/
Автор: Околотин В.С.
Теги: электроэнергетика электротехника физика теоретическая физика физика твердого тела сверхпроводимость
Год: 1983
Текст
СВЕРХЗАДАЧА
АЛЯ
(ВЕРКПРОВОйНИКОВ
НАУКА
И ПРОГРЕСС
в.околотин
вонолотин
СВСРКЗММЧА
ОЛЯ
СВСРКПРОВООИИНОВ
НАУКА
И ПРОГРЕСС
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
МОСКВА 1983
ОКОЛОТИН Владимир Степанович — кандидат техниче-
ских наук, старший научный сотрудник. Участвовал в
разработке проектов по использованию сверхпроводи-
мости в энергетике, в частности для передачи электро-
энергии. Автор многих научных и научно-популярных ра-
бот по электрофизике, электротехнике и электроэнерге-
тике.
Рецензенты: Карцев В. П., доктор технических на-
ук; Клименко Е. Ю., доктор физико-математических
наук.
Околотин В. С.
Сверхзадача для сверхпроводников.— М.:
Знание, 1983.—200 с— (Наука и прогресс).
35 к. 100 000 экз.
В этой книге рассказано о сверхпроводниках и об их бу-
дущем. С помощью сверхпроводников разрабатываются мощные
генераторы, экономичные кабели, фильтры для очистки заводских
стоков, магнитокардиографы высокой чувствительности. Автор
рассказывает о перспективах создания сверхэнергетики, о при-
менении квантов магнитного поля в сверхпроводниках, об эф-
фективных методах глубокого охлаждения.
Книга рассчитана на широкий круг читателей.
л 1704040000-10Г , 00 ББК 31.2
0 073(02)-83 31"82 6П2.1
7j) Издательство «Знание», 1983 г.
Предисловие
Техническая сверхпроводимость как одна из ветвей
технической физики возникла в 1961 г. В начальный пе-
риод по эмоциональному накалу, результативности и оп-
тимизму она не отличалась от других удивительных от-
крытый — сюрпризов, преподнесенных человечеству в се-
редине XX в. союзом физики и технологии. Сверхпроводя-
щие соленоиды и крупные магнитные системы в течение
одного десятилетия завоевали лаборатории, открыв перед
научными работниками разных специальностей фантасти-
чески дешевые возможности проведения исследований в
сильных магнитных полях.
Революционный потенциал сверхпроводимости в про-
мышленности временами казался едва ли не равным по-
тенциалу ядерной энергетики, но прошло уже два деся-
тилетия, а он остается нереализованным, р то время как
открытия-ровесники дали жизнь мощным отраслям про-
мышленности. По-видимому, они смогли удовлетворить
более острые потребности человечества, чем потребность
экономить ресурсы, а может быть, им больше повезло
с лидерами.
Эта книга познакомит читателя как с возможностями
и перспективами технической сверхпроводимости, так и
со сложностями и препятствиями, которые ей предстоит
преодолеть и которые она наверняка преодолеет в бли-
жайшем будущем.
Е. Клим е н к о,
доктор физико-математических наук,
лауреат Государственной премии СССР
Введение
НАЧАЛО ОБНОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
О сверхпроводимости стало известно в 1911 г., но
еще два-три десятка лет об этом явлении знал лишь уз-
кий круг ученых, занятых разработкой фундаменталь-
ных основ физики твердого тела, термодинамики, электро-
магнетизма. В изданной полвека назад Малой Советской
энциклопедии о сверхпроводниках даже не упоминалось.
И это вполне можно понять: энциклопедии должны
давать систематический свод знаний, а сверхпроводи-
мость была лишь маленьким, хотя и оригинальным на-
учным фактом, никак не делавшим погоды даже в фи-
зике.
В начале 60-х годов сведения о сверхпроводниках
попали в справочники. К тому времени физики уже мно-
гое узнали о теории этого явления, была обнаружена
сверхпроводимость таких перспективных материалов, как
ниобий и станнид ниобия. Но о внедрении сверхпровод-
ников в повседневную жизнь еще не могло быть и речи,
хотя у физиков уже давно возникли подобные идеи.
На практике, как и раньше, из проводниковых мате-
риалов широко применялись медь, латунь, бронза, алю-
миний и его сплавы, м.анганин, константан и нихром, гра-
фитные щетки для скользящих контактов, припои, метал-
локерамические композиции для разрывных контактов,
обжигаемых электрической дугой.
Даже 20 лет назад студенты электротехнических инсти-
тутов почти ничего не слышали о сверхпроводниках. Эти
материалы словно оставались за чертой, не попадая в
перечень проводников, перспективных для электротех-
ники.
Но именно в те годы один за другим начали изда-
ваться солидные труды по физике сверхпроводимости.
Почти одновременно появились первые отечественные и
зарубежные книги о возможных технических примене-
ниях сверхпроводников: 1962 г.— Дж. Бремера; 1964 г.—
В. Ньюхауза, В. Карасика; сборник переводов под ре-
дакцией Б. Буля и Б. Тареева; 1965 г.—В. Карцева;
сборники переводов под редакцией Н. Алексеевского и
Е. Савицкого.
4
С небольшим отставанием от физиков инженеры-
электрики обнаружили в своем арсенале новый, явно пер-
спективный электротехнический материал. Но сверхпро-
водящие ленты, шины, проволоки промышленностью еще
не выпускались, можно было рассчитывать только на
опытные партии.
Однако в электротехнических лабораториях все же
начали создаваться первые небольшие модели сверхпро-
водящих электромагнитов, двигателей, кабелей. Хотелось
как можно быстрее убедиться в том, что удивительное
физическое явление может дать практические плоды.
Насколько объективен интерес к сверхпроводникам?
Пожалуй, эти материалы можно считать особо современ-
ными, потому что работа с ними немыслима без тех
знаний, которыми наука располагает сегодня. Так, для
выявления природы сверхпроводимости пришлось обра-
титься к глубинным основам физики микромира. Без
квантовой механики, детища нашего века, понять при-
роду сверхпроводящего состояния невозможно. Как счи-
тают многие ученые, нигде в физике твердого тела зако-
ны квантовой механики не проявляются столь ярко, как
в эффекте сверхпроводимости. Сверхпроводники по праву
считаются материалами специфическими, ибо квантовый
характер их свойств зачастую определяет интерес, кото-
рый сверхпроводимость вызывает у широкого круга ис-
следователей. Однако именно это обстоятельство затруд-
няет популярное изложение физики сверхпроводников
и принципов, на которых основан ряд приборов, исполь-
зующих сверхпроводящие элементы.
Для современного этапа научно-технической револю-
ции характерно целенаправленное создание новых мате-
риалов. В полной мере это относится к сверхпроводни-
кам — сложным композитам с заранее заданными свой-
ствами. Металлофизики обычно подбирают состав сверх-
проводящих сплавов или соединений из многих компо-
нент, проверяя способность нового образования стано-
виться сверхпроводящим.
Сверхпроводники можно считать особо современными
еще и потому, что с их появлением пришлось создавать
ранее невиданные технологии, причем не только для из-
готовления собственно сверхпроводящих материалов, но
и для обеспечения условий, при которых эти материалы
должны работать,— для получения больших количеств
5
жидкого азота и гелия, для создания высокого вакуума
в больших объемах.
В наши дни поисковые исследования, как правило,
тесно смыкаются с производством: потребовались круп-
ные индустриальные макеты сверхпроводящих объектов
и систем, связанных с ними. Для практического освоения
явления сверхпроводимости пришлось объединить уси-
лия специалистов разного профиля, что характерно для
общей тенденции интеграции наук в сегодняшних усло-
виях. Больше того, ведется совместная работа специалис-
тов многих стран по созданию сверхпроводящих агрега-
тов: снижаются затраты, необходимые для исследований,
и упрощается подбор научного коллектива.
А как обстоят дела с внедрением? Ведь мало открыть
сверхпроводники и изучить их свойства, нужно еще и
применить эти материалы. Сущность научно-технической
революции сводится не только к накоплению научной
информации, открытию новых законов и изобретению бо-
лее совершенных машин. Не менее важно претворить в
жизнь теоретические знания.
Общая закономерность нашего времени — сокращение
разрыва между тем или иным открытием и его внедре-
нием. Когда-то этот интервал достигал сотен лет, теперь
он снизился до минимума. Так, например, внедрение фо-
тографии отстало от ее открытия на 112 лет. Минераль-
ные удобрения стали применяться через 70 лет после их
создания, телефонная связь — через 50 лет, радиовеща-
ние — через 35, радиолокация — через 15, телевидение —
через 12, атомная бомба — через 6 лет, транзистор — че-
рез 3, а лазер — всего через 2 года. Начало технического
применения сверхпроводников относится к 1955 г., когда
с их помощью был создан первый электромагнит. С мо-
мента открытия сверхпроводимости (1911 г.) до ее внед-
рения прошло 44 года. В чем же дело?
По мнению некоторых английских физиков, это за-
паздывание объясняется двумя причинами: недостаточ-
ным развитием криогенной техники и открытием только
мягких, чистых сверхпроводников. О материалах жест-
ких, обладающих технически приемлемыми параметрами,
стало известно лишь в 1930 г., и только через четверть
века после этого проводники из таких материалов дей-
ствительно удалось создать. И сразу был построен и
успешно испытан соленоид со сверхпроводящей обмот-
кой. Техническая сверхпроводимость родилась.
6
Таким образом, изобретение и начало применения
технически пригодных сверхпроводящих материалов
совпали во времени (1955 г.). Но фактическое изобре-
тение сверхпроводников произошло, пожалуй, позже.
Ведь только в 1963 г. удалось создать действительно рабо-
тоспособные провода, которые пришлось меднить для тер-
мостабилизации. Парадоксально, но факт: внедрение
сверхпроводников началось на восемь лет раньше их
фактического открытия.
Сегодня сверхпроводники практически используются в
физике, где уже много лет эксплуатируются крупные ис-
следовательские установки, новые приборы. Из печати
известно о единичных применениях сверхпроводящих
электродвигателей, гироскопов, соленоидов на морских
судах, летательных аппаратах. В медицине появились
сверхпроводящие измерители магнитных полей, создавае-
мых живыми организмами.
Весьма актуально применение сверхпроводников в
энергетике, на транспорте. Здесь подготовительные рабо-
ты ведутся уже много лет, однако новые машины и ка-
бели еще не эксплуатируются. Почему?
Можно назвать немало причин, отодвигающих дату
массового использования сверхпроводников в народном
хозяйстве. Так, например, было нелегко разработать те-
орию сверхпроводимости, но не менее трудно инженерам
освоить эту теорию. Неожиданно сложной задачей стало
конструирование сверхпроводящих проводов, другого
слова не подберешь для процесса создания многоэлемент-
ной композиции из разных металлов. Производство
сверхпроводящих лент, шин и проводов потребовало раз-
работки специальной технологии, создания особых стан-
ков и даже новых производств.
Большие трудности связаны с криогенным обеспече-
нием сверхпроводящих объектов, ведь сверхпроводимость
возникает только при очень низких температурах. Потре-
бовались ультрарефрижераторы большой мощности.
Развитие криогенной техники немыслимо без исполь-
зования глубокого вакуума, поэтому нужно научиться
его получать и сохранять. И конечно, измерения: нужны
особые датчики и приборы, контрольные провода, кото-
рые проходят через полости с разными температурами.
Но когда удастся преодолеть все эти трудности, сов-
сем непросто будет решить электротехническую пробле-
му. До сих пор в электротехнике больших мощностей
7
обычно используют токи в десятки-сотни ампер, а по
сверхпроводникам технически и экономически выгодно
передавать токи в тысячи раз большие. Но нужны ли
столь многоамперные установки?
Такие установки существуют, но их немного. Создать
их непросто, потому что токонесущая способность тради-
ционных проводников, меди и алюминия, ограничена.
Теперь, когда с помощью сверхпроводников можно мно-
гократно повысить плотности токов и сами токи, было бы
реальным говорить о модернизации всех объектов элек-
троэнергетики от электростанции до потребителей. Но
нужна ли такая перестройка? Если н£т, то зачем созда-
вать сверхпроводящие электротехнические агрегаты?
Такие агрегаты должны быть многоампернъши, это
бесспорно. Ведь сверхпроводники — прекрасный провод-
никовый материал. Но электрические цепи рассчитаны на
небольшие токи и очень высокие напряжения. Что же,
встраивать многоамперные объекты в малоамперные
цепи? Нереально. А полная перестройка всего электро-
оборудования энергетики — задача огромной трудности.
Неужели сверхпроводники найдут себе место только в
уникальных физических установках?
Однако трудности и проблемы, связанные с внедре-
нием сверхпроводников, постепенно разрешаются. Когда
начали проводиться прикладные работы со сверхпровод-
никами, особенно остро ощущалось отсутствие подготов-
ленных кадров, новых материалов, оборудования и при-
боров. Но все же одна за другой возникали небольшие
модели. Появился устойчивый спрос на новые провода,
ожижители, приборы и датчики. Физики и математики
подключились к решению чисто практических задач: опре-
делению критических полей и токов, оценке потерь на пе-
ременном токе, расчетам термостабильного поведения
сверхпроводников в жидком гелии.
Сегодня в мире проблемами технической сверхпрово-
димости заняты сотни научных коллективов. Определены
долгосрочные планы исследований, сформулированы це-
ли работ, готовы перечни объектов, подлежащих внедре-
нию. В целом можно считать, что поисковые работы, не-
обходимые для создания головных образцов сверхпрово-
дящей техники, выполнены примерно на 30—50%. Среди
созданных моделей — электромагниты для физических
исследований и для турбогенераторов, двигатели, тран-
сформаторы, участки кабелей, подшипники, приборы.
8
«Следующие несколько лет будут решающими для
перехода сверхпроводников из лабораторий в промыш-
ленность для крупномасштабных применений»,— счита-
ет дважды лауреат Нобелевской премии Дж. Бардин.
«Космос с его почти совершенным вакуумом и темпе-
ратурой около трех градусов над абсолютным нулем —
естественная сфера применения сверхпроводимости. Рост
энергосистем базируется в первую очередь на электри-
ческих компонентах, настолько основополагающих, что
можно предсказать очевидное улучшение экономики
энергетики за счет снижения потерь при использовании
сверхпроводимости в методах генерации и потребления
электричества» — это мнение видного ученого-приклад-
ника Ч. Лаверика.
С. Лорант из Стэнфордского центра линейных ускори-
телей столь же авторитетно заявляет: «Несмотря на вре-
мя серьезных финансовых ограничений, физика высоких
энергий за счет ориентации на сверхпроводники пережи-
вает сегодня период заметной активизации».
Подобные свидетельства можно продолжать. Наши
центральные газеты и журналы все чаще публикуют фо-
тографии моделей сверхпроводящих кабелей, генераторов
и соленоидов. «Гостям из будущего», сверхпроводникам,
в печати посвящаются выступления видных советских
ученых, организаторов атомной науки, крупных электро-
техников и криогенщиков. Так, например, сообщалось, что
электрические машины мощностью более 2500 мегаватт
будут работать уже на других физических принципах, с
использованием сверхпроводников.
Новые материалы, сверхпроводники, на первый взгляд
кажется выгодным применять чуть ли не везде, где ис-
пользуются магнитные поля и электрические токи. Но
так ли это?
Чтобы сориентироваться во множестве технических
работ со сверхпроводниками, следует иметь в виду, что
сверхпроводников, как таковых, нет вовсе. Это обычные
всем известные металлы, в особых условиях проявляю-
щие непривычные свойства. Алюминий, например, при
комнатных температурах хорошо проводит электрический
ток, поэтому считается одним из лучших проводников.
Магнитное поле в нем чуть-чуть усиливается: такие ма-
териалы называют парамагнетиками. Алюминий отлич-
но пропускает тепло, значит, его можно считать тепло-
проводником.
9
При охлаждении до чрезвычайно низких температур
свойства некоторых металлов существенно меняются.
У того же алюминия, например, при температуре ниже
—272°С электрическое сопротивление исчезает, прово-
димость возрастает до бесконечности (сверхпроводник).
Зато теплопроводность материала почти столь же силь-
но ухудшается (теплоизолятор). Из образца полностью
вытесняется магнитное поле (идеальный диамагнетик).
Но и этого мало: .можно зарегистрировать квантовые
свойства материала, которые при обычных температурах
проявляют себя опосредованно.
Металлы, демонстрирующие столь неожиданное соче-
тание качеств, принято называть сверхпроводниками, но
не надо забывать об ограниченности этого названия. Сни-
женная теплопроводность новых материалов пока еще
используется редко. Диамагнетизм сверхпроводников уже
применяется целенаправленно. Квантовые свойства легли
в основу действия многих сверхточных средств измерения.
Все же на начальной стадии освоения нового явления
интересы большинства исследователей сосредоточены на
использовании бесконечно большой электропроводности
сверхпроводников.
Особенно успешно создаются и используются сверх-
проводящие магнитные системы разного назначения.
Ведь через обычные проводники из-за чрезмерных тепло-
выделений нельзя пропускать слишкорл большие токи.
Как только электросопротивление исчезло, можно намно-
го повысить плотности токов. Этим и воспользовались
инженеры-физики: ведь чем больше ток, тем сильнее
магнитное поле. С помощью сверхпроводников можно
создать чрезвычайно сильные электромагниты. Вот по-
чему магнитное направление технической сверхпроводи-
мости на многие годы стало решающим!
Нет сомнения, что в ближайшие десятилетия техника
получит новые агрегаты с улучшенными характеристи-
ками. Создаются новые ускорители, поезда на магнитной
подвеске с электромагнитной тягой, крупные генерато-
ры со сверхпроводящим ротором. Сооружаются все более
мощные модели токамаков, и, вероятно, при жизни на-
шего поколения появятся промышленные термоядерные
реакторы, создать которые без сверхпроводников невоз-
можно. Через несколько лет в зданиях, где располагают-
ся крупные электропотребители, можно будет смонтиро-
вать обтекаемые токами огромные тороидальные катуш-
10
ки, предназначенные для автономного снабжения элект-
ричеством местных установок.
Улучшать электротехнические конструкции, расши-
рять их технические возможности полезно. Но, быть мо-
жет, еще важнее другая задача — снять потери на нагрев
проводников, обтекаемых электрическими токами. Конеч-
но, не о бытовой электропроводке идет речь, достаточно
применить сверхпроводники для токоведущих жил круп-
ных электрических установок.
Отсутствие потерь в проводах благоприятствует соз-
данию сверхпроводящих магнитных систем и криоэлект-
ронной аппаратуры. Но все-таки новые электромагниты
строятся не ради снижения потерь, а для создания ранее
недостижимых магнитных полей. И приборы на сверхпро-
водниках позволяют получить предельно высокую точ-
ность измерений, хотя повышение экономичности сущест-
венно улучшает технические показатели сверхизмерите-
лей.
Исключительно выгодно применять сверхпроводники
специально для снижения электрических потерь. Это
направление работ достойно всемерной поддержки. На-
пример, сверхпроводящие кабели нужны не потому, что
конструктивные возможности известных материалов уже
исчерпаны. Такие линейные устройства привлекательны
главным образом потому, что с их помощью можно устра-
нить потери в электрических сетях. Если широко внед-
рить сверхпроводящие линии электропередачи, то можно
обеспечить громадную экономию топливных ресурсов.
Известно, что органические топлива (нефть, газ,
уголь) иссякают, добыча их становится все более труд-
ной. Сегодня энергетика ориентирована на ускоренное
создание атомных электростанций и атомных теплоцент-
ралей, на освоение термоядерного синтеза, на использо-
вание энергии солнечной радиации, тепла морей и океа-
нов. Проектируются станции, работающие на энергии
морских приливов и волн.
Энергетика вступает на новый путь сбалансированно-
го использования разных источников энергии, в том числе
возобновляемых. Проведение этого курса в жизнь потре-
бует огромных затрат. Вот почему особенно важно наря-
ду с освоением новых энергоресурсов экономно исполь-
зовать уже полученную энергию. Как записано в матери-
алах XXVI съезда партии, экономию сырья и энергии
2*
11
следует считать одной из самых важных народнохозяй-
ственных задач.
Сверхпроводники по своей природе идеально подо-
шли бы для этой цели. Ведь жилы новых кабелей, генера-
торов, трансформаторов не будут нагреваться электри-
ческими токами. Впервые люди смогли бы сознательно
исключить джоулевы потери из баланса издержек элект-
ротехники. Подсчитано, что сверхпроводящее исполнение
крупных электроэнергетических установок принесло бы
стране миллиардные выгоды.
Повышение технических характеристик электрообо-
рудования, снижение расхода топлива, частично идущего
сегодня на компенсацию потерь в проводниках,— это еще
не все. Сверхпроводники позволят улучшить экологичес-
кую ситуацию на земном шаре! Ведь энергия всех техни-
ческих устройств в конечном итоге преобразуется в теп-
ло. Темпы нагрева планеты велики, они соответствуют
темпам развития промышленности. Широкое внедрение
сверхпроводящего электрооборудования снизило бы теп-
лопритоки в атмосферу, позволив если не устранить, то
хотя бы ослабить тепловое загрязнение планеты.
Проблема широкого внедрения сверхпроводников в
электротехнику сложна и многообразна, но результаты
использования сверхпроводников в физических и промыш-
ленных установках могут быть огромными. Эта книга —
размышления о технической сверхпроводимости, о судьбе
сверхпроводников, о задачах, которые можно решить с их
помощью.
Глава первая
ЧЕТЫРЕ БАРЬЕРА
ВОЗМОЖНОСТИ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Сверхпроводимость — явление замечательное. Изучая
необычные и впечатляющие свойства сверхпроводников,
физики все глубже проникают в тайны устройства мате-
рии. Инженеры стремятся сделать сверхпроводники сво-
им орудием, заставить их работать. Сверхзадача для
сверхпроводников — передача своих полезных свойств
объектам новой техники.
12
В электротехнике (да и не только в ней) материалам
отведена основная роль. Только за последние полвека в
электротехнических агрегатах начали использоваться
полупроводники, кремнийорганическая электроизоляция,
вакуум, пластмассы, электроотрицательные газы. Алю-
миний пришел на смену дефицитной проводниковой меди
и свинцу, который применялся, в частности, для экранов
кабелей. Семья магнетиков из обычной мягкой трансфор-
маторной и динамной сталей и жестких сплавов типа
«алнико» (алюминий, никель, кобальт) пополнилась фер-
ритами.
Сверхпроводники — это новый класс проводниковых
материалов с экстраординарными свойствами, ибо у них
отсутствует омическое сопротивление. Плотности токов,
пропускаемых по сверхпроводникам, можно увеличить до
103—104 А/мм2, то есть они будут в тысячи раз* больше,
чем по меди или алюминию.
Внедрение сверхпроводников равноценно началу про-
водниковой революции. Ведь появление нового материа-
ла диктует необходимость создания новых проводов. Их
приходится по-новому электроизолировать, снабжая ка-
налами для охлаждения. Полученные жилы и обмотки
влияют на конструкцию электротехнических устройств,
изменяя их формы и параметры. А отдельные установ-
ки с непривычными характеристиками образуют элект-
рические схемы, несколько отличающиеся от традици-
онных.
Казалось бы, частное решение материаловедов — все-
го-навсего заменить традиционные медь и алюминий на
сверхпроводники — вдруг привело к пересмотру техни-
ческих решений для всего парка электрооборудования,
идей, заложенных как в конструкциях аппаратов, так и
в электрических схемах.
Изменения в триаде активных материалов (провод-
ники, магнетики, диэлектрики) неминуемо затрагивают
Основы создания всего электрооборудования. Сверхпро-
водники, обещая повысить эффективность электротехни-
ки, в состоянии внести в нее качественно новое содержа-
ние.
Поисковые работы, направленные на подготовку мас-
сового внедрения сверхпроводников, не всегда идут глад-
ко. Уже в начале исследований, взявшись за эффект-
ную задачу простой замены одного проводника на дру-
гой, инженеры столкнулись с необходимостью решать
13
множество самых неожиданных вопросов. К тому же
проводимая в мире грандиозная программа работ под
условным названием «Сверхпроводники — в технику!» в
большой мере неустойчива, ее актуальность существенно
меняется под влиянием многих факторов мировой эконо-
мики. Интерес к проблеме то ослабевает, то обостряется
снова.
Все же можно сказать, что сформировался устойчивый
контингент главных будущих потребителей сверхпровод-
ников. Это, по-видимому, термоядерные реакторы, МГД-
генераторы, крупные турбогенераторы, мощные токопро-
воды. Ждут своего часа сверхпроводящие накопители
электроэнергии, поезда на магнитной подушке, сепара-
торы для обогащения руд и фильтры для огромных по-
токов воды. Сверхпроводники обещают радикально изме-
нить технологии, основанные на потреблении сильных
токов и сильных магнитных полей.
В зависимости от назначения сверхпроводящие объек-
ты удобно отнести к одному из трех классов: магнитному,
линейному или информационному. Из упрощенной табли-
цы видно, что применение сверхпроводников для обра-
ботки информации — особая нетрадиционная задача, ибо
на первый план выдвигаются тонкие, квантовые эффекты,
хотя устранение потерь тоже важно. Конструкции элект-
ромагнитов наиболее сложны, здесь сверхпроводники
должны нести без тепловыделений большие токи в очень
сильных магнитных полях. По сравнению с криоэлектрон-
ными приборами и электромагнитами линейные устрой-
ства (кабели, токопроводы, линии) относительно просты:
сверхпроводники должны обеспечить передачу больших
токов с минимальными потерями при небольших внеш-
них полях.
Свойства сверхпроводников
Нулевое электрическое сопро-
тивление
Большие передаваемые токи
Большие магнитные поля
Фазовый переход
Квантовые эффекты
создание
магнитного
поля
+
+
+
—
Применение
передача
электроэнергии
+
+
—
обработка
информации
+
_.
+
+
14
Принятая классификация объектов все же условна,
ибо токи всегда создают магнитные поля. Поэтому и ли-
нии электропередачи, и криоэлектронные приборы можно
считать своего рода магнитными аппаратами.
Прежде чем построить какой-либо сверхпроводящий
агрегат, инженерам придется решить по меньшей мере
четыре задачи: основательно познакомиться со свойства-
ми сверхпроводников, создать провода из нового мате-
риала, освоить работу с криогенным оборудованием и
оценить заранее, как создаваемый аппарат впишется в
существующую электрическую схему. Вот почему в пер-
вую очередь нужно ответить на вопрос: что же такое
сверхпроводники?
НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА
У сверхпроводников можно насчитать более тридцати
специфических качеств. В книге «Введение в физику
сверхпроводимости» А. Роуз-Инс и Е. Родерик считают
наиболее характерным для сверхпроводников «замеча-
тельное сочетание электрических и магнитных качеств,
которое возникает в некоторых металлах, охлажденных
до чрезвычайно низких температур».
В этом определении, полезном для практической элек-
тротехники, не учитываются необычные тепловые свой-
ства сверхпроводников, потому что эти свойства редко
используются в электротехнических объектах. Конечно,
термодинамические характеристики сверхпроводников
несколько влияют на температурные рабочие режимы, но
это влияние нельзя считать решающим.
На первый взгляд поведение сверхпроводников в элек-
трических и магнитных полях должно не так уж сильно
отличаться от поведения металлов нормальной проводи-
мости. Ведь известные уравнения Максвелла, опи-
сывающие свойства электромагнитного поля, остаются
справедливыми и для новых материалов. Однако в допол-
нение к этим уравнениям появились еще два, объясняю-
щие специфическое поведение сверхпроводников. Одно из
этих уравнений отражает нулевое сопротивление сверх-
проводника электрическому току, второе — выталкива-
ние из образца магнитного поля.
Как раз эти новые качества сверхпроводников стали
решающими. Этого и следовало ожидать, потому что как
15
раз от этих качеств зависят популярность сверхпроводни-
ков и чрезвычайная перспективность их применения.
Для сверхпроводников перестали быть справедливыми
основополагающие законы Ома и Джоуля — Ленца, пото-
му что у этих материалов нет электрического сопротив-
ления! По той же причине в сложных цепях токи распре-
деляются вовсе не по правилам Кирхгофа. Известно, что
переменное электромагнитное поле не проникает через
толстую металлическую стенку, затухая в ней. Но в
сверхпроводниках и постоянное магнитное поле не может
проникнуть в толщу! У сверхпроводников не только бес-
конечно большая электропроводность, то также пре-
дельно большая отрицательная магнитная восприимчи-
вость (—1), которую можно считать идеальной магнит-
ной невосприимчивостью! Вот почему новые материалы
можно называть одновременно и сверхпроводниками, и
сверхдиа магнетика ми.
Эти непривычные свойства затрудняют освоение элек-
тродинамики сверхпроводников, таких странных материа-
лов в электротехнике еще не было.
При использовании обычных проводниковых материа-
лов электрики, как правило, обходятся классическими
представлениями по электромагнетизму. Этих знаний
вполне достаточно, чтобы спроектировать трансформатор,
испытать кабель или рассчитать параметры электричес-
кой машины.
Но теперь, получив в свое распоряжение сверхпровод-
ники, в дополнение к традиционной теории обычных элек-
тропроводящих сред инженерам пришлось осваивать
непривычные понятия и неожиданные принципы, заимст-
вованные главным образом из квантовой механики и тер-
модинамики. Электрики, работающие с полупроводника-
ми, уже пользуются квантовыми представлениями. Теперь
настал черед тех специалистов, которые решили вместо
обычных проводников применить сверхпроводники к лю-
бым электротехническим устройствам. Пришлось перест-
роить профессиональное мышление, освоить новую тер-
минологию.
Кроме того, обнаружилось, что и подготовка инжене-
ров-электриков для работы со сверхпроводниками должна
совершенно измениться. Сейчас в процессе обучения
инженеров классическая электродинамика считается
основной дисциплиной, а квантовые воззрения излага-
ются дополнительно, иногда факультативно. А надо
16
наоборот. Необходимость этого можно пояснить одним
примером.
Явление сверхпроводимости можно понять и обосно-
вать только с помощью квантовых представлений. Почти
полвека сущность этого явления оставалась нерасшифро-
ванной, из-за того что методы квантовой механики еще
не в полной мере использовались в физике твердого тела.
Зато теперь абсолютно полным, корректным и необ-
ходимым для осознания многих, особенно квантовых,
свойств сверхпроводников следует признать микроскопи-
ческое определение, данное одним из создателей теории
сверхпроводимости Дж. Шриффером: «В сверхпроводя-
щем состоянии конечная доля электронов сконденсирова-
на в «макромолекулу» («сверхтекучую жидкость»), рас-
пространенную на весь объем системы и способную к дви-
жению, как целое... Парные корреляции, на которых осно-
вана теория спаривания электронов, наиболее существен-
ны для объяснения основных явлений, наблюдаемых в
сверхпроводящем состоянии».
Сегодня считается твердо установленным, что при по-
нижении температуры наступает момент, когда свобод-
ные электроны некоторых металлов группируются в па-
ры, взаимодействующие через ионную решетку. Один из
этих электронов передает какое-то количество движения
решетке, а второй (с противоположным спином и импуль-
сом) получает от решетки то же количество движения.
Один из электронов притягивает положительно заряжен-
ные ионы, решетка несколько деформируется и подтяги-
вает к себе другой электрон, который становится парт-
нером первого. Спаренные электроны взаимодействуют на
расстоянии порядка 10~7 метра, через тысячи ячеек ре-
шетки. Эти парные образования перекрывают друг друга,
постоянно рассыпаются на части и вновь создаются, но в
целом все пары образуют электронный конденсат, энер-
гия которого за счет сильного внутреннего взаимодейст-
вия (нулевые спин и импульс пары) меньше, чем у со-
вокупности разобщенных нормальных электронов. Вот
почему сверхпроводящее состояние устойчиво, и для его
разрушения нужно приложить к сверхпроводнику нема-
лую энергию (тепловую, магнитную, электромагнитную,
звуковую).
Для электротехники главным качеством сверхпровод-
ников можно считать их бесконечно большую электро-
проводность. Именно это свойство было открыто первым
17
(1911 г.), оно дало наименование явлению. Нулевое элек-
тросопротивление токонесущих жил в значительной сте-
пени определяет высокие технические и экономические
показатели любого сверхпроводящего объекта.
Было бы неверно считать, что открытие сверхпроводи-
мости произошло случайно. Словно предвидя развитие
событий, электротехники XIX века ввели в теорию тер-
мин «идеальный проводник», то есть проводник без оми-
ческого сопротивления. Были детально изучены (конеч-
но, чисто теоретически) характеристики контуров из
таких проводников, параметры длинных телеграфных ли-
ний. Уже в те далекие годы ученые-электротехники отно-
сились к активным сопротивлениям как к небольшим по
величине, но досадным помехам протеканию постоянных
и переменных электрических токов.
С другой стороны, и физики, изучавшие свойства ме-
таллов, умели снижать их сопротивление электрическому
току. Уже с 1864 г. было известно правило, установленное
Матиссеном, согласно которому при снижении темпера-
туры сопротивление металла уменьшается по величине.
Складывается оно из двух компонент, остаточного и иде-
ального сопротивления. Остаточное сопротивление появ-
ляется из-за рассеяния электронов тока на примесных
атомах и дефектах решетки. Его величина не зависит от
температуры и вносит постоянный вклад в общее сопро-
тивление образца.
Идеальная составляющая определяется сопротивле-
нием рассеяния электронов на тепловых колебаниях ио-
нов решетки. Снижается температура, уменьшаются ам-
плитуды колебаний ионов. Как думали в начале века, по
мере приближения к абсолютному нулю температур иде-
альное сопротивление могло вести себя трояко. Если оно
устремится к нулю, то подтвердятся предположения
электротехников об идеальных проводниках. Но теорети-
чески были возможны и другие варианты: сопротивление
могло остаться неизменным на каком-то уровне или даже
повыситься.
Нидерландский физик Камерлинг-Оннес потратил мно-
го лет на создание небывало мощной криогенной лабора-
тории в Лейденском университете, будучи уверен в том,
что «эта работа должна приподнять завесу, за которой
тепловое движение при обычных температурах закрыва-,
ет от нас внутренний мир атомов и электронов». Сначала
ему удалось ожижить гелий (1908 г.), определить вяз-
18
кость и теплоту испарения этой самой холодной жидкости,
Потом он впервые измерил электропроводность метал-
лов при рекордно низких для того времени температурах
в жидком гелии.
Сопротивления образцов из платины и золота в опы-
тах Оннеса снизились ненамного. Сегодня известно, что
и до температуры 0,01 К эти металлы остаются нормаль-
ными, но Оннес решил исключить роль остаточного соп-
ротивления. Ведь даже при откачивании паров над зер-
калом жидкого гелия, что многократно снижало темпе-
ратуру ванны, сопротивления образцов из платины И
золота оставались значительными.
Оннес продолжил опыты со ртутью, потому что е§
можно было очистить перегонкой до очень высокой степе*
ни. При температуре 4,15 К сопротивление скачком ио
чезло. Пораженный резким исчезновением сопротивле*
ния, Оннес назвал новое состояние сверхпроводящим.
Сегодня во многих лабораториях инженеры повторя-
ют опыты первооткрывателя, понижая температуру в кри-
остате и регистрируя скачкообразный рост электропро*
водности. В первых опытах падение напряжения на
образцах измерялось вольтметром. Точность измерений,
естественно, определялась чувствительностью использо-
ванного прибора. Оннес подсчитал, что когда прибор по-
казал нулевое напряжение, сопротивление ртути снизи-
лось в тысячу раз.
Теперь надо было выяснить, в какой степени электро-
сопротивление уменьшилось на самом деле. Для этого
Оннес провел серию дополнительных экспериментов со
свинцом, но уже не с отрезком провода, а с катушкой.
Катушка была замкнута накоротко, но наведенный ток
во времени почти не уменьшался. Неужели сопротивление
исчезло полностью?
Аналогичные опыты по наведению тока и контролю
его затухания в замкнутых сверхпроводящих петлях про-
должили В. Тюин, П. Грассман, С. Коллинз. В этих опы-
тах измерялся уже не угол поворота магнитной стрелки
около провода с током, как это делал Оннес, а сила вза-
имодействия двух колец с наведенными токами. В опыте
Коллинза, например, ток в кольце циркулировал, не за-
тухая, в течение двух с половиной лет, и только из-за
прерванного снабжения жидким гелием эксперимент был
остановлен. В 1962 г. Д. Куин и В. Иттнер навели ток в
свинцовой пленке на поверхности стеклянной трубочки.
19
По скорости уменьшения магнитного поля тока (менее
2% за 7 ч) они рассчитали величину удельного электро-
сопротивления сверхпроводящего свинца, которая оказа-
лась равной 4'10~25Ом-м, что в 1017 раз меньше сопротив-
ления меди при комнатных температурах!
Сегодня при создании моделей сверхпроводящего эле-
ктрооборудования инженеры не пользуются столь тонки-
ми измерительными методиками. Им достаточно, как
Оннесу в первых опытах, измерять падение напряжения
на образце с помощью вольтметра (обычно с точностью
до микровольта).
Бесконечно большая электропроводность сверхпровод-
ника математически учитывается одним из двух уравне-
ний, которые в 1935 г. предложили братья Ганс и Фриц
Лондоны, эмигрировавшие в Оксфорд из нацистской Гер-
мании. Лондоны считали, что, так как отсутствуют силы,
препятствующие движению, постоянное электрическое
поле должно равномерно ускорять электрон.
Говоря строго, первое уравнение Лондонов не самосто-
ятельно. Три уравнения электродинамики относятся к
материальным средам — диэлектрикам, магнетикам и
проводникам. Уравнение, относящееся к проводникам,
широко известно как закон Ома, записанный примени-
тельно к точечному объему металла. Если принять сопро-
тивление нулевым, то для конечного интервала времени
можно записать выражение для ускорения электрона.
Точно так же электрон будет перемещаться везде, где нет
помех: в электронно-оптических приборах, в ускорителях.
Если используется перБое уравнение Лондонов, то
приходится вводить некоторые дополнения. Так, при сме-
щении многих электронов с разными скоростями возни-
кают мешающие индуцированные электрические силы.
Если это уравнение применяется для расчета глубины
проникновения магнитного поля в сверхпроводник, то
на некотором этапе вычислений приходится заменить при-
ращение поля величиной самого поля, чтобы резуль-
таты выкладок совпали с реальностью. Отсюда следует,
что макроскопическую электродинамику сверхпроводни-
ков еще нельзя считать законченной, над ней еще нужно
работать и работать!
Не менее широко, чем нулевое электрическое сопро-
тивление, используются так называемые критические па-
раметры сверхпроводников. Когда впервые упоминается
о необходимости глубокого охлаждения, тем самым не-
явно вводится понятие критической температуры, выше
которой сверхпроводимость существовать не может.
Казалось бы, инженеры располагают большим набо-
ром сверхпроводников: ведь каждый третий из элементов
периодической таблицы Менделеева проявляет сверхпро-
водящие свойства (точнее, 26). Но у многих из них кри-
тические температуры очень невелики, составляя, напри-
мер, для алюминия —1,2 К, для цинка —0,9, для олова —
3,7 К. Поддерживать столь низкие рабочие температуры
' ""^"^fheDHOM давлении жидкий гелий кипит
ром сверхиуос^м
периодической таблицы Менделеева
водящие свойства (точнее, 26). Но у многих из них кри-
тические температуры очень невелики, составляя, напри-
мер, для алюминия —1,2 К, для цинка —0,9, для олова —
3,7 К. Поддерживать столь низкие рабочие температуры
сложно (при атмосферном давлении жидкий гелий кипит
при 4,2 К). Это одна из причин, почему большинство
сверхпроводящих элементов для электротехнических це-
лей применить не удается.
При температуре кипения жидкого гелия сверхпрово-
дят только ванадий, лантан, ниобий, свинец, тантал .и тех-
неций, а под давлением — еще и барий, висмут, герма-
ний, кремний, селен, теллур, фосфор. Но одни из этих
материалов редки, другие ядовиты, третьи радиоактивны,
четвертые теряют сверхпроводимость даже в крайне ма-
лых магнитных полях. Поэтому сейчас в жидком гелии
обычно применяют лишь свинец и ниобий.
Как видим, уничтожить сверхпроводимость можно не
только повышением температуры. Даже если какой-то
металл потерял сопротивление при охлаждении, он мо-
жет снова вернуться в нормальное состояние, попав во
внешнее магнитное поле. Каждому сверхпроводнику
соответствует свое значение критического магнитного
поля.
В зависимости от поведения в магнитном поле сверх-
проводники причисляют к одной из двух групп. Химичес-
кие элементы (кроме ванадия и ниобия) относятся к ма-
териалам 1 рода. Их отличительная черта — однородность
по структуре, физическому и химическому составу. В маг-
нитных полях и при передаче токов образцы из сверхпро-
водников 1 рода ведут себя как одно целое, как магнит-
ный монолит (за исключением так называемого промежу-
точного состояния).
Предельные значения температур и магнитных полей
связаны параболическим законом: чем выше рабочая
температура, тем меньшее магнитное поле может выдер-
жать сверхпроводник. Вот почему проектировщики элек-
тротехнических объектов вынуждены всемерно снижать
и температуры, и внешние магнитные поля в тех зонах,
где предполагается разместить сверхпроводящие жилы.
21
20
Почему же рост температуры или магнитного поля к_оме теМпературы и поля, критическим параметром
действует на сверхпроводники губительно? В сверхпрово, *%™*„ТЛ1 еще иГ ток. В 1916 г. в академическом жур
дящем состоянии между электронами действуют дополГ0ЖНО пя,имнгтоне Ф Сильсби высказал предположе-
нительные силы, и свободная энергия совокупности элек||1але * *Z оа3оушит сверхпроводящее состояние как
тронов снижается. Наложение на образец внешнего по-*™6' п 1° мпмент когда его магнитное поле станет рав^
ля (температурного или магнитного) компенсирует эту?" В„Этическому значению. И действительно: через.11
разность энергий состояния, приближая тот предел, за™" Гипотезу подтвердили экспериментально Итак
которым ооразец может гернуться в нормальное состояние,™^ических параметра (температура, поле и ток)
Для сверхпроводящих химических элементов крити-три *£™ости отражают свойства конкретного сверх
ческие напряженности магнитных полей достаточно ве-'" ~Вп°Пника Он° Сто изображаются в трехмерных
лики. При абсолютном нуле температур, например, ониПр0^™х в виде критической поверхности, разгра-
составляют для тантала -66 А/мм, свинца —64, рту-!коорДИ ™1 „ппмальную и сверхпроводящую зону,
ти -33 А/мм. Отсюда следует, что перепад энергий све^1нет^я™ Гкритических параметрах сверхпроводни-
проводящего и нормального состояния для названных KnR ™относительно просты. Тем не менее пРир^л
материалов достигает 2,7, 2,6 и 0,7 кДж/мЗ (вспомним, Т^ Сверхпроводящими устройствами возникли допол
что в лучшей трансформаторной стали плотность запа- « '^'ныГХросы в взаимной связи этих парам^ов
сенной магнитной энергии не превышает 2 кДж/мЗ!). Zb одновременно! существование двух «о^ознино
Часто создается впечатление, что действие магнит- Д „„«, ппкячателей критических поля и тока, кажет
ного поля сводится к наведению токоВД на поверхности ^ быточны^ Апочем/бы не ввести критическое Дав-
сверхпроводящего образца. Действительно, даже линей- ^ЙТожет быть, следует добавить критич^ку^ве
ные плотности Э7 " "'*
поля (если ввод
ел поч/^.-чным. я почему пп*ямтъ критическую ве-
< — —' — —- ление? Может быть, следует Добавить крш *
тих токов совпадают с напряжениями J™ электрического поля? Известно чте ^
—,. v^« осилить поправку, учитывающую форму об- ™поляризация влияет на переход. ^ элеетри
разца,-размагничивающий фактор). Впрочем* при ох- ™ Т^
лаждении в сверхкритическом поле никаких токов не ™ет пробой. таких широко используемых иэлектри^
появится, даже на миг, когда температура опустится до ^Гкак винипласт, полистирол, полиэтиле"^™еТ?н^.
