Век сверхпроводников

ХХ век называют веком полупроводников: именно в этом веке эти материалы были открыты, были созданы устройства на их основе, разработана соответствующая теория. Современную жизнь невозможно представить себе без полупроводников.

Что касается XXI века — он, по мнению ведущих ученых мира, будет веком сверхпроводников: уже видны большой рост потребления и расширение областей применения сверхпроводящих материалов. Кроме того, физики считают, что перспективные сверхпроводящие материалы во многом определяют развитие термоядерной энергетики и электроэнергетики в XXI веке.

Сначала была ртуть
Явление сверхпроводимости открыл голландский физик Хейке Камерлинг-­Оннес в 1911 году. Цель ученого была другой — получить жидкий гелий. Он долго готовился к этому эксперименту, создавая технически оснащенную лабораторию криогенных испытаний. Как часто бывает, открытие произошло случайно: Х. Камерлинг-­Оннес заметил, что при понижении температуры электрическое сопротивление ртути резко упало до нуля. Будучи внимательным и целеустремленным ученым, он начал изучать зависимость электрического сопротивления от температуры (причем при температурах, очень близких к нулю по Кельвину).

Я всегда спрашиваю студентов: «Скажите, насколько, по-вашему, может упасть электрическое сопротивление?» Кто-то говорит: в два раза, кто-то — в 10, самый смелый — в 100. А сопротивление может падать в миллион раз! Это удивительно!

Обнаружив это явление и назвав его сверхпроводимостью, Х. Камерлинг-­Оннес сделал доклад в Королевском обществе и позже получил за свое открытие Нобелевскую премию. Однако механизм явления был настолько неясен, объяснить его было настолько сложно, что даже в формулировке причины вручения премии не прозвучало слово «сверхпроводимость»: Х. Камерлинг-­Оннес получил ее за изучение свой­ств материалов при низких температурах и получение жидкого гелия.

Сверхпроводимость была открыта более 100 лет назад, но человечеству потребовалось более полувека, чтобы понять, чем она обусловлена. Серьезный вклад в разработку теории сверхпроводимости внесли российские ученые: Лев Ландау, Виталий Гинзбург и другие. И только в 1960-х годах начались разработки технических сверхпроводников в нашей стране и во всем мире.

Как раз в это время Курчатовский институт и Институт неорганических материалов под руководством Андрея Анатольевича Бочвара начали активно разрабатывать сверхпроводящие материалы.

В 1970—1980-х годах в Казахстане было организовано промышленное производство технических сверхпроводников. Были выпущены крупные их партии для создания первых в мире уникальных установок на их основе: ТОКАМАК‑7 в 1978 году и спустя 10 лет — ­ТОКАМАК‑15. Это стало большим достижением ВНИИНМа — первые установки такого рода, сконструированные полностью на основе сверхпроводников.

После распада Советского Союза производство в Казахстане было утрачено. Лишь в 2009 году было создано новое, современное производство на Чепецком механическом заводе (ЧМЗ) в Глазове с целью выпуска крупной партии сверхпроводников для международного проекта ИТЭР. Всего для этого проекта было изготовлено более 200 тонн сверхпроводящих материалов.

Разработкой сверхпроводников для ИТЭР занимались специалисты ВНИИНМа. Эти материалы должны были иметь гораздо более высокие характеристики, чем те, что разрабатывались ранее, поэтому пришлось приложить много усилий для того, чтобы соответствовать всем предъявляемым требованиям.

На первой стадии необходимо было изготовить ниобий-­оловянные и ниобий-­титановые сверхпроводники для модельных катушек-­вставок тороидального и полоидального полей ИТЭР. Модельная катушка весом более полутонны на основе ниобий-­оловянных сверхпроводников была доставлена в Японию, где в 2000—2001 годах прошли ее испытания. Конечно, мы очень волновались, но они закончились успешно. В 2008 году также успешно была испытана модельная катушка-­вставка на основе ниобий-­титановых сверхпроводников. В результате ВНИИНМ и другие организации отрасли были приняты в число производителей сверхпроводников для магнитной системы проекта ИТЭР.

