Генрих Бурмин - Штурм абсолютного нуля
Колечко иттрий — бариевой керамики, предварительно охлажденное в жидком азоте, отталкивается магнитом.
В результате взаимодействия этих полей возникает сила, которая по закону Ленца стремится от — толкнуть колечко от магнита. И колечко отскакивает от магнита, словно бабочка от огня.
Заметьте, на протяжении демонстрации колечко ничем не охлаждается.
В чем секрет этого «фокуса»?
Время отогревания при комнатной температуре колечка, охлажденного в жидком азоте до критической температуры иттрий — бариевой керамики (то есть от 77К до 94—98К), равно примерно 30 секундам. Этого времени вполне достаточно, чтобы уверить неискушенного зрителя, будто бы он наблюдал сверхпроводимость при комнатной температуре.
А в самом деле, возможна ли сверхпроводимость при комнатной температуре и какие для этого требуются условия?
Однозначный ответ на этот вопрос наука дать еще не может. К единому мнению о природе высокотемпературной сверхпроводимости керамики ученые не пришли, хотя гипотез, выдвигаемых теоретиками, очень много.
Надежных экспериментальных данных, подтверждающих или отвергающих ту или иную гипотезу, пока не получено. Трудности усугубляются тем, что керамика имеет поликристаллическую, то есть зернистую структуру. Из‑за хаотического расположения зерен результаты измерений колеблются от образца к образцу. Правда, советским ученым уже удалось для исследований синтезировать монокристаллы керамики достаточно большой величины.
С момента открытия сверхпроводимости при низких температурах до теоретического обоснования этого явления прошло, как читатель уже знает, почти полвека… В какой срок уложатся на сей раз теоретики, предугадать трудно.
Однако это не удерживает экспериментаторов в их неуемном стремлении к вершинам высокотемпературной сверхпроводимости.
Когда‑то один известный физик высказался, правда по другому поводу, примерно так: можно хорошо играть в шахматы, не зная природы материала, из которого изготовлены шахматные фигуры.
Продолжая подобную аналогию, можно сказать, что гроссмейстеры высокотемпературной сверхпроводимости прекрасно разыграли дебют и перешли в миттельшпиль.
Но в отличие от шахматной партии, где время строго ограничено, невозможно предсказать, не обладая даром ясновидения, как будет протекать в дальнейшем «игра» в сверхпроводимость, длящаяся с начала нынешнего века. Однако, несомненно, проигравших в этой «партии» не будет.
12. Ученик чародея. Непокорная плазма. Династия Токамаков. Подземный склад энергии. Необычное озеро. Летающий поезд. Новейший ускоритель
Можно смело утверждать: «кораблю» сверхпроводимости уготовано большое плавание в безбрежном море технического прогресса.
Уже сегодня решение ряда перспективных проблем науки и техники не мыслится без использования сверхпроводимости.
Среди них особенно важны так называемые глобальные проблемы, решение которых имеет существенное значение для судьбы всего человечества.
Глобальной проблемой номер один является энергетическая.
Вся жизнь есть энергия,
Энергия — вечный восторг.
Эти строки английского поэта XVIII века Уильяма Блейка, разумеется, не претендуют на строго научное определение энергии. В них ярко выражена мысль о том, что без энергии вообще немыслима жизнь человека на Земле.
С развитием технического прогресса и ростом народонаселения потребность человечества в энергии непрерывно возрастает.
Ожидается, что к 2000 году потребление энергии на нашей планете возрастет почти в три раза по сравнению с сегодняшним уровнем.
Природные запасы источников энергии не безграничны.
И уже сегодня многие страны находятся под угрозой энергетического кризиса.
С овладением энергией атомного ядра человечество получило новый энергетический источник немыслимой ранее мощности.
По оценке специалистов, природных запасов основного «топлива» атомных электростанций — урана, при его рациональном использовании, хватит человечеству на несколько сотен лет.
Ученые всего мира усиленно работают над следующим этапом использования ядерной энергии — освоением управляемых термоядерных реакций.
В ядерной (атомной) энергетике используются реакции деления тяжелых ядер, при которых ядра делятся на части нейтронами и образуются новые нейтроны.
