В предыдущей главе мы в общих чертах рассказали о явлении сверхпроводимости как таковом и о долгом пути ученых к пониманию его квантовой природы. В этой главе мы продолжим наш рассказ о необычных свойствах сверхпроводников и остановимся на способах их применения, которые мало знакомы широкой публике.
Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце
Как мы уже видели, Нильсу Бору удалось объяснить многие свойства атома, предположив, что скорость v электрона на круговой орбите радиуса R удовлетворяет отношению mνR = nħ, где n – целое число, m – масса электрона и ħ – постоянная Планка (см. главу 22). Замечательно, что это правило может быть обобщено для описания движения любой частицы, совершающей круговое движение в определенном квантовом состоянии. Отметим, что как раз к движению электрона в атоме постулат Бора применим не очень хорошо, поскольку электрон четко определенную орбиту не описывает (иначе нарушались бы соотношения неопределенности (см. главу 22, «Спектр излучения атомов – ключ к атомной структуре»)). С другой стороны, как показал Фриц Лондон (1900–1954) в 1948 году, он может быть успешно применен к сверхпроводящему току, текущему в круговом кольце радиуса R (илл. 1).
1. Ток в кольце радиуса R. Поток магнитной индукции через кольцо Φ = BS, где S – охватываемая кольцом площадь, а B – магнитное поле. Применяя к движущемуся заряду правило квантования Бора, находят, что этот поток квантуется
Правило квантования Бора, примененное к движению куперовских пар в сверхпроводящем кольце (см. главу 24, «Теория БКШ»), имеет неожиданное следствие: магнитный поток через сверхпроводящее кольцо квантуется – так же как и радиус орбиты в атоме! Точнее, магнитный поток Φ оказывается целым кратным «кванта магнитного потока»:
Φ0 = πħ/e = h/(2e) = 2∙10–15 Тл∙м2,
где – е – заряд электрона (см. врезку «Квантование потока в витке сверхпроводника»).
Квант потока Φ0 – чрезвычайно малая величина, настолько малая, что первую экспериментальную проверку гипотезы Лондона американским физикам Бэскому Диверу и Уильяму Фэйрбэнку удалось провести только 13 лет спустя, в 1961 году.
Примечательно, что в то время, как квантованные физические величины, упоминаемые нами до сих пор, принадлежали к микроскопическому миру, квант магнитного потока ученым удается измерить в относительно больших, почти макроскопических образцах (то есть видимых невооруженным глазом). Примером таких «мезоскопических», то есть промежуточных между микро- и макромирами объектов, являются вихри Абрикосова, которые могут находиться друг от друга на расстояниях в микрометры. Напомним, что эти вихри возникают в сверхпроводнике II рода, помещенном во внешнее магнитное поле (см. главу 24, «Вихри Абрикосова»). Каждый абрикосовский вихрь является носителем кванта магнитного потока Φ0. Еще одним подобным примером являются сверхпроводящие кольца, которые позволяют наблюдать дискретное изменение пронизывающего их магнитного потока буквально по одному кванту Φ0 (см. ниже). Подобные наблюдения аналогичны историческому эксперименту Дивера и Фэйрбэнка 1961 года. Вместо кольца они использовали сверхпроводящий цилиндр.
Квантование потока в витке сверхпроводника
Найдем с помощью упрощенных рассуждений формулу, описывающую квантование потока в сверхпроводнике. Рассмотрим случай кругового кольца с нулевым сопротивлением, содержащего свободные заряженные частицы. С возрастанием магнитного поля растет и магнитный поток Φ, что приводит к возникновению электродвижущей силы индукции (см. главу 16, «Электромагнитная индукция»):
где ΔΦ – изменение потока, происходящее за время Δt. При этом индуцируемое в кольце электрическое поле равно:
Теперь рассмотрим заряд q массы m, движущийся по кольцу со скоростью ν (илл. 1). Воздействующая на него сила равна qE, и, согласно основному принципу динамики (см. главу 4, врезку «Ньютоновская механика»), испытываемое зарядом ускорение равно qE/m. Это ускорение должно быть равно отношению увеличения скорости Δv ко времени Δt, следовательно:
откуда находим, что
Предполагая, что правило квантования Бора mrv = nħ, упомянутое в начале этой главы, применимо к движению рассматриваемого заряда в сверхпроводящем кольце, находим, что наименьшее ненулевое значение mrΔv равно ħ. Отсюда следует, что наименьшее ненулевое значение ΔΦ равно 2πħ/q. Заряд куперовской пары равен 2e: таким образом, мы приходим к формуле квантования потока в сверхпроводнике, приведенной в тексте.
