Одной из главных проблем в производстве энергии с помощью ядерного синтеза станет создание достаточно сильного магнитного поля для удержания горячей плазмы. Для начала реакции плазма должна иметь очень высокую температуру, миллионы градусов. Следовательно, требуемая напряженность магнитного поля и необходимые для этого магниты должны быть очень сильны.
Исследователи из Массачусетского технологического института в сотрудничестве с компанией Commonwealth Fusion Systems предложили способ преодоления этой проблемы с помощью высокотемпературного сверхпроводника - оксида иттрия, бария и меди (YBCO) - для генерации магнитных полей. [1] Было проведено интересное и способное потенциально изменить мир исследование.
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. Для удержания плазмы 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).
Одним из способов получения сверхсильного тока является использование сверхпроводников. Сверхпроводник - это материал, электрическое сопротивление которого падает до нуля при достижении определенной критической температуры. 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 применений сверхпроводимости является создание магнитных полей, используемых в магнитно-резонансной томографии.
Однако, оказывается, что сверхпроводник может оставаться сверхпроводящим только до определенной силы тока, называемой критическим током. Критический ток обычно выше для сверхпроводников с более высокой критической температурой. [2]
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 для понимания природы этих низкотемпературных сверхпроводников. [2]
Природа сверхпроводимости (по крайней мере, в низкотемпературном «обычном случае») считалась понятной до 1986 года, до обнаружения сверхпроводимости 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, объясняющей природу высокотемпературных сверхпроводников.
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 возможно достижение более сильных магнитных полей (при более высоких температурах по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками), необходимых для удержания плазмы в термоядерных реакторах.
Общая проблема при использовании 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 - высокотемпературного сверхпроводника, который будет использоваться при создании магнитных полей в термоядерных реакторах. Источник: Wikimedia Commons, Максим Биловицкий, CC BY-SA
Реакторы, предложенные Commonwealth, будут использовать сверхпроводящие «ленты», сделанные из YBCO. [1] По существу, они представляют собой провода из YBCO, изготовленные путем размещения сверхпроводящего материала в виде порошка внутри металлической трубки. Эти ленты можно намотать на тороидальные соленоиды, чтобы генерировать магнитное поле с индукцией до примерно 9,2 Тл. [1]
Заявленная цель Commonwealth заключается в создании относительно дешевого и компактного термоядерного реактора. Это, конечно, захватывающе предприятие с энергетической точки зрения.
По последним данным, новый высокотемпературный сверхпроводник недавно достиг промышленной зрелости: оксид редкоземельного бария и меди (REBCO). На 2021 год Commonwealth Fusion Systems запланировало начало демонстрации устройства термоядерного синтеза.
Источник:
Alfred Cheung. «Высокотемпературные сверхпроводники и энергия от синтеза».
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 Tc Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System», Z. Phys. B 64, 189 (1986).
Написать комментарий