Исследование и разработка инновационной энергосберегающей криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB2

Выполнение работ по теме:
Исследование и разработка инновационной энергосберегающей криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂

В ходе выполнения проекта по соглашению о предоставлению субсидии от 27 июня 2014 г. № 14.575.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №1 в период с 27.06.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по проблеме функциональных характеристик проводов на основе современных высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

2. Осуществлен выбор направления исследований, в том числе: разработаны возможные направления проведения исследований; разработаны возможные решения отдельных исследовательских задач; проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований; выполнено обоснование выбора оптимального варианта направления исследований.

3. Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.

4. Осуществлено обоснование и выбор методов исследования функциональных характеристик коротких образцов проводов на основе MgB₂.

5. Проведено обоснование и выбор методов входного контроля функциональных характеристик длинномерных образцов проводов на основе MgB₂

6. Проведена разработка вариантов прототипов криомагнитной системы на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов, выбор оптимального варианта.

7. Выполнена разработка Программы и методики (ПиМ) входного контроля образцов проводов на основе MgB₂.

При этом были получены следующие результаты:

• Из анализа литературных источников выделены физические характеристики современных промышленных и экспериментальных высокотемпературных сверхпроводящих проводов на основе MgB₂, влияющие на качественные и количественные характеристики разрабатываемой криомагнитной системы; определен круг возможных производителей высокотемпературных сверхпроводящих проводов на основе MgB₂, удовлетворяющих техническим требованиям проекта; найдено более 150 патентов посвящённых вопросам создания сверхпроводящих магнитов с использованием криокулеров либо систем рециркуляции жидкого хладагента в замкнутом цикле; подготовлен полноценный отчет о патентных исследованиях; сформирован и обоснован список методик исследования проводов; определены методики исследований входного контроля длинномерных образцов ; установлены типы измерительного оборудования, необходимого для контроля качества проводников; подготовлены эскизные разработки вариантов технической реализации криомагнитной системы на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов; определены и изучены ГОСТы, на основании которых выполняется разработка ПиМ входного контроля образцов: ГОСТ 16504-81 «Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения», ГОСТ 24297-87 «Входной контроль продукции. Основные положения» и ГОСТ 19.301-79 «Программа и методика испытаний».
• Ряд решений по конструкции криомагнитной системы обладают степенью новизны. Охраноспособные РИД на отчетном этапе не получены.
• Полученные результаты полностью соответствуют требованиям технического задания и указывают на, безусловно, хорошие перспективы для продолжения работы в соответствии с ПГ.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

В ходе выполнения проекта по соглашению о предоставлению субсидии от 27 июня 2014 г. № 14.575.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №2 в период с 01.01.2015 по 30.06.2015 выполнялись следующие работы:

1. Теоретические исследования высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂:

• исследования процессов протекания тока,
• исследования процессов намагничивания,
• исследования подавления критического тока,
• исследования отдельных факторов, влияющих на функциональные характеристики проводов.

2. Выполнение расчетов и моделирования магнитных и транспортных свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂: моделирование природы и процессов взаимодействия вихревой системы Абрикосова с искусственными центрами пиннинга, а также моделирование вольтамперных характеристик высокотемпературных сверхпроводников, влияния механических напряжений на характеристики материалов.
3. Формирование требований к сериям контрольных образцов высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе.
4. Формирование требований к условиям и режимам экспериментальных исследований функциональных характеристик высокотемпературных сверхпроводящих материалах и проводах на их основе, в том числе на основе MgB₂
5. Теоретические расчеты токовводов для сверхпроводящей магнитной системы на основе MgB₂.
6. Разработка методов получения низкоомных контактов соединений сверхпроводящих проводов, в том числе на основе MgB₂.
7. Разработка теоретической модели сверхпроводящего магнита.

Основные результаты проекта:

1) Краткое описание основных полученных результатов:

1.1. Проведены теоретические исследования высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂. Выполнены: исследования процессов протекания тока, исследования процессов намагничивания, исследования подавления критического тока, исследования отдельных факторов, влияющих на функциональные характеристики проводов;

1.2. Выполнены расчеты и проведено моделирование магнитных и транспортных свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂. Проведено моделирование природы и процессов взаимодействия вихревой системы Абрикосова с искусственными центрами пиннинга, а также проведено моделирование вольтамперных характеристик высокотемпературных сверхпроводников и моделирование влияниямеханических напряжений на характеристики материалов.
1.3. Выполнено формирование требований к сериям контрольных образцов высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе.
1.4. Выполнено формирование требований к условиям и режимам экспериментальных исследований функциональных характеристик высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе MgB₂
1.5 Выполнены теоретические расчеты токовводов для сверхпроводящей магнитной системы на основе MgB₂.
1.6. Разработаны методы получения низкоомных контактов соединений сверхпроводящих проводов, в том числе на основе MgB₂
1.7 Разработана теоретическая модель сверхпроводящего магнита.

