VIVOS VOCO: H.А. Черноплеков, "СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ"

С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ:
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

H. А. Черноплеков

Черноплеков Николай Алексеевич - член-корреспондент РАН,
директор Института сверхпроводимости и физики твердого тела РНЦ "Курчатовский институт".

Скоро исполнится 90 лет со времени открытия явления сверхпроводимости и 40 лет с тех пор, когда на базе сверхпроводящих материалов и криогенной техники гелиевого уровня температур зародились низкотемпературные сверхпроводниковые технологии (НТСП-технологии). Их использование позволило создать такие уникальные исследовательские установки, как ускорители заряженных частиц на сверхвысокие энергии, детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц, установки для термоядерных исследований с магнитным удержанием горячей плазмы, лабораторные сверхпроводящие магнит-иые системы, ответственные устройства специальной техники, измерительные приборы рекордной чувствительности и точности, а также оборудование, ставшее предметом прямого коммерческого интереса [1, 2]. Последнее относится к. тем сферам деятельности, в которых применение сверхпроводников дает либо принципиально новое качество производимой продукции, как в случае, например, магниторезонансных томографов или высокоградиентных магнитных сепараторов, либо совершенно новое оборудование, как, например, сверхпроводниковый индуктивный накопитель электроэнергии с неограниченным сроком ее хранения.

Напомню о тех уникальных физических свойствах сверхпроводников, на которые опираются НТСП-технологии.

• Сверхпроводники в интервале значений, ниже критических величин температуры, индукции магнитного поля и плотности электрического тока, имеют нулевое сопротивление, то есть способны нести бездиссипативный постоянный ток -ток без потерь на нагрев проводника. Уровень потерь определяется фактором rj² где r - удельное сопротивление, a j - плотность тока. В технических изделиях из сверхпроводников (проводах, кабелях и т.д.) эффективное сопротивление на переменном токе промышленной частоты (50-60 Гц) из-за потерь на гистерезис и вихревые токи, хотя и отличается от нуля, но составляет одну десятитысячную или менее от эффективного сопротивления обычного проводника при комнатной температуре.
• При значениях магнитного поля ниже так называемого мейснеровского сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом - магнитное поле не проникает в тело сверхпроводника.
• Магнитный момент сверхпроводящего кольца или полого цилиндра может изменяться только дискретно на величину кванта магнитного потока, равную 2 х 10^-7 Гс • см².
• Поверхностное сопротивление сверхпроводника при частотах, ниже критических, в 10-100 раз меньше поверхностного сопротивления хорошо проводящих материалов (медь, алюминий) при тех же температурах.
• В сверхпроводниках возможно протекание тока без падения напряжения через туннельный контакт, образованный двумя сверхпроводниками, которые разделены тонким слоем (масштаб нанометры) диэлектрика (стационарный эффект Джозефсона), либо протекание тока, сопровождаемое при превышении некоторой критической его величины генерацией электромагнитного излучения с частотой, которая определяется разностью потенциалов на контакте (нестационарный эффект Джозефсона).

Первые два из упомянутых свойств лежат в основе сильноточных сверхпроводниковых технологий, предназначенных для устройств больших мощностей и запасенных энергий. Эти технологии находят непосредственное применение в электроэнергетике, а с некоторыми вариациями - во всех направлениях промышленного производства и транспорта. Остальные свойства используются в слаботочных сверхпроводниковых технологиях, применяемых в телекоммуникационной технике, прецизионном приборостроении, научном и медицинском оборудовании. В связи с отмеченным обстоятельством считаю правильным раздельно рассмотреть развитие сильноточных и слаботочных сверхпроводниковых технологий.

СИЛЬНОТОЧНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

К середине 70-х годов прошлого века у нас в стране в рамках Министерства среднего машиностроения было создано промышленное производство технических сверхпроводящих материалов, а на предприятиях Министерства химического машиностроения - криогенного оборудования гелиевого уровня температур. В отраслевых и академических институтах активно разрабатывались устройства, использующие явление сверхпроводимости, - от лабораторных магнитов для камерных научных исследований в физике, химии, биологии до крупных, индустриального масштаба установок по магнитному удержанию горячей термоядерной плазмы или импульсные источники энергии большой мощности на базе индуктивных накопителей. Лидерами этих работ в мире были две страны - СССР и США.

Основу технических сверхпроводящих материалов составляли два вещества. Одно из них - деформируемый сплав Nb-Ti с параметрами: критическая температура 9.6 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле 12 Тл при 4.2 К (температура кипения жидкого гелия при нормальном давлении), нулевом токе и критической плотности тока, равной 3 х 10⁹ А • м^-2 при 4.2 К и в магнитном поле 5 Тл. Стоимость такого материала не превышала нескольких долларов за 1 кА • м.

Вторым сверхпроводником, освоенным промышленностью позже, было интерметаллическое соединение Nb₃Sn, которое несколько расширило диапазон рабочих температур и магнитных полей для сверхпроводниковых устройств. Материал на основе Nb₃Sn имел критическую температуру 18.3 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле около 22 Тл при 4.2 К и нулевом токе, критическую плотность тока более высокую, чем в материалах на основе сплава Nb-Ti, в частности, при 4.2 К в поле 10 Тл плотность тока в нем превышала 10⁹ А • м^-2. Его стоимость была примерно 10 долл. за 1 кА • м.

Сами технические сверхпроводящие провода представляли собой сложные композитные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими (до долей микрона) нитями собственно сверхпроводника [3]. Наукоемкая технология их изготовления (рис. 1) была освоена наряду с СССР и США Японией, Германией и другими индустриально развитыми странами.

Рис. 1. Схема изготовления композиционных сверхпроводников

Значения рабочих магнитных полей и плотностей тока, которые удавалось достичь в сверхпроводниковых устройствах, использующих материалы Nb-Ti и Nb₃Sn при температурах вблизи 4.2 К, практически перекрывали прогнозируемые потребности всего электротехнического и электроэнергетического оборудования (табл. 1). К тому же значительно уменьшались его омические потери и массогабаритные показатели. Естественно, ожидали, что применение сверхпроводниковых технологий гелиевого уровня температур позволит не только расширить спектр исследовательских установок и устройств специальной техники, но прежде всего окажет преобразующее воздействие на электроэнергетику, транспорт и другие электропотребляющие отрасли хозяйства.

С середины 60-х годов, когда начались исследования по прикладной сверхпроводимости, в развитых странах разрабатываются сверхпроводниковые варианты практически всех основных электротехнических устройств, которые генерируют, передают, преобразуют и потребляют электроэнергию в промышленном масштабе. Достаточно показательной иллюстрацией этого утверждения может служить отечественная программа по сильноточной сверхпроводниковой технологии гелиевого уровня температур для электротехники и электроэнергетики, просуществовавшая до 90-х годов. Были созданы и испытаны представительные модели и опытно-промышленные образцы сверхпроводниковых турбогенераторов мощностью от 1 до 20 MB • А (рис. 2), изготовлены турбогенератор мощностью 300 MB • А, коллекторные и униполярные двигатели мощностью до 10 МВт, системы движения для морского и железнодорожного транспорта, трансформаторы, токоограни-члтели, гибкие и жесткие линии электропередач, индуктивные накопители энергии. Создание нетрадиционных видов электротехнического оборудования потребовало выполнения большого комплекса сопутствующих научных исследований и разработки принципиально новых методов электромагнитных, механических, тегйюфизичес-ких и гидродинамических расчетов с их экспериментальной верификацией на макетах и моделях.

Рис. 2. Сверхпроводниковый турбогенератор мощностью 20 MB • А

Это оборудование, действительно, продемонстрировало выигрыш в КПД и массогабаритных показателях по сравнению с традиционным. И хотя были очевидны пути повышения его надежности до уровня требований энергетических стандартов, промышленного распространения оно не получило. Причин тому несколько. Из-за слишком большого значения фактора rj², или фактора омических потерь, конкурентоспособным сверхпроводниковое оборудование признавалось при больших единичных мощностях, например, генераторы при мощностях более 800-1000 MB • А, линии электропередач при мощностях более 5 ГВ • А и дальностях в несколько тысяч километров. Большое сопротивление (и не только психологическое) по отношению к новому встречала перспектива использования сложного и на первых порах недостаточно надежного криогенного оборудования гелиевого уровня температур и самого хладагента - дорогого жидкого гелия.

