CC BY
5
УДК 621.039.633
ДОСТАВКА ЛЕВИТИРУЮЩЕЙ КРИОГЕННОЙ МИШЕНИ
С ВТСП-ПОКРЫТИЕМ
И. В. Александрова, Е. Р. Корешева, Е.Л. Кошелев, А. И. Никитенко, Т.П. Тимашева
Исследуются магнитолевитационные технологии как инновационная основа для создания бесконтактных систем доставки криогенных топливных мишеней в лазерный фокус установки ИТС или будущего реактора. Необходимым элементом таких систем является специальный носитель мишени, изготовленный из высокотемпературных сверхпроводников с высоким пиннингом вихрей. В работе экспериментально показано, что носитель в виде внешнего ВТСП-покрытия мишени позволяет полностью исключить механическое трение при ускорении мишени за счёт её левитации в градиентном магнитном поле. Обсуждаются перспективы дальнейшего развития этого направления за счет создания на-ноструктурных пленок и покрытий из ВТСП.
Ключевые слова: инерциальный термоядерный синтез (ИТС), криогенная топливная мишень (КТМ), высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), доставка КТМ с помощью левитации.
Введение. В работе изучается вопрос о создании бесконтактных систем доставки КТМ в лазерный фокус установки ИТС, необходимость разработки которых детально обсуждается в работе [1]. Одной из причин этих разработок является нагрев КТМ за счет трения носителя в процессе ускорения. Это связано с тем, что КТМ должна иметь в момент облучения лазером температуру не выше 18.3 К, а её перегрев сверх допустимого значения (~100 мК) неизбежно приведёт к потере качества топливного слоя [2]. Кроме того, вследствие трения эффективность конверсии электромагнитной энергии ускоряющего КТМ импульса в кинетическую энергию относительно мала. Чтобы избежать последствий перегрева КТМ и повысить эффективность процесса ускорения, в
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: koreshevaer@lebedev.ru.
ФИАН успешно развиваются исследования по созданию магнитолевитационных (МАГ-ЛЕВ) систем доставки КТМ с помощью левитирующего носителя, изготовленного из ВТСП материалов с высоким пиннингом вихрей (т. н. ВТСП-МАГЛЕВ ускорители) [1]. Рассматривается ВТСП-носитель в двух модификациях (см. рис. 1): (а) ВТСП-капсула или (б) внешнее ВТСП-покрытие для КТМ. Ранее на основе расчетов и экспериментов была доказана возможность реализации первого подхода (рис. 2), а именно, использование носителя, изготовленного из ВТСП-лент второго поколения типа СуперОкс J-PI-12-20Ag-20Cu [1, 3].
Рис. 1: Основные элементы КТМ и ВТСП-носителя: (а) КТМ (1 - оболочка, 2 - криогенный слой, 3 - топливный пар, масса реакторной КТМ т ~4.5 мг); (б) ВТСП-носитель в виде капсулы (4 - ВТСП-корпус, 5 - гнездо для фиксации КТМ, 6 - КТМ); (в) ВТСП-носитель в виде ВТСП-покрытия (7 - ВТСП-покрытие, 8 - КТМ).
Данная работа продолжает исследования [4] по практической реализации второго подхода: ВТСП-носитель в виде внешнего покрытия КТМ из ВТСП керамики на основе УВа2Си307-х. Отметим, что в основе обоих подходов лежит явление квантовой левитации ВТСП в градиентном магнитном поле [5-7].
Выбор сверхпроводящих материалов. Суть квантовой левитации состоит в том, что благодаря использованию физических свойств сверхпроводников, их возможно не просто удерживать в состоянии устойчивой левитации, но и заставить двигаться вдоль направляющих магнитных рельсов. Сила ^, приводящая в движение сверхпроводник, определяется формулой [6]:
2^о 5 ^х ' ()
где ^о - магнитная проницаемость вакуума, х - магнитная восприимчивость, - объем сверхпроводника, х - направление движения, Вх - индукция магнитного поля. Поскольку для сверхпроводников х < 0, то эта сила направлена против градиента поля
dBx/dx, и, следовательно, сверхпроводники выталкиваются из области более сильного магнитного поля.
В общем случае сверхпроводники подразделяются на две группы по значениям величин, выше которых их сверхпроводимость разрушается: это критическая температура (Тс) и критическое магнитное поле (Bq). Сверхпроводники I рода (Тип-I) имеют Тс < 10 K, т. е. ниже требуемой температуры доставки КТМ (18.3 К), а значит они не применимы для создания левитирующего носителя. Кроме того, обычно Тип-I имеет значения Bq слишком низкие для практических приложений. Поэтому нами используются ВТСП, являющиеся сверхпроводниками второго II рода (Тип-II), для которых характерны два значения критического поля: Bqi и Bq2. Ниже Bqi Тип-II ведет себя аналогично Типу-I. Когда приложенное магнитное поле находится между Bq i и Bq2, оно частично проникает в ВТСП в виде квантованных линий магнитного потока (или вихрей), и ВТСП находится в смешанном состоянии. Такие материалы могут подвергаться гораздо более сильным магнитным полям и оставаться сверхпроводящими. Разработаны ВТСП с Тс в диапазоне 90-120 К, что позволяет поддерживать их в сверхпроводящем состоянии с помощью жидкого азота (77 К).