критической. Отсюда следует, что токи, магнитное поле ^торное масло создают в единичном ^»*™*
и температуры сами по себе препятствуют новому состоя- fZ*oiже величины, что критические магнитные
нию, нарушая дальний порядок в электронном распре- 1ПП А /л'л' Тякие энергии
делении. Еще 13 элементов могут стать сверхпроводни-
ками, но только при давлениях 20—150 атм. Такие мате-
риалы можно одновременно использовать для переноса
токов и контроля давления, если, конечно, в техническом
агрегате достаточно высок напор хладагента или электро-
динамических сил.
Оказывается, что давление сближает атомы, их плот-
ность в пространстве возрастает, а вместе с тем повы-
шается электромагнитное взаимодействие ионов и элект-
ронов в веществе, что в итоге способствует или препят-
ствует сверхпроводящему переходу. Если материал уже
стал сверхпроводником, рост давления снижает крити-
ческое поле. Эту закономерность выявил Оннес (1913 г.),
а более поздние остроумные эксперименты подтвердили,
что некоторые образцы в сверхпроводящем состоянии
как бы распухают.
22
гию той же величины, чти гчритичс^г^ поля
напряженностью порядка 100 А/мм. Такие энергии неве-
лики и соответствуют давлению всего 0,1 атм, поэтому
критические напряженности электрического поля мог-
ли бы использоваться в измерителях, регистраторах,
ограничителях полей обычно применяемого умеренного
диапазона.
Что же можно сказать о величине постоянных токов,
которые допустимо передать по такому сверхпроводни-
ку, как свинец? Так ли велики эти токи? И расчеты, и
опыты убеждают, что нужно очень бережно использо-
вать токонесущую способность сверхпроводников, пото-
му что она хотя и велика, но не безгранична. Например,
без внешнего поля свинцовый проводник диаметром
1 мм пропустит ток 130 А, что примерно в 100 раз выше,
чем для медной проволоки того же размера. Но чем
массивнее шина, тем меньше преимущество свинца. В
сверхпроводящих элементах ток протекает в тонком
23
поверхностном слое (у свинца —4,15-10~6 см), снижаясь
по экспоненциальному закону в толще металлического!
образца по мере удаления от поверхности.
В жидком гелии максимальная, критическая плот-
ность тока на периметре свинцового провода достигает
10 8 А/мда 2. Но чем больше диаметр провода, тем меньше:
средняя плотность тока, отнесенная ко всему практически
неработающему сечению. Для провода диаметром 2 см>
средняя плотность тока снизится до 8,5 А/мм2, что уже
почти соизмеримо с медью (1—4 А/мм2). А при диаметре
17 см по медному брусу и свинцовой трубе можно пере-
дать уже одинаковый ток 22 кА. При более высоких то-
ках габариты медной шины станут меньше, чем шины
сверхпроводящей.
Напрашивается простое решение: если для свинца
важно увеличение токонесущей поверхности, то не рас-
щепить ли трубу на большое число слоев и нитей? Но,
увы, эта простая мера не помогает: ведь все составляю-
щие проводники придется соединить параллельно, и ток
все равно вытеснится в наружный слой составной шины.
Медные многоамперные токопроводы должны быть
компактнее, чем сверхпроводящие свинцовые! Есть над
чем задуматься энтузиастам создания новой техники. Но,
к счастью для них, дела не так плохи: ведь, кроме свин-
ца, есть другие сверхпроводники, о которых еще не гово-
рилось, да и габариты токопровода — не единственная,
хотя и немаловажная характеристика. Действительно,
медный цилиндр диаметром 0,36 м пропустит ток в
100 кА, хотя труба того же диаметра со свинцовым по-
крытием в жидком гелии — только 47 кА. Но на метр
длины потребуется почти тонна меди, а свинца не более
0,5 г (даже при толщине слоя, равной 10-кратной глуби-
не проникновения)!
О безусловной экономичности передачи тока по сверх-
проводникам речь будет идти ниже, а пока нужно вер-
нуться к критическим параметрам этих материалов.
Допустим, что именно токи разрушают сверхпроводящее
состояние. При этом неважно, подан ли ток от электро-
сети или наведен магнитным полем. Чтобы сверхпрово-
димость какой-то точки сохранялась, плотность суммар-
ного тока в ней не должна превысить критической вели-
чины, присущей данному материалу.
Здесь следует упомянуть о той частой и практически
важной ситуации, когда образец может расслоиться на
24
чередующиеся зоны разной электропроводности. Такое
состояние, называемое промежуточным, можно получить
искусственно, создавая в образце неоднородное поле, по
величине в одних точках выше, а в других — ниже кри-
тического значения. Того же эффекта можно добиться
естественным способом за счет выбора определенной
геометрии образца. Так, на экваторе сверхпроводящей
сферы сумма внешнего и собственного (за счет наведен-
ных токов) полей может превысить критическое значе-
ние, хотя на полюсах сверхпроводимость сохранится.
Известны разные модели промежуточного состояния,
когда, например, распределение зон считается стати-
ческим. Убедительна и другая, динамическая модель,
предложенная в 1957 г. К. Гортером и недавно теоре-
тически дЬполненная А. Андреевым. Согласно этой мо-
дели зоны разных проводимостей чрезвычайно быстро
перемещаются по <к5ъему, сменяя друг друга, однако в
среднем фиксируется некоторое кажущееся предпочти-
тельное их сочетание. Промежуточное состояние много-
кратно исследовалось на опыте: то с помощью малень-
кого висмутового зонда, перемещаемого в узкой щели
между половинками образца; то с помощью сверхпрово-
дящего порошка, напыленного на образец и собирающе-
гося в кучки на поверхности зон, которые потеряли
сверхпроводимость (диамагнитное декорирование); то с
помощью магнитооптических тонких накладок, которые
в поляризованном свете, отражающемся от зеркальной
поверхности образца, позволяют выделить точки поверх-
ности с разным магнитным состоянием.
Сверхпроводники I рода обычно работают в докри-
тическом состоянии, когда сопротивление образцов от-
сутствует. Но в измерительных приборах иногда исполь-
зуется фазовый переход, если регистрируемый сигнал
должен перевести образец из одного состояния в другое.
Этот переход может быть резким, а при необходимости
его можно растянуть. Фазовые переходы служат пре-
красными примерами предельных ситуаций, углубляясь
в которые, можно многое понять в сущности соседствую-
щих состояний, нормального и сверхпроводящего. Эти
переходные ситуации между граничащими состояниями
служат, в частности, источниками сведений для изуче-
ния тепловых и электрических свойств сверхпроводников.
Например, при увеличении транспортного тока и
достижении им критического значения сопротивление
25
гонкой сверхпроводящей проволоки восстанавливается
скачком только до половины нормального значения, а по-
том постепенно по мере роста тока повышается. Даже
чогда транспортный ток втрое выше критического значе-
ния, сопротивление все еще достигает только 97% от пол-
ной величины. Чем объяснить затянутость перехода?
При критическом токе образец становится нормаль-
ным, нагревается, сопротивление растет, а ток через об-
разец падает, что приводит к уменьшению поля. Если
поверхностный теплоотвод превышает тепловыделение,
что обычно соблюдается для тонких проволок, образец
снова становится сверхпроводящим. Разные состояния
периодически сменяются с частотой, определяемой элек-
тромагнитными постоянными цепи, соотношением ее ин-
дуктивного и активного сопротивлений.
Потому длительности пребывания провода в разных
состояниях одинаковы, что усредняет фиксируемое сопро-
тивление до половины нормального. Если теплоотвод
затруднен (толстые провода, массивные образцы), то нор-
мальная фаза длится в 2—4 раза дольше сверхпроводя-
щей, скачок сопротивления при фазовом переходе рас-
тет до 60—80% от нормы. Если образец термически изо-
лировать, то при критическом токе сопротивление вос-
становится полностью и окончательно.
До сих пор речь шла о простых сверхпроводящих ме-
таллических элементах, с которыми начинал работать
Оннес. Но в 1936 г., экспериментируя со сверхпроводя-
щими сплавами, Л. Шубников показал, что магнитное
поле проникает в образец, который частично все еще
остается сверхпроводящим. Значение поля, при котором
начинается проникновение, получило название первого
критического, а при втором критическом значении сверх-
проводимость полностью исчезает во всем образце. Еще
через 15—20 лет советские физики ввели понятие сверх-
проводников II рода.
В сверхпроводниках идеальных (I рода) поверхност-
ная энергия положительна, то есть в нормальном со-
стоянии выше, чем в сверхпроводящем. Если в толще
такого материала возникает нормальная зона, то для ее
существования нужно подводить энергию извне. Если
энергию взять неоткуда, то переход затруднен и образец
остается полностью сверхпроводящим, пока весь целиком
не восстановит своего сопротивления, при условии, что
26
поля и температуры во всех точках поверхности одина-
ковы.
В сверхпроводниках II рода энергетически выгодно,
чтобы в толще образца возникали нормальные зоны.
Их поверхностная энергия отрицательна, энергия нор-
мальной фазы меньше, чем сверхпроводящей. Начиная
с первого критического поля, образец разбивается на
совокупность зон с нулевым и конечным электросопро-
тивлением (это состояние называется смешанным).
До первого критического поля сверхпроводники II ро-
да ведут себя как материалы однородные: ток протекает
только по поверхности, а магнитное поле в толщу образ-
ца не проникает. Но это состояние длится недолго: сви-
нец в жидком гелии остается сверхпроводником в полях
больше 45 кА/м, но станнид ниобия уже в полях
1—4 кА/м начинает пропускать магнитное поле в толщу.
Промежуточное состояние сверхпроводников I рода
можно заметить невооруженным глазом, но у смешанного
состояния структура гораздо тоньше: габариты нормаль-
ных зон меньше 10~7 м. Причина этого проста. Ведь чем
больше общая площадь границ разных фаз, тем больше
выделится энергии при наступлении смешанного состоя-
ния, тем выгоднее образцу в этом состоянии оставаться.
Достоверно выяснено, что граничная поверхность мак-
симальна при такой конфигурации, где сверхпроводник
пронизан множеством нормальных цилиндров, парал-
лельных полю и образующих регулярную, обычно тре-
угольную структуру. Вокруг каждой сердцевины цирку-
лируют незатухающие токи.
Границы этих цилиндров и токовых вихрей сильно
размытп, а магнитный поток внутри них как раз равен
кванту поля, флюксону. При росте внешнего поля решет-
ка из сердцевин уплотняется до тех пор, пока сверхпро-
водимость не исчезнет.
Для сверхпроводников II рода выгодно подбирать
такие режимы работы, когда они находятся в смешан-
ном состоянии. Другими словами, их нужно использо-
вать именно в больших магнитных полях. Конечно, если
поле выше первого критического значения (примерно
104 А/м, или 0,01 Т), то часть образца вернется в со-
стояние с конечной электропроводностью. Зато другая
часть образца останется сверхпроводящей даже в очень
сильных полях. Некоторые сплавы и химические соеди-
нения выдерживают поля до 1,6-107 А/м (примерно
27
20 Т) при достаточно высоких плотностях транспортных
токов, переносимых уже не только поверхностью, но и
толщей металла (до 10 3—10 4 А/мм2). В настоящее вре-
мя смешанное состояние жестких сверхпроводников не-
плохо изучено: точки проникновения поля образуют ре-
гулярную структуру, вокруг этих точек возникают токо-
вые вихри, под действием сил Лоренца эти вихри могут
сорваться с точек закрепления и сместиться в толще, выз-
вав потери.
Критические характеристики таких материалов обыч-
но отражают диаграммой «ток-поле», потому что одно-
значно связать ток и поле, как в образцах из материала
I рода, нельзя. Ход этих диаграмм зависит от многих
факторов, но особенно от внутреннего строения образца.
Критические поля и токи сверхпроводников I рода
невелики, что затрудняет практическое применение этих
материалов, но зато при передаче переменного тока в них
нет потерь, если не считать небольшого рассеяния энер-
гии на шероховатостях и неровностях поверхности. Для
сверхпроводников II рода все наоборот: неоднородность
структуры повышает критические значения постоянных
магнитных полей, но отрицательно сказывается на пове-
дении материала в переменных полях. В 1962 г. Ф. Лон-
дон показал, что при передаче переменного тока по
жесткому сверхпроводнику наблюдаются гистерезисные
явления, связанные с остаточной намагниченностью и
рассеянием энергии в образцах.
Для разработчиков новых криоэлектротехнических
конструкций вопрос о критических токах особенно ин-
тересен. Ведь сверхпроводники только для того и нужны,
чтобы повысить рабочие токи. Здесь сверхпроводники
II рода вне конкуренции: они не только более стойко
ведут себя во внешних полях и при более высоких тем-
пературах, но и токи могут пропускать существенно бо-
лее высокие при тех же габаритах токонесущей шины.
Правда, внутренние индуктивности у них больше, чем
у проводников из материалов I рода, из-за распреде-
ления транспортных токов по всему сечению, но все же
эти добавки не очень существенны по сравнению с внеш-
ними потокосцеплениями. Даже в нормальных, «теплых»
электроустановках обычно пренебрегают магнитными по-
лями в толще проводников, то же допущение зачастую
справедливо и для сверхпроводящих токонесущих кон-
струкций.
28
Разговор об ^электромагнитных свойствах сверхпро-
водников еще далеко не окончен. Ведь нужно еще упо-
мянуть о выталкивании магнитного поля из толщи сверх-
проводника, о пропускании туннельных токов между изо-
лированными сверхпроводящими образцами, о квантова-
нии магнитного потока. Но об этих свойствах сверхпро-
водников удобно рассказать там, где будут описаны
соответствующие технические устройства. А пока оста-
новимся на нелегкой проблеме изготовления проводов,
шин, лент из сверхпроводящих материалов. Посмотрим
на сверхпроводники уже не с позиции физиков, а с точки
зрения материаловедов.
МЕДНОЕ СПАСЕНИЕ
Как только появились сверхпроводники, казалось бы,
эра монопольного применения меди и алюминия в элект-
рических проводах должна необратимо закончиться. За-
чем же дальше терпеть бесполезный нагрев токами мно-
гочисленных проводников?
Такие сверхпроводящие материалы, как свинец, тан-
тал или олово, действительно легко использовать на
практике. Достаточно давно освоенными способами про-
тянуть материал в проволоку, прокатать лист фольги или
напылить пленки, и образцы готовы к применению. Эти
материалы доступны, благодаря мягкости они, как пра-
вило, легко обрабатываются. К тому же эти материалы
относительно недороги. Так, например, свинец дешевле
меди, его стоимость сравнима с алюминием, составляя
примерно 800 рублей за тонну труб среднего диаметра.
У свинца малая теплоемкость, в силу чего он быстро
принимает температуру ванны с гелием. Свинец непло-
хо, ненамного хуже меди, проводит тепло, что немало-
важно при охлаждении длинного отрезка провода. При
комнатных температурах упругость свинца невелика,
но в жидком гелии он ведет себя подобно рессорной
стали.
Еще одно достоинство простых сверхпроводников, ес-
ли судить по свойствам свинца,— независимость крити-
ческих параметров от химической чистоты. Так, можно
использовать свинец технических марок с большим ко-
личеством примесей. Из таких металлов, как свинец,
можно изготавливать датчики для низкотемпературных
манометров, потому что по мере роста давления (до
29
160 атм) температура перехода свинца в сверхпроводя-
щее состояние снижается линейно.
Применение сверхпроводников I рода удобно для
многих объектов, но для магнитных систем они непри-
годны из-за низких критических температур и полей. Вне
конкуренции сверхпроводники II рода, их критические
температуры, поля и токи много выше.
Одно время, по крайней мере из-за небольших по-
терь в переменных полях, перспективным материалом
считался ниобий, если образец хорошо отожжен и его
поверхность отполирована. Этот светло-серый металл
почти так же плотен, как медь, латунь, никель. У ниобия
температура перехода не очень высока (9,2 К), но даже
при такой температуре можно применять более дешевое
охлаждение гелием, находящимся в сверхкритическом со-
стоянии. Однако критические поля у ниобия все же не-
достаточны для его широкого применения (первое поле —
160, второе —240 А/мм), потому этот материал не всегда
перспективен. Кроме того, ниобий относительно дорог, его
месторождения, хоть и велики, но удалены от обжитых
районов.
Сам ниобий применяется теперь не так часто, как
несколько лет назад, но тем не менее использование его
сильно выросло. Этот металл оказался не менее плодовит,
чем Ниоба, его мифическая праматерь. Из двух тысяч
наименований известных сегодня сверхпроводников самы-
ми высокими критическими параметрами обладают спла-
вы и соединения именно ниобия (с цирконием, титаном,
оловом, германием, алюминием). Эти вещества перехо-
дят в новую фазу при рекордно высоких температурах
(9—23 К), что позволяет применять для охлаждения да-
же водород под откачкой, что может в 2—3 раза удеше-
вить рефрижераторную систему.
Материал
Nb—Zr
Nb3—Ti
NbaSn
Nb(Al, Ge)
Nb3Ga
Nb3Ge
V8Ga
V3Si
Критическая
температура , К
9-11
8—10
17-18
1 20
20
1 21—24,3
14.5
17
Второе критическое магнитное
поле в жидком гелии, Т
7—12
9-13
22—25
41
34
37
21—23
23
30
По таблице можно судить о критических параметрах
лучших из сегодня известных материалов, перспективных
для применений в магнитных полях. *"
У этих материалов критические плотности токов тоже
велики, составляя в жидком гелии при внешнем поле,
например, 2,5 Т для Nb—Zr— 1 кА/мм2, Nb—Ti—2,5,
NbaSn—17, VsGa—5 кА/мм2. Столь больших полей и
токов добиваются с помощью термообработки и деформа-
ции образца, что позволяет измельчить и вытянуть зерна
в твердом растворе металлических фаз. Так, Nb—50% Ti
в слитке пропускает ток 100 А/мм2, а после отжига и
волочения— в 10 раз выше.
Всем хороши провода из сверхпроводников II рода,
кроме одного: их создание — нелегкая задача. Сегодня
эта проблема успешно решена, но конструкция проводов
получилась довольно сложной. Вместо простых проволок
пришлось создавать композиции из двух (обычно сверх-
проводник с медью) и даже нескольких металлов ( напри-
мер, станнида ниобия, олова, бронзы, тантала, индия).
Возникла индустриальная металлофизическая база по
изготовлению композиционных сверхпроводящих про-
водов.
Что же вынудило специалистов пойти по тернистому
пути производства сложных композитов? Тому есть три
причины: неприемлемые механические свойства многих
материалов, потребность в сложной внутренней архитек-
туре проводоз, принципиально низкая теплопроводность
сверхпроводников.
Справиться с излишней хрупкостью некоторых соеди-
нений можно было бы относительно простыми средства-
ми, используя в качестве конструкционного каркаса или
оболочки другой материал. Гораздо труднее добиться
сложной структуры материала с хорошо перемешанными
составляющими. Сверхпроводники II рода должны быть
сильно неоднородны по составу, что вынудило применить
многоступенчатую технологию их производства. Порча
кристаллической решетки примесями, дефектами и де-
формациями благотворно сказывается на критических
параметрах сверхпроводника. Потому металлофизики раз-
работали подробные перечни нужных дефектов и отра-
ботали методы их получения. Металлурги вынуждены вы-
плавлять и переплавлять слитки, волочить из них провода,
отжигать, протягивать повторно, добавлять присадки, ко-
вать, напылять, заставлять реагировать составляющие.
31
Упоминая отжиг и присадки, уместно сказать о родст-
ве сверхпроводящих и тугоплавких металлов. Среди
сверхпроводников ниобий и тантал отличаются особо
большой кислотоупорностью и жаропрочностью. По кри-
тической температуре тантал почти вдвое уступает нио-
бию (4,4 и 9,2 К), но зато плавится при более высокой
температуре (3 и 2,5 тыс.°С). Из-за малой добычи (ми-
ровая добыча тантала не превышает тысячи тонн в год)
обычно применяются жаропрочные сплавы из куда более
дешевого молибдена, рекордно тугоплавкого вольфрама и
даже хрупкого хрома. Вот почему тантал и ниобий можно
было бы не использовать как тугоплавкие материалы, но
расходовать их в других целях, в частности для производ-
ства сверхпроводников.
Показательно, что жаропрочному молибдену и сверх-
проводящему ниобию нужны одни и те же легирующие
добавки: титан, цирконий, ванадий, гафний, бор и даже
рений. Потому этими полюсными по рабочей температуре
металлическими кланами занимаются специалисты из од-
них и тех же организаций, например, из Центрального
научно-исследовательского института черных металлов,
академических институтов металлургии и физики твердо-
го тела.
Сегодня наша промышленность выпускает широкий
ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для са-
мых различных нужд. Наиболее распространенный мате-
риал для соленоидов — сплав ниобия с титаном. Сначала
выплавляют слитки составляющих металлов в дуговой
печи, потом их переплавляют электронным лучом, полу-
чают прутки экструзией, прокаткой и ковкой, собирают
их в пучок, добавляя медь. После отжига эту сборку воло-
чат, вновь отжигают. Такой провод может пропустить
2—3 тыс. А при сечении 1 мм2 в полях 2—3 Т.
Вместо медной добавки можно использовать алюми-
ний. Его проще очищать, он легче, и его сопротивление не
так быстро растет в магнитном поле. Но нет добра без
худа, ибо алюминий механически непрочен, его трудно
волочить. Из-за этого прочность композиции алюминия и
сверхпроводника невелика. Зато при механической обра-
ботке медной матрицы ниобий-титановые нити хорошо
тянутся, гнутся.
В дополнение к мягким, дуктильным, сплавам давно
появились жесткие, хрупкие материалы из группы II ро-
32
да с более высокими критическими параметрами. Еще в
1954 г. Б. Маттиас с сотрудниками получил станнид нио-
бия, критическая температура которого вдвое выше, чем
у ниобия. Через 7 лет Д. Кунцлер изготовил слитки из
этого материала, вслед за чем вырезал из них стержень-
ки малого размера. Более технологичной конструкци-
ей оказались трубки из ниобия с засыпанной внутрь
смесью порошков ниобия и олова в нужной пропорции.
Эти трубки отжигались при 900—1400° С в течение суток,
а перед этим сильно обжимались. Оказалось, что новый
материал мог пропускать токи до 103 А/мм 2 в полях 8 Т,
хотя до этого поля были ограничены величиной 1 Т! Так
началась буквально новая эра в создании высокополевых
сверхпроводящих устройств.
Станнид ниобия используют в многожильных прово-
дах, где на 1 часть сверхпроводника приходится 10—50
частей меди. От 3 до 250 тыс. тончайших волокон диа-
метром 3—5 мкм запекают в бронзовую основу. Метал-
лофизики научились наносить станнид ниобия электри-
ческим полем, распыляя материал с катода магнетрона
(500 В, 3—5 кВт) при скорости осаждения до 1 мм/мин.
Под электронным микроскопом можно видеть строение
слоя толщиной 1—3 мкм, в срезе он напоминает мягкие
оконные драпировки, плавно ниспадающие к медной ос-
нове.
Соединенна ниобия и ванадия с другими металлами
относятся к семейству с решеткой типа А-15. Ячейки
кристаллов этих сверхпроводников похожи на кубики, в
вершинах которых размещены, например, атомы олова,
а на гранях — «гантели» из двух атомов ниобия. Эта ак-
куратная компоновка обеспечивает особо высокие крити-
ческие температуры и поля для соединений ванадия с
галлием или кремнием, ниобия с алюминием, галлием
или германием.
По свойствам германид ниобия пока держит рекорд
(физический, но не технический). Этот материал иссле-
дуют металлурги, физики, химики, пытаясь отработать
промышленно пригодную технологию производства. Под
электронным микроскопом нити диаметром 20 мкм напо-
минают штабель из бревен, обросших мхом и плесенью.
Этот штабель обеспечивает передачу токов с плотностью
до 104 А/мм2, сохраняя сверхпроводимость до полей в
40 Т. Такие показатели с лихвой удовлетворили бы нуж-
ды самых взыскательных заказчиков. Еще в 1979 г.
33
германид ниобия был всего лишь в полтора раза дороже
станнида ниобия. Но все же нужных проводов из герма-
нида с большими токами нет до сих пор.
Технология производства сверхпроводников с рекорд-
но высокими параметрами не проще освоенной ранее для
сплавов. Однако промышленность нашей страны уже се-
рийно выпускает сверхпроводящие провода на токи от
одного до десятков тысяч ампер. Для магнитных систем
разного назначения приходится подбирать конструкцию и
технологию изготовления обмоточного провода с учетом
многих факторов, таких, как рабочая температура, номи-
нальный ток и ожидаемые скорости его изменения, вели-
чина запасенной в поле энергии, электродинамические
силы между токами.
Сегодня для получения многожильных проводов из
хрупких интерметаллидов особенно перспективен бронзо-
вый метод (или метод твердофазной диффузии), освоен-
ный промышленностью несколько лет назад. По этому ме-
тоду прессованием и волочением создается композит из
тонких нитей ниобия в матрице из бронзы (медь плюс
олово 10—13%). При нагреве олово из бронзы диффун-
дирует в ниобий, образуя на его поверхности тонкую
пленку станнида ниобия. Композиция содержит много
проводников, жгут может гнуться, но пленки остаются
целыми. Тем же методом можно создать композиты с тон-
кими слоями таких соединений, как ванадий-галлий.
Характерная конструкция работоспособного сверхпро-
водящего провода достаточно сложна. Например, для об-
мотки ротора экспериментального генератора изготовлен
проводник из 12 жил диаметром по 0,15 мм, для упрочне-
ния скрученных вокруг стальной проволочки того же ди-
аметра. Каждая жила содержит 240 волокон станнида
ниобия в бронзовой матрице. В жгут включены две мед-
ные жилы для рассасывания горячих пятен, повышения
гибкости и возможности пайки проводов встык. Медные
жилы покрыты танталовым барьером, отделяющим медь
от бронзы. Если бы барьера не было, то диффузия олова
между бронзой и медью могла бы снизить электропро-
водность жилы. Наконец, для электрического контакта
граничащих зон вся конструкция пропитана индием, ма-
териалом мягким и легкоплавким, заполняющим все ще-
ли. Кстати, индий тоже сверхпроводит, но в очень слабых
полях и ниже температуры 3,4 К.
34
Наиболее сложные многоволоконные жилы содержат
сотни тысяч нитей ничтожно малого диаметра. Для рав-
номерной загрузки током нити транспонированы в еди-
ный жгут. Если обмотка работает в переменных полях,
то жгут для ограничения вихревых токов ко всему про-
чему оснащается медно-никелевой матрицей.
Сложность строения сверхпроводящих проводов удо-
рожает их производство, так что за особые электромаг-
нитные качества приходится платить. Постоянный ток
предпочитает протекать по пути с наименьшим сопротив-
лением, поэтому при разрывах сверхпроводящих нитей
ток закорачивается через нормальные зоны, что вызывает
соответствующие потери. Металлофизикам пришлось ре-
шить противоречивую задачу: сохранить пластичность
сплава (для чего нужны большие температуры отжига)
при достаточно больших плотностях критического тока
(для чего нужны сильные холодные деформации).
Еще не до конца освоена проблема переноса по сверх-
проводникам переменных токов при низких потерях. Эти
токи распределяются почти независимо от омических со-
противлений, обратно пропорционально индуктивностям
цепей. Вот почему нормальные включения также участ-
вуют в переносе переменных токов. Если применить мат-
рицы с высоким сопротивлением, то вихревые токи мож-
но снизить. Но в металлах электрическое и тепловое
сопротивления растут одновременно (закон Видемана-
Франца), а ухудшение теплопроводности нежелательно.
Можно оставить слои нормального металла для пере-
распределения тепловых потоков и стабилизации рабочих
температур, но поместить их там, где нет магнитных
полей, например в толще сверхпроводящего провода.
Еще один принципиальный недостаток всех сверхпро-
водников, влияющий на конструкцию проводов,— низкая
теплопроводность. Термодинамические свойства этих ма-
териалов легко оценить с помощью микроскопической
модели сверхпроводящего состояния. Конденсация элек-
тронов в сильно скоррелированную систему электронных
пар снижает энтропию. В момент появления сверхпрово-
димости скачком увеличивается теплоемкость, но скры-
тая теплота перехода второго рода все же отсутствует.
Если переход происходит в магнитном поле, то темпера-
тура перехода несколько снижается, чтобы компенсиро-
вать магнитный вклад в энтропию.
35
У обычного магнетика в магнитном поле энтропия по-
нижается, а снятие поля вновь разупорядочивает положе-
ние атомных диполей, из-за чего образец охлаждается
(адиабатическое, т. е. без обмена теплом со средой, раз-
магничивание). Энтропия сверхпроводящего конденсата в
поле возрастает. Если нет подвода извне, то скрытая теп-
лота перехода поступает от тепловой энергии решетки,
что означает охлаждение образца (адиабатическое на-
магничивание). Этот метод понижения температуры ис-
пытан на практике, но не применяется из-за меньшей
практичности по сравнению с другими способами.
Для наших целей особенно важно, что при переходе
из нормального состояния в сверхпроводящее теплопро-
водность образца уменьшается. В нормальном металле
тепло переносится электронами, но образование конден-
сата лишает электроны возможности участвовать во вза-
имодействии с решеткой, подводить к ней или отводить
от нее энергию. У олова, например, при 2 К теплопровод-
ность в сверхпроводящей фазе уменьшается вдвое, а у
свинца при 1 К — в 100 раз по сравнению с нормальной
фазой.
Оказывается, что для некоторых сверхпроводников и
обратный переход в нормальное состояние чреват серьез-
ными последствиями, потому что теплопроводность при
нагреве снижается на порядок. Если под действием тока
свинцовый провод станет нормальным, он начнет необра-
тимо греться, гелий окутает провод газовой шубой, пло-
хо отводящей тепло, и при температуре 330° С провод рас-
плавится. Насколько немыслимая ситуация: в самой хо-
лодной жидкости перегореть, как раскаленный волосок в
электрической лампе!
Ниобий, как и его соединения с другими металлами,
проводит тепло еще хуже: при температуре кипения ге-
лия теплопроводность ниобия в 200 раз меньше, чем у
меди. Этот недостаток мог бы свести на нет достоинства
сверхпроводящих материалов, так как тепло, выделивше-
еся в какой-то точке провода или попавшее туда извне,
почти не отводится соседними участками. Теплые пятна,
не рассасываясь, подогревают провод, лишая его сверх-
проводящих качеств сначала в некоторых местах, потом
лавинообразно по всей длине.
Низкая теплопроводность сверхпроводников II рода се-
рьезно затрудняла работу с ними в начальный период
внедрения. Уже в 60-х годах образцы сверхпроводящих
36
материалов получали разными способами. Например,
слитки сплава ниобия с цирконием прокатывали в тонкие
листы или протягивали в проволоки, из слитков ванадия
с галлием обычно вырезали стержни малого размера,
смесь порошков олова и ниобия заключали в ниобиевую
трубку, которую нагревали и обжимали для получения
станнида ниобия (технология порошкового сердечника).
Много сил и времени было затрачено на то, чтобы найти
оптимальное сочетание режимов отжига и холодной де-
формации, при котором критические параметры проволо-
ки были бы предельно высокими. Но стоило намотать
готовый провод хорошего качества в соленоид, как кри-
тические токи уменьшались вдвое-втрое по сравнению с
короткими образцами в тех же полях.
Что ограничивало токи? Вначале думали, что с ростом
длины провода увеличивается число слабых мест с по-
ниженными критическими параметрами. Но этой причи-
ны оказалось недостаточно, чтобы объяснить неожидан-
ные переходы сверхпроводящих обмоток в нормальное
состояние. Вдруг ток быстро снижался, в криостате слы-
шались шумы и удары, из патрубков выбрасывались
струи испарившегося гелия, витки обмотки расплавля-
лись. В одном из опытов физики из лаборатории «Вестин-
гауз» догадались прижать бок обмотки, зачищенный от
нейлоновой электроизоляции, к латунному каркасу; ра-
ботники Ок-Риджской группы предложили меднить об-
мотку; преподаватели из Массачусетсского технологичес-
кого института отвергли эту идею («хотя нормальный
проводник, например медь, является прекрасным изоля-
тором по сравнению со сверхпроводником, лучше не при-
менять металлическую изоляцию»); наконец, физики из
«Дженерал Электрик» решились покрыть ниобиевую про-
волоку тонким слоем олова.
Перебирая старые, двадцатилетней давности, публи-
кации, можно видеть, как непросто было понять причины
острой проблемы деградации токов и найти метод борьбы
с ней, хотя найденное решение сегодня кажется очевид-
ным. В 1963 г. 3. Стекли изучал законы распространения
нормальной зоны по обмотке сверхпроводящего соленои-
да. При переходе части обмотки в нормальное состояние
на появившемся омическом сопротивлении должно было
теряться напряжение, рассеиваться энергия. Но как?
Тепловая зона расползалась или вдоль витка, если он хо-
рошо теплоизолирован, или по одному слою обмотки, или
37
по всем соседним виткам. Анализ процесса одно-двух- и
трехмерного распространения этой зоны позволил не
только вывести уравнения для оценки скорости снижения
тока, роста напряжения и рассеяния энергии. Главное,
удалось отыскать метод борьбы с деградацией.
Этот метод впоследствии стал общепринятым, ибо да-
вал хорошие результаты на практике. Вывод исследова-
теля был убедительно обоснован, и сейчас широко при-
меняется «критерий Стекли». Оказалось, что покрытие
проволоки тонким слоем меди или серебра «существенно
снижает напряжение и местное выделение энергии в
сверхпроводящей катушке, переходящей в нормальное
состояние».
Надежность работы сверхпроводящих обмоток сразу
же выросла. Самые ответственные потребители с успехом
использовали метод тепловой стабилизации, названный
криостатическим.
Сегодня проблема шунтирования сверхпроводящих
проволок нормальными покрытиями успешно решена си-
лами многих специалистов, и основной вклад внесли со-
ветские ученые-теплофизики. Разработаны методы не
только криостатической, но и внутренней термостаби-
лизации. Надежность работы сверхпроводящих обмоток
в жидком или газообразном переохлажденном гелии те-
перь гарантируется.
Сейчас все сверхпроводящие провода непременно ста-
билизируют медью или алюминием. Но эти провода уже
скорее медные с вкраплением сверхпроводника, чем
сверхпроводящие с добавкой меди. Сверхпроводящие
провода с медной стабилизацией, пожалуй, правильнее
называть медно-сверхпроводящими.
Так медь спасла новые сверхпроводниковые материа-
лы, повысив их теплопроводность до приемлемого уров-
ня. Заодно хрупкие и упругие нити с ниобием или ма-
териалами на основе ниобия стали более податливы для
механической обработки, изгиба, намотки.
Сегодня специалисты знают, что величина токов, по-
являющихся в толще сложного провода «сверхпроводник
плюс медь», зависит от совместного действия электромаг-
нитных и тепловых процессов. Упрощенная картина не-
когда страшной деградации выглядит теперь так. Дефек-
ты в объеме материала распределяются равномерно, поэ-
тому в некотором внешнем магнитном поле множество
маленьких зон потеряет сверхпроводящее состояние.
38
В них проникнет магнитное поле. Токовые вихри кольца-
ми охватят эти зоны в толще сверхпроводящей матрицы.
Принято говорить, что множество флюксоидов (квантов
магнитного потока) зацепилось за дефекты структуры.
Вместе с растущим магнитным полем токовые вихри бу-
дут усиливаться до тех пор, цока их взаимодействие с
током не заставит эти кольца сместиться, сорвавшись с
центров закрепления. По пути будут пересекаться нор-
мальные зоны, где токовые вихри рассеятся.
Сложилось даже некоторое научное направление, изу-
чающее вопросы сверхпроводящих проводов и распреде-
ления токов в их толще. Известно несколько моделей,
объясняющих процессы в толще провода, где сложно со-
четаются зоны обычной и повышенной электропроводнос-
ти. Ученые еще пытаются точно, детерминированно про-
следить обмен силами и энергиями между разными
точками в объеме провода, но эта задача достаточно
трудна. Появились математические работы, где глубины
проволоки рассматриваются как смесь точек разной эле-
ктропроводности. Статистические расчетные методы хо-
рошо сочетаются с формальными описаниями, когда,
отвлекаясь от деталей процессов, ученые ограничиваются
интегральными характеристиками.
Проблему создания сверхпроводящих проводов для
передачи токов в сильных магнитных полях сегодня мож-
но считать решенной. Эти провода довольно сложны по
конструкции, так что метод скрещивания с медью плохо
характеризует сверхпроводники, которым самим по себе
не удается проявить своих замечательных высокополевых
свойств. Сверхпроводники оказались не так всемогуща,
как думалось вначале. В комбинации с ними медь про-
должает использоваться в немалых пропорциях, хотя,
конечно,абсолютный расход меди сократился во много
раз по сравнению с горячими электроустановками. В до-
критических режимах на постоянном токе именно сверх-
проводящая часть композита обеспечивает высокую то-
конесущую способность.
Сложность сверхпроводящих проводов можно окупить
улучшенными новыми качествами, которые появятся у
электрических агрегатов. Потеря электрического сопро-
тивления настолько выгодна, что применение сложных
проводов становится оправданным. Вместе с тем посто-
янно живет надежда на успешное завершение усилий фи-
зиков, направленных на создание новых, пусть сложных
38
синтезированных материалов, которые смогли бы оста-
ваться сверхпроводящими в еще более сильных полях и
при более высоких температурах, например комнатных.
Но сегодня инженерам приходится работать с теми
материалами, выпуск которых уже освоен промышлен-
ностью. Многометаллические композиты, заменившие
проводники из простых сверхпроводящих элементов, та-
ких, как ниобий и ванадий, приобрели неожиданные и за-
частую непредсказуемые электромагнитные свойства.
Вдруг выявилось, что критические токи, поля и темпера-
туры для конкретного провода нежестко связаны между
собой.
Действительно, можно четырьмя разными способами
зафиксировать тот момент, когда по мере повышения то-
ка провод во внешнем поле перестанет быть сверхпро-
водящим: по появлению первых признаков падения на-
пряжения на проводнике, по частичному восстановлению
сопротивления, по выделению тепла под током или, на-
конец, по снижению электропроводности от бесконеч-
ности до конечного значения. Однако измерения величи-
ны критического тока одного и того же провода при одной
и той же температуре в неизменном магнитном поле силь-
но зависят от того, каким прибором фиксируется переход
(вольтметром, омметром, калориметром или ваттметром),
какова чувствительность этих приборов, как интенсивно
охлаждается провод и насколько развита поверхность
теплоотдачи, много ли в проводе меди и как она распре-
делена по сечению. Разные методы фиксации критическо-
го тока для проводов из станнида ниобия могут давать
десятикратный разброс результатов измерения. Конечно,
нельзя примириться с тем, что для одного и того же про-
вода разные замеры дают при тех же условиях значения
токов то в 5, то в 50 А.
В конечном итоге несовпадения такого рода зави-
сят от причудливого сочетания электромагнитных и теп-
ловых характеристик как самого сверхпроводника, так и
соединенной с ним меди. А количество меди в сверхпро-
водящем проводе уже давно превысило половину.
КРИОГЕННЫЙ НАЛОГ
Больше всего внедрению сверхпроводников мешает не-
обходимость поддержания их низких температур. Если
бы новые проводники не надо было охлаждать, то они
бы уж давно использовались повсеместно. Много лет на-
40
зад перед учеными на повестку дня была поставлена за-
дача отыскания сверхпроводящих материалов, проявля-
ющих свои чудесные свойства при обычных, комнатных
температурах. Но пока таких высокотемпературных
сверхпроводников нет, и приходится создавать специаль-
ные условия для работы сверхпроводников существую-
щих, низкотемпературных.
Во-первых, нужны оболочки, ограждающие холодные
зоны от нашего теплого мира. Во-вторых, требуется омы-
вать сверхпроводящие жилы потоками подходящего хла-
дагента. В-третьих, хладагент надо производить. Эти три
«надо» тяжелым бременем легли на плечи инженеров. Но
что делать? Низкотемпературные трудности приходится
преодолевать...
Даже для маломасштабных экспериментов требуется
громоздкое оснащение, позволяющее на время опыта сох-
ранять гелий жидким,— теплоизолированные сосуды и
трубы, специальные переливные устройства. Кроме того,
необходимо осваивать методы работы с жидкими газами,
глубоко знакомиться с особенностями измерений при
низких температурах, изучать методики тепловых расче-
тов.
Пока эксперименты проводятся эпизодически, конеч-
но, нет смысла создавать свою криогенную базу. Лучше
покупать жидкий гелий. Но для стационарных трансфор-
маторов, ЭВМ или кабелей такая база необходима. Даже
для небольших с малым потреблением жидкого гелия
моделей сверхпроводящих объектов приходится монтиро-
вать громоздкие системы криогенного обеспечения, заво-
дить газовое и машинное хозяйство, приобретать ожижи-
тели и вакуум-насосы.
Сам сверхпроводящий объект занимает, как правило,
5—10% всего использованного пространства. Теперь при-
ходится говорить, например, не «модель сверхпроводя-
щего трансформатора», а «комплексная установка», в
состав которой входят: модель — раз, система криогенно-
го оснащения—два (включая вакуумное оборудование),
система измерений— три и, конечно, традиционная систе-
ма электроснабжения — четыре (ведь трансформатор
должен откуда-то получать и куда-то передавать элек-
троэнергию). Сколько усилий скрыто за каждым науч-
ным сообщением или техническим рапортом о создании
даже небольшой сверхпроводящей установки!
41
Но есть ли смысл усложнять электротехнические агре-
гаты будущего низкотемпературными системами? Для бе-
зошибочного ответа на этот вопрос надо тщательно со-
поставить ожидаемые выгоды и необходимые затраты.
А еще раньше следует изучить, как создаются и поддер-
живаются сверхнизкие температуры.
«Техника, рождающая холод» — буквально так пере-
водится термин «криогенная техника», которым Оннес
назвал в 1895 г. впервые в истории созданный комплекс
машин и аппаратов для производства и сохранения низ-
ких температур от азотного до гелиевого уровня. Крио-
генная ветвь термодинамики начала развиваться за два
века до Оннеса, когда Г. Амонтон, разносторонний уче-
ный, продолжавший работы Бойля и Мариотта с газами,
видимо, первым предположил существование абсолютно-
го нуля температур, который по его оценкам должен быть
равным —239,5°С.
Дорабатывая конструкцию газового термометра,
Амонтон заметил, что при равномерном остывании вски-
певшей воды давление падает столь же равномерно.
