Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Для чего же сочетают медные и сверхпроводящие нити? Дело в том, что использование кабеля, состоящего из чистого сверхпроводника, рискованно. Сверхпроводимость может неожиданно в каком-то месте исчезнуть, например, из-за добавленных для пиннинга вихрей дефектов. При этом соответствующий участок кабеля под воздействием протекающего через него сильнейшего тока быстро нагревается, и если выделяющееся тепло не будет вовремя отведено, то весь кабель может целиком перейти в нормальное состояние. Это приведет к катастрофическим последствиям: от серьезного повреждения кабеля до разрушения близлежащих объектов. Наличие меди, хорошего проводника тепла, предотвращает такую катастрофу.

После открытия Беднорцем и Мюллером многочисленных способов применения (см. главу 24, «На берегу Цюрихского озера») нового класса сверхпроводников с высокой критической температурой ученые надеялись в скором времени сотворить чудеса, ведь для охлаждения здесь можно пользоваться дешевым жидким азотом, да и критические поля обещали превысить 100 Тл. Но на практике реализация их планов оказалась далеко не простой. Трудности в создании сверхпроводящих кабелей на основе новых материалов во многом оказались аналогичными тем, которые возникали при использовании традиционных сверхпроводников, например сплава Nb 3 Sn: большая хрупкость материалов, проблемы, связанные с пиннингом решетки вихрей Абрикосова. Задача дополнительно осложнилась и рыхлостью вихрей вдоль их оси, обусловленной слабой связью между слоями в квазидвумерных высокотемпературных сверхпроводниках. Тем не менее хорошие результаты были достигнуты путем создания композитных материалов на основе сверхпроводящих оксидов и серебра, а некоторые сверхпроводящие кабели на основе YBaCuO уже запущены в производство.

Сегодня магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, достигают величин в несколько десятков тесла. Зачастую эти магниты имеют гибридную структуру: внешняя сверхпроводящая катушка создает свое магнитное поле, а внутренняя – с медной обмоткой – дополнительно усиливает его в своем объеме. Такие катушки используются, например, в Национальной лаборатории высоких магнитных полей в Гренобле, где создают непрерывные магнитные поля, достигающие почти 40 Тл (именно здесь был обнаружен квантовый эффект Холла, см. главу 28, «Квантовый эффект Холла»).

Совсем недавно исследователи из Национальной лаборатории сильных магнитных полей в США разработали самый мощный в мире сверхпроводящий магнит, способный создавать магнитное поле с рекордными 45,5 Тл. В другом филиале французской Национальной лаборатории высоких магнитных полей в Тулузе производят еще более высокие импульсные магнитные поля, достигающие 100 Тл, но это делается иными методами, без использования сверхпроводимости.

Использование сверхпроводящих катушек не ограничивается лабораториями. Они ежедневно используются в больницах для проведения исследований посредством МРТ (см. главу 27), которые требуют интенсивного и однородного поля.

Упомянем еще два важнейших направления использования сверхпроводящих магнитов: в ускорителях при исследовании физики элементарных частиц и в качестве важного элемента прототипов термоядерных реакторов.

8. Большой адронный коллайдер, расположенный на границе Франции и Швейцарии (на заднем плане видны Женевское озеро и Альпы). Адроны – класс элементарных частиц, к которому принадлежат протоны. Длина окружности подземного кольца (показано большим желтым кругом), в котором ускоряются протоны, составляет 26 659 км. Вдоль кольца установлены детекторы, предназначенные для различных исследований

Весной 2012 года была обнаружена новая элементарная частица – бозон Хиггса, – а точнее, по словам исследователей ЦЕРН, «частица, совместимая с бозоном Хиггса» (физики – осторожные люди!). Существование этой частицы было давно предсказано теоретически, а также полностью согласовывалось с существующими экспериментальными наблюдениями. Доказательство существования этого таинственного бозона объяснило бы, почему элементарные частицы имеют массу.

Чтобы удостовериться в существовании бозона Хиггса и иметь возможность проводить другие фундаментальные исследования, недалеко от Женевы построили подземное кольцо длиной 26,66 км – Большой адронный коллайдер (БАК) (илл. 9). Протоны в нем разгоняются до скоростей, очень близких к скорости света, с помощью сильнейших магнитных полей, направляющих их по круговой траектории. Это поле генерируется с помощью установленных вдоль кольца нескольких тысяч сверхпроводящих магнитов. Использование обычных магнитов потребовало бы дорогостоящих охлаждающих устройств, которые ввиду их громоздкости было бы невозможно разместить в туннеле. Ниобий-титановые сверхпроводящие провода, из которых изготовлены обмотки магнитов, способны нести токи, достигающие 12 000 A. Для охлаждения всего этого циклопического устройства до температуры ниже 2 K требуются недели.

Еще одна машина, в которой используются сверхпроводники, – это Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР (от англ. ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor), который в настоящее время строится в Кадараше, недалеко от ущелья Вердон во Франции. ИТЭР предназначен для выработки энергии путем ядерного синтеза. Напомним, что реакция ядерного синтеза состоит в том, что при слиянии двух легких ядер (например, дейтерия 2H и трития 3H) образуется более тяжелое ядро. В процессе этой реакции, как и при делении тяжелых ядер (см. главу 13, «Как использовать ядерную энергию?»), высвобождается энергия. Для ядерного синтеза требуется очень высокая температура (100 000 000 K!); именно посредством слияния ядер вырабатывается энергия Солнца. Ионизированные частицы образуют «плазму» – горячий газ, который необходимо удержать в объеме камеры, не позволяя ему коснуться стенок. В случае ИТЭР такое удержание обеспечивается магнитным полем, воздействующим на движущиеся в тороидальной камере заряженные частицы (илл. 10). Словом, механизм тот же, что и в ускорителях частиц, таких как БАК. Однако в последнем пучок протонов очень узкий, а радиус их траекторий гигантский (порядка 10 км). Радиус реактора термоядерного синтеза намного меньше, и между тем объем, в котором необходимо удерживать плазму при нескольких сотнях миллионов градусов, все равно составляет 840 м 3.