книги / Ниже 120 по Кельвину

течет поверхностный ток, который имеет такое направле­ ние и такую величину, что созданное им магнитное поле полностью компенсирует внешнее магнитное поле.

Несколько десятилетий сверхпроводимость остава­ лась «вещью в себе», которую не удавалось ни объяс­ нить, ни использовать на практике. «Критические пара­ метры», при которых «выключалось» сверхпроводящее состояние, — маленькая сила тока, небольшое магнитное поле, чрезвычайно низкая температура — никак не удов­ летворяли физиков и инженеров.

Лишь в послевоенные годы была разработана тео­ рия сверхпроводимости. Доступно изложить ее можно, лишь опираясь на законы квантовой механики. Вот гру­ бые сравнения: при перемещении электронов по обычно­ му проводнику они встречают сопротивление — это по­ хоже на движение группы людей, пересекающих ожив­ ленную рыночную площадь. При движении по сверхпро­ воднику электроны объединяются в пары, взаимодейству­ ют с кристаллической решеткой и через нее как бы при­ тягиваются друг к другу, несмотря на действие всем из­ вестного закона Кулона: одноименные заряды отталки­ ваются. Образуется конденсат спаренных электронов, по­ добие сверхтекучей, электронной жидкости — это на­ поминает движение солдат на параде, беспрепятственно шагающих по площади. Книга физика и популяризатора науки В. И. Рыдника, вышедшая в издательстве «Знание» в 1986 г., так и называется «Электроны шагают в но­ гу».

Какова роль низкой температуры в явлении сверхпро­ водимости? Если температура повышается, тепловое движение разбрасывает частицы, взаимодействующие «слипшиеся» пары электронов. Полностью ли исчезает сопротивление сверхпроводника постоянному току? Вот результат одного из опытов. Ток от источника подвели в сверхпроводящую цепь, помещенную в криостат с жид­ ким гелием, и замкнули ее саму на себя. О силе тока физики судили по магнитному полю около криостата. Два с половиной года не наблюдалось ни малейшего за­ тухания тока. Эксперимент прекратили только из-за за­ бастовки транспортных рабочих: некому стало подвозить жидкий гелий и жидкий азот.

Часто спрашивают: а не нарушается ли в подобных опытах первое начало термодинамики — закон сохране­ ния энергии? Конечно, нет. Энергию сверхпроводящая

121

цепь получила от источника, г уж дальше совершенно не растрачивала ее.

Можно представить себе такую аналогию: конькобе­ жец разбежался и вечно скользит по идеальному льду

всреде, где совсем нет сопротивления...

В1961 г. были созданы сверхпроводники второго по­ коления из сплавов различных металлов с существенно лучшими критическими параметрами. Так, сверхпровод­ ник второго рода — проволока из ниобия и титана — про­ пускал ток с фантастической плотностью— 1000 А/мм2. (Для сравнения: плотность тока в медном проводнике в сотни раз меньше.) Даже самый мощный электромаг­ нит того времени (США) не смог «разрушить» сверхпро­ водящее состояние. Со временем были созданы сверх­ проводники, работающие в очень сильных магнитных по­ лях — до 10 Т.

Американский профессор Ричард Мак-Фи в порыве энтузиазма заявил: по сверхпроводящему кабелю тол­ щиной в руку можно передать всю пиковую мощность электростанций США!

Казалось, наступил «золотой век» электротехники.

Десятки электротехнических фирм в развитых странах мира горячо взялись за исследования, проектирование, испытания сверхпроводящих кабелей, трансформато­ ров, электрических машин постоянного и переменного то­ ка, других устройств.

И все же, несмотря на все усилия ученых и инжене­ ров, в мире еще нет в промышленной эксплуатации ни одной сверхпроводящей электрической машины, ни даже одного сверхпроводящего кабеля. Были приостановлены работы по сверхпроводящим трансформаторам. Значи­ тельно свернуты исследование лабораторных образцов сверхпроводящих кабелей, униполярных машин, машин постоянного тока. Почему так?

