Высокотемпературные сверхпроводники для ядерного синтеза

По последним данным, новый высокотемпературный сверхпроводник недавно достиг промышленной зрелости: оксид редкоземельного бария и меди (REBCO). Начиная с 2021 года, Commonwealth Fusion System начнёт демонстрировать устройство термоядерного синтеза. А к 2025 году проект перейдет в коммерческую стадию

Одной из главных проблем в производстве энергии с помощью ядерного синтеза станет достаточно сильное магнитное поле, которое необходимо, чтобы  удерживать горячую плазму. Перед началом реакции плазма должна иметь очень высокую температуру - миллионы градусов. Следовательно, необходимые напряженность магнитного поля и магниты должны быть очень сильны.

Исследователи из Массачусетского технологического института в сотрудничестве с компанией Commonwealth Fusion Systems предложили способ преодолеть эту проблему с помощью высокотемпературного сверхпроводника (оксида иттрия, бария и меди (YBCO)), который будет создавать магнитное поле. [1] Было проведено интересное и способное потенциально изменить мир исследование.

Сверхпроводники, магнитные поля и критические силы тока

Из школьной физики, провод, по которому течет электрический ток, генерирует магнитное поле. Величина этого поля пропорциональна силе тока. Таким образом, чем сильнее ток, тем выше магнитное поле. Чтобы удерживать плазму при температурах, достаточно высоких для того, чтобы начался ядерный синтез, индукция магнитного поля должна быть порядка 10 Тл (для сравнения в обычном холодильнике она оценивается значениями порядка 10⁻² Тл).

Сверхсильный ток можно получить с помощью сверхпроводников. Сверхпроводник - это материал, электрическое сопротивление которого падает до нуля, когда критическая температура достигает определенного значения. Из-за нулевого сопротивления можно получить высокие стабильные токи, и, следовательно, аналогичные стабильные магнитные поля.

Значение критической температуры зависит от конкретного материала. Действительно, традиционно одним из наиболее важных технологических примеров сверхпроводимости являются магнитные поля в магнитно-резонансной томографии.

Однако оказывается, что сверхпроводник может оставаться сверхпроводящим только до определенной силы тока, который называется критическим. Критический ток обычно выше для сверхпроводников с более высокой критической температурой. [2]

Высокотемпературные сверхпроводники

Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути, охлажденной до температуры около 4 °К, в 1911 году. [2] Через 70 лет после этого открытия было обнаружено много сверхпроводников с низкими критическими температурами (обычно менее 30 °К). В тот же период была разработана очень успешная теория, чтобы понимать природу этих низкотемпературных сверхпроводников. [2]

Природа сверхпроводимости (по крайней мере, в низкотемпературном «обычном случае») считалась понятной до 1986 года, когда сверхпроводимость была обнаружена в оксиде лантана-бария и меди с критической температурой 35 °К. [3]

С тех пор было открыто немало сверхпроводников на основе меди, в том числе и YBCO с критической температурой 90 °К. Эти «высокотемпературные» сверхпроводники имеют уникальные свойства по сравнению со своими обычными аналогами не только из-за существенно более высоких температур перехода, но также из-за структурных характеристик (это уже не металлы, а хрупкая керамика).

Исходя из общепринятых принципов, эти материалы не должны быть сверхпроводящими! На сегодняшний день до сих пор не существует полноценной теории, которая объясняет природу высокотемпературных сверхпроводников.

Высокотемпературные сверхпроводники и термоядерные реакторы

Несмотря на то, что до сих пор ведутся многочисленные исследования того, как достигается сверхпроводимость в этих материалах, ключевой практический аспект заключается в том, что они имеют высокие критические температуры и, следовательно, обычно высокие критические токи.

Таким образом, с их помощью можно достигать более сильных магнитных полей (при более высоких температурах по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками), которые необходимы, чтобы удерживать плазму в термоядерных реакторах.

Общая проблема высокотемпературных сверхпроводников с практической точки зрения связана с их хрупкой природой: с ними трудно сочетать жесткие провода. Изображение плиты YBCO показано на рис. 1.

Рис. 1. Плита из оксида иттрия, бария и меди (YBCO) - высокотемпературного сверхпроводника, который будет создавать магнитные поля в термоядерных реакторах. Источник: Wikimedia Commons, Максим Биловицкий, CC BY-SA

В реакторах Commonwealth будут установлены сверхпроводящие «ленты», сделанные из YBCO. [1] По существу, они представляют собой провода из YBCO, в которых сверхпроводящий материал в виде порошка размещен внутри металлической трубки. Эти ленты можно намотать на тороидальные соленоиды, чтобы генерировать магнитное поле с индукцией до примерно 9,2 Тл. [1]

Заключение

Заявленная цель Commonwealth - создать относительно дешевый и компактный термоядерный реактор. Это, конечно, захватывающе предприятие с энергетической точки зрения.

По последним данным, новый высокотемпературный сверхпроводник недавно достиг промышленной зрелости: оксид редкоземельного бария и меди (REBCO). Начиная с 2021 года, Commonwealth Fusion System начнёт демонстрировать устройство термоядерного синтеза. А к 2025 году проект перейдет в коммерческую стадию.

Источник:

Alfred Cheung. «Высокотемпературные сверхпроводники и энергия от синтеза». Stanford University

Ссылки:

[1] B. N. Sorbom и др., «ARC: компактный высокопроизводительный ядерный научный комплекс и демонстрационная электростанция с разборными магнитами», Fusion Eng. Des. 100, 378 (2015).

[2] M. Tinkham, Введение в сверхпроводимость (Dover 1996).

[3] J. G. Bednorz и K. A. Müller, «Possible High T_c Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System», Z. Phys. B 64, 189 (1986).