Промышленный выпуск материалов с уникальными свойствами на Чепецком механическом заводе начали в 2009 году. С тех пор здесь до мельчайших деталей отработали технологии. А если собрать вместе уже поставленные заказчикам сверхпроводники, ими можно обернуть Землю и двигаться дальше…
Год 2009-й как рубежная для ЧМЗ дата связан со вступлением России в международный термоядерный проект ITER, который превосходит по интеллектуальной и финансовой мощи даже проект Международной космической станции. Для первого в мире экспериментального термоядерного реактора требовались особые сверхпроводящие материалы. И была нужна база для промышленного выпуска таких сверхпроводников, отвечающих высочайшим требованиям заказчика.
- Были задействованы все научные ресурсы "Росатома" и его Топливной кампании ТВЭЛ, - рассказывает инженер-технолог группы сверхпроводниковых материалов Дмитрий Перминов. - Ведущий разработчик - ВНИИНМ. Активно подключились исследовательские и проектно-конструкторские центры : Курчатовский институт - это Москва, в Санкт-Петербурге - НИИЭФА. Результатом фундаментальных и прикладных исследований в области материаловедения и сверхпроводимости стали 18 патентов.
Тогда же "Росатом" принял решение об организации новой площадки на Чепецком механическом заводе, где уже существовали металлургическое, прессовое и прокатное производства. Первый цех возвели меньше чем за два года и оснастили его уникальным оборудованием стоимостью более двух миллиардов рублей. И впервые в России поставили на поток выпуск низкотемпературных сверхпроводящих композитов.
За время работы на программу международного термоядерного реактора завод в Глазове выпустил более 200 тонн сверхпроводников - десятки тысяч километров так называемых стрэндов, что способны полтора раза обогнуть Землю. Эта рекордная цифра скоро может уступить место новой: по словам Перминова, для следующего проекта от Чепецкого завода может понадобиться уже 600 тонн материалов с особыми свойствами.
Сейчас здесь в прямом смысле куют будущее. А еще вытягивают его в тонкие металлические нити. Такое вытягивание, на языке специалистов - волочение, является важной частью технологической цепи получения сверхпроводников. Все тоньше и тоньше - от огромных массивных заготовок из сплавов титана, ниобия, олова, меди к почти невидимой нити, способной выдержать невероятные нагрузки.
- У нас практически замкнутый цикл производства, и он начинается в металлургическом цехе, - рассказывает инженер Павел Курганов. Он точно знает, как закалялся сплав: сначала его разогревают в высокотемпературных печах, затем отправляют под пресс, и так несколько раз. - У нас сорок разных программ для прессования материалов с заданными требованиями. Однажды этот процесс сравнили с процессом приготовления теста, которое нужно хорошенько размять, чтобы получился нужный результат. Вполне подходящая аналогия….
Вышедшее из печи "тесто" напоминает грубо отесанное бревно. Но по безупречному металлическому срезу становится понятно: свойства у образца безупречно металлические. От ненужного "камуфляжа" его избавляет токарный станок, чтобы затем отправить уже почти идеальный титановый цилиндр вместе с оболочкой из меди в аппарат электронно-лучевой сварки. Оттуда они выходят уже единым целым.
- Еще один этап работы - вытягивание заготовки в тонкие прутки, - поясняет инженер-технолог Владимир Аккузин. - На каждой ступени образец уменьшается в диаметре. Заготовку проволакивают через калибровочные отверстия разных размеров, а медная защитная пленка позволяет это делать ровно и без разрывов. В финале - прогонка через шестигранный фильтр. После него у прутка самая подходящая для дальнейшего использования форма.
Сотовая связь
В следующем цехе - почти стерильная чистота, а вход без спецодежды и бахил запрещен. Именно здесь тонкие прутки, которые еще несколько дней назад были огромными стокилограммовыми слитками, становятся деталями своеобразного пазла. Работа ответственная и кропотливая. За восемь часов (в этот промежуток медь не успевает окислиться) сборщику Виктору Шашову нужно в точности повторить рисунок "цветка" - так здесь называют схему сборки сверхпроводника. Шестигранники позволяют использовать каждый миллиметр площади при наполнении конструкции, напоминающей пчелиные соты.
Даже после того, как такую заготовку снова отправляют под пресс и затем опять многократно вытягивают, ее внутреннее содержание остается неизменным - там те же соты, идеальная архитектура, созданная природой и скопированная человеком для получения суперматериала. Ну, а сам суперматериал теперь выглядит как обычная медная проволока. Только внутри - тысячи волокон, которые выдерживают и воздействие магнитных полей, и удары частиц, и критические температуры.
Через CERN - к звездам
Сегодня на ЧМЗ ждут новых заказов. Для участия в российских и международных программах у предприятия есть и производственная база, и технологии, и персонал. Например, именно здесь расположена лаборатория с уникальным комплексом для проведения электрофизических измерений при температурах, близких к абсолютному нулю. Это единственное место в России, где сложнейшие криогенные манипуляции проводятся в промышленном масштабе.
Уже сейчас на базе сверхпроводникового производства ЧМЗ выпускают сварочную проволоку из титановых сплавов. Она используется в авиа- и судостроении. Титановые пружины нужны для автомобильной промышленности. И те, что сделаны в Глазове, уверяют разработчики, не боятся деформаций. И это лишь начало. Уже в ближайшее время сверхпроводники могут стать частью контактных линий высокоскоростного железнодорожного электротранспорта, накопителей энергии и токоограничителей, диагностических приборов и медицинской техники.
Остается и большая наука. Для экспериментов по сжатию барионной материи Европейского исследовательского центра ионов и антипротонов еще в 2019 году завод при научном сопровождении ВНИИНМ изготовил сверхпроводящую монолитную ниобий-титановую конструкцию длиной 5 километров. Она способна пропускать ток силой 2270 ампер.
И наконец, проект, который вчера считался фантастикой, а сегодня для него уже создаются и даже проходят испытания сверхпроводники из Удмуртии. Речь о новом ускорителе частиц FCC, который придет на смену Большому адронному коллайдеру. Для создания магнитной системы этой гигантской конструкции потребуются множество сверхпроводников, работающих на пределе возможностей. Выпуск 600 тонн материалов, а это меньше четверти от необходимого, намерен взять на себя Чепецкий механический завод.
И вместе с партнерами готов двигаться вперед, внедряя и осваивая новые технологии. Главное, чтобы это движение было без сопротивления.
На земную орбиту - по супермагниту
Разработка и применение сверхпроводников в устройствах, где требуется высокое магнитное поле, мощный ток и минимальные потери энергии, охватывает все новые сферы. На основе сверхпроводников уже создаются особо мощные турбогенераторы для электростанций. Сверхпроводимость применяется в измерительной технике, начиная от детекторов фотонов и заканчивая измерением геодезической прецессии посредством сверхпроводящих гироскопов на космическом аппарате "Gravity Probe B".
Высокий приоритет для современной медицины имеет задача создания сверхточной томографической техники с применением сверхпроводящих магнитов, которые способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволяет прицельно направлять лучи, а пациентам сохранять покой во время терапии.
Применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть использовано и в космических проектах: принцип магнитной левитации уже предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей. Разработчики проекта Startram (ориентировочная стоимость 20 млрд долларов) заявляют, что снизят стоимость отправки одного килограмма космических грузов до 40 долларов против нынешних 2500 долларов у SpaceX на Falcon-9, если удастся построить разгонный туннель с эффектом левитации для вывода стартующего корабля на околоземную орбиту.