2) Основные характеристики полученных результатов:

Полученные результаты полностью соответствуют требованиям технического задания и указывают на хорошие перспективы для продолжения работы в соответствии с ПГ. На отчетном этапе получены охраноспособные РИД: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015614654 от 22.04.2015 «Вычисление токонесущей характеристики сверхпроводящей ленты», РФ. После апробации и доработки на РИД «Программа для ЭВМ «Оптимизация формы ленточного ВТСП токоввода» будет подана заявка на государственную регистрацию на последующих этапах работ.

3) Полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ выполняемого проекта.

4) Полученные результаты соответствуют мировому уровню разработки криомагнитных систем.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки:

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015614654 от 22.04.2015 «Вычисление токонесущей характеристики сверхпроводящей ленты», РФ; Программа для ЭВМ «Оптимизация формы ленточного ВТСП токоввода», заявка на государственную регистрацию РИД будет подана на следующих этапах выполнения Соглашения после проверки и доработки РИД.

4. Назначение и область применения результатов проекта

1) Области применения результатов - сверхпроводниковая электроэнергетика, электротехника, медицина, научное приборостроение.
2) Практическое внедрение результатов и перспективы их использования относятся к созданию индукционных накопителей энергии, моторов-генераторов, магнито-резонансных томографов, сверхпроводящих магнитов для научных исследований, индукционным печам.
3) На настоящем этапе проведения работ затруднена оценка влияния полученных результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Полученные результаты развивают международное сотрудничество в области создания сверхпроводящих устройств.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

В ходе выполнения проекта по соглашению о предоставлении субсидии от 27 июня 2014 г. № 14.575.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №3 в период с 01.07.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

1. Экспериментальные исследования сверхпроводящих, транспортных, структурных и механических характеристик контрольных образцов высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂.
2. Исследование и выбор оптимальных режимов и характеристик токовводов сверхпроводящей магнитной системы на основе MgB₂.
3. Разработка комплекта эскизной конструкторской документации для сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
4. Разработка комплекта эскизной конструкторской документации стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
5. Разработка ПиМ дополнительных исследований выбранных образцов высокотемпературных сверхпроводящих проводов с целью подтверждения удовлетворения требований на функциональные характеристики высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂
6. Проверка экспериментальных данных и проведение дополнительных исследований выбранных образцов высокотемпературных сверхпроводящих проводов с целью подтверждения удовлетворения требований на функциональные характеристики высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂.
7. Изготовление стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
8. Обработка и интерпретация результатов экспериментальных исследований.
9. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные результаты проекта.

Краткое описание основных полученных результатов:

1. Выполнены экспериментальные исследования сверхпроводящих, транспортных, структурных и механических характеристик контрольных образцов высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂.
2. Проведено исследование и выбор оптимальных режимов и характеристик токовводов сверхпроводящей магнитной системы на основеMgB_2.
3. Разработан комплект эскизной конструкторской документации для сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
4. Разработан комплект эскизной конструкторской документации стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
5. Разработан ПиМ дополнительных исследований выбранных образцов высокотемпературных сверхпроводящих проводов с целью подтверждения удовлетворения требований на функциональные характеристики высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂.
6. Осуществлена проверка экспериментальных данных и проведение дополнительных исследований выбранных образцов высокотемпературных сверхпроводящих проводов с целью подтверждения удовлетворения требований на функциональные характеристики высокотемпературных сверхпроводящих материалов и проводов на их основе, в том числе на основе MgB₂.
7. Выполнено изготовление стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
8. Проведена обработка и интерпретация результатов экспериментальных исследований.
9. Выполнено сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные характеристики полученных результатов:

• полученные результаты полностью соответствуют требованиям технического задания и указывают на возможность продолжения работы в соответствии с ПГ и достижения конечного результаты проекта;
• полученные экспериментальные результаты обладают элементами новизны;
• полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ выполняемого проекта;
• полученные результаты соответствуют мировому уровню разработки криомагнитных систем.

На этапе №3 охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности не получены.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе №3 исполненными надлежащим образом.

В ходе выполнения проекта по соглашению о предоставлении субсидии от 27 июня 2014 г. № 14.575.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №4 в период с 01.01.2016 по 30.06.2016 выполнялись следующие работы:

1. Разработка Программы и методики (ПиМ) испытания стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
2. Разработка комплекта эскизной конструкторской документации криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
3. Разработка Программы и методики (ПиМ) испытания криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
4. Разработка Программы и методики (ПиМ) испытания сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
5. Разработка оптимальных технологические режимов намотки сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
6. Изготовление сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
7. Изготовление криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
8. Испытания стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
9. Проведение испытаний сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
10. Испытание криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.
11. Выявление недостатков и доработка (в случае необходимости) конструкторской документации для стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂ , сверхпроводящего магнита на основе MgB₂, криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂.