Учтём также, что вихрь - это сверхпроводящий ток, циркулирующий вокруг несверхпроводящего ядра [7]. Из-за пространственных несовершенств (или дефектов), которые всегда имеются в реальном ВТСП, происходит закрепление вихревой структуры на дефектах решетки (т. н. пиннинг вихревых токов), и любое пространственное смещение ВТСП в направлении dBx/dx = 0 приводит, согласно закону Ленца, к возникновению магнитного поля, препятствующего этому смещению. ВТСП остается локализованным в своем исходном состоянии, в том числе и при движении, если это движение осуществляется за счет специальной конструкции магнитного рельса [5] (напр., в виде N-S-N трека, см. рис. 2), при которой магнитное поле обладает определенной симметрией относительно траектории движения ВТСП.
При этом свободно перемещаться можно только в одном направлении - вдоль линий симметрии магнитного поля, где dBx/dx = 0 (см. формулу (1)), а вот в поперечном сечении рельса должен существовать достаточно сильный градиент или "магнитная стенка", чтобы препятствовать смещению ВТСП в этом направлении. Конфигурация постоянных магнитов в треке по схеме в N-S-N или S-N-S [5] решает эту проблему и лежит в основе создания магнитных направляющих систем (т. н. PMG-системы) как линейных, так и замкнутых - кольцевых, овальных или произвольной формы.
Рис. 2: Построение Ы-Б-Н-трека: (а) принцип расположения элементов в треке; (б) левитация ВТСП-носителя (прямоугольник на подложке, т = 1.25 г) вдоль линейного трека с 5 сферическими оболочками, т ~ 0.6 мг каждая; (в) левитация ВТСП-носителя (цилиндр на подложке, т = 0.4 г) вдоль кругового трека с 7-ю стеклянными шариками, т ~ 34 мг каждый); (г) левитация ВТСП-носителя вдоль овального трека с 2 аналогичными шариками.
Подготовка экспериментов и обсуждение полученных результатов. Из сказанного выше очевидно, что основное магнитомеханическое явление, ответственное за левитацию, является результатом закрепления магнитного потока, присущего взаимодействию между магнитным рельсом и ВТСП, которое обеспечивает достаточную силу левитации, а также контроль движения и его стабильность (см. рис. 3).
В экспериментах в качестве ВТСП использовалась керамика на основе УВа2Си307-х (У123) (производство ФИАН [8], р = 4.3 г/см3) с температурой сверхпроводящего перехода Тс = 91 К и значением верхнего критического поля Вс2 > 45 Тл. Исходная У123 таблетка изготавливалась методом твердофазных реакций. Приготовленную таблетку затем разламывали, растирали и отжигали в атмосфере кислорода при 440 °С [8]. Затем полученный порошок проверяли на левитирующие свойства в магнитном поле при В = 0.1 — 0.4 Тл и Т = 80 К. В случае положительных результатов порошок смешивался с композитом из вязкого полимера. Размер встроенных микрочастиц составлял от 10 до 50 мкм. Полученный композитный материал наносился тонким слоем на внешнюю поверхность полимерной (СН) оболочки. СН-оболочки производства ФИАН [9] с плотностью полимера р = 1.05 г/см3 имели диаметр 0 ~ 2 мм, который соответствовал диаметру оболочек, предназначенных для исследования альтернативной схемы ударного зажигания топлива в КТМ [10]. Измерение параметров СН-оболочек проводилось на микроскопе ИМЦЛ-100х50А с точностью ±0.2 мкм. Измерение веса оболочек было выполнено с помощью аналитических весов типа МХА 2/1-8еп80г-В1зр1ау (фирма Radwag), точность измерения ±0.1 мкг; аналогично были измерены веса и других ВТСП-образцов (таблеток и порошков).
Цель работы - создать прототип исследуемого объекта в виде "СН-оболочка + У123-слой" и изучить перспективы управления его положением с помощью магнитных полей различной конфигурации. Для осуществления подобного класса экспериментов в ФИАН разрабатываются различные направляющие из постоянных магнитов (РМС-системы) как линейного, так и замкнутого типа (см. рис. 2). Конкретно, для данного цикла исследований были созданы три РМО-системы со следующими параметрами (рис. 3):
- Круговая РМО (рис. 3(а), кадр 4): диск из МРеБ, ОБ = 15 мм и ГО = 6 мм (здесь ОБ - внешний диаметр, ГО - внутренний диаметр) толщина d = 5 мм, плюс внутренняя вставка из феррошита с ОБ = 6 мм и d = 5 мм; поле над РМО Втах = 0.39 Тл.