Выйти на коммерческих основаниях за пределы экономических и психологических барьеров смогли три типа сверхпроводниковых устройств гелиевого уровня температур: магниторезонанс-ные томографы со сверхпроводящими магнитами, сверхпроводниковые сепараторы и малые индуктивные накопители энергии. Производство сверхпроводниковых томографов началось в 80-е годы. Благодаря хорошему качеству диагностической информации, связанному с высокой индукцией магнитного поля, стабильностью во времени и пространственной однородностью так на-

зываемого замороженного магнитного поля сверхпроводящего соленоида, к 90-м годам они сильно потеснили на рынке более дешевые томографы с резистивными или постоянными магнитами. Теперь ежегодно выпускается около 1000 сверхпроводниковых магниторезонансных томографов, и ежегодный объем их продаж превышает 2 млрд. долл.

Что касается сверхпроводниковых сепараторов и индуктивных накопителей, то они делают первые шаги на рынке. В СССР создан объемно-градиентный магнитный сепаратор для обогащения бедных железистых кварцитов, в США - высокоградиентные сепараторы для прецизионной очистки каолина и сверхпроводниковые индуктивные накопители с запасенной энергией масштаба нескольких киловатт-часов, недавно установленные в системах бесперебойного обеспечения электропитания ответственных потребителей энергии. И все это стало возможным после заметного усовершенствования криогенной техники гелиевого уровня температур, произошедшего в последние годы.

Таким образом, итогом 40-летнего развития сверхпроводниковой технологии гелиевого уровня температур стали выдающиеся результаты, полученные при создании уникальных электрофизических установок, и первые коммерческие успехи, однако эта технология не смогла существенно повлиять на облик промышленной электроэнергетики.

Положение радикально изменилось в 1986 г., когда были открыты так называемые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с критическими температурами перехода в сверхпроводя-щее состояние, быстро достигшими величин, заметно превышающих 77.3 К (рис. 3), то есть температуру кипения жидкого азота при нормальном давлении [4]. Появилась возможность вместо невозобновляемого и дорогого хладагента - жидкого гелия - использовать жидкий азот. Однако она могла быть реализована, если бы удалось разработать технологию технических ВТСП-материалов с необходимыми эксплуатационными качествами и приемлемой стоимостью. Между тем создание технологии токонесущих элементов из ВТСП-материалов оказалось неизмеримо более сложной задачей, чем технологии сверхпроводящих обмоточных материалов гелиевого уровня температур. Технология керамических сверхпроводников все еще находится в стадии становления из-за частичной нестабильности оксидных ВТСП-материалов, их высокой хрупкости и анизотропии [5].

Рис. 3. Увеличение со временем критической температуры
различных сверхпроводящих соединений

Тем не менее к середине 90-х годов были разработаны конструкции первого поколения ВТСП-проводов и начат их опытно-промышленный выпуск в США, Японии, странах Европы и России. Провода производятся главным образом методом "порошок в трубе". В процессе термомеханохимической обработки заготовки из серебряной трубки или трубки из легированного серебра, заполненной порошкообразным ВТСП-сверхпроводником, формируется лента с характерным сечением 4 х 0.3 мм² и длиной до 1000 м (рис. 4).

Поперечные сечения ленточных проводов из ВТСП-материалов.
Поперечные сечения лент 0.2-0.25 х 3.0-3.5 м²;
диаметры круглых проводников 0.8-1.0 мм;
критическая плотность тока до 3 х 10⁴А • см^-2;
критическая температура до 100 К

Ленточные провода изготавливаются на основе соединения Bi₂Sr₂CaCu₂O_x, в серебряной оболочке (Bi 2212/Ag). Несмотря на относительно низкую критическую температуру этого соединения (около 90 К), его технологические свойства и достижимость высоких плотностей критического тока в сильных магнитных полях при температурах 20-30 К превышают возможности всех освоенных НТСП-материалов при 4.2 К. Этот материал имеет реальную перспективу для применения в сверхпроводниковых устройствах с сильными магнитными полями при рабочих температурах вблизи температуры жидких водорода или неона.

Производятся также ленточные провода на основе соединения Вi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x в серебряной оболочке (Bi 2223/Ag). В настоящее время этот материал активно используется в разработках электротехнического оборудования. Он имеет критическую температуру 107 К, критическую плотность тока порядка 10⁸ А • м^-2 при температуре 77.3 К и полях 1 Тл и менее, а с понижением рабочей температуры его характеристики существенно улучшаются. Стоимость этого материала около 100 долл. за 1 кА • м. Рост масштабов его производства, совершенствование технологии и раскрытие потенциальных возможностей дают основание ожидать, что в ближайшие годы его цена снизится до 10-15 долл. за 1 кА • м. Тогда высокотемпературные сверхпроводниковые устройства станут конкурентоспособными.

Начат выпуск массивных материалов на основе соединения YBa₂Cu₃O_7-x (или NdBa₂Cu₃O_7-x), которые в режиме замороженного поля конкурируют с такими постоянными магнитами, как Nd-Fe-B. Эти соединения очень перспективны для создания длинномерных токонесущих элементов с высокой плотностью тока (~10⁹ А • м^-2) при 77.3 К в полях до 5 Тл.

В промышленности переход от низкотемпературных сверхпроводников к высокотемпературным несет в себе возможность повышения рабочих температур сверхпроводящих устройств вплоть до азотных, замены жидкого гелия на жидкий азот, очевидное упрощение системы криостатирования и сокращение в сотни раз связанных с этим эксплуатационных расходов. Достаточно сравнить между собой характеристики хладагентов и их стоимость (табл. 2). Кроме того, ВТСП-устройство более устойчиво к внешним возмущениям, а криогенная система азотного уровня более надежна в эксплуатации. Важным положительным фактором, позволяющим существенно упростить конструкцию высоковольтной изоляции, является высокая диэлектрическая прочность жидкого азота, сравнимая с диэлектрической прочностью трансформаторного масла.

Необходимость криостатирования сверхпроводникового оборудования создает благоприятные возможности для повышения его надежности. При криогенных температурах не возникают температурные градиенты и соответствующие термомеханические напряжения (в медных обмотках градиенты температуры достигают 80-100 К), практически отсутствует старение высоковольтной изоляции. Поскольку сверхпроводниковые электротехнические устройства часТо функционируют в сочетании с полупроводниковыми преобразователями, то можно улучшить рабочие параметры последних при близких к азотным температурах, расположив оба устройства в едином криостатируемом объеме.

Таковы многообещающие перспективы практического использования сильноточных сверхпроводниковых технологий, связанные с изменением одной из основных составляющих этой технологии - переходом от низкотемпературных к высокотемпературным сверхпроводникам. Но за прошедшие годы и вторая их составляющая -криогенная техника - не стояла на месте. Может быть, наиболее яркой демонстрацией этого прогресса служат системы криостатирования с широким спектром температур, начиная с гелиевых. Разработаны компактные, с большим ресурсом безостановочной работы микроохладители, надежность которых приближается к надежности домашнего холодильника. Именно успехи в криогенной технике сделали возможным широкое (около 15 тыс. установок) распространение в клиниках магниторезонансных томографов с магнитами гелиевого уровня температур, привели к созданию первых промышленных сверхпроводниковых сепараторов и малых сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии для систем бесперебойного энергообеспечения ответственных потребителей.

Сильноточные сверхпроводниковые технологии ныне вышли на уровень, на котором при их использовании возможно создание нового поколения электроэнергетического оборудования существенно превосходящего оборудование традиционного (резистивного) исполнения за счет более высокой эффективности, уменьшения в два-три раза массогабаритных показателей и соответственно материалоемкости и энергозатрат на изготовление, повышения надежности и срока службы до требований электроэнергетики XXI столетия, качественных характеристик энергосистем, экологической безупречности сверхпроводникового электрооборудования, меньшей капитальной стоимости при массовом производстве и цене сверхпроводника, не превышающей 10-15 долл. за 1 кА • м.

К настоящему времени прошли успешное испытание представительные образцы электротехнического оборудования в сверхпроводниковом исполнении, в первую очередь, на базе ВТСП-технологии: электромашины мощностью порядка мегавольт-ампер, трансформаторы мощностью до 1.5 MB • А, участки кабельных линий электропередачи, рассчитанные на мощность до 440 MB • А, и сверхпроводниковые токоограни-чители мегавольт-амперного диапазона. Учитывая накопленные ранее знания и опыт по созданию промышленных образцов электротехнического оборудования на основе НТСП-технологии, можно утверждать, что в первое десятилетие XXI в. начнется промышленное производство и освоение нового поколения сверхпроводникового электротехнического оборудования [6].