Рассмотрим кабель — одно из самых простых элект­ ротехнических устройств. На кабельных заводах можно производить лишь небольшие отрезки «жесткого» или гибкого кабеля. Как идеально состыковать в полезых условиях многие тысячи сверхпроводящих жил, трубо­ проводы для прямого и обратного потока гелия, вакуум­ ные полости? Нет потерь энергии только в кабеле по­ стоянного тока (это, конечно, не касается криогенного оборудования — его работа требует расхода энергии). Но электростанции вырабатывают переменный ток, боль-

122

шинство потребителей нуждаются в переменном токе. Поэтому на концах кабеля постоянного тока нужно со­ оружать дорогие преобразовательные подстанции. Рас­ четы показывают: сверхпроводящие кабели выгодны только при очень больших мощностях и надлежащем уровне надежности. Ведь отказ кабеля приведет к бас­ нословным потерям — захолодить его и включить снова удастся лишь через много часов...

Самое же главное препятствие: непомерно велики за­ траты на получение и поддержание «гелиевой температу­ ры. Ожижители этого газа пока что сложные, капризные, не очень надежные.

А между тем ныне существующие «теплые» электри­ ческие машины и линии десятилетиями исправно трудят­ ся в энергосистемах. Получается, что работа по «холод­ ным» электрическим машинам и кабелям— это научный задел для энергетики XXI в.

НОВАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В ФИЗИКЕ

18 марта 1987 г. Нью-Йорк, отель «Хилтон». Швейца­ ры и другие служащие фешенебельной гостиницы впер­ вые наблюдали нечто из ряда вон выходящее. Как толь­ ко открылись двери конференц-зала, в него бросились, расталкивая друг друга как школьники, седовласые про­ фессора, известные ученые, солидные бизнесмены. Все 1200 мест былы заполнены за 3 мин, еще тысяча чело­ век замерла на несколько часов, вытянув шеи, у стен п в дверях.

...Восемью днями спустя нечто подобное повторилось и в нашей стране. Академик В. Л. Гинзбург приехал в Институт физических проблем им. С. И. Вавилова АН

СССР. Увы, храм науки уже был переполнен, ворота и двери наглухо закрыты, дружинники еле сдерживали на­

сии. В зале, как говорится, яблоку негде было упасть, ученые заполнили даже радиофицированный холл. . За­ седание, которое обычно длится два часа, затянулось на четыре с половиной, но участники не спешили разой­ тись...

...Впрочем, рекорд «прозаседавшихся» побило собра­ ние Американского физического общества, куда были приглашены ученые разных стран мира. Научное заееда-

123

ние шло всю ночь, физики разбрелись по ломам и оте­ лям лишь в шестом часу утра*

Что же случилось?

Обсуждались первые сообщения об открытии высоко­ температурной сверхпроводимости. 27 января 1986 г. на­ учные сотрудники цюрихского отделения известной фир­ мы ИБМ, которая специализируется на выпуске ЭВМ/ Дж. Беднорц и К. Мюллер исследовали новое соединение из металлооксидной керамики (лантан — барий — медь

— кислород). Маленький кусочек керамики был темным, невзрачным на вид, плохо отражал свет, не имел метал­ лического блеска. Вещества такого рода почти всегда яв­ ляются хорошими изоляторами, ученым не приходило в голову проверять их на наличие сверхпроводимости. И тем не менее упомянутые физики установили: по образ­ цу шел постоянный ток без сопротивления при темпера­ туре около 30 К.

(Удивительная вещь керамика. Появилась в эпоху неолита. Хумы для хранения воды, блюда, кирпич, че­ репица, фаянс, фарфор... А в наши дни керамика — это

а теперь и «теплые» сверхпроводники.)

Лишь через три месяца Дж. Беднорц и К. Мюллер решились написать статью о своем открытии. Ее не хоте­ ли публиковать — подобные сообщения считались не­ серьезными, несолидными. Статья вышла в малоизвест­ ном физическом журнале ФРГ.

Опыты физиков из Цюриха стали немедленно пере­ проверять в научных лабораториях разных стран. Они подтвердились, ученые стремились улучшить результаты. В феврале 1987 г. американский физик китайского про­ исхождения Пол Чу сумел получить другое соединение из оксидной керамики (лантан — стронций — медь —- кис­ лород), которое переходило в -сверхпроводящее состоя­ ние уже при 98 К.

«Теплые» сверхпроводники, которые можно охлаж­ дать жидким азотом, стали реальностью.

Неожиданность? Везение?