На ЧМЗ был создан современный цех по производству сверхпроводников, который до сих пор поражает своим масштабом, оборудованием и организацией производства. Там есть все необходимое для выпуска сверхпроводящих материалов в промышленном масштабе.

Направление создания энергетических установок на основе термоядерного синтеза продолжает развиваться. Известно, что на ИТЭР планируется разогреть плазму до 150 млн °C, затем — до 300 млн °C и удерживать ее (в разных экспериментах) 400, 1 тыс., 3,6 тыс. секунд. Это рекордные значения, которые еще никогда не были достигнуты. После того как будет принципиально показана возможность термоядерной реакции в ИТЭР, планируется создать установки следующего поколения, такие как ДЕМО и ДЕМО — ТИН (Демонстрационный Термоядерный Энергетический Реактор — Термоядерный Источник Нейтронов). Для этих проектов уже сейчас разрабатываются требования к сверхпроводникам, и мы работаем над созданием материалов, соответствующих этим требованиям.

Также планируется разработка прототипа промышленного термоядерного реактора CFETR к 2035 году. А Китай (который стремится к лидерству в крупных научных проектах) рассчитывает создать полноценную индустрию термоядерной энергетики к 2050 году.

Термоядерный синтез — не единственное направление большой науки, для которого ВНИИНМ разрабатывает сверхпроводники. Еще один знаковый проект — это Большой адронный коллайдер, ускоритель элементарных частиц, созданный с целью изучить мельчайшую частицу Вселенной. Как известно, существование бозона предсказал ученый Питер Хиггс, долгое время эту частицу не могли найти, однако в 2012 году на БАКе ее удалось зафиксировать.

ВНИИНМ заключил договор с ЦЕРНом о выпуске опытных партий сверхпроводников для модернизации Большого адронного коллайдера.

В 2014 году ЦЕРН запустил проект по созданию еще более крупного ускорителя — FCC, кругового коллайдера будущего.

Две основные цели проекта: расширить диапазон работы ускорителя магнитов до 16 Тл, а также изучить технологические проблемы, возникающие при использовании высокотемпературных сверхпроводников для ускорителя магнитов в диапазоне до 20 Тл. Запущена глобальная программа по разработке ниобий-­оловянных сверхпроводников с улучшенными характеристиками, имеющих все шансы стать базисным материалом для ускорителей частиц высоких энергий. ­ВНИИНМ участвует и в этой работе.

Осенью прошлого года стартовал процесс запуска второй ступени ускорительного комплекса NICA, который строится в Дубне. В этом ускорителе ученые воссоздадут кварк-­глюонную плазму — состояние вещества, в котором Вселенная находилась сразу после Большого взрыва.

Для этого проекта специалисты нашего института разработали ниобий-­титановые сверхпроводники, изготовленные на ЧМЗ.

Основные направления коммерческого использования сверхпроводников — компактная высокоточная медицинская визуализация, а также исследования в области биофизики и фармакологии (МРТ, МЭГ, ЯМР и др.). Медицинские томографы работают на основе сверхпроводящих материалов. В нашем институте разработаны конструкции и технология получения сверхпроводников для этих приборов. Мы можем полностью обеспечить необходимыми материалами это направление: как только выпустят российские томографы, сверхпроводники для них будут готовы.

Применение сверхпроводников не может осуществляться без глубоких теоретических и всеобъемлющих материаловедческих исследований, направленных на разработку сверхпроводящих материалов с высокими критическими свой­ствами. Такие исследования ведутся в нашем институте; у нас есть уникальный комплекс, включающий всё необходимое для каждого их этапа, от получения исходных материалов для этих сложных композитов до измерения их критических свой­ств (криогенная лаборатория, комплекс для электронномикроскопических и рентгеновских исследований, а также определения механических свой­ств). Есть и технологический участок, где можно отрабатывать технологические режимы для внедрения в промышленное производство.