А в термоядерной энергетике используется противоположный эффект — процесс синтеза ядер легких элементов.
Когда два легких ядра сливаются вместе, происходит так называемая термоядерная реакция.
Термоядерная реакция может происходить только, когда ядра сближаются на расстояние в одну миллионную долю нанометра.
Чтобы состоялось такое сближение, ядра должны преодолеть кулоновские силы отталкивания, то есть обладать большой кинетической энергией. Для этого вещество должно находиться при достаточно высокой температуре, порядка сотен миллионов градусов.
Термоядерные реакции сопровождаются колоссальным выделением энергии. Так, например, энергия, освобождаемая при синтезе всего лишь четырех граммов гелия из водорода, оценивается в 700 тысяч киловатт часов. Это примерно соответствует дневной потребности в энергии для бытовых нужд города с населением в несколько сот тысяч человек.
На Земле термоядерные реакции впервые были осуществлены в водородной бомбе.
Нагрев бомбы до температуры в несколько сотен миллионов градусов осуществляется путем взрыва обычной атомной бомбы. Мгновенно выделяющаяся при термоядерной реакции энергия обладает взрывным действием колоссальной разрушающей силы. По мощности взрыва и силе поражающих действий (ударная волна, радиоактивное излучение и т. п.) водородная бомба значительно превосходит атомную бомбу.
Среди произведений Иоганна Вольфганга Гете есть баллада «Ученик чародея».
В этой балладе колдун, отлучившись, оставляет своего ученика на кухне, приказав ему натаскать бочку воды. Мальчик ленив, но достаточно предприимчив: он заставляет выполнить это задание… метлу, произнеся над ней заклинание, подслушанное у своего хозяина.
Метла наполняет бочку водой, но остановить ее ученик чародея не может. Непутевый мальчик почти тонет — он не выучил или забыл другое заклинание, которое остановило бы метлу. В отчаянии он хватает метлу и ломает ее пополам, но с ужасом обнаруживает, что из каждой половины продолжает течь вода. К счастью, он не погиб — появился хозяин, который, произнеся магическое слово, остановил метлу и хорошенько наказал нерадивого ученика.
Так вот, в отношении термоядерных реакций мы в момент, когда пишутся эти строки, находимся на уровне «ученика чародея». Мы можем вызвать термоядерную реакцию, но пока не в состоянии полностью управлять ею, с тем чтобы направить освобождаемую при этом энергию не на разрушение, а на созидание материальных благ.
Трудности, которые суждено преодолеть ученым на пути к освоению управляемых термоядерных реакций, велики.
Газообразный водород в термоядерном реакторе необходимо не только разогреть до баснословной температуры, исчисляемой сотнями миллионов градусов.
При столь высокой температуре любое вещество превращается в плазму, то есть газ, состоящий практически из «голых» ядер и электронов. Разумеется, такую горячую плазму невозможно удержать ни в одном сосуде. Но поскольку плазма состоит в основном из заряженных частиц, на их траекторию можно воздействовать магнитными полями. Тогда при достаточно сильных магнитных полях и их соответствующей конфигурации представляется возможность, несмотря на высокие скорости частиц, удерживать их в пространстве, в котором может быть осуществлена термоядерная реакция.
Однако плазма — это весьма свободолюбивая «особа». Чем больше ограничивается движение частиц, тем сильнее плазма стремится вырваться из- под опеки, освободиться от удерживающих ее магнитных уз.
В плазме, ограниченной магнитным полем, развиваются колебания и волны, и плазма «просачивается» между силовыми линиями магнитного поля. Магнитное удержание нарушается.
Было предложено немало хитроумных конструкций для удержания плазмы. Из них наиболее удачной оказалась система типа «Токамак».
Слово «Токамак» расшифровывается так: «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками».
Эта система, предложенная советскими учеными в 50–х годах и впервые осуществленная в СССР, получила признание во всех странах мира, где ведутся работы по управляемым термоядерным реакциям. Сегодня слово «Токамак» одинаково звучит на русском, английском, японском и многих других языках.
