Жанр: Наука
Магнит за три тысячелетия
... температурах
улучшаются). Гелиевый трубопровод имеет вакуумную изоляцию. Внутренняя
поверхность трубопровода жидкого гелия покрыта слоем сверхпроводника.
Потери в такой линии с учетом неизбежных потерь на концах линии, где
сверхпроводник должен стыковаться с шинами при обычной температуре, не превысят
нескольких долей процента, а в обычных линиях электропередачи потери в 5...10
раз больше!
Силами ученых Энергетического института имени Г.М.Кржижановского и Всесоюзного
научно-исследовательского института кабельной промышленности уже создана серия
опытных отрезков сверхпроводящих кабелей переменного и постоянного тока.
Подобные линии смогут передавать мощности во много тысяч мегаватт при КПД более
99%, при умеренной стоимости и относительно невысоком (110...220 кВ) напряжении.
Может быть, еще более важно, что сверхпроводящие линии электропередачи не будут
нуждаться в дорогостоящих устройствах компенсации реактивной мощности. Обычные
линии требуют установки токовых реакторов, мощных конденсаторов, чтобы
нивелировать чрезмерные потери напряжения вдоль трассы, а линии на
сверхпроводниках в состоянии себя самокомпенсировать!
Сверхпроводники оказались незаменимыми и в электрических машинах, принцип
действия которых предельно прост, но которых никогда раньше не строили, ибо для
их работы нужны очень сильные магниты. Речь идет о магнитогидродинамических
(МГД) машинах, осуществить которые Фарадей пытался еще в 1831г.
Идея опыта проста. В воду Темзы на ее противоположных берегах погружали две
металлические пластинки. Если скорость реки 0,2 м/с, то, уподобив струи воды
проводникам, движущимся с запада на восток в магнитном поле Земли (его
вертикальная составляющая примерно равна 5·10-5 Тл), с электродов можно
снять напряжение примерно 10 мкВ/м.
К сожалению, этот опыт окончился неудачей, "генератор-река" не заработал.
Фарадей не смог замерить тока в цепи. Но через несколько лет лорд Кельвин
повторил опыт Фарадея и получил небольшой ток. Казалось бы, все осталось, как у
Фарадея: те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем
то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются
с соленой водой пролива.
Вот она разгадка! Вода ниже по течению была более соленой и, следовательно,
обладала большей проводимостью! Это было сразу же зарегистрировано приборами.
Увеличение проводимости "рабочего тела" - генеральный путь увеличения мощности
МГД-генераторов. Но увеличить мощность можно и другим способом - повышая
магнитное поле. Мощность МГД-генератора прямо пропорциональна квадрату
напряженности магнитного поля.
Мечты об МГД-генераторах получили реальную основу примерно в середине нашего
века вместе с появлением первых партий сверхпроводящих промышленных материалов
(ниобий-титан, ниобий-цирконий), из которых удалось сделать первые, еще
маленькие, но работающие модели генераторов, двигателей, токопроводов,
соленоидов. А в 1962г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Вильсон и Роберт
предложили проект МГД-генератора на 20 МВт с полем 4 Тл. Если обмотку сделать из
медного провода, то при стоимости 0,6 мм/долл. джоулевы потери в ней "съедят" -
полезной мощности (15 МВт!). Зато на сверхпроводниках обмотка будет компактно
облегать рабочую камеру, потерь в ней не будет, а на охлаждение уйдет всего 100
кВт мощности. КПД возрастет с 25 до 99,5%! Тут есть о чем задуматься.
МГД-генераторами занялись всерьез во многих странах, потому что в таких машинах
можно использовать плазму в 8...10 раз более горячую, чем пар в турбинах
тепловых электростанций, а при этом по известной формуле Карно КПД будет уже не
40, а все 60%. Вот почему в ближайшие годы недалеко от Рязани заработает первый
промышленный МГД-генератор на 500 МВт.
Конечно, создать и экономично использовать такую станцию непросто: нелегко
разместить рядом поток плазмы (2500 К) и криостат с обмоткой в жидком гелии
(4...5 К), раскаленные электроды обгорают и зашлаковываются, из шлаков надо
выщелачивать те присадки, которые только что добавлялись в топливо для ионизации
плазмы, но ожидаемые выгоды должны окупить все трудозатраты.
Можно представить себе, как выглядит сверхпроводящая магнитная система МГДгенератора.
Две сверхпроводящие обмотки расположены по бокам канала с плазмой,
отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в
титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать,
эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как
электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть
друг к другу.
Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепло не выделяется, рефрижератор, который
требуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен отводить лишь то
тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию и
токоподводы. Потери в токоподводах можно свести практически к нулю, если
использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые от
сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.
Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося через
изоляцию, по расчетам должен вырабатывать несколько десятков литров жидкого
гелия в 1 ч. Такие ожижители выпускает промышленность.