А что случится, если поместить кольцо в переменное магнитное поле B? Для «нормального» проводника пронизывающий кольцо магнитный поток Φ изменяется вместе с полем. В результате возникает электродвижущая сила индукции dΦ/dt, которая порождает в кольце ток IN, такой, что RIN = dΦ/dt, где R – сопротивление кольца. Для сверхпроводника, как мы уже знаем, поток должен оставаться неизменным, иначе его изменение вызвало бы бесконечный ток, разрушающий сверхпроводящее состояние. Поэтому по сверхпроводящему кольцу при изменении магнитного поля также будет течь ток IS, такой, чтобы пронизывающий кольцо полный поток Φ (являющийся суммой внешнего потока Φвнеш = BS и собственного индукционного потока ΦI = LIS, где L – индуктивность кольца) не изменялся.
Туннельный эффект и эффект Джозефсона
Ситуация становится еще интереснее, если сверхпроводящее кольцо прерывается тонким слоем диэлектрика. Предположим, что мы сумели создать такую тончайшую перемычку в кольце, изготовленном из нормального металла (илл. 2). Интуитивно кажется, что ток в нем течь не сможет. И тем не менее, если толщина диэлектрической перемычки не слишком велика (например, около микрометра), ток в такой структуре может протекать! Некоторым электронам «волшебным» образом удается пройти через диэлектрик. Это чисто квантовое явление называется «туннельным эффектом». Например, при изучении объектов с помощью туннельного микроскопа ток проходит между острием устройства и поверхностью образца через зазор вакуума, имеющий размер порядка нанометра (см. главу 28, «Взгляд в наномир»). Туннелировать с некоторой вероятностью сквозь «стены» в квантовом мире могут не только электроны, но и другие, более массивные частицы, даже такие, как атомные ядра. Правда, с увеличением массы совершать эти чудеса им становится все сложнее и сложнее.
2. Туннельный эффект в проводящем кольце, содержащем диэлектрический барьер (отмечен красным цветом). Если прослойка диэлектрика не слишком велика, то электроны благодаря туннельному эффекту с некоторой вероятностью проходят через него. Протекающий в кольце ток измеряется амперметром
А что же произойдет в случае сверхпроводящего кольца? Оказывается, что и здесь имеет место своеобразный туннельный эффект. Куперовским парам удается преодолевать слой диэлектрика толщиной в несколько нанометров или слой нормального металла толщиной в десяток нанометров. Казалось бы, что для таких составных бозонов механизм туннелирования должен заключаться в последовательном проникновении через стенку сперва одного, а затем другого электрона, то есть соответствующий сверхпроводящий ток должен быть пропорциональным квадрату и так малой вероятности проникновения электрона сквозь барьер. Однако еще одной диковиной сверхпроводимости оказывается тот факт, что, будучи, как мы уже знаем, довольно размазанными в пространстве объектами, куперовские пары туннелируют сквозь барьер примерно с той же вероятностью, что и каждый электрон, их составляющий. Можно сказать, что оба электрона каким-то образом туннелируют когерентно, одновременно. Это явление было предсказано в 1962 году англичанином Брайаном Джозефсоном (в то время всего лишь 22-летним аспирантом Кембриджского университета), а придуманный им «сэндвич» – диэлектрический слой между двумя сверхпроводниками – называется «джозефсоновским контактом».