Конечно, роль случая нельзя отрицать. И все же фи­ зики, если так можно выразиться, уже имели заказ тех­ ники, более того, социальный заказ общества на высо­ котемпературную сверхпроводимость. Стало очевидным:

124

именно в необходимости охлаждение жидким гелием ка­ мень преткновения на пути широкого внедрения сверхпроводящих устройств. Например, в лабораториях сверх­ проводящих электрических кабелей сам этот кабель можно с трудом разглядеть среди ожижителей, детан­ деров, ресиверов, газгольдеров, дыоаров, трубопроводов, шлангов, измерительной аппаратуры.

Еще, в 1964 г. физики-теоретики — американский уче­ ный В. Литтл и академик В. Л. Гинзбург предложили свои модели «теплых» сверхпроводников. В 1977 г. наш академик вместе с коллегами опубликовал книгу «Проб­ лема высокотемпературной сверхпроводимости», ее перевели на английский и в 1982 г. издали в США — она до последнего времени была единственной в мировой на­

пективной. Мешало и распыление оил, нехватка обору­ дования и материалов, засилие нужных и ненужных бу­ маг. Впрочем, однажды — это было в 1979 г.---другая группа советских ученых-химиков синтезировала вещест­ во, которое через 8 лет получили американские ученые. Если бы наши химики догадались опустить его в жидкий гелий и в жидкий азот и исследовать на сверхпроводи­ мость...

Отдадим должное первооткрывателям нового класса сверхпроводящих материалов Дж. Берднорцу. и К. Мюл­ леру. В течение многих лет они были верны своим «су­ масшедшим» идеям, терпеливо растирали металлы в по­ рошки, готовили и спекали смеси, испытывали образцы. Позже Нобелевская премия достойно увенчала их труд.

И не стоит ли задуматься: открытие, которое потряс­

лишь НИИ е многотысячным коллективом. Ошеломляющие сообщения стали поступать из науч­

125

стране по высокотемпературной сверхпроводимости ста­ ло работать более десяти лабораторий. Так, группа уче­ ных ФИАНа во главе с кандидатом физико-математиче­ ских наук А. И. Головашкиным синтезировала керами­ ческое соединение на основе иттрия с критической тем­ пературой перехода 92 К.

Впорыве всеобщего энтузиазма появились сообщения,

вкоторых, мягко говоря, желаемое выдавалось за дейст­ вительное: переход в сверхпроводящее состояние был якобы обнаружен даже при обычной температуре. По мнению академика В. Л. Гинзбурга, природа не наложи­ ла запрета и на сверхпроводимость при комнатной тем­ пературе, но более тщательные опыты пока не подтвер­ дили этого.

Журнал американских деловых людей «Бизнес уик», который крайне редко помещает сообщения о новостях науки, опубликовал статью о «теплых» сверхпроводни­ ках на первых страницах. «Эпохальное открытие», «Меч­ та стала явью», «Потрясающие результаты», «Гигант­ ский скачок вперед» — такие заголовки появились в га­ зетах многих стран.

«Это — революция, — сказал один из отцов высоко­ температурной сверхпроводимости академик В. Л. Гинз­ бург, — произошло событие, выходящее далеко за пре­ делы физики, совершилось событие колоссального обще­ ственного звучания». «...Если считать, что термоядерная электростанция — это самое крупное свершение будуще­ го в области технической физики, то на второе место по значимости для человечества я бы уверенно поставил вы­ сокотемпературную сверхпроводимость».

(А как часто мы с тоской думали, что все важнейшие законы физики уже открыты.)

...Московский Дом ученых. Шло заседание, посвящен­ ное «теплым» сверхпроводникам. Докладчик, закончив выступление, пригласил всех желающих подойти к ка­ федре и посмотреть опыт. Ученый достал обыкновенный термос и отлил в стаканчик жидкий азот. Затем взял пинцетом темное колечко из оксидной металлокерамики и опустил его в кипящую, окутанную парами низкотем­ пературную жидкость. Охлажденный сверхпроводник он поместил над постоянным магнитом. И колечко... завис­ ло в воздухе. (Этот опыт воспроизведен на обложке этой книги.) Желающие могли прикоснуться к нему, оно пру­ жинило, стремилось паоить. Воспроизводился знамени­

Г26

тый эффект Мейснера-Оксенфельда: сверхпроводник от­ талкивал магнитные силовые линии, незатухающий ток на его поверхности как бы создавал зеркальный магнит­ ный полюс. Как только колечко нагревалось от воздей­ ствия окружающей среды, оно падало на магнит. А пос­ ле охлаждения в жидком азоте вновь — -подобно леген­ дарному гробу Магомета — парило в пространстве.

