книги / Механика пластического деформирования трансверсально-изотропных композиционных сверхпроводниковых материалов

Т.С. Ковальченко, А.А. Колпашникова, Б.В. Кучеряева, В.Б. Ляшкова, А.С. Матусевича, С.И. Мешкова, Л.Н. Могучего, А.Д. Никулина, Б.Е. Победри, В.П. Северденко, Л.И. Тучинского, В.А. Федорова и др.

Технология волочения, используемая при производстве сверхпроводниковых изделий, является наиболее опасной с точки зрения возможного нарушения сплошности сверхпроводниковых волокон и матрицы из бронзы.

Теория деформируемости металлов без разрушения в процессах обработки металлов давлением развита в работах А.А. Богатова, С.И. Губкина, Г.Д. Даля, В.Л. Колмогорова, В.А. Огородникова, В.И. Перетятько, А.А. Преснякова, Г.А. Смирнова-Аляева, В.Д. Соколоваидр.

Конструкция сверхпроводника представляет составной сердечник из токопроводящих ниобиевых волокон, размещенных в матрице из высокооловянистой бронзы. Вторым вариантом является применение в качестве сердечника волокон из сплава «ниобий–титан». Медная токостабилизирующая оболочка для исключения диффузии меди в сердечник отделена от него тонким промежуточным двухслойным диффузионным барьером из ниобия и тантала.

Композиционные сверхпроводники представляют собой транс- версально-изотропную конструкцию. К трансверсально-изотропным средам относят материалы, обладающие симметрией свойств в перпендикулярной к направлению волокон плоскости [21].

Поскольку толщина промежуточной оболочки незначительна по сравнению с размерами внешней оболочки и сердечника, а пластические характеристики ниобия и тантала близки к характеристикам меди, то конструкция такого сверхпроводника представлена в данной работе как биили триметаллическая, наружный слой которой состоит из медной оболочки, а внутренний слой – сердечник – является композитом, механические характеристики которого определяются характеристиками бронзовой матрицы и сверхпроводящих волокон.

1.4. Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER)

Более 30 лет тому назад было показано, что критические свойства сверхпроводящих материалов достаточны для технического использования, с тех пор развитию этого направления в России уделя-

21

ется большое внимание. В частности, значительное место занимает разработка крупномасштабных магнитных систем на сверхпроводниках, без которых создание установок термоядерного синтеза типа «Токамак» практически невозможно [20].

В1978 г. впервые в мире с использованием сверхпроводников на основе Nb–Ti была создана магнитная система установки «Токамак-7». Следующим крупным шагом явились создание и успешное испытание

в1988 г. установки «Токамак-15», впервые изготовленной с применени-

ем сверхпроводников на основе соединения Nb3Sn, обладающих существенно более высокими критическими характеристиками.

Реактор ITER начал создаваться по инициативе СССР в 1980-е гг. Теоретическая основа для него была заложена советскими физиками Игорем Курчатовым, Львом Арцимовичем и Гершем Будкером. Продолжателем дела «отцов основателей», воплощенного в проекте тороидального реактора«Токамак», является академик Евгений Велихов.

Реализация столь крупномасштабных проектов, требующих десятков тонн высококачественных сверхпроводников, стала возможной благодаря разработке в России технологии и организации промышленного производства этих уникальных материалов. Опыт России в применении сверхпроводников на основе сплава Nb–Ti и со-

единения Nb3Sn для создания отечественных установок термоядерного синтеза в значительной мере учитывался при принятии решений о разработке сверхпроводящей магнитной системы ITER.

Внастоящее время российские компании совместно с рядом зарубежных фирм завершили разработку и выпуск сверхпроводников

для модельных катушек магнитной системы ИТЭР и участвуют в подготовке и реализации необходимых технических и организационных мероприятий для обеспечения выпуска сверхпроводников для реальной магнитной системы установки, общее количество которых составляет более 700 тонн.