За это открытие в 1973 году Брайан Джозефсон был удостоен Нобелевской премии по физике. Почему такая престижная награда досталась за «простую» демонстрацию того, что сверхпроводящий ток обладает тем же свойством, что и обычный? Во-первых, оказалось совершенно неожиданным, что куперовские пары туннелируют сквозь перемычку не разрываясь. Во-вторых, Джозефсон сумел предсказать совершенно замечательные свойства изобретенного им прибора. Их описание выходит за рамки этой книги, но одно из его применений мы просто назовем: это измерение с помощью квантового магнитометра сверхслабых магнитных полей, возникающих при протекании крови в сердце, что позволяет на ранней стадии диагностировать сердечные заболевания.
Самый простой квантовый магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца с тончайшей диэлектрической перемычкой (илл. 3a). Представим себе, что это кольцо помещают во внешнее магнитное поле, которое вначале, как и ток в контуре, равно нулю. Тогда поток внутри кольца тоже равен нулю. Начнем увеличивать внешнее поле. Пока поле не слишком велико, проходящий через кольцо общий магнитный поток Φ должен оставаться неизменным и равным нулю (см. главу 25, «Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце»). Для этого необходимо, чтобы создаваемый протекающим по кольцу током I магнитный поток ΦI в каждый данный момент компенсировал изменение внешнего потока Φвнеш. По мере возрастания магнитного поля этот ток увеличивается вплоть до достижения критического значения Iк (за счет выбора сопротивления диэлектрической перемычки можно добиться того, что это произойдет при Φвнеш= Φ0/2. Здесь Φ0 = h/2e = 2,07∙10-15Вб – так называемый квант магнитного потока).
3. a. Сверхпроводящее кольцо с джозефсоновским контактом помещается во внешнее магнитное поле B→. b. При монотонном росте внешнего потока Φвнеш = BS полный магнитный поток Φ меняется скачками. c. Величина I сверхпроводящего тока не может превышать критическое значение Iк, определяемое свойствами контакта, и, следовательно, изменяется пилообразно. Ток меняет знак, когда сверхпроводимость в контакте разрушается (здесь мы рассматриваем случай, когда критическое значение тока Iк достигается при увеличении внешнего потока на Φ0/2)
Как только ток станет равным Iк, сверхпроводимость в месте слабой связи разрушится и в контур войдет квант потока Φ0. Общий магнитный поток возрастет на один квант. Такое изменение возможно только благодаря разрушению сверхпроводимости в области перемычки, что и делает устройство настолько необыкновенным!
А что произойдет с током? Его величина останется прежней, но направление изменится на противоположное. Действительно, если до вхождения кванта потока Φ0 ток Iк полностью экранировал внешний поток, то после его вхождения он должен усиливать внешний поток Φ0/2 до значения Φ0. Поэтому в момент вхождения кванта потока направление тока скачком меняется на противоположное.
При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце начнет уменьшаться, сверхпроводимость в кольце восстановится и поток внутри кольца будет оставаться равным Φ0. Ток в контуре обратится в ноль, когда внешний поток также станет равным Φ0, а затем он начнет течь в обратном направлении. Наконец, при значении внешнего потока 3Φ0/2 ток опять станет равным Iк, сверхпроводимость разрушится, войдет следующий квант потока и т. д. (илл. 3с).
Ступенчатый характер зависимости тока как функции магнитного потока позволяет измерять значение внешнего поля с необычайной точностью. Однако остается проблема измерения тока в кольце с туннельным контактом.
4. Принцип действия СКВИД. Магнитометр состоит из сверхпроводящего кольца с двумя джозефсоновскими контактами. Ток I, протекающий в СКВИД, разделяется на две ветви. Если устройство поместить во внешнее магнитное поле B, то эти два тока интерферируют, что приводит к разнице потенциалов между туннельными контактами, измерение которой позволяет узнать значение поля
Часто в сверхпроводящем кольце вместо одного создается сразу два джозефсоновских контакта. Таким образом получается «сверхпроводящий квантовый интерферометр», или СКВИД (от англ. SQUID, Superconducting Quantum Interference Device) (илл. 4). Принцип его работы основан на интерференции волновых функций двух сверхпроводящих конденсатов, разделенных джозефсоновскими контактами, которую можно сопоставить с интерференцией, происходящей в двух расположенных рядом щелях Юнга в оптике (см. главу 3, «Квантование магнитного потока в сверхпроводящем кольце»).