Основные результаты проекта.

В ходе выполнения 4-го этапа работ по Соглашению решена задача «Разработка и тестирование макета криомагнитной системы». Выполнена разработка Программы и методики (ПиМ) испытания стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂, разработан комплект эскизной конструкторской документации криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂. Выполнены разработка Программы и методики (ПиМ) испытания криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂ и Программы и методики (ПиМ) испытания сверхпроводящего магнита на основе MgB₂. Осуществлена разработка оптимальных технологические режимов намотки сверхпроводящего магнита на основе MgB₂. Изготовлены сверхпроводящий магнит на основе MgB₂ и криогенная система сверхпроводящего магнита на основе MgB₂. Проведены испытания: стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂, сверхпроводящего магнита на основе MgB₂., криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂. Проведено выявление недостатков и доработка (в случае необходимости) конструкторской документации для стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂ , сверхпроводящего магнита на основе MgB₂, криогенной системы сверхпроводящего магнита на основе MgB₂. Проведена оценка исполнения обязательств по соглашению о предоставлении субсидии.

Основные характеристики полученных результатов:

• полученные результаты полностью соответствуют требованиям технического задания и указывают на возможность продолжения работы в соответствии с ПГ и достижения конечного результаты проекта;
• полученные экспериментальные результаты обладают элементами новизны;
• полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ выполняемого проекта;
• полученные результаты соответствуют мировому уровню разработки криомагнитных систем.

На этапе №4 получены следующие охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности: Программа для ЭВМ «Оптимизация формы ленточного ВТСП токоввода», Свидетельство о государственной регистрации №2016613736 от 05.04.2016.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе №4 исполненными надлежащим образом.

В ходе выполнения проекта по соглашению о предоставлении субсидии от 27 июня 2014 г. № 14.575.21.0050 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №5 в период с 01.07.2016 по 31.12.2016 выполнялись следующие работы:

1. Проведение дополнительных патентных исследований;
2. Разработка эскизной конструкторской документации криомагнитной системы на основе MgB₂;
3. Сборка криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂;
4. Разработка программа и методика испытания криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂;
5. Проведение испытаний криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂;
6. Разработка эксплуатационной документации для стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂;
7. Разработка эксплуатационной документации для криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂;
8. Обобщение и оценка полученных результатов, в том числе:
   — обобщение результатов исследований;
   — сопоставление анализа научно-информационных источников и результатов теоретических и экспериментальных исследований;
   — оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
   — анализ выполнения требований технического задания на ПНИ;
   — оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИ.
9. Подготовка заявки на охранный документ (патент, свидетельство);
10. Оценка РИД, полученных при выполнении ПНИ, с целью их вовлечения в хозяйственный оборот;
11. Проведение маркетинговых исследований с целью изучения перспектив коммерциализации РИД, полученных при выполнении ПНИ;
12. Разработка Технико-экономического обоснования работ по ПНИ, технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

Основные результаты проекта

В ходе выполнения 5-го этапа работ по Соглашению решена задача «Обобщение и оценка результатов исследований». Проведены дополнительные патентные исследования. Разработана эскизная конструкторская документация криомагнитной системы на основе MgB₂. Проведена сборка криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂. Разработаны программа и методика испытания криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂. Проведены испытания криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂. Разработана эксплуатационная документация для стенда для тестирования и проверки технических характеристик сверхпроводящего магнита на основе MgB₂. Разработана эксплуатационная документация для криомагнитной системы на основе высокотемпературного сверхпроводника MgB₂. Выполнены обобщение и оценка полученных результатов, в том числе: обобщение результатов исследований; сопоставление анализа научно-информационных источников и результатов теоретических и экспериментальных исследований; оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем; анализ выполнения требований технического задания на ПНИ; оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИ. Подготовлена заявка на охранный документ. Выполнена оценка РИД, полученных при выполнении ПНИ, с целью их вовлечения в хозяйственный оборот. Проведены маркетинговые исследования с целью изучения перспектив коммерциализации РИД, полученных при выполнении ПНИ. Проведена разработка Технико-экономического обоснования работ по ПНИ, технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера

Основные характеристики полученных результатов:

• полученные результаты полностью соответствуют требованиям технического задания и указывают на возможность продолжения работы в соответствии с ПГ и достижения конечного результаты проекта;
• полученные экспериментальные результаты обладают новизной;
• полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ выполняемого проекта;
• полученные результаты соответствуют мировому уровню разработки криомагнитных систем.

На этапе №5 подана заявка на патент «Магнитная система с двухсекционным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом», Уведомление ФИПС 2016152084 от 28.12.2016.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе №5 исполненными надлежащим образом.