Разработка сверхпроводящих токонесущих элементов для будущих термоядерных установок и ускорителей элементарных частиц

Разработка установок управляемого термоядерного синтеза – будущего источника энергии для электроэнергетики – проводится в несколько стадий, включающих создание экспериментального реактора, создание демонстрационных реакторов, а затем создание промышленных реакторов с длительным сроком эксплуатации. В настоящее время усилиями семи сторон осуществляется строительство первого Международного Экспериментального Термоядерного Реактора ИТЭР со сверхпроводящей магнитной системой. Цель этого проекта - демонстрация возможности получения электрической энергии за счёт проведения управляемых термоядерных реакций, проверка научных и инженерных решений, а также создание необходимой базы данных. Основным компонентом магнитной системы ИТЭР являются сверхпроводящие токонесущие элементы – проводники типа «кабель в оболочке» (CICC). Натуральный вклад России в создание магнитной системы ИТЭР составляет 20% проводников тороидального поля на основе соединения Nb3Sn и 19% проводников полоидального поля на основе сплава NbTi. Производство сверхпроводящих проводов для проекта ИТЭР было организовано на заводе «ЧМЗ»), а разработку технологий нанесения необходимых покрытий, скрутки кабелей и формирования проводников взял на себя ОАО «ВНИИКП», который также осуществил выпуск заданного количества кабелей и проводников, т.е., конечной продукции, поставляемой из России. Финальными приёмочными испытаниями проводников, являются испытания при полной нагрузке в магнитном поле на установке «SULTAN» (CRPP, Виллинген). В процессе испытаний было обнаружено, что проводникам свойственна деградация критических свойств при циклических электромагнитных нагрузках, при этом степень деградации отличается в проводниках, изготовленных в разных странах. Российские проводники практически не деградируют при испытаниях. Деградацию свойств проводников связывают с движением отдельных сверхпроводящих проводов, которое приводит к их повреждению и снижению сверхпроводящих свойств. По результатам проведенных научных исследований можно сделать вывод о том, что при ограничении движения сверхпроводящих проводов в проводнике можно добиться более стабильных свойств в течение всего срока эксплуатации системы. Кроме ограничения движения проводов, при проектировании новых, более совершенных токонесущих элементов необходимо учитывать и другие важные характеристики, такие как компактные размеры для повышения плотности всей обмотки, низкие потери в изменяющемся магнитном поле, однородность доставки хладагента к сверхпроводящим компонентам проводника, технологичность и относительная дешевизна. Существует множество различных конструкций токонесущих элементов, однако большинство из них не подходит для создания токонесущих элементов с токами более 100 кА или же, как указывалось выше, их характеристики заметно снижаются в течение эксплуатации, что неприемлемо для долговременной работы будущих термоядерных реакторов. В последние годы в ряде стран – участников ИТЭР уже приступили к проектированию собственных демонстрационных реакторов и опробованию инженерных решений для их строительства. Так, в Южной Корее, полным ходом идет проектирование реактора K-DEMO, создаются прототипы отдельных узлов, в том числе новых типов сверхпроводящих токонесущих элементов. Проекты демонстрационных реакторов разрабатываются в Европе, КНР и Японии, уже создаются прототипы будущих токонесущих элементов на основе как низкотемпературных, так и высокотемпературных сверхпроводников. В России тоже на рассмотрении находится проект собственного демонстрационного реактора ДЕМО-ТИН. Таким образом, разработка сверхпроводящих токонесущих элементов для будущих термоядерных установок является весьма актуальной задачей, решение которой, учитывая успешный опыт поставок России для магнитной системы ИТЭР, может обеспечить не только строительство собственных реакторов, но и создает перспективу экспортных поставок наукоемкой продукции для зарубежных реакторов. Решение этой задачи важно и для создания нового поколения сверхпроводящих ускорителей для физики высоких энергий, например, для проекта по увеличению мощности ускорителя LHC, успешно работающего в ЦЕРНе. Уже сейчас Европейская Организация по ядерным исследованиям приглашает разработчиков сверхпроводящих токонесущих элементов к сотрудничеству, беря на себя проведение испытаний создаваемых прототипов. Успешные разработки сверхпроводящих токонесущих элементов могут стать основанием для участия России в поставках наукоемкого оборудования для проекта HL-LHC.