Российские учёные успешно работают над повышением стабильности сверхпроводников

    

Межинститутский коллектив исследователей из Курчатовского института, ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара успешно разрабатывает подходы к решению проблемы высокой стоимости магнитно-резонансной томографии (МРТ) для российских клиник. Стоимость этого исследования обусловлена, в том числе, нестабильностью сверхпроводящих соленоидов, создающих магнитные поля томографа или дорогостоящей процедуре их «тренировки».

В своих работах учёные развивают, казалось бы, простую идею – использовать в составе сверхпроводников добавки веществ с высокой теплоёмкостью. Они снижают риск перегрева установки и неизбежной при перегреве потери сверхпроводимости. О деталях последней работы, опубликованной в журнале Superconductive Science and Technology, рассказал Виктор Кейлин, руководитель исследовательской группы и профессор Курчатовского института.

«Материал в сверхпроводящем состоянии обладает нулевым электрическим сопротивлением, но даже самые незначительные изменения условий – механические деформации, повышение температуры или напряжённости магнитного поля – могут перевести его в нормальное состояние, – поясняет Кейлин. – К примеру, композитные провода, из которых изготавливают обмотки сверхпроводящих соленоидов при температуре жидкого гелия (критические температуры многих сверхпроводников лежат в области температур жидкого гелия) имеют чрезвычайно низкую теплоёмкость. В результате даже самое незначительное тепловыделение в обмотке (например, из-за подвижки витков или растрескивания эпоксидной смолы) может привести к потере сверхпроводящих свойств. Сопротивление такого участка резко возрастает, а вся энергия, запасённая в магнитном поле соленоида, выделяется в виде тепла, что без принятия специальных мер по защите соленоида может привести к серьёзной аварии и разрушению устройства. А плотность этой магнитной энергии огромна! Например, в магните на 12 тесла объёмом 30 литров сосредоточена кинетическая энергия разогнанного поезда метро».

Эту проблему термической стабильности обычно решают за счёт введения дорогостоящей системы охлаждения или же наращивания слоёв сверхпроводника и стабилизатора, влекущего к тому же уменьшение плотности тока. В основе же подхода научной группы Курчатовского института лежит простая и изящная идея использования керамических добавок с чрезвычайно высокой теплоёмкостью, за счёт которых композитный сверхпроводящий провод становится гораздо менее чувствительным к термическим возмущениям.

Как замечает Виктор Кейлин, высокотеплоёмкие добавки (ВД) составляют всего 3–5% от объёма обмотки, но повышают её среднюю объёмную теплоёмкость в 10–12 раз. Соответственно, во столько же раз снижается нагрев проводника. Поэтому сверхпроводник с ВД может терпеть в 10 раз большие по энергиям тепловые возмущения, сохраняя стабильность.

В первых своих экспериментах исследователи применяли технику внешнего легирования. Порошки добавок вносились между витками сверхпроводящей катушки-соленоида, что уже приводило к значительному улучшению её стабильности. Однако расчёты показали, что избыточная теплоёмкость добавок срабатывает лишь частично, поскольку характерное время тепловой диффузии между сверхпроводником и включением значительно больше времени термического возмущения. Лишнее тепло буквально не успевало распределиться по введённым добавкам.

Поэтому в следующих своих работах исследователи решили применять технику внутреннего легирования и внедрять жилы теплоёмких добавок непосредственно в сверхпроводящие материалы. Так, для последнего эксперимента были изготовлены два сверхпроводящих (идентичных используемым в МРТ) стометровых провода из ниобата титана NbTi. Один из них был модифицирован добавками оксида гадолиния Gd2O3 (2% по объёму), распределёнными по 14 продольным каналам, а второй оставлен без изменений. В результате критическая энергия возмущений перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние для модифицированного провода оказалась больше почти в два раза.

Первые модельные соленоиды из NbTi-проводов томографического типа с 2% об. высокотеплоёмкой добавки Gd2O3 и без неё. Минимальные энергии перехода в нормальное состояние у соленоида с добавкой на 25–75% выше, чем у обычного. Путём удачного расположения и снижения толщины керамических высокотеплоёмких вставок удалось добиться 100-процентной эффективности использования теплоёмкости добавок при характерной продолжительности тепловых возмущений ~ 1 мс. Иллюстрации к статье предоставлены Виктором Кейлиным

Предложенная техника универсальна и помимо сверхпроводников для МРТ вполне может быть использована для создания, например, токамаков или ускорителей заряженных частиц. Тем более что стоимость теплоёмкой модификации оценивается учёными лишь в 3–5% от общей стоимости NbTi-проводов, что заставляет лишний раз задуматься о рациональности дорогостоящих и повсеместно распространённых хладагентов.

Сравнение эффективности использования теплоёмкости добавок при продолжительности тепловых возмущений ~ 1 мс в различных конструкциях NbTi-композитных проводов (чёрные жилы – добавка, серые – сверхпроводник). η – отношение определённой в эксперименте минимальной энергии перехода провода в нормальное состояние к его максимальной теплопоглощающей способности в зависимости от разницы критической температуры сверхпроводника и температуры жидкого гелия

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab®  по материалам сайта S&T RF.

Другие новости по этой теме на сайте FEA.ru:

30.11.2012 Новый композитный материал SiC-SiC увеличит КПД атомных реакторов в полтора раза
13.08.2012 Высокотехнологический институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара (ВНИИНМ) проводит исследования в области радиационного материаловедения с помощью вычислительных кластеров
04.04.2012 Top50 самых мощных суперкомпьютеров СНГ. 16-я редакция