«Если давление станет нулевым, то и температура станет
самой низкой»,— решил Амонтон. Это прозрение было
основано на понимании теплоты как движения мельчай-
ших частиц газа, что делает честь французскому ученому.
Догадку о существовании конечной температуры встрети-
ли прохладно, работы гениального физика и в области
трения не имели поддержки (хотя сегодня именно его
законом пользуются при расчете сил трения скольжения).
Даже через 100 лет знаменитый Дальтон отрицал
теплоту как движение молекул, изображая на рисунке
атом, окруженный атмосферой теплорода. Впрочем, эти
физические представления не помешали Дальтону опре-
делить «уровень абсолютного холода» в —840° С. Именно
при этой температуре, по его мнению, газ должен сжаться
в точку.
Величина абсолютного нуля температур на газовых
термометрах уточнялась Вольта (—270° С), Гей-Люсса-
ком (—267° С), Шарлем и Кельвином, который в 1851 г.
предложил свою шкалу отсчета, где нуль физический в
конце концов стал и нулем метрологическим (0К=
= —273,2° С).
С введением понятия абсолютного нуля были упоря-
дочены размерности тепловых величин, можно было свя-
зать между собой тепловые и энергетические парамет-
42
ры. Кроме того, у многих ученых возникло желание до-
стичь или по крайней мере приблизиться к новому рубе-
жу на температурной шкале. Понадобилось чуть больше
100 лет, чтобы ожижением одного газа за другим добиться
температур в несколько градусов. В 1906 г. В. Нернст по-
казал, что абсолютного нуля температур принципиально
нельзя достичь. А еще через два года Оннес превратил в
жидкость последний газ, остававшийся неожиженным,—
гелий. Эта жидкость кипела при 4,2 К, если давление ос-
тавалось атмосферным. Но, откачивая пары, удалось сни-
зить температуру жидкого гелия до 0,9 К. Эта цифра дол-
го оставалась рекордно малой.
Методы ожижения газов не кажутся сложными. Мо-
жет быть, потому, что физико-технические основы глубо-
кого охлаждения разработаны в мельчайших деталях.
Чтобы превратить газ в жидкость, нужно, чтобы силы
сближения молекул (электрического происхождения) ста-
ли больше сил, разрывающих межмолекулярные связи
(кинетической природы). Для этого можно сблизить мо-
лекулы принудительно, сжимая газ. С другой стороны,
можно замедлить движение молекул, распределив кине-
тическую энергию на больший объем газа, что эквивален-
тно его охлаждению. Эти методы применяются раздельно
или сочетаются друг с другом.
Вот, например, способ ожижения газа сжатием. Он
нагляден и прост, но сегодня интересен лишь методически
и исторически. Суть этого способа такова. Энергия жид-
кости всегда меньше, чем газа той же массы, как раз на
ту часть, которая затрачивается на связь молекул друг
с другом. Вот почему превращение жидкости в пар тре-
бует нагрева, то есть подвода энергии извне. И у твердого
тела внутренняя энергия всегда меньше энергии распла-
ва. Это же соотношение сохраняется для тел в любом
агрегатном состоянии. Чем лучше организовано тело, чем
правильнее его структура, тем меньше его внутренняя
энергия. Если молекулы газа сблизить, то их комбинация
станет более плотной, что означает образование жид-
кости.
Рождение способа ожижения сжатием датируется
1790 г., когда Маруму, директору музея в Гааге, впервые
удалось превратить газ в жидкость. Проверяя правиль-
ность закона Бойля — Мариотта (произведение давления
на объем газа неизменно по величине), Марум сжал ам-
миак, который нагрелся, отдав тепло воздуху в комнате.
43
При давлении 7 атм газ неожиданно сгустился в туман,
капли которого образовали слой жидкости, кипящей при
—33,4° С. Последователи Марума быстро поняли роль
давления при ожижении. В 1805 г. с помощью самодель-
ных компрессоров Нортмору тем же способом удалось
превратить в жидкость газообразный хлор, а Монжу и
Клуэ — сернистый ангидрид.
Надо сказать, что ученым просто повезло, потому что
в их распоряжении оказался огромный естественный ре-
зервуар с неизменной температурой — атмосфера Земли.
Везением объясняется и выбор газов, ожиженных сжа-
тием. При опыте Марума, например, критическая темпе-
ратура аммиака (132,4° С) была много выше температу-
ры в комнате (15—20° С). Сегодня известно, что если тем-
пература и давление среды ниже критических парамет-
ров газа, то сжатием в принципе можно ожижить любой
газ без исключения.
Пусть, к примеру, газообразный гелий находится в мас-
сивном резервуаре с температурой 5 К при атмосферном
давлении. Если в этой зоне ограничить небольшой объем
газа и сжать его до 2 атм, то гелий ожижится. Для этого
нужно, чтобы температура сохранилась той же, а тепло,
выделившееся при совершении работы сжатия, было бы
отведено резервуаром. Возможности метода сжатия ис-
пользовать нелегко, потому что приходится сначала соз-
дать температуры, соответствующие ожижению газа, а
потом газ действительно станет жидкостью вместе с рос-
том давления. Лучше бы последовательность операций
была обратной.
Гораздо практичнее оказался давно известный способ
охлаждения (и ожижения тоже), основанный на испаре-
нии (для образования 1 кг водяного пара нужно затра-
тить энергии более 2 млн. Дж). В южных краях давно
известны кувшины с пористыми стенками, испаряясь
через которые, вода остывает. Испарением охлажда-
ются океаны и сохнущее белье, регулируется температура
тела у животных. Вполне правильно считать, что к кипя-
щему чайнику приходится подводить тепло от огня, что-
бы компенсировать охлаждение испаряющейся воды.
На испарении работала первая холодильная машина
Кавалло. В свое время Реньо, Аллюар, Даниэль исполь-
зовали в гигрометре эфир, который усиленно испарялся
благодаря продуванию и потому охлаждался, провоцируя
выпадение росы из воздуха. А по температуре точки ро-
44
сы можно было определить влажность воздуха. В 1820 г.
Волластон научился замораживать воду внутри стеклян-
ного шарика, который соединен закрытой трубочкой с
другим, пустым шариком («криофор»). Сегодня во мно-
гих учебниках физики рассказывается о том, что охлаж-
дение пустого шарика смесью снега и соли приводит к
конденсации в нем водяных паров. По этой причине вода
в другом шарике начинает усиленно испаряться, охлаж-
дается и замерзает. Через 49 лет после Волластона кри-
офорный принцип позволил Карре испарением эфира до-
биться получения льда в промышленных масштабах.
И тогда появилась возможность осуществить дальние пе-
ревозки охлажденного мяса из Австралии в Англию по
морю малой скоростью.
Каскад испарений позволяет превратить в жидкость
такой трудный для ожижения газ, как азот. Для этого
сначала сжимают аммиак, он остывает до комнатной тем-
пературы и ожижается. При испарении температура ам-
миака сохраняется неизменной (—43° С). При этой тем-
пературе ожижается сжатый этилен, который, испаряясь,
остывает до —100° С. Сжатый метан, в свою очередь, при
испарении этилена ожижается и затем сам собой при ис-
парении остывает до —161° С. Наконец, приходит очередь
азота, который провоцируется метаном к ожижению и ис-
парение которого под откачкой снижает температуру до
—210°С
Продлить каскад до еще более низких температур не
удается, потому что в природе не нашлось газа, который
мог бы продолжить эстафету чередований между темпе-
ратурами ожижения и испарения. Но и без того показате-
ли существующего испарительного каскада очень непло-
хи, ибо приходится сжимать лишь три вспомогательных
газа умеренного объема, причем для получения 1 л жид-
кого азота на работу компрессора затрачивается энергия
стоимостью лишь 2 коп.
Простое испарение сегодня используется в бытовых
холодильниках. И каскадное испарение принесло науке
большую пользу: с его помощью в 1877 г. Пикте ожижил
кислород. Однако в криогенной технике теперь нечасто
применяют чередование хладагентов из-за громоздкости
испарительных машин.
Для получения очень низких температур газу обычно
дают возможность увеличить свой объем. При расширении
(дросселировании) без совершения внешней работы газ
45
охлаждается, так как ему приходится затрачивать энер-
гию на разрыв слабых связей взаимодействия молекул.
Джоуль-томсоновский эффект основан именно на расши-
рении уже сильно охлажденного газа за дросселем, похо-
жим на обычный кран с регулируемым расходом. Именно
дроссели зачастую служат последним звеном в цикле
ожижения таких газов, как, в частности, гелий.
В 1926 г. английский физик Ф. Симон сконструиро-
вал так называемый десорбционный гелиевый ожижитель,
где гелий закачивался в пористое тело (активированный
уголь) под давлением 5—8 атм при —230° С. При погло-
щении газа (сорбции) уголь нагревался, но выделенное
тепло отводилось хладагентом. При снятии давления
уголь выделял газ (десорбция), который, расширяясь,
остывал еще на 39° С при обычном атмосферном давле-
нии. Такой ожижитель не нуждается в громоздких ком-
прессорах, поскольку заряжается газом от привозных
баллонов, но ему нужен жидкий водород. Однако ожи-
женный гелий выдается порциями, прерывисто, а такой
источник жидкого гелия периодического действия хотя и
прост, но нужен далеко не всякому потребителю.
Через 6 лет Симон осуществил еще одну идею просто-
го расширения. В его очередном экспансионном ожижи-
теле гелий в баллонах под давлением в 100 атм пере-
пускался в прочный бак, а жидкий водород, полученный
со стороны, охлаждал этот бак до температуры —262° С
при одновременной откачке паров. Если гелий выпустить
через вентиль, то его остаток ожижится. Такие ожижите-
ли с одним или двумя последовательными расширениями,
работающие ют баллонов, малопроизводительны, но удоб-
ны для разовых работ, например в научных лаборато-
риях, потому что ожижается больше половины объема
газа.
Еще одна разновидность расширительного ожижите-
ля гелия появилась 20 лет назад, когда Мак-Магон соб-
рал маленькую машинку на 4 Вт тепловой мощности, в
которой газ засасывался поршнем через пористое те-
ло— регенератор. Регенератор не только аккумулиру-
ет в себе холод, но и очищает гелий: другие газы вымора-
живаются, когда часть гелия выбрасывается через вен-
тиль.
Позже Ранке изобрел тепловую трубу. В большой
виток спирального канала, по форме напоминающего
плоскую закрученную пружину, под давлением закачи-
46
вается воздух. Принудительно направляемый внутри
спирали к виткам меньшего радиуса газ греется, отда-
вая тепло стенкам, и вдруг для него на оси спирали от-
крывается выход наружу, за которым температура рас-
ширяющегося газа уменьшается на 30—50°С.
Широко применяется еще один способ, также осно-
ванный на расширении, однако он много эффективнее
простого применения дросселей. В 1857 г. Симменс изо-
брел машину, в которой поршень «растягивал» газ. Та-
кие втягивающие насосы — детандеры — совершают ра-
боту расширения газа за его же счет, что приводит к
охлаждению. Детандерные ожижители сразу были внед-
рены на судах все с той же старой давно известной це-
лью: для перевозки мяса из Австралии в Англию.
С помощью детандеров Кирку удалось отвердить ртуть,
подобные агрегаты при нефтеочистке с успехом охла-
ждали сланцевые масла. В 1895 г. Хэмпсон в Англии и
Линде & Германии почти одновременно запатентовали
комбинацию из отдельно применявшихся инженерных
находок «дроссель — детандер — дополнительный хлада-
гент». Такая схема успешно применяется до сих пор,
став основой чуть ли не всех промышленных ожижите-
лей. Например, компрессор сжимает гелий, трубка с ко-
торым пропускается через азотную ванну. Потом детан-
деры расширяют две трети гелия и сбрасывают его к
компрессорам для нового сжатия, а остаток выпускается
через дроссель, за которым можно собирать жидкость.
Сегодня работает множество таких детандерно-дрос-
сельных машин, приспособленных для выдачи жидкос-
тей с расходами от граммов до тонн в час. Ожижители и
рефрижераторы (то есть ожижители, приспособленные
не для слива жидкости, а для ее циркуляции с нагрева-
нием в замкнутом цикле) такого типа рассчитаны на
ожижение различных газов по различным термодинами-
ческим циклам. По Клоду, например, четыре пятых сжа-
того до 40 атм воздуха уходит в детандер, в цикле Гей-
ланда давление надо поднять в 5 раз, а в детандер сле-
дует отвести почти две трети потока. Еще в 1880 г. Трапп
высказал мысль о возможности замены поршня турбин-
кой, и сегодня уже известны турбодетандерные устано-
вки ожижения разных газов.
В детандере можно, хотя конструктивно нелегко осу-
ществить на практике, расширять газ постепенно, ступе-
ньками. Тогда эффективность расширения возрастает,
47
ибо тепло выделяется малыми порциями и столь же ма-
лыми порциями отводится. Если бы не технические слож-
ности, можно было бы применить каскад детандеров.
Проектировщики ожижителей по-разному, иногда не-
ожиданно и причудливо сочетают конструктивные элемен-
ты машин. В газовой машине Филипса, например, два
поршня в одной трубе возвратно-поступательно переме-
щаются с двух сторон от пористой перегородки. Один
поршень служит компрессором, нагнетая газ, второй
служит детандером, отсасывая газ и производя работу
расширения. Перегородка, служащая теплоаккумули-
рующей массой, при разрежении газа остывает, и с нару-
жной стороны трубы конденсируется воздух.
Для работы сверхпроводников пригодно только гели-
евое охлаждение. Обычно гелий ожижают тремя спосо-
бами, в соответствии с которыми ожижители подразделя-
ются на три группы. Первая группа — ожижители с пре-
дварительным водородным охлаждением и расширением
газа через вентиль. Именно так Оннес впервые ожижил
гелий. Кстати, ожижение газов будто стало националь-
ным занятием ученых Голландии, от Марума из Гааги
(первый газ — аммиак) до Оннеса из Лейдена (послед-
ний газ — гелий).
Если водородный цикл встроен в конструкцию, то для
предварительного охлаждения приходится применять
жидкий азот. Можно заливать водород со стороны.
В 1934 г. появились ожижители гелия второй группы,
когда П.Капица отказался от водородного охлаждения!
заменив его расширением гелия в поршневом детандере.
Такие конструкции распространились очень широко, по-
тому, что их экономичность вдвое возросла!
Наконец, в третьей группе гелиевых ожижителей эк-
спансионного действия газ непосредственно перепуска-
ется между объемами с расширением. Эти конструкции
просты, надежны, но действуют эпизодически. Для сверх-
проводящих устройств непрерывного действия эти ожи-
жители не годятся.
Гелиевые рефрижераторы современных конструкций,
работающие в блоке со сверхпроводящими приборами,
весьма компактны. Например, английская машина «Зо-
тос» весом 30 кг может генерировать 25 Вт холода на
температурном уровне 2 К. Для наземных электротехни-
ческих устройств, как считают советские специалисты-
криогенщики, вес и объем рефрижераторных устано-
48
вок, производящих 10—50 Вт на гелиевом уровне, мож-
но снизить до 45—65 кг и 0,14 м3 на 1 Вт холода.
Экономичность даже лучших гелиевых ожижителей
невелика. По идеальному циклу Карно их КПД не пре-
высит 1,5%, а с учетом реальных возможностей на каж-
дый ватт отводимого тепла в мощных совершенных реф-
рижераторах потребуется затратить 500—800 Вт мощно-
сти привода машины. Относительно старый серийный
ожижитель Г-3 производит в час 35 л жидкого гелия,
требуя, кроме затрат энергии, еще подлива со стороны
25 л/ч жидкого азота. На каждый ватт отводимого тепла
на гелиевом уровне при общей холодопроизводительнос-
ти 25 Вт (если считать по теплоте испарения гелия) эта
несовершенная машина требует затрат мощности 4,65
кВт, из которых почти четверть тратится на ожижение
азота. Но даже чрезвычайно низкий КПД этого лабора-
торного ветерана (0,02%) не отпугивает инженеров:
ведь выделить 25 Вт мощности на гелиевом уровне в
хорошо спроектированном сверхпроводящем объекте не
так-то просто.
Чтобы закончить тему о способах охлаждения, упомя-
нем об использовании электрического эффекта Пельтье,
когда необходимость в машинном оборудовании отпа-
дает. Если спаять в кольцо два провода, скажем, желез-
ный И ЗОЛОТОЙ, И ПРОПУСТИТЬ ПО КОЛЬЦУ ТОК, ТО СПаИ Про-
водов приобретут разные температуры. Разместив один
спай на улице, а другой в комнате, можно энергию тока
превратить в источник нагрева или охлаждения помеще-
ния. Кроме электротермического, можно использовать
термомагнитное охлаждение по методу Эттингсгаузена
(1880 г.). Ребра пластины из сплава висмут-сурьма, по
которой пропускается ток в поперечном магнитном поле,
охлаждаются. Если применить каскад из таких полупро-
водящих элементарных холодильников, то можно полу-
чить температуру до 70—200 градусов ниже нуля стог-
радусной шкалы.
Для получения очень низких температур испаряют
гелий в вакууме, и температура ванны может снизиться
до 0,7—1,0 К. Если испарять легкий изотоп гелия Не3,
то температура понизится до 0,3—0,5 К. Наконец, раство-
ряя Не3 в обычном гелии, можно понизить температуру-
до 0,008 К!
Путь к дальнейшим рекордам также основан на пере-
воде хорошо организованных структур в хаотическое сос-
49
тояние. Некоторые вещества, такие, как сульфат гадоли-
ния или хромокалиевые квасцы, в магнитном поле с
индукцией 1 Т слегка намагничиваются. Если снять вы-
делившееся при этом тепло, а потом устранить магнит-
ное поле, то, размагничиваясь, соль остынет, ее темпера-
тура снизится до рекордно низкого уровня в 0,0014 К.
Очередной шаг по снижению температуры до двадца-
ти миллионных долей градуса над абсолютным нулем
осуществил в 1965 г. известный криогенщик Курти. К об-
разцу из хромокалиевых квасцов, предварительно охла-
жденному до температуры 0,12 К, подсоединялся пучок
медных проволочек диаметром по 0,13 мм. В магнитном
поле оси ядер атомов меди поворачивались параллельно,
а последующее размагничивание вносило хаос в их ори-
ентацию, вследствие чего ядра, стало быть само вещест-
во, охлаждались.
И все же массовое производство глубокого холода
обеспечивают именно машинные установки. Типовые
ожижители — рефрижераторы для любого газа конструи-
руются из стандартных блоков: компрессора, теплообмен-
ников, детандеров, дросселя. Газ приходится тщательно
очищать, так как загрязнения, твердые взвеси или льдин-
ки других, легче отверждаемых газов могут забить зазо-
ры в детандерах и просветы в теплообменниках. Сейчас
техника потребляет в жидком виде с десяток наимено-
ваний газов. Среди них аммиак, углекислый газ, фрео-
ны, этилен, метан, кислород, азот, неон, водород и ге-
лий. И для каждого газа нужна группа ожижающих ма-
шин.
Особое внимание приходится уделять сохранению лег-
кокипящих холодных жидкостей. Для поддержания не-
изменной температуры обычно применяются вакуумные
оболочки, жакеты. Для снижения лучистой передачи
тепла стенки вакуумных полостей делаюг зеркальными,
как в термосах. От блестящих поверхностей отражаются
как световые, так и тепловые лучи (те же электромагни-
тные волны, но с длиной волны в 10—100 раз большей).
Вот почему множество тонких зеркальных пленок, пачка
которых образует многослойную изоляцию (суперизоля-
цию), надежно защищает холодные емкости от атак лу-
чистого теплопритока.
Первыми применили вакуум для ограждения холод-
ных зон от теплого окружения немец Вайнхольд, француз
Дарсонваль и англичанин Дьюар. Вакуумная теплоизо-
50
ляция настолько эффективна, что большая цистерна с
жидким водородом теряет за год лишь десятую часть
содержимого.
Сегодняшняя техника производства и сохранения глу-
бокого холода качественно отличается от кустарных ус-
тановок столетней давности. В состав современной крио-
генной базы входят ожижители, вакуумные насосы,
разного объема сосуды для хранения и перевозки легко-
кипящих жидкостей. Экспериментаторы располагают
многими приборами, позволяющими судить о том, что
происходит в холодных зонах, куда нет доступа. Среди
этих приборов манометры, измерители уровней, расхо-
домеры, термометры разных типов (газовые, сопротив-
ления, магнитные, конденсационные, термопары) — это
уже самостоятельная отрасль техники.
Жидкие газы используются во многих технических
устройствах. Баки емкостью в тысячи литров, заполненные
жидким перегретым водородом, позволяют фиксировать
пузырьковые следы пролетающих элементарных частиц.
Все чаще природный газ приходится ожижать, что сни-
жает его объем в 600 раз, делая перевозку жидкого мета-
на экономически более выгодной, чем создание метано-
проводов. Для сварки, металлургии, химии, светотехники
нужны кислород и многие инертные газы. Сегодня их
получают на мощных установках, разделяя на фракции
ожиженный воздух, коксовые или нефтяные газы.
Ректификация жидкого водорода позволяет извлечь
дейтерий, который будет нужен в термоядерных реакто-
рах. Для замедления нейтронов при распаде урана уже
сегодня атомные электростанции нуждаются в ^сотнях
тонн тяжелой воды, в состав которой входит дейтерий.
Эта вода пока обходится дорого, по 200 руб. за килог-
рамм, но горячие методы ее получения менее экономичны.
Криогенная техника быстро внедряется в разные сфе-
ры человеческой деятельности. Уже сейчас жидкий азот
помогает консервировать биологические материалы
(кровь, ткани) с восстановлением их функций после'ото-
грева. Для космических тренажеров или аэродинамичес-
ких труб можно получить глубокий вакуум с помощью
криовакуумных насосов. На очень холодных пластинах
вымерзают остатки всех газов, с которыми не справились
обычные механические средства откачки.
Крупнейший потребитель криогенных жидкостей —
ракетная техника. Идею о применении жидких газов в
51
качестве ракетных топлив и окислителей высказал еще
К. Циолковский, а сегодня для пуска крупной ракеты
нужны сотни тонн жидкого водорода и кислорода. Все
другие топлива уступают криогенным по возможной тяге
на единицу веса (и свободные радикалы придется замо-
раживать!).
Наконец, глубокий холод позволяет создать сверхчув-
ствительные регистраторы теплового излучения. В инфра-
красных приемниках датчики охлаждают, чтобы снять
их собственные шумы. Для работы лазеров приходится
сообщать низкие температуры парамагнитным кристал-
лам с целью многократного усиления слабых сигналов.
Весь этот криогенный спектр приборов и аппаратов
работает без использования сверхпроводников. Вовсе не
сверхпроводники вызвали к жизни многообразные прило-
жения криогенной техники. Тем более упрощается задача
внедрения сверхпроводников в тех сферах, где криоген-
ная техника уже применяется.
ХВАТИТ ЛИ ГЕЛИЯ!
При пассивном охлаждении сверхпроводящих объек-
тов их окружают теплоизолирующими оболочками и за-
ливают жидким гелием, запасов которого обычно хватает
на 2—3 месяца работы. При активном охлаждении объект
снабжается своим охлаждающим устройством, что дает
ему независимость от внешнего снабжения холодом. Гелий
циркулирует по замкнутому контуру без сброса наружу.
В том и в другом случае расход гелия зависит от теп-
лопритока извне, проникающего в холодную зону через
теплоизолирующую оболочку. При использовании высо-
кого вакуума между хорошо отполированными поверхнос-
тями сосуда с температурами 300 и 78 К передается по-
ток тепла величиной порядка 10 Вт/м2, а при заполнении
вакуума тонким слоем порошка (смесь аэрогеля и метал-
лической пудры) или пачкой из 20—60 слоев тонких от-
ражающих пленок на 1 см зазора тепловой поток снижа-
ется пятикратно. Почти весь теплоприток к стенке с тем-
пературой 78 К отводится жидким азотом, охлаждающим
эту стенку, которая служит промежуточным тепловым
экраном. Только малая часть тепла проходит в зону жид-
кого гелия (0,01—0,04 Вт/м2).
Тепловыделения в сверхпроводящих композиционных
проводах добавляются к теплопритокам через теплоизо-
52
ляцию, составляя по величине доли ватта на 1 м2 поверх-
ности жилы. Эти выделения слагаются из потерь энергии
в медной матрице на вихревые токи и в сверхпроводнике
на гистерезис, а их величина нелинейно зависит от ра-
бочей частоты, плотностей тока и магнитного потока. Эти
тепловыделения наиболее велики из всех возможных, по-
этому приходится принимать меры для их снижения,
отказываясь от применения жестких сверхпроводников на
переменном токе в пользу материалов-1 рода или ограни-
чивая токовые нагрузки.
Существует по крайней мере еще четыре источника
тепловых потерь. Если объект работает под высоким пе-
ременным напряжением, то в электроизоляции выделяет-
ся тепло, обычно ограничиваемое величиной порядка со-
той — десятой долей ватта на 1 м2. Могут возникнуть
тепловыделения при механических вибрациях конструк-
ции, особенно при резонансных явлениях в самом гелии.
Потери на перемагничивание железа обычно велики
(1,5—2,0 Вт/кг), поэтому магнитопроводы размещают вне
гелиевых зон.
Много хлопот доставляют теплопритоки по металли-
ческим мостам, соединяющим зоны с разными температу-
рами (распоркам, деталям каркаса, горловинам сосудов).
Притекает тепло в гелиевую зону также по силовым и из-
мерительным проводам. Ведь нереально думать, что
сверхпроводящие объекты смогут эксплуатироваться в
отрыве от горячего электротехнического оборудования.
Старые и новые объекты практически всегда будут объе-
динены в единые электрические схемы. Когда внедрение
сверхпроводников станет массовым, для совместимости
сверхпроводящих и нормальных агрегатов придется сог-
ласовывать не только тепловые, но и электромагнитные,
режимные, эксплуатационные характеристики сопрягае-
мых объектов.
На первых порах немало сил пришлось затратить на
отыскание конструкции токовводов — шин, соединяющих
зоны с разными температурами. По этим шинам в хо-
лодную зону вместе с током вводится тепло. Конструкцию
электротепловых мостов в криостаты после многих лет
поисков ученым разных стран удалось оптимизировать,
снизив теплоприток в гелий до 1 Вт/кА и ниже, что со-
ответствует затратам мощности на привод рефрижерато-
ров примерно 1 кВт/кА. Стало правилом учитывать опре-
деленное соотношение длины и сечения токоввода, иногда
53
сечение шины меняется по длине, тепло отбирается от
боковых граней потоками гелия и других газов на раз-
ных температурных уровнях, материал шины подбирается
по определенным правилам (хотя некоторые ученые до-
казывают, что от материала теплопритоки зависят мало).
Задача минимизации притока тепла к гелию по токо-
вводам сегодня решена, но пока только на уровне лабора-
торных объектов. По мере приближения к этапу исполь-
зования агрегатов промышленного назначения проблема
создания холодно-теплых электротехнических гибридов
принимает новые масштабы. Уже во многих конструкциях
сверхпроводящих объектов гелий не заливается снаружи,
а принудительно прокачивается по замкнутому контуру
«рефрижератор — объект». Токовводы также включены
в схему циркуляции хладагента, но здесь в отличие от
рассмотренных ранее случаев минимизация теплопритока
через вводные шины осуществляется вместе со всем
контуром.
Пока еще не появилась, но при ориентации на широ-
кое применение сверхпроводящего электрооборудования
непременно возникнет новая, тоже криогенная проблема:
хватит ли гелия? В идеальном случае было бы желатель-
ным исключить какие-либо теплопритоки к жидкому ге-
лию, тогда достаточно обойтись первичным заполнением
полостей холодной жидкостью. Чем больше теплопритоки,
тем интенсивнее должны работать рефрижераторы, тем
чаще должен циркулировать снова и снова охлаждаемый
гелий в замкнутом контуре. Теплопритоки надо снижать
всеми мерами, тогда требуемые мощности рефрижерато-
ров будут минимальны, и гелия нужно будет меньше —
вот основное правило проектировщиков.
Но как быть с ресурсами гелия? Азот производится в
огромных количествах, вместо него можно охлаждать
промежуточные экраны другими газами или вообще отка-
заться от промежуточного хладагента. Но без гелия ши-
рокое применение сверхпроводников немыслимо. Ге-
лий — единственный газ, который может охлаждать из-
вестные сегодня металлические сверхпроводники. Чтобы
оценить, насколько этот газ технологичен, насколько
удобно с ним работать и насколько могут быть удовлет-
ворены потребности технической сверхпроводимости в!
гелии, придется приглядеться к этому газу внимательнее.
Этот газ известен науке уже почти век, но до сих пор
в технике широко не применялся. Зато сегодня он нужен
54
многим. Дирижаблестроители ориентируются на гелий
из-за его негорючести и легкости (его плотность в 7,25 ра-
за меньше, чем у воздуха, составляя всего 170 г/м3). Как
все инертные газы, гелий слабо воспринимает тепло, у
него низкая теплоемкость. Зато теплопроводность очень
высока, почти как у водорода, что в сочетании с инерт-
ностью позволяет использовать гелий как теплопередаю-
щую среду в атомных реакторах. Гелий легко проникает
через ничтожные поры, щели и трещины, у него высокая
диффузия, поэтому его удобно напускать под давлением
в герметичные системы для контроля возможных утечек.
Гелий — газ благородный, он химически инертен, в силу
чего в его атмосфере производятся сверхчистые и полу-
проводниковые материалы, из бака в бак передавлива-
ются горючие порошки и жидкие топлива.
Инертность гелия делает его удобным хладагентом,
так как он не разъедает деталей ожижителя, не ядовит.
При работе с жидким гелием следует помнить, что он бес-
цветен, прозрачен, не имеет запаха. Заметить его в стек-
лянном дьюаре можно только по всплывающим из глу-
бины пузырькам или по преломлению света у кипящей
поверхности (и конечно, по обмерзанию сосуда снаружи).
Жидкий гелий в 700 раз плотнее газообразного, что
следует иметь в виду, подбирая сечения труб, по кото-
рым испарившийся газ должен покидать криостат. Тепло-
та испарения гелия (20 Дж/г) почти на порядок меньше,
чем у других, более привычных жидкостей, из-за слабых
межатомных сил, которые даже не в состоянии скрепить
два атома в молекулу (молекула гелия — одноатомная).
При давлении 25 атм жидкость затвердевает, а при
10 тыс. атм атомы жидкости сближаются настолько, что
уже при 60 К могут сцепиться, образовав монолит.
Необычное свойство гелия связано с потерей вязкости
при 2,2 К. Значит, при столь низких температурах в
сверхпроводящих объектах не потребуются насосы, не
нужна работа для прокачки хладагента в каналах. Обыч-
ный жидкий гелий течет в трубках, как нормальная жид-
кость, но скорость сверхтекучего гелия тем выше, чем
тоньше трубочка. В сверхтекучем состоянии плотность
гелия возрастает, но особенно сильно увеличиваются
теплоемкость и теплопроводность. Такой гелий проводит
тепло в тысячу раз лучше меди или серебра. Поэтому он
кипит только у поверхности, куда мгновенно передается
выделенное в толще тепло. Может быть, удастся стабили-
55
зировать сверхпроводники II рода не медью, а сверхтеку-
чим гелием? Еще одна особенность гелия — самостоя-
тельный переток из холодного в нагреваемый сосуд. Час-
тицы сверхтекучего гелия словно стремятся компенсиро-
вать испарение коллег, заделывая собой тепловые бреши.
Сегодняшние масштабы применения жидкого гелия
при работе со сверхпроводниками можно оценить в мил-
лионы литров за год: столько гелия израсходовала бы
примерно тысяча лабораторий с ожижителями произво-
дительностью 10—100 л/ч (хотя уже давно освоены кон-
струкции на порядок более мощные). Для криогенной
энергетики потребуются уже многие тысячи тонн газа.
Сверхпроводящая ЛЭП, например, предназначенная для
передачи мощности порядка 1000 МВ*А, будет нуждаться
почти в тонне гелия на километр длины, так что процесс
заполнения полостей и первичного захолаживания линии
до рабочей температуры растянется на многие дни.
По запасам в земной коре гелия не меньше, чем золо-
та, теллура, иридия или ртути. Образуется он при радио-
активных распадах вещества, которые идут беспрерывно
в течение всего времени существования материи. По оцен-
кам геологов, из глубинных минералогических «кладо-
вых» в год выделяется до 30 млн. м3 этого газа, а общие
запасы оцениваются в 500 тыс. км3. Но как только речь
заходит о ресурсах гелия, начинают рефреном звучать
слова «безвозвратно теряется».
Из-за легкости гелий уходит в атмосферу и улету-
чивается из воздушной оболочки Земли, создавая гелие-
во-водородный шлейф при ее движении по орбите. Есте-
ственным путем теряется до 50 млн. м3 гелия в год, и эта
цифра увеличивается за счет промышленности, которая
потребляет 25 млн. м 3 газа в год, безвозвратно теряя по-
ловину.
Свободных скоплений гелия в природе нет, и обычно
он добывается из природных газов, где присутствует как
примесь. Из 11 тыс. известных в мире газовых месторож-
дений среднего размера только в нескольких десятках
его доля достигает 0,5%. Извлечение столь богатых кон-
центраций, по американским данным, обходится пример-
но в 0,5 долл/м 3. Но газ, поступающий в топки электро-
станций и бытовых потребителей, далеко не весь обраба-
тывается для извлечения гелия, и при его сжигании гелий
теряется опять же безвозвратно. Только таким путем в
1980 г. бесследно утрачено 600 млн. м3 гелия.
56
В нашей стране недавно введен в строй завод по пе-
реработке оренбургского природного газа с концентра-
цией гелия в десять раз меньшей, чем в месторождении,
истинно богатом гелием. Чтобы уменьшить коррозию тру-
бопроводов, из сырого газа приходится отбирать серово-
дород и углекислый газ, а теперь дополнительно начато
извлечение этана и гелия. С этой целью газовую смесь
охлаждают на пропановой и азотной холодильных уста-
новках, пропуская через теплообменники, а потом трижды
дросселируют. Все газы ожижаются, кроме гелия и водо-
рода, которые в пропорции 85:15 выводятся. На второй
стадии водород можно окислить, осушив гелий, концент-
рация которого возрастает до 98%.
Завод работает по современной новой технологии. Все
криогенные агрегаты заключены в теплоизолирующие вы-
соковакуумные оболочки. Только в здании блока конден-
сации высотой 37 м размещено 36 тыс. стальных труб
общей длиной 400 км. Если принять этот криогенный ги-
гант за эталон, то электротехнические машины и кабе-
ли на сверхпроводниках будут выглядеть крошками, соз-
дание которых будет во много раз легче.
Если в газовых месторождениях доля гелия снижается
до 0,1 и 0,01%, то стоимость его добычи соответственно
возрастает до 5 и 15 долл/м3. Есть гелий и в воздухе, где
на 1000 м3 объема его приходится 5,24 л, но извлечение
потребует затрат уже в 35—125 долл/м3. По мнению аме-
риканского специалиста X. Холанда, запасы гелиеносных
природных газов к концу века истощатся, придется ис-
пользовать концентрации 0,01—0,03%, а потом и еще
меньшие, что обойдется недешево.
Но пока до этого не дошло. Уже известны попытки
сберечь гелий для применения в энергетических сверхпро-
водящих установках будущего. В США, налример, создан
гелиевый банк на 1 млрд. м3 газа-сырца (60% гелия,
40% азота) внутри соляного пласта с газонепроницаемы-
ми стенками. Этого количества газа как раз хватит на
заливку примерно сотой части энергосистемы такой стра-
ны, как наша, если высокомощный каркас такой системы
в будущем будет выполнен на сверхпроводящем электро-
оборудовании. Но в следующем веке агрегаты на сверх-
проводниках придется заправлять гелием уже не из при-
родных газов, ибо их запасы истощатся. Кроме воздуха
как сырьевой базы, можно ориентироваться на породы
геологически древних платформ, где гелий появился мил-
57
лионы лет назад, как обычный геохимический фон при
радиоактивных превращениях, и где тектонические пере-
движки выдавили его в газонепроницаемые полости.
Для некоторых сверхпроводников с высокими крити-
ческими температурами фазового перехода для охлажде-
ния можно применять водород. Для этого придется погру-
жать провода в шугу изо льда и переохлажденной водо-
родной жидкости. Целесообразность этой операции эко-
номически сомнительна, потому что сверхпроводникам
придется работать около критической точки, где не луч-
шим образом используются их токовые и полевые воз-
можности. Но когда появятся новые, более высокотемпе-
ратурные сверхпроводники, водород может стать основ-
ным хладагентом, и тогда заботы о запасах гелия как
рабочего тела исчезнут.
Водород очень активен химически, и в свободном виде
встречается только в космосе. В технике водород полу-
чают при сжигании или взаимодействии метана с водяны-
ми парами при 800° С. Можно разлагать воду электроли-
зом, но кубометр газа обойдется дорого (20 коп).
Водород вдвое легче и без того легкого гелия, а при
кипении ему нужно в 15 раз больше тепла, чем тому же
объему жидкого гелия. При концентрации водорода
4—74% в смеси с воздухом образуется взрывоопасная
смесь. Если исключить утечку и очищать газ, то опасность
практически устраняется: многолетнее применение водо-
рода для отвода тепла от обмоток крупных турбогенера-
торов на электростанциях доказывает практическую безо-
пасность грамотной эксплуатации этого газа.
ТОКИ В ПОМОЩЬ НАПРЯЖЕНИЯМ
Электрофизику сверхпроводников, как бы своеобраз-
на она ни была, можно освоить. Производство стабили-
зированных сверхпроводящих проводов для работы в
сильных магнитных полях налажено. Год от года увели-
чиваются возможности криогенной техники. Казалось
бы, все препятствия на пути внедрения сверхпроводни-
ков преодолены или будут преодолены.
Но на пути промышленного освоения сверхпровод-
ников возник еще один барьер, определяемый, как ни
парадоксально, уже не трудностями, сопутствующими
применению, а достоинством новых материалов, их вы-
сокой токонесущей способностью. А кому нужны столь
58
большие токи, которые выгодно передавать по сверхпро-
водникам? Разве простые медные и алюминиевые про-
вода перестали справляться со всеми задачами перено-
са токов? Ведь никто специально не ставил перед нау-
кой задачу поиска непременно новых проводников. Уж
раз физики предложили техникам новый материал,
пусть он полежит на складах, пока без него можно
обойтись.
Однако наибольшие выгоды от применения сверх-
проводников следует ждать именно в электроэнергетике,
где сегодня господствуют высокие напряжения и пере-
даются огромные мощности. Как раз здесь новые про-
водники позволят повысить эффективность всей отрас-
ли в целом. До сих пор электрики работали с токами до
ОД—1 кА, лишь в некоторых случаях много выше, а со
сверхпроводниками выгодно сделать нормой токи в
10—100 кА.
Почему же до сих пор электроэнергетика развива-
лась по пути увеличения рабочих напряжений, но не то-
ков? Ответ прост: потому что не было хорошего провод-
никового материала, приходилось довольствоваться тем,
что есть, а не тем, что надо!
Слов нет, энергетика — основа технического прогрес-
са в народном хозяйстве. Энергетики успешно решили
важнейшую задачу электрификации страны, обеспече-
ния электроэнергией разнообразных потребителей. При
высокой централизации выработки электроэнергии про-
цесс ее распределения по разветвленным электрическим
сетям проходит с высоким быстродействием, и электро-
снабжение потребителей осуществляется с высокой сте-
пенью надежности.
Огромны масштабы производства электроэнергии.
На одного человека в год приходится примерно 5 тыс.
кВт-ч, так что несложно представить, сколь грандиоз-
ные потоки энергии идут по обмоткам генераторов и
трансформаторов, через аппараты подстанций и по про-
водам линий электропередач разветвляются к многочис-
ленным заводам, фабрикам, сельскохозяйственным цент-
рам производства. В стране работает более 700 круп-
ных электростанций, вырабатывающих почти четверть
миллиона мегаватт мощности и выдающих около полу-
тора триллионов киловатт-часов энергии. А к концу на-
шего столетия выработка и потребление электроэнергии
еще удвоится.
59
Создание столь больших мощностей и обеспечение
их крупного прироста требуют огромных капиталовло-
жений в электрическую часть энергетики. Для опреде-
ления пропорций между электрооборудованием разного
назначения можно оценить доли электростанций, под-
станций и электрических сетей величинами соответствен-
но 60, 20 и 20%.
Успехи высоковольтной электроэнергетики велики,
но уже много лет она сталкивается все с большими труд-
ностями. Например, растут напряжения линий электро-
передачи, а вместе с ними увеличиваются стоимости кон-
цевых подстанций. При напряжении 500 кВ затраты на
линию и подстанции соизмеримы, при 750 кВ подстан-
ции становятся вдвое дороже, а при 1150 кВ — уже
втрое. Значит, расходы на поддержание напряжения на-
чинают расти быстрее, чем увеличиваются сами напряже-
ния. А это показательный симптом: дальнейшее повыше-
ние рабочих напряжений становится слишком дорогим.
Год от года приходится повышать единичные мощ-
ности всех без исключения энергообъектов, однако это
не так-то просто. Ведь возможности используемых в них
материалов практически исчерпаны, а скрупулезная
подчистка небольших конструктивных несовершенств хо-
тя и полезна, но также имеет свои пределы. Медь, алю-
миний, сталь (магнитная и конструкционная), изоляцион-
ные масла, бумага и синтетические пленки — все эти
материалы нагружены токами и электромагнитными
полями до предела, и увеличение мощности агрегата не-
изменно приводит к увеличению его веса и габаритов.
Вот почему размеры генераторов, трансформаторов и
других китов, на которых держится большая энергетика,
год от года растут.
Еще одна трудность снова порождена безудержным
ростом напряжения, который нужен энергетикам, но не
потребителю. Уже 100 лет, как электрики поняли оче-
видную истину: если напряжения увеличивать, то «мож-
но передавать работу даже на весьма значительные рас-
стояния, не опасаясь экономических невыгод». С тех
пор решительно и бесповоротно энергетика стала высо-
ковольтной. К 1980 г. в нашей стране появились линии
(стало быть, и трансформаторы, и выключатели, и раз-
рядники, и трансформаторы тока и напряжения) с на-
пряжением 1150 кВ, что почти в 5 тыс. раз выше, чем
требуется бытовому потребителю! Потребителю нужны
60
токи и магнитные поля, но электрики специализируются
на полях электрических, именно они господствуют на
подстанциях и вдоль ЛЭП.
Создание высоких напряжений, обеспечение надеж-
ной и безопасной работы с ними требуют немалых зат-
рат. Для подъема напряжения от электростанций к ли-
ниям и для снижения его от линий к потребителям нуж-
но по меньшей мере 4—6 раз пропускать электричество
через мощные трансформаторы, что обходится недеше-
во. Не случайно фонды электроэнергетики составляют
примерно десятую часть всех производственных фондов
народного хозяйства. Вот как дорого обходится страх
перед джоулевыми потерями! Вот сколь велика плата за
невинное, казалось бы, свойство проводников иметь
электрическое сопротивление протекающему электри-
ческому току.