Основной задачей при создании ITER является демонстрация осуществимости создания термоядерного реактора, решения физических итехнологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Главный принцип, который закладывают ученые в проект ITER, – повторение в лабораторных, а затем и в промышленных условиях процессов, происходящих на Солнце: слияние ядер изотопов водорода – дей-

22

терия и трития, что приводит к образованию химически инертного гелия и сопровождается выделением большого количества энергии. Термоядерный реактор использует энергию ядер изотопов водорода. Изотопы выгорают, практически не оставляя радиоактивных отходов. Реакция идет в высокотемпературной плазме с температурной до 150 млн градусов. На единицу веса термоядерного топлива получается в 10 млн раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примернов 100 раз больше, чем прирасщеплении ядер урана.

Внастоящее время проектирование реактора полностью закончено

ивыбрано место для строительства ITER – исследовательский центр Cadarache (Франция), с параллельным созданием центра управления проектом в Японии. В 2006 г. в Брюсселе странами-участниками консорциума – странами ЕС, Индией, Китаем, Республикой Корея, Россией, США – подписано соглашение о начале практической реализации проекта в 2007 г. Строительство ITER должно продлиться десять лет, после чего реактор предполагается использовать в течение 20 лет. Общая

стоимость строительства реактора ITER оценивается примерно

в10 млрд евро. Вклад России составитдо10 % стоимости проекта. Обязательства по взносу в проект на стадии строительства для

России будут составлять 19,1 млрд рублей сроком на 10 лет. Всего же на 35 лет с учетом затрат на эксплуатацию реактора обязательства России составят около 42,6 млрд рублей. Треть этой суммы составят оборудование и материалы, произведенные в России [22].

На рис. 1.7 представлен схематичный рисунок реактора ITER.

Рис. 1.7. Международный термоядерный экспериментальный реактор

23

Ниже приведены проектные характеристики термоядерного реактора:

1.5. Физические свойства материалов, входящих в состав сверхпроводников

Сверхпроводник является нанокомпозитом, состоящим из разнородных материалов, отличающихся физико-механическими свойствами. Знание физико-механических свойств материалов, используемых при производстве сверхпроводников, необходимо для выполнения расчетов при разработке технологии их производства. Рассмотрим свойства основных материалов, входящих в состав сверхпроводника для ИТЭР.

1.5.1. Свойства ниобия

Среди тугоплавких металлов особое место занимает ниобий. Это светло-серый металл, температура перехода в сверхпроводящее состояние которого составляет 9,28° К. Ниобий обладает высокой химической стойкостью, а благоприятным комплексом физических, химических и технологических свойств, поэтому этот металл широко применяют в таких областях техники, как производство разнообразных электровакуумных приборов, электротехника, в медицине и др.

Ниобий является пластичным легкообрабатываемым металлом, имеющим при высоких температурах преимущества по удельной прочности перед другими металлами. Существенный и единственный недостаток ниобия как основы для создания сверхпроводнико-

24

вых сплавов заключается в невысоком сопротивлении процессу окисления, хотя желательно, чтобы в результате полиморфного превращения ниобий приобретал гранецентрированную кубическую структуру.

Ниобий можно упрочнять за счет образования на его основе твердых растворов; в этом отношении наиболее эффективными являются добавки ванадия, циркония, вольфрама и молибдена. Ниобий можно также упрочнить дисперсными частицами; как в простых, так и сложных по составу сплавах эффективными оказываются небольшие присадки циркония. Самые прочные из разработанных ниобиевых сплавов обладают высокими прочностными свойствами в результате сочетания механизмов упрочнения за счет образования твердых растворов и дисперсных частиц.

Механические свойства ниобия зависят от чистоты и исходного состояния, т.е. от режимов деформации и последующей термической обработки. Поэтому свойства этого металла представляют наибольший интерес в том случае, когда имеются точные сведения о состоянии материала (табл. 1.4).

Таблица 1 . 4

Значения модуля упругости ниобия при комнатной температуре

1.5.2. Свойства тантала

Тантал и ниобий обладают близкими свойствами. Тантал так же относится к тугоплавким металлам и имеет ряд преимуществ перед другими видами металлов. Свойства тантала делают его идеальным конструкционным материалом для оборудования химической промышленности. Тантал инертен по отношению ко всем кислотам, за исключением фтористоводородной кислоты, дымящего серного ангидрида (SO3) и концентрированной серной и фосфорной кислот при высоких температурах. Эта исключительная коррозионная стойкость в сочетании с хорошей прочностью, ударной вязкостью, пластичностью и теплопроводностью делают тантал весьма ценным материалом для конструирования химической аппаратуры.