Без сверхпроводящих обмоток были бы нереальными крупные токамаки. В установке
"Токамак-7", например, обмотка массой 12 т обтекается током 4,5 кА и создает на
оси плазменного тора объемом 6 м3 магнитное поле 2,4 Тл. Это поле создается 48
сверхпроводящими катушками, потребляющими за час всего 150 л жидкого гелия,
повторное сжижение которого требует мощности 300...400 кВт.
Не только большая энергетика нуждается в экономичных компактных мощных
электромагнитах, без них трудно обойтись ученым, работающим с рекордно сильными
полями. На порядок производительнее становятся установки для магнитного
разделения изотопов. Уже не рассматриваются проекты крупных ускорителей без
сверхпроводящих электромагнитов. Совершенно нереально обойтись без
сверхпроводников на пузырьковых камерах, которые становятся чрезвычайно
надежными и чувствительными регистраторами элементарных частиц. Так, одна из
рекордно больших магнитных систем на сверхпроводниках (Аргоннская национальная
лаборатория, США) создает поле 1,8 Тл с запасенной энергией 80 МДж. Исполинская
обмотка массой 45 т (из них 400 кг ушло на сверхпроводник) при внутреннем
диаметре 4,8 м, наружном 5,3 м и высоте 3 м требует для охлаждения до 4,2 К
всего 500 кВт - ничтожно малую мощность.
Еще более внушительным представляется сверхпроводящий магнит пузырьковой камеры
Европейского центра ядерных исследований в Женеве. Он имеет следующие
характеристики: магнитное поле в центре до 3 Тл, внутренний диаметр "катушки"
4,7 м, запасенная энергия 800 МДж.
В конце 1977г. в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ)
вступил в строй один из крупнейших в мире сверхпроводящих магнитов "Гиперон".
Рабочая зона его имеет диаметр 1 м, поле в центре системы 5 Тл (!). Уникальный
магнит предназначен для проведения экспериментов на протонном синхротроне ИФВЭ в
Серпухове.
Осмыслив эти впечатляющие цифры, уже как-то неудобно говорить о том, что
техническое освоение сверхпроводимости только начинается. В качестве примера
можно напомнить о критических параметрах сверхпроводников. Если температура,
давление, ток, магнитное поле превысят некоторые предельные значения, называемые
критическими, сверхпроводник потеряет свои необычные свойства, превратившись в
обычный материал.
Наличие фазового перехода вполне естественно использовать для контроля внешних
условий. Если есть сверхпроводимость, значит, поле меньше критического, если у
датчика восстановилось сопротивление - поле выше критического. Уже разработана
серия самых разнообразных сверхпроводящих измерителей: болометр на спутнике
может "почувствовать" зажженную спичку на Земле, гальванометры становятся
чувствительнее в несколько тысяч раз; в резонаторах ультравысокой добротности
колебания электромагнитного поля словно консервируются, ибо они чрезвычайно
долго не затухают.
Среди сверхпроводящих устройств можно назвать детекторы альфа-частиц, криотроны
(выпрямители), ячейки ЭВМ для схем памяти и переключения. Так, криоЭВМ настолько
экономичны из-за отсутствия нагрева током, настолько чувствительны и компактны,
что в объеме апельсина "уместится" обычная ЭВМ размером с комнату! Вот почему
все ЭВМ кроме ручных компьютеров уже в нашем веке станут сверхпроводящими.
Уже много пишется про сверхпроводящие малоиндуктивные гальванометры (СЛАГи) и
квантовые интерферометры на сверхпроводниках (СКВИДы), в которых полезно служат
туннельные контакты. Их цель - измерять малые магнитные поля, они могут
зафиксировать даже квант магнитного потока! Вот почему магнитокардиографы
намного точнее регистрируют состояние сердечно-сосудистой системы, чем
электрокардиографы.
Теперь самое время окинуть взором всю электрическую часть энергетики, чтобы
понять, как россыпь сверхпроводящих устройств может дать суммарный
народнохозяйственный эффект. Сверхпроводники могут повысить единичную мощность
энергоагрегатов, высоковольтная энергетика может постепенно превратиться в
многоамперную, вместо четырех-шестикратного преобразования напряжения между
электростанцией и потребителем реально говорить об одной-двух трансформациях с
соответствующим упрощением и удешевлением схемы, общий КПД электрических сетей
неминуемо вырастет вследствие джоулевых потерь. Но и это еще не все.
Электрические системы неизбежно приобретут другой вид, когда в них будут
применять сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН)! Дело в том, что
из всех отраслей промышленности только в энергетике нет складов: выработанное
тепло и электричество хранить негде, их надо потреблять сразу. Определенные
надежды связаны со сверхпроводниками. Из-за отсутствия в них электрического
сопротивления ток может циркулировать по замкнутому сверхпроводящему контуру
сколь угодно долго без затухания до тех пор, пока не настанет время его отбора
потребителем. СПИНы станут естественными элементами электрической сети, их
остается только оснастить регуляторами, переключателями или преобразователями
тока или частоты при объединении с источниками и потребителями электричества.