И все же потери энергии на пути от генераторов к
потребителям огромны. Где только энергия ни теряется:
в воздухе около проводов, в изоляции кабелей и обмо-
ток, в магнитопроводах трансформаторов и электричес-
ких машин и, конечно, в проводах. Сложно учесть, сколь
велика сумма этих потерь, но на джоулевы потери при-
ходится, возможно, 1—2 кВт из каждых 10, отпущенных
с шин электростанций. Кроме того, по проводам проте-
кают еще так называемые реактивные токи, основная
роль которых заключается в создании паразитных наво-
док, компенсирующих немалую часть полезных напря-
жений. На создание таких токов не надо жечь уголь,
эти токи рождаются электромагнитными полями как бы
даром, но приходится дорого платить за этот подарок:
реактивные токи бесполезно загружают провода, греют
их не хуже токов активных, к тому же мешают переносу
полезной мощности.
Еще одна скрытая, но оттого не менее острая про-
блема электроэнергетики — отсутствие складов электри-
чества. Вряд ли есть другая отрасль хозяйства, где про-
дукцию нельзя накапливать, хранить и потреблять по
мере надобности. Из-за этого генераторы должны жест-
ко следовать за колебаниями графиков потребления мощ-
ности нагрузками разных типов: импульсными и рав-
номерными, летними и зимними, ночными и дневными.
Отсутствие хранилищ для электричества заставляет
электрооборудование систем работать во времени нера-
вномерно, что вредно сказывается на сроках службы,
61
экономичности и надежности работы основных агре-
гатов.
Велики экологические издержки электроэнергетики.
Природный фон, на котором сформировались флора и
фауна Земли, примерно в 500 раз слабее, чем созданные
человеком поля под ЛЭП и около электролизеров для
хлора или алюминия. Вряд ли этот дисбаланс так безо-
биден, как кажется.
На первом этапе развития энергетики, когда она
была относительно маломощной, эти проблемы были не
очень остры. Но детские болезни становятся опасными
для энергетики мощной, сложной и постоянно растущей.
Можно уверенно сказать, что перевод энергетики на но-
вый уровень мощностей и экономичности немыслим без
того, чтобы не избавиться от перечисленных выше бед.
Почему же электроэнергетика стала высоковольт-
ной? Тому были три причины, из которых главная: на-
пряжение поднимать выгоднее, чем увеличивать токи,
так как воздух — бесплатный диэлектрик высокого ка-
чества, а медь дорога. К тому же потери мощности в
электроизоляции на поляризацию молекул воздуха в
переменном поле при напряжениях 10—100 кВ много
меньше омических потерь в меди. Наконец, далеко от-
стоящие фазные провода воздушных ЛЭП с токами до
сотен ампер индуктивно слабо влияют друг на друга.
Сто лет назад, когда энергетика только формирова-
лась, эти доводы были неопровержимы. Но с тех пор на-
пряжения выросли десятикратно, а потери в воздухе —
стократно, став соизмеримыми с потерями в проводах.
Конечная электрическая прочность воздуха ограничи-
вает дальнейшее увеличение рабочих напряжений, а при-
менение твердой электроизоляции чревато одновременно
ростом стоимости и потерь в ней. Тем не менее спрос на
кабели увеличивается по многим причинам (экономия
пространства, удобство обслуживания), хотя близко
расположенные фазные токи создают индуктивные по-
тери напряжения и мощности.
Плотности рабочих токов в сверхпроводниках много
больше, чем в обычных металлах. Одновременно резко
уменьшаются суммарные активные потери в жилах, да-
же с учетом их глубокого охлаждения. Вот почему в со-
четании со сверхпроводниками такие диэлектрики, как воз-
дух, уже не так выигрышно смотрятся. Вследствие это-
го приходится критически рассмотреть доводы в поль-
62
зу высоковольтной электроэнергетики. Становится воз-
можным изменить соотношение таких материалов, как
диэлектрики и проводники, нужные для передачи элек-
троэнергии. И того мало — сверхпроводники позволяют
вытеснить стальные ферромагнетики из электрических
машин и трансформаторов, ограничивая применение
массивных магнитопроводов. В ряде случаев сталь будет
вообще не нужна.
Именно с магнитных систем следует начать разговор
об электрических устройствах на сверхпроводниках.
Ведь стоимость генераторов и трансформаторов — уст-
ройств, работающих на использовании высоких магнит-
ных полей,— составляет в электроэнергетике больше
половины всех капиталовложений!
Глава вторая
ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХМАГНИТОВ
ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ
Магнитные системы на сверхпроводниках, генери-
рующие сильные поля в больших объемах,— самый об-
ширный класс устройств, создаваемых сегодня для раз-
ных потребителей. Причины ускоренного сооружения
именно этих конструкций объясняются очевидными соо-
бражениями: в электрофизике и в электротехнике гос-
подствует магнитная технология. В сотнях научно-иссле-
довательских институтов разного профиля постоянно
ведутся поиски все новых сфер приложения магнетизма.
Тысячи заводов мира выпускают миллионы двигателей,
реле и трансформаторов, в каждом из которых есть ма-
гнитные сердечники.
Как известно, разнообразные потребители исполь-
зуют тепловое, химическое и магнитное действия элект-
рического тока. Применение сверхпроводников позво-
ляет увеличить токи и создаваемые ими магнитные поля.
Постоянные поля обычно нужны для создания сил, сме-
щающих движущиеся электрические заряды. На исполь-
зовании этих сил основано, в частности, действие уско-
рителей элементарных частиц, электродвигателей всех
типов. Переменные поля, в том числе импульсные, так-
же могут создавать отклоняющие силы Лоренца, но, что
63
еще более важно, в этих полях наводятся электрические
поля.Трансформаторы, генераторы разных типов — где
только ни используются магнитные поля, переменные во
времени!
В одних случаях постоянные поля приходится по воз-
можности равномерно распределять в рабочих простран-
ствах, чтобы с одинаковой эффективностью использо-
вать разные точки этих объемов. В других случаях нуж-
ны как можно более неоднородные статические поля,
чтобы выталкивать макроскопические образцы из-за
градиента полей по их периметру.
Сверхпроводящие электромагниты позволяют обно-
вить практически всю магнитную технологию. Можно
создать исключительно сильные и весьма однородные
поля, причем затраты будут умеренными. Да и магнито-
проводы зачастую перестают быть необходимыми. Мож-
но очень точно создать в пространстве поля нужной гео-
метрии. Чем же объяснить новые возможности сверх-
проводящих обмоток?
Историю электромагнитов можно условно разделить
на три этапа. Сначала в них господствовало железо, ка-
чество электромагнита зависело от веса его сердечника.
Кому не известны стальные бруски, притягивающие
железные предметы? Постоянные магниты широко при-
меняются в технике, но их силу регулировать невозмо-
жно. К тому же они постепенно, медленно, но необрати-
мо размагничиваются: самопроизвольно, от сотрясений,
ударов, нагрева.
Вот почему гораздо чаще применяются электромаг-
ниты. Их стальные сердечники легко намагнитить и раз-
магнитить. Для этого сердечники обвивают проводом и
создаваемое током магнитное поле в 100—1000 раз уси-
ливается железом. Конечно, для электромагнитов нужны
источники тока, но зато магнитное поле легко регули-
ровать по величине вместе с изменениями тока.
Пожалуй, первым электромагнитом (физического,
но не технического назначения) стал железный шар, на
котором Л. Нобиле в 1822 г. проиллюстрировал идею Ам-
пера об электрической намагниченности Земли. По па-
раллелям шар был обмотан проволокой, концы которой
соединялись с вольтовым столбом.
В те годы первого знакомства с магнитными дейст-
виями токов было изобретено много невиданных прибо-
ров. Особенно сильные поля удавалось создать с помо-
64
щью спиралей: чем больше проводников укладывалось
рядом, образуя витки, тем больше возрастало их магнит-
ное действие. Сначала Ампер и Араго научились нама-
гничивать иголки, размещая их внутри спиралей. А в
1825 г. У. Стерджен разместил в полости обмотки желез-
ный сердечник. Польза от таких мер уже в те годы бы-
ла хорошо известна, но конструкция электромагнита не
приняла законченный вид.
Сначала согнутый стальной прут весом 0,2 кг, охва-
ченный медной обмоткой, поднял груз в 18 раз тяжелее
себя. А за последующие 15 лет изобретатели, среди кото-
рых особенно известны имена Джоуля, Уоткинса, Мол-
ля, Генри, Марша, увеличили подъемную силу подков
до 1,0—1,5 т. «Железный» этап эволюции электромаг-
нитов занял примерно век.
В 30-х годах нашего столетия были созданы два ре-
кордсмена среди стальных монстров — электромагниты
во Франции и Швеции, которые весили соответственно
120 и 30 т и создавали поля 5—6 Т. Мягкая сталь нама-
гничивается примерно при 2 Т, а увеличить поле втрое
удалось с помощью новых для того времени магнитных
материалов (феррокобальта, пермендюра). Еще одно
полезное нововведение — дополнительные подмагничи-
вающие обмотки, которые нужны для коррекции рас-
пределения магнитного поля. Эти два технических реше-
ния практически исчерпали резервы улучшения конст-
рукции электромагнитов с сердечниками.
Второй этап развития электромагнитов можно услов-
но назвать «медным». Его отсчитывают с 1898 г., когда
Ч.Фабри доказал целесообразность применения обмо-
ток без железного ярма (соленоидов). В принципе с
помощью соленоидов можно усиливать поле беспреде-
льно, увеличивая число витков. Конечно, медь расходо-
валась в той же пропорции, а потери росли даже в квад-
ратичной зависимости по отношению к создаваемому
полю. Однако потребители, заинтересованные в больших
полях, были вынуждены мириться с повышенными зат-
ратами.
Но все же привыкнуть к неэкономичности соленои-
дов было трудно. По мере роста создаваемых полей все
острее становилась проблема отвода джоулева тепла,
выделяемого в обмотке под токами. Раньше было доста-
точно охлаждать обмотки за счет конвекции воздуха,
в крайнем случае масла, омывающего проводники. И
65
все же, как только начали создаваться соленоиды, неми-
нуемо должны были появиться методы форсированного,
интенсивного отвода тепла от обмоток. Можно утверж-
дать, что уже на втором, «медном», этапе развития эле-
ктромагнитов вопрос охлаждения обмоток стал домини-
рующим.
Проблему принудительного охлаждения соленоидов
успешно решил Ф.Биттер (1937 г.). Он внес радикаль-
ные изменения в конструкцию электромагнитов, реши-
тельно порвав с традиционными конструкторскими при-
емами. Подлинно новаторской стала безжелезная кон-
струкция соленоида, набранного из спиралеобразных
дисков с отверстиями для протока охлаждающей воды.
Эта стопка дисков диаметром около полуметра создала
рекордно высокое поле в 10 Т!
Удерживать это поле удалось в течение нескольких
часов ночью, когда другие потребители местной элект-
ростанции были отключены. Уникальный потребитель
нуждался в колоссальной для тех мест энергии—1700
кВт. Потребляемая электроэнергия превращалась в теп-
ло, которого было достаточно, чтобы доводить до кипения
почти 5 л проточной воды каждую секунду. А для гене-
рации поля в 25 Т в 1965 г. потребовалась конструкция
биттеровского типа с медными дисками весом 3 т и ис-
точником мощностью 16 МВт. Для водяного охлаждения
соленоида пришлось построить насосную станцию, а са-
ма обмотка превратилась в гигантский нагреватель воды,
омывающей проводники.
Не удивительно, что и третий этап развития конст-
рукции электромагнитов связан с их охлаждением, толь-
ко много более интенсивным. Сначала Ж-Перрен
предложил омывать проводники соленоида жидким кис-
лородом (—183° С). В 1961 г. с помощью 5-тонной алю-
миниевой обмотки в жидком неоне (—246° С) удалось по-
чти минуту (пока неон не выкипел) удерживать поле
в ЮТ.
На этапе глубокого, криогенного охлаждения соле-
ноидов для обмоток начали использоваться сверхпрово-
дники. Конечно, для низкотемпературного охлаждения
приходится усложнять конструкцию соленоида, вводить
теплоизолирующие оболочки, использовать специальный
дорогой хладагент, ожижители. Но что делать? Ведь
эти затраты много меньше, чем для эквивалентной во-
доохлаждающей системы. Технически немыслимо соору-
66
жать крупные соленоиды по старой технологии охлаж-
дения обмоток.
Но списывать медные малоэкономичные соленоиды
рано. Ведь возможности соленоидов (медные — пример-
но 20 Т, сверхпроводящие — в 3 раза меньше) вполне
сравнимы с внутриатомными полями (примерно 20—
50 Т). Предложение советского ученого Е. Комара и аме-
риканца А. Монтгомери (1966 г.) о совмещении водоохла-
ждаемого и сверхпроводящего соленоидов, когда поля
соосно размещенных обмоток складывались, позволило
еще больше увеличить поля, создаваемые соленоидами.
Такое суммирование — один из немногих методов даль-
нейшего увеличения полей, столь нужных в разных раз-
делах физики.
Через семь лет после рождения идеи в Москве зара-
ботала первая гибридная система с рекордным стацио-
нарным полем 25 Т. Основой установки стал медный
соленоид наружным диаметром 300 мм. Ток, пропускае-
мый по водоохлаждаемой спирали из медных и бронзо-
вых дисков, создавал на оси обмотки поле 18,7 Т. Но на
создание этого поля пришлось затратить огромную мощ-
ность — 6 МВт. Плотность тепловыделений в меди вы-
росла до 2,5 кВт/см3 — ведь для уменьшения габаритов
обмотки плотность тока была увеличена до чрезвычайно
большой величины, примерно 300 А/мм2.
Сверхпроводящий соленоид размещался соосно с мед-
ным, снаружи. При токе 1 кА обмотка из ниобий-цирко-
ниевых и ниобий-титановых проволок генерировала по-
ле 6,3 Т в центре и 7 Т в зоне размещения витков.
Создать магнитный комплекс оказалось непросто:
ведь каждая катушка имела свою систему охлаждения;
чтобы избежать коррозии, воду пришлось дистиллиро-
вать, а оболочку медного соленоида покрывать изнутри
лаком. Но особенные трудности доставили электродина-
мические силы. Пришлось очень точно совмещать цент-
ры и направления осей соленоидов. При радиальной
ошибке в 1 см несоосность увеличилась бы еще больше
под действием силы 2 т, а при несовпадении плоскостей
обмоток на 1 см возникла бы выравнивающая сила в 4 т.
Если по ошибке поля соленоидов направить встречно, то
конструкция мгновенно распадется на части.
Поля большой интенсивности — важнейшее оружие
физиков. Сегодня только за рубежом функционируют де-
сятки специализированных лабораторий, где могут соз-
67
даваться сильные поля (с индукцией более 5 Т). Прак-
тически во всех лабораториях сильные и сверхсильные
поля генерируются электромагнитами разных типов: тра-
диционными железо-медными с естественным воздушным
или искусственным водяным охлаждением, гиперпрово-
дящими обмотками (из очень чистых и глубокоохлажда-
емых металлов) и сверхпроводящими.
Любопытно взглянуть на старые конструкции элект-
ромагнитов глазами специалистов по сверхпроводящим
соленоидам. Ведь у железа, как и у сверхпроводников,
есть своя критическая температура (точка Кюри, 770 К),
выше которой ферромагнитные качества теряются. И же-
лезо приходится охлаждать как сверхпроводники: толь-
ко в первом случае холодным резервуаром служит сама
атмосфера. Та зона, где создаются магнитные поля,
обычно поддерживается при температурах охлаждающей
среды: у стальных электромагнитов — при температурах
комнатных, у сверхпроводящих — при температурах ге-
лиевых. А если в магнитных пространствах проводится
какой-то технологический процесс с другими температу-
рами, то эти зоны приходится конструктивно выделять,
применяя теплоизолирующие оболочки.
Сверхпроводники вне конкуренции, когда нужны
очень сильные поля с индукцией от 2 до 10 Т. Казалось
бы, пока материал обмоток сможет сохранять сверхпро-
водящие свойства, увеличение размеров катушек на
сверхпроводниках позволит создавать магнитные поля
все большей напряженности. Но тепловые ограничения
типа закона Фабри, хотя и трансформированные для
принципиально новых условий, и здесь продолжают су-
ществовать. Ведь обмотку надо охлаждать, причем эф-
фективность соленоида пропорциональна его диаметру,
а потери на охлаждение — квадрату диаметра.
В 1964 г. Р. Каррузерс, физик из Англии, доказал, что
низкотемпературный барьер ограничения размеров соле-
ноидов неблизок: максимальный диаметр сверхпроводя-
щих обмоток, когда потери на охлаждение компенсиру-
ются достоинствами новых материалов, не должен пре-
высить 12—15 м. Еще одна трудность связана с текуче-
стью конструкционных материалов; для ее преодоления
создатели импульсных полей уже много лет вынуждены
применять такие радикальные средства, как концентра-
торы потока, взрывное обжатие камер, магнитное удер-
жание среды.
68
Первые предложения о постройке электромагнитов
на сверхпроводниках возникли сразу после обнаружения
бесконечно большой электропроводности ртути. Но для
всех известных тогда сверхпроводящих материалов (чис-
тых, мягких, I рода) сверхпроводимость разрушалась
магнитным полем всего в десятые доли тесла. Только в
1930 г. В. Де Гааз и И. Вугд обнаружили, что твердые,
свинцово-висмутовые сплавы остаются сверхпроводящи-
ми в полях более 2 Т. Однако, выдерживая большие по-
ля от внешнего источника, сплав терял сверхпроводи-
мость при пропускании по проводу очень малого тока,
так что создание электромагнитов на сверхпроводниках
казалось неосуществимым (по расчетам, можно было бы
достичь поля всего в 1 Т, но и этого не было сделано).
И вот в 1955 г. это мнение было опровергнуто: Г. Ин-
тема построил хорошо работавший соленоид. Обмотка
из 4 тыс. витков ниобиевого провода диаметром 0,05 мм
создала поле 0,7 Т в объеме кубика со стороной 2 мм.
Еще через пять лет А. Отлер добился удвоения индукции,
втрое увеличив число витков и применив сердечник из
мягкого железа. Этот соленоид трое суток удерживал по-
ле в одну треть тесла, что обнадеживало потенциальных
клиентов, следивших за рекордами низкотемпературной
магнитофизики.
В 1961 г. произошло важное событие: И. Кунцлер по-
лучил станнид ниобия с критической температурой 18,4 К
и критическим внешним полем —22 Т! В первых опы-
тах кусочек провода оставался сверхпроводящим при
токах 105 А/см2 в полях до 8 Т (не было более сильного
источника поля). За этот рекорд Кунцлер получил от
коллег из лаборатории «Белл» по бутылке виски за каж-
дый килоэрстед. С тех пор были найдены многие сплавы
и соединения с высокими критическими полями и токами.
В том же году Кунцлер создал поле в 1,5 Т в полости
катушки из малоиспользуемого сверхпроводника молиб-
ден — рений. С тех пор возможности создателей крио-
генных магнитных систем значительно выросли. С каж-
дым годом совершенствуется технология создания сверх-
проводящих магнитов, теперь уже каждый соленоид со-
здается для конкретного назначения.
Целесообразность создания малогабаритных солено-
идов с обмотками из сверхпроводников по технико-эконо-
мическим показателям окончательно подтвердилась лет
десять назад, когда известные фирмы «Вестингауз»,
69
«Дженерал электрик» и «Белл» выпустили маленькие
сверхсильные соленоиды в комплекте с системой охла-
ждения, предназначенные для физиков. Серия коммер-
ческих конструкций все более оптимизируется, становит-
ся все более дешевой, все более надежной, все более
изощренной.
Уровень достигнутой технологии можно проиллюст-
рировать на примере лаборатории ЦЕРН в Швейцарии,
где примерно 10 лет назад для пузырьковой камеры по-
строили гигантскую обмотку, во внутренней полости ко-
торой диаметром 4,7 м удалось создать поле в 3,5 Т с
магнитной энергией 220 кВт-ч. На обмотку было затра-
чено 60 км сверхпроводящего провода на сумму 4 млн.
долларов. Ток величиной 5,7 кА вводился в обмотку чет-
верть суток, а силы, сжимавшие электромагнит, достигли
9000 т. Поистине это сооружение достойно чрезвычайно
высокой оценки и по размерам, и по параметрам, и по
искусству, продемонстрированному создателями!
С тех пор в мире запущено около десяти столь же
крупных холодных магнитных систем. Цели остались те-
ми же — отклонение траектории летящих заряженных
частиц от прямолинейной. Расширился лишь диапазон
частиц, точнее, их масс, зарядов, скоростей, а для управ-
ления конфигурацией магнитного поля в ряде случаев
использовали старое решение, оснастив обмотки сталь-
ными полюсами.
Нет таких сверхпроводящих соленоидов, конструкции
которых были бы идентичны: ведь они создаются для
различных целей. Но для всех соленоидов обязательно
выполняются четыре непременных требования: стоимость
и издержки эксплуатации должны быть приемлемыми
для потребителя, температура обмоток не должна ме-
няться в процессе работы, конструкция должна быть ме-
ханически прочной и при авариях должны надежно функ-
ционировать защитные системы. Если эти требования
обеспечены, то сверхпроводящие соленоиды становятся
дешевле обычных электромагнитов, когда поля превы-
шают 10 Т, а объемы рабочего поля —100 см 3.
Уже в первые годы создания сверхпроводящих соле-
ноидов был выявлен неприятный эффект, получивший
название деградации. При токах примерно вдвое мень-
ше, чем для коротких образцов проволоки, начинались
тепловые нестабильности, которые могли перевести всю
обмотку в нормальное состояние. Сначала деградацию
70
терпели, работая на пониженных токах или с избытком
сверхпроводника в обмотке.
В 1965 г. стало ясно, что нестабильности порождают-
ся скачками потока, когда связки токовых вихрей, за-
крепленных на дефектах или неоднородностях кристал-
лической решетки, под действием сил Лоренца начинают
двигаться в толще провода. Появлению скачков потока
могут способствовать колебания рабочей температуры,
сотрясения, местные ухудшения условий охлаждения об-
мотки. Но как только появляются скачки потока, начи-
наются тепловыделения. При медленном отводе тепла
местная температура растет, сверхпроводящее состояние
исчезает, тепловая зона склонна увеличиваться в раз-
мерах.
Сегодня известны два метода осуществления тепловой
стабилизации соленоидов: параллельная прокладка
сверхпроводящей и нормальной цепей или разбиение се-
чения на множество тонких нитей. В первом случае медь
работает двояко: как электрический проводник, шунтируя
сверхпроводящую цепь и обеспечивая протекание токов,
и как тепловой проводник, распределяя уже выделенное
тепло на большую длину провода. Стало быть, местные
перегревы ограничиваются, а отвод тепла гелием с боль-
шей поверхности упрощается. Во втором случае ограни-
чивается тепловыделение, поскольку уменьшаются силы,
смещающие токи внутри обмотки.
Конечно, добавление меди (или алюминия) сущест-
венно увеличивает массу обмотки. Однако, умело управ-
ляя соотношением тепловыделение — теплоотвод, можно
полностью исключить нестабильность. Этот метод позво-
ляет даже создать работоспособные соленоиды перемен-
ного тока, если, например, набрать жгут из тысячи тон-
ких проволочек ниобий-титана с меднением, разделив к
тому же сверхпроводящие нити медно-никелевыми барь-
ерами.
Если все же катушка перейдет в нормальное состоя-
ние, то вся энергия магнитного поля выделится в виде
тепла. В больших соленоидах эта энергия достаточно ве-
лика. В поле 5 Т, например, в кубометре объема запаса-
ется 3 кВт«ч энергии. Поэтому при переходе обмотки в
нормальное состояние провода могут расплавиться, ге-
лий может быстро выкипеть. А литр жидкого гелия пре-
вращается в 8 л газа, объем которого при нагревании до
комнатных температур возрастает стократно. При этом
71
гелиевые коммуникации могут запираться, если они не
рассчитаны на отвод столь больших газовых потоков.
И в итоге может катастрофически увеличиться давление
в криостате. Быстрое исчезновение тока ведет к пробою
электроизоляции, в металлических элементах конструк-
ции наводятся вихревые токи, импульсные механические
напряжения электромагнитной природы могут разру-
шить обмотку.
Чтобы избежать повреждений конструкции соленоида
или схем обеспечения его нормальной работы, приходит-
ся создавать специальные защитные системы, которые
переводят энергию из обмотки в зону вне криостата. Эти
системы должны быстро и надежно оперировать больши-
ми потоками энергии, а потому достаточно сложны, их
мощности становятся гигантскими.
Одна из самых трудных проблем, стоящих перед про-
ектировщиками сверхпроводящих электромагнитов,— га-
рантировать противостояние обмоток электродинамиче-
ским силам, чтобы избежать деформации или поврежде-
ния обмоток. Токи, обтекающие катушку, стремятся
сжать ее по высоте и увеличить в диаметре. Плотность
этих сил зависит от произведения поля на ток, так что
силы могут быть довольно высоки. В одном из работаю-
щих соленоидов диаметром 5 м с полем 2 Т используется
стальное ярмо с огромной массой 1500 т. При токе 2 кА
между двумя секциями обмотки возникают силы в 450 т!
Чтобы не повредить уникальный объект, пришлось тща-
тельно продумать и осуществить многие меры по защи-
те конструкции: применить особо прочные распорки, про-
ложить между витками эластичные прокладки, упаковать
обмотку в прочный наружный каркас из нержавеющей
стали.
И все же не следует забывать, что применение сверх-
проводников обычно оправдано лишь для создания очень
сильных магнитных полей. Но иногда по требованию за-
казчиков приходится строить относительно небольшие и
слабые электромагниты, если нужны поля изощренной
формы. Поля достаточной силы в объеме со сложной гео-
метрией, поля, нарастающие или спадающие во времени
с заранее оговоренными скоростями — разнообразен
спектр возможностей, предоставляемых сверхпроводящи-
ми обмотками.
Сверхпроводящие катушки прежде всего нужны физи-
кам, которые изучают магнетизм, по магнитным пара-
72
метрам ядер и атомов судят о строении вещества. Био-
логам с помощью сильных магнитных полей удается рас-
шифровать структуру сложных органических молекул.
Ведь ориентация ядер почти всех атомов зависит от си-
лы и направления внешнего магнитного поля. Если со-
здать еще одно поле, переменное во времени, то ядра
молекул при определенной частоте колебаний перевора-
чиваются. Зная частоту поля и энергию излучаемых
квантов, можно определить природу соседних атомов или
структуру атомных групп.
Специфика применения сверхпроводящих магнитов
для исследований с помощью ядерного магнитного резо-
нанса состоит в том, что магнитное поле нужно предель-
но равномерно распределить в пространстве. Конечно, за-
траты на создание однородных полей значительны, но
они заведомо оправдываются получением ценной инфор-
мации, нужной биофизикам, биохимикам, биоинженерам.
Сверхпроводящие соленоиды необходимы физикам,
изучающим твердое тело. Сильные магнитные поля рез-
ко закручивают траектории электронов, летящих в тол-
ще образца, так что по ним удается уточнить эффектив-
ные массы электронов, длины свободного пробега между
соударениями, искажения атомной решетки и концент-
рации частиц, влияние примесей, служащих причиной
рассеяния для электронной системы.
Нужны сверхпроводящие магниты и для физики вы-
соких энергий. Уже сегодня обычные электромагниты,
которые управляют траекториями заряженных частиц,
летящих по кольцевым ускорителям, выгодно заменять
на магниты со сверхпроводящими обмотками. Ведь чем
сильнее магнитные поля, тем меньше габариты ускори-
тельных колец, тем больше энергия частиц, которые ус-
коряются. Кроме того, на выходе из ускорителя поток
частиц, бьющих в мишень, порождает ливни осколков,
природа^которых обычно расшифровывается по их тра-
екториям в магнитном поле.
Первые сверхпроводящие соленоиды как раз и упот-
реблялись физиками для камер, где искривляемые маг-
нитными полями траектории пролетающих элементар-
ных частиц отмечаются пузырьками вскипевшего гелия
или водорода. Одна из самых больших сверхпроводящих
обмоток, созданная учеными Аргоннской национальной
лаборатории в США, предназначена для пузырьковой
камеры. В 1968 г. эта обмотка была установлена на пу-
4
73
чок протонного ускорителя. Она успешно эксплуатиро-
валась в течение десяти лет, устойчиво создавая поля
нужных параметров.
Чтобы облегчить изготовление и монтаж соленоида,
проектировщикам пришлось разделить его на пять сек-
ций по 2—6 тыс. витков в каждой. При токах 100—200 А
система генерировала мощные поля 6,7 и 4,5 Т в отвер-
стиях с диаметрами соответственно 17 и 28 см. Конеч-
но, эту сверхпроводящую обмотку в принципе можно бы-
ло бы заменить обычным электромагнитом, но тогда при-
шлось бы снизить плотности тока с 50—100 А/мм2 в 5—•
10 раз, при этом увеличились бы габариты конструкции.
При тех же ампервитках, распределенных в пространст-
ве менее плотно, уже не удалось бы создать поля нуж-
ной интенсивности. И конечно, для отвода тепла потре-
бовалась бы чрезвычайно сложная система водяного ох-
лаждения.
Сверхпроводящие магнитные установки, используемые
физиками, уникальны, обычно их параметры рекордны.
Для широкого применения в производственных процес-
сах не нужны столь большие поля, зато технические и
экономические показатели должны быть доступны и при-
емлемы. В дополнение к обычным сферам применения
электромагнитов сверхпроводящие конструкции могут
вызвать к жизни новое техническое направление — так
называемую магнитную сепарацию веществ.
Специалисты считают, что в ближайшее десятилетие
магнитные системы будут внедрены в индустриальных
процессах, в таких перспективных отраслях хозяйства,
как горное дело, металлургия, добыча топлива, комму-
нальные службы. Уже проектируются опытные промыш-
ленные установки на сверхпроводниках для обогащения
бедных руд, фильтрации загрязненной воды, ускорения
химических реакций и металлургических процессов.
Сырьем для магнитных сепараторов обычно служат
такие вещества, из которых надо выделить намагничивае)-
мую фракцию, обычно содержащую железо. Магнитные
поля исключительно удобны для разделения компонен-
тов в потоках с большим расходом. Уже давно через та^
кие сепараторы просеивают муку и крупу, отбирая из них
случайно попавшие стальные предметы (гвозди, куски
проволоки, опилки, шайбы). Когда разгружают металло-
лом, можно одновременно его сортировать, пропуская
через магнитную установку. Захватываемые подъемным
74
устройством стальные тела притягиваются магнитом и
отделяются от немагнитных металлов — меди, алюми-
ния, цинка. С помощью магнитных сепараторов обораща-
ют железную руду, отделяя магнетит от кремнезема. Се-
годня магниты помогают при извлечении 23 минералов.
Обычно применяемые электромагниты не очень ве-
лики (до 2—10 м3). Создаваемые ими силы (до 10, в
пределе до 1000 т) соизмеримы с силами от других техно-
логических устройств, таких, как молоты, прессы, копры,
«бабы» для забивки свай и разрушения строений. Па-
раметры сегодняшних электромагнитов, по существу,
сравнимы с «электрическим молотом» столетней дав-
ности, созданным М. Депре в 1882 г. Тогда журнал
«Электричество» сообщал о соленоиде длиной в метр, для
которого «при силе тока в 43 ампера сила молота до-
ходит до 70 килограммов. Два ассистента не могли удер-
жать включенную конструкцию, вес которой в три раза
меньше силы удара».
В наше время мощности особо крупных установок вы-
ше в сотни раз, но широко применяемые конструкции ос-
тались примерно теми же, что и молот Депре. Ведь свой-
ства используемых материалов (меди, стали) остались
теми же. Сверхпроводники же способствуют созданию
очень сильных магнитных полей, поэтому силы, развива-
емые холодными катушками, вырастут в тысячи раз. Со-
вершенно ясно, что сама возможность создания столь
мощных устройств должна способствовать удовлетворе-
нию тех потребностей, которые уже существуют, но до
сих пор не могли быть удовлетворены. Обычно спрос
рождает предложение, но с помощью сверхпроводников
можно предложением породить спрос на удовлетворение
ранее немыслимых желаний. А отсюда недалеко до
реализации таких проектов, которые кажутся фантас-
тическими даже сегодня, в годы бурного расцвета тех-
ники.
Для потенциальных потребителей полезны три ха-
рактеристики магнитного поля: его величина, скорость
изменения и градиент. Величина поля особенно важна
там, где нужно подействовать полем на намагниченные
тела. От интенсивности поля зависят силы, действующие
на такие предметы, а стало быть, сообщаемые им движе-
ния. Изменяя поля, можно ускорять и замедлять движе-
ние тел с магнитным моментом. Несложно придумать
магнитную катапульту. Всем известны электромагниты
75
для реле, защелок, пускателей, когда стальной сердечник
втягивается в катушку с током.
Обычно качество электромагнитов определяется толь-
ко силой притяжения намагничиваемых, то есть желез-
ных, тел. Много реже, но весьма производительно исполь-
зуются источники быстро изменяемых магнитных полей.
В переменных магнитных полях возникают электрические
силы, наводящие токи в хорошо проводящих телах, обыч-
но металлических. Немагнитные по природе, эти тела
становятся магнитными на короткое время.
Так можно отделять металл от камней и мусора, ибо
куски меди, олова, железа (ведь это тоже проводник) бу-
дут отталкиваться от источника поля. С помощью пере-
менных полей можно связывать атмосферный азот и по-
лучать гидразин. Созданное в лотке переменное магнит-
ное поле обеспечит выброс металлической пыли в сбор-
ник— так можно отделять крупинки золота от песка.
Сверхпроводящие электромагниты могут усилить эти
процессы, подняв их производительность.
Особенно богаты возможности градиентных магнит-
ных полей, постоянных во времени, но резко неравномер-
ных в пространстве. С их помощью иногда извлекают
ферромагнитные тела в поточных процессах. Железные
крупинки размером в миллиметр и более в сильногради-
ентных полях сильно намагничиваются, и такой магнит-
ный диполь тем сильнее стремится в сторону источника
поля, чем выше градиент.
Обычные градиентные сепараторы извлекают из же-
лезной руды 3—5 т магнетита за час. Тем же способом
каолин очищается от двуокиси титана с ферропримесями.
Градиентная технология начала применяться в электро-
лизерах хлора, где нужно очищать катодную ртуть от
железных частиц.
Сверхпроводящие катушки не просто модернизируют
старые устройства, они могут внести новое содержание
в технологические процессы. Их разрешающая способ-
ность очень высока, что позволяет снизить габариты из-
влекаемой железной пыли до микрометра и даже меньше.
Растет число возможных потребителей магнитной се-
парации. Например, становится реально осуществимой
очистка угля от серы, обычно присутствующей в пирит-
ной породе, распыленной в угле. В итоге снижается за-
газованность и увеличиваются сроки службы оборудова-
ния котельных любого масштаба и производительности,
76
С помощью сильных градиентных полей можно будет
очищать стоки сталелитейных комбинатов. Для этих про-
изводств нужно так много воды, что ее расходы сравни-
мы с полноводными реками: до полумиллиарда литров
за сутки. Уже создаются очистные устройства отстойно-
химического типа, позволяющие многократно использо-
вать воду в замкнутых циклах. Сверхпроводящие агрега-
ты, пропуская через себя мутную воду рек и озер, смогут
очищать ее от грязи и бактерий, осветляя поток и в сотни
раз снижая концентрацию взвесей.
Но перспективы применения сверхпроводящих элек-
тромагнитов в технологических процессах даже выше,
чем можно предположить. Сейчас сепараторы отделяют
только железные примеси от основного потока. Устрой-
ства с более сильными полями позволят использовать
чрезвычайно слабые намагниченности других веществ —
парамагнетиков или диамагнетиков.
Еще одно достоинство сверхпроводящих сепарато-
ров — упрощение конструкции, словно специально пред-
назначенной для потоков большого расхода. У тепереш-
них агрегатов достаточно высокая градиентность достига-
ется только в малых зазорах. Потоки, подлежащие очи-
стке, должны прокачиваться между заостренными кром-
ками полюсов. К тому же полюса приходится покрывать
насечками, дополнять зубьями, гребенками, шариками,
«ватой» из стальной проволоки. В результате неоднород-
ность поля сильно увеличивается, что усиливает сепари-
рующий эффект, но одновременно ухудшает условия про-
тока среды, ибо растет гидравлическое сопротивление
потоку. Применяя сверхпроводящие магниты, не нужно
будет так сильно снижать межполюсное пространство, за-
зор станет шире, а ограничивающие его поверхности —•
значительно более гладкими. Производительность сепа-
раторов существенно возрастет.
Сверхпроводящие сепараторы с полем 1 Т и объемом
рабочей зоны 0,1 м3 становятся вне конкуренции. Появ-
ляется возможность устанавливать их на пути чуть ли не
любого потока веществ, которые нужно очищать, обога-
щать, разделять. Магнитная сепарация может стать са-
мой массовой технологией, а сами агрегаты будут ком-
пактными, экономичными и необычайно производитель-
ными.
77
МАГНИТОВОЗЫ
Магнитные системы на сверхпроводниках можно ис-
пользовать для разных целей, но массовый потребитель
в первую очередь столкнется с ними, очевидно, на тран-
спорте. Как считают эксперты, поезда, использующие ма-
гнитные системы на сверхпроводниках, должны появить-
ся в ряде стран уже к 1985 г. на участках с особенно на-
пряженными пассажиропотоками.
Теперешние поезда — это колесно-рельсовые экипажи,
использующие для своего движения силы пара, тепла,
электричества. Теперь предполагается обеспечивать под-
веску вагонов и тягу состава с помощью магнитного поля.
У поездов такого типа еще нет общепринятого названия.
Одни именуют их магнитовозами по аналогии с парово-
зами, тепловозами, электровозами. Другие предпочита-
ют название «магнитоход», что не совсем корректно, по-
тому что пароходы, луноходы и другие «ходы» могут
менять курс, а «возы» привязаны к пути.
Американский термин «магнетоплан» подчеркивает
сходство нового транспортного средства с аэропланом,
поскольку для снижения аэродинамического сопротивле-
ния при больших скоростях такой поезд будет состоять из
одного вагона на 100—200 человек. Кроме того, скорости
его (порядка 550 км/ч) станут такими же, как в авиации.
Наконец, подобно самолету, магнетоплан будет парить
над дорогой. Правда, самолет опирается на воздух,
а опорной средой для поезда может стать магнитное
поле.
Еще одно название, предпочитаемое некоторыми уче-
ными из Канады и Англии, «маглев», происходит'от сло-
восочетания «магнитная левитация», что означает подвес
или парение с помощью магнитов.
Инженеры надеются, что применение сверхпроводников
в транспортных средствах наконец-то позволит удовле-
творить постоянно растущую потребность в дешевом и
надежном средстве для быстрого перемещения многих
людей на умеренные расстояния. Ведь до сих пор еще
нет удовлетворительного решения этой проблемы.
Уже много лет широко обсуждаются возможности
увеличения скоростей железнодорожного транспорта. Но
превысить скорость 300—350 км/ч вряд ли удастся. Это-
му препятствуют три ограничения. Во-первых, при столь
больших скоростях снижаются тяговые возможности ло-
78
комотивов, и колеса начинают пробуксовывать. Далее
токосъемные контакты начинают отрываться от шинных
мостов, проложенных вдоль пути. Для городского элек-
тротранспорта (троллейбусы, трамваи, пригородные
электрички и поезда метрополитена) трудно подобрать
более практичный способ электроснабжения, чем трол-
лейный токосъем, но всему есть пределы. Наконец, ви-
брации. Они становятся выше допустимого уровня, сни-
жается устойчивость состава на рельсах. Причина все та
же: при очень больших скоростях небольшие бугорки, ис-
кривления, прогибы рельсов и полотна превращаются в
своего рода трамплины для вагонов.
Пределы скоростей существуют, и это не вызывает
сомнений. Речь идет только об уточнении конкретных
цифр. Английские инженеры-железнодорожники, напри-
мер, пытаются малыми средствами, без дорогостоящих
нововведений повысить предельные скорости до 400 км/ч.
Для этого предлагаются такие простые решения, как ус-
тановка торцов соседних вагонов на общей тележке, уст-
ранение стыков рельс и др. Конечно, эти решения полез-
ны, но они не снижают необходимости осуществления
радикальных мер по усовершенствованию железнодорож-
ного транспорта.
Все больше специалистов приходит к неизбежному
выводу: для обновления железнодорожного транспорта
придется отказаться от колес, жесткого контакта экипа-
жа с землей и непрерывного токосъема. Уже проанали-
зированы и опробованы десятки возможных решений.
И начинать всякий раз приходится с главного: как обес-
печить подвеску экипажа и осуществить его тягу?
Среди способов совершенствования железнодорожно-
го транспорта прежде всего надо отметить применение
реактивной тяги. Производство реактивных двигателей
хорошо освоено, так что их внедрение в наземных усло-
виях сводится к умеренной переделке локомотивов. Од-
нако это решение не очень перспективно: известные огра-
ничения скорости (в частности, из-за вибрации) остают-
ся. Нежелательны сильный шум, загрязнение воздуха вы-
хлопными газами. Все же реактивными двигателями ос-
нащаются поезда испытательных дорог во Франции,
США, Канаде.
В некоторых проектах авторы обращаются к пропел-
лерной тяге. По одному из американских предложений,
например, можно было бы выполнить радиовоздушный
79
состав, спрятанный в трубу. Воздушная подушка подве-
сит вагон над дном, винт обеспечит тягу, причем тормо-
зить и разгонять состав можно за счет сжатия — расши-
рения воздуха. А вращать винт станет электродвигатель,
получающий энергию высокочастотным излучением из
стен тоннеля. Стенки трубы ограничат рыскание поезда,
скользящий токосъем уступит место пучку радиоволн, а
воздушная прослойка между стенками поезда и тоннеля
снизит до минимума трение. Однако этот проект не бу-
дет реализован даже в лабораторных масштабах, потому
что поддержание воздушной подушки расточительно, пе-
редача энергии электромагнитным пучком отработана
недостаточно, а стоимость трубы-пути невероятно вели-
ка. Так что проект до поры до времени останется в архи-
ве, пока какие-то важные причины не заставят уйти от
атмосферного воздуха в изолированную от мира трубную
систему.
В некоторых экстравагантных проектах эксплуатиру-
ется паротепловой принцип движения. Сотрудники ин-
ститута Лайнга в ФРГ предложили заполнить трубу во-
дяным паром с давлением, равным шестидесятой части
атмосферного, и поместить в нее вагон-поезд, скользящий
по одному направляющему рельсу. Движет поездом раз-
вернутая в линию турбина Пелтона, а торможение осу-
ществляется сжатием пара в специальном желобе. Там
пар нагревается из-за увеличения давления, вода испа-
ряется и обеспечивает поезд силами давления пара для
очередного разгона после станции.
Немецкие инженеры считают, что поезд, висящий на
водяных струйках и толкаемый водой, не имеет конку-
рентов ни по скорости движения, ни по мизерности зат-
рат на каждый тонно-километр. Такая водяная капсулка,
поезд весом в 300 т на шести подшипниках жидкостного
трения, может разогнаться до 750 км/ч, затем пройдет по
инерции 120 км, что лучше всяких слов демонстрирует
ничтожность сил трения поезда о стенки водяного слоя.
