Но какие проблемы у термоядерных реакторов всё же есть?
Физика, как всегда, беспощадна. Какой первый пример работающего термоядерного реактора вам приходит на ум? Правильно, звезда. Основным преимуществом этого «реактора» является тот факт, что он находится в космосе. В центре звезды десятки млн градусов и огромное давление, а вокруг вакуум, который всё это дело удерживает в виде сферы.
Давления как в центре звезды мы достичь не сможем, что требуется компенсировать увеличением температуры до 100 млн градусов как минимум. Как итог, для создания термоядерного реактора необходимо преодолеть кулоновский барьер, который и препятствует ходу термоядерной реакции в плазме.
Напомню, что кулоновский барьер – потенциальный барьер, который необходимо преодолеть атомным ядрам (которые заряжены положительно) для того, чтобы сблизиться друг с другом для возникновения притяжения, вызванного короткодействующим сильным взаимодействием нуклонов (ядерными силами). Кулоновский барьер есть следствие того, что, согласно закону Кулона, одноимённо заряженные тела отталкиваются. На малых расстояниях (порядка одного фемтометра) ядерные силы между двумя протонами сильнее кулоновских сил, расталкивающих одноимённо заряженные частицы; однако ядерные силы убывают с ростом расстояния значительно быстрее кулоновских сил. В результате зависимость суммарного потенциала взаимодействия ядер от расстояния имеет максимум (вершину кулоновского барьера) на некотором расстоянии.
В заключение следует отметить, что в термоядерном реакторе плазма с дейтерием и тритием, нагреваемая до настолько высоких температур, должна удерживаться сильнейшим магнитным полем, ведь если она не останется в центре вакуумной камеры (как Солнце в космосе, если проводить красивые аналогии), то прожжёт любой известный сегодня материал.
Магнитная ловушка такого типа требует довольно больших, сверхмощных магнитов, сделанных из сверхпроводящих материалов, которые охлаждаются жидким гелием. Именно поэтому одним из наиболее важных направлений для будущего развития термояда являются сверхпроводники.
Космические холод, давление и плазма: прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости
У сверхпроводимости, если сравнивать с другими открытиями ХХ века, довольно сложная судьба. Результаты абсолютного большинства последних достаточно быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а многие уже и в повседневной жизни заняли прочное место. Постулаты той же теории относительности активно применяются не только в различных космических исследованиях, но и непосредственной практике, как, например, в создании навигационных систем.
Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температуры, химических взаимодействий, разработки материалов. Уже более 100 лет с момента открытия этого явления человечество борется с преградами, которые были описаны сразу же после открытия сверхпроводимости.
Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?
Без краткого ликбеза тут не обойтись. Будет несложно представить, что вам необходимо проехать на автомобиле по очень плохой грунтовой дороге весной после сильного дождя.
Ваша скорость в таких условиях сильно ограничена. А вот ближе к зиме, когда начинаются первые заморозки, а дождя давно не было и грунт неплохо укатан, можно подумать, что едете вы по шоссе.
Ровно в таком же положении находятся электроны, составляющие электрический ток, проходящие через металлы при изменении температуры. При нагревании проводящего материала его атомные структуры начинают сильно колебаться, что значительно замедляет перемещение электронов. Более того, атомы выхватывают из потока электроны и рассеивают их, из-за чего не все доходят из точки «А» в точку «Б». Это явление вам известно под наименованием «сопротивление».
А теперь представьте, что вы охладили проводящий материал до абсолютного нуля (–273 °C). Внутренние колебания вещества (так называемый тепловой шум) в нём практически останавливаются, благодаря чему электроны проходят по нему без каких-либо потерь, то есть сопротивление падает до нуля. Именно это и называется сверхпроводимостью.
История этого открытия довольно интересна, поэтому не могу не рассказать о ней вкратце. Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году хоть и не говорил о сверхпроводимости как о каком-то отдельном явлении, но провёл ряд экспериментов, в которых охлаждал металлы, замеряя их электрическое сопротивление.
Основным металлом для этих исследований у Хейке была ртуть, так как этот металл в начале ХХ века лучше всего умели очищать от различных примесей, мешающих движению электронов.
