Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
составляют 0,3 кВт, если по сверхпроводнику длиной 1 м проходит ток 10 кА. Эти
потери можно значительно снизить, если уменьшить размеры сверхпроводника,
например, разделив его на тонкие нити или впрессовав в пористый материал.
Такие "синтетические" сверхпроводники обладают по крайней мере двумя
преимуществами: во-первых, при уменьшении размеров сверхпроводника улучшаются
его сверхпроводящие свойства; во-вторых, снижаются потери на вихревые токи в
несверхпроводящих областях синтетического сверхпроводника…
Если вспомнить Камерлинг-Оннеса, то, будучи скорее инженером, чем чистым
физиком, он уже в 1913 г. решил построить сверхпроводящий электромагнит на 10 Тл,
не потребляющий энергии. Поскольку, рассуждал Камерлинг-Оннес, сопротивление
сверхпроводника равно нулю, ток в сверхпроводящем кольце будет циркулировать
вечно, не затухая. Всякий ток, как известно, создает магнитное поле. Так почему
бы не сделать из сверхпроводящей проволоки мощный электромагнит, не нуждающийся
в питании энергией? Это было бы революцией в электротехнике, и человечество
сэкономило бы миллионы киловатт электроэнергии, растрачиваемой понапрасну не
только в обмотках магнитов, но и в обмотках электрических машин и
трансформаторов. Наконец, можно было бы передавать электроэнергию по
сверхпроводящим линиям передачи без потерь.
К сожалению, мечте Камерлинг-Оннеса о сверхпроводящем соленоиде на 10 Тл не
суждено было сбыться по крайней мере при его жизни. Как только Камерлинг-Оннес
пробовал пропускать по сверхпроводнику значительный ток, сверхпроводимость
исчезала. Вскоре оказалось, что и слабое магнитное поле (индукция самое большее
в несколько сотых долей тесла) также уничтожает сверхпроводимость. Поскольку
такие слабые поля можно было гораздо проще получить с помощью постоянных
магнитов, реализацией идеи создания сверхпроводящих магнитов никто тогда
серьезно не занялся. Это довольно грустное открытие сделало с того времени
разговоры о сверхпроводящих магнитах беспредметными.
Надежды на постройку мощных сверхпроводящих магнитов возродились почти через
двадцать лет, в начале 30-х годов, когда голландские физики Де Гааз и Вуугд,
преемники Камерлинг-Оннеса по Лейденской лаборатории (Камерлинг-Оннес умер в
1926 г., так и не дожив до начала практического использования своего открытия),
установили, что сплав свинца с висмутом остается сверхпроводящим в магнитных
полях, превышающих 1,5 Тл. Это открытие давало возможность строить
сверхпроводящие магниты по крайней мере с таким полем. Однако эти магниты так
никто и не построил. Известный физик Кеезом, бывший в то время директором
Лейденской лаборатории, объявил, что максимальные токи, которые при наличии
магнитного поля выключают сверхпроводимость в сплаве свинца с висмутом, ничтожно
малы. Приговор был вынесен.
В истории сверхпроводящих магнитов произошло, быть может, самое драматическое
событие. Впоследствии оказалось, что Кеезом сделал то, чего не имел права
делать: он экстраполировал данные, полученные им в слабых полях, на область
сильных полей. К несчастью, Кеезом был слишком авторитетен. Едва узнав о его
результатах, физики оставили надежду построить сверхпроводящий магнит и занялись
другими проблемами. Между тем в настоящее время известно, что критический ток
для сплава свинец-висмут в полях до 2 Тл достаточно высок для того, чтобы
создать довольно мощные сверхпроводящие магниты. Авторитет Кеезома стоил физике
очень дорого: постройка сверхпроводящих магнитов была отложена почти на 30 лет.
Лишь после того, как в 1961 г. Кунцлер и его сотрудники объявили, что кусочек
проволоки из сплава ниобия с оловом (Nb3Sn) оставался сверхпроводящим в поле 8,8
Тл, даже в том случае, когда одновременно по этой проволоке пропускали ток
плотностью 1000 А/мм2, началась новая эра в истории сверхпроводимости.
