В Европейском Центре ядерных исследований ЦЕРН, крупнейшем в мире научном объекте изучения физики высоких энергий, успешно завершились приемные испытания российских сверхпроводников для проекта Кольцевого коллайдера будущего (FCC). Установка с длиной окружности в 100 км, которую международное сообщество планирует построить в Швейцарии в 2040-х годах, должна прийти на смену Большому адронному коллайдеру и стать ключевым проектом мировой науки в области физики элементарных частиц, призванным вывести эти исследования на новый уровень.
Сверхпроводники необходимы для создания магнитных систем. Они — «сердце» любого ускорителя. Магнитные системы создают электромагнитное поле, управляющее движением заряженных частиц — в коллайдере их разгоняют и сталкивают, чтобы изучить фундаментальную структуру материи. Сверхпроводник позволяет создавать мощнейшие магнитные поля, которые без него принципиально недостижимы.
Сверхпроводник для нового коллайдера и технологию его изготовления разработали в московском ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, а квалификационную партию сверхпроводящих проводов длиной 50 км изготовили на Чепецком механическом заводе в городе Глазов в Удмуртии. Оба предприятия входят в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ», которая занимается проблемами прикладной сверхпроводимости как одним из стратегических направлений развития неядерных технологий.
Вес квалификационной партии сверхпроводящих проводов, необходимой, чтобы доказать способность «ТВЭЛ» делать сверхпроводники, соответствующие высочайшим техническим требованиям ЦЕРН, - около 350 кг. Всего же для магнитной системы коллайдера, по предварительным оценкам, их понадобится шесть тысяч тонн — общая длина сверхпроводящих кабелей может составить порядка миллиона километров.
Низкотемпературные сверхпроводники — это многожильные композиционные провода диаметром от 0,5 до 3 мм и длиной от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров, содержащие в медной матрице сверхпроводящие волокна из ниобий-титанового сплава или интерметаллического соединения ниобий-олова диаметром несколько микрон.
Они работают при температуре жидкого гелия 4,2 градуса по шкале Кельвина (почти -270 градусов Цельсия — температура, близкая к абсолютному нулю) и ниже. Например, для Большого адронного коллайдера рабочая температура сверхпроводящих магнитов из ниобий-титанового сплава составляет -271,3°C, то есть 1,9 градуса Кельвина.
Для проекта FCC был разработан ниобий-оловянный провод. Изготовить такой сверхпроводник намного сложнее, чем из ниобий-титана. В интерметаллических соединениях, к которым относится ниобий-олово, формируются физические условия, которые упрочивают сверхпроводник, но в тоже время делают его более хрупким, — а это усложняет процесс изготовления.
Для создания ниобий-оловянных проводов диаметром 1 мм в Росатоме был использован метод, позволяющий получить провода длиной в несколько тысяч метров с равномерной структурой, высокой токонесущей способностью и гораздо более мощным магнитным полем. Сейчас все страны, которые участвуют в создании сверхпроводников из ниобий-олова, осваивают эту, более сложную, технологию их изготовления.
Успешно пройденная квалификация позволяет Росатому в лице «ТВЭЛ» принимать участие в поставках проводов для FCC, и наглядно демонстрирует, что Россия остается одним из мировых лидеров в технологиях сверхпроводимости. Эти компетенции, помимо прочего, позволяют российским ученым реализовывать собственные масштабные проекты, такие как комплекс NICA в Дубне, запуск которого стал важнейшим достиженим российской науки в области физики высоких энергий.
«Результаты, достигнутые в ходе испытаний нашего провода в ЦЕРН, — рекордные для российской сверхпроводниковой промышленности, — прокомментировали новость в АО «ТВЭЛ». — Технологии в области сверхпроводимости развиваются; это дает возможность ученым создавать все более мощные ускорительные комплексы и достигать новых результатов в области физики высоких энергий. Магнитное поле, которого планируется достичь на FCC, будет вдвое превышать магнитное поле Большого адронного коллайдера, который позволил ученым открыть бозон Хиггса. В последние годы сообщество, занимающееся сверхпроводимостью и насчитывающее сотни институтов и десятки компаний, активно работает над совершенствованием высокотемпературных сверхпроводников, потенциально применимых в электроэнергетике и электротехнике. Это могут быть кабели линий электропередачи, трансформаторы, судовые двигатели, генераторы и токоограничители.
Но несмотря на заметный прогресс последнего десятилетия, прогноз экспертов предполагает: в следующей декаде низкотемпературные сверхпроводники сохранят свои позиции в таких нишевых применениях, как провода для медицинских МРТ и научные исследовательские установки, уверены в ТВЭЛ.
