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

9. Модель реактора ИТЭР, вид в разрезе. Он имеет высоту пятиэтажного здания, диаметр – около 30 м. В центре находится соленоид (обозначенный серым цветом), который разгоняет заряженные частицы. Красным показано 18 катушек тороидального поля, которые удерживают плазму в камере. Шесть дополнительных катушек (фиолетовые) полоидального поля (то есть направленного вдоль линий, проходящих через полюсы сферической системы координат) не позволяют раскаленной плазме соприкоснуться со стенками и обеспечивают ее стабильность. Для изготовления различных катушек в такой установке было затрачено более 500 т сверхпроводящего сплава Nb 3 Sn

ИТЭР представляет собой токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), тип устройства, изобретенный в 1950-е годы двумя российскими физиками: Андреем Сахаровым (1921–1989) и Игорем Таммом (1895–1971). В первых токамаках использовались обычные электромагниты, которые потребляли огромное количество энергии. Необходимые для удержания плазмы магнитные поля порядка 10 Тл, то есть достаточно умеренны и позволяют для их создания использовать сверхпроводящие магниты, что обеспечивает значительную экономию энергии. Цель создания и введения в эксплуатацию ИТЭР – продемонстрировать возможность использования термоядерного синтеза как потенциального источника энергии. Конкретные результаты, то есть экономически эффективное и безопасное производство электроэнергии путем ядерного синтеза, ожидаются, по самым оптимистичным прогнозам, к 2040 году.

Расскажем о некоторых интересных идеях применения сверхпроводников помимо создания высоких магнитных полей. Например, возникающий вследствие эффекта Мейснера – Оксенфельда (см. предыдущую главу, «Эффект Мейснера – Оксенфельда») эффект левитации используется для создания движущихся на магнитной подушке высокоскоростных поездов – маглевов. Такие поезда парят над рельсами благодаря установленным в вагонах сверхпроводящим магнитам, взаимодействующим с магнитами, размещенными вдоль рельс на земле. Рекорд скорости принадлежит японскому маглеву, испытанному в 2015 году на экспериментальном участке пути между Токио и Нагоей. Во время испытаний поезд разогнался до 603 км/ч.

Другое применение сверхпроводников – это накопление энергии, что является важной задачей при использовании солнечных, ветряных и других электростанций, вырабатывающих энергию непостоянно (см. главу 13, «От теплового двигателя к электрическому»). В самом деле, избыточную энергию, накапливаемую во время пиков производства, следует каким-то образом хранить, а затем по мере потребности ее высвобождать. Одним из решений является генерирование тока в сверхпроводящей катушке. Накопленная электромагнитная энергия при этом составляет LI 2/2, где I – сила текущего в катушке тока и L – ее индуктивность. На данный момент практические применения этого способа хранения энергии сдерживают энергетические затраты, требуемые для охлаждения.

Передача энергии без потерь в экспериментальном режиме уже практикуется, например, на Лонг-Айленде в США и в Эссене в Германии: сверхпроводящие кабели длиной в несколько сотен метров заменяют высоковольтные кабели для подачи энергии в целые кварталы.

Ученые работают над созданием элементной базы для квантовых компьютеров (см. главу 28, «Квантовый компьютер»), положив в основу их функционирования основанные на джозефсоновских переходах квантовые сверхпроводящие процессоры.

Итак, этот раздел науки находится в активной фазе своего развития, и, несомненно, в ближайшие десятилетия стоит ожидать появления многих новых областей применения сверхпроводимости…

Второй элемент периодической таблицы Менделеева, гелий, пожалуй, больше всего интересует исследователей благодаря своим необычным свойствам. И хотя он принес ученым бессонницу и головную боль, они были вознаграждены красотой механизмов, объясняющих его особенности.

Внимательный читатель уже знает из предыдущих глав, что гелий становится жидким только при очень низкой температуре и при атмосферном давлении не затвердевает (см. главу 22, «Нулевые колебания атомов»). Вместо этого он, при еще более низкой температуре, становится сверхтекучим, то есть лишенным вязкости (см. главу 24, «Сверхтекучесть: новые надежды»).

Гелий был впервые сжижен Камерлинг-Оннесом в его Лейденской лаборатории 10 июля 1908 года (илл. 1). В течение нескольких месяцев продолжалось соревнование с другими исследователями, тщетно пытающимися превратить этот газ в жидкость. Гелий, единственный из всех элементов, упорно оставался газообразным… Камерлинг-Оннес был уверен, что он не только сжижил гелий, но и получил его в твердой фазе еще в марте 1907 года. Действительно, сразу после быстрого снижения давления он наблюдал образование беловатого облака в газообразном гелии и, не особо задумываясь, счел его твердым. В полном восторге он телеграфировал своему коллеге сэру Джеймсу (шотландский физик и химик Джеймс Дьюар (1842–1923), первым сжиживший водород): «Получил твердый гелий». Международная пресса широко отметила это достижение. Увы, белесое облако оказалось состоящим из капель водорода, которые предательски проникли в гелий! Бедняга Камерлинг-Оннес был осмеян соотечественниками: они с иронией указывали, что вместо твердого гелия он обнаружил только halfium (слово half в переводе с нидерландского означает «половина», тогда как heel означает «целое»). Мораль: 1) великие люди ошибаются; 2) великие ученые делают преждевременные выводы, и не стоит им подражать! Однако полученная 10 июля 1908 года жидкость действительно была гелием.

1. Камерлинг-Оннес в Лейденской лаборатории, где он и его сотрудники первыми в мире получили жидкий гелий. В 1913 году ученый получил Нобелевскую премию по физике за изучение свойств вещества при низких температурах

Благодаря этому крупному технологическому достижению перед исследователями открылись совершенно новые возможности для экспериментов. Охлаждая приборы жидким гелием, они наконец обрели возможность проводить эксперименты при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. В частности, Камерлинг-Оннес при температуре ниже 4 K обнаружил явление сверхпроводимости ртути (см. главу 24). А сейчас мы расскажем куда менее известную историю – о необычных механизмах переноса в жидком гелии электрических зарядов.