Этот опыт, который демонстрируется сейчас повсю­ ду— в научных лабораториях, в институтских аудито­ риях, на публичных лекциях, — производит глубокое впе­ чатление. Экзотичная загадочная сверхпроводимость с неведомых высот квантовой физики как бы спустилась на грешную землю, становится таким же понятным буд­ ничным явлением, как закон Ома. Физики шутят: сейчас любая домохозяйка может «испечь» высокотемператур­ ный сверхпроводник. (Впрочем, пусть домохозяйки лучше пекут пироги, а вот студентам или даже школьникам вполне по силам изготовлять «теплые» сверхпроводники. Все необходимое оборудование: ступка, пестик, фильтр, пресс и хорошая печь.) А жидкий азот стоит столько же, сколько «газированная вода. (Сравним: цена 1 л жидкого гелия — 10 руб., жидкого азота — 5 коп.) И получают его в громадных количествах на воздухоразделительных ус­ тановках металлургических и химических заводов.

Что же дальше?

«Теплая» сверхпроводимость поставила немало зага­ док перед учеными: надо объяснить ее механизм.

Нужен надежный мост от науки к практике, до сих пор поиск новых материалов идет в основном методом проб и ошибок. Пока что новые материалы способны нести очень небольшие токи. Из хрупкой и не очень ста­ бильной по химическому составу керамики надо научить­ ся делать сверхпроводящие пленки, провода, много­ жильные кабели— «в СССР, Японии, США получены первые опытные образцы таких изделий. Нужно нала­ дить их массовое производство.

Мнение ученых, технологов, инженеров единодушно: «теплые» сверхпроводники войдут в жизнь очень быст­ ро. При переходе с гелиевого на азотный уровень за­ траты на систему охлаждения снизятся в 350 (!) раз.

Многие из тех устройств, которые описаны или упо­ мянуты в книге: сверхпроводящие турбогенераторы и ка­ бели, ускорители со сверхпроводящими магнитами и накопители энергии, установки для магнитной сепарации

127

руд и сверхбыстрые суда со сверхпроводящими движи­ телями, «Токамаки» и МГД-генераторы, СКВИДы и квантовые усилители, — вероятно, в обозримом буду­ щем уже будут охлаждаться не жидким гелием, а жид­ ким азотом. Такое может произойти с некоторыми при­ борами быстрее, чем эта книга увидит свет. «Теплые» сверхпроводники, возможно, изменят энергетику. В на­ стоящее время нетрадиционные источники: Солнце, ве­ тер, морские приливы почти не используются. Одна из проблем: эти источники не могут работать непрерывно, а электрический ток нужен практически всегда. Дешевый, надежный сверхпроводящий накопитель энергии может стать неотъемлемой частью солнечных и других электро­ установок, сделать их жизнеспособными и экономич­ ными.

Иметь неиссякаемые источники экологически чистой энергии — это ли не мечта!

ПОДОБНОЙ МАШИНЫ ЕЩЕ НЕ БЫЛО

В Ленинградском объединении «Электросила» пол руководством доктора технических наук Г. М. Хуторецкого изготовляется криогенный турбогенератор в 300 МВт — прототип будущих сверхмощных машин. Мощ­ ность выбрана не случайно: такие машины работают ип наших электрических станциях, для них имеется серий­ ная паровая турбина. Сначала расскажем о том, как ис­ пользуется и как устроена такая машина в обычном ис­ полнении.

...В Советском Союзе приблизительно 88% электри­ ческого тока вырабатывается на тепловых и атомных электрических станциях.

На тепловой станции образуется -пар, поступающий на лопатки паровой турбины. На общем валу с ней рас­ положен ротор турбогенератора.

Атомная электрическая станция работает по тому же принципу, только вместо котла для получения пара ис­ пользуется ядерный реактор. Для повышения эффек­ тивности МГД-установок отработанную плазму исполь­ зуют для подогрева пара, который опять-таки посредст­ вом паровой турбины вращает турбогенератор. Не иск­ лючено, что и грядущие термоядерные устройства будут иметь в своем составе эту машину.