Во ВНИИНМе создана Школа материаловедения, куда мы приглашаем молодых специалистов и студентов профильных вузов (МИФИ, МИСиС, МИРЭА).

Сверхпроводимость в деталях
У каждого сверхпроводника — своя температура перехода в сверхпроводящее состояние. Например, у ртути, на которой Х. Камерлинг-­Оннес впервые наблюдал это удивительное явление, этот показатель составляет 4,2 K. Еще одно любопытное свой­ство — полное выталкивание сверхпроводника из магнитного поля (эффект Мейснера); с ним связано явление левитации.

Сверхпроводящее состояние ограничено тремя условиями: оно существует в определенном интервале критического магнитного поля, критической плотности тока и критической температуры. Для любого набора условий, лежащих внутри этих границ, материал будет сверхпроводящим, однако если температура, ток или магнитное поле превысят определенное значение, сверхпроводник перейдет в нормальное состояние.

Критическая температура и критическое магнитное поле — это природные свой­ства материала, и повлиять на них достаточно сложно. А вот критическая плотность тока зависит от структуры сверхпроводящей фазы и поддается изменениям с помощью металлургических методов.

Сверхпроводящие материалы можно разделить на две группы: сверхпроводники первого и второго рода. Сверхпроводники первого рода при определенном уровне магнитного поля переходят в нормальное состояние. В сверхпроводники второго рода магнитное поле входит в виде квантов магнитного потока, так называемых флюксоидов. Чем выше поле, тем больше флюксоидов в сверхпроводнике; когда расстояние между ними становится минимальным, они начинают сливаться — и только тогда материал переходит в нормальное состояние. Эти сверхпроводники можно использовать в технике, именно они являются основой для технической сверхпроводимости.

При движении флюксоидов по сверхпроводнику возникает трение и локально может повышаться температура — в этом случае материал может перейти в нормальное состояние. А если это произойдет скачкообразно, то сверхпроводящая проволочка может сгореть. Поэтому обычно сверхпроводники изготавливаются в виде композитов: они состоят из сверхпроводящих нитей или волокон, окруженных «нормальным» металлом с высокими электро- и теплопроводностью (медь, алюминий). Это нужно для того, чтобы отводить тепло при возможных срывах флюксоидов с центров закрепления и локальных повышениях температуры.

Может показаться, что сверхпроводимость — это что-то уникальное, редкое. На самом деле это чрезвычайно распространенное явление: уже известно свыше 2 тыс. чистых элементов и сплавов, обладающих сверхпроводимостью. Известные ныне температуры изменяются в пределах от 0,0005 K (для магния) до 23,2 К (для ниобий-­германия, Nb₃Ge) и 39 К (для диборида магния, MgB₂). То есть спектр температур перехода в сверхпроводящее состояние очень широк.

Исторически первым открытым сверхпроводником, как мы помним, была ртуть с температурой перехода 4,2 К, затем Х. Камерлинг-­Оннес открыл другие элементы, обладавшие таким же свой­ством при более высокой температуре (например, свинец, Т_с=7,2 К). Позднее была открыта сверхпроводимость ниобия — рекордсмена среди чистых металлов по температуре перехода в сверхпроводящее состояние — 9,2 К.

Интересно, что, добавляя к ниобию другие элементы, можно повысить эту температуру почти в два раза: например, для интерметаллического соединения ниобий-три-олово (Nb₃Sn) она составляет уже 18 К. Самая высокая температура среди интерметаллидов на основе ниобия — у ниобий-­германия (Nb₃Ge): 23,2 К. Почти 10 лет это считалось самой высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, появились даже теории, утверждавшие, что дальнейшего повышения достичь невозможно. Кстати, именно советские физики (в частности, В. Гинзбург) предсказали, что повышение температуры перехода в сверхпроводящее состояние возможно — для соединений, содержащих оксиды.

