ПРОИЗВОДСТВО СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ

МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ИТЭР
Харьковский Д.Н.

ОАО «Чепецкий механический завод»», г. Глазов

E-mail: dimamisis@mail.ru

1 В настоящее время на Чепецком механическом заводе ведется производство сверхпроводников для магнитной системы интернационального термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР). Магнитная система ИТЭР представляет собой расположенные в определенном порядке катушки с обмотками из токонесущих материалов: катушки тороидального, полоидального полей и центрального соленоида. Требования к электрофизическим свойствам материалов, используемых для магнитной системы, могут обеспечить только сверхпроводники, обладающие высокой токонесущей способностью и сохраняющие свои свойства в сильных магнитных полях. Для катушек тороидального поля и центрального соленоида было решено использовать сверхпроводники на основе соединения Nb₃Sn. Для катушек полоидального поля – на основе NbTi сплава. Всего для проекта ИТЭР требуется изготовить более 200 т проводов обеих типов. С этой целью на Чепецком механическом заводе с 2000 г. были начаты работы по созданию производства сверхпроводниковых материалов, а в 2009 г. это производство было запущено.

2 Принципиальная схема производства Nb₃Sn сверхпроводника включает следующие операции:

- горячее прессование прутка из слитка высокочистого ниобия;

- резка прутка на мерные длины, обточка, укладка в медный чехол;

- горячее прессование композитной заготовки в пруток;

- волочение, обточка, профилирование прутка в 6-гранник, термообработка;

- для изготовления бронзовых комплектующих из слитков высокооловянистой бронзы горячим прессованием получают прутковые и трубные заготовки (гильзы);

- из гильз токарной обработкой получают втулки чехлов, из прутковых заготовок – горячим прессованием с последующим волочением и промежуточными отжигами – прутков 6-гранного и круглого сечения;

- сборка первой многоволоконной заготовки, в которую входят: ниобиевые и бронзовые 6-гранные прутки, бронзовые прутки круглого сечения, бронзовый чехол;

- горячее прессование первой многоволоконной сборки в пруток;

- волочение многоволоконного прутка с промежуточными отжигами, обточка, профилирование в 6-гранник;

- изготовление из слитка ниобия горячим прессованием, холодной прокаткой и заключительным отжигом диффузионного барьера, представляющего собой тонкостенную трубу круглого сечения;

- сборка окончательной заготовки из многоволоконных прутков, прутков-заполнителей из бронзы, диффузионного барьера и медного чехла;

- горячее прессование окончательной заготовки в пруток. Обточка прутка, волочение с промежуточными отжигами, скручивание, калибровка в готовый размер и приемочный контроль на соответствие техническим требованиям.

Схема получения сверхпроводника на основе NbTi является более простой, в сравнении с Nb₃Sn, поскольку в ней не используется бронза, а применяемый NbTi сплав обладает хорошей технологичностью. Подробно эта технология освещена в специализированной литературе.

3 Существенным недостатком при производстве ниобий-оловянного провода были небольшие размеры составных заготовок и, как следствие, большое их количество, что, в свою очередь, приводило к высокой трудоемкости, и значительным отходам металла при изготовлении комплектующих элементов и прессовании. С целью снижения материалоемкости и трудоемкости было опробовано увеличение размеров заготовок:

- одноволоконной и 1-ой многоволоконной: с  83 до  109 мм;

- окончательной: с  130 до  200 мм.

Эти нововведения дали хорошие результаты. В настоящее время проводится работа по исследованию возможности дальнейшего укрупнения размеров одноволоконной и 1-ой многоволоконной заготовок до  130 мм. Было опробовано изготовление и прессование одноволоконной заготовки  250 мм. Однако, в прутке, полученном из такой заготовки, было обнаружено недопустимое взаимопроникновение медной оболочки и ниобия.

Существенные изменения во время становления и наладки производства, претерпевали также конструкции многоволоконных заготовок. Это было вызвано тем, что в процессе проектирования реактора, Международная Организация ИТЭР повышала требования к токонесущим способностям проводов. К примеру, начиная с 2001г., требования к плотности критического тока для ниобий-олова повысили с 550 А/мм² до 720 А/мм².

С одной стороны, улучшению токовых характеристик сверхпроводника способствует проработка его структуры и измельчение размеров зерна. Это было достигнуто, в частности, увеличением размеров заготовок. С другой стороны, для повышения критической плотности тока в проводе, необходимо повышать долю сверхпроводящей фазы в нем, то есть увеличивать количество Nb волокон.

В результате работ, проведенных совместно с ВНИИНМ, было предложено и исследовано несколько конструкций 1-ых многоволоконных и окончательных сборок, различающихся количеством, диаметром и взаимным расположением Nb жил. На сегодняшний день используются конструкции окончательных сборок, содержащие 21690 Nb волокон диаметром менее 8 микрон, и позволяющие получить плотность тока  720 А/мм².

Токонесущую способность NbTi провода также необходимо было повышать в соответствии росту требований: с 650 до 730 А/мм². Это было достигнуто несколькими путями. Во-первых, благодаря увеличению количества NbTi волокон. Во-вторых, путем доработки конструкции ниобиевых барьеров: изначально они состояли из двух или более обечаек, что, как выяснилось позже, могло быть причиной внутренних дефектов провода. Затем для барьеров стали использовать бесшовные холоднокатаные трубы. И, в-третьих, удалось добиться более плотного заполнения многоволоконной заготовки при сборке.

Для сравнения, в существующих электромагнитах плотность тока водоохлаждаемой медной обмотки не превышает 20 А/мм².

4 Таким образом, благодаря увеличению размеров Nb₃Sn заготовок удалось добиться снижения трудоемкости и материалоемкости при их изготовлении, а благодаря увеличению количества волокон и другим комплексным мерам – повышения токовых характеристик в соответствии требованиям, установленным Международной Организацией ИТЭР.

Помимо перечисленных задач, которые были успешно решены, в период освоения и запуска производства возникает и множество других, не менее интересных и сложных вопросов. Так, например, существует проблема эффективной переработки композитных отходов и возвращения материалов в начало процесса. Несмотря на ряд предложений, эффективно перерабатывать отходы и полноценно извлекать из них материалы пока не удается.

Список литературы
1 Металловедение и технология сверхпроводящих материалов / Под. ред. С. Фонера, Б. Шварца / США, 1981 : Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1987.

2 Технология производства ниобия и его сплавов / М.В. Мальцев, А.И. Байков, В.Я. Соловьев./ М.: Металлургия, 1966.

3 Шиков А. Сверхпроводящие материалы вчера, сегодня и завтра // Металлы Евразии. – 2004. – № 4. – С. 66-69.

4 ТУ 001. 406-2008. Провод многоволоконный сверхпроводящий композиционный стабилизированный круглый на основе соединения ниобий-олово. Технические условия.