Когда учёный с помощью жидкого гелия понижал температуру ртути до –269 °C (практически до абсолютного нуля), сопротивление в ней полностью исчезло. Правда, приборы в то время были недостаточно чувствительными, да и Хейке сам в это не верил, будучи осторожным в интерпретации результатов и высказываниях учёным, поэтому в лабораторном журнале он писал, что сопротивление «практически исчезало», хотя на самом деле оно полностью отсутствовало.
Впоследствии учёный, получивший за свои эксперименты с критически низкой температурой прозвище «Абсолютный нуль», проверил на сверхпроводимость довольно много самых разных металлов и сплавов, обнаружив, собственно, первый такой сплав из ртути, золота и олова и установив, что таким свойством обладают свинец и олово.
Правда, дальше этих экспериментов и звания «повелителя холода» Каммерлингу-Оннесу продвинуться не удалось всё из-за тех же ограничений, существовавших тогда приборов и слишком дефицитного жидкого гелия, а ведь он мог бы стать открывателем и второго фундаментального свойства сверхпроводников.
Эффект Мейснера
В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. Результатом оказалось новое открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объёма внешнее постоянное магнитное поле. Объяснялось это так, как никто не мог и предположить: проходящие через сверхпроводник токи, как оказалось, создают собственное магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества, а в сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю. Понимаете, о чём речь? Да-да – о левитации.
Открытие эффекта Мейснера вполне можно назвать фундаментальным, ведь, помимо прочего, оно позволило нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Если у чистых металлов эффект Мейснера проявляется на 100 % (сверхпроводники первого рода), то у сплавов – частично, так как они неоднородны (сверхпроводники второго рода) и магнитное поле в них выталкивается не полностью, заполняя пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Тут-то и началось хоть какое-то практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.
Итак, первой наиболее логичной целью на этом пути применения сверхпроводников специалисты увидели создание сверхпроводящих магнитов, для замены разработанных ещё в XIX веке электромагнитов, основанных на использовании обычных металлов, ведь все данные указывали на то, что сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества.
В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году специалистами General Electric был создан первый крупный сверхпроводящий магнит, мощность генерируемых полей которого достигала 10 Тл.
Научно-технический успех был очевиден, а вот экономика «хромала». Первый сверхпроводящий электромагнит оказался бесповоротно убыточным. Во-первых, стоимость создания возросла с предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долларов до 200 тыс. Тем не менее это нисколько не помешало молодым инновационным компаниям вступить в гонку за индуктивностью полей с 1970-х годов.
Основой стало понимание того, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, ведь с увеличением этого значения ускорялась и потеря сверхпроводимости. В то время, собственно, одна из тех самых молодых и инновационных компаний Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит, который генерировал поле с индукцией 12 Тл и применялся для различных работ по материаловедению.
Правда, это всё ещё было далеко от обычных электромагнитов, которые к концу 1970-х без особых проблем генерировали поля с индукцией до 23,4 Тл.
Ближе к середине 1980-х годов мощности сверхпроводящих магнитов, наконец, превысили показатели электромагнитов. В 1986 году та же Toshiba, поместив обычный резистивный электромагнит внутрь сверхпроводящего (создав, по сути, гибридный), добилась индукции величиной 31 Тл.
Само собой, встал вопрос коммерциализации, и большинство компаний ринулись в медицину. Так и появилась магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, которая выдаёт намного более чёткую диагностику, чем даже не так давно появившаяся технология компьютерной томографии и тем более рентгенография.
К чему всё идёт?
Как только учёные достаточно хорошо описали явление сверпроводимости, инженеры и бизнесмены начали думать о том, как на его основе создать технологию передачи тока на большие расстояния, ведь обыкновенные высоковольтные линии мало того что занимают слишком много места, которое не особо-то пригодно для какой-либо иной деятельности, так ещё и приводят к потере почти 10 % передаваемой энергии, а это всё деньги.
Понятное дело, что сверхпроводники первого рода (чистые металлы) не подходили для того, чтобы делать из них провода, по целому ряду причин, а когда появились сверхпроводники второго рода, встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий, да и вообще вся эта система.