И действительно, в 1986 году произошла настоящая революция в области сверхпроводимости: были открыты высокотемпературные сверхпроводники, причем на совершенно неожиданном материале — керамике сложного состава LаВаСuО. Была достигнута критическая температура перехода порядка 35 К. В 1987 году два физика, сделавших это открытие — Иоганн Беднорц и Алекс Мюллер — получили Нобелевскую премию. Открытие вызвало бурю эмоций среди ученых, все были уверены, что низкотемпературные сверхпроводники никому больше не понадобятся. На следующий год после открытия огромное количество лабораторий по всему миру занялись созданием сложных соединений на основе лантана, иттрия, висмута и др. со все более высокими температурами перехода (например, для соединений на основе висмута она равна 100 К). Позднее подсчитали, что в течение 1987 года публиковалось в среднем по 15 научных статей на эту тему ежедневно. Однако сверхпроводники из керамики гораздо сложнее изготовить, и получить в них стабильные свой­ства труднее, чем в металлических композитах. Сегодня керамика очень активно развивается, однако роль металлических композитов также остается серьезной.

Самая высокая температура перехода — 164 К (правда, при очень высоком давлении) — была получена в соединении (снова!) на основе ртути — HgBaCaCuO. История таким образом сделала спираль — от ртути к ртути, но уже на более высоком уровне. Это соединение открыли в 1993 году российские ученые, сотрудники химического факультета МГУ Евгений Антипов, Сергей Путилин и другие.

Недавно исследователям удалось получить гидриды лантана, имеющие температуру перехода, близкую к комнатной. Эти соединения созданы искусственно и пока представляют только научный интерес: в технике они неприменимы.

Как бы то ни было, сегодня достаточно широка номенклатура сверхпроводящих материалов, позволяющая выбирать необходимый материал в зависимости от стоимости, сложности производства и технологических возможностей конкретного проекта.

Востребованные в энергетике, медицине, транспорте, крупных научных экспериментах и других областях технические сверхпроводники можно разделить на три большие группы в зависимости от их критической температуры и криогенной среды, в которой они работают в сверхпроводящем состоянии: низкотемпературные, высокотемпературные и среднетемпературные.

Низкотемпературные — это те сверхпроводники, у которых переход в сверхпроводящее состояние происходит при температуре < 23,2 K (в основном это сверхпроводники на основе ниобий-­титанового сплава или интерметаллидов: Nb₃Sn, V₃Ga, Nb₃Al и др.).

Группу высокотемпературных сверхпроводников (ВСТП) можно разделить на два класса: это ВТСП первого и второго поколений. ВТСП первого поколения имеют критическую температуру 110 К. Это многоволоконные ленточные композиты, в которых керамические волокна расположены в серебряной матрице. Серебро — единственный материал, пропускающий кислород, необходимый для формирования сверхпроводящего соединения, содержащего оксидную группу — CuO.

ВТСП второго поколения — сверхпроводники со сложной архитектурой и критической температурой 93−95 К. Они представляют собой многослойные ленты, состоящие из металлического носителя и буферных слоев. Сверхпроводящий слой обычно имеет толщину всего 1−2 мк. Тем не менее эти материалы несут огромные токи, это очень перспективные сверхпроводники. К сожалению, пока стоимость их производства очень высока.

Среднетемпературные — это сверхпроводники с температурой перехода < 50 K на основе диборида магния и пниктиды. Они были открыты в XXI веке в Японии: диборид магния — в 2001 году, пниктиды — в 2008-м. Эти материалы очень перспективны, они активно разрабатываются в нашем институте, так же как ВТСП.

Высокая кухня
Технология получения сверхпроводников — это несомненно высокая технология. Думая о том, какие черты присущи таким технологиям, я иногда сравниваю их с кулинарией: например, варка картошки — это не высокая технология, а приготовление сложного десерта — многостадийный процесс, это совсем другое дело.

Технология получения сверхпроводников имеет все характеристики высокой технологии. Во-первых, это наукоемкость, то есть необходимость глубокого понимания физической сущности процессов, происходящих в ходе тех или иных операций.