Вряд ли процесс вхождения нового оборудования будет взрывным, скорее, он будет эволюционным, но с заметной скоростью нарастания. Широкое применение сверхпроводникового электротехнического оборудования как при генерации электроэнергии, так и при ее транспортировке и потреблении позволит увеличить эффективность использования электроэнергии на 5-7%, а следовательно, практически на эту же величину сократить потребление первичных энергоносителей, которыми преимущественно являются органические топлива. В результате уменьшится выброс парниковых газов в атмосферу, снизится общая нагрузка на окружающую среду. Совершенно очевидно, что преобразующее значение новой технологии не ограничивается экономией первичных энергоносителей. Преобразование непосредственно коснется всех областей деятельности, где в больших масштабах находит применение электротехническое оборудование, - электроэнергетики, машиностроения, металлургии, горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, наземного, морского и воздушного транспорта, атомной промышленности.

Безусловно, что наиболее ощутимый эффект принесет комплексное использование сверхпроводникового оборудования, например, полностью состоящая из сверхпроводникового оборудования электростанция или распределительная подстанция. Тогда будет более дешевой электроэнергия, более надежной работа оборудования и. наиболее приемлемой экологическая ситуация. Но и отдельные виды сверхпроводникового оборудования - трансформаторы, токоограничители и индуктивные накопители - могут значительно улучшать ситуацию в существующих энергосистемах и сетях, увеличив их устойчивость, надежность и пропускную способность.

В индустриально развитых странах существуют специальные, финансируемые правительствами программы по развитию и применению сверхпроводниковых технологий в различных областях деятельности. Такие программы есть в США, Японии и в более скромных масштабах в Европейском сообществе. Как правило, еще на ранней стадии к их реализации привлекается частный капитал будущих производителей и пользователей оборудования. Им передаются научно-технические разработки государственных научных организаций, а сами исследования курируются национальными лабораториями. Таким образом осуществляется плановая коммерциализация одной из важнейших критических технологий XXI столетия в развитых капиталистических странах.

Показательна с этой точки зрения американская программа "Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996-2000 гг." [7]. Ее официальная цель сформулирована вполне амбициозно: к 2010 г., периоду наиболее активной замены электроэнергетического оборудования, отработавшего свой ресурс во многих энергосистемах мира, электромашиностроительные фирмы США должны завоевать большую часть мирового рынка, предъявив ему дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование, превышающее по эффективности и надежности оборудование традиционного (резистивного) исполнения. Включение сверхпроводниковых компонентов в коммерческое электротехническое оборудование призвано обеспечить глобальное стратегическое преимущество промышленности США в XXI в. При этом следует иметь в виду, что по оценкам Всемирного банка объем продаж сверхпроводникового оборудования возрастет в мире с 2 в 2000 г. до 244 млрд. долл. в 2020 г. (рис. 5). Иными словами, за 20-летний период ожидается почти 100-кратный рост объема продаж.

Рис. 5. Рынок сверхпроводникового электротехнического оборудования
по прогнозу Всемирного банка.
К 2020 г. объем продаж этого оборудования во всем мире увеличится с 1.7 до 244 млрд. долл.

Что же касается России, то интересы ее промышленно-технической безопасности требуют энергичного развития и использования сверхпроводниковых технологий как в электроэнергетике, так и в других отраслях [8]. Уже в начале столетия России предстоит увеличить выработку электроэнергии в связи с ростом промышленного производства, необходимостью улучшения качества жизни и увеличения экспорта электроэнергии за рубеж. При этом в ближайшие годы необходимо произвести замену значительной доли (более 70%) практически выработавшего свой ресурс электроэнергетического оборудования. Предстоит обновить или реконструировать действующие станции и сети, построить новые, что не было сделано своевременно из-за просчетов инвестиционной политики в области электроэнергетики и спада производства в электромашиностроении. Все это будет происходить на фоне вынужденного вовлечения в хозяйственную деятельность либо более бедных, либо труднодоступных источников минерального сырья, в том числе природного топлива. В результате существенно усложнится задача по сохранению неизменной стоимости электроэнергии у потребителя. Кроме того, совокупность экологических соображений требует дальнейшей концентрации выработки электроэнергии на крупных энергетических комбинатах, что возможно, если будет снижена стоимость транспортировки электроэнергии по сравнению с традиционными линиями электропередач.

Решать этот сложный комплекс проблем можно только на базе новых технологий, которые обеспечат повышение эффективности оборудования, приемлемую его стоимость, соблюдение режима энерго- и ресурсосбережения при минимальной нагрузке на окружающую среду. К их числу прежде всего относятся сверхпроводниковые технологии нового поколения, превосходящие по всем параметрам традиционные (табл. 3 и 4).

В какой степени отечественные исследователи и разработчики готовы воспринять вызов времени?

Следует напомнить, что в области НТСП-технологии и ее использования СССР был мировым лидером наряду с США. После открытия ВТСП-материалов в стране была принята Государственная научно-техническая программа "Высокотемпературная сверхпроводимость". В трудное послечернобыльское время были выделены дополнительные средства для развития исследований и разработок по ВТСП, и впервые в практике финансирования науки в стране был применен принцип конкурсного отбора работ (система грантов). Диапазон исследований был существенно расширен. Все это позволяло стране сохранять лидерство в этой научно-технической области до начала 90-х годов.

После развала Союза финансирование программы было сокращено более чем в 100 раз, что в первую очередь затруднило проведение прикладных исследований как наиболее ресурсоемких. В несколько раз сократилось количество организаций, участвующих в работах по прикладной сверхпроводимости, уехала за рубеж часть специалистов, стареет экспериментально-стендовая база. Теперь исследования проводятся на скромные средства, выделяемые направлению "Сверхпроводимость" в подпрограмме "Актуальные проблемы физики конденсированных сред", руководимой академиком Ю.А. Осипьяном.

Тем не менее в стране сохранились высокий уровень исследований и разработок по сверхпроводимости, ведущие научно-инженерные кадры и уникальные экспериментально-стендовые базы. Благодаря конструктивной политике Минатома сохранено опытно-промышленное производство НТСП- и ВТСП-технических материалов, что позволяет России в современных условиях оставаться одним из участников таких престижных международных проектов, как международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЕР) и сверхпроводниковый ускоритель "Большой адронный коллайдер". Кроме того, "сверхпроводниковое" сообщество России достаточно активно привлекается зарубежными партнерами к выполнению исследований и разработок по контрактам. Так что российские исследователи и разработчики сверхпроводящих материалов, магнитных систем различного назначения и нетрадиционного оборудования готовы совместно с промышленностью приступить к активному усовершенствованию электротехнического и электроэнергетического оборудования на базе современных сверхпроводниковых технологий и криогенной техники не только для удовлетворения внутренних потребностей страны, но и для выхода с этой конкурентоспособной продукцией на мировой рынок.

Такие предложения правительству сделаны. Если оно осознает критическую значимость этой проблемы для экономики страны и малость необходимых бюджетных средств для ее решения, особенно с учетом неизбежного участия акционерного и частного капитала, программа перевооружения электропроизводящих и электропо-требляющих отраслей промышленности и техники будет успешно осуществляться, и Россия не будет сторонним наблюдателем радикального изменения облика электротехники и электроэнергетики XXI столетия.

СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

До сих пор речь шла о силовой, или сильноточной, прикладной сверхпроводимости, однако прикладная сверхпроводимость имеет и другую, не менее яркую с точки зрения возможных областей использования грань, условно называемую слаботочной прикладной сверхпроводимостью. В более приемлемом для неспециалистов варианте, когда не претендуют на полноту терминологического охвата, ее именуют сверхпроводниковой электроникой.

Еще до открытия ВТСП, так сказать, в эру низкотемпературных сверхпроводников, исследования и разработки по сверхпроводниковой электронике успешно развивались. Причина тому - уникальные возможности, которые открыло использование явления сверхпроводимости перед радиоэлектроникой (высокие, близкие к предельным квантовым чувствительность и точность измерительных средств, высокая добротность резонансных систем, миниатюризация многих ответственных устройств радиотехники и электроники), а также низкая материалоемкость этих устройств и скромные требования к мощностям криостатирования. Как у нас в стране, так и за рубежом были разработаны и испытаны сверхчувствительные измерители магнитного потока, тока и напряжения, создан квантовый эталон Вольта, уникальные магнитометры и градиентометры, приемники излучения, превосходящие самые совершенные полупроводниковые устройства. Часть из них, например сверхпроводниковые болометры и стробоскопические приставки к осциллографам, выпускалась малыми партиями преимущественно небольшими фирмами. Применялся в основном сверхпроводник Nb/AIO_x/Nb.