- Линейная РМО-1 (рис. 3(а), кадр 2): 2 стандартных магнита (феррит на основе БшСо, размеры 20 х 9 х 5 мм3) размещены на основании из феррошита, d = 0.5 мм; Втах = 0.4 Тл.
- Линейная РМО-2 (рис. 3(в), кадры 1-5): 3 магнита (120 х 8 х 5 мм3) размещены на основании из феррошита, d =3 мм. Средний магнит покрыт пластинкой феррошита (57 х 8 х 0.3 мм3); Втах = 0.42 Тл.
Во всех случаях основание из магнитомягкого железа (феррошит) работает как полюсный наконечник, который направляет и концентрирует магнитный поток на рабочую поверхность.
Полученные результаты, демонстрирующие основные этапы подготовки прототипа "СН-оболочка + У123-слой", а также результаты экспериментов по изучению особенностей бесконтактного позиционирования и транспорта прототипа, представлены на рис. 3:
- Рис. 3(а) (кадры № 1-4): кадр № 1 - СН-оболочки до нанесения сверхпроводящего покрытия, кадр № 2 демонстрирует стабильную левитацию сверхпроводящей подложки (У123 таблетка 0 = 16.4 мм, d = 5.7 мм, т ~ 6 г) с лежащей на ней СН-оболочкой (0 = 2 мм, т ~ 0.6 мг); кадр № 3 - СН-оболочка после нанесения У123 покрытия, т. н. прототип "СН-оболочка + У123-слой"; кадр № 4 демонстрирует стабильную левитацию прототипа "СН-оболочка + У123-слой" над круговой РМО при Т ~ 80 К, или другими словами, бесконтактное позиционирование прототипа в заданной точке пространства. Это открывает новые возможности для сборки КТМ непрямого облучения, когда КТМ на подвесе помещается внутри небольшой полости (цилиндрический контейнер, сделанный из материалов с большой атомной массой), называемой хольраумом [1]. Бесконтактная фиксация КТМ с помощью левитации позволяет исключить влияние
. ; "V
КРР г > г- •
■ЮдШР ®
■ Т = 300К
Массив СН оболочек
0 = 1.9 ммД
[V
Т ~ 80 К Левитация (справа) СН оболочка + У123 слой
РМС-2
Т ~ 80К Запуск движения за счет наклона плоскости РМС-2
0 =2.5 мм
0 = 1.8 мм
0 = 2.0 мм
СН-оболочки + внешний У123-слой (микрочастицы ~ 30-50 мкм)
СН оболочка + внешний У123 слой (пип микрочастицы -10 мкм)
СН-оболочка + У123 вне РМС-2
Рис. 3: Результаты модельных экспериментов: (а) кадр 1 - массив сферических СН-оболочек без покрытия, кадр 2 - левитация СН-оболочки, расположенной на У123-подложке (имитация капсулы-носителя КТМ), кадр 3 - прототип исследуемого объекта"СН-оболочка + У12?^-слой" при Т = 300 К, 4 - бесконтактное, за счёт левитации, фиксирование прототипа в заданной точке пространства над круговой РИС при Т ~ 80 К (показательно, что аналогичный вариант прототипа, расположенный слева вне РИС-системы, в состояние левитации не переходит); (б) создание различных вариантов прототипа; (в) ускорение прототипа в линейной системе РИС-2 при Т 80 К.
подвеса на симметрию сжатия топлива в экспериментах по ИТС.
- Рис. 3(б) (кадры № 1-5): различные варианты прототипа с внешним У123-слоем при различной концентрации микрочастиц сверхпроводящей керамики.
- Рис. 3(в) (кадры № 1-5): гравитационное ускорение прототипа в линейной системе РМО-2 (начальный кадр № 1 дан с увеличением). При возрастании скорости прототипа его кинетическая энергия становится достаточной, чтобы преодолеть силу отталкивания со стороны "магнитной стенки" и выйти за пределы РМО-2 (рис. 3(в), кадр № 5). В данном эксперименте скорость прототипа составила ~1 м/с.
Заключение. В ФИАН разрабатываются ВТСП-МАГЛЕВ технологии на основе явления квантовой левитации ВТСП для создания перспективных систем бесконтактного позиционирования и транспорта КТМ и их доставки в фокус мощных лазерных установок или реактора ИТС. Важность этого направления определяется ещё и тем, что КТМ может содержать радиоактивное топливо, что накладывает дополнительные условия на безопасность транспорта КТМ.