Во-вторых и в‑третьих, это сложность и многостадийность производства.

Для получения сверхпроводников необходимы многократные сборки элементов проводников строго контролируемого размера, пластические деформации с промежуточными термообработками по заданным режимам, строго ограниченным по температуре и времени выдержки. Используются специальное оборудование и особые сорта исходных материалов.

В качестве примера расскажу о сверхпроводниках на основе ниобий-­олова (Nb₃Sn), имеющих более сложную структуру, чем материалы на основе ниобий-­титанового сплава. Внешняя оболочка такого сверхпроводника состоит из чистой меди, внутри находится бронзовая матрица с расположенными в ней очень тонкими ниобиевыми волокнами, которые обычно легируют титаном. Между медной (стабилизирующей, как мы ее называем) оболочкой и внутренней — сверхпроводящей частью располагается диффузионный барьер. То есть этот композит включает материалы с очень разными механическими свой­ствами. Для того чтобы получить такую структуру в длинномерных (десятки километров) проводах сечением менее 1 мм, необходимо строго соблюдать разработанные технологические режимы.

Для создания таких сложных композитов применяются специальные технологии. В первую очередь изготавливаются исходные компоненты из бронзы и ниобия; затем создаются сборки, которые подвергаются деформации прессованием и волочением с промежуточными термообработками. Полученные прутки режутся на мерные части, и осуществляется вторая сборка — теперь уже в медную оболочку: туда помещается диффузионный барьер, и опять проводится деформация по определенным режимам, в которых очень строго ограничены и температуры, и длительности выдержки, поскольку необходимо предотвратить формирование хрупкой сверхпроводящей фазы в процессе получения проводника.

Особая сложность в технологии получения связана с тем, что соединение ниобий-олово (Nb₃Sn) хрупкое, как стекло. Если оно образуется в проволоке, то она ломается в руках — из нее невозможно изготовить кабель для обмотки магнита. Поэтому сначала получают «полуфабрикат», в котором еще нет сверхпроводящего соединения — оно образуется в процессе диффузионной термообработки уже в готовом изделии. Например, специально для ИТЭР построены печи очень больших размеров, куда помещают секцию магнита и проводят термообработку, занимающую сотни часов. В результате, в процессе твердофазной диффузии, ниобиевые волокна должны превратиться в сверхпроводящую фазу Nb₃Sn.

Однако даже после получения такого проводника еще нет гарантии, что он будет обладать высокой токонесущей способностью, поскольку это зависит от тонкой структуры сверхпроводящей фазы; для этого нужно получить сверхпроводящую фазу с чрезвычайно мелкозеренной структурой.

Если посмотреть на фрагмент структуры одного волокна Nb₃Sn, то внутри можно увидеть остаточный ниобий, а на периферии — в виде лепестков цветка — располагается сверхпроводящая фаза, состоящая из мелких зерен. Границы этих зерен — центры пиннинга флюксоидов. Чтобы кванты магнитного потока (флюксоиды) не двигались, они должны закрепляться на дефектах структуры, и такими дефектами в сверхпроводящем соединении Nb₃Sn преимущественно являются границы зерен. Поэтому мы можем управлять уровнем токонесущей способности, создавая требуемую зеренную структуру сверхпроводящей фазы.

С помощью современного исследовательского оборудования удается не только проследить, как меняется размер зерна в зависимости от технологических приемов, режима термообработки, состава, конструкции, но и определить состав каждого зерна.

Следующее поколение сверхпроводников на основе Nb₃Sn — сверхпроводники, получаемые методом ВИП (с внутренним источником подпитки оловом). В отличие от «бронзового» метода, где образование сверхпроводящей фазы идет при твердофазном взаимодействии олова из бронзовой матрицы с ниобием, в сверхпроводниках, получаемых методом ВИП, используются несколько субэлементов, состоящих из ниобиевых волокон, расположенных в медной матрице, и внутри каждого субэлемента располагается источник олова.