Свойства вновь открытых сверхпроводников делали реальными планы их использования
в технике. Сверхпроводимость начала как бы вторую жизнь, но теперь уже не в
качестве любопытного лабораторного феномена, а как явление, открывающее перед
инженерной практикой весьма серьезные перспективы. Но и здесь оказались свои
трудности.
Если все сложилось так удачно, то спрашивается, почему традиционные
мамонтоподобные магниты еще не вышли из употребления? Почему до сих пор
сверхпроводящие магниты не завоевали принадлежащего им по праву места?
Пожалуй, в первую очередь это объясняется тем, что сверхпроводники с хорошими
свойствами оказались очень капризными. Обращение с ними потребовало от ученых
поиска новых технологических решений, новых представлений о природе
сверхпроводимости. Сейчас уже созданы сверхпроводящие электротехнические
материалы, которые можно успешно использовать в электромагнитах. Среди них есть,
например, такие сплавы, как ниобий-цирконий-титан и ниобий-титан. Они хорошо
поддаются обработке и из них сравнительно легко получить проволоку. Злые языки,
правда, подшучивают, что эта проволока дороговата, так как ее пока что
изготовляют сами ученые. Но производство сверхпроводящей проволоки уже налажено
на заводах, и стоимость ее неуклонно снижается.
Однако наиболее перспективные сверхпроводящие материалы (сплавы ниобий-олово и
ванадий-галлий) чрезвычайно хрупки (например, сплав ванадий-галлий легко
растирается в порошок пальцами). Поэтому такие соединения приходится упаковывать
в гибкие трубки или наносить на гибкую подложку. Даже такая сложная технология
изготовления себя оправдывает. Вот лишь один факт. В сверхпроводящих соленоидах,
навитых из стальной ленты с нанесенным на нее слоем из сплава ниобий-олово,
достигнуты магнитные поля до 17 Тл. И это при массе магнита в несколько десятков
килограммов вместо нескольких десятков тонн и практически при нулевом
потреблении электроэнергии вместо нескольких тысяч киловатт, которые
потребовались бы для работы несверхпроводящего магнита с теми же параметрами!
Сверхпроводящие соленоиды могут работать почти не потребляя энергии, поскольку
однажды возбужденный в них ток практически не затухает.
Количество энергии, расходуемой в ожижителе гелия и необходимой для поддержания
магнитов при низкой температуре, не идет ни в какое сравнение с теми громадными
количествами ее, которые тратятся в несверхпроводящих магнитах.
Конечно, постройка сверхпроводящих магнитов — далеко не простое дело. Одна из
серьезных и неожиданных трудностей, с которой пришлось столкнуться конструкторам
сверхпроводящих магнитов, — так называемая проблема деградации сверхпроводящей
проволоки в соленоидах. Чтобы понять сущность деградации, вспомним, как,
например, определяют нагрузку, которую может выдержать балка. Для этого,
конечно, не обязательно ее подвергать испытаниям. Надо лишь знать материал, из
которого сделана балка, и характер ее нагружения в работе. А так как прочность
материала известна (она измерена в результате испытаний небольших образцов), то
все сводится к несложным расчетам. Грубо говоря, во сколько раз сечение балки
больше сечения образца, во столько раз большую нагрузку эта балка сможет
выдержать. Словом, какой бы длинной или толстой ни была балка, ее свойства можно
более или менее достоверно заранее рассчитать, зная свойства маленького образца
из того же материала.
А вот для сверхпроводящих сплавов этих простых зависимостей не существует. Если
сечение одной проволоки в 10 раз больше сечения другой, сделанной из такого же
материала, то это вовсе не значит, что по первой можно пропускать ток в 10 раз
больший. Кроме того, характеристики сверхпроводника, измеренные на кусочке
проволоки, не совпадают с характеристиками навитых на катушки длинных кусков
проволоки. Катушки, рассчитанные на одно поле, дают в действительности другое,
значительно более низкое.
Это явление объясняют тем, что магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде
так называемых квантов потока. Так как проникновение потока носит скачкообразный
характер и всякое изменение поля во времени вызывает появление ЭДС, в некоторых
участках проволоки образуются вихревые токи, разогревающие проволоку и
преждевременно переводящие ее в нормальное, несверхпроводящее состояние. Поэтому