В данной работе исследовалась возможность как бесконтактной фиксации, так и ускорения левитирующего носителя КТМ, выполненного в виде СН-сферы с внешним покрытием из У123 керамики.
Создано несколько прототипов носителя в виде "СН-оболочка + У123-слой", три направляющих РМО-системы различной конфигурации и проведена серия модельных экспериментов. Продемонстрирована стабильная фиксация прототипа, а также возможность его гравитационного ускорения вдоль линейного магнитного рельса. У123-слой представляет собой композит из вязкого полимера со встроенными микрочастицами из сверхпроводящей керамики размером от 10 до 50 мкм. Преимуществом такого подхода является отсутствие механического трения, так как вопрос о разработке криогенных смазок при температурах Т < 20 К остаётся открытым.
Перспективы дальнейших исследований связаны с созданием сверхтонких покрытий с целью минимизировать вмешательство в исходный дизайн КТМ. Полученные результаты будут использованы в программе ФИАН по разработке систем бесконтактной доставки КТМ на основе ВТСП с улучшенными сверхпроводящими и структурными свойствами, а именно:
- Создание наноструктурных пленок и покрытий. В настоящее время это активно развивающееся направление в материаловедении, связанное со специальной обработкой поверхности для формирования слоёв с характерным размером кристаллитов от 1 нм до нескольких десятков нм. При этом считается, что твердая фаза из нанокристаллов, сво-
бодная от дислокаций, окружена тонким слоем аморфной фазы размером 1—2 нм. Благодаря особенностям строения наноматериалы обладают рядом уникальных свойств, в частности повышенной прочностью и твердостью [11]. Применение сверхтонких на-нопокрытий при производстве КТМ позволит значительно повысить механические и физические свойства оболочек как при комнатной, так и при криогенной температурах, а также снизить риски повреждения КТМ в процессе доставки.
- Параллельно, ведутся работы по синтезу нанопорошков из сверхпроводящей керамики; описание свойств керамик на их основе можно найти в работе [12].
- В дополнение к сказанному, отметим новое направление, связанное с созданием ВТСП материалов с пористостью выше 50% [13]. Поры в таких ВТСП обеспечивают заданное проникновение хладагента, эффективный отвод тепла и стабильное функционирование.
Работа выполнена в рамках Государственного Задания ФИАН АААА-А19-119083090043-0, а также при финансовой поддержке МАГАТЭ в рамках научного проекта № 24154.
ЛИТЕРАТУРА
[1] I. V. Aleksandrova, E. R. Koresheva, E. L. Koshelev, High Power Lasers Sci. Eng. 10, e11 (2022). DOI: 10.1017/hpl.2022.1.
[2] D. T. Goodin, N. B. Alexander, L. C. Brown, et al., Nuclear Fusion 44(12), S254 (2004). DOI: 10.1088/0029-5515/44/12/S17.
[3] И. В. Александрова, А. А. Акунец, П. И. Безотосный и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 43(5), 15 (2016). DOI: 10.3103/s1068335616050031.
[4] И. В. Александрова, А. А. Акунец, П. И. Безотосный и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 42(11), 3 (2015). DOI: 10.3103/S106843561510019.
[5] В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин, Сверхпроводимость. 2-е издание (М., Альфа-М, 2006), 110 с.
[6] Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц, Электродинамика сплошных сред. Т. 8 (М., Наука, 1982), 621 с.
[7] А. А. Абрикосов, УФН 87(9), 125 (1965). DOI: 10.1070/PU1966v008n05ABEH 003031.
[8] К. В. Мицен, О. М. Иваненко, УФН 187(4), 431 (2017). DOI: 10.3367/UFNe. 2016.12.038000.
[9] Н. Г. Борисенко, B. C. Бушуев, А. И. Громов и др., Квантовая электроника 16(9), 1895 (1989). DOI: https://doi.org/10.1070/QE1989v019n09ABEH009124.
[10] W. L. Shang, R. Betti, S. X. Hu, et al., Phys. Rev. Lett. 119, 195001-1-195001-5 (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.195001.
[11] M. A. Meyers, A. Mishra, D. J. Benson, Progress in Materials Science 51(4), 427 (2006). DOI: 10.1016/j.pmatsci.2005.08.003.
[12] С. Х. Гаджимагомедов, Д. К. Палчаев, Н. А. Палчаев и др., Кристаллография 64(3), 442 (2019). DOI: 10.1134/S0023476119030068.
[13] D. M. Gokhfeld, M. R. Koblischka, A. Koblischka-Veneva, The Physics of Metals and Metallography 121(10), 936 (2020). DOI: 10.1134/S0031918X20100051.
Поступила в редакцию 31 марта 2023 г.
После доработки 8 апреля 2023 г. Принята к публикации 9 апреля 2023 г.
