Производство сверхпроводящих материалов для магнитной

ПРОИЗВОДСТВО СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ
МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ИТЭР
Харьковский Д.Н.
ОАО «Чепецкий механический завод»», г. Глазов
E-mail: [email protected]
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 6гранного и круглого сечения;
- сборка первой многоволоконной заготовки, в которую входят: ниобиевые и бронзовые 6гранные 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.