С помощью сложных устройств (генераторов, усилителей) СКВИД может измерить колебания потока, намного меньшие, чем квант Φ0. Он настолько чувствителен, что обнаруживает магнитные поля, возникающие в результате сердечной или мозговой активности! Эти поля в 100 000 раз слабее, чем магнитное поле Земли (величина которого около 5∙10–5 Тл на ее поверхности). Первые попытки применения СКВИД в медицине, например магнитокардиография и магнитоэнцефалография (илл. 5), относятся к 1970-м годам. Чтобы свести к минимуму влияние магнитного поля Земли на измерения, их выполняли в специальной комнате: стены состояли из трех слоев металла, образующих мощные магнитные экраны, разделенные еще и двумя слоями алюминия, препятствующими проникновению электрического поля. Таким образом, магнитное поле Земли, внутри объема, уменьшалось в 10 000 раз. Однако создание таких помещений обходилось очень дорого. Сегодня благодаря достижениям техники в области сверхпроводников магнитометры уже не требуют наличия магнитного экрана и способны измерять магнитные поля с точностью до 10–15 Тл! Единственное, что должен сделать пациент, – убрать все металлические предметы, например ключи из кармана.
5. Магнитоэнцефалографический сканер, состоящий из 306 СКВИД, которые регистрируют даже чрезвычайно слабые магнитные поля, генерируемые нейронной активностью. В верхней части сканера содержится необходимый для охлаждения устройства жидкий гелий. Нейронная активность человека выявляется посредством зрительных и слуховых стимуляций (черный окулометр дополняет аппарат)
Тернистый путь к рекордам
Как это с самого начала предполагал Камерлинг-Оннес (см. главу 24), создание сильных магнитных полей является очевидным применением замечательных свойств сверхпроводников. В самом деле, магнитные поля для промышленного использования обычно получают с помощью электромагнитов, то есть катушек, через которые проходит электрический ток. Поле тем сильнее, чем сильнее протекающий в катушке ток и чем больше число витков провода в ней (см. главу 16, «Электромагнитная индукция»). Однако катушка из обычного проводящего материала обладает сопротивлением, и в ней при протекании тока благодаря эффекту Джоуля – Ленца выделяется тепло. На это расходуется значительная энергия, а чтобы провода не расплавились, необходимо их интенсивно охлаждать! Например, в 1937 году впервые было произведено поле в 10 Тл, при этом потребление электроэнергии было таким, что производить эксперименты было возможно только ночью, когда ее расходование другими пользователями было достаточно низким: охлаждающая система катушки требовала потока воды 5 л в секунду…
Для сверхпроводника эти ограничения не существуют! На первый взгляд, достаточно изготовить катушку из сверхпроводящего провода и создать в ней достаточно сильный ток: поскольку сопротивление сверхпроводника равно нулю, тепла он выделять не будет. А когда ток установится, то не нужно будет и подавать питание в цепь! Казалось бы, игра стоит свеч, несмотря на то что катушка должна постоянно находиться при температуре жидкого гелия. Но, к сожалению, сверхпроводники I рода не выдерживают сколь-нибудь значимых для практических применений магнитных полей (см. главу 24, «Эффект Мейснера – Оксенфельда»).
6. Электронно-микроскопическое изображение сверхпроводящей пленки нитрида ниобия NbN, полученное путем напыления металла на стеклянную пластину. Ясно видна столбчатая структура материала. Перескочить через границу таких зерен абрикосовским вихрям довольно сложно
Решением проблемы стали сверхпроводники II рода, которые, как мы уже знаем, могут оставаться в сверхпроводящем состоянии вплоть до очень высоких магнитных полей. Магнитное поле проникает в их объем в форме вихрей с нормальной сердцевиной, однако между вихрями остается сверхпроводящая фаза, по которой сверхпроводящий ток может протекать без сопротивления.