Однако этот проект очень дорог, как все труботранспорт-
ные системы. К тому же нужна вода, которую еще необ-
ходимо нагревать, испарять, конденсировать. Как в лю-
бой гидросистеме, нужны уплотнения, нужна разверну-
тая в линию турбина длиной во всю магистраль.
Проекты перемещения высокоскоростных транспорт-
ных устройств в воздухе или в водяном паре выглядят
архаично, как любое предложение о движении в вязкой
80
среде. Ведь эту среду надо ограничивать в пространстве
плотными стенками, за ней нужно следить, поддерживая
рабочие параметры и бдительно устраняя утечки.
Проекты такого рода вряд ли могут помочь совершен-
ствованию железнодорожного транспорта. Уже ясно, что
из-за жесткости контакта «колесо—рельс» применение
колесной опоры неперспективно. Резервы качения исчер-
паны, но, может быть, вернуться к скольжению, применив
вместо колес своего рода лыжи и смазку пути под поез-
дом? Нет, этот путь слишком примитивен.
В некоторых случаях применение подшипников сколь-
жения с водяной смазкой популярно из-за своей просто-
ты. Иногда в физических опытах легкие вращающиеся
тела, типа шарика для настольного тенниса, выгодно под-
переть струйкой воды. Но замена качения скольжением
принципиально нецелесообразна.
На фоне катящихся или скользящих опор исключи-
тельно выигрышно смотрятся электромагнитные подвес-
ки. Вместо твердых или вязких контактирующих сред
в них используется невидимое, неощутимое поле — мате-
риальная среда с ничтожной плотностью.
Уже работают опоры, использующие силы взаимодей-
ствия электрических зарядов на расстоянии. Например,
металлические шарики весом 10—15 г служат роторами
гироскопов в авиационных приборах. Роторы размещают
между электродами, а к зазору прикладывают высокое
напряжение величиной 5—10 кВ.
Электростатические подшипники просты, но их прихо-
дится усложнять системами автоматического регулирова-
ния зазора. Промежутки между электродами ничтожны
(доли миллиметра), поэтому ротор приходится тщатель-
но обтачивать. Для повышения электрической прочности
зазор вакуумируют (примерно 108~мм рт. ст.). Но в ито-
ге чрезвычайно снижается трение: в одном из приборов
ротор по инерции мог бы вращаться 500 лет!
Но можно ли применять электростатические опоры
для поездов? Ведь между рельсом и вагоном должно
быть высокое напряжение. Какие бы меры безопасности
ни применялись, это нежелательно для таких многолюд-
ных мест, как транспорт. К тому же давления на опору не
так велики: при использовании воздуха удерживается
груз 5 кг/м2, и только с помощью вакуума такие подшип-
ники могут поднять 50 т/м2! Но создать высоковакуум-
ную движущуюся опору невероятно сложно.
81
Гораздо практичнее применить на транспорте магнит-
ные поля. Строго говоря, они уже давно работают в элек-
тровозах: магнитные силы вращают валы электродвига-
телей, а движение передается на колеса. В электродвига-
телях магнитное поле сосредоточено в зазоре между ро-
тором и статором и замыкается через стальные магнито-
проводы, совмещенные с узлами конструкции. Теперь на-
стало время превратить в электродвигатель поезд вместе
с дорогой. Магнитное поле при этом будет сконцентриро-
вано в зазоре между ними. Магнитное поле заменит ко-
деса!
Магнитные подшипники уже начинают применяться.
В первую очередь тележки начали строиться и подвеши-
ваться над дорогой в лабораториях. Вдоль дороги и под
платформой крепятся очень сильные постоянные магни-
ты, направленные друг на друга одноименными полюса-
ми. Тележки словно парят, отталкиваясь от дороги.
Платформы с магнитной подвеской привлекательны
отсутствием шума при движении, плавностью хода, устра-
нением вибраций. Но для того чтобы такие поезда поя-
вились, приходится решать многие вопросы. Например,
для сохранения устойчивости по вертикали и в боковых
направлениях нужна специальная регулирующая систе-
ма. Высота подвески таких поездов относительно невели-
ка — около 3 см. Материал магнитов (феррит бария,
сплавы кобальта с платиной или самарием) дорог и хру-
пок. Самое неприятное, что намагниченность постоянных
магнитов практически не регулируется и со временем са-
ма собой неминуемо снижается.
В зарубежной прессе сообщается о различных поис-
ках новых технических решений. Сколько существует
источников магнитного поля, столько же можно назвать
типов магнитных подвесок. И в каждом из них скрыты
десятки перспективных конструктивных решений, Это
подвеска на диамагнетиках типа висмута, на электро-
магнитах с сердечниками из мягкого железа, на магни-
тодинамических подушках из ртути, по которой пропус-
кается электрический ток. В перечень возможных элек-
тромагнитных опор входят подвески на постоянном и пе-
ременном токах.
Выбор настолько богат, что шансы внедрения магнит-
ных опор для транспортных экипажей весьма велики. Но
даже сейчас, в начале этих работ, наиболее перспективно
выглядят подвески на сверхпроводниках. Ведь электро-
82
магниты со сверхпроводящими обмотками намного силь-
нее постоянных магнитов. Можно использовать диамаг-
нетизм сверхпроводников, когда в образце индуцируется
постоянный ток под действием другого, первичного тока
около образца. Наведенный ток всегда направлен проти-
воположно первичному току, так что они всегда отталки-
ваются.
Физику явления можно описать, используя термины
магнитостатики. Магнитное поле в сверхпроводник не
проникает, и образец будет удерживаться в подвешенном
состоянии внешним полем. Это широко используемое объ-
яснение все же не совсем корректно физически, хотя
математически верно описывает процесс: ведь внешнее
магнитное поле всегда проникает в образец из любого,
в том числе сверхпроводящего, металла, но в образце на-
водятся токи, то есть индуцируется новое поле. В сверх-
проводнике эти два встречных поля складываются так,
что суммарное поле исчезает, хотя слагаемые поля суще-
ствуют совместно. Потому и говорят о кажущемся вытал-
кивании внешнего поля из сверхпроводника (идеальном
диамагнетизме).
Как диамагнетики сверхпроводники могут противосто-
ять не очень сильным магнитным полям интенсивностью
до 0,1 Т, а в более сильных полях сверхпроводимость ис-
чезает полностью (мягкие сверхпроводники) или в от-
дельных точках образца (жесткие сверхпроводники).
Давления, которые выдерживают сверхпроводящие
диамагнитные опоры, при росте поля можно увеличить
приблизительно до 0,4 т/м2, а потом подъемная сила скач-
ком исчезнет или начнет постепенно снижаться по мере
возрастания поля. Даже эти небольшие силы можно ис-
пользовать в сверхпроводящих гироскопах, подшипниках
двигателей и в других легких подвесах, что начиная
с 1961 г. часто осуществляется на практике.
Выгоды диамагнитного подвеса очевидны: трение фак-
тически нулевое, опора бесшумная. Но из-за малых подъ-
емных сил эти опоры явно уступают опорам электромаг-
нитным. Если две катушки из сверхпроводящих прово-
лок просто обтекаются токами, они взаимодействуют, как
обычные, только гораздо более сильные магниты. Здесь,
конечно, проявляются и диамагнитные эффекты, которые,
как показали работы английских физиков, ощутимо ис-
кажают распределение токов в катушках, особенно если
83
вместо цилиндрических проволок применяются пленки
или фольга.
Расположенные на полотне и в вагоне сверхпроводя-
щие катушки с токами разного направления отталкива-
ются, создавая подъемную силу. В такой опоре зазор
саморегулируется: при сближении катушек бни растал-
киваются сильнее, при удалении — слабее. Применяя
сверхпроводящие катушки, можно увеличить зазор меж-
ду дном вагона и полотном до метра, хотя просвет в 0,3—
0,4 м полностью исключает касания пути.
Расчеты показали, что если диаметр обмоток равен
примерно 2 м, а токи — не менее 2 кА, достаточно раз-
местить по одной катушке под каждым углом вагона.
Даже если удвоить число катушек, для салона-поезда
вполне хватит гелиевого запаса массой 2—3 т с объемом
резервуаров около 5 м3 при стоимости около 50 тыс. дол-
ларов.
Такой подвес вагонов предпочтительнее воздушных
подушек. Воздушные подушки дороже, и, кроме того, по-
езда на воздушных подушках создают много шума и пы-
ли. В сверхпроводящих опорах подъемная сила при поле
хотя бы в 1 Т может достигать 40 т/м2, что примерно рав-
но давлению воздуха в шинах автобуса. Вполне реально
усилить поле в 2—3 раза. Увеличить надежность по-
могает резервирование катушек, предотвращение потери
проводом сверхпроводящего состояния. В целом созда-
ние высоконадежной магнитной системы вполне реально.
Но и здесь еще остаются возможности для дальней-
шего совершенствования подвески. Например, достаточ-
но будет размещать соленоиды только в вагоне, убрав их
с пути. Но все равно именно магнитное поле будет обес-
печивать подвеску вагона при его тяге со стороны.
Как же подвесить и толкнуть вагон со сверхпроводя-
щими электромагнитами на борту? Первое предложе-
ние — применить асинхронный двигатель, вытянутый
вдоль пути и потому называемый линейным асинхронным
двигателем, ЛАДом. Если поезд с электромагнитом на
борту поставить на колеса и какой-то силой двинуть над
металлической полосой, то в ней наведутся вихревые то-
ки, которые оттолкнут поезд от дороги. Если поезду со-
общить толчок в какую-либо сторону, то наведенные под
вагоном токи тоже переместятся. Изменения токов нес-
колько отстают от поля, поэтому вагон получит импульс,
тормозящий его движение. В итоге взаимодействие полей
84
от вагона и от токов, наведенных в полотне, создаст силы,
достаточные для подвески поезда.
Если электропроводность материала полотна конечна,
то этот материал нагреется, а нужная энергия может быть
почерпнута из кинетической энергии поезда или от маг-
нитного поля соленоида. Чтобы катушка не размагни-
чивалась, ее придется постоянно подпитывать током.
Стало быть, вагон нужно снабжать электроэнергией или
со стороны, через токосъем, или изнутри, нагрузив вагон
топливом и турбиной, которая станет вращать электро-
генератор. Щеточный токосъем ограничит скорости дви-
жения, электромагнитная запитка поезда микроволнами
еще не отработана, перевоз топлива вернет нас к изжив-
шим себя паровозам и тепловозам, так как придется
перевозить с собой уголь, мазут, керосин. В итоге на ЛАД
придется треть веса поезда, что чрезвычайно невыгодно.
Мало того, треть ширины пути нужно выстилать алю-
миниевыми плитами толщиной хотя бы в сантиметр, что-
бы малое сечение не ограничило величины вихревых то-
ков и не снизило тем самым асинхронного эффекта. Еще
одна трудность на пути внедрения ЛАДов — высокая
подвеска поезда. Наведенные токи и магнитные поля
должны быть достаточно большими, иначе силы, нужные
для подвески, будут ничтожными. Потому, как всегда в
асинхронных машинах любого типа, зазор между ваго-
ном и дорогой придется снижать примерно до сантимет-
ра. С таким зазором на скоростях 250—500 км/ч вагону
ничего не стоит зацепиться за путь или случайный пред-
мет. Стало быть, охрана пути от загрязнений должна
быть исключительно тщательной, автоматическая систе-
ма должна жестко ограничивать качания состава, крайне
быстро и надежно гасить вибрации. К сожалению, одно-
временно выполнить все нужные требования нелегко, и
риск аварии все же остается.
На противоречивом фоне достоинств и недостатков
ЛАДов выигрышно смотрится ЛСД — линейный синх-
ронный двигатель. Для обеспечения работы такого дви-
гателя на дорогу придется укладывать множество прово-
дящих стержней, в которые по специальной программе
нужно подавать ток. Сверхпроводящая катушка на бор-
ту экипажа будет подтягиваться токами дороги. Токи
смещаются — поезд движется вслед за ними. Стоимость
такого пути чрезвычайно высока (3—5 млн. долларов на
1 км), но размещение вдоль трассы сверхпроводящих
85
соленоидов еще дороже. Зато просвет между вагоном и
дорогой можно повысить до 15—30 см, что поможет ре-
шить проблему безаварийного движения, главную тран-
спортную проблему. Технически реально повысить кли-
ренс до 1,0—1,5 м, но придется сверх меры увеличивать
ток или число витков сверхпроводящего соленоида. По
мере разгона поезда подъемная сила будет постоянно уве-
личиваться, стремясь к некоторому максимуму, затем по-
явится сопротивление тяге, которое после превышения
некоторой пороговой скорости станет падать. Трассу
с ЛСД удобнее всего питать трехфазным переменным
током с частотой 400 Гц, обычной для авиагенераторов.
В итоге от питающей электросети придется получать и
затрачивать 4—40 Вт мощности на килограмм-километр
весопути.
Для поезда-вагона на 120 мест нужно 8—10 сверхпро-
водящих электромагнитов весом до полтонны. Гелиевое
хозяйство займет 5—6 м3, или 3—4% от всего полезного
объема поезда. В магнитовозах придется предусмотреть
меры для снижения магнитных полей в салоне. Устранить
эти поля с площади салона 3X30 м2 при общем весе по-
езда 45—50 т поможет размещенная под полом стальная
плита толщиной 2—3 см, но ее собственный вес непри-
емлемо велик — примерно 20 т. Более удобно отделить
салон от тягового соленоида еще одной сверхпроводящей
катушкой весом около 2 т, которая должна почти пол-
ностью устранить магнитные поля из помещения с пасса-
жирами. Расход сверхпроводника с учетом тяговой и
компенсирующей системы вырастет всего на треть. И, как
обычно, наиболее практичным оказывается смешанное
решение — одновременное применение железа и сверх-
проводящей катушки.
Во многих странах интенсивно ведется работа над
магнитными поездами, причем сверхпроводящие солено-
иды остаются вне конкуренции. Строятся испытательные
полигоны, отрабатываются способы подвески, форсиру-
ется работоспособность соленоидов. Исследования ве-
дутся в Японии, Франции, ФРГ, США, Канаде. Перед
конструкторами разных стран стоят общие проблемы:
силы, экраны, устойчивость, комфорт. При скоростях по-
рядка 250—480 км/ч тяга должна достигать примерно
5 т, причем ее величина должна легко изменяться. Маг-
нитные поля в салоне не должны превышать естествен-
ное поле Земли (0,3—0,5 Гс) больше чем в 200—400 раз,
86
чтобы не намагничивались часы и фон был ниже допус-
тимого предела для здоровья пассажиров. Поезд не дол-
жен слишком трястись, прыгать или вылетать за преде-
лы колеи. Для этого предлагается применять многие тех-
нические меры, от схемы с так называемым нулевым маг-
нитным потоком до ограничения набора скорости вели-
чиной 3 км/ч за секунду. Качество езды поднимается до
рекордно высокого уровня: в руках пассажира не долж-
ны дрогнуть ни стакан с чаем, ни газета.
Столь перспективное средство передвижения обещает
обеспечить за час перевозку тысячи пассажиров на рас-
стояние 515 км между Токио и Осакой. Железнодорож-
ники других стран мира несколько разбрасываются, на-
слаждаясь любопытной гаммой пропеллерных, вакуумных
и прочих необычных поездов, ныряющих между стан-
циями под действием сил тяжести, летящих под напором
давлений с разных сторон поезда, останавливаемых сжа-
тием водяной или воздушной среды перед носом по-
езда-поршня.
Японским инженерам приходится срочно решать прак-
тическую задачу: перебросить в короткое время часов пик
утром и вечером миллионы пассажиров на сотни кило-
метров. Крайне характерно, что именно сверхпроводники
способствуют решению транспортной проблемы конца
нашего века.
Поистине эстетическое наслаждение доставляет зна-
комство с проектами радикального усовершенствования
железнодорожного транспорта, где щедро предлагаются
сотни технических находок. Давным-давно были извест-
ны принципиальные возможности использования магнит-
ной левитации, но только с появлением сверхпрово-
дящих соленоидов эти возможности становятся реаль-
ностью.
ГЕНЕРАТОРЫ С КРИОСТАТАМИ
Конструктивно проще всего использовать уже знако-
мые неподвижные криостаты со сверхпроводящими об-
мотками, если выделить из холодной зоны полость с маг-
нитным полем и разместить там движущиеся проводники
или заряды. Именно такое сочетание характерно для
трех типов энергетических устройств: термоядерных ре-
акторов, магнитогидродинамических (МГД) генераторов
и униполярных электрических машин.
87
Термоядерные реакторы — это мощные генераторы
тепла, которые в скором будущем, как ожидается, заме-
нят котлы тепловых электростанций. Чтобы в земных ус-
ловиях «зажечь» звездную (но управляемую) реакцию
термоядерного синтеза, плазма должна быть достаточно
плотной и горячей (с температурой более 50 млн. граду-
сов) и существовать некоторое время, нужное для про-
ведения реакции.
Даже если достигнуты нужные параметры плазмы,
важно еще, чтобы плазма в камере не касалась стенок.
Ведь еще нет материала, который не расплавился бы при
температуре выше 4000°С. Так вот, удерживать плазму
должно магнитное поле. К тому же испарение стенок ох-
ладит плазму. Но в процессе эксплуатации реактора да-
же при магнитной изоляции зазора «плазма—стенка» от-
вод гигантских потоков тепловой мощности (порядка 1 —
2 МВт/м2) заставит часто менять первую оболочку горя-
чей камеры.
Будущие установки для термоядерного синтеза напо-
минают тороидальные камеры с большим диаметром 30—
50 м и малым диаметром 10—15 м. Чтобы поджечь плаз-
му, полоидальные катушки обычным трансформаторным
способом наводят в ней кольцевые токи. Сами эти ка-
тушки для устранения джоулева нагрева витков жела-
тельно выполнять сверхпроводящими. Но в проектах не-
редко рассматриваются обмотки из проводников нормаль-
ной проводимости, потому что технология создания под-
жигающих сверхпроводящих катушек достаточно слож-
на: ведь нужно ограничить величину тепловыделений, ко-
торые появятся в сверхпроводнике и в стенках криостата
при импульсных режимах работы.
Но еще более ответственным элементом конструкции
реактора считаются тороидальные катушки, создающие
магнитные поля для удержания плазмы у стенок горячей
камеры. Здесь обмотки из обычных проводников экономи-
чески неприемлемы, так как на их нагрев потребуется
мощность выше той, которую выработает реактор. Одна-
ко и сверхпроводящие катушки создать нелегко. Доста-
точно сказать, что как раз их конструкция определит раз-
меры реактора. На обмотки придется основная часть всей
стоимости установки.
Создать такие обмотки можно даже сейчас, потому
что рабочие поля в центре камеры не превысят 4—5 Т, а
в самих проводниках — 12 Т. Материалом может служить
88
хорошо освоенный ниобий-титан, а рабочую температуру
обмотки придется снизить до 3 К, чтобы критические то-
ки были достаточно высокими. Температуру обмотки из
станнида ниобия можно было бы повысить до 4 К, и из
этого материала уже удается изготовить работоспособ-
ную жилу.
Условия работы тороидальных катушек очень жест-
кие: сверхпроводящая обмотка должна выдерживать ог-
ромные механические усилия, создаваемые взаимодей-
ствием полей токов в самой обмотке; нужны электро-
магнитные экраны для защиты сверхпроводника от
импульсных полей полоидальных катушек. И это еще не
все: запасенную в магнитном поле энергию 250—300
МВт-ч при необходимости нужно быстро и безаварийно
вывести из обмоток наружу. Наконец, облучение нейтро-
нами существенно снижает критические параметры ис-
пользуемого сверхпроводника (температуру на 2—3 К,
а токи — иногда в 20 раз).
Сегодня реакция синтеза ядер дейтерия и трития еще
не освоена, конструкция реактора не отработана. Еще
нет окончательного ответа на многие вопросы, но одно
ясно: без сверхпроводящих обмоток термоядерный реак-
тор типа токамак построить нельзя. Реакторы других
типов (стеллараторы, тета-пинч, йин-янг) менее перспек-
тивны, но и для них потребуются сверхпроводящие нако-
пители энергии, сверхпроводящие униполярные генера-
торы и коммутаторы, а также сами обмотки.
Тот же вывод о неизбежности применения сверхпрово-
дящих обмоток справедлив для МГД-генераторов элек-
трической энергии. Из печати известно об использовании
таких машин в технике, но особое значение они могут
иметь в установках энергетического назначения. Еще в
1962 г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Г. Вильсон
и Д. Роберте заявили, что для МГД-генератора мощ-
ностью 20 МВт потребуется соленоид, создающий поле
4 Т. Если обмотку выполнить из медного провода, то ее
цена окажется весьма высокой — 0,6 млн. долларов. Но
дело даже не в этом: такую обмотку вообще изготав-
ливать бессмысленно. Ведь потери в ней достигнут
15 МВт, что равно 3/4 генерируемой мощности.
Зато обмотка на сверхпроводниках оказалась не доро-
же медной, хотя в те годы сплав ниобия с цирконием был
достаточно дорог (350 долл/кг). Габариты холодной ка-
тушки были меньше, чем медной, а на привод рефриже-
89
раторов нужна мощность всего 50—100 кВт, то есть пра-
ктически вся вырабатываемая энергия шла потребителю.
Принцип работы МГД-генератора прост. Раскален-
ный газ с присадками, молекулы которых легко ионизи-
руются, продувается через канал с магнитным полем.
Это поле искривляет пути частиц с зарядами противопо-
ложного знака в разные стороны, высаживая их на элек-
троды, вмонтированные в боковины камеры. В энерге-
тике такие машины еще не используются (если не счи-
тать опытных генераторов мощностью в несколько кило-
ватт), но полезная идея, родившаяся одной из многих у
великого электротехника прошлого века М. Фарадея, на-
чинает обрастать техническими подробностями, позволя-
ющими всерьез говорить о создании машины промышлен-
ных масштабов.
Существует много типов МГД-генераторов: с от-
крытым или замкнутым циклами, для плазмы или жидких
металлов, с разными способами ионизации рабочих тел,
с последовательным или параллельным соединениями
электродов, для применений в космосе или на Земле. Ес-
ли удастся преодолеть многочисленные трудности, связан-
ные с работой камеры сгорания (шлакование стенок ка-
меры и потеря ими электроизоляционных свойств, выгора-
ние электродов, выщелачивание присадок из шлаков), то
применение МГД-циклов в сочетании с газовой турбиной
или пароводяной схемой тепловой электростанции удвоит
КПД и в той же мере снизит расход топлива.
Сверхпроводящие обмотки словно специально приспо-
соблены для МГД-машин. Мощность, снимаемая с элек-
тродов, зависит от квадратов скорости газа и индукции
поля. Постоянные и очень сильные магнитные поля
нужны для того, чтобы за малые времена пролета час-
тиц по каналу успеть прибить их к тому или иному
электроду.
Вот как выглядит типовой проект современного боль-
шого сверхпроводящего магнита для МГД-станции мощ-
ностью 1000 МВт. На канал (длиной 16 м и сечением
7 м2) словно седло посажена обмотка из сверхпроводника
(масса 270 т, ток 5 кА). В магнитном поле катушки
с индукцией 7—8 Т запасается энергия примерно
3000 кВт-ч. Чтобы обмотка не разрушалась, понадоби-
лись металлические бандажи массой 1100 т. Если стаби-
лизировать обмотку медью и правильно выбрать форму
витков, то на заполнение системы потребуется 50 м3
90
жидкого гелия и 500 т азота, а на привод рефрижерато-
ров понадобится всего 0,5% от мощности машины.
Работы по внедрению МГД-генераторов особенно ак-
тивно ведутся в СССР и Японии. Большие усилия при-
лагаются в том же направлении в США и Англии. Уже
опробованы действующие модели сверхпроводящих МГД-
генераторов величиной 0,1—0,2 от реальной мощности
будущих машин. До 1985 г. планируется построить пер-
вый МГД-генератор мощностью 500 МВт около Рязани,
что должно открыть путь следующим агрегатам.
Неподвижные криостаты с обмотками удобны и для
машин униполярного типа. В них около индуктора (посто-
янного магнита или электромагнита) вращается метал-
лический диск или цилиндр, а наводимые электродвижу-
щие силы снимаются щетками. Эти напряжения невелики,
поэтому приходится разделять диск на сегменты или
включать последовательно несколько дисков. Ясно, что
чем сильнее поле, тем более высокое напряжение инду-
цируется.
В машинах обычного исполнения для индукторов ис-
пользуется сталь, магнитные характеристики которой ог-
раничивают предельную мощность агрегата величиной
порядка 10 МВт при скорости вращения до 100 об/мин.
Огромные токи позволяют резко повысить поля сверх-
проводящих индукторов. И тогда сталь не нужна. В ито-
ге мощности и обороты машин можно повысить в 15—20
раз, вес (даже с учетом рефрижераторов) снизится в 2—
10 раз, а экономичность работы вырастет на 2%.
Проведено много экспериментов и расчетов, и все они
свидетельствуют: униполярные машины со сверхпроводя-
щим индуктором безусловно выгодны для многих потре-
бителей. Благодаря малым потерям в сверхпроводнике,
небольшим габаритам, допустимости перегрузок и легко-
му регулированию скорости простые униполярные маши-
ны особенно удобны в судовом электроприводе гребного
вала. Эти же качества позволят применить униполярные
двигатели и генераторы со сверхпроводящим индуктором
в прокатных станах и мощных вентиляторах, для выра-
ботки постоянного тока на электролизных алюминиевых
и хлорных заводах. Надежды подтвердились, когда в 1971
г. на электростанции Фоули в Англии заработал унипо-
лярный двигатель со сверхпроводящим индуктором.
Обычно насос циркуляционной воды мощностью 2,1 МВт
вращается асинхронным двигателем. Для согласования
91
оборотов насоса (200 об/мин) и двигателя (900 об/мин)
применяется редуктор. Со сверхпроводящей машиной ре-
дуктор не нужен, вес привода снизился в 10 раз, эконо-
мичность выросла.
До сих пор речь шла о неподвижных сверхпроводящих
соленоидах. Их применение в энергетических целях вы-
годно по тем же очевидным соображениям, которые спра-
ведливы для соленоидов, используемых для физических
исследований: увеличение плотности тока до 300 А/мм2,
рост экономичности благодаря отсутствию потерь в об-
мотках при одновременном снижении массы и габаритов
(редкое сочетание в технике). В энергетике еще нет МГД-
генераторов и униполярных машин, хотя расчетные оцен-
ки убеждают в целесообразности их создания. Но как
скажется использование сверхпроводников в электрома-
шинах массового применения?
В асинхронных двигателях сверхпроводники приме-
нять нецелесообразно. Ведь их конструкция усложнится
и пропадут достоинства, которые позволили им стать са-
мым дешевым и распространенным приводом станков и
механизмов. Но машины постоянного тока были скон-
струированы в первые же годы начала работ по техниче-
ской сверхпроводимости. В 1963 г. ленинградские ученые
построили первую лабораторную модель сверхпроводя-
щей машины постоянного тока. В обмотку возбужде-
ния (400 витков, станнид ниобия) с помощью постоян-
ного магнита был вморожен магнитный поток, а саму
обмотку врезали в магнитопровод, в зазоре которого вра-
щался якорь с щеточным токосъемом.
По оценкам некоторых зарубежных ученых (слишком
оптимистичным), такие машины были бы привлекатель-
ны в космических и летательных аппаратах: рост линей-
ной нагрузки от 40 до 120 А/мм и полей с 1 до 5 Т может
в 15 раз повысить мощность на килограмм массы, а вес
снизить вчетверо. По советским данным, применять сверх-
проводящие обмотки в коллекторных электромашинах
постоянного тока выгодно везде уже с мощности 60 кВт,
потому что рабочие токи растут в 2 раза, мощность —
в 2,5 раза, а КПД возрастает на 1,5%. Правда, исключе-
ние магнитопровода снижает индуктивность и маховой
момент якоря, а малая инертность приводит к чувстви-
тельным колебаниям скорости. Зато ускоряется пуск и
нет реакции якоря. А вернуть утраченную инертность
можно с помощью маховиков.
92
Но маломощные машины постоянного тока тоже не
определяют лица электротехники. Гораздо важнее улуч-
шить с помощью сверхпроводников параметры синхрон-
ных генераторов, обеспечивающих страну практически
всей электроэнергией, и, в частности, турбогенераторов —
самых мощных электрических машин нашего века.
Сейчас на роторе таких машин расположена медная
обмотка, намагничивающая стальной ротор, который для
снижения вихревых токов расслоен на тонкие листы.
Ток в обмотку ротора подается через щетки от специаль-
ного источника. Основные проблемы для создателей та-
ких машин и для эксплуатационников — нагрев и вибра-
ция. Особенно важно отводить тепло, выделяемое в про-
водах и железе. Статорные обмотки приходится охлаж-
дать воздухом, маслом или водой, а намагниченное желе-
зо и провода ротора — воздухом или газообразным водо-
родом. И все равно перегрев активных материалов по
сравнению с температурой окружающей среды велик
(32—36° С). Вибрации удается устранить, подвешивая
железо статора на амортизаторах и подбирая жесткость
ротора, чтобы ограничить его прогиб под действием ве-
са, полей при нужных критических скоростях.
Довольно сложно обеспечить электромашинострои-
телей стальными поковками весом в сотни тонн. Стано-
вится проблемой перевозка гигантских машин по желез-
ным и шоссейным дорогам. По многим причинам нереаль-
но повысить мощность турбогенератора до 2500 МВт, а
новые возможности атомной и ядерной энергетики застав-
ляют настойчиво искать пути создания очень крупных
машин.
Курс на будущее уже определен — применение сверх-
проводящей обмотки ротора. Холодную зону (обмотки с
гелием) нужно заключать в теплоизоляционную оболоч-
ку, которая должна быть достаточно прочной механи-
чески, чтобы ее не разрушили центробежные силы. Хо-
лодный гелий придется подавать внутрь ротора по сколь-
зящим патрубкам, которые на скорости скольжения
200 м/с неминуемо будут парить.
Устранение стали снизит массу ротора и его инерци-
онность. Если сейчас ротор не реагирует на мелкие ме-
ханические возмущения, проскакивая их по инерции, то
в новых машинах придется следить за постоянством обо-
ротов. Для компенсации медленного затухания качаний
93
ротора придется, вероятно, непрерывно регулировать мо-
мент на валу паровой турбины.
Возможно, понадобится переконструировать механи-
ческую связь валов генератора и турбины, введя спираль-
ный участок или используя электромагнитную муфту.
Сейчас генератор, турбина и возбудитель размещены на
одном прочном массивном валу. Если оставить этот узел
неизменным, то к холодному ротору будут подтекать
большие потоки тепла.
Еще одна, может быть, самая большая, трудность вы-
звана необходимостью устранять из зоны ротора перемен-
ные поля от токов статора. Чтобы эти поля не привели к
тепловыделениям в сверхпроводнике, приходится ротор
и статор разделять хорошо проводящим экраном. Этот
свободно вращающийся цилиндр должен быть прочным,
чтобы принять на себя резкие механические удары, сняв
их со слабого холодного ротора. Экран придется раз-
местить на подшипниках и еще охлаждать его. Экран
ослабит электромагнитную связь ротора и статора, что
снизит генерируемую мощность. К сожалению, не видно
возможности упростить эту сложную компоновку сверх-
проводящей машины.
Использование сверхпроводников заставляет пере-
смотреть принципы конструирования турбогенераторов,
которые уже давно освящены временем. Так, например,
тщательно изучены возможности такого генератора, где
индуктор, криостат со сверхпроводящей обмоткой, Hej
подвижен. Сразу упрощается обслуживание криогенной
зоны, подвод гелия и тока возбуждения. Но тогда при-
дется вращать статорную обмотку. Однако такая обра-
щенная конструкция для больших мощностей непригод-
на, так как понадобится скользящий токосъем для отво-
да статорных токов в трехфазную систему.
У машин с холодным ротором технико-экономические
показатели могут быть гораздо лучше. Начийая с еди-
ничной мощности 1000 МВт, они кажутся предпочтитель-
нее турбогенераторов обычного типа. Такие мощности
для машин в традиционном исполнении уже достигну-
ты, так что внедрение сверхпроводящих синхронных ге-
нераторов, по существу, целесообразно уже сегодня. Их
создание даже несколько запаздывает по сравнению с
объективно появившимся спросом, так что в ближайшие
десятилетия новые машины смогут постепенно замещать
сегодняшних рекордсменов, а в будущем, вероятно, элек-
94
тромашиностроительными заводами будут серийно вы-
пускаться только Сверхпроводящие турбогенераторы.
Подготовительные работы ведутся полным ходом.
В таких странах, как СССР, США, Англия, Франция,
ФРГ, Швейцария, создаются модели, рассчитываются
ожидаемые параметры сверхпроводящих машин, их стои-
мости и ожидаемый спрос, характерные режимы. В раз-
ных странах работы ведутся на разных уровнях, но прак-
тически все ученые-разработчики единодушны в том, что
до мощности 2000 МВт можно сделать машину обычной
конструкции с медными обмотками и стальными магнито-
проводами, но при более высоких мощностях обязателен
переход на сверхпроводники.
И неспециалисту видно, что электромагниты турбоге-
нераторов с временным сдвигом проходят те же этапы
эволюции, что электромагниты физического назначения.
В медно-железных машинах уже много лет применяется
газовое и водяное охлаждение обмоток. В 1965—1970 гг.
появились проекты и модели машин, обмотки которых
наматывались алюминиевыми или бериллиевыми прово-
дами с охлаждением жидким водородом или азотом. Но
применение гиперпроводников оказалось нецелесообраз-
ным, а потому все силы удалось сразу сконцентрировать
на разработке машин со сверхпроводниками. Кстати, во
многих проектах применение железа не предусматривает-
ся, так что обмотки можно считать соленоидальными.
В конструкциях турбогенераторов со сверхпроводящи-
ми обмотками ротора можно снять потери в проводах, уб-
рать сталь из-за ограниченности ее удельных магнитных
показателей, снизить реактивные сопротивления машины,
повысить КПД на 2/3% (для крупных машин сэкономлен-
ная мощность огромна). Габариты турбогенераторов
могут уменьшиться, а мощности вырасти, напряжения
увеличиться вдвое, токи ротора — в 10 раз, сам генератор
может стать в 2 раза короче и легче.
На крупных машинах даже незначительное усовер-
шенствование конструкции может улучшить многие вспо-
могательные системы. Детально подсчитана ожидаемая
экономия за счет удешевления фундаментов, облегчения
транспортировки более легкой машины, снижения кубату-
ры здания, уменьшения потерь,
Сегодня уже построена серия моделей на 10—20 МВт,
через пять лет планируется увеличить мощности в 10—
15 раз, а к концу века сверхпроводящие турбогенераторы
95
мощностью более 1000 МВт будут работать в энергоси-
стемах. Но как только на электростанциях появятся крио-
генные и вакуумные установки, нужные для обеспече-
ния сверхпроводимости обмотки возбуждения, неминуемо
возникнут предложения о глубоком охлаждении возбуди-
теля (генератора, подающего постоянный ток в роторную
обмотку). Уже сегодня активно обсуждается конструкция,
турбогенератора со сверхпроводящим статором.
Нетрудно видеть, что так называемые сверхпроводя-
щие генераторы становятся конструкцией, где старый ста-
тор сочетается с новым ротором. А нельзя ли все же пой-
ти дальше, сделав сверхпроводящим статор? Но обмотки
статора обтекаются переменным током, для которого не
годятся сверхпроводники II рода. Ведь в них велики по-
тери из-за сложности структуры материала и добавки
меди для тепловой стабилизации. С одной стороны, об-
мотку переменного тока охлаждать невыгодно из-за
больших потерь при гелиевых температурах, с другой —
целесообразно перевести на сверхпроводники всю много-
амперную станционную цепочку «генератор — станцион-
ный токопровод — повышающий трансформатор». Вы-
вод очевиден: если до сих пор сверхпроводящие обмотки
разрабатывались специально для соленоидов постоянно-
го тока, то теперь для переменного тока и переменных
полей нужно создавать новые конструкции проводов.
УЛУЧШИТЬ ТРАНСФОРМАТОРЫ НЕЛЕГКО
Одно из самых распространенных изделий электро-
технической промышленности — трансформаторы. Поэто-
му перспективы массового внедрения сверхпроводников
однозначно зависят от ответа на вопрос: можно ли вы-
полнить обмотки трансформаторов из сверхпроводников и
выгодно ли это? По существу же, речь идет вообще обо
всех катушках переменного тока. В статорных витках
турбогенератора, например, поле наводится перемеще-
нием вблизи проводников постоянного магнита, а в тран-
сформаторе — изменением поля, создаваемым током в
соседней обмотке. Потому вывод должен оказаться об-
щим: если в трансформаторах сверхпроводящие обмотки
конструировать выгодно, то все электрические сети пере-
менного тока желательно переводить на низкотемператур-
ное охлаждение и на сверхпроводники.
96
Трансформаторы настолько просты, что улучшить их
невероятно трудно. Но простота эта поистине гениальна.
Вот с каким энтузиазмом комментирует профессор
Т. Кравец работы Фарадея: «...подумать только, что вся
добываемая во всем мире электрическая энергия добы-
вается именно так, как Фарадей научил мир в ноябре
1831 г. в докладе Королевскому обществу! Принципиаль-
но нового с тех пор ничего не предложено — Фарадей за
один доклад исчерпал всю тему! Вряд ли в то время са-
мое пылкое воображение могло бы предвидеть необъят-
ные размеры надвигающейся технической революции».
Фарадей действительно не знал, что в докладе о «воль-
таэлектрической индукции» (сейчас она называется элек-
тромагнитной индукцией), где он привел пример работы
с железным кольцом, обмотанным двумя обмотками из
тонкого провода, был описан прототип конструкции тран-
сформатора будущего. Ограничившись изложением сути
своих экспериментов, Фарадей объяснил физику явления
прозаически простыми словами: «...ток от батареи при
пропускании его через один проводник действительно ин-
дуцирует подобный же ток в другом проводнике, но этот
ток длится всего один момент и по природе своей походит
скорее на электрическую волну, возникающую при разря-
де обыкновенной лейденской банки».
С тех пор возникли две ветви трансформаторострое-
ния. Один тип трансформаторов выполняется точно «по
Фарадею» для наведения импульсов напряжения при раз-
рыве постоянного тока в первичной цепи. Эти трансфор-
маторы за 15 лет после работы Фарадея были практичес-
ки доведены до совершенства такими выдающимися
физиками, как Поль, Галлан, Бухофнер, Массой, Бреге,
Физо, Фуко и Румкорф. Сейчас импульсные трансформа-
торы, оснащенные прерывателями и конденсаторами,
применяются в системах зажигания двигателей.
Вторая ветвь трансформаторов возникла позднее, с
предложения П. Яблочкова по схемам переменного тока
(1876 г.). Идею Яблочкова успешно продемонстрировал
шестью годами позже И. Усагин на примере цепи с «се-
мью бобинами». В развитии конструкции трансформа-
тора переменного тока решающими стали пять (всего
пять!) вех.
1882 г.— англичане Голар и Гиббс предложили раз-
бивать обмотки на секции, выдвигать сердечник магнито-
провода для регулировки коэффициента трансформации,
97
включать лампы на вторичную обмотку параллельно, со-
здав тем самым работоспособную конструкцию транс-
форматора, основы которой сохранились до наших дней.
1884 г.— братья Гопкинсоны повторно изобрели тран-
сформатор с замкнутым магнитопроводом, предложив до-
полнительно регулировать число витков в обмотках, что
и сегодня широко применяется.
1885 г.— американец Д. Стенли построил первый ав-
тотрансформатор, положив начало целому семейству
преобразователей напряжения, в которых обмотки свя-
заны не только электромагнитным полем через магнито-
провод, но и через электрическое соединение проводов.
1889 г.— швед Д. Свинберн предложил погрузить
трансформатор с разомкнутым магнитопроводом в кера-
мический сосуд с маслом, заложив тем самым основы ши-
роко применяемого сегодня метода масляного охлажде-
ния магнитопровода и обмоток трансформаторов большой
мощности.
1889 г.— русский ученый М. О. Доливо-Добровольский
впервые в мире построил трехфазные трансформаторы
с магнитопроводами разной формы: радиальными, приз-
матическими, стержневыми.
Сегодняшний прогресс в трансформаторостроении
связан с усовершенствованием технологии их изготовле-
ния. Промышленность предлагает тысячи типов транс-
форматоров, различные по мощности — от долей до мил-
лиардов ватт, по весу — от граммов до сотен тонн, по
количеству обмоток — от двух до девяти. Взрывобезопас-
ные, регулировочные, пусковые, для горного дела, с ре-
гулированием напряжения под нагрузкой. Принимаются
меры для снижения шума из-за магнитострикции, умень-
шения потерь мощности, для защиты от пробоя электро-
изоляции импульсами напряжения атмосферного или
коммутационного происхождения. Удешевляется произ-
водство: сталь раскраивается автоматически по указа-
ниям ЭВМ, листы стали по-новому отжигаются и лаки-
руются, новыми способами шихтуются и крепятся сердеч-
ники. Все чаще вместо трансформаторного масла
применяются кремнийорганические жидкости: они лучше
держат напряжение, менее горючи, надежнее отводят
тепло от обмоток и магнитопровода.
Сегодня трансформаторы считаются самыми надеж-
ными и экономичными конструкциями. Потери в них не
превышают сотых долей от пропускаемых мощностей, они
98
повреждаются в 10—15 раз реже другого оборудования.
Но количество их огромно: мощность трансформаторного
парка в 5—6 раз превышает мощность всех потребителей,
так как напряжение приходится несколько раз менять на
пути от электростанции до электроприемников. Отсюда
вытекает очевидный вывод: экономичность работы транс-
форматоров повысить нереально, надо снижать их число.
Неплохо было бы снизить габариты для экономии мате-
риалов и облегчения перевозок завтрашних конструкций
(на одной платформе вместо трех-четырех для сегодняш-
них гигантов).
Что же можно улучшить в конструкции трансформа-
торов, если использовать сверхпроводящие материалы?
В 1960 г. Т. Буххольд предложил ограничить габариты
обмотки. Если штамповать витки в форме печатной схемы
на сверхпроводниках, то их объем снизится благодаря
высоким плотностям тока. Но уже через год профессор
Сиракузского университета Р. Мак-Фи внес решающий
вклад в проблему, опубликовав результаты испытания
первой модели мощностью 15 кВт. В ней применялся
свинцовый провод длиной 3 км. Обмотку пришлось рас-
щепить на 48 чередующихся слоев, чтобы снизить магнит-
ные поля, действующие на слабый сверхпроводник. Гели-
ем охлаждались только обмотки, а защиту от токов ко-
роткого замыкания из-за уменьшенного реактанса пред-
лагалось осуществить внешним реактором и быстродей-
ствующим выключателем.
В этой работе Мак-Фи были выявлены практически
все достоинства и недостатки сверхпроводящих трансфор-
маторов. Последующие разработки незначительно разви-
вали и углубляли сформулированные принципы и практи-
чески не содержали ничего нового. Так, в одном из
появившихся проектов утверждалось, что конструкция,
рассчитанная на 1000 МВт, сохранит тот же вес, что и
обычный трансформатор мощностью 100 МВт, при поте-
рях (с учетом охлаждения) всего 0,02%! В другом докла-
де доказывалось: сверхпроводники II рода действительно
нельзя применять из-за потерь на переменном токе, и это
мнение разделяет сегодня большинство электриков.