Это еще более сложная технология, но благодаря ей удается повысить токонесущую способность сверхпроводника в несколько раз. Если для ИТЭР мы получали сверхпроводники с плотностью тока на уровне 1 тыс. А на 1 мм² (это близко к максимуму) в поле 12 Тл при температуре 4,2 К, то при таких же условиях на сверхпроводниках, получаемых методом ВИП, нам удается достигать плотности тока 2,5 тыс. А на 1 мм². То есть токонесущая способность сверхпроводника повышается в 2−2,5 раза благодаря тому, что получается большее количество сверхпроводящей фазы с мелкозеренной структурой.

Технология получения таких сверхпроводников довольно сложна. Олово имеет очень низкую температуру плавления, и нельзя проводить прессование при повышенных температурах, поскольку олово расплавится и вытечет. Поэтому сначала изготавливают прутки ниобия в медной оболочке, готовят сборку и получают трубную заготовку, в которую затем закладывают источник — олово. Эта заготовка имеет шестигранное сечение (так называемый субэлемент). Несколько субэлементов собирают в медную оболочку, и полученную сборку деформируют в холодную до получения композиционной проволоки диаметром менее 1 мм, содержащей тончайшие ниобиевые волокна размером менее 1,5 мк.

Эта технология гораздо сложнее, но нам удалось внедрить ее на промышленном предприятии, а также изготовить опытную партию общей длиной 12 км, которая была поставлена в ЦЕРН на испытания.

И во флоте, и в сельском хозяйстве
Высокотемпературные сверхпроводники первого поколения имеют широкий спектр применения. Так, они используются в устройствах для аккумулирования энергии, в компьютерах, сверхпроводящих квантовых итерференционных детекторах — СКВИДах.

Сравнительно новая область, в которой сверхпроводники смогут занять достойное положение, — транспорт: скоростные поезда, флот, авиация. Так, использование сверхпроводящих материалов в авиации позволит существенно уменьшить массогабаритные характеристики электрических машин, а это, в свою очередь, поднимет мощные электрические силовые установки в небо. Что касается флота, ВМФ США заключил с компанией AMSC контракт ShipProtectionSystems на поставку высокотемпературных сверхпроводниковых компонентов на $ 8,5 млн. Сверхпроводящие компоненты закупаются не только для систем размагничивания корпусов военных кораблей, но и для силовых кабелей и ­электродвигателей.

Все популярнее становятся поезда на магнитной подушке. Например, в Японии такая линия запущена от Осаки до Токио. По ней ходит скоростной поезд — совершенно бесшумно, без вибрации. Это очень комфортабельный транспорт, у него большое будущее. Такая линия есть и в Китае — речь идет о Шанхайском маглеве, самой быстрой коммерческой железнодорожной линии на магнитном подвесе. Эта линия соединяет международный аэропорт Пудун и одну из станций метро. Поезд преодолевает расстояние в 30 км менее чем за 7,5 минут, разгоняясь до скорости 430 км/ч.

Конечно, мечтой специалистов было и остается использование сверхпроводников для передачи электроэнергии. Этим направлением активно занимаются и в России, и за рубежом. Так, пучок ленточек, изготовленных из сверхпроводников второго поколения, каждая толщиной чуть больше волоса, может передавать ту же электрическую мощность, что и группа обычных медных проводов.

Всемирный банк регулярно делает прогнозы развития рынка сверхпроводников. Планировалось, что к 2020 году объем продаж оборудования на основе сверхпроводников во всем мире увеличится с $ 1,7 до $ 244 млрд. По актуальным прогнозам, мировой спрос на низкотемпературные сверхпроводники к 2025 году должен вырасти на 244%.

Области применения сверхпроводников безграничны. Известно, что их предлагается применять даже в пищевой промышленности — для определения сладости арбузов и дынь, для контроля герметичности контейнеров и др. Нет сомнений, что у этой технологии большое будущее.