Генератор переменного тока появился более ста лет

128

назад, принцип его действия остался неизменным. На роторе имеется обмотка, которая питается постоянным током. Электрический ток создает магнитное поле, ротор становится электромагнитом. В неподвижной части тур­ богенератора — статоре тоже расположены проводники электрического тока. При вращении ротора его магнит­ ные силовые линии пересекают проводники статора, в них наводится переменная электродвижущая сила — ЭДС.

Она пропорциональна силе магнитного поля, поэтому в электрической машине непременно надо создать дос­ таточно мощный магнитный поток. Известно: если внутрь катушки, обтекаемой током, вставить стальной сердеч­ ник, магнитное поле вокруг нее будет многократно уси­ лено. Вот почему в электрической машине всегда есть матнитопровод из электротехнической стали. Ротор и ста­

электрических машин.

В ограниченном объеме турбогенератора от больших гоков выделяется так много тепла, что без принудитель­ ного охлаждения изоляция обмоток мгновенно перегре­ ется, обуглится и машина выйдет из строя. Разработка эффективного охлаждения с помощью водорода, дистил­ лированной воды — наряду с решением других важных проблем — дала возможность создать такие крупные ма­ шины, как турбогенераторы мощностью 500 МВт, 800 и наконец 1200 МВт. И что очень существенно1: начиная с машины мощностью 300 МВт, которая уже была выпол­ нена в габаритах, предельных по условиям железнодо­ рожных перевозок, размеры более мощных машин почти не увеличивались. За полвека единичная мощность, то есть мощность отдельного турбогенератора, выросла в 2400 раз.

Эффективно наращивать мощность, а следовательно, и выработку электрической энергии, обеспечить нужные темпы электрификации всей страны можно только вво­ дом в строй электрических станций со все более круп­ ными энергетическими блоками.

Теория и практика показывают: выгодно создавать мощные энергетические агрегаты — при их изготовлении получается солидная экономия меди, стали, других кон­ струкционных и изоляционных материалов.

Электромашиностроительному заводу легче изгото­

вить одну крупную электрическую машину, чем несколь­ ко мелких на ту же суммарную мощность: меньше тре­ буется работах, не так напряженно работают краны, Станки и другое оборудование.

Один турбогенератор требует меньшую площадь под установку, чем две машины половинной мощности. Сле­ довательно, снижаются капитальные затраты, растет производительность труда строительных рабочих, элект­ рическая станция скорее войдет в строй действующих. Чем крупнее электрическая машина, тем выше ее кпд, следовательно, меньше расход топлива. Но изготовление «юверхмашин» ограничивается производственными воз­ можностями электромашиностроительных и металлурги­ ческих заводов. Например, чтобы изготовить ротор турбогенераторов 1200 МВт, нужна поковка массой 230 т. Чем больше выплавляемый слиток, тем труднее получить однородный металл без раковин, пустот, тре­ щин, примесей, вредных включений.

Чем мощнее турбогенератор, тем сложнее перевезти его по железной дороге к месту установки. Так, для пе­ ревозки упомянутого турбогенератора 1200 МВт был из­ готовлен сочлененный транспортер грузоподъемностью 500 т, длиной 60 м с 32 осями.

Однако, разумеется, есть пределы роста для элект­ ромашин, и они уже почти достигнуты. Активная длина ротора (где располагается обмотка) не может быть больше 8 м, иначе возникнут недопустимые прогибы. Ди­ аметр ротора тоже ограничен (1,2—1,3 м) условиями прочности, при этом линейная скорость точек, находя­ щихся на поверхности, такая же, как у реактивного само­ лета, а центробежные силы, стремящиеся вытолкнуть обмотку из пазов, разорвать ротор на куски, достигают десятков и сотен тонн. Поднять напряжение обмотки ста­ тора значительно выше 24 кВ тоже вряд ли удастся: проводники упрятаны в тесных пазах стального сердеч­ ника, и для изоляции остается очень мало места...

Из-за перечисленных и других ограничений предел мощности турбогенератора 2500—3000 МВт.

Чтобы обеспечить серийный выпуск «сверхмашин», нужна коренная реконструкция производства: более ем­ кие мартеновские или электрические печи, цехи на ме­ таллургических заводах с более высокими пролетами, гигантские станки высотой с двухэтажный дом для обра-

130