Однако не все оказалось так просто. Дело в том, что при протекании тока на вихри, сквозь которые в сверхпроводник проникает магнитное поле, действует сила Ампера в направлении, перпендикулярном и магнитному полю, и току. В результате вся решетка вихрей Абрикосова начинает двигаться. Произведение вектора силы Ампера на вектор перемещения вихря дает работу. Таким образом, движение решетки вихрей происходит с рассеиванием энергии, и снова электрическое сопротивление, уже сверхпроводящей катушки, становится отличным от нуля!
К счастью, движению вихрей можно препятствовать. Для этого достаточно, чтобы в сверхпроводнике содержались микроскопические дефекты. Как правило, они спонтанно возникают в результате термической обработки, при изготовлении сверхпроводящего сплава (илл. 7). Одиночные вихри «зацепляются» за эти дефекты, и вместе с ними останавливается движение всей решетки абрикосовских вихрей. Понятно, что такой механизм не может противостоять любой по величине силе Ампера, однако, пока сила тока не превышает определенного критического значения, электрическое сопротивление сверхпроводящего провода остается равным нулю. Это явление называют пиннингом (от англ. pinning – «закрепление», «пришпиливание»): вихри как бы оказываются «закрепленными» на дефектах. Обычно дефекты вредят, но в данном случае они помогают! Тем не менее наличие дефектов, как будет показано далее, играет и отрицательную роль.
Благодаря явлению пиннинга многие сверхпроводники II рода используются для создания сильных магнитных полей. Это, например, олово-ниобиевый сплав, в котором можно достигать плотности тока вплоть до 105A∙см–2 (сравните эту величину с несколькими сотнями ампер на квадратный сантиметр для меди). При этом верхнее критическое поле Bк2 для этого сплава при низких температурах составляет 25 Тл.
7. Олово-ниобиевый кабель (Nb3Sn), состоящий из множества сверхпроводящих нитей, помещенных в медную матрицу. Его диаметр составляет около 4 см. Через полое пространство в центре кабеля проходит охлаждающий его жидкий гелий. По кабелю передается ток 68 кА
Для получения сильных магнитных полей создание сплава с подходящими критическими параметрами необходимо, но недостаточно. Из него еще нужно изготовить кабель! Олово-ниобиевый сплав хрупок, и сделанный из него кабель ломается при малейшем скручивании. Эта проблема была решена путем заполнения медной трубки порошкообразной смесью ниобия и олова. Затем эту трубку растягивают (проволакивают) таким образом, чтобы получить провод, который после этого нагревают. Порошок, плавясь, дает желаемый сплав олова и ниобия. Описанный процесс лежит в основе создания так называемых композитных сверхпроводников. Их получают, просверливая в медной матрице параллельные каналы и вставляя в них сверхпроводящие волокна. Матрица подвергается процедуре волочения, и полученный провод в свою очередь снова вставляется в отверстия следующей матрицы и т. д. Повторив эту процедуру несколько раз, получают кабель, содержащий миллионы сверхпроводящих волокон (илл. 8). Например, в катушке, используемой для международного экспериментального термоядерного реактора ITER (о котором будет рассказано ниже), каждый сверхпроводящий кабель состоит из 900 сверхпроводящих волокон, изготовленных из олово-ниобиевого сплава Nb3Sn и 522 медных нитей диаметром 0,8 мм, которые делятся на шесть «лепестков». Каждое из сверхпроводящих волокон состоит из примерно 9000 нитей Nb3Sn диаметром несколько микрометров, утопленных в медной матрице. Общее количество нитей в кабеле превышает 8 млн. Конечно, то же самое можно проделать с любым другим сплавом, например ниобиево-титановым сплавом NbTi, более распространенным и менее дорогостоящим, чем сплав Nb3Sn.
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 Nb3Sn: 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.
Где же работают сверхпроводники?
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 м3.
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 Nb3Sn
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 LI2/2, 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…