Было бы неправдой сказать, что только необходимость криостатирования НТСП-электроники на гелиевом уровне температур препятствовала практическому освоению сверхпроводниковых электронных устройств. Была и еще причина - отсутствие соответствующей технологии, особенно для числовой сверхпроводниковой электроники, надежного, с контролируемыми параметрами производства разнообразных элементов, имеющих высокую плотность компановки в многослойных системах. Тем не менее открытие ВТСП-материалов и совершенствование техники криостатирования на гелиевом, а тем более на азотном уровне температур, стали мощным стимулом как самих разработок по сверхпроводниковой электронике, так и их практического использования в телекоммуникационной, приборной, компьютерной и медицинской технике. Проиллюстрируем это утверждение некоторыми примерами.

Сверхпроводниковую электронику принято подразделять на три подобласти: пассивные сверхпроводящие элементы, СКВИД-электроника (сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства) и цифровая техника с большим количеством, как правило, джозефсоновских переходов.

Смена низкотемпературных сверхпроводников высокотемпературными важна с точки зрения не только рабочих температур пассивных СВЧ-устройств, но и расширения рабочего диапазона частот до сотен гигагерц. При этом использование сверхпроводимости приводит к малым потерям, практическому отсутствию дисперсии сигнала, возможности управлять параметрами устройств за счет изменения реактивных или резистивных свойств под внешним воздействием. Это распространяется на широкий спектр пассивных СВЧ-устройств: линии передач, линии задержек, полосовые фильтры, амплитудные и фазовые модуляторы, переключатели и ограничители СВЧ-мощности, малогабаритные антенны, как приемные, так и передающие, резонаторы и др. Разработаны, успешно испытаны и начали эксплуатироваться сверхпроводниковые спутниковый системы связи, миниатюризированные и с повышенной пропускной способностью; системы связи с подвижными объектами (сотовой связи) третьего поколения, в которых применяются ВТСП-фильтры СВЧ-диапазона с уникальными характеристиками: шириной полосы пропускания 20 МГц, потерями на проход менее 0.5 дБ, затуханием вне полосы 85 дБ, крутизной склонов частотной характеристики 100 дБ/МГц и рабочей температурой 60 К. Кроме того, созданы системы перестраиваемых ВТСП-фильтров для локационной техники.

Здесь уместно отметить, что криостатирование подобных устройств обеспечивается микроохладителями, масса которых - единицы или десятки килограмм, а срок непрерывной работы до 40-50 тыс. часов. Отметим также, что основным рабочим ВТСП-веществом современной сверхпроводниковой электроники является соединение YBa₂Cu₃O_7-x

В СКВИД-электронике используется непревзойденная чувствительность СКВИДов (10^-14 Тл/ГГц) к изменению магнитного потока. Благодаря этому СКВИДы находят применение в прецизионных приборах, измеряющих предельно малые токи, напряжение и изменение магнитного потока. По этим параметрам можно оценивать многообразные свойства и явления - от перемещения в пространстве до химического превращения. Технология ВТСП-СКВИДов быстро совершенствуется. Из-за проблемы температурных шумов НТСП-СКВИДы, работающие при 4.2 К, будут всегда иметь определенное преимущество перед СКВИДами, функционирующими при азотных температурах, но область использования ВТСП-СКВИДов значительно расширяется за счет упрощения эксплуатационных проблем. В этой связи весьма интересными представляются разработки нового поколения магнитометрических систем неразрушающего контроля, необходимых, в первую очередь, атомной, авиационной и космической промышленности. Весьма перспективно развиваемое в последнее время направление медицинской диагностики - магнитокардиография и магнитоэнцефалография.

Разработанный в России магнитокардиограф на основе СКВИДов предназначен для неинвазивного исследования кардиомагнитных сигналов в полосе частот 0-500 Гц и с амплитудой 0-10 мкТл в углах регулярной сетки. Он используется для определения и количественной оценки ранней стадии ишемии, опасных для жизни аритмий (локализация аритмогенных тканей сердца), предсказания риска внезапной смерти.

В области цифровой, или дискретной, сверхпроводниковой электроники происходит постоянный рост числа элементов на одном чине, и по-прежнему заветной целью является создание устройств с тактовой частотой более 100 ГГц и энерговыделением на один вентиль менее 0.1 мкВт. В наши дни все большее практическое применение находит квантовый стандарт Вольта (V = hf / 2e, где h - постоянная Планка, f - частота и е - заряд электрона), получаемый методом интеграции 10⁴ джозефсоновских переходов на одном чипе. Он обеспечивает напряжение V= 10 ± 10^-7 В. В то же время в космическом эксперименте на спутнике ARGOS, наряду с пассивными сверхпроводниковыми элементами, испытывались сверхпроводниковые цифровые подсистемы, обеспечивающие более чем 100-кратное снижение потребления мощности при 10-кратном увеличении быстродействия и 10-кратном уменьшении массы по сравнению с современными полупроводниковыми системами на основе кремния или арсенида галлия.

Я рассказал лишь о нескольких разработках в сверхпроводниковой электронике, но они, на мой взгляд, достаточно впечатляющие. Что же касается оценки уровня отечественных исследований в этой области, то я могу лишь повторить сказанное ранее относительно сильноточной прикладной сверхпроводимости. Если в стране будет осознана необходимость развития этого передового направления техники, квалификация российских ученых и инженеров, уровень их разработок и технические возможности позволят уже в ближайшее время обеспечить прогресс многих важных областей хозяйственной деятельности, медицины и научных исследований.

Литература

1. Черноплеков Н.А. Сверхпроводящие материалы в современной технике // Вестник АН СССР. 1978. №9.

2. Черноплеков Н.А. Современное состояние проблемы сильноточной технической сверхпроводимости // Вестник АН СССР. 1987. № 11.

3. Сверхпроводники. М.: Изд. ГНЦ РФ ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, 1998.

4. Гинзбург B.Л. Высокотемпературная сверхпроводимость // Вестник АН СССР. 1987. № 11; Он же. Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня и завтра // Успехи физических наук. 1987. Т. 170. №6.

5. Гудилин Е.А., Третьяков Ю.Д. Синтез левитирую-щих сверхпроводников - путь от фантазии к реальности // Природа. 1999. № 7.

6. Иванов С.С. Сверхпроводимость: от фундаментальной науки к высоким технологиям нового века // Энергия. 1999. № 7.

7. Superconductivity for Electric Systems Program Plan. FY 1996-2000, US Department of Energy.

8. Нечаев B.B. Электроэнергетика России: состояние и перспективы // Энергия. 2000. № 1.

После выступления Н.А. Черноплеков ответил на вопросы.

Академик И.М. Макаров: Вы сделали интересный доклад и нарисовали картину применения сверхпроводимости. Над этими проблемами уже работают, если мне память не изменяет, 20 лет, а может быть, даже и больше. Все-таки какое оборудование, в котором используются сверхпроводящие материалы, выпускается нашей промышленностью для народного хозяйства?
Н.А. Черноплеков: Сейчас у нас отсутствует промышленное производство сверхпроводников. Оно оказалось за рубежом, и страна пытается восстановить это производство. Академия наук в рамках программы, которую она осуществляет, подготовила технические разработки. Участники программы - химики, физики, материаловеды, теплофизики - показали, что можно делать из сверхпроводящих материалов, и продемонстрировали эти возможности на малых моделях.
Должен заметить, что наша промышленность выказывает самую непосредственную заинтересованность в наукоемких технологиях, потому что понимает: начинать после развала подъем на старой технологии - это нонсенс. За рубежом ситуация такова: через 10 лет на рынок, как утверждают Соединенные Штаты, ими будет выпущено коммерческое оборудование, использующее сверхпроводящие материалы, - трансформаторы, генераторы, токоограничители.

Академик В.Е. Фортов: Николай Алексеевич, есть такое направление - органическая сверхпроводимость, и у нас тут были большие успехи...
Н.А. Черноплеков: Органические сверхпроводники как были, так и остались интереснейшим объектом физических исследований. Мы органическими сверхпроводниками с прикладной точки зрения не занимаемся.

