Сверхпроводящая бронза для международного проекта термоядерного синтеза

Международный проект ITER (Международный термоядерный экспериментальный реактор), вероятно, даст ответ на то, как будет возможно удовлетворить растущие потребности человечества в электроэнергии в будущем.Этот научно-исследовательский проект должен продемонстрировать целесообразность использования термоядерного синтеза для крупномасштабного производства электроэнергии.

С этой целью в настоящее время в г. Кадараш во Франции строится экспериментальный реактор силами специалистов из Европейского Союза, Швейцарии, Японии, Китая, Индии, Республики Корея, Российской Федерации и США. Цель этого проекта стоимостью 10 миллиардов долларов США состоит в том, чтобы исследовать каким образом термоядерный синтез можно использовать в качестве долгосрочного альтернативного источника энергии.

Экспериментальный реактор ITER станет первой в мире термоядерной установкой, которая выдаст энергии в десять раз больше, чем для неё потребуется. Важным компонентом, необходимым для ускорения атомов, которые должны превратиться в раскалённую плазму, является сильный магнит, выполненный из сверхпроводящего проводника.

Сверхпроводники проводят электрический ток при отсутствии сопротивления и – по крайней мере, теоретически, – делают возможной экономически выгодную эксплуатацию реакторов термоядерного синтеза. Исходным материалом для изготовления сверхпроводников, которые используются в этом проекте, является продукция немецкой компании Wieland. Используя высококачественные медные сплавы и специально разработанный процесс формовки напылением, компания Wieland обеспечивает часть технической базы для международного проекта ITER.

Технология термоядерного синтеза имитирует процессы, происходящие на солнце. Термоядерная энергетическая установка, в которой используются тяжеловодные ядра (дейтерий), производит существенно бóльшие объёмы энергии, чем обычные атомные электростанции, и при этом уровень её защиты намного выше, и почти отсутствуют радиоактивные отходы. Энергия вырабатывается путём управляемого синтеза ядер атомов водорода, которые сталкиваются друг с другом с огромной скоростью. Требуются исключительно сильные магнитные поля для ускорения атомных ядер. Эти магнитные поля могут быть созданы только при помощи сверхпроводников.

В качестве сверхпроводников используются элементы ниобий и олово в виде сплава Nb3Sn. Этот сплав производится путём так называемого «бронзового маршрута» – чрезвычайно трудоёмкого и сложного процесса, в ходе которого формируется материал. Пруток из ниобия толщиной несколько миллиметров вставляется в секционную трубку, выполненную из оловянистой бронзы, и затем многочисленные пучки таких трубок подвергаются горячей обработке и холодному волочению с промежуточными отжигами. Этот процесс требует высокого уровня однородности и высоких технологических свойств бонзы.

Для производства таких специальных видов бронзы компания Wieland-Werke AG (Германия) применяет современную технологию формовки напылением. Эта технология состоит в том, что расплав металла распыляется мелкими каплями при помощи инертного газа. До наступления состояния полного отвердевания эти капли падают на вращающуюся подложку, в результате чего образуется заготовка. Поскольку скорость охлаждения в распылительном сопле очень высока, почти полностью отсутствуют процессы сегрегации.

Решающее преимущество бронзовых заготовок, изготавливаемых компанией Wieland, состоит в том, что они исключительно однородны, то есть олово распределено очень равномерно, зёрна очень мелкие, и частицы упрочняющей фазы в сплаве оптимизированы. Сверхпроводящие компоненты компании Wieland с самого начала используются в проекте ITER. Это такие материалы, как: Wieland-BD3 (CuSn14.5Ti), Wieland-BC1 (CuSn15.5Ti) and Wieland-BD9 (CuSn16Ti).