемпературная (100 млн градусов; для сравнения, температура в центре Солнца – около 15 млн градусов) плазма удерживается в камере в форме тора – «бублика».

Причем удерживается она не стенками камеры, которые не способны выдержать такого агрессивного воздействия, а специально создаваемым магнитным полем. Если в токамаке используется электрический ток, протекающий через плазму для создания полоидального поля, необходимого для равновесия плазмы, то в стеллараторе и тороидальное, и полоидальное поле создается с помощью магнитных катушек очень сложной формы. Полоидальное поле названо так от слова «полюс». Оно схоже по строению с магнитным полем Земли. Полоидальное магнитное поле удерживает плазму внутри тороидальной камеры, не давая ей «врезаться» в стенки и разрушить внутреннюю оболочку.

Термоядерная практика

Начиная с 50-х годов в мире было построено несколько десятков термоядерных реакторов обоих типов. Однако никому до сих пор не удалось добиться энергетической эффективности их работы. Ученые пришли к выводу, что в маленьких термоядерных реакторах необходимая температура недостижима. При низких же температурах на удержание плазмы тратится больше электроэнергии, чем получается в ходе термоядерной реакции.

Поэтому в ноябре 1985 года Советский Союз предложил создать токамак нового поколения при совместном участии стран, достигших наибольших успехов в изучении термоядерных реакций. В 1988-1990 годах силами советских, американских, японских и европейских ученых и инженеров была разработана концепция проекта реактора, получившего современное обозначение ITER. Впоследствии к проекту присоединились Китай, Индия и Южная Корея.

Основная задача проекта – доказать на практике возможность создания энергоэффективного термоядерного реактора. А также решить физические и технологические проблемы, которые могут возникнуть на этапах планирования, строительства и работы. На данный момент проект полностью спланирован. И место для строительства выбрано – исследовательский центр ядерной энергетики «Карадаш» во Франции. Строительство международная группа планирует завершить к 2015 году. После этого ITER проработает 20 лет. Затем проект завершится. Если ученым и инженерам удастся достичь успеха, то уже в 2030-2050 годах начнется строительство коммерческих термоядерных электростанций по всему миру.

Россия в проекте ITER

Общая стоимость проекта постоянно увеличивается. На данный момент она оценивается примерно в $12 млрд. Россия наряду с США, Китаем, Индией и Кореей оплачивает 1/11 часть проекта. Япония и Евросоюз, выступающие как единый участник, оплачивают 2/11 и 4/11 доли соответственно.

Кроме материального участия Россия предоставляет для проекта научные и инженерные кадры, а также должна изготовить некоторые конструкционные и технологические детали сверхтокамака. Это компоненты электропитания, защитные компоненты внутренней камеры и частично магнитные катушки.

Удмуртский завод

Именно сверхпроводящая проволока для кабеля обмотки магнитных катушек будет изготавливаться на Чепецком механическом заводе (ЧМЗ) в городе Глазов в Удмуртии. Сегодня ЧМЗ – единственный завод в России, обладающий уникальным оборудованием для выпуска сверхпроводников на основе сплава ниобий-титан (NbTi) и интерметаллида ниобий-олова (Nb₃Sn). Как сообщил корреспонденту Infox.ru доктор технических наук Виктор Сытников, директор по научной работе Всероссийского научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института кабельной промышленности (ВНИИКП), который отвечает за направление «кабели и проводники российского отделения ITER», на заводе построен и торжественно открыт 23 апреля 2009 года совершенно новый участок, укомплектованный совершенно новым современным оборудованием.

[v3] NbTi и Nb₃Sn – так называемые сверхпроводники второго рода. Они работают при температуре жидкого гелия, то есть при 4-5 градусах выше абсолютного нуля. Магнитное поле в таких сверхпроводниках не разрушает структуру проводника, а вызывает появление тонких включений нормального металла, несущих магнитное поле. Эти материалы традиционно используются для получения сильных высокоточных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери.

На самом ЧМЗ планируется изготавливать функциональную сверхпроводящую проволоку. По форме это проволока диаметром сечения менее 1 мм, где в медную матрицу включены еще более тонкие (порядка 10 микрон) проволоки NbTi и Nb₃S. Проволока затем поступит в московский ВНИИКП, где ее покроют хромом и скрутят в кабель диаметром около 40 мм. Кабель поместят в нержавеющую трубку диаметром 2 мм и обожмут. Такая технология называется «кабель в оболочке».

Кабель на основе NbTi пойдет на обмотку тороидальных катушек, пояснил Сытников. Это катушки, которые огибают наименьшее сечение «бублика» и создают тороидальное магнитное поле, заставляющее плазму двигаться внутри камеры. Россия обеспечивает 20% этой обмотки. Кабель же на основе Nb₃Sn пустят на так называемые полоидальные катушки, которые сами имеют форму бублика и создают полоидальное магнитное поле. В ближайшее время ожидается подписание соглашения, согласно которому Россия будет поставлять 100% кабеля для верхней и нижней – двух из шести полоидальных катушек.

Взгляд в будущее

Объемы кабеля, требующиеся для ITER, довольно высоки. Но рано или поздно потребности проекта будут удовлетворены. Однако производство имеет все шансы продолжить успешную работу, даже если постройка следующего токамака начнется нескоро. Самый большой рынок сбыта сверхпроводникового кабеля на сегодняшний день – это сверхпроводящие томографы. Там тоже требуются магнитные поля очень высокой мощности. На сегодняшний день в год производится 2-3 тыс. мощных магнитов. Однако выйдет ли российское производство на этот рынок, зависит от многих факторов, считает Виктор Сытников: «Производство не пропадет, если цена будет конкурентоспособна. Желающих производить эти материалы довольно много. Тут два варианта: либо стать привлекательными для мирового рынка, либо запускать собственные российские проекты. Будем надеяться, что реализуемо и то, и другое».

До 2015 года осталось совсем немного времени, и у России еще много обязательств перед странами – коллегами по проекту ITER. Infox.ru обязательно проследит за дальнейшими работами в этой интереснейшей области.