Российские сверхпроводящие материалы для магнитных систем термоядерных реакторов

РОССИЙСКИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Шиков А.К., Никулин А.Д., Панцырный В.И., Воробьева А.Е.,
Ведерников Г.П., Силаев А.Г., Дергунова Е.А., Судьев С.В., Акимов И.И.

Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов
им. А. А. Бочвара, Москва, Россия

Аннотация

В работе сделан обзор Российских сверхпроводящих материалов для магнитных систем таких термоядерных реакторов как Т-7, Т-15 и ИТЭР. В общей сложности было произведено около 10 т сверхпроводников на основе NbTi сплава для Т-7, около 26 т сверхпроводников на основе Nb₃Sn: 25 т для Т-15 и 1 т для ИТЭР. Приведены результаты тестирования сверхпроводников, изготовленных для катушки вставки тороидального поля в модель Центрального соленоида ИТЭР. Показано, что характеристики (Ic, Q, RRR, n-параметр и др.) удовлетворяют спецификации НР-II ИТЭР. В работе также рассмотрены некоторые возможности дальнейшего повышения критических характеристик при оптимизации конструкции и процессов получения композиционных сверхпроводников. Рассмотрены перспективы использования композиционных сверхпроводников на основе ВТСП-соединений при создании магнитных систем термоядерных реакторов.

ВВЕДЕНИЕ

При создании сверхпроводящих магнитных систем все более увеличивается потребность в сверхпроводящих материалах с высокими критическими параметрами. Одним из наиболее крупномасштабных применений сверхпроводников является использование их в магнитных системах установок термоядерного синтеза типа “Токамаки”. Было произведено около 10 т сверхпроводников на основе NbTi сплава для установки “Токамак-7” - первого в мире “Токамака” со сверхпроводящей магнитной системой. Для изготовления обмоточного провода Т-7 был использован метод гальванического сращивания [1]. Около 25 т сверхпроводников на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn для установки “Токамак-15” было произведено в бывшем СССР. Для реализации проекта “Токамак-15” российские ученые разработали и освоили в промышленном масштабе “бронзовую” технологию производства сверхпроводников из станида ниобия, найдя технические решения, обеспечивающие создание промышленного производства единичных проводников и токонесущих элементов. Это явилось первым в мире крупномасштабным применением этих материалов. Успешный физический пуск установки “Токамак-15” подтвердил правильность выбранного решения [2]. С 1986 г., когда было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости, во ВНИИНМ начаты работы по разработке сверхпроводящих материалов на основе иттриевых и висмутовых керамик с высокими значениями критических температур и магнитных полей.

СВЕРХПРОВОДНИКИ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЯ Nb₃Sn, ПОЛУЧАЕМЫЕ ПО “БРОНЗОВОЙ” ТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время ВНИИНМ вместе с рядом зарубежных фирм участвует в разработке и выпуске сверхпроводников для модельных катушек магнитной системы ИТЭР [3]. По требованиям спецификации ИТЭР на стренд уровень плотности критического тока (Jc без Cu) должен составлять не менее 550 А/мм², гистерезисных потерь – не более 200 мДж/см³, RRR – не ниже 100, параметра "n" - >20, отношения Cu/не Cu – 1.4-1.6. Чтобы удовлетворить этим жёстким требованиям был разработан стабилизированный Nb₃Sn проводник, содержащий в высокооловянной бронзовой  (Cu-13,5% масс Sn) матрице 7225 Nb волокон, искусственно легированных Ti [4, 5]. Работоспособность разработанного проводника должна быть подтверждена при тестировании изготовленной из него так называемой катушки-вставки. Катушка-вставка весом 10 т, внешним диаметром 2 м и высотой с токовводами 5 м изготавливается в настоящее время совместно тремя организациями - НИИЭФА (Санкт-Петербург), ВНИИНМ (Москва), ВНИИКП (Подольск) и будет испытана в 2000 году в модели центрального соленоида в Японии.

Для катушки-вставки Бочваровский институт изготовил и провёл тестирование 810 кг стренда на основе Nb₃Sn и ~ 200 кг для образцов ПКС. На заключительном этапе на стренд был нанесен слой хрома толщиной 2 мкм с целью уменьшения кооперативных потерь кабеля. Для измерения Jc, параметра "n", отношения Cu/не Cu и RRR отбирали образцы от начала и конца каждой партии, гистерезисные потери измеряли на одном образце от партии. Образцы от всех партий были термообработаны для формирования слоя Nb₃Sn по режиму 575° С (150 ч) + 650° С (200 ч). Критический ток измеряли 4-х контактным методом при 4,2 К, 0,1мкВ/см на цилиндрических титановых оправках. Гистерезисные потери измеряли методом вибрационного магнетометра [6].

Анализ результатов измерений критических токов образцов стренда показал, что значения j_k находятся в интервале 550-650 А/мм² (Рис. 1).

Рис.1- Распределение значений J_c для ИТЭР сверхпроводника

Значения гистерезисных потерь находятся в интервале 120-200 мДж/см³ (Рис. 2).

Рис.2- Распределение значений гистерезисных потерь для ИТЭР сверхпроводника