Физико-механические свойства тантала при комнатной температуре

Значения модуля упругости тантала при комнатной температуре приведены в табл. 1.5. Наиболее вероятна величина модуля упругости тантала 186 Гн/м2 (19000 кг/мм2), что заметно превышает модуль упругости ниобия.

1.5.3. Свойства меди

Медь обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью, отличной обрабатываемостью давлением в холодном и горячем состоянии.

По электропроводности и теплопроводности медь уступает лишь серебру. Эти свойства меди принято считать эталоном и оценивать

27

баллом 100 %, а все другие технические металлы сравнивать с медью. Благодаря высокой электропроводности медь применяется для изготовления проводников электрического тока, анодов, шин, кабелей в электро-, электровакуумной и электронной технике, приборостроении. Благодаря высокой теплопроводности медь применяют для различных теплообменников, нагревателей, радиаторов, холодильников, вакуумных аппаратов.

Медь обладает коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, пресной и морской воде, органических кислотах, спиртах, едких щелочах, сухих газах и других средах. Благодаря высокой коррозионной стойкости медь находит применение в химической промышленности (насосы, трубопроводы, резервуары, перегонные кубы, испарители и т.д.). Медь также применяется для защиты коррозион- но-стойких покрытий.

Поскольку содержание вредных примесей в меди строго ограничено, механические свойства меди различных марок незначительно отличаются друг от друга, хотя имеется тенденция к повышению прочности и снижению пластичности с увеличением содержания примесей. Кроме того, медь с малым содержанием кислорода более пластична.

Медь отлично обрабатывается давлением, легко полируется, хорошо паяется. Она плохо обрабатывается резанием и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки.

Основная масса меди используется для приготовления сплавов на ее основе (латуней и бронз), которые, сохраняя положительные свойства меди, имеют более высокие механические свойства и лучшую технологичность.

Применяют медь в виде листов, проволоки, прутков, труб и других полуфабрикатов; в литом состоянии, в виде порошка (для порошковой металлургии) и др.

Физико-механические свойства меди

1.5.4. Свойства титана

Электрические и магнитные свойства титана. Электрическое сопротивление титана при комнатной температуре (4,2÷7,0)10–3 Ом·м и выше, чем у железа и меди, примерно в 4 и 25 раз соответственно. Большое влияние на электрическое сопротивление оказывает содержание в металле кислорода и азота. При повышении температуры до 400 °С электросопротивление увеличивается линейно. Переход из α в β-модификацию сопровождается падением электросопротивления; с ростом температуры оно растет, но медленнее, чем у α-титана.

Физико-механические свойства титана

При температуре, близкой к абсолютному нулю, титан переходит в состояние сверхпроводимости. Температура этого перехода может быть повышена за счет легирования элементами, образующими неметаллические соединения, и элементами, стабилизирующими β-фазу. При температуре, близкой к абсолютному нулю, титан парамагнитен. При комнатной температуре он обладает слабовыраженной магнитной восприимчивостью. Легирующие добавки, стабилизирующие β-фазу (хром, железо, молибден и ванадий), повышают магнитную восприимчивость титана.

Теплотехнические и другие свойства титана. Теплопроводность и температуропроводность титана и его сплавов примерно в 15 раз ниже, чем у алюминия и его сплавов, и в 3,5–5 раз ниже, чем у стали. Низкое значение указанных характеристик определяет специфические особенности термической обработки слитков и заготовок титана и его сплавов, так как при их нагреве по сечению могут возникать значительные температурные перепады и, как следствие, большие местные напряжения, приводящие в наиболее неблагоприятных условиях к образованию трещин в металле. Коэффициент линейного термического расширения титана также заметно ниже, чем у алюминия и нержавеющей стали.

Определение температуры плавления титана затруднено из-за высокой химической активности металла в расплавленном состоянии. По данным различных авторов, она составляет (1660…1672) ±

± 10 °С, наиболее вероятное значение 1668±5°С; присутствие в металле кислорода повышает температуру плавления титана.

Плотность иодидного титана при комнатной температуре определена по изменению параметров кристаллической решетки и составляет 4,505 г/см3, а по пикнометрическим измерениям – 4,507 г/см. Присутствиев металле кислорода несколько повышает его плотность.

30