ООО «Росатом МеталлТех» управляет отраслевыми проектами по изготовлению и поставкам низкотемпературных сверхпроводниковых материалов и проводников.
Сверхпроводимость – уникальная способность некоторых материалов проводить электрический ток практически без сопротивления. Этот квантовый эффект может наблюдаться только при очень низких температурах, чаще всего при температуре жидкого гелия ( -268,9°С). Современные сверхпроводники могут проявлять эти свойства при температурах жидкого азота (−195,75 °C) и выше. Поэтому в современной науке различают «низкотемпературную и «высокотемпературную» сверхпроводимость.
Это явление было открыто случайным образом. В начале 19 века голландский физик Хейке Камерлинг-Онес занимался сжижением различных газов и получением низких температур. Эффект снижения сопротивления металлов при охлаждении уже тогда был хорошо известен. Чтобы выяснить, насколько уменьшится сопротивление, голландец использовал самый необычный металл того времени – ртуть, который находится в жидком состоянии при нормальных условиях. При достижении температуры около 4,2 Кельвина (-268,9°С) сопротивление практически мгновенно исчезло. В последствии в 1911 году это явление получило название – сверхпроводимость. После этого события стартовала эра сверхпроводимости. Этот эффект был обнаружен у многих металлов (свинец, олово, алюминий, тантал, ниобий) а затем и у более 1000 сложных соединений и сплавов.
Передавая электроэнергию по медным проводам, из-за наличия сопротивления, мы теряем почти 20% передаваемой энергии, по сути, расходуя их на нагрев проводника и окружающей среды. Сверхпроводимость помогает этих потерь избежать.
В машинах будущего по максимуму будут задействованы все преимущества, которые дает это явление: высокое магнитное поле, мощный ток и минимальные потери энергии. Например, сверхпроводимость понадобится, чтобы создать сверхпроводящий двигатель для больших судов, которые могут быть в несколько раз меньше и легче сегодняшних, или спроектировать поезд на магнитной подушке, который сможет развивать скорость до 600 км/час.
Сверхпроводники на основе ниобий-титана и ниобий-олова применяют в проектах фундаментальной науки. Они выглядят как композиционная проволока (стренд) диаметром 0,5–2,0 мм, которая содержит до нескольких десятков тысяч непрерывных сверхпроводящих волокон диаметром 1,5–5 мкм.
Единственным в России производителем полного цикла низкотемпературных сверхпроводников является Топливная компания Росатома «ТВЭЛ». Управлением отраслевыми проектами по сверхпроводниковым материалам занимается ООО «Росатом МеталлТех», а промышленное производство реализовано на производственной площадке завода АО ЧМЗ в Глазове.
Где применяют сверхпроводники?
Для научных установок
Свойства сверхпроводника, охлажденного до температуры жидкого гелия (–269°C), позволяют создавать высокие магнитные поля до 12 Тесла.
Стренды используются в мощных ускорительных установках, на которых проводятся научные исследования в области физики высоких энергий, квантовой физики и физики элементарных частиц. Их применяют, например, в таких мегасайенс-установках, как международный термоядерный реактор ИТЭР, Кольцевой коллайдер будущего (FCC), ускорительные комплексы NICA и FAIR.
ТВЭЛ квалифицирован как поставщик сверхпроводников для программ разработки высокополевых магнитов ускорителей частиц проекта Кольцевого коллайдера будущего (FCC).
Сверхпроводящие стренды для научных установок. Фото: Росатом Металлтех.
Для медицинских установок
Сверхпроводники используют для создания постоянного магнитного поля в томографах. Благодаря эффекту сверхпроводимости, то есть отсутствию сопротивления, электрический ток практически бесконечно циркулирует в обмотке, генерируя постоянное магнитное поле без его затухания. Также сверхпроводники позволяют повысить магнитное поле томографа, увеличивая разрешение получаемых изображений и улучшая качество диагностики.
Сверхпроводники для медицинских установок. Фото: Росатом Металлтех.
Для высокополевых магнитов
Для исследования свойств и параметров материалов в научных установках необходимо создавать высокие электромагнитные поля. Использование для этих целей сверхпроводников позволило во много раз снизить массогабаритные характеристики лабораторных установок, тем самым расширив их функциональные возможности и увеличив сферу применения.
Сверхпроводники для высокополевых магнитов. Фото: Росатом Металлтех.
Для квантовых компьютеров
Для работы квантового компьютера требуется очень низкая температура (сотые доли кельвина), а для высокоскоростной передачи информации без потерь требуются сверхпроводящие коаксиальные кабели, которые обладают низкой теплопроводностью и не имеют электрического сопротивления.
Сверхпроводники для квантовых компьютеров. Фото: Росатом Металлтех.
Прокат из высокочистого ниобия
На базе АО ЧМЗ разработана импортозамещающая технология производства листов из высокочистого ниобия. Этот материал используется как основа для сверхпроводящих резонаторов – устройств, создающих электрическое поле для ускорения элементарных заряженных частиц (протонов, ионов и электронов).
Ускорители частиц являются основным инструментом ученых в современной экспериментальной физике. Технологии на базе сверхпроводящих резонаторов заложены в основу исследовательских установок крупнейших научных проектов класса мегасайенс.
Прокат из высокочистого ниобия. Фото: Росатом Металлтех.