Энергоемкость СПИНов может быть самой различной - от 10-5 (энергия портфеля,
выпавшего из рук) до 1 кВт-ч (глыба 10 т, упавшая со скалы 40 м) или 10 млн.
кВт-ч! Столь мощный накопитель должен иметь размеры беговой дорожки вокруг
футбольного поля, его цена будет составлять 500 млн. дол., а КПД - 95%.
Равноценная гидроаккумулирующая электростанция окажется на 20% дешевле, но на
свои нужды потратит треть мощности! Поучительна раскладка стоимости такого СПИНа
по составляющим: на рефрижераторы 2...4%, на преобразователи тока 10%, на
сверхпроводящую обмотку 15...20%, на теплоизоляцию холодной зоны 25%, а на
бандажи, крепления и распорки - почти 50%.
Со времени доклада Г.М.Кржижановского по плану ГОЭЛРО на VIII Всероссийском
съезде Советов прошло более полувека. Претворение этого плана в жизнь позволило
повысить мощность электростанций страны с 1 до 200...300 млн. кВт. Теперь
появляется принципиальная возможность усилить энергосистемы страны в несколько
десятков раз, переведя их на сверхпроводящее электрооборудование и упростив сами
принципы построения таких систем.
Основой энергетики начала XXI века могут стать атомные и термоядерные станции с
чрезвычайно мощными электрогенераторами. Электрические поля, порожденные
сверхпроводящими электромагнитами, могучими реками смогут перетекать по
сверхпроводящим линиям электропередачи в сверхпроводящие накопители энергии,
откуда по мере необходимости будут отбираться потребителями. Электростанции
смогут равномерно вырабатывать мощность и днем, и ночью, а освобождение их от
плановых режимов должно повысить экономичность и срок службы главных агрегатов.
К наземным электростанциям можно добавить космические солнечные станции.
Зависнув над фиксированными точками планеты, они должны будут преобразовывать
солнечные лучи в коротковолновое электромагнитное из лучение, чтобы посылать
сфокусированные потоки энергии к наземным преобразователям в токи промышленной
назначения. Все электрооборудование наземно-космических электрических систем
должно быть сверхпроводящим, в противном случае потери в проводниках конечной
электропроводности окажутся, по-видимому, неприемлемо большими.
Послесловие
Никогда во всей истории человечества еще не было периода, когда мировоззрение и
благосостояние человека в столь сильной степени зависели бы от прогресса науки,
как сейчас.
...Маленькой дрожащей стрелке, с одного конца выкрашенной в черный цвет, с
другого - в красный, мы обязаны удивительными открытиями. Неизвестные миры,
экзотические животные, благоухающие острова, ледяные континенты и не знающие
цивилизации народы предстали перед глазами изумленных "водителей фрегатов",
сверявших свой путь с маленькой стрелкой компаса...
В огромном арсенале средств современной науки магнит занимает совершенно особое
место. Без него невозможно никакое исследование, никакая наука, никакая
промышленность, никакая цивилизованная жизнь. Если вспомнить еще и о том, что не
обладай Земля магнитным полем, она была бы сейчас испепеленной космическим
излучением планетой, как Марс, то можно почувствовать к магнитам нечто вроде
благодарности.
Но кроме благодарности магнит достоин и уважения - ведь если мыслить в
исторических масштабах, то приходится сознаться, что мы немногое еще можем
сказать о природе притяжения магнита.
Почему магнит притягивает?
Этот вопрос еще сотни лет будет волновать умы мальчишек и ученых. Не станем
переоценивать своих знаний. Кто это делает, часто попадает впросак. Вспомним,
что было написано об электричестве в 1755г. в одном лондонском еженедельнике:
"Электричество - сила, хорошо изученная человеком. Ее с успехом применяют для
лечения болезней, эта сила способна ускорять развитие растений".
Эти слова были написаны до Фарадея, Ампера, Максвелла, когда люди, как теперь
смело можно утверждать, почти ничего не знали об электричестве. А теперь, во
второй половине XX века, вряд ли какой-нибудь ученый найдет в себе смелость
утверждать: "Электричество - сила, хорошо изученная человеком".
Мы много знаем об электричестве и магнетизме и с каждым днем узнаем все больше и
больше. Но за одной проблемой встают другие, не менее сложные и интересные.
Жизнь всегда будет полна загадок. И наряду с самыми сложными - загадкой жизни и
загадкой Вселенной - загадка магнита всегда будет давать пищу для
любознательного ума.
...Альберт Эйнштейн на всю жизнь запомнил тот день, когда ему, четырехлетнему
ребенку, подарили новую игрушку - компас. На всю жизнь сохранил он детскую
удивленность чудесными свойствами магнита, теми самыми свойствами, которые
тысячи лет назад волновали наших предков.
Вряд ли когда-нибудь найдется человек, который возьмет на себя смелость
утверждать: "Я постиг загадку магнита!" Однако ученые, познавшие удивительно
небольшую толику тайны, смогли создать устройства, способные соперничать с
самыми сильными магнитами, созданными природой.
Поділитися у соцмережах