Академик Д.В. Рундквист: В вашем финансировании какие доли принадлежат государству, отечественным заинтересованным фирмам и зарубежным как фирмам, так и грантам? Назовите примерное соотношение.
Н.А. Черноплеков: Мы проводим основную часть наших исследований в рамках подпрограммы "Актуальные проблемы физики конденсированных сред", которой руководит Юрий Андреевич Осипьян. Это первый источник государственного финансирования. Второй независимый источник - Минатом, в рамках которого осуществляется наша деятельность в заметных масштабах. Минатом имеет опытно-промышленное производство традиционных "гелиевых" материалов (около тонны в год) и высокотемпературных (сотни килограммов). Заказы, по которым мы работаем на Соединенные Штаты, Китай, Корею, Индию, Европу, в денежном соотношении сравнимы с тем, что мы получаем от государства.

Академик Н.П. Лякишев: Какая ситуация с керамическими сверхпроводниками у нас и в передовых странах?
Н.А. Черноплеков: Материалы эти производятся в мире. Мы производим сейчас керамические сверхпроводники длиной порядка сотен метров с плотностями тока около 2 х 10⁴ А • м^-2 при температуре жидкого азота в нулевом поле. В Соединенных Штатах выпускают километровые куски керамических сверхпроводников с плотностью тока около 30 кА • м^-2 И задача, которую они поставили, - поднять токонесущую способность еще в 5 раз, а цену снизить в 5-10 раз, с тем чтобы получить материал, эквивалентный по цене ниобий-З-олову.

Академик Г.И. Марчук: Я один из свидетелей становления программы по сверхпроводимости, председателем и координатором которой был Юрий Андреевич Осипьян. Должен отметить большую роль Николая Ивановича Рыжкова, тогдашнего председателя правительства, который предоставил исключительные возможности для развития этого научного направления. Тогда речь шла о том, чтобы сделать высокотемпературный, но криогенный провод для транспортировки электроэнергии на большие расстояния и аккумулятор энергии на высокотемпературных сверхполупроводниках. Каков прогресс в этих двух важнейших областях?
Н.А. Черноплеков: Мы измерили 10-метровый кусочек линии передач и имеем некие представления о нем, мир же измерил 100-метровые. Сейчас реализуется проект линии электропередач (буквально 300 м с небольшим) в пределах мегаполиса, где есть строительные ограничения и где никаким другим способом энергию не передать. Готовится проект крупных линий электропередач, но все они еще на стадии проектирования.
Что касается накопителей энергии, то пока высокотемпературные сверхпроводящие материалы не держат те высокие поля, которые нам нужны в накопителях. Держат их только низкотемпературные накопители энергии. Именно они ставятся на объектах ответственного потребления, где ни на долю секунды не может быть прекращено энергообеспечение.

Академик Н.П. Лаверов: Николай Алексеевич, вы не сказали (а я думаю, это будет интересно знать всем), какие средства выделялись раньше по государственной программе "Высокотемпературная сверхпроводимость" и сколько сейчас расходуется на эту проблему?
Н.А. Черноплеков: Государственная программа обходилась нашей стране примерно в 100 млн. руб. ежегодно. Но было и дополнительное финансирование по программе Минатома и программе для нужд специальной техники. Так что ежегодно мы тратили несколько больше 100 млн. долл., а США - 300 млн.
Н.П. Лаверов: А теперь?
Н.А. Черноплеков: США расходуют на проблему сверхпроводимости те же самые деньги, а мы в рамках государства - около полумиллиона долларов, а в связи с зарубежной деятельностью еще, может быть, миллион, то есть в 100 раз меньше.
Н.П. Лаверов: Я бы сказал, в 150 раз.
Н.А. Черноплеков: Но нам надо подниматься с колен.

В обсуждении научного сообщения Н.А. Черноплекова приняли участие: академик А.Ф. АНДРЕЕВ, член-корреспондент РАН С.В. ГАПОНОВ, академики B.Л. ГИНЗБУРГ, И.А. ГЛЕБОВ, К.С. ДЕМИРЧЯН, В.А. КАБАНОВ, Н.П. ЛАВЕРОВ, Д.С. ЛЬВОВ, Ю.А. ОСИПЬЯН, начальник управления науки Минатома РФ Ю.А. СОКОЛОВ, академик В.Е. ФОРТОВ.

В.Л. Гинзбург: Всем присутствующим известно, что при нынешнем состоянии науки в нашей стране особенно важно выбрать направления, которые перспективны и могут дать большой эффект и результат. Сверхпроводимость является, несомненно, таким направлением, в которое целесообразно и вкладывать деньги, и всячески его развивать.
Это не вполне тривиальное рассуждение, потому что когда 13 лет назад открыли высокотемпературные сверхпроводники, то был большой бум, а потом - некое разочарование: из керамических материалов, как уже говорилось, не так легко сделать кабель. Произошел спад интереса к проблемам высокотемпературной сверхпроводимости.
Так вот сейчас этот спад заканчивается. В журнале "Nature" от 14 сентября 2000 г. (это последний номер, который получен в России) помещена большая статья "Повышение критического тока". Для азотных сверхпроводников во много раз повышен критический ток, что очень важно для сверхпроводящих кабелей. Таким образом, в этом направлении есть существенные сдвиги. Я занимаюсь сверхпроводимостью с 1943 г. - больше времени, чем возраст некоторых присуствующих в зале. Так что я знаю эту область и слежу за литературой.
Очень существенно, что в СССР и в России богатая традиция работы со сверхпроводимостью. Это не какая-то область, которую поди осваивай, есть научная база, есть люди, в частности, Н.А. Черноплеков и вся его группа, руководимый им Институт сверхпроводимости и физики твердого тела РНЦ "Курчатовский институт". И наконец, создание сверхпроводниковой техники не требует каких-то огромных вложений, насколько я понимаю.
А теперь, раз я уж вышел на трибуну, хочу сделать два замечания. Первое из них историческое, и мне кажется, оно очень поучительное. Ведь фактически мы были в пяти минутах от открытия высокотемпературной сверхпроводимости. Это просто поразительный факт. Не буду вдаваться в детали. Дж. Бетнорц и А. Мюллер сделали прекрасную работу в 1966 г. У них был La_2-xBa_xCuO₄, и они обнаружили, что есть сверхпроводимость при температуре 35 К. Но тот же сверхпроводящий материал был еще раньше сделан у нас, кажется, в Институте неорганической химии. И.С. Шаплыгин, Б.Г. Кахан и В.Б. Лазарев получили этот материал (керамику). Более того, они измерили электрическое сопротивление при температуре жидкого азота, но так как у материала критическая температура 35 К, сверхпроводимость не была обнаружена. Если бы они прошли полкилометра до Института физических проблем и опустили бы свой материал в жидкий гелий, они бы сверхпроводимость открыли. Я рассказываю эту историю в анекдотическом плане, но такого не должно было случиться.
И последнее. До сих пор, как это ни странно, несмотря на колоссальные усилия (по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости опубликовано 50 тыс. работ за 10 лет), неизвестен механизм высокотемпературной сверхпроводимости. В теоретическом плане это очень интересная и важная проблема и, конечно, в экспериментальном отношении она будет еще долго исследоваться. Но что дальше? Дальше есть "голубая мечта" -это сверхпроводимость при комнатной температуре. Нужно сделать еще один рывок. Ведь открытие высокотемпературной сверхпроводимости подняло критическую температуру в 5-6 раз.
Нужно поднять ее еще в 2-3 раза, и у вас будет комнатный сверхпроводник.
Как с этим обстоит дело? Я ничего внятного пока сказать не могу. В случае комнатнотемпера-турной сверхпроводимости, как и высокотемпературной, состояние физики такое, что предсказать критическую температуру невозможно. Я могу ответственно лишь сказать, что неизвестно никаких принципиальных препятствий, никакой принципиальной трудности на пути к открытию комнатнотемпературной сверхпроводимости. Это явление вполне возможно, оно не противоречит соображениям устойчивости и т.д. И я не удивлюсь, если завтра прочту в газете или, скорее всего, узнаю в Интернете, что открыли такие сверхпроводники. Значит, мы должны поддерживать не только технические применения сверхпроводимости, но и так называемые фундаментальные исследования в этой области...
В.А. Кабанов: Но если неизвестна природа высокотемпературной сверхпроводимости, можно ли утверждать, что нет ограничений для продвижения в область более высоких температур?
В.Л. Гинзбург: Речь идет о споре, и спор вот какой: в обычных сверхпроводниках за сверхпроводимость ответственно взаимодействие электронной проводимости с решеткой, электронно-фононное взаимодействие. В случае высокотемпературной сверхпроводимости я придерживаюсь той точки зрения, что роль электронно-фононно-го взаимодействия тоже очень велика, но нужно еще некое электронное взаимодействие. Есть разные механизмы, неясно, какой предпочесть. Так что это не белый лист бумаги, где ничего неизвестно. Мы много знаем, но важно вычислить константу. Ведь критическую температуру - это некая константа сложного вещества - нужно поднять в 2-3 раза. Наука до этого еще не дошла. Так что поживем - увидим. Хорошо тем, которые дождутся.