Затем появились новые модели трансформаторов со
сверхпроводящими обмотками. Французы построили одно-
фазную конструкцию в рост человека мощностью 250 кВт.
Потом ученые из ФРГ создали трансформатор небольшой
мощности с пластиковым криостатом, в котором охлажда-
99
лись обмотки. Французы построили модель с обмотками
уже из сплава ниобия с цирконием с плотностями тока
200 А/мм 2; удельная мощность возросла в 200 раз. Впер-
вые магнитопровод охлаждался жидким азотом.
Но чем больше строилось моделей и проводилось рас-
четов, тем яснее становилась истина, что хорошую кон-
струкцию улучшить непросто. Сверхпроводники могли
даже несколько ухудшить привычные параметры.
Действительно, на сверхпроводниках I рода пришлось
делать не проволочные, а фольговые обмотки. Провод-
ники расщепляли на множество листов с чередующимся
направлением токов, чтобы снизить рабочие магнитные
поля. Но такая шихтовка приводила к непомерному рас-
ходу электроизоляции и увеличению потерь в ней. Насто-
раживали расчеты теплопритоков по токовводам, кото-
рых в трансформаторах шесть — вдвое больше, чем в ге-
нераторах. Для компенсации теплопритоков требовались
очень мощные рефрижераторы, сводящие к нулю все вы-
годы от применения сверхпроводников. Магнитопровод
охлаждать было бессмысленно. Для трансформатора на
1 МВт в стали выделяется 0,5 кВт тепла, а его отвод
с гелиевого уровня потребует установки рефрижератора
с приводом, забирающим половину проходящей мощности.
Отказаться от магнитопровода тоже нелегко. Ведь он
обеспечивает высокое сопротивление цепи намагничива-
ния по сравнению с индуктивностью рассеяния. Если же
устранить сердечник, усиливающий намагниченность при-
мерно в 100 раз, то придется стократно усилить токи на-
магничивания. При использовании сверхпроводников для
этого достаточно в 10 раз увеличить число витков: хотя
плотности тока возрастут, размеры обмотки останутся
прежними. Но при таком решении в 10 раз вырастет ин-
дуктивность рассеяния, и регулировать нагрузку транс-
форматора станет трудно. Для сохранения теперешнего
соотношения индуктивностей можно было бы изменить
геометрию обмоток, транспонировать обмотки, увеличить
внешний диаметр, но любая из этих рекомендаций сом-
нительна.
Уже давно идут разговоры о трансформаторах со
сверхпроводящими обмотками, но до сих пор неясно, вы-
годно их создание или нет? Одни авторы утверждают, что
«использование сверхпроводимости целесообразно только
в новых областях техники». Другие видят выход в созда-
нии воздушных трансформаторов, в которых обмотки по-
100
мещены в коррб из сверхпроводника: за счет идеального
диамагнетизма стенок магнитный поток не сможет выйти
наружу. Еще одна надежда остается на новые магне-
тики: у таких редкоземельных материалов, как гольмий,
эрбий, диспрозий, поля насыщения в жидком гелии в сот-
ни раз выше, чем у стали, однако эти металлы малодо-
ступны, дороги, изучены они недостаточно, но уже
известно, что потери на гистерезис в них непомерно ве-
лики.
Существуют предложения и специалистов по электри-
ческим сетям. Можно, например, как они считают, устра-
нить потери на токовводах, если трансформаторы объе-
динить с линиями в единые сверхпроводящие комплексы.
Если вторую обмотку выполнить обычным способом и
связать ее с обычной линией, то такие разделительные
трансформаторы могли бы устанавливаться на границе
теплых и холодных энергосистем. Возможно, что сверх-
проводники действительно непригодны для переменных
токов, тогда следует ограничить область их применения
только сетями постоянного тока. Существует более ради-
кальное, но более спорное мнение, что трансформаторы
отжили свой век вместе с зашедшей в тупик высоковольт-
ной электроэнергетикой.
А пока ученые размышляют над будущим сверхпрово-
дящих трансформаторов, инженеры создают модели, в
которых обмотки из тонкой фольги высокочистого алю-
миния перемежаются со слоями стекловолокна. Эти обмо-
точные пакеты заключаются в стеклопластиковые крио-
статы и охлаждаются жидким водородом. Магнитопрово-
ды обычного типа служат каркасами для размещения на
них холодных обмоток. И пока неясно: то ли копятся си-
лы для нового броска к сверхпроводящим конструкциям,
то ли курс на гиперпроводящие трансформаторы означа-
ет постепенный отказ «.от надежд применить сверхпровод-
ники на переменном токе.
ЗАГАДКИ ЭФФЕКТА МЕЙССНЕРА
Если проанализировать проекты самых популярных
на сегодня сверхпроводящих агрегатов, невольно обра-
щаешь внимание на то, что в семействе магнитных систем
эксплуатируются самые простые свойства новых материа-
лов: огромная токонесущая способность и бесконечно
101
большая электропроводность. Но почти теми же качества-
ми обладают гиперпроводники (даже лучшими — у них
нет фазового перехода!), которые в ряде случаев вполне
могут заменить сверхпроводники.
Физики часто говорят о сверхпроводимости как
о принципиально новом явлении, но электротехники
продолжают копировать электроустановки старого типа,
с помощью сверхпроводников снижая их габариты, повы-
шая экономичность, увеличивая рабочие токи. Даже при
столь осторожном подходе применение сверхпроводников
кажется оправданным, но нельзя ли создать что-то прин-
ципиально новое, что заведомо окупит затраты на крио-
генное обеспечение? Нельзя ли отыскать у сверхпровод-
ников особые качества, использование которых позволит
создать поистине новую электротехнику?
Применение к сверхпроводникам старых мерок объяс-
нимо причинами историческими и психологическими. Ведь
принципы работы магнитных устройств открыты 150 лет
назад. На плечи электротехников следующих за Фараде-
ем поколений легла чисто практическая задача создания
работоспособных конструкций, использующих все те же
две вечные магнитные силы: Ампера — Лоренца, возни-
кающей при перемещении электрических зарядов в маг-
нитном поле, и Фарадея — Максвелла, появляющейся при
изменении магнитного поля во времени. Возможности
электротехников все же ограниченны: из трех возможных
сил (еще надо учесть силу Кулона) можно группировать
комбинации в одном объекте или создавать устройства
ограниченного действия. Электротехники не могут наде-
яться на внезапное расширение выбора, поэтому им при-
ходится хорошо освоить законы электрофизики и умело
их применять.
Чем же в этих ограниченных условиях сверхпроводни-
ки могут дополнить возможности электромагнетизма?
Ведь на сверхпроводниках можно сделать все те же дав-
но известные трансформаторы, электромашины, электро-
магниты. Казалось бы, магнитные характеристики и
принципы действия старых агрегатов должны сохранить-
ся, чуть изменившись в сторону улучшения за счет устра-
нения диссипации энергии.
Однако сверхпроводники все же не только обновляют
вид давно известных конструкций, делая их миниатюр-
нее, мощнее и экономичнее. Необычное магнитное пове-
дение сверхпроводников послужило основой для появле-
102
ния действительно новых и даже на первый взгляд стран-
ных решений. Быть может, именно эти необычные воз-
можности в будущем перевесят чашу электротехнических
весов в сторону сверхпроводников? И такие возможности
действительно существуют.
Первый пример — трансформатор постоянного тока.
Сами эти слова звучат чуть ли не парадоксально, ведь
каждый слышал, что только переменные токи можно
преобразовывать по величине. Однако сверхпроводники и
здесь расширили диапазон применения обычных транс-
форматоров. При подаче постоянного тока в какой-то
контур в другом контуре, связанном с ним индуктивно,
тоже наведется ток, но он быстро затухнет из-за сопро-
тивлений. Если же вторичную обмотку сделать из сверх-
проводника, ток сохранится сколь угодно долго. Впрочем,
тогда не Фарадей, а Ампер и Делярив были бы изобрета-
телями трансформатора, ибо они гораздо раньше про-
водили подобные опыты, однако не успевали увидеть
всплеска вторичного тока, который затухал, пока они под-
ходили к прибору.
В трансформаторе со сверхпроводящей обмоткой элек-
тромагнитное поле действует более логично, ибо наведен-
ный ток зависит от величины потока, а не от его прира-
щения. В 1964 г. советским ученым удалось построить
первые модели таких трансформаторов. Оказалось, что
их действие можно из однократного превратить в цикли-
ческое, повторяя операции наведения тока во вторичном
контуре и вытесняя ток в нагрузку умелым манипулиро-
ванием переключателями в разветвленной электрической
схеме: сверхпроводимость некоторых цепей при этом на-
рушалась, и току приходилось выбирать себе другой воз-
можный путь.
В трансформаторах постоянного тока применение
сверхпроводников во вторичной цепи обязательно, здесь
не помогут никакие уловки (высокая частота, сложные
коммутаторы), потому что наведенные токи неминуемо
рассеятся в проводнике с конечным электросопротивле-
нием.
Та же простая идея использования нулевого сопротив-
ления сверхпроводника применяется в обычном трансфор-
маторе, на сердечник которого надет сверхпроводящий
виток. Этот виток будет всегда размагничивать магнито-
нровод. Если менять ток в сверхпроводнике с помощью
103
управляемого сопротивления, то такие трансформаторы
помогут регулировать или ограничивать рабочие токи.
Считаются перспективными сверхпроводящие экраны.
Оболочки с нулевым электрическим сопротивлением не
пропускают магнитные поля ни внутрь, ни наружу. Огра-
ничить поля можно с помощью стали (ферромагнитная
комната), но даже при больших затратах эффект экрани-
рования будет неполным. Лучше всего устранять поля
активным методом, создавая антиполя: это дешевле и ло-
гичнее, но чем больше точек объема нужно освободить
от поля, тем больше требуется компенсирующих катушек
с индивидуальной настройкой.
Еще богаче возможности экранирования при исполь-
зовании диамагнетизма сверхпроводников. Общеизвест-
ный опыт с магнитом, который плавает в магнитном поле
токов, наведенных в чаше из сверхпроводника, выполнен
В. Аркадьевым еще в 1945 г. Позднее авторы научных
работ из разных стран описали, как должны работать
разного типа сверхпроводящие подшипники (опорные,
сферические, цилиндрические). В опытах на моделях
удалось удерживать груз весом около 3 Н/см2, при сни-
жении зазора жесткость увеличивалась сама собой и
можно было обойтись без специального регулятора.
В лаборатории «Дженерал Электрик» в 1960 г. постро-
или маленький электродвигатель, придав ниобиевому ро-
тору форму шестигранного стаканчика. Вращающимся
полем такой ротор-подшипник удалось раскрутить в жид-
ком гелии до 20, а в вакууме — до 300 об/с (лри боль-
ших оборотах центробежные силы разорвали бы тонко-
стенную гильзу). Такие двигатели работают эффективно,
но сопрягать их с комнатными объектами неудобно: по
валу проходит большой поток тепла. Вот почему эти ма-
шины диамагнитного принципа действия находят ограни-
ченное применение в низкотемпературных насосах и гиро-
скопах.
В одной из моделей сверхпроводящего гироскопа нио-
биевый шарик висел в магнитном поле и после получения
момента импульса мог вращаться без трения в течение
двух лет (!). Больше часа продолжалась первичная рас-
крутка струйками гелия до 200 об/с. После этого для
устранения трения зазор вакуумировался. За сутки дрейф
таких гироскопов достигает примерно 2°, потому что дей-
ствует небольшой момент прецессии между магнитным
полем подвески и телом ротора. Возникает этот момент
по двум причинам: шарик захватывает магнитное поле
из-за неидеальной сферичности и неоднородности свойств
материала в разных точках сферы, а кроме того, при
движении ротора электроны в его теле образуют сверх-
проводящие токи (момент Лондона).
Еще одна «немыслимая» конструкция на сверхпровод.
никах — генератор постоянного тока без щеток. Много
лет изобретатели стремились создать такую машину, из-
бавившись от скользящего токосъема. Каких только не-
обычных сочетаний якорей и индукторов не привелось уви-
деть инженерам, каких только безумных теорий по этому
поводу не пришлось услышать ученым! Но все тщетно:
оказалось, что создать бесщеточный генератор столь же
нереально, как и вечный двигатель. Ведь для этого при-
шлось бы в течение сколь угодно большого времени рав-
номерно увеличивать потокосцепление контура с магнит-
ным полем, на что не хватит ограниченного запаса вооб-
ще-то слабых постоянных магнитов или горячих электро-
магнитов. Даже сверхпроводники, снижая большие поте-
ри энергии на сопротивлениях электрической цепи, не в
силах вводить в контур поток, не отводя затем его об-
ратно.
Но все же такой генератор был создан, и для этого
пришлось использовать сверхпроводники. Специалисты
пришли к выводу, что коммутация осталась, но приняла
необычные формы. Сверхпроводники помогли заменить
щеточный токосъем. Но как же решилась проблема цик-
личности? Ведь в одном полупериоде ток наводится в од-
ну сторону, а в другом — в другую, и щеточный токосъем
был необходим для выпрямления тока. Представьте себе
пластину из слабого сверхпроводника, например из свин-
ца. С двух граней пластины к нагрузке отходят провода,
выполненные из сверхпроводников с высокими критиче-
скими полями. Между двумя другими гранями по пласти-
не скользит полюс сильного магнита, поле которого как
бы пронзает свинцовый лист, пробивая нормальную «дыр-
ку» в сверхпроводящей поверхности. Магнитный поток
сцепится с листом, оставшись захваченным контуром да-
же после удаления магнита. Если нагрузка сверхпрово-
дящая, например в виде соленоида, ток в ней останется.
А если нагрузка нормальная, ток в ней затухнет, отозвав-
шись кратковременным малым броском.
Сегодня существуют еще не завершенные, но со-
лидные теоретические представления о работе таких
104
Ют
генераторов, десятки которых построены и успешно ис-
пытаны ленинградскими учеными.
Подобные генераторы обычно принято называть топо-
логическими, потому что магнитные габариты свинцовой
пластины кажутся искаженными. Можно объяснить рабо-
ту таких машин по-другому, более популярно, привлекая
токовое описание процесса. Магнит над пластиной наво-
дит в ней ток обратного направления по сравнению с то-
ками, циркулирующими по периметру магнита. Если на-
веденный ток достаточно силен, то сверхпроводник с ним
не справится, под полюсом образуется нормальная дырка
и вокруг нее возникнет кольцо тока. По мере скольжения
магнита над пластиной кольцо сместится вместе с ним и,
наконец, исчезнет, когда магнит въедет в зазор между
пластиной и петлей, связанной с потребителем. А потом
магнитные силовые линии пересекут петлю и наведут
в ней электродвижущую силу по обычному правилу.
Впечатление такое, что вся хитрость работы тополо-
гического генератора связана именно с введением маг-
нитного потока в контур через пластину, которое не имеет
никакого действия для контура. Эта пластина с ползущей
дыркой незаметно сцепляет магнитное поле с контуром, а
уж вытащить это поле без последствий не удается. Токи,
наведенные в пластине, могут замыкаться сами на себя
без каких-либо внешних эффектов. Впрочем, к послед-
ствиям все-таки можно отнести разделение полного цик-
ла на два этапа: бесполезный, когда силы смещения
магнита уходят в закорачивание наведенного тока, и по-
лезный, когда магнит традиционным способом проскаки-
вает над проводом.
Конечно, можно магнит не двигать, а просто гуськом
расположить над пластиной несколько электромагнитов
и поочередно, один за другим запитывать их. На время
какой-то электромагнит станет сильнее других, а потом
этот пик побежит вдоль пластины со скоростью переклю-
чения тока в обмотках. Пластина, конечно, будет реаги-
ровать не на способ создания бегущего поля, а на его
величину и скорость перемещения, так что эффект полу-
чается тот же, что с перемещаемым магнитом.
Того же эффекта можно достичь на топологическом
генераторе с дыркой любого другого происхождения.
Если бы сверхпроводящий лист был эластичным, как
мыльная пленка, его на самом деле можно было бы про-
ткнуть магнитом, после прохождения которого лист закле-
106
ился бы сам собой. Более реально создавать зоны нор-
мальной проводимости теплом от движущегося магнита
со сцепленной горячей спиралькой или световым излуча-
телем, но инертность тепловых процессов слишком вели-
ка, так что нового охлаждения теплой дырки придется
ждать относительно долго. Вот почему всегда, когда нуж-
но на время выключить сверхпроводник из работы, целе-
сообразно применять магнитные выключатели, затем ме-
ханические и только потом тепловые.
А не могут ли сверхпроводники помочь обычным .про-
водникам в достижении того же эффекта? Если широкий
сверхпроводящий лист топологического генератора всего
лишь закорачивает токи под магнитным полюсом сами на
себя, то, быть может, ширина листа важнее его сверх-
проводящего состояния? Это легко проверить, если взять
медный лист и провести над ним магнит. В листе, конеч-
но, наведутся токи, но они затухнут чуть ли не быстрее,
чем магнит сколь-нибудь заметно сместится по плоскос-
ти. В зонах перед набегающим полюсом поле немного
усилится, под полюсом почти не изменится, а на пло-
щадке, с которой полюс только что сошел, ослабнет. Это
опережающее смещение магнитного поля будет тем силь-
нее, чем больше скорость перемещения магнита. Медный
лист как бы заэкранирует сам себя, а полезная сила воз-
никнет при пересечении магнитом тонкого провода.
Конечно, над топологическими генераторами нужно
еще много работать, но сам факт появления новых элек-
тротехнических устройств со сверхпроводниками весьма
красноречив. В бессюрпризном мире электротехники
вдруг забрезжили новые дали, и только за это можно на-
звать сверхпроводники пришельцами из будущего.
Примерно на том же принципе циркуляции незатухаю-
щих токов работают сверхпроводящие насосы магнитного
потока, выполняющие ту же функцию закачки постоян-
ного тока в сверхпроводящие контуры, обычно соленоиды.
Представьте себе сверхпроводящий диск с двумя отвер-
стиями — большим и маленьким. Если диск поместить во
внешнее магнитное поле, то вокруг отверстий наведутся
незатухающие токи. Они окружат часть поля, которая
проникла в эти отверстия и оказалась сцепленной с дис-
ком. Что бы теперь ни делать с магнитным полем, эти
замороженные потоки никогда не изменятся, пока диск
остается сверхпроводящим.
107
Теперь вставим в большое отверстие сверхпроводя-
щую пробку точно того же размера. Магнитный поток,
сцепленный с диском, измениться не может, поэтому, вы-
толкнутый пробкой из большого отверстия, он переберет-
ся в малое, где поле усилится настолько, насколько умень-
шится площадь для замороженного потока. При много-
кратном сжимании потока, если нагрев стенок отверстий
чередуется по определенному плану, напряженность поля
возрастает до предельных значений. Такие насосы приго-
дились для накачки миллионных токов в сверхпроводя-
щие пластины, работающие как соленоиды. Этим методом
удалось получить поля более 2 Т в объеме 2—5 см 3.
Диамагнетизм сверхпроводников используется не
только в непонятных топологических генераторах, слабых
подшипниках и экзотических магнитных насосах. Диа-
магнитные эффекты во многом определяют токонесущую
способность сверхпроводников I и II рода. Ведь действие
магнитного поля на провод с током сводится к наведению
мейсснеровских токов, которые накладываются на ток
от внешнего источника. Можно даже управлять величи-
ной критического транспортного тока, корректируя его
распределение в толще проводника.
Ученые из ФРГ предложили, например, выполнять
спиральной жилу кабеля из жестких сверхпроводников.
Тогда в магнитном поле самой жилы транспортные токи
возрастут на 10—15%. Московские ученые смогли вдвое
повысить токи, передаваемые по тонкостенным трубкам
из сверхпроводников I рода. Для этого трубка размещает-
ся в циркулярном магнитном поле от дополнительного
проводника с током, пропущенного через полость, или от
постоянного магнита, встроенного в стенку. Ток от внеш-
него источника теперь передается не только по наружной,
но и по внутренней стенке трубки. Удвоить ток в сверх-
проводящей трубке помогло знание законов распределе-
ния поля и тока в сверхпроводнике.
Сверхпроводники подсказали, как увеличить токи в
нормальных проводниках. Возьмем для примера медную
трубу, нагруженную током высокой частоты. Известно,
что ток сосредоточится в тонком слое на поверхности это-
го проводника. Теперь создадим циркулярное магнитное
поле высокой частоты в стенке трубы; через слои на ее
внутренней и наружной поверхности можно будет про-
пустить ток вдвое большей величины при той же плотнос-
ти в токонесущих слоях. Вот какая полезная аналогия:
то, что происходит со сверхпроводниками на постоянном
токе, подобно поведению обычных проводников на пере-
менном токе. Это один из рецептов обратной связи горя-
чих и холодных проводников, применение которой расши-
ряет палитру возможностей электротехники.
И все же проблемы электродинамики сверхпроводни-
ков, используемых в биметаллических композициях, еще
нельзя считать исчерпанными, Нормальные и сверхпро-
водящие элементы по-разному реагируют на магнитное
поле, их реакции складываются в общий сигнал, который
нелегко расшифровать. Возможно, иногда от стабилизи-
рованных проводников придется отказываться, компенси-
руя действие меди другими способами, например охлаж-
дением сверхтекучим гелием.
Не до конца решена еще одна проблема — диамагне-
тизм сверхпроводников, его истоки. И классическая, и
квантовая электродинамика пользуются феноменологиче-
скими законами, которые подобраны так, чтобы можно
было точно описать поведение электрических зарядов в
той или иной ситуации. Но почему заряды ведут себя так,
а не иначе? Почему в одних и тех же условиях нормаль-
ные и сверхпроводящие электроны проявляют себя по-
разному?
Еще Фарадей, работая с обычными проводниками,
пытался разгадать, что происходит в пространстве око-
ло проводника с постоянным током. Другие проводники
с токами в этой зоне испытывали совершенно определен-
ные поворачивающие, отталкивающие или притягиваю-
щие силы, что бесспорно свидетельствовало об активно-
сти зоны. Для краткости Фарадей назвал состояние этой
зоны электротоническим («когда провод подвергается
действию индукции, он, видимо, находится в некотором
особом состоянии, ибо он сопротивляется образованию
в нем электрического тока»; «напряжение этого состоя-
ния может быть сравнительно очень велико» и т. д.).
На каком-то этапе Фарадей отказался от своего пред-
положения, заменив его концепцией, согласно которой
вокруг проводника с током будто бы появлялись вихри
магнитного поля, но еще много лет он возвращался к
электротонике в мыслях, экспериментах, печатных рабо-
тах. И для этого были основания.
Почему электротоническое состояние, влияя на дви-
жущиеся заряды, оказывалось нечувствительным для
зарядов покоящихся? Почему металлические тела словно
108
Тоэ
не замечают расположенного рядом с ними активного
провода, обтекаемого постоянным током? А в сверхпро-
водниках электроны, напротив, стали реагировать на по^
стоянное магнитное поле, ускоряясь и создавая так назы-
ваемые диамагнитные токи?
Попытку описать поведение сверхпроводников в элек-
тромагнитных полях предпринял Ф. Лондон. В одном
из двух его уравнений описывается поведение сверхпро-
водника в электрическом поле: поле ускоряет электрон,
движущийся в среде без сопротивления. Второе уравне-
ние свидетельствует о прямой связи между магнитным
полем и наведенными токами: чем больше поле, тем боль-
ше токи. А можно ли использовать эти токи в технике?
Вот заманчивая задача, ради которой можно несколько
углубить тему разговора.
Чуть ли не главным в физике электромагнетизма мож-
но считать закон электромагнитной индукции: в перемен-
ном магнитном поле наводится поле электрическое. Но
даже в неизменном магнитном поле при охлаждении, на-
пример, свинцовой пластинки ниже критической темпера-
туры в ней возникают диамагнитные токи. Магнитное по-
ле выталкивается из сверхпроводника, нормальная со-
ставляющая поля около поверхности исчезает, магнитное
поле обтекает образец без входа в него силовых линий.
Диамагнитная реакция веществ известна давно. На-
ряду с ферро- и парамагнетиками, которые усиливают па-
дающее на них магнитное поле, существуют вещества
(висмут, цинк, медь, воск, смолы, соли, вода), создающие
слабые магнитные поля, направленные навстречу внешне-
му полю. Пламя, например, выталкивается из зазора ме-
жду полюсами магнита. Сверхпроводники оказались
идеальными диамагнетиками, создающими поле той же
величины, но обратного направления относительно внеш-
него поля.
Конечно, диамагнетизм сверхпроводников объясняется
совсем не теми причинами, что диамагнетизм истинный,
обусловленный созданием дополнительного магнитного
момента атомных электронных оболочек и отдельных
электронов проводимости в металлах. В сверхпроводни-
ках причиной появления собственной намагниченности
служат токи, наведенные внешним магнитным полем.
И обычные металлы могут создавать магнитные поля?
направленные навстречу внешнему полю, но только при
переменных во времени процессах. В сверхпроводниках
ПО
магнитный поток вытесняется и в постоянном поле. Мож-
но было бы объяснить это выталкивание нулевым элект-
росопротивлением образца, из-за чего экранирующие то-
ки не затухают, но тот же самый эффект наблюдается
при фазовом переходе сверхпроводника в неизменном
поле.
В первые годы знакомства со сверхпроводимостью счи-
талось очевидным, что идеальный проводник должен за-
мораживать магнитное поле в своей толще, и заморожен-
ный поток должен оставаться неизменным по величине
при любых вариациях внешнего поля, исчезая только при
отогреве образца и восстановлении у него нормальной
проводимости.
Сейчас принято думать, что такое поведение было бы
характерным для гиперпроводников с нормальным меха-
низмом проводимости, но перенос тех же представлений
на сверхпроводники не правомерен. Все же обычной ре-
акции сверхпроводников ожидали многие: в 1919 г. Лип-
пман ссылался на теорию Максвелла, нарушения кото-
рой быть не могло; сам Оннес объяснял тем же остаточ-
ную намагниченность пустотелой (для экономии гелия
при охлаждении) свинцовой сферы; в 1946 г. академик
В. Миткевич высказал убеждение в справедливости макс-
велловых представлений, согласно которым вся толща
сверхпроводника должна пронзаться магнитными силовы-
ми линиями, а ток может протекать по всему объему,
лишь бы сцепление поля с образцом сохранялось не-
изменным.
Однако позднее многие ученые присоединились к мне-
нию Ф. Лондона: потеря электросопротивления характер-
на для сверхпроводника, но еще более важна отрицатель-
ная намагниченность. Липпман и Миткевич экстраполи-
ровали нормальные представления на принципиально
новую физическую реальность, а Оннес еще не знал, что
многосвязные конфигурации могут захватить магнитный
поток, поток выталкивается из толщи сверхпроводника,
но вовсе не из полостей в образце.
В основу новых представлений о магнитных свойствах
сверхпроводников легли идеи, высказанные в 1924 г.
В. Кеезомом и в 1934 г. К. Гортером и Г. Казимиром.
Они исходили из самых общих принципов термодинами-
ки: ведь разные пути фазового перехода (охлаждение в
поле и охлаждение без поля с последующим подъемом
поля) должны приводить к одному и тому же, а не
111
двум сверхпроводящим состояниям. Через несколько „ > °Д"ак0 проблема эффекта Меисснера чревата еще
месяцев после статьи К. Гортера и Г. Казимира В Мейс- большими последствиями. Этот эффект, по существу,
снер и Р. Оксенфельд провели ставший классическим вновь поставил вопрос о формальном характере магнит-
опыт, из которого следовало, что сверхпроводящий обра- *°E° поля- Даже ПРИ появлении квантовой механики
зец всегда выталкивает поле независимо от предыстории <1926 г>- было ясн0> чт0 некотоРая Функция, вектор-по-
Экранирующие токи протекали только в тонком слое у тенииал> более полно отражает свойства тока, чем при-
поверхности образца. Всем электрикам давно известен вычные показатели, напряженность и индукция магнит-
механизм поверхностной проводимости у обычных метал- ного поля- Линии магнитного поля создают вихри вокруг
лов на переменном токе, но теперь тот же скин-эффект тока> но вектор-потенциал параллелен току, что более
проявился на постоянном токе в сверхпроводниках. естественно. Между двумя параллельными токами их
В 1935 г. Ф. и Г. Лондоны списали эффект Мейс- Действие должно удвоиться, что и происходит с вектор-
снера формальной связью «магнитное поле — ток» С тех потенциалом, но магнитное поле почему-то исчезает. Су-
пор электродинамика сверхпроводников новыми идеями шествует немало фактов, подтверждающих предпочти-
не пополнялась, хотя микроскопическая физика явления тельность потенциальной функции перед полезными ста-
обогатилась несколькими теориями, многими уникальны- Рыми показателями. «В квантовой электродинамике век-
ми экспериментами торный и скалярный потенциалы уже считаются фунда-
И все же выталкивание магнитного поля из сверхпро- ментальными величинами»,— говорит Р. Фейнман.
водника до сих пор выглядит странно. Магнитное поле по Опыты, подтверждающие тезис о предпочтительно-
величмне неизменно, поэтому электрического поля в про- сти использования потенциалов были поставлены только
странстве оно породить не может (если считать справед- после воины- В 1956 г- Бом и Аронов показали, что тра-
ливыми уравнения электромагнитного поля, уравнения ектория электронов, летящих мимо длинного соленоида,
Максвелла). Однако сверхпроводящие электроны, приво- отклоняется от прямой линии. Поскольку вне соленоида
димые в действие неизвестной силой, все же ускоряются индукция магнитного поля отсутствует, сила может быть
до тех пор, пока их импульс не сравняется по величине, обеспечена только векторным потенциалом. Совсем не-
хотя и в обратном направлении, с импульсом электронов, Давн0' в 19?2 г., Г. Мелленштадт и В. Баи расщепили
создающих магнитное поле. электронный луч на два пучка и, пропустив их около маг-
Как объясняет этот парадоксальный факт сам Ф. Лон- нитнои катУш«и. смогли сложить пучки с небольшим рас-
дон? Раз нет ускоряющего электрического поля, говорит согласованием по фазе. Причиной фазового сдвига мо-
он, значит наведенный ток надо связать прямо с магнит- »ет быть только влияние вектор-потенциала. Эффект
ным полем без посредников, «ведь при идеальной элект- Меисснера - замечательный эффект не только с точки
ропроводности постоянные электрические токи протека- 3Рения электродинамики сверхпроводников. Около про-
ют в отсутствие электрического поля». Великим портным вода с постоянным током сверхпроводники чувствуют
назвал Ф. Лондона профессор О. Найт, ибо перекройке электрическое поле. Значит, электрическое поле должно
подверглось учение самого Максвелла: от цепочки «ток - существовать всегда, а сверхпроводники выполняют все-
магнитное поле - электрическое поле» было отрезано г0 лишь Функции датчика?
последнее звено Как же объясняют эффект Меисснера физики?
Понимая необычность ситуации, Лондон много сил 0бычн0 его связывают с наличием в сверхпроводнике
отдал поиску аргументов, оправдывающих предложенное электронов двух типов, каждому из которых свойственна
описание механизма наведения мейсснеровских токов. своя электродинамика. Несмотря на фазовый переход
Объяснения найти не удалось, но пришлось предло- "Ри снижении температуры ниже критической, многие
жить еще одно новое правило для всех сверхжидкостей электромагнитные эффекты в сверхпроводящем образце
(квантовых жидкостей, электронного газа в сверхпро- частично сохранятся теми же, что были в нормальном
водниках и сверхтекучего гелия), для которых ускорения состоянии. Так, по мере понижения температурь, элект-
и скорости следует поменять местами. Ронная теплопроводность сверхпроводников снижается
112 П3
плавно, что позволило К. Гортеру и Г. Казимиру в
1934 г. постулировать разделение электронной жидкости
на нормальную и сверхпроводящую компоненты. По ме-
ре снижения температуры от критического значения до
абсолютного нуля доля нормальной компоненты снижа-
ется, а сверхпроводящей — соответственно возрастает.
Нормальная компонента ничем не отличается по своим
свойствам от электронного «коллектива» обычного типа,
а сверхпроводящая компонента как раз и оказывается
ответственной за аномальные, сверхпроводящие свойства
металла. Именно со сверхпроводящими электронами
обычно связано представление о циркуляции в сверхпро-
водниках незатухающих токов.
Двухжидкостиая модель успешно объясняет многие,
в частности тепловые, свойства сверхпроводников, нали-
чие у них энергетической щели. На сегодня твердо уста-
новлено, что сущность различий между нормальными и
сверхпроводящими электронами объясняется группиров-
кой электронов в сверхпроводниках в конденсированное
состояние в пространстве импульсов за счет квантовых
эффектов. Можно с успехом применить двухжидкостную
модель, рассматривая электродинамику сверхпроводни-
ков. Как уже говорилось, нормальные электроны должны
удовлетворять уравнениям Максвелла, реагируя на при-
ращение магнитного поля, а сверхпроводящие, напротив,
реагируют на абсолютную величину этого поля, что фор-
мально отражается вторым уравнением Лондонов. И в
ответе за это жесткость волновых функций сверхпровод-
ников, группировка электронов в «общий коллектив» с
одной фазой, с пониженной энергией, с пониженной энт-
ропией.
По классическим представлениям диамагнетизм
сверхпроводников есть следствие разгона электронов, ко-
торый немыслим без электрического поля. Причиной су-
ществования этого поля может служить только поле
магнитное, вернее, токи, его создающие. В этом случае
фазовый переход означает скачкообразный рост электро-
проводности, после чего в уже существующем электри-
ческом поле начинается формирование мейсснеровскогс
тока. Носители этого тока оказываются уже в двух по-
лях, внешнем и собственном, а суммарное поле снижает-
ся до нуля как раз в конце переходного процесса при до-
стижении мейсснеровским током установившегося значе-
ния. В присутствии неизменного внешнего магнитного
114
поля величина этого тока постоянна, потому что при
ускорении или замедлении электронов тока возникает раз-
баланс сил, приводящий скорость к прежнему значению.
Словно где-то внутри сверхпроводника включается фик-
тивное омическое сопротивление, отрицательное или по-
ложительное в зависимости от направления возмущения.
Но как определить электрические силы, создаваемые
постоянным магнитным полем? Сегодня известны два
способа генерации электрического поля: фарадеевский и
мейсснеровский. Формально эти способы могут соотно-
ситься между собой по-разному: а) или фарадеевский
способ справедлив для обычных проводников, а мейссне-
ровский — для сверхпроводников; б) или мейсснеровское
поле является истинным, а фарадеевское — лишь част-
ным проявлением мейсснеровского; в) или, наоборот, фа-
радеевское поле истинно, а мейсснеровская ЭДС есть его
следствие. У каждого из этих решений существуют свои
доводы за и против.
Вот, например, сколь драматичными станут послед-
ствия справедливости первого решения. Кроме электро-
динамики Максвелла, на равных правах с нею должна
сосуществовать вторая электродинамика, Мейсснера —
Лондонов. Наиболее серьезными при этом станут реак-
тивные следствия, сущность которых такова. Перемен-
ный ток создает переменные магнитное и электрическое
поля вблизи и в толще проводника с током. Это поле
соосно току, но несколько отстает во времени. Электро-
техники рассматривают ток как источник напряжений,
мешающих самому току и рядом расположенным провод-
никам. Внешний источник при этом должен покрыть не
только омические потери напряжения, совпадающие с
током по фазе, но и те напряжения, которые генерируют-
ся током. В сверхпроводниках электрическое трение в*
проводе исчезает, так что основной вклад должны вно-
сить индуктивные наводки.
Надо сказать, что проблема борьбы с реактивностями
в электротехнике ничуть не менее остра, чем проблема
снижения активных сопротивлений, хотя нагрев послед-
них потребляет энергию сжигания угля или сработки во-
дяных напоров. Реактивные же токи рождаются как бы
даром, попутно. Однако эти наведенные токи загружают
провода, приводят к дополнительным потерям энергии,
которые опять-таки приходится покрывать турбинами
электростанций. Как только в 1888 г. М. Доливо-Добро-
115
Вольский изобрел систему трехфазового тока с удобными
трансформаторами и простыми асинхронными двигате-
лями, так для большой электротехники проблема реак-
тивностей стала основной: ведь индуктивные сопротив-
ления обычно в 5—10 раз больше активных.
Людям, создающим электроагрегаты переменного то-
ка и работающим с ними, хорошо известны два, всего
два правила обхождения с реактивностями. Во-первых,
для снижения индуктивности (и связанных с ним потерь
напряжения и мощности) разнонаправленные токи надо
сближать, пока позволяет электроизоляция между про-
водниками, а токи одного направления следует разносить
подальше. Отсюда, в частности, следует, что у плоской
шины индуктивность меньше, чем у трубы того же сече-
ния. Во-вторых, в индуктивностях (спиралях, катушках,
проводниках и их совокупностях) ток опережает генери-
руемое напряжение или, как обычно предпочитают гово-
рить инженеры, отстает от приложенного напряжения.
В емкостях (конденсаторах, парах проводов) ток, на-
оборот, опережает во времени напряжение на обкладках.
По этой причине индуктивности и емкости в электричес-
ких цепях предпочитают группировать так, чтобы их дей-
ствия в сумме гасили друг друга.
Вот почему во все электрические схемы переменного
тока, будь это физический эксперимент или ЛЭП, всегда
вводятся конденсаторы. Емкостная компенсация реак-
тивных мощностей нужна потому, что генерация индук-
тивных ЭДС происходит как бы сама собой, автомати-
чески, вместе с появлением каждого нового проводника.
А о рождении емкостных ЭДС приходится думать особо,
ибо проводники разных фаз нужно размещать как можно
ближе. Потенциалы у них разные; чтобы предотвра-
тить пробои электроизоляции, электроды приходится
раздвигать, и потому их взаимная зарядка оказывается
недостаточно большой.
Конечно, было бы неверно считать, что электрические
поля, наводимые токами или зарядами, всегда вредны.
Нет, ЭДС, индуцируемые в генераторах, трансформато-
рах, двигателях, буквально подняли на своих плечах всю
электрическую цивилизацию нашего века. Да и в прово-
дах можно было бы использовать эти наводки. Если ока-
жутся справедливыми обе электродинамики (Фарадея и
Мейсснера), то в холодной электротехнике сверхпровод-
ники уже не будут создавать отстающие поля, ин-
дуктивные сопротивления должны исчезнуть. При этом
забудутся соответствующие потери напряжения и мощ-
ности, пропадет фазовый сдвиг между током и напряже-
нием, вместе с индуктивностью исчезнет энергия, запа-
саемая в магнитном поле. Существование магнитного
поля в сверхпроводящих цепях проявляется только в од-
ном — в наведении слабого электрического поля. Возро-
дится из забвения электротоническое состояние Фара-
дея, магнитное поле окажется только математическим
средством описания процесса наведения электрического
поля в обычных проводниках. Сегодняшний закон элек-
тромагнитной индукции перестанет быть справедливым
в сверхпроводящем зазеркальном мире.
А как же сверхпроводящие соленоиды? Ведь в них на-
капливается энергия, производящая заметную работу?
Да, энергия запасается, но, быть может, ответственны
за это нормальные, а вовсе не сверхпроводящие электро-
ны? В стационарных процессах ток протекает по сечению
сверхпроводников, но в процессах переходных он вытес-
няется в медную подложку. Да и нормальная компонента
носителей в сверхпроводниках тоже продолжает реаги-
ровать на приращение полей.
Если избежать магнитной терминологии, можно ска-
зать, что сверхпроводящие электроны реагируют на су-
ществование близко расположенных токов, а нормаль-
ные — только на их приращения. Исключительно при
абсолютном нуле температур, то есть практически никог-
да, можно было бы в чистом виде эксплуатировать новый,
мейсснеровский закон электромагнитной индукции. Толь-
ко тогда можно выделить отрицательные сопротивления
и устранить индуктивности. Все электромагнитные агре-
гаты сегодняшнего дня можно будет списывать с балан-
са, зато появятся безреактивные линии.
Заодно вместе с сдвигом фаз между токами и напря-
жениями пропадут емкости, емкостные потери напряже-
ния и мощности, зарядные токи. Появятся абсолютно хо-
лодные емкостные пробки, которые будут запирать пере-
менные токи. Вместе с исчезновением индуктивностей и
емкостей по-другому будет смотреться проблема сегод-
няшних пондеромоторных сил, то есть сил взаимодей-
ствия проводников с токами.
Впрочем, пора остановиться. Ведь сказанного вполне
достаточно, чтобы даже неспециалисту стало понятно;
электродинамику сверхпроводников надо развивать, ибо
116
1П
безучастное отношение к метаморфозам уравнений Макс-
велла равносильно пренебрежению могучими резерва-
ми омоложения электротехники, расширения ее возмож-
ностей до невиданного ранее уровня. Уровня, естествен-
но, продиктованного опять-таки сверхпроводниками!
Если помечтать, то можно увидеть, как на основе
сверхпроводников появляются агрегаты второй, холод-
ной электротехники, которой еще нет, но которая, по-
явившись, дополнит электротехнику горячую. Мейссне-
ровские агрегаты станут тяготеть ко все более низким,
а не высоким температурам. Исчезнет актуальность по-
иска высокотемпературной сверхпроводимости, потому
что станет важна не температура перехода, а абсолютный
нуль температур. Найдут достойное применение все сверх-
проводники, станет нужным и сверхтекучий гелий, и кон-
струкции, рассчитанные на его применение.
Сегодня отчетливо виден парадокс: создавая сверх-
проводящие материалы и эксплуатируя их возможности,
мы вместе с тем стремимся работать с новыми провод-
никами почти у критической температуры, чуть-чуть оку-
нувшись в новое, столь богатое возможностями фазовое
состояние. Мы словно боимся созданного нами мира
сверхпроводимости, словно робеем уйти от границ теп-
лых, обжитых процессов в холодные зоны. Быть может,
в этом скрыта большая человеческая мудрость, осторож-
ность: обживать холодные районы не спеша, но надеж-
но, как Арктику и Антарктиду?
Вблизи абсолютного нуля устройства на сверхпровод-
никах будут совсем не похожи на сегодняшние сверхпро-
водящие агрегаты ни принципом работы, ни формой, ни
характеристиками. Да и электрические контуры можно
прокладывать не так, как сегодня.
Между полярными решениями существует много^про-
межуточных, когда совместно проявляются свойства
электронов, подчиняющихся и той, и другой электроди-
намике. Еще рано говорить об их оптимальном сочета-
нии, хотя сегодняшние сверхпроводники с медной стаби-
лизацией, охлажденные чуть ниже критической темпе-
ратуры, как раз и относятся к смешанным решениям.
Когда-нибудь электротехники разделятся на три
родственные группы, работающие с электричеством при
разных температурах.
«Традиционщики» будут, как сегодня, заниматься
теплыми электроагрегатами, подчиняющимися добрым
старым законам Фарадея, Ампера, Максвелла, Лоренца,
Эйнштейна. «Абсолютники» уйдут в зону абсолютного
нуля, разовьют электродинамику Мейсснера — Лондонов
и создадут свой фирменный реестр приборов и машин.
