Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
Фарадей не смог замерить тока в цепи. Но через несколько лет лорд Кельвин
повторил опыт Фарадея и получил небольшой ток. Казалось бы, все осталось, как у
Фарадея: те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем
то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются
с соленой водой пролива.
Вот она разгадка! Вода ниже по течению была более соленой и, следовательно,
обладала большей проводимостью! Это было сразу же зарегистрировано приборами.
Увеличение проводимости "рабочего тела" — генеральный путь увеличения мощности
МГД-генераторов. Но увеличить мощность можно и другим способом — повышая
магнитное поле. Мощность МГД-генератора прямо пропорциональна квадрату
напряженности магнитного поля.
Мечты об МГД-генераторах получили реальную основу примерно в середине нашего
века вместе с появлением первых партий сверхпроводящих промышленных материалов
(ниобий-титан, ниобий-цирконий), из которых удалось сделать первые, еще
маленькие, но работающие модели генераторов, двигателей, токопроводов,
соленоидов. А в 1962 г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Вильсон и Роберт
предложили проект МГД-генератора на 20 МВт с полем 4 Тл. Если обмотку сделать из
медного провода, то при стоимости 0,6 мм/долл. джоулевы потери в ней "съедят" —
полезной мощности (15 МВт!). Зато на сверхпроводниках обмотка будет компактно
облегать рабочую камеру, потерь в ней не будет, а на охлаждение уйдет всего 100
кВт мощности. КПД возрастет с 25 до 99,5 %! Тут есть о чем задуматься.
МГД-генераторами занялись всерьез во многих странах, потому что в таких машинах
можно использовать плазму в 8…10 раз более горячую, чем пар в турбинах
тепловых электростанций, а при этом по известной формуле Карно КПД будет уже не
40, а все 60 %. Вот почему в ближайшие годы недалеко от Рязани заработает первый
промышленный МГД-генератор на 500 МВт.
Конечно, создать и экономично использовать такую станцию непросто: нелегко
разместить рядом поток плазмы (2500 К) и криостат с обмоткой в жидком гелии
(4…5 К), раскаленные электроды обгорают и зашлаковываются, из шлаков надо
выщелачивать те присадки, которые только что добавлялись в топливо для ионизации
плазмы, но ожидаемые выгоды должны окупить все трудозатраты.
Можно представить себе, как выглядит сверхпроводящая магнитная система МГД-
генератора. Две сверхпроводящие обмотки расположены по бокам канала с плазмой,
отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в
титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать,
эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как
электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть
друг к другу.
Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепло не выделяется, рефрижератор, который
требуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен отводить лишь то
тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию и
токоподводы. Потери в токоподводах можно свести практически к нулю, если
использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые от
сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.
Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося через
изоляцию, по расчетам должен вырабатывать несколько десятков литров жидкого
гелия в 1 ч. Такие ожижители выпускает промышленность.
Без сверхпроводящих обмоток были бы нереальными крупные токамаки. В установке
"Токамак-7", например, обмотка массой 12 т обтекается током 4,5 кА и создает на
оси плазменного тора объемом 6 м3 магнитное поле 2,4 Тл. Это поле создается 48
сверхпроводящими катушками, потребляющими за час всего 150 л жидкого гелия,
повторное сжижение которого требует мощности 300…400 кВт.
Не только большая энергетика нуждается в экономичных компактных мощных
электромагнитах, без них трудно обойтись ученым, работающим с рекордно сильными
полями. На порядок производительнее становятся установки для магнитного
разделения изотопов. Уже не рассматриваются проекты крупных ускорителей без
сверхпроводящих электромагнитов. Совершенно нереально обойтись без
сверхпроводников на пузырьковых камерах, которые становятся чрезвычайно
надежными и чувствительными регистраторами элементарных частиц. Так, одна из
рекордно больших магнитных систем на сверхпроводниках (Аргоннская национальная
лаборатория, США) создает поле 1,8 Тл с запасенной энергией 80 МДж. Исполинская
обмотка массой 45 т (из них 400 кг ушло на сверхпроводник) при внутреннем
диаметре 4,8 м, наружном 5,3 м и высоте 3 м требует для охлаждения до 4,2 К
всего 500 кВт — ничтожно малую мощность.