К.С. Демирчян: Хотел бы сказать, что некоторые образцы сверхпроводящих машин на уровне температур жидкого гелия ("холодная" сверхпроводимость) и кабелей в нашей стране были изготовлены раньше, чем их зарубежные аналоги, поскольку это направление работ в академии и особенно в Отделении физико-технических проблем энергетики весьма интенсивно развивалось на мировом уровне примерно с начала 60-х годов.
Чтобы оценить значение сверхпроводимости и особенно "теплой" сверхпроводимости (при температуре жидкого азота) для нашей энергетики, проследим всю цепочку преобразования первичной энергии в органических топливах вплоть до конечного потребителя, получающего электрическую энергию. КПД отечественных электростанций около 33%. Это означает, что примерно треть первичной энергии переходит в электричеcкую.
На пути от генерации энергии до ее потребителя потери составляют примерно 15-20%. Таким образом, из первичной энергии, которая содержится в горючем, до потребителя доходит примерно четвертая часть. В настоящее время действуют парогазовые установки, КПД которых доведен до 60%. На мой взгляд, именно "теплая" проводимость даст нам возможность совершить резкий скачок в области генерации и перевода тепла в электроэнергию благодаря двум обстоятельствам.
Первое. В середине уже нынешнего века объем добычи газа будет неуклонно сокращаться. То, что нам придется осваивать угольные месторождения Сибири и Дальнего Востока, не вызывает никаких сомнений. То, что придется подавать эту электроэнергию в центральные регионы ы, также не вызывает никакого сомнения. И Николай Алексеевич Черноплеков в своем докладе убедительно показал, что даже существующие "теплые" сверхпроводниковые материалы, примененные для передачи энергии на дальние расстояния, по своей стоимости, по КПД перекрывают возможности современных способов передачи энергии. С этой точки зрения развитие "теплой" сверхпроводниковой техники имеет для нас жизненно важное значение.
Второе. У нас есть хороший задел и в чисто научном, и в технологическом отношении для освоения "теплой" сверхпроводимости. Только нужно определить, какой резерв времени мы имеем для этого. Дело в том, что носители этих научных и технологических знаний - люди довольно преклонного возраста. В ближайшие пять-семь лет при условии, что будет финансирование, они в состоянии обеспечить и производство, и воспроизводство, и изготовление массы различных видов электротехнического оборудования на основе "теплой" сверхпроводимости. Если мы упустим время и, самое главное, не сумеем воспитать молодых специалистов, которые продолжат исследования в области "теплой" сверхпроводимости, то научное направление будет потеряно для нашей науки.
С этой точки зрения вопрос сейчас стоит жизни или смерти нашей экономики, науки, а следовательно, и страны, потому что без молодого поколения ученых и высокопрофессиональных специалистов страны не будет. Президиуму РАН необходнмо решить проблему преемственности знаний - квалификационных знаний и умений.
В заключение несколько слов о том, что мы до сих пор не научились считать деньги. У нас есть НИИ кабельной промышленности, специалисты которого в Мексике и Китае помогают налаживать производство кабелей вместо того, чтобы выпускать их у нас в стране. Не проще ли потратить 10-15 млн. долл. на оборудование, необходимое для этого, и производить кабели самим и продавать их за границу. Оказывается, что гроши надо тратить, чтобы получить миллиарды.

И.А. Глебов: Наша страна заняла ведущее положение в мире в области низкотемпературной сверхпроводимости не случайно. У нас были научные советы по использованию сверхпроводимости в энергетике в Академии наук и в Госкомитете по науке и технике. Первый был ориентирован на решение задач фундаментального плана, второй - на прикладные задачи, разработки и проекты. Работа была четко скоординирована. В результате мы создали турбогенератор мощностью 20 МВт, кабели в двух основных исполнениях - гибкий и жесткий - на большие пропускные способности, магнитные системы и другое оборудование. Хочу подчеркнуть, что это все создается не в рабочих кабинетах, а с помощью стендов и крупной лабораторной базы. В те годы мы имели уникальные стенды и прекрасную лабораторную базу. Ее можно использовать и сейчас с соответствующей доработкой и дооснащением оборудования для испытания технологий, основанных на высокотемпературной сверхпроводимости.
Мне особенно хотелось бы отметить ту большую работу, которая проводилась по программе высокотемпературной сверхпроводимости под руководством Г.И. Марчука и Ю.А. Осипьяна. Она носила систематический характер, в рамках программы решались принципиальные задачи развития этого направления, прежде всего сверхпроводниковых материалов. И в последующие годы, когда мы столкнулись с большими трудностями по обеспечению этих исследований, они продолжались как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. Появились сверхпроводники, была создана концепция нового энергетического оборудования с использованием высокотемпературной сверхпроводимости. В это время большую помощь оказывали Миннауки и Минатом. В итоге мы сохранили кадры и, что не менее важно, международные связи.
Мы уже вышли на такой уровень, когда можно перейти к разработке и созданию оборудования на базе высокотемпературной сверхпроводимости. Думаю, что сегодня мы должны обязательно поддержать развитие этого направления, обеспечить выход нового оборудования в эксплуатацию и широкое применение высокотемпературной сверхпроводимости в наукоемких технологиях XXI столетия.

Ю.А. Соколов: Действительно, Минатом очень много вкладывал в развитие низкотемпературной сверхпроводимости. Была создана промышленная база в Усть-Каменогорске, которая производила до 40 т сверхпроводящих материалов на основе ниобий-олова. Эту базу мы сейчас потеряли, но сохранили базу в Глазове, где ежегодно производится 3 т ниобий-оловянного сверхпроводника. Нам это удалось сделать благодаря наличию проекта международного термоядерного реактора (ИТЕР), который Россия осуществляет вместе с Японией и странами Европы, а до недавнего времени и с США. Если будет принято решение о строительстве этого реактора, то потребуется примерно 100 т ниобий-оловянного сверхпроводника в год. Россия могла бы на Глазовском заводе производить порядка 30 т. Общая стоимость сверхпроводника примерно в 10 раз больше того, что нужно вложить в его производство.
По оценкам Минатома, мы технологически готовы к тому, чтобы наладить производство электротехнического оборудования с использованием высокотемпературной сверхпроводимости. Однако, как вы все хорошо понимаете, реальное продвижение в технологии происходит тогда, когда появляется проект, ради которого реализуются на-кЬпленные технологические возможности.
Все мы должны осознавать, что госзаказа на такую технику в сегодняшних условиях, видимо, не будет. Нужно искать коммерческие структуры, готовые вложить средства в электротехнику. Такой структурой является РАО "ЕЭС России". Последние несколько лет Минатом пытается найти с ним общий язык и определить первоочередное электротехническое устройство, в которое можно было бы вложить деньги, причем Минатом готов вложить в совершенствование технологии до 50% необходимых для этого средств.
Теперь о том, сколько тратит Минатом на создание сверхпроводящего оборудования. В рамках проекта ИТЕР на развитие низкотемпературной сверхпроводимости за последние 10 лет было потрачено около 15 млн. долл. Мы заканчиваем изготовление сверхпроводящей катушки, которая должна уехать в Японию на испытание. Это сверхпроводник с экстремальными параметрами, которые сегодня удовлетворяют максимальным требованиям, предъявляемым международным сообществом к такому типу сверхпроводников. На поддержку научного фундамента низкотемпературной сверхпроводимости Минатом тратит около 2 млн. руб. в год. Эти деньги могут быть увеличены примерно в 10 раз, если мы найдем проект, на котором будут фокусироваться наши усилия.
Обращаясь к Президиуму РАН, должен сказать, что в последние годы несколько нарушился контакт Минатома с Академией наук в деле научного обоснования проблем, которые возникают в технологии. Думаю, что этот контакт необходимо наладить.