А между ними найдет себе место группа «промежуточни-
ков», работающих на стыке двух электродинамик около
критической температуры сверхпроводников, у фазового
перехода. «Традиционщики» давно сформированы, их
армия хорошо укомплектована и снабжена походными
уставами. «Промежуточники» формируются сегодня, на-
копив опыт за последние 20 лет. Что касается «абсолют-
ников», то такие специалисты еще только должны поя-
виться...
До сих пор речь шла о совместном существовании
двух электродинамик. Если же мейсснеровский способ
наведения ЭДС справедлив всегда, а фарадеевский спо-
соб — его частное проявление в теплом электронном
мире, то последствия для техники окажутся не так глубо-
ки. Изменится лишь описание физики процессов электро-
магнитной индукции. Ведь обычные проводники в посто-
янном электрическом поле поляризуются, то есть свобод-
ные электроны перераспределяются так, что суммарное
поле в металле исчезает. В этом случае в постоянном
магнитном поле металлы должны поляризоваться.
При изменении магнитного поля вместе с ним изме-
нится электрическое поле и приборы зарегистрируют его
приращение, которое вызовет появление токов, определя-
емых разностью зарядов двух поляризованных состоя-
ний. И вновь в постоянном магнитном поле неравновес-
ные токи исчезнут, создавая обманчивое впечатление
действия только приращений поля. Интересно, что в рам-
ках этой поляризационной картины удается обосновать
причину до сих пор непонятного знака «минус» в прави-
ле Ленца...
Еще более убедительными кажутся доводы сторонни-
ков третьего решения, в котором эффект Мейсснера
объясняется действием старых ЭДС фарадеевского типа,
зависящих от изменений магнитного поля во времени.
Понятие «постоянный ток» справедливо, когда говорят о
неизменной скорости электронов. Но магнитное поле —
более сложный показатель, при постоянстве токов поле
вовсе не постоянно. Действительно, по отношению к лю-
бому неподвижному наблюдателю около провода с по-
стоянным током часть электронов будет приближаться,
1.18
1Й
создавая растущие магнитные поля и встречную ЭДС*
а часть, миновав наблюдателя, будет от него отдаляться;
создавая уменьшающиеся магнитные поля и ЭДС, на-
правленную в ту же сторону, что и ток.
При учете всех электронов тока их полное действие
должно бы исчезнуть, но этого кажущегося нивелирова-
ния не происходит. За счет конечного времени распрост-
ранения поля от заряда до контрольной точки (метод
запаздывающих потенциалов) набегающие заряды всег-
да вносят более сильный вклад, чем заряды убегающие.
Провод словно деформируется, ветвь с набегающими за-
рядами будто удлиняется.
Расчеты показывают, что это странное постоянное по-
ле, сложенное из переменных элементарных составляю-
щих, по величине соответствует измерениям начальной
точки вольт-амперных кривых сверхпроводящего прово-
да с током (двадцатая часть куба индукции). Становит-
ся понятным, почему постоянный ток течет только в по-
верхностном слое сверхпроводника: ведь этот ток толь-
ко кажется постоянным, а на самом деле он переменный
со своей характерной глубиной проникновения!
Сохраняются проверенные показатели реактивных
процессов, индуктивности и емкости. Удается объяснить,
почему обычные проводники не реагируют на мейсснеров-
ское электрическое поле (это поле невелико — 54 мВ/м
при индукции 1 Т, при сопротивлениях теплой меди и
алюминия порядка 10~8Ом-м плотности токов ничтож-
ны—около 5 А/мм2). Можно изменить уравнения Лон-
донов, чтобы они более точно описывали электродинами-
ку сверхпроводников. Представления о наведении элект-
рического поля постоянным током могут пригодиться для
объяснения сочетаний магнитных моментов ядра и орби-
тальных электронов в атоме. Можно рассчитать силу
(4-10~"8Н), которая стремится сместить заряженный ша-
рик (Ю~7Кл) вдоль и навстречу току, порождающему
магнитное поле 2Т...
Время покажет, какая из трех гипотез о природе
электрического поля в эффекте Мейсснера окажется
справедливой и насколько важные для электротехники
последствия она принесет. А пока ученые заняты поис-
ками, инженерам приходится приспосабливаться к сов-
местному протеканию в сверхпроводниках транспортных
и диамагнитных токов, изыскивать формулы для расчета
ротерь в стабилизированных проводах с переменным то-
ром, мириться с одновременным существованием урав-
нений Максвелла и Лондонов в рамках электродина-
мики сверхпроводников, придумывать новые приборы
И устройства, где бы эффект Мейсснера приносил
пользу.
Глава третья
РАЗРАБОТКА СВЕРХИЗМЕРИТЕЛЕЙ
КРИОТРОНИКА — СИМВОЛ ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТИ
В физической электронике уже много лет использу-
ются низкие температуры, нужные для работы, напри-
мер, детекторов инфракрасного излучения. Криогенное
охлаждение устраняет тепловые шумы в датчиках, повы-
шая тем самым точность определения полезного сигнала.
Чем выше длина волны, тем сильнее нужно охлаждать
фотосопротивление приемника излучения. Чувствитель-
ность датчика из сурьмянистого индия при жидкоазот-
ром охлаждении достигает 5 мкм. Датчик из легирован-
ного ртутью германия при температуре ЗОК уже регист-
рирует волны длиной 10 мкм. Для детектора из германия
с сурьмой при 2К порог чувствительности повышается
до 130 мкм.
Приходится охлаждать до азотных и гелиевых темпе-
ратур квантовые генераторы и усилители радиоволн (ма-
зеры) и оптических волн (лазеры). Цель все та же —
снижение сопротивлений рабочих элементов, устранение
внутреннего шума для выделения все более слабого сиг-
нала и повышения КПД.
Сверхпроводники позволяют еще больше повысить
чувствительность приемников инфракрасного излучения,
мазеров и лазеров. Неизмеримо повышается точность
метрологических эталонов. Вся техника получения и об-
работки информации с помощью сверхпроводников под-
нимается на новый уровень.
Конечно, задачи технической сверхпроводимости мно-
го шире, чем разработка сверхизмерителей, но круг по-
требителей высокочувствительных низкотемпературных
приборов пока ограничен. При широком же внедрении
120
121
ПРОСТЫЕ РЕГИСТРАТОРЫ
сверхпроводящего электрооборудования соответственно
возрастет потребность в специфических приборах для об< г>
служивания и управления холодными ап£ара?ами К то.^ В пеРвые Ж€ ГОДЫ появления сверхпроводников в ла-
му же на сверхпроводниках можно изготовить не толы>Р^т°РИЯХ Удалось П0СТР0ИТЬ несложные, но полезные
электронные усилители, генераторы, умножители, но >РибоРы. ориентируясь на самые существенные, основ-
многие аппараты, до сих пор в измерительной технике н>"е качества новы* материалов. Так, исчезновение элек-
встречавшиеся тгрического сопротивления в сверхпроводниках позволяет
Сверхпроводящие приборы вряд ли смогут 3аменитьСконстРУиРовать чувствительные датчики малых элект-
все имеющиеся измерители, в особых случаях они лшшГческих сигналов. Обычными гальванометрами еще
увеличат их возможности. Там, где измерения простыГ°жно Уловить напРяжения noP™Ka 10 В- Сверхпро-
i л ' А F F Ъодники настолько сильно снижают внутренние сопро-
относительно нечасты и связаны с параметрами средних! шл iaaa
о„ох^ г „*, ^ и тгивления гальванометров, что те становятся в 100—1000
значении, там сверхпроводники не нужны. Но если тре-чувствительнее
буется регистрировать сверхтонкие эффекты, измерять cf иУна переменном токе электрическое сопротивление
чрезвычайной точностью и обрабатывать большое коли- *иков исчезает почт^ полностью Правда,
чество информации, в приборах целесообразно использо^ и£ет только о материалах I рода (они однородны)
вать сверхпроводники, дополняя возможности имеющихся частотах до 110 ГГц (потом сопротивление появляет-
измерителеи особыми нестандартными качествами. >Ы) но и этого достат0чно, чтобы изготовить сверхпрово-
Относительно грубые, легко регистрируемые характе^ЯЩИ€ резонаторы высочайшего качества,
ристики сверхпроводников, такие, как нулевое электро- в металлических полостях особой формы можно
противление и фазовый переход, здесь полезны, но осо^здать колебания электромагнитного поля с очень боль-
бенно ценно использование двух эффектов слабой сверхШой частотой. Если выстлать стенки полости внутри ре-
проводимости: существования энергетической щели и3онатора тонким сверхпроводящим слоем, то отраженная
квантования магнитного потока. Эти тонкие эффекть^олна почти не будет рассеиваться, а резонансная час-
ответственны за появление туннельных токов, примене-игота станет много острее, чем в конструкциях с омеднен-
ние которых оказалось полезным. мыми или посеребренными стенками.
Еще в 1961 г., предрекая внедрение сверхпроводников Главное — возрастает добротность резонатора. Эта
в технику измерений, Т. Буххольд писал, что «инженерцхарактеристика отражает качество колебательного уст-
работают над созданием крошечных отключающих эле-|ройства и измеряется отношением запасенной в поле
ментов с большой надежностью для вычислительных ма-?энергии к потерям в стенках за период. До сих пор обо-
шин, магнитных линз с большой разрешающей способ-уточки резонаторов выполнялись из обычных хорошо про-
ностью для электронных микроскопов, усилителей безЬодящих металлов. Существовала только одна возмож-
шумов и других устройств с характеристиками, близки-чюсть повысить качество конструкции: уменьшить по-
ми к идеальным». Сегодня, спустя два десятилетия, из-верхность полости при заданном объеме. Предельные
мерительная ветвь прикладной сверхпроводимости ещейобротности при этом не превышали 104. Теперь возмож-
больше разрослась, аккумулируя в себе чуть ли не третьИюсти удвоились: можно еще увеличить электропровод-
всех работ, связанных со сверхпроводниками. «ость стенок почти до бесконечности. Почти — потому
Невозможно рассказать обо всей криоэлектронике'что на практике добротность сверхпроводящего резона-
(криотронике)— новой отрасли науки и техники, кури-*тора все же ограничена величинами Ю8—Юд из-за высо-
рующей бесчисленные аспекты измерений, автоматиче-^очастотного сопротивления сверхпроводящей поверх-
ского регулирования, защиты и вычислений с помощью ^ости. Причины появления этого сопротивления еще не до
сверхпроводников. Для наших целей достаточно коснуть- К0Н1*а ясны» н0 ПРИ тщательной обработке поверхности
ся двух-трех самых крупных областей применения этих {устранении шероховатостей, окисных пленок) сопротив-
материалов в измерительной технике. ление снижается.
122 123
сверхпроводящего электрооборудования соответственно
возрастет потребность в специфических приборах для об<
служивания и управления холодными аппаратами. К то-
ПРОСТЫЕ РЕГИСТРАТОРЫ
В первые же годы появления сверхпроводников в ла-
бораториях удалось построить несложные, но полезные
му же на сверхпроводниках можно изготовить не только^,./^ r J r
электронные усилители, генераторы, умножители, но наборы, ориентируясь на самые существенные, основ-
многие аппараты, до сих пор в измерительной технике не*ые кач<*тва новых материалов. Так, исчезновение элек-
влтп^повпшола трического сопротивления в сверхпроводниках позволяет
встречавшиеся. _
Сверхпроводящие приборы вряд ли смогут заменить^0"стРУиРовать чувствительные датчики малых элект-
все имеющиеся измерители, в особых случаях они лишьРческих сигналов- Обычными гальванометрами еще
F ' J ^ожно уловить напряжения порядка 10~6В. Сверхпро-
увеличат их возможности. Там, где измерения просты,! „ J v v м к ^
J ' м F F чводники настолько сильно снижают внутренние сопро-
относительно нечасты и связаны с параметрами средних! вТ¥Л„¥ТГТ ГОП1ПЛГ1т1ЛФПЛП ттг_ ^ л««™ тл 1ллл
r Vr гтивления гальванометров, что те становятся в 100—1000
значении, там сверхпроводники не нужны. Но если тре-^аз ЧуВСТВИтелЬнее
буется регистрировать сверхтонкие эффекты, измерять с1* и\а переменном токе электрическое сопротивление
чрезвычайной точностью и обрабатывать большое колиЧверхпроводников исчезает почти полностью Правда,
чество информации, в приборах целесообразно использо- и£ет только 0 материалах { рода (они однородны)
вать сверхпроводники, дополняя возможности имеющихся^ частотах до по ГГц [потом сопротивление появляет-
измерителеи особыми нестандартными качествами. ^ но и этого достаточно, чтобы изготовить сверхпрово-
Относительно грубые, легко регистрируемые характе-|дящие резонаторы высочайшего качества,
ристики сверхпроводников, такие, как нулевое электросо-. в металлических полостях особой формы можно
противление и фазовый переход, здесь полезны, но осо-^оздать колебания электромагнитного поля с очень боль-
бенно ценно использование двух эффектов слабой сверхЧщж частотой. Если выстлать стенки полости внутри ре-
проводимости: существования энергетической щели »30натора тонким сверхпроводящим слоем, то отраженная
квантования магнитного потока. Эти тонкие эффекть%олна почти не будет рассеиваться, а резонансная час-
ответственны за появление туннельных токов, применеЧтота станет много острее, чем в конструкциях с омеднен-
ние которых оказалось полезным. «яыми или посеребренными стенками.
Еще в 1961 г., предрекая внедрение сверхпроводников* Главное — возрастает добротность резонатора. Эта
в технику измерений, Т. Буххольд писал, что «инженерц>характеристика отражает качество колебательного уст-
работают над созданием крошечных отключающих эле-Ьойства и измеряется отношением запасенной в поле
ментов с большой надежностью для вычислительных ма-|энергии к потерям в стенках за период. До сих пор обо-
шин, магнитных линз с большой разрешающей способ-шочки резонаторов выполнялись из обычных хорошо про-
ностью для электронных микроскопов, усилителей безюодящих металлов. Существовала только одна возмож-
шумов и других устройств с характеристиками, близки-Ьость повысить качество конструкции: уменьшить по-
ми к идеальным». Сегодня, спустя два десятилетия, из-рерхность полости при заданном объеме. Предельные
мерительная ветвь прикладной сверхпроводимости ещеробротности при этом не превышали 104. Теперь возмож-
больше разрослась, аккумулируя в себе чуть ли не третьиости удвоились: можно еще увеличить электропровод-
всех работ, связанных со сверхпроводниками. «ость стенок почти до бесконечности. Почти — потому
Невозможно рассказать обо всей криоэлектроникергго на практике добротность сверхпроводящего резона-
(криотронике)—новой отрасли науки и техники, кури-игора все же ограничена величинами 108—109 из-за высо-
рующей бесчисленные аспекты измерений, автоматиче-рочаетотного сопротивления сверхпроводящей поверх-
ского регулирования, защиты и вычислений с помощью?**00™- Причины появления этого сопротивления еще не до
сверхпроводников. Для наших целей достаточно коснуть-1конЦа ясны» но ПРИ тщательной обработке поверхности
ся двух-трех самых крупных областей применения Этих|<УстРанении шероховатостей, окисных пленок) сопротив-
материалов в измерительной технике. мление снижается.
122
123
Высокодобротные сверхпроводящие резонаторы мож-
но использовать как сверхточные эталоны частоты.
В электронных микроскопах эти резонаторы обеспечива-
ют огромное разрешение, малые помехи при простой ре-
гулировке. Резонаторы сортируют летящие заряженные
частицы, отбирая из них те, динамика которых соответ-
ствует пульсациям поля. Можно использовать резонато-
ры для сверхточного измерения тепла, излучаемого
внесенным в полость посторонним телом.
Особенно высокие характеристики приобретают ли-
нейные ускорители из нескольких резонаторов, объеди-
ненных последовательно. Сегодняшние линейные ускори-
тели довольно длинны. В Стэнфорде, например, для со-
общения частицам энергии 20 ГэВ пришлось вытянуть
канал ускорения до 3 км. Разгон частиц обычно прихо-
дится ограничивать тысячной частью длительности рабо-
чего цикла. Ведь при непрерывной работе стенки ускори-
теля перегреваются, а энергия питания становится непри-
емлемо большой. Так, при добротности 5-Ю4 резонатор
с медными стенками нуждается в мощности 72 МВт, что
трудно обеспечить технически из-за дороговизны энергии
и отсутствия высокочастотных источников нужной мощ-
ности.
Охлаждение стенок из обычных проводников позво-
ляет увеличить их электропроводность на постоянном то-
ке, но на больших частотах польза ограниченна — ска-
зывается аномальный скин-эффект. Зато в сверхпровод-
никах толщина слоя и потери в нем могут быть ничтож-
но малы, что позволит длительно ускорять частицы. При
более высоких скоростях можно снизить плотности ча-
стиц при том же среднем токе, а это благотворно ска-
жется на изучении редких явлений, так как исчезнет
маскирующее влияние малоинтересных массовых со-
бытий.
При использовании резонаторов со сверхпроводящими
стенками длину канала можно сократить за счет роста
ускоряющих электрических полей (до 106В). Ускоритель
становится короче, и стоимость его уменьшается. По
оценкам ученых из ФРГ, стоимость установки, даже с
учетом затрат на охлаждение до чрезвычайно низко-
температуры 1,8 К, снизится в сотни раз по сравнения
с обычными линейными конструкциями.
Остается еще много проблем, которые надо решить
прежде чем сверхпроводящие ускорители станут реаль
ностью. Из-за различных степеней термической усадки
сверхпроводника и медного каркаса появляются механи-
ческие напряжения, и вследствие этого растут потери в
сверхпроводящем слое. Пленку ниобия (или свинца) при-
ходится дополнительно очищать, разглаживать. Свой-
ства тонких пленок трудно воспроизводятся на разных
образцах, так как многие факторы влияют на критиче-
ские показатели сверхпроводника. Еще мало информа-
ции о поведении пленок на границе с вакуумом. До сих
пор не выбрана наилучшая технология изготовления по-
лостей, потому что неясно, качество каких оболочек вы-
ше: полученных точением, гидроформовкой или цельно-
тянутых. Наконец, для достижения более высоких кри-
тических токов слабых сверхпроводников приходится
применять сверхтекучий гелий, а особенности работы при
столь низких температурах и столь необычном хладаген-
те изучены и освоены недостаточно.
Кроме нулевого электросопротивления, в криоэлек-
тронных приборах часто используется фазовый переход
сверхпроводников, при котором сопротивления датчиков
меняются скачком под влиянием каких-то факторов, вы-
зывающих смену состояний (магнитное поле, давление,
температура). Можно уловить чрезвычайно маленькие
излучения, которые сильно сказываются на сопротивле-
нии чувствительного элемента. Эти свойства сверхпровод-
ников используются при создании инфракрасных чувстви-
тельных элементов — болометров, предназначенных для
регистрации тепловых, то есть электромагнитных волн
длиной 10—1000 мкм.
Еще в 1940 г. стало известно о свойствах сверхпро-
водников, которые делают их незаменимыми в прибо-
рах контроля теплового инфракрасного излучения. Устра-
нение сопротивления снижает потери, и теперь можно
выделить слабые полезные сигналы. Кроме того, сверх-
проводники плохо проводят и запасают тепло, так что
полученная доза излучения не расползается по датчику,
а действует всей своей величиной в определенном месте.
Кстати, на использовании плохой теплопроводности ра-
ботают сверхпроводящие ключи, запирающие или отпи-
рающие тепловые потоки по перемычкам, тепловым мо-
стам в нужный момент, которому как раз соответствует
момент фазового перехода. Наконец, при достижении
критической температуры ее увеличение на градус при-
водит к скачку сопротивления примерно в 1 кОм. Такие
,123
124
Высокодобротные сверхпроводящие резонаторы мож-
но использовать как сверхточные эталоны частоты.
В электронных микроскопах эти резонаторы обеспечива-
ют огромное разрешение, малые помехи при простой ре-
гулировке. Резонаторы сортируют летящие заряженные
частицы, отбирая из них те, динамика которых соответ-
ствует пульсациям поля. Можно использовать резонато-
ры для сверхточного измерения тепла, излучаемого
внесенным в полость посторонним телом.
Особенно высокие характеристики приобретают ли-
нейные ускорители из нескольких резонаторов, объеди-
ненных последовательно. Сегодняшние линейные ускори-
тели довольно длинны. В Стэнфорде, например, для со-
общения частицам энергии 20 ГэВ пришлось вытянуть
канал ускорения до 3 км. Разгон частиц обычно прихо-
дится ограничивать тысячной частью длительности рабо-
чего цикла. Ведь при непрерывной работе стенки ускори-
теля перегреваются, а энергия питания становится непри-
емлемо большой. Так, при добротности 5-Ю4 резонатор
с медными стенками нуждается в мощности 72 МВт, что
трудно обеспечить технически из-за дороговизны энергии
и отсутствия высокочастотных источников нужной мощ-
ности.
Охлаждение стенок из обычных проводников позво-
ляет увеличить их электропроводность на постоянном то-
ке, но на больших частотах польза ограниченна — ска-
зывается аномальный скин-эффект. Зато в сверхпровод-
никах толщина слоя и потери в нем могут быть ничтож-
но малы, что позволит длительно ускорять частицы. При
более высоких скоростях можно снизить плотности ча-
стиц при том же среднем токе, а это благотворно ска-
жется на изучении редких явлений, так как исчезнет
маскирующее влияние малоинтересных массовых со-
бытий.
При использовании резонаторов со сверхпроводящими
стенками длину канала можно сократить за счет роста
ускоряющих электрических полей (до 106 В). Ускоритель
становится короче, и стоимость его уменьшается. По
оценкам ученых из ФРГ, стоимость установки, даже с
учетом затрат на охлаждение до чрезвычайно низкой
температуры 1,8 К, снизится в сотни раз по сравнению
с обычными линейными конструкциями.
Остается еще много проблем, которые надо решить,
прежде чем сверхпроводящие ускорители станут реаль-
124
ностью. Из-за различных степеней термической усадки
сверхпроводника и медного каркаса появляются механи-
ческие напряжения, и вследствие этого растут потери в
сверхпроводящем слое. Пленку ниобия (или свинца) при-
ходится дополнительно очищать, разглаживать. Свой-
ства тонких пленок трудно воспроизводятся на разных
образцах, так как многие факторы влияют на критиче-
ские показатели сверхпроводника. Еще мало информа-
ции о поведении пленок на границе с вакуумом. До сих
пор не выбрана наилучшая технология изготовления по-
лостей, потому что неясно, качество каких оболочек вы-
ше: полученных точением, гидроформовкой или цельно-
тянутых. Наконец, для достижения более высоких кри-
тических токов слабых сверхпроводников приходится
применять сверхтекучий гелий, а особенности работы при
столь низких температурах и столь необычном хладаген-
те изучены и освоены недостаточно.
Кроме нулевого электросопротивления, в криоэлек-
тронных приборах часто используется фазовый переход
сверхпроводников, при котором сопротивления датчиков
меняются скачком под влиянием каких-то факторов, вы-
зывающих смену состояний (магнитное поле, давление,
температура). Можно уловить чрезвычайно маленькие
излучения, которые сильно сказываются на сопротивле-
нии чувствительного элемента. Эти свойства сверхпровод-
ников используются при создании инфракрасных чувстви-
тельных элементов — болометров, предназначенных для
регистрации тепловых, то есть электромагнитных волн
длиной 10—1000 мкм.
Еще в 1940 г. стало известно о свойствах сверхпро-
водников, которые делают их незаменимыми в прибо-
рах контроля теплового инфракрасного излучения. Устра-
нение сопротивления снижает потери, и теперь можно
выделить слабые полезные сигналы. Кроме того, сверх-
проводники плохо проводят и запасают тепло, так что
полученная доза излучения не расползается по датчику,
а действует всей своей величиной в определенном месте.
Кстати, на использовании плохой теплопроводности ра-
ботают сверхпроводящие ключи, запирающие или отпи-
рающие тепловые потоки по перемычкам, тепловым мо-
стам в нужный момент, которому как раз соответствует
момент фазового перехода. Наконец, при достижении
критической температуры ее увеличение на градус при-
водит к скачку сопротивления примерно в 1 кОм. Такие
,123
сопротивления легко фиксировать, поэтому болометры
могут уловить ничтожно малый тепловой сигнал, если,
конечно, поддерживать температуру датчика в очень уз-
ком диапазоне величиной в 0,01 К точно на колене
фазового перехода функции сопротивление — темпера-
тура.
Обычно фольгу или пленку из сверхпроводника под-
вешивают в камере, где температура поддерживается
неизменной с помощью особых регуляторов. Сигнал по-
ступает в болометр через окно, прозрачное для регистри-
руемого излучения. Сопротивление сверхпроводника воз-
растает, и прибор может зафиксировать мельчайший им-
пульс энергии в 10~13 Дж.
Датчики обычно изготавливаются из олова, тантала
или нитрида ниобия, который можно переводить в сверх-
проводящее состояние, охлаждая даже водородом под
вакуумом (критическая температура 15—16 К). Крошеч-
ные сверхпроводящие площадки размером в несколько
квадратных миллиметров могут надежно улавливать сиг-
нал мощностью до 10~12 Вт. Исключительно высока раз-
решающая способность приборов для контроля темпера-
туры земной поверхности или регистрации редких ударов
альфа-частиц по мишеням.
Такие детекторы альфа-частиц удобно применять
в системах со сверхпроводящими электромагнитами, где
уже есть глубокое охлаждение. В одном из таких детек-
торов простейшей конструкции использован серийный
сверхпроводящий провод с большим числом ниобий-ти-
тановых проволок диаметром по 15 мкм. Падающая час-
тица с энергией 5 МэВ создавала тепловое возмущение
в зоне диаметром порядка 5 мкм. Местная потеря сверх-
проводимости регистрировалась по сопротивлению нити
с помощью серийных зондов с усилителем. Удалось из-
мерить частоту ударов, координату попадания отдельных
частиц в детектор, плотности потока.
Изменение свойств сверхпроводников при фазовом
переходе словно специально предназначено для исполь-
зования в особом классе измерителей. Улавливая скачки
сопротивлений, можно запускать в работу различные ре-
гуляторы, которым вменяется в обязанность управлять
режимами сверхпроводящих устройств. Даже сама сверх-
проводящая жила может стать регулятором передавае-
мого тока без каких-либо дополнительных приспособле-
ний: ведь при фазовом переходе сопротивление жилы
126
возрастает, что эквивалентно мгновенному включению
токоограничивающего сопротивления. Датчик, измери-
тель, выключатель, сопротивление и схема измерения —
вот сколько элементов может заменить собой кусок
сверхпроводящего провода.
Самая простая функция сверхпроводников-измерите-
лей связана с определением температур, магнитных по-
лей и токов, которые непосредственно сравниваются с
критическими параметрами сверхпроводника. Если дат-
чик потерял сопротивление, значит, температура снизи-
лась как раз до критической величины для использован-
ного материала. Пакет пластин из разных сверхпровод-
ников может помочь зарегистрировать температуру
некоторых реперных точек: сработал датчик из индия —
3,4 К, потерял сопротивление таллий — 2,4 К.
Тот же принцип заложен в дискретные датчики тока
или магнитного поля: в момент изменения проводимости
генерируется электрический сигнал. Если намотать про-
волоку "из тантала или манганина, луженного припоем
ПОС-40, то часть датчика, погруженная в гелий, потеря-
ет сопротивление. Индикаторы и указатели уровня жид-
кого гелия — это просто рейки со сверхпроводящей об-
моткой, вводимые в горловину криостата.
Можно усложнить задачи, возлагаемые на приборы со
сверхпроводящими датчиками: они должны измерять и
сравнивать характеристики среды, не просто равные кри-
тическим параметрам, а влияющие на эти параметры кос-
венно. Например, свинец может служить датчиком в ма-
нометрах вплоть до 160 атм, потому что критическая
температура свинца линейно снижается по мере роста
давления. Можно использовать и оловянные датчики:
при атмосферном давлении критическая температура оло-
ва 3,72 К, а при 12 000 атм — уже 3,20 К. В таких
двухступенчатых измерениях нужно измерять температу-
ру перехода и пересчитывать ее на давления.
К сверхпроводящим измерениям можно отнести трой-
ное преобразование параметров, в конце которого фикси-
руется переход датчика из одного в другое фазовое со-
стояние. И здесь нет принципиальных трудностей, кроме
точной градуировки функций связи. Например, темпера-
тура газов при взрыве зависит от их давления, а оно, в
свою очередь, влияет на температуру перехода сверхпро-
водящего датчика. Многоступенчатые связи редко
применяются из-за громоздкой градуировки датчиков
127
и весьма вероятного разбаланса измерительной схемы во
времени.
Чуть ли не самой популярной измерительной конст-
рукцией на сверхпроводниках долгое время считался
криотрон. Еще в 1935 г. В Мейсснер указал на возмож-
ность создания переключателей при изменении темпера-
туры или магнитного поля. Тогда же голландские ученые
продемонстрировали управляемый переход сверхпрово-
дящей проволоки в резистивное состояние.
Только через 21 год Д. Бак оживил старую идею, вы-
звав волну энтузиазма у нового поколения физиков,
специалистов-электронщиков. Бак предложил намотать
на танталовую проволоку несколько витков проволоки из
ниобия. Подавая в управляющую обмотку небольшой
ток, можно было маленьким полем (40 Гс, или 0,004 Т)
переводить тантал из одного состояния в другое. Тантал
оказался удобным материалом для переключателя: его
критическая температура (4,48 К) чуть выше темпера-
туры ванны с жидким гелием (4,20 К), так что большое
критическое поле при абсолютном нуле температур
(830 Гс, или 0,083 Т) существенно снижается в гелии и
потому легко достижимо. Кроме того, при переходе со-
противление датчика становится довольно большим (при-
мерно 0,4-10-8 Ом-м), и его просто контролировать.
На таких криотронных элементах можно выполнить
ячейки вычислительных машин. Из криотронов можно
собрать любую схему памяти или переключения. Два со-
стояния с нулевым и конечным сопротивлением естест-
венно отождествить с позициями нуль и единица в дво-
ичной системе. Можно различать два состояния, наводя
ток в сверхпроводящей петле в одну или другую сторону
или, что еще проще, сравнивая, есть ток в контуре
или нет.
Достоинство криоЭВМ — в малых потерях: в миллио-
не ячеек не выделится и ватта мощности. Может быть,
еще важнее чрезвычайная компактность. Бак говорил,
что возможны схемы с такой упаковкой ячеек, при ко-
торой плотность их размещения может быть выше, чем
клеток головного мозга, нейронов. Цифровую машину,
которая сегодня занимает комнату, можно было бы раз-
местить внутри теннисного мяча.
Но криотроны полезны не только для сложных с*;ем.
На проволочных криотронах харьковские физики постро-
или несколько приборов. Так, чтобы измерить обычными
128
методами малую индуктивность на переменном токе,
нужно повысить частоту рабочего тока. На сверхпровод-
никах измерения много проще, можно пользоваться по-
стоянным током. В параллельных соединениях токи раз-
ветвляются обратно пропорционально индуктивностям
сверхпроводников. В простом реле времени с криотрон-
ными элементами используется экспоненциальный закон
нарастания тока в индуктивностях. Такое реле удобно
применять для защиты, отключения любого сверхпрово-
дящего объекта от электромагнита до линии электропе-
редачи.
Но все же для криоЭВМ проволочные криотроны ока-
зались непригодными: они срабатывают недостаточно
быстро из-за большой собственной индуктивности. В вы-
числительных машинах на переключение триггеров, счи-
тывающих блоков и логических элементов требовалось
40—50 мкс, которые еще удваивались и утраивались из-
за переходных процессов в электрических цепях. Для
транзисторных ячеек обычных ЭВМ типичен диапазон
10—100 не, так что проволочные криотроны были забра-
кованы из-за медлительности срабатывания.
Но дальнейший путь развития был предопределен, по-
тому что криотронный принцип оставался в силе, хотя
форму проводников нужно было менять. Пленочная тех-
нология позволила разместить 100 элементов на площа-
ди 1 см2. При обычной толщине слоя 1 мкм и ширине
управляющей и вентильной пленок 40 и 400 мкм время
срабатывания криотронов снизилось до 100 не. При по-
мощи пленок, наносимых распылением в вакууме или
способом фотолитографии, удалось снизить запаздывание
благодаря взаимному влиянию токов в соседних слоях:
токи распределялись более равномерно, быстродействие
достигло того же уровня, что и в транзисторных цепях.
Теперь пленки пришлось перекрещивать или располагать
параллельно, разделяя тонким слоем окисной электро-
изоляции.
Превзойти параметры полупроводниковых схем долго
не удавалось. Ведь технология интегральных схем воз-
никла недавно, а для криоэлектронных приборов она ус-
ложнялась из-за необходимости учитывать требования
криогенного обеспечения: размещения каналов для хла-
дагента, достаточной толщины зазоров для надежного
теплоотвода. И все же по мере совершенствования ячеек
на пленочных криотронах они становятся более конку-
129
рентоспособными: при высоком быстродействии потери в
них снижаются до микроваттов.
В вычислительной технике необходима предельная
миниатюризация при малом потреблении мощности. Ог-
ромное количество элементов внутри ЭВМ превращает
их в крупномасштабные объекты. Начиная с порога 107
бит, сверхпроводящие компьютеры становятся экономи-
чески предпочтительнее обычных конструкций. А маши-
ны на 109 бит и больше выполнить без сверхпроводников
технически невозможно, потому что в схемах из тран-
зисторов и нормальных проводников будет выделяться
слишком много тепла.
Перечень криотронных конструкций все расширяется.
Криотроны с поперечно или продольно размещенными
полосками можно рассматривать как токовые усилители.
Конструкция с несколькими управляющими пленками
работает как логический элемент: два криотрона образу-
ют триггер, четыре — запоминающую схему. На криот-
ронах можно сделать кольцевые генераторы для блока
памяти, сдвигающие регистры, сумматоры, ячейки Кроу,
перенсторы, усилители постоянного напряжения, выпря-
мительные схемы. Даже беглое перечисление измерите-
лей на сверхпроводниках показывает их широкие
возможности, но это еще далеко не все.
НЕВИДИМЫЕ ТУННЕЛИ
В студенческие годы норвежец И. Гевер не был об-
разцом в учебе. По его собственным словам, он жил до-
статочно полнокровно, мастерски играл в бридж и бил-
лиард, хотя однажды едва не провалился на экзаменах
по физике и математике. Из-за нехватки жилья в Норве-
гии он перебрался в Канаду, потом в США, где в лабо-
ратории «Дженерал электрик» занялся туннельными экс-
периментами, результаты которых, по данным японца
Л. Эсаки из опытов с полупроводниками, могли стать
многообещающими. Так и случилось: в 1960 г. Гевер
опубликовал сенсационные сведения. Его опыты были
просты как по методике проведения, так и по истолкова-
нию. Но результаты покоряли, и в 1974 г. за цикл
соответствующих работ со сверхпроводниками он был
удостоен Нобелевской премии.
«Чтобы туннельный ток можно было заметить и из-
мерить,— вспоминал Гевер,— разделяющий промежуток
130
между металлами (электродами) не должен превышать
ста ангстрем. Мы попытались прокладывать между ме-
таллами разнообразные тонкие изоляторы, однако в та-
ких пленках неизбежно есть маленькие дырочки, и один
из электродов (ртутный) обычно закорачивал пленки».
Чтобы выйти из тупика, достаточно было напылять
«в вакууме полоску алюминия на стеклянную пластинку.
Затем эту пленку выносили на воздух, в результате чего
ее поверхность быстро окислялась». Сверху в вакууме
вновь наносилась уже поперечная пленка алюминия. Те-
перь ток через контакт вырастал линейно с напряжени-
ем, «при увеличении площади контакта ток увеличивал-
ся, при увеличении толщины окисла ток уменьшался».
Добавим, что можно к тому же складывать два массивных
металлических бруска через тонкий слой диэлектрика,
напыленный на один из них.
С парой нормальных металлов все получилось имен-
но так, как ожидалось. При переходе к контакту нор-
мального металла со сверхпроводником Гевер использо-
вал «уже известные слои алюминия и алюминиевого
окисла, но сверху нанес не алюминиевые, а свинцо-
вые полоски». В жидком гелии свинец потерял электри-
ческое сопротивление, но вольт-амперные характеристи-
ки оказались не линейными, как для тонкого зазора меж-
ду алюминиевыми полосками, а будто бы выгнулись
дугой. В сочетаниях образцов из нормального и сверхпро-
водящего металлов при повышении напряжения никако-
го тока сначала не будет. Однако при некотором конеч-
ном напряжении ток все же появится.
Бестоковое напряжение на контакте свидетельствует
о существовании энергетической щели, отделяющей нор-
мальные и сверхпроводящее состояния друг от друга
{величиной до 10_3эВ, что в тысячи раз выше энергии
корреляции изолированной куперовской пары!). На идее
о существовании энергетической щели построена микро-
скопическая теория сверхпроводимости. Саму величину
щели можно определить экспериментально, измеряя по-
глощение инфракрасных лучей в стенках полости. По
сравнению с электромагнитным излучением проникаю-
щая способность ультразвука гораздо выше: степень за-
тухания в толще металла зависит от величины щели. Еще
проще измерять щель в туннельных экспериментах, ис-
пользуя вольтметр (примерно 1 мкВ), что и было сдела-
но Гевером.
131
Как любая элементарная частица электрон имеет
двойную природу, корпускулйрно-волновую. Когда вол-
на-частица подлетает из толщи тела к границе, она не-
сколько выступает за нее, словно пробуя на ощупь пре-
делы зоны, разрешенной для пребывания. Если два ме-
таллических образца сблизить на 10~5см и меньше, то
через зазор электроны начнут туннелировать.
Электрическим током называется направленное дви-
жение электрических зарядов. Стало быть, между близ-
ко расположенными металлическими телами возникают
очень малые, но вполне реальные встречные токи, в сум-
ме дающие нулевой эффект. Другое дело, когда к изоля-
ционному барьеру прикладывается электрический на-
пор — разность потенциалов. Этот напор помогает одно-
му из электронных потоков пересилить другой: чем
выше напряжение, тем больше туннельный ток.
Сильно взаимодействующий «коллектив» сверхпрово-
дящих электронов отделяется энергетическим барьером
от соседних тел, охраняя свою целостность. Приходится
создавать внешнюю силу, чтобы внедрить в этот коллек-
тив электроны со стороны или вырвать куперовскую па-
ру, даже если при той процедуре пара распадется на
составляющие.
Если разделить маленьким зазором два сверхпрово-
дящих образца, то по мере повышения напряжения с за-
позданием возникнет токовый пик, который снизится и
вновь сменится окончательным подъемом, пока не до-
стигнет той прямой на вольт-амперной характеристике,
которая соответствует туннельному контакту обычных
металлов.
Интересная особенность хода кривой «ток — напряже-
ние» (участок отрицательного сопротивления) позволила
применить туннельные сверхпроводящие диоды для ра-
диотехнических целей, в частности для генерации высо-
кочастотных колебаний. Такие генераторы, например с
частотой 72 МГц, давно созданы и работают.
Еще более желанными стали туннельные контакты
для применения в ЭВМ. Быстродействие магнитных эле-
ментов невелико (10~5— 10-8с), транзисторы, особенно
криосары, и пленочные криотроны предпочтительнее
(меньше 10~~8с), но туннельные диоды оказались до поры
до времени вне конкуренции (Ю-9 с).
Когда англичанин Джозефсон (ставший лауреатом
Нобелевской премии в 1973 году, но за другую работу)
132
разобрался с природой образования туннельных токов
в контакте нормального и сверхпроводящего металлов,
он пришел к странным заключениям, явно противореча-
щим выводу о существовании энергетической щели, ко-
торый следовал из трактовки опытов Гевером. В контак-
те сверхпроводников, например, постоянный ток должен
был появиться сразу, как и в парах нормальных метал-
лов, при наличии напряжения. Но в то время эти сообра-
жения Джозефсона не были обнародованы, признаны и
подкреплены экспериментально, хотя позднее они легли
в основу важнейшего открытия. «Я стал просматривать
литературу,— говорит Джозефсон,— и увидел, что посто-
янный сверхпроводящий ток уже, возможно, наблюдал-
ся. Гевер знал про аналогичное явление, но приписал
увиденные им сверхпроводящие токи проводимости че-
рез металлические закоротки, пронизывающие барьерный
слой».
«Да,— соглашается Гевер в заочном осмыслении про-
исшедшего,— мы наблюдали этот эффект много раз, и
действительно невозможно не видеть этого тока. Однако
у меня уже было готовое объяснение этого явления —
сверхпроводящий ток шел через контакт по металличе-
ской закоротке или мостику. Все образцы, которые по-
казывали эффект Джозефсона, мы отбрасывали, как
имевшие закоротки. С тех пор меня часто спрашивали,—
продолжает Гевер,— не ругал ли я себя за то, что про-
глядел этот эффект. Я твердо отвечаю «нет». Чтобы сде-
лать экспериментальное открытие, мало наблюдать ка-
кой-то эффект. Нужно также понимать смысл и значение
этого наблюдения».
К этим словам можно добавить, что сами туннельные
эксперименты не так просты, как кажется. Только при
абсолютном нуле температур отсутствовали бы токи
вплоть до некоторого напряжения, но в жидком гелии
вольт-амперные характеристики и в бестоковой паузе
несколько размыты, что придавало дополнительную не-
определенность результатам опытов.
С тех пор экспериментами с туннельными токами за-
нимались многие. В 1965 г. снова Гевер зарегистрировал
джозефсоновское излучение из контакта, стимулировав
высокочастотными волнами из одной пары пленок по-
явление тока на другом, регистрирующем контакте, без
такой помощи не срабатывавшим. Тогда же группа аме-
риканских физиков смогла уловить излучение Джозефсо-
133
на, разместив сверхпроводящий контакт в полости
резонатора, который усиливал электромагнитные волны
той же частоты.
Харьковские ученые И. Янсон, В. Свистунов, И. Дми-
тренко также прославились сверхчувствительными за-
мерами высокочастотного излучения из щели между
сверхпроводниками. Но их публикация задержалась, так
что пришлось поделить лавры с американцами. С тех пор
советские физики плодотворно углубляли понимание ме-
ханизма туннельных токов, а несколько лет назад эта
проблема неожиданно получила развитие, позволяющее
создать новые, «теплые» технологии.
Оказалось, что история вредных, по Геверу, закороток
между электродами в тонком слое диэлектрика еще не
окоччнлась. Ее продолжил член-корреспондент АН СССР
Ю. Шарвин, который предложил использовать закоротки
как готовые проводники малого диаметра и малой дли-
ны. Однажды И. Янсон обратил внимание на вольт-ам-
перную характеристику непригодного закороченного кон-
такта геверовского типа, которая имела вид, типичный
для фононного спектра металла обычной электропровод-
ности. Вместе с И. Куликом ему удалось разработать
метод микроконтактной спектроскопии фононов.
Сверхпроводимость здесь совсем не нужна, и ее по-
давляют магнитным полем. Но охлаждение жидким ге-
лием все еще требуется. Ведь сильно охлажденный мик-
роконгакт при пропускании тока не греется, а падение
напряжения на нем становится чувствительным к рассея-
нию энергии фонолами — колебаниями кристаллической
решетки. Колебаниями фононными, присущими электро-
магнитному взаимодействию ионов металла с электрона-
ми. Словно удалось физическим стетоскопом прослушать
биение кристаллического сердца металла в спокойной
обстановке, свободной от теплового возбуждения. Будто
удалось нарисовать характерный для металла колеба-
тельный портрет.
