Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®
Уникальный онлайн-курс «Цифровые двойники изделий»
Hi-Tech новости 4 Декабря 2012 года
Данная новость была прочитана 5192 раза

Российские учёные успешно работают над повышением стабильности сверхпроводников

Логотип НИЦ "Курчатовский институт"     Логотип ВНИИНМ им. А.А, Бочвара

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.

Курчатовский институт, ВНИИНМ им. А.А, Бочвара, сверхпроводники
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.

Курчатовский институт, ВНИИНМ им. А.А, Бочвара, сверхпроводники
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