С.В. Гапонов: Насколько я понимаю, из научного сообщения Николая Алексеевича Черноплекова следует, что мы дожили до времени, когда пора формировать программу по прикладной сверхпроводимости; что в рамках до сих пор живущей и начатой Гурием Ивановичем Марчуком и Юрием Андреевичем Осипьяном огромной программы мы что-то сделали. В этой программе я руковожу секцией сверхпроводниковой электроники. В этой области жизнь проще, чем в близкой для Николая Алексеевича области сильноточной сверхпроводимости.
Я возглавляю Институт физики микроструктур в Нижнем Новгороде. И с чем мы сталкиваемся? Например, мы делаем фильтры - разделители каналов. Пока мы их делаем, выясняем предельные добротности, в чем, от чего зависит диссипация, какая должна быть структура пленок и т.д. Мы получаем средства из программы, но как только мы сделали этот фильтр, мы выходим за рамки фундаментальных работ, а следовательно, и государственного финансирования. Отечественной промышленности наши разработки пока не нужны, так что приходится продавать их на Запад. И хорошо, если удается продать. Многие исследовательские группы участвуют в контактах с Норвегией, Индией и Кореей.
В области слаботочной сверхпроводимости много и других интересных вещей, скажем, магнитометрия. Когда у нас снимают кардиограмму или энцефалограмму, то измеряют потенциалы, а магнитометрия измеряет токи, и это гораздо ближе к истине. Мы (речь не об институте, а обо всей секции) создали кардиограф для измерения сердечных токов, который стоит в больнице. Но дальше дело не идет. Другой пример - чипы, обеспечивающие меньшую мощность сотовых телефонов, и следовательно, большую безопасность для здоровья. Фактически все это однослойные пленки, сделать которые нетрудно. Они хорошо покупаются на Западе. Наконец, СИС-приемники, которыми оборудованы практически все радиотелескопы мира. Именно нашими СИС-приемниками. Причем наши же сотрудники уезжают за границу налаживать оборудование и часто не возвращаются обратно. Вот такая странная жизнь.
Если действительно наша промышленность стала оживать, мы с огромным удовольствием будем работать на заказчика здесь, в России. И нам есть, что предложить. Напомню, что корпус нашего института строился на средства программы по сверхпроводимости как СКВ. И мы тогда, в первые же годы, выпустили десять технологических установок, из которых четыре размещены в Германии, на Украине, в Москве, в Петербурге. Сейчас же у нас половина институтских помещений, предназначенная для выпуска технологических установок, отдана под спортзал, но мы готовы быстро ввести их в эксплуатацию, если будет достойным финансирование в рамках программы по прикладной сверхпроводимости. Обидно, когда со своими результатами мы вынуждены ходить только на внешний рынок.

Д.С. Львов: Николай Алексеевич Чернопле-ков наглядно показал нам, каким колоссальным потенциалом обладает Академия наук в одном только научном направлении и как плохо он реализуется в народном хозяйстве нашей страны. Мне кажется, что в значительной мере это результат того (может быть, я несколько эмоционально скажу, но это мое убеждение), что нет личности, которая бы поставила принципиально вопрос о приоритете общественных интересов над так называемым рынком.
Меня беспокоит (почему я и попросил слова), что сегодня не находят применения профессиональная подготовленность ученых и созданный ими огромный задел. Между тем нужны ничтожные капитальные вложения для того, чтобы страна сохранила лидерство в этой чрезвычайно важной сфере. Неужели правительство и Президент не могут выделить 10-30 млн. руб., чтобы организовать некоторое подобие серийного производства сверхпроводящего электротехнического оборудования? Разве развитие энергетики в стране не дело нашего Президента и правительства?
Мне представляется, что настала пора президенту нашей академии, всем нам высказать мнение о развитии этой важнейшей сферы народного хозяйства. Коммерческие структуры здесь не помогут, необходимо государственное вмешательство. Деньги есть у государства. Центробанк, не зная, куда их деть, увеличивает золотовалютный запас. Для чего? Не лучше ли выделить средства, чтобы двинуть вперед экономику нашей страны?
Ю.А. Осипьян: Слушая сегодня прекрасный доклад Николая Алексеевича Черноплекова, я с болью в сердце вспоминал прошлое. В 1988 г., когда была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, мы активно включились в исследования. Надо сказать, что тогдашнее руководство страны нам поверило. Председателем комиссии по высокотемпературной сверхпроводимости стал Николай Иванович Рыжков, который много сделал для того, чтобы стимулировать и капитальные вложения, и государственные усилия по развитию этого дела.
В то время у нас еще не было возможности заниматься капитальными вложениями в сверхпроводимость, потому что мы были к этому не готовы, Тем не менее на деньги, выделенные программе по сверхпроводимости, был сделан рывок в сооружении ленинградского реактора ПИК. Он был построен на 80% и в этом состоянии продолжает существовать до сих пор. На деньги сверхпроводящей программы был построен и Институт физики микроструктур Сергея Викторовича Гапонова.
Главное, что нам удалось сделать, - это создать научный задел и коллектив единомышленников, которые понимают всю проблему в целом. Физики, химики, электротехники, слаботочники, радисты и электронщики работали вместе. Мы часто собирались, корректировали друг друга, и дело довольно быстро продвигалось.
Как же случилось, что сегодня мы не можем. ответить на прямой вопрос: где же ваши достижения?
Нам страшно не повезло, потому что пик нашей активности совпал с развалом страны и программу просто перестали финансировать. Те работы, вторые мы могли делать за счет Академии наук и небольшой подпитки, предоставляемой по программам государственным бюджетом, не входили ни в какое сравнение с теми усилиями, которые развитые страны, и прежде всего Соединенные Штаты и Япония, вкладывали в эту программу. И мы начали не только медленно отставать, но и терять кадры. Поскольку наши разработки по слаботочной технике и электронике (усилители, приемники, СВЧ-усилители) были самыми передовыми в мире, у нас оставался единственный способ, чтобы выжить - "продаваться" за рубеж и заключать соглашения о контрактах. И когда контракт заканчивался, то главный исполнитель вместе с завершенными разработками уезжал за рубеж и там продолжал работу. Сейчас наши специалисты трудятся в Соединенных Штатах, в Германии, в Швеции.
К сожалению, нам не удалось достичь прогресса в создании сверхпроводящих кабелей, по которым сильный ток можно было передавать на большие расстояния. Для того чтобы все могли представить, насколько сложна эта проблема, приведу следующий пример. Допустим, что у вас имеется столбик из бетона, который надо превратить в проволоку, а он рассыпается при обработке. Исключительная хрупкость и необрабатываемость сверхпроводящих материалов ставили большие ограничения в их использовании. Сейчас эта трудность во многом преодолена. Разработана лабораторная технология, позволяющая, компактируя в оболочке, создавать сверхпроводящие кабели длиной 10-15м с хорошими параметрами. Японцы и американцы делают отрезки кабеля длиной до 100м. В Соединенных Штатах уже сейчас большое количество частных фирм производят сверхпроводящий кабель для продажи.
Николай Алексеевич говорил, что, по оценкам Всемирного банка, в ближайшие 10 лет рынок сверхпроводящей продукции составит примерно 250 млрд. долл. Но если в нашей стране сохранится та же ситуация, как сегодня, мы будем лицезреть этот прогресс со стороны.
В докладе Николая Алексеевича сделан акцент на электротехническую часть проблемы сверхпроводимости. Но есть еще и общенаучная часть, которая находится в плачевном состоянии. Так что я поддерживаю Д.С. Львова, который предложил возвысить голос Академии наук и научной общественности, чтобы мобилизовать ресурсы нашей страны для подъема фундаментальных научных исследований в области сверхпроводимости. Надо сказать, что мы, хотя и стоим на коленях, но не лежим еще. У нас еще есть силы.
Хотел бы выразить надежду, что Минатом осознает необходимость реальных действий со своей стороны. По низкотемпературной сверхпроводимости именно его усилия привели к тому, что в нашей стране, в Советском Союзе, была создана промышленность сверхпроводящих материалов. Это Усть-Каменогорский комбинат, находящийся сейчас в Казахстане. Он выпускал промышленные партии сверхпроводящих материалов, из которых мы могли делать и магнитные системы для токамаков, и устройства для крупных электрогенераторов. И в наши дни развивать в стране промышленное производство высокотемпературных сверхпроводящих материалов некому, кроме как Минатому. Думаю, следует обратиться в Минатом с просьбой подключиться к этому делу. Надеюсь, мы все-таки сможем выйти из прорыва.
Подытоживая свое выступление, могу сказать, что тот бум, который и при моем участии был создан вокруг проблемы сверхпроводимости (кстати, я ничуть не раскаиваюсь в своих действиях), позволил сделать значительный шаг вперед в решении этой проблемы. Но, к сожалению, мы оказались в таком времени, когда все наши усилия канули в пустоту.