Еще более внушительным представляется сверхпроводящий магнит пузырьковой камеры
Европейского центра ядерных исследований в Женеве. Он имеет следующие
характеристики: магнитное поле в центре до 3 Тл, внутренний диаметр "катушки"
4,7 м, запасенная энергия 800 МДж.
В конце 1977 г. в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ)
вступил в строй один из крупнейших в мире сверхпроводящих магнитов "Гиперон".
Рабочая зона его имеет диаметр 1 м, поле в центре системы 5 Тл (!). Уникальный
магнит предназначен для проведения экспериментов на протонном синхротроне ИФВЭ в
Серпухове.
Осмыслив эти впечатляющие цифры, уже как-то неудобно говорить о том, что
техническое освоение сверхпроводимости только начинается. В качестве примера
можно напомнить о критических параметрах сверхпроводников. Если температура,
давление, ток, магнитное поле превысят некоторые предельные значения, называемые
критическими, сверхпроводник потеряет свои необычные свойства, превратившись в
обычный материал.
Наличие фазового перехода вполне естественно использовать для контроля внешних
условий. Если есть сверхпроводимость, значит, поле меньше критического, если у
датчика восстановилось сопротивление — поле выше критического. Уже разработана
серия самых разнообразных сверхпроводящих измерителей: болометр на спутнике
может "почувствовать" зажженную спичку на Земле, гальванометры становятся
чувствительнее в несколько тысяч раз; в резонаторах ультравысокой добротности
колебания электромагнитного поля словно консервируются, ибо они чрезвычайно
долго не затухают.
Среди сверхпроводящих устройств можно назвать детекторы альфа-частиц, криотроны
(выпрямители), ячейки ЭВМ для схем памяти и переключения. Так, криоЭВМ настолько
экономичны из-за отсутствия нагрева током, настолько чувствительны и компактны,
что в объеме апельсина "уместится" обычная ЭВМ размером с комнату! Вот почему
все ЭВМ кроме ручных компьютеров уже в нашем веке станут сверхпроводящими.
Уже много пишется про сверхпроводящие малоиндуктивные гальванометры (СЛАГи) и
квантовые интерферометры на сверхпроводниках (СКВИДы), в которых полезно служат
туннельные контакты. Их цель — измерять малые магнитные поля, они могут
зафиксировать даже квант магнитного потока! Вот почему магнитокардиографы
намного точнее регистрируют состояние сердечно-сосудистой системы, чем
электрокардиографы.
Теперь самое время окинуть взором всю электрическую часть энергетики, чтобы
понять, как россыпь сверхпроводящих устройств может дать суммарный
народнохозяйственный эффект. Сверхпроводники могут повысить единичную мощность
энергоагрегатов, высоковольтная энергетика может постепенно превратиться в
многоамперную, вместо четырех-шестикратного преобразования напряжения между
электростанцией и потребителем реально говорить об одной-двух трансформациях с
соответствующим упрощением и удешевлением схемы, общий КПД электрических сетей
неминуемо вырастет вследствие джоулевых потерь. Но и это еще не все.
Электрические системы неизбежно приобретут другой вид, когда в них будут
применять сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН)! Дело в том, что
из всех отраслей промышленности только в энергетике нет складов: выработанное
тепло и электричество хранить негде, их надо потреблять сразу. Определенные
надежды связаны со сверхпроводниками. Из-за отсутствия в них электрического
сопротивления ток может циркулировать по замкнутому сверхпроводящему контуру
сколь угодно долго без затухания до тех пор, пока не настанет время его отбора