В.Е. Фортов: Прежде всего хочу сказать, что программа по высокотемпературной сверхпроводимости, которая была реализована, может быть, и не в полном объеме, как говорит Юрий Андреевич Осипьян, по-видимому, была наиболее успешной в научно-технической области. Когда знакомишься с тем, как она была организована, спланирована и реализована, то поражаешься объему работ и тому, как умно и современно она была построена. За это, конечно, мы все должны поблагодарить в первую очередь Ю.А. Осипьяна и Г.И. Марчука. Программа получилась комплексной: тут хватило работы всем - и физикам, и химикам, и энергетикам, и теплофизикам. В результате те ресурсы, которые были привлечены, позволили и нашей академии, и всей нашей науке очень серьезно продвинуться в этой области.
Конечно, досадно, что программа не финансируется. Однако как раз сегодня у нас появляется какая-то надежда, что финансирование работ по высокотемпературной сверхпроводимости возобновится. И она появляется не от хорошей жизни. Дело в том, что руководителям нашей страны стало ясно: ситуация в энергетике не то, что критическая, а коматозная. Половина всех энергопроизводящих мощностей уже выработала свой ресурс и, вообще говоря, должна быть заменена. Каждый год в стране выводятся от 8 до 10 ГВт установленной мощности, а взамен не вводится фактически ничего - не более 0.5-0.6 ГВт. Это значит, что уровень энергопроизводства во времени - падающая функция. С другой стороны, наблюдается 5-6%-ный рост промышленности. И вот эти кривые - падающая и растущая - пересекутся совсем скоро, в 2003-2004 гг.
Если все и дальше пойдет так, как оно сегодня идет, то наша страна будет энергодефицитной, мы не сможем поддержать существование нашего хозяйственного комплекса. Это понимают даже на самом верху. И понимают, что с такой ситуацией мириться нельзя и надо выходить из нее так или иначе.
РАО "ЕЭС России" предлагает свою логику, она обсуждалась в Академии наук, Газпром - свою. Экономисты и академик Д.С. Львов разработали одну схему, Минатом - другую. Но какая бы логика ни победила (думаю, победит что-то среднее), нам предстоит осуществить ГОЭЛРО-2, то есть провести техническое перевооружение энергетической отрасли, деваться тут некуда. Это объективная реальность, данная нам в ощущениях. Нужно перестраивать всю цепочку, начиная от производства и транспорта энергоносителей, производства тепла, электрической энергии до потребления по всей цепочке. Эти вопросы очень остро обсуждались на встрече с руководством Газпрома, на многих совещаниях в РАО ЕЭС.
Сегодня средний КПД электрических станций в нашей стране 25%. По данным ЮНЕСКО, если КПД электростанций меньше 32%, страна считается энергетически неблагополучной. Существующие технологии - это парогазовые системы -дают возможность повысить КПД до 62%, а если использовать соответствующие топливные элементы, то и до 70%. И в схеме действий по повышению КПД электростанций роль высокотемпературной сверхпроводимости, по-моему, вполне достойная.
Надо сказать, что нынешняя ситуация в энергетике возникла в результате пируэтов, проделанных в последние 10 лет, когда была произведена приватизация этого сектора, очень своеобразная, когда были зарегулированы тарифы на электроэнергию (они сейчас регулируются просто от руки). Чтобы вы понимали уровень отрыва того, что делается в мире, и того, что делается на бумаге чиновниками, скажу лишь, что в энергетической стратегии нашей страны про сверхпроводимость не сказано ни слова. Эта стратегия передана на обсуждение к нам в академию, она будет дорабатываться, и, безусловно, высказанные здесь предложения должны быть учтены.
Блоку вопросов, включая приватизацию, де-приватизацию, централизацию и децентрализацию РАО ЕЭС, было уделено значительное внимание на встрече представителей Академии наук с Президентом страны в Дагомысе. В результате мы имеем поручение работать над стратегией развития энергетики в России. Приглашаю всех, кто занимается энергетическими проблемами, принять самое непосредственное участие в этой работе.

А.Ф. Андреев: Советский Союз был одной из самых крупных "сверхпроводящих" держав в мире. В те времена Запад несколько недооценивал наш научный потенциал в этой области. Сейчас в этом легко убедиться: на любой крупной конференции по сверхпроводимости подавляющее большинство центральных докладов делают русскоязычные люди, подавляющее большинство которых, к сожалению, работает на Западе. И в области слаботочной сверхпроводимости мы были на хорошем уровне: интересные разработки есть и в Нижнем Новгороде, о чем рассказывал Сергей Викторович Гапонов, и в Москве в Институте радиотехники и электроники. Но сегодня не упоминалось третье направление - это наноструктуры с использованием сверхпроводимости. В них хорово сочетается полупроводимость и сверхпроводимость. Пока ведутся работы фундаментального плана в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, в Институте радиотехники и электроники, в Черноголовке и в Московском университете.
Я согласен с мнением Виталия Лазаревича Гинзбурга, что сверхпроводимость - это наиболее многообещающая, перспективная научная область. Что мы здесь имеем сейчас?
Я председатель Научного совета РАН по проблеме "Физика низких температур". В течение последних нескольких лет мы во второй раз устраиваем всесоюзную конференцию по физике низких температур, в программе которой сверхпроводимость, в том числе и высокотемпературная, занимает существенное место. Причем обе эти конференции с приглашением многих иностранных ученых из дальнего и ближнего зарубежья проводились в Казани, потому что президент Татарстана М.Ш. Шаймиев понимает: престиж его республики сильно зависит от его отношения к фундаментальной науке. Этого, к сожалению, не понимают в новом министерстве. Минпромнауки заявило, что федеральные научно-техническое программы, среди которых была и программа по сверхпроводимости, закрываются и вообще в этом ведомстве больше не будет поисковых программ. Я считаю, что итоги нашего обсуждения проблем сверхпроводимости мы должны Предъявить как яркий пример необходимости сохранения правительством системы программ фундаментальной науки.

Н.П. Лаверов: На мой взгляд, в развитии исследований проблем высокотемпературной сверхпроводимости ярко проявились процессы, которые происходили в последние годы существования Советского Союза и в годы реформ. Поэтому мне представляется правильным, что мы внимательно и подробно обсудили эту проблему.
Однако я хотел бы напомнить, что в повестке дня нашего заседания поставлен вопрос "О современном состоянии сверхпроводящих технологий и возможности их практического использования". Учитывая, что Миннауки стало теперь Минпромнауки, состояние технологий и вообще возможность их использования является непосредственным предметом его деятельности. Вот что я хотел бы подчеркнуть. Поэтому обращаюсь к коллегам - академикам, которые работают в Экспертном совете Министерства экономического развития и торговли, с просьбой довести до Экспертного совета результаты состоявшегося здесь обсуждения. Дело в том, что в этом совете сейчас находятся на экспертизе научно-исследовательские программы Минпромнауки. Это первое.
Второе. Мне кажется, что было бы полезно в качестве примера работ по высокотемпературной сверхпроводимости показать высокий уровень исследований по этой проблеме, выполненных в нашей стране. Результаты их используются за рубежом, но не в России. Предлагаю с этой целью создать рабочую группу под руководством двух вице-президентов РАН - Александра Федоровича Андреева и Владимира Евгеньевича Фортова. Рабочая группа могла бы подготовить короткую записку для правительства, в которой, мне кажется, крайне важно подчеркнуто необходимость сохранения в нашей стране тех ученых, кто по-настоящему разрабатывал основы новых наукоемких технологий. Многие из них оказались сейчас за рубежом. Полагаю, что для Президента страны, обеспокоенного "утечкой умов" из России, было бы небесполезно знать, как этот процесс происходит в конкретной и весьма перспективной научной области.
И третье. Думаю, что к проблеме сверхпроводимости Президиуму РАН нужно возвращаться периодически, чтобы не дать погибнуть этому научному направлению в современной экономической ситуации. Научных направлений, требующих поддержки, много, но программа исследований сверхпроводимости должна остаться несомненным приоритетом.

Послесловие. По результатам обсуждения была создана рабочая группа, подготовившая записку руководству страны, в которой отражено состояние исследований в области сверхпроводящих технологий и возможности их практического применения в различных областях промышленности.