ЭФФЕКТЫ ИМЕНИ ДИПЛОМНИКА
В 1962 г. Б. Джозефсон, ученик знаменитого профес-
сора А. Пиппарда из Кембриджа, предположил, что объ-
единение электронов в конденсат позволит куперовским
парам туннелировать через тонкий барьер. С тех пор
134
с помощью такого специфического сверхпроводящего тун-
нелирования удалось создать стандарты напряжений с
точностью, характерной для высокочувствительного ме-
тода спектроскопии. Измерено отношение заряда элект-
рона и постоянной Планка — это важно для уточнения
фундаментальных констант физики. И конечно, появи-
лись многие приборы: генераторы гармоник, детекторы
излучения, смесители частот, электронные термометры.
Суть первого эффекта Джозефсона сводится к тому,
что постоянный ток протекает через сверхпроводящий об-
разец без напряжения, даже если образец разделен по-
перечной щелью глубиной 10~~6м. Влияние электронного
облака с сильными внутренними связями распространя-
ется за пределы образца как раз на расстояния того же
порядка.
Если к зазору приложить магнитное поле, то по мере
его увеличения постоянный ток Джозефсона начнет ме-
няться скачками. Эта периодичность, как считают физи-
ки, зависит от длины волны туннельного тока, которая
по мере роста магнитного поля отличается от глубины
зазора в целое число раз. А при некотором поле ток в за-
зоре исчезает, разделившись на два встречных равных
электронных потока.
Второй эффект Джозефсона можно наблюдать при
подаче постоянного напряжения между сверхпроводни-
ками. Внезапно амперметр начинает фиксировать скачки
тока, а из щели излучаются электромагнитные волны вы-
сокой частоты (483,6 ГГц/мкВ). Постоянство парамет-
ров связано с такими константами микромира, как заряд
электрона и постоянная Планка. При росте напряжения
ток через контакт будет прирастать ступеньками, происхо-
ждение которых подобно усилению эха в резонирующем
канале, только электромагнитной, а не звуковой природы.
Микроконтакты Джозефсона оказались идеально
приспособленными к использованию в разных областях
криоэлектроники. Теоретики разобрались в физике соот-
ветствующих явлений, технологи смогли построить не-
дорогие пакеты ячеек, пользуясь известной технологией
получения тонких пленок: при размерах менее 0,01 мм2
время срабатывания джозефсоновских контактов, пред-
назначенных для криоЭВМ, уменьшилось до 30 пс. Во
многих лабораториях эти туннельные диоды помогают
измерять параметры электронов и их орбит, сверхмалые
магнитные поля и моменты.
135
Чтобы изготовить джозефсоновский контакт, напри-
мер для СЛАГа, сверхпроводящего малоиндуктивного
гальванометра, на очень тонкую ниобиевую проволоку
наносят каплю припоя олово — свинец. Сверхпроводящие
металлы (ниобий и припой) граничат между собой во
многих точках через слой изоляции, окиси на поверхнос-
ти проволоки. Если по проводу пропустить ток, подле-
жащий измерению, то второй ток, зависящий от величи-
ны первого, между проводом и периметром капли при-
поя несложно измерить.
С ЛАГ можно превратить в высокочувствительный
магнитометр, если ниобиевый провод свернуть в малень-
кое кольцо. По напряжению и току в местах слабой свя-
зи удается замерить магнитные поля в миллиардную до-
лю гаусса, что много меньше поля Земли (0,3—0,7 Гс).
Можно еще на два порядка поднять чувствительность с
помощью СКВИДов, квантовых интерферометров на
сверхпроводниках. Для этого тоже нужны слабые связи,
которые требуют контакта сверхпроводников через тон-
кий окисный слой (или через нормальный металл, или
через пленку того же сверхпроводника, или через пакет
из пленок нормального металла, или через точечную пло-
щадку плоскость — острие). В полость сверхпроводяще-
го цилиндра поле не проникает до тех пор, пока круго-
вые токи не разрушат сверхпроводящее состояние. Но
если колечко имеет слабую связь, то при очень малых
полях захваченный поток уже заставит работать такое
дефектное кольцо с контактом Джозефсона, и СКВИД
начнет генерировать электрические импульсы, соответст-
вующие ровно одному кванту магнитного поля каждый.
Эти напряжения можно усилить и выпрямить, получив
в итоге очень чуткий измеритель малых магнитных
полей.
СКВИДы уже несколько лет применяют для снятия
магнитокардиограмм. В комнате, тщательно экраниро-
ванной от посторонних магнитных полей, к левой сторо-
не груди пациента подносят металлический стержень,
внутри которого размещен сверхпроводящий датчик.
С его помощью можно получить идеальную кардиограм-
му, но не электрическую, а магнитную, отобразив с неви-
данной точностью мельчайшие импульсы, сопровождаю-
щие работу сердца.
Магнитометры на СКВИДах можно применять как
градиометры, регистрирующие ничтожно малые неодно-
136
родности магнитных полей (10-10Гс/см). Они уже по-
могли измерить предельно малую магнитную воспри-
имчивость белков. У ферромагнетиков и антиферромаг-
нетиков вблизи фазовых переходов второго рода маг-
нитные восприимчивости также оказались чрезвычайно
малыми по величине. СКВИДы помогут при поиске квар-
ков и гравитационных волн, при уточнении числа Аво-
гадро, при создании точнейших эталонов напряжений.
«В будущем применение джозефсоновских контактов,
для микроСКВИДов, например, станет еще более час-
тым,— считает А. Силвер из космической корпорации в
Лос-Анджелесе.— На таких ячейках можно будет по-
строить замечательные двоичные и аналоговые цепи,
пользуясь нелинейностью сверхпроводящих элементов,
что обеспечит беспрецедентные возможности развития
вычислительных машин».
Эти прогнозы почти стали реальностью. Всю эволю-
цию ЭВМ можно описать в двух словах. В 50-е годы гос-
подствовали ламповые схемы, в 60-е — полупроводнико-
вые, в 70-е — интегральные, а в 80-е появятся инте- ^
тральные на сверхпроводниках. И, как обычно, память
и быстродействие должны за десятилетие вырасти на
порядок.
Всемирно известная фирма ИБМ уже несколько лет
стремится построить компьютер на сверхпроводниках, с
которого начнется четвертое поколение ЭВМ. Охлаждае-
мая гелием машина объемом с апельсин сможет произ-
водить 250 млн. операций в секунду при памяти 64 млн.
бит. Чтобы достичь этих колоссальных по величине по-
казателей, нужно снизить время прохождения сигналов,
ускорить срабатывание переключателей джозефсонов-
ского типа, разделить память на быстрые часто работа-
ющие и медленные ячейки, работающие много реже, за-
то гораздо более компактные.
Пока компьютеры будут работать на электричестве,
требования миниатюрности, экономичности и быстро-
действия буквально заставят электронщиков стать спе-
циалистами по технической сверхпроводимости. Очевид-
но, все последующие поколения больших ЭВМ станут
работать на сверхпроводниках. Конечно, понадобятся
жидкий гелий, вакуум, теплоизоляционные оболочки, но
по сравнению с достоинствами криоЭВМ цена низкотем-
пературного обеспечения не кажется слишком большой.
1J7
МАГНИТНЫЕ КВАНТЫ
Чувствительность криоэлектронных приборов на джо-
зефсоновских контактах увеличилась настолько, что уда-
лось измерить самую маленькую величину магнитного
потока, его квант. Появилась возможность построить
приборы невиданной точности: абсолютные веберометры,
амперметры и вольтметры. Инженеры уже работают с
квантами, что позволяет лучше понять природу магнит-
ного поля.
Проблема квантуемости магнитных потоков весьма
интересна в познавательном смысле. Ведь уже давно в
естественных науках нашли отражение идеи древнегре-
ческих атомистов Левкиппа, Демокрита, Эпикура и Лук-
реция о зернистости материи. Хорошо известно, что вся-
кая субстанция делится на первокирпичики: молекулы,
атомы, кванты электрического заряда и кванты действия.
Уже известно о сложной структуре частиц, которые ког-
да-то считались элементарными, а путь познания все
более мелких составляющих материи будет, видимо, бес-
конечно долгим.
В технических целях квантуемость магнитного пото-
ка можно использовать по-разному, потому что она свя-
зана со многими свойствами сверхпроводников. Вот, на-
пример, трансформатор постоянного тока, в котором ис-
пользуется не длительная циркуляция наведенного тока
во вторичном контуре с нулевым электросопротивлением,
а факт существования квантуемых нитей магнитного по-
ля. Известно, что в пластину из сверхпроводника II рода
проникает внешнее магнитное поле, а под действием сил
Лоренца от транспортного тока флюксоиды будут дрей-
фовать поперек оси проводника. Если же напылить на
токонесущую пластину тонкую сверхпроводящую пленку,
позаботившись о слое электроизоляции между ними, то
дрейф флюксоидов станет причиной наведения во вторич-
ном контуре постоянной ЭДС. Мощность таких источни-
ков еще невелика, порядка нескольких микроватт. Но
теперь, когда работоспособность квантовых трансформа-
торов не вызывает сомнений, показатели можно улуч-
шить. Но как?
Идея о магнитных флюидах стара, как сама наука.
Еще родоначальник учения об электричестве и магнетиз-
ме Г. Гильберт (1600 г.) считал их самостоятельными
жидкостями. Того же мнения придерживались Ф. Эпи«
138
нус (1761 г.) и Г. Кавендиш (1771 г.). Комментируя ито-
ги своего опыта по определению сил взаимодействия кон-
цов длинных намагниченных спиц, Ш. Кулон (1784 г.)
писал: «Какова бы ни была причина магнитных явлений,
все эти явления могли бы быть истолкованы и подверг-
нуты анализу при посредстве допущения, что в стальных
пластинах или в их молекулах находятся две магнитные
жидкости, причем частицы каждой взаимнЪ отталкива-
ются пропорционально их плотности и обратно пропор-
ционально квадрату их расстояния и притягивают части-
цы другой жидкости в том же отношении». Говоря
словами Кулона, молекула магнитной жидкости есть
монополь, одиночный магнитный полюс.
Два равноценных закона Кулона, электрический и
магнитный, легли в основу соответственно электро- и
магнитостатики. Теория магнетизма считается формаль-
ной, но в науке широко используются предметные пред-
ставления о магнитных зарядах, их парах (диполях) и
моментах этих пар.
Равноправие электричества и магнетизма закреплено
в электрофизической лексике. Наряду с понятием «элек-
трический ток» (провод, потери, сопротивление, поле,
сила, энергия) используются подобные термины с при-
лагательным «магнитные». Известны электрические и
магнитные потенциалы, напряжения, напряженности.
Сохранился для магнитных цепей и закон Ома, приняв
вид формулы Гопкинсонов. Как для электрических, так
и для магнитных цепей справедливы законы Кирхгофа.
До начала XIX в. никто и не сомневался в реальности
и самостоятельности магнетизма. Единственным недо-
статком этой концепции было отсутствие носителей, ис-
точников магнитного поля. Электрические заряды можно
было выделить трением тел друг о друга, но магнитные
полюса себя обнаруживали только косвенно через поля,
порождаемые ими. В 1558 г. П. Марикур пытался найти
магнитные заряды (монополи), кроша магнит на части,
но как бы ни были малы кусочки, у них все равно обна-
руживались два полюса. Отсюда следовало одно из двух:
или монополей нет, или они малы и сильно скреплены, а
возможности людей недостаточны для отделения одного
монополя.
Пока пытались отыскать монополи, в XIX в. возник-
ло научное направление (Ампер, Роуланд), которое стро-
илось на отрицании самостоятельности магнетизма. Это
6*
139
мнение сегодня господствует, ибо силы магнитного про-
исхождения считаются электрическими: кулоновские си-
лы действуют радиально, а магнитные — касательно при
смещении электрических зарядов друг относительно
Друга.
Однако идеи о независимом существовании магнетиз-
ма продолжают жить. Исходя из эстетических мотивов
(красота — символ совершенства), П. Дирак в 1931 г.
указал на то, что классическая и квантовая электроди-
намики не отрицают возможности существования моно-
полей. Авторитет Дирака гарантировал, что магнитные
кванты могут быть реальностью. Ведь он успешно ввел в
обиход квантовые числа, вместе с Ферми построил но-
вую статистику, классифицировал частицы на бозоны и
фермионы, предсказал, что существуют частицы с отри-
цательной энергией (они ускоряются при уменьшении
энергии и замедляются при ее добавлении). А в 1932 г.
Дирак теоретически доказал, что должен существовать
положительный электрон (позитрон), что вскоре под-
твердилось на практике.
Если Дирак прав и магнитные поля действительно по-
рождаются монополями, которых мы еще не умеем оты-
скивать, то электромагнитный мир станет симметричным.
Электричество и магнетизм будут взаимно обратимы.
В уравнениях Максвелла появятся слагаемые, которые
отразят наличие истоков и стоков для магнитного поля,
существование магнитного тока. Можно будет целена-
правленно искать физические эффекты в магнитном ми-
ре, подобные явлениям электрическим. Два высокоэнер-
гичных фотона при столкновении превращаются в пару
электрон — позитрон, так нельзя ли ожидать рождения
пары разноименных монополей? Магнитные заряды мог-
ли бы срываться с поверхности магнитных проводников
(по аналогии с электронной эмиссией), передаваться в их
толще (словно электрические токи и тепловые потоки),
создавать магнитоплазменное состояние вещества.
Найдены даже ожидаемые показатели монополя.
Его заряд должен в 68,5 раза превышать заряд электро-
на (в гауссовой системе единиц измерений). Сила оттал-
кивания двух монополей в 4700 раз больше, чем электро-
нов на том же расстоянии. Монополь в 5500 раз легче
электрона. О монополях известно почти все, но они еще не
обнаружены. Сторонники существования монополей пред-
ставляют вещество как однородную смесь из маленьких
J40
магнитиков. Элементарные частицы имеют магнитные
моменты, а если по проводу пропустить электрический
ток, то вполне возможно, что смещение свободных элект-
ронов по каркасу из ионов кристаллической решетки
должно нарушить магнитное равновесие, как бы дефор-
мировав невидимую магнитную решетку. Может быть,
по этой причине провод с током создает вокруг себя маг-
нитное поле? Может быть, не ток создает магнитное
поле, а ток создает условия, при которых лолюса элемен-
тарных магнитиков могут себя проявить действием на
больших расстояниях? Именно так думали когда-то Био,
Лаплас и другие физики, стоявшие у истоков гипотезы
не о токовом (электронном), а о монопольном происхо-
ждении магнетизма.
Гипотеза о первичности магнетизма и вторичности
токов получила сильную поддержку в нашем веке. Еще
в 1930 г. академик В. Миткевич ратовал за физическую
реальность магнитного потока и его квантованность. Он
рассуждал так: квант электрического заряда известен—
это электрон. Вполне вероятно, что есть кванты време-
ни — пространства, а потому должен квантоваться ток,
стало быть, и пропорциональный ему магнитный поток.
Собственно, как впервые заметил академик М. Шу-
лейкин, квант действия, планковская постоянная, есть
элементарный момент количества движения. По второму
постулату Бора на орбите электрона должно укладыва-
ться целое число электронных волн. Стало быть, пло-
щади орбит, скорости и заряд электрона квантованы, а
потому должна квантоваться их комбинация — магнит-
ный момент. Для маленьких колец, в которых ток течет
очень близко от отверстия, можно пренебречь составля-
ющей потока, связанной с током, и тогда величина флюк-
сона (кванта магнитного потока) окажется равной част-
ному от деления постоянной Планка на заряд элек-
трона.
Когда Ф. Лондон в 1950 г. предположил, что в сверх-
проводниках такое квантование возможно и, видимо,
квантование определяет необычные свойства сверхпро-
водников, он нашел величину флюксона, исходя из рас-
чета магнитного поля кольца с током. После того как
возникло предположение о куперовских парах (оно лег-
ло в основу микроскопической теории сверхпроводимо-
сти Бардина—Купера—Шриффера), величину единичного
141
флюксона пришлось уменьшить вдвое, чтобы произ-
ведение флюксона и единичного носителя тока остава-
лось равным постоянной Планка.
Теория утверждала, что в отверстии площадью 1 мм2
один флюксон мог дать гТоле в2-10_5Гс. При очень низ-
ких температурах тепловые шумы отсутствуют, поэтому
экспериментальное обнаружение квантов магнитного по-
ля становилось реальным.
Гипотезу Лондона о квантах с поправкой на удвоение
носителей тока в сверхпроводнике вполне подтвердили
опыты, проведенные в Мюнхене и Стэнфорде в 1961 г.
Сначала Р. Долл и М. Небауэр напылили свинцовую
пленку шириной 0,6 мм на кварцевый»цилиндр и, подве-
сив его, навели в пленке незатухающий ток, после чего
методом качаний определили величину тока по силе его
взаимодействия с дополнительным магнитным полем.
Оказалось, что приращения тока в пленке кратны еди-
ничному флюксону.
Подобные опыты довольно длительны и ювелирно
тонки, поэтому неменьший интерес вызвали итоги при-
мерно такого же эксперимента Б. Дивера и В. Фэйрбен-
ка. Они «замораживали» поле в оловянной трубочке диа-
метром 13 мкм с толщиной стенки 1,5 мкм и длиной
0,9 мм, а затем, двигая трубочку вдоль ее оси, наводили
в миниатюрных катушках напряжение, по величине ко-
торого измеряли замороженное поле. И в этом опыте
можно было повысить поток внутри трубочки только сту-
пеньками, равными флюксону.
Опыты по квантованию магнитного поля напоминают
известные эксперименты Милликэна. Он высаживал
электрические заряды на масляные капельки и рассчиты-
вал величину этих зарядов по силам, которые действова-
ли на них в электрическом поле. Кванты магнитного по-
ля тоже определяются по силам, из которых меньшая
соответствует магнитному кванту. Так работа со сверх-
проводниками позволила подтвердить на опыте предпо-
ложение о спаривании электронов, что раньше было из-
вестно лишь теоретически.
Сегодня квантование магнитного потока подтвержде-
но многими опытами и уже используется в серийных
криоэлектронных измерителях. Для увеличения точно-
сти измерений следует фиксировать магнитный момент
полых колец или трубок с наименьшей площадью потоко-
сцепления. Оказывается, что флюксоид (поток, захвачен-
142
ный дыркой) всегда кратен величине 2,05» 10~15Вб, кото-
рая принята за флюксон, квант потока.
Квант электрического заряда, электрон, создает
электрическое поле вокруг себя, поток которого точно ра-
вен заряду электрона, а потому электрическое поле тоже
можно считать квантуемым. И наоборот, квантование
магнитного поля должно автоматически означать кван-
тование магнитного заряда, если такой заряд суще-
ствует.
Однозначная связь между квантованием магнитного
поля и квантованием магнитных зарядов все еще под
вопросом. Так, академик Миткевич допускал квантова-
ние магнитного потока, а наличие монополей отрицал
вовсе. «Магнитная масса, считавшаяся некогда подлинно
физической реальностью, в настоящее время рассматри-
вается лишь как некоторая фикция, имеющая чисто вспо-
могательный характер при математическом изучении
свойств магнитного поля»,— писал он в 1933 г. Совер-
шенно в другом ключе в 1961 г. высказался известный
электрофизик Г. Джексон из Иллинойсского университе-
та в США: «Свободных магнитных зарядов не существу-
ет, но реально действующим объектом является магнит-
ный диполь». Еще более определенную позицию актив-
ного ожидания занял Ч. Киттель из Калифорнийского
университета (1965 г.): «Магнитные монополи или сво-
бодные магнитные полюса никогда (до настоящего вре-
мени) не наблюдались экспериментально, но это не оз-
начает их безусловного отсутствия».
Не удивительно, что именно из этого университета
прозвучала весть о регистрации следов монополя.
В 1973 г. профессора Прайс и Ширк из Калифорний-
ского университета и профессора Осборн и Пинский из
Хьюстонского университета подняли стратостат с детек-
тором космических лучей, на котором за три дня по-
явились следы 75 тяжелых космических частиц. После
спуска разобрали пластины детектора, проявили фото-
пленки и ядерную эмульсию, протравили кислотой плас-
тиковые прослойки и изучили следы частиц, на что по-
требовалось 2 года. Ассистенты В. Вагнер и Д. Тигью
первыми заметили, что одна из частиц прошила наск-
возь все 33 слоя пластика с ядерной эмульсией и фото-
пленками. Энергия неизвестной частицы достигала
200 млрд. эВ — вдвое больше энергии частиц, получаемой
на земных ускорителях. Масса в 200 раз больше, чем
ИЗ
у протона. Заряд — в 137 раз больше, чем у электрона.
Скорость — половина световой. Именно эту частицу ре-
шили отождествить с давно ожидаемым монополем. Од-
нако и здесь оказалось, что это был сгусток тяжелых
частиц...
И все же, если монополи когда-нибудь найдут, то их
технические приложения будут неожиданны и разнооб-
разны. В зависимости от концентрации, проникающей
способности и скорости монополи смогут уничтожать ра-
ковые опухоли и делать отверстия в алмазах. Размещая
монополи на океанских лайнерах, можно будет без обыч-
ной установки водить суда в магнитном поле Земли, ма-
нипулируя расположением и количеством монополей.
Напрашивается изобретение самолета без турбин и вин-
тов: магнитоплан не будет нуждаться в опоре на воздух,
потому ему не нужны и крылья. Он сможет поднимать-
ся в магнитном поле Земли вертикально вверх и со сколь
угодно малой скоростью выводить в космос грузы и пас-
сажиров. Но в космосе магнитная тяга исчезнет, ибо
достаточные магнитные поля, которые должны эксплуа-
тироваться, есть только у планет, да и то не у всех.
Примерно в 100 раз эффективнее станут линейные
ускорители, так как освоенные людьми магнитные поля
(107 А/и) именно во столько раз сильнее могут действо-
вать на монополи, чем электрические поля (108 В/м) —
на электроны. Кольцевые ускорители (движение элект-
ронов в магнитном поле или монополей в электрическом
поле) должны быть примерно равноценны.
В пользу того, что монополи могут быть открыты, го-
ворят два соображения: желательность симметрии элект-
ромагнетизма и наличие квантов магнитного потока. Ар-
гументов против больше. Во-первых, диамагнетики вы-
талкиваются из магнитных полей. Палочка висмута,
склянка с водой или углекислотой, пламя свечи — все
они стремятся отодвинуться от полюсов магнита. Это
означает, что вблизи полюса магнита возникает полюс
того же знака в веществе. Если бы магнитные свойства
тел зависели от наличия пар монополей, то к полюсу
магнита устремлялись бы монополи обратного знака, и
все вещества всегда бы притягивались к магниту. Дру-
гими словами, сам факт существования диамагнитных
тел, отталкиваемых магнитами, противоречит концепции
монополей. Если диамагнетики все же построены из мо-
144
нополей, то их поведение в магнитном поле по каким-то
причинам стало обратным ожидаемому.
Второй довод против существования монополей свя-
зан с простым соображением: если все магнитные явле-
ния можно объяснить движением электрических заря-
дов, то незачем привлекать дополнительные сущности.
Наконец, третий довод относится к математическому,
а не физическому содержанию магнитных показателей.
Магнетизм всего лишь удобен для формального описания
взаимодействия токов, то есть движущихся электричес-
ких зарядов. Вполне возможно выразить все закономер-
ности взаимодействия токов, не привлекая магнитных
терминов. Да и в уравнениях Максвелла без монополей
удалось обойтись, потому что линии магнитного поля
изображаются кольцами, замкнутыми сами на себя. Но
одновременно с отрицанием монополей невольно стано-
вишься противником существования магнитного поля:
как же оно может существовать без источников? Откуда
оно берется, куда оно исчезает при изменении скоростей
зарядов? Да и наличие скоростей относительно: пока на-
блюдатель неподвижен относительно электрического за-
ряда, магнитного поля нет; как только наблюдатель сме-
стится, вокруг заряда (хотя его состояние неизменно)
возникнут магнитные вихри.
И все же сверхпроводники помогли выжить концеп-
ции монополей. Конечно, история их поисков еще далеко
не окончена. Ведь если квантуется магнитное поле (о чем
свидетельствуют результаты экспериментов со сверх-
проводниками) и электрический заряд (его квант равен
заряду электрона), то неминуемо должна квантоваться
комбинация расстояние — скорость, через которую выра-
жается магнитный поток. Стало быть, взаимное распо-
ложение наблюдателя и движущегося заряда не может
быть произвольным. Видимо, физика чуть ли не вплот-
ную подошла к квантам пространства — времени. Их от-
крытие без сверхпроводников вряд ли произойдет, пото-
му что в криоэлектронных устройствах это квантование
уже используется в практических целях.
Глава четвертая
СВЕРХЭНЕРГЕТИКА БУДУЩЕГО
ИДЕАЛЬНЫЕ КАБЕЛИ
Сверхпроводники помогут вырабатывать тепло (тер-
моядерные реакторы) и электричество (синхронные и
магнитогидродинамические генераторы). Многие потре-
бители получат оборудование более мощное, компактное,
технически совершенное. Возможности промышленности,
транспорта, науки возрастут. Это неплохо, но нельзя ли
с помощью сверхпроводников улучшить не только техни-
ческие показатели электрооборудования, но и экономи-
ческие показатели энергетики в целом?
Сейчас четвертая часть топлив сжигается для выра-
ботки электричества, а к 2000 г. на эти цели будет затра-
чена половина химических энергоресурсов. И это понят-
но. Электроэнергию удобно вырабатывать, передавать,
распределять, использовать, превращая в другие виды
энергии. Крупные электростанции экономичнее мелких,
и централизованное электроснабжение безусловно вы-
годнее автономного. Вот почему суша покрыта густой
сетью линий электропередачи. Множество воздушных и
кабельных линий образует разветвленные системы, а уз-
лами служат электростанции, подстанции, крупные заво-
ды. Эти сети растут, связывая разные районы страны,
гарантируя подачу электричества при аварийных отклю-
чениях каких-либо станций и линий.
В нашей стране в недалеком будущем длина линий
электропередачи (напряжением 35 кВ и выше) достиг-
нет миллиона километров. Много ли это? Уже в 5 раз
больше, чем железных дорог. Чтобы представить густоту
электрической паутины, можно условно расчертить всю
территорию страны на 10 тыс. квадратиков перекрещи-
вающимися линиями север — юг и восток — запад с ша-
гом примерно 50 км. На деле распределение сетей не так
равномерно, но в целом картина правдоподобна. Не уди-
вительно, что в столь длинных сетях теряется энергии на
3—4 млрд. руб в год. Как же случилось, что линии ока-
зались самым убыточным звеном электроэнергетики?
Задачи линейщиков относительно просты: передать
с минимальными потерями электроэнергию от станций
146
к потребителям. Но, увы, линии — главный источник по-
терь электричества. В них теряется десятая часть выра-
ботанной электроэнергии. С потерями борются, отключая
ненагруженные и включая дополнительные линии в по-
мощь перегруженным, регулируя напряжения, компен-
сируя реактивные токи. Но главный источник потерь,
омические сопротивления проводов, остается. До появле-
ния сверхпроводников было нереально думать о полном
устранении джоулевых потерь.
Много лет назад вообще не было проблемы в том,
как передать электричество на расстояние. Франклин и
Ломоносов отводили электрические заряды из облаков
воздушным змеем по смоченной веревке. Но уже в
1792 г., повторив опыты Гальвани, Вольта четко сформу-
лировал, что «металлы — это прекрасные проводники,
они предоставляют легчайший путь прохождению элект-
рического тока». Сверхпроводники — тоже металлы, с их
помощью продолжается создание проводниковых линий
электропередачи.
История этих линий укладывается в полтора века.
В 1832 г. барон П. Шиллинг предложил строить воздуш-
ные линии для передачи телеграмм. Когда в 80-х годах
прошлого века для освещения домов начали сооружать
мощные для того времени электростанции, для передачи
токов проще всего было приспособить существовавшие
телеграфные линии, многократно увеличив сечение про-
водов.
Воздушные линии вполне отвечали нуждам электро-
снабжения прошлого века. Но уже при появлении первых
линий электропередачи Якоби, Фонтэна, Пироцкого, Деп-
ре, Мюллера пришлось безотлагательно решать острую
проблему (а сегодня она стала много актуальнее) сниже-
ния активных сопротивлений проводов, потому что на
них терялось слишком много энергии. Знаменитые элек-
тротехники того времени, такие, как Маскар, Айртон,
Хвольсон, Чиколев, Лачинов, предложили снижать силу
тока, одновременно повышая рабочие напряжения. Эта
идея легла в основу высоковольтной электроэнергетики,
которая развивается до сих пор.
Штабс-капитан Ф. Пироцкий решил снизить сопротив-
ление увеличением сечения провода. «Способ передачи
электрических сил по рельсам и другим проводникам»
был продемонстрирован на участках длиной 20 м, потом
в 1 и 3,5 версты. Но этот способ сегодня интересен только
147
исторически, потому что увеличение расхода проводника
менее выгодно, чем рост напряжения.
С 1882 по 1885 г. неутомимый энтузиаст высоковольт-
ной электропередачи М. Депре построил четыре линии
длиной от 15 до 60 км около Мюнхена, Парижа, Греноб-
ля, Неля. Любопытно, что линия Депре—Мюллера дли-
ной 57 км постоянного тока от Мисбаха до Мюнхена ра-
ботала очень неэкономично, в ней терялось в 4 раза боль-
ше энергии, чем доходило к потребителю, а напряжение
по длине линии падало почти вдвое. Скептики, возражав-
шие против такого способа передачи электроэнергии, тор-
жествовали. Ведь за пару лет до этого идея проводной
электропередачи была отвергнута как фантастическая.
Один из современников писал: «Я прекрасно помню рез-
кие дебаты, вызванные этим предложением, на которое
взглянули, как на неуместную в техническом собрании
утопию». Нелишне напомнить этот исторический курьез
сегодня, когда сверхпроводящие ЛЭП только начинают
разрабатываться, причем куда с более высокими показа-
телями, чем первенец Депре, но, как и он, иногда име-
нуются фантастическими выдумками.
В 1891 г. русский инженер М. О. Доливо-Доброволь-
ский резко увеличил КПД электропередачи, переведя ее с
постоянного на переменный ток и снизив потери на длине
175 км до пятой части от всей переданной мощности. Все-
го 200 кВт, скромная по сегодняшним масштабам цифра,
было передано на выставку во Франкфурте-на-Майне,
но когда зажглось 1060 лампочек и загудел мотор в
100 л. с, посетители выставки уверовали в воздушные
ЛЭП, которые донесли до них мощь далекого Лауфен-
ского водопада. И по сегодняшним меркам эта линия не-
плоха: при токе 200 А напряжение в 8,5 кВ снижалось на
приемном конце всего лишь на 1 кВ.
Параллельно с воздушными линиями электропереда-
чи развивались кабельные линии, причем по той же схе-
ме: от роста сечения к увеличению напряжения передачи.
В 1827 г. Генри обмотал провод шелком, создав тем са-
мым прообраз сегодняшнего кабеля, где медная жила
спеленута толстым слоем электроизоляции из промаслен-
ной бумаги, пластмассы или резины. Через 55 лет на дно
океана лег первый кабель для телеграфной связи между
Англией и Америкой, и почти в те же годы Эдисон спря-
тал силовую электропроводку под землю. Медные жилы
стали закутывать в гуттаперчу, потом в джут с пропит-
кой битумом и, наконец, постепенно освоили изоляцию
из бумажных лент в масле.
И сегодня набор средств для передачи электричества
столь же бесхитростен, как век назад: голые или изоли-
рованные провода. В жилах кабелей дефицитная медь за-
меняется алюминием, оболочки кабелей вместо свинца
теперь выполняют из стальных или алюминиевых гибких
трубок. Голые провода воздушных линий приходится под-
вешивать к изоляторам на высоких опорах. Кабели мож-
но зарывать в землю, крепить к стенам или прокладывать
в специальных коллекторах. Однако электроизоляция
кабельных жил дорога, на нее приходится почти та же
стоимость, что и на проводники.
При работе кабелей жилы под током греются, а элект-
роизоляция затрудняет отвод тепла. Чтобы избежать пе-
регрева, рабочие плотности тока снижают. В переменных
электрических полях и в самой электроизоляции рассеи-
вается энергия. Из-за повышенного расхода материалов
и потерь в них кабельные линии оказываются в 5—10
раз дороже воздушных. Ведь воздух служит не только
прекрасным ничего не стоящим диэлектриком, но и хлад-
агентом, отбирающим выделившееся в проводах тепло.
До сих пор казалось очевидным, что при любой возмож-
ности нужно применять воздушные линии, но постепенно
это мнение начинает оспариваться.
Воздушные линии дешевы, но... Подвержены авариям
по метеорологическим причинам, раскачиванию (пляске),
оледенению и обрыву проводов, падению опор. В них
бьют молнии, они мешают строительству, транспорту, ра-
диосвязи, портят ландшафт, вредят флоре, фауне и чело-
веку. Уже разработан широкий реестр защитных мер про-
тив вредного действия электрических полей ЛЭП. Элект-
ромагнитные излучения от воздушных линий электропе-
редачи, как недавно установлено, влияют даже на маг-
нитосферу Земли.
Тонкий поверхностный слой планеты, занятый жизнью
(биосфера), насыщен воздушными линиями электропере-
дачи, проводными линиями связи, подводными и подзем-
ными кабелями. Но ресурсы этого слоя оказались огра-
ниченными. В сферу действия обнаженных проводов воз-
душных ЛЭП включено все окружающее пространство,
зато в кабелях электромагнитные поля ограничены габа-
ритами защитного экрана. Проводники кабелей нагре-
ваются сильнее, чем провода на воздухе, но кабели ком-
148
149
пактнее. При включении под напряжение кабели потреб-
ляют большие зарядные токи.
Еще одна разновидность линейных устройств — шино-
проводы, те же воздушные ЛЭП, но с негибкими провода-
ми. Часто приходится прокладывать параллельно неско-
лько шин, рассчитанных на большие токи. Токи соседних
шин создают дополнительные потери напряжения, поро-
ждают силы, которые могут деформировать шинные па-
кеты. Поля токов могут намагнитить часы рабочего, иска-
зить показания близко расположенных приборов и даже
помешать технологическому процессу (искривив, напри-
мер, зеркало расплавленного алюминия в электролизере).
От недостатков традиционных линейных устройств
до сих пор пытаются избавиться малыми средствами, со-
вершенствуя опоры, расщепляя провода, сближая проти-
воположные фазы соседних цепей, присоединяя к линиям
специальные машины (синхронные компенсаторы, бата-
реи конденсаторов, вольтодобавочные трансформаторы).
В итоге некогда простые линии постепенно превраща-
ются в сложные многоступенчатые агрегаты. Подходит
время, когда модернизация линий, их частичное усовер-
шенствование становятся недостаточными. Наступает
час, когда старые линии с новыми пристройками должны
уступить место поистине новым линейным конструкциям.
Первые проекты сверхпроводящих кабелей в нашей
стране относятся к 1932 г. Через три года появились
патенты, которые еще не могли воплотиться в жизнь, но
уже заставляли думать в нужном направлении. Эти пред-
ложения обогнали развитие техники, ведь в те годы не
было сверхпроводников, мощных рефрижераторов, тепло-
изоляции. Но первые, еще наивные изобретения создали
идейную базу для дальнейших работ, продолженных в
конце 50-х годов.
В те годы начали создаваться первые моторчики,
соленоиды, подшипники на сверхпроводниках. В 1960 г.,
заглядывая в будущее, Т. Буххольд из «Дженерал Элек-
трик» высказал предположение, что открытие сверхпро-
водников с критическими температурами 30—80 К по-
зволит создать великолепные сверхпроводящие кабели
с коаксиально расположенными проводниками, охлаждае-
мыми уже не гелием, а жидкими водородом или азотом.
По концам линии автор предложил ставить трансфор-
маторы с одной сверхпроводящей обмоткой, что позво-
лит заключить кабель в термически замкнутый объем.
150
Идея создания сверхпроводящих кабелей укреплялась
в острой научной борьбе. Так, скептически отнесся к та-
ким устройствам Дж. Бремер. По его мнению, такие
кабели могут быть очень мощными, они нужны, но все же
затраты на низкотемпературное обеспечение перевесят
экономию в джоулевых потерях. Через несколько лет
с критическими замечаниями о будущем линий на сверх-
проводниках выступили некоторые советские ученые. До-
рого строить, дорого обслуживать — вот почему линей-
ные приложения криогенной техники не заслужили, по
их мнению, оптимистической оценки. Но все же подобные
мнения были единичны.
Пожалуй, первым провел не только качественный, но
и количественный анализ перспективности сверхпрово-
дящего электрооборудования американец Р. Мак-Фи.
По его предложению, коаксиальный кабель должен
быть выполнен из свинцовых труб, охлаждаемых гели-
ем. При диаметре 6 см такой кабель может пропустить
ток 3 кА при напряжении 200 кВ, а затраты мощности
на рефрижераторы не должны превышать 1% от переда-
ваемой мощности. Мало того, разбивка фазных провод-
ников на 20 чередующихся коаксиальных труб позво-
лит повысить передаваемую мощность до невиданной
для кабелей обычного типа цифры—1200 МВт — при
тех же затратах на охлаждение.
Это первое проектное предложение было хорошо
обосновано. При выходе из строя одного из рефриже-
раторов, распределенных вдоль линии, следовало вклю-
чить резервную машину. Криогенное оборудование еще
недостаточно надежно, поэтому соответствующие зат-
раты приходилось удваивать. Зато возможности сверх-
проводников казались неисчерпаемыми. Если свинец
заменить на станнид ниобия, то передаваемый ток мож-
но увеличить до 600 кА. При весьма умеренном напря-
жении между коаксиальными проводниками в 200 кВ
мощность одной линии становилась равной пиковой
мощности всех электростанций США.
Расчетные оценки Мак-Фи поддержали многие. Так,
известный теоретик А.Пиппард был уверен, что свехпро-
водящий кабель предпочтительнее воздушной ЛЭП,
проходящей по густонаселенной местности, даже если
установить рефрижераторы через каждую милю. В се-
рьезной дискуссии приняли участие многие ученые: по
Г. Вильсону, сверхпроводящий кабель на 11 ГВт станет
151
почти соизмерим по стоимости с воздушной ЛЭП; П. Ро-
удс оценил затраты мощности на охлаждение сверхпро-
водящего кабеля напряжением 275 кВ и мощностью
500 МВт в четвертую часть потерь для обычного кабеля.
Работы по сверхпроводящим ЛЭП начались.
Сейчас во всем мире число изобретений, относящих-
ся к линиям электропередачи на сверхпроводниках,
Перевалило за три тысячи. Если уж довольно долго ве-
дутся поиски новых источников энергии, новых спосо-
бов ее производства, то, очевидно, надо подумать о столь
же революционной перестройке электропередачи. В этом
смысле, пожалуй, наиболее перспективно использование
явления сверхпроводимости, потому что это единственная
на сегодня новая идея устройства линий разного назна-
чения.
Половина всех изобретений относится к конструкции
сверхпроводящих жил. В 1968 г. Ж- Ройе предложил
впрессовывать сверхпроводящие нити в медную матрицу,
внутри прокачивать жидкий гелий, а шину заключать в
дюралевую оболочку. Всего на 44 дня опоздали амери-
канцы Р. Гарвин и Г. Брехна, но они заменили медь по-
ристой матрицей из смолы или спеченной металличес-
кой пудры, через которую просачивается гелий. В одном
из японских патентов паз внутри медной шины замазы-
вается пастой, потом шина прогревается и волочится:
связующее вещество выгорает, а порошок из сверх-
проводящего материала остается. Столь же необычно
японцы отделяют сверхпроводящий материал от шла-
ков нормальных металлов: общий расплав льется меж-
ду полюсами магнита, и магнитное доле сепарирует
смесь, разбивая струю на дольки. Англичанам для сво-
его сверхпроводящего кабеля понадобилась шина из ме-
ди со стенкой толщиной 1,5 мм, причем внутреннюю по-
верхность трубы надо было выстлать слоем из сплава
ниобия с цирконием толщиной 30—50 мкм, потом нане-
сти и тщательно отполировать слой из ниобия толщиной
10 мкм. Вместо того чтобы приспосабливать технологию
под дырку, Тэйлор и Грам-Барбер в 1971 г. предложили
полировать пластину, которая потом сворачивается и
сваривается по винтовой или цилиндрической образу-
ющей. На том же элементарном уровне решены вопросы
стыковки сверхпроводников: Бидо, Досдэ и Пароти во
Франции рекомендуют наискось срезать кромки прово-
дов, сжимать их и нагревать в нейтральной атмосфере
152
азота или аргона. По одному из патентов Швейцарии
от 1969 г. стыки попросту расплавляют электронным пу-
чком, а по французскому патенту вкладывают зачищен-
ные и залуженные индием концы сверхпроводящих
проводов в ниобиевую или медную трубку с последую-
щим обжатием.
Чего только нет в заявках: здесь и впрессовка в ши-
ну стальных скоб для прочности, и намотка сверхпрово-
дящего провода на медную полоску с последующим
расплющиванием, волочением и закручиванием. Сверх-
проводники наносят на медную или алюминиевую осно-
ву стрельбой из электронной пушки, электролитичес-
ким осаждением или просто горячим прижатием листа
к листу, получая двух-трехслойные пакеты. Появились
композиции из разных металлов, податливые смеси прон-
зают стальной армировкой, запрессовывают жидкие ме-
таллы в поры стеклянных нитей, свивают сверхпроводя-
щие нити в жгуты.
Целая серия патентов посвящена охлаждению сверх-
проводящих жил: гелиевый поток разбивается на части;
лшдкий гелий течет по кабелю, постепенно выкипая, а
пары отводятся в специальную трубу; вдоль кабеля
продавливается холодный газ под давлением; в кабель
встраиваются вентили, стравливающие газ из полости в
полость. Один из самых ценных американских патен-
тов выглядит очень просто: в полости течет не гелий, а
смесь жидкого и твердого водорода. Это изобретение,
поданное в 1969 г., существенно опережало свое время,
так как было рассчитано на сверхпроводники с такими
высокими критическими температурами, которые еще не
были достигнуты. В конце 1964 г. А. Сил вер получил па-
тент на необычайное предложение: в кабель подается
сверхтекучий гелий. Достаточно подогреть, например,
правый конец пористой пробки из керамики или спечен-
ного порошка, чтобы гелий-П начал перетекать слева
направо, создавая напор вдоль линии.
Но особенно интересные изобретения относятся к
кабелю в целом. Приз на самую логичную конструкцию
можно было бы выдать П.Грано: металлические трубы
распираются керамическими палочками. Красиво, тех-
нологично, дешево, к тому же вакуум и керамика хоро-
шо электроизолируют и теплоизолируют внутреннюю
трубу от внешней. Оригинальные компоновки принад-
лежат сотрудникам фирмы «Сименс» из ФРГ. В конст-
153
рукции типа «длинная кастрюля» удалось избежать тру-
дностей при размещении труб в трубах, так как трубы
закладываются сверху, а потом прикрываются крыш-
кой.
Гипнотизирует странная система, похожая на удли-
ненную матрешку из-за трубчатых разборных вклады-
шей: такую конструкцию удобно собирать в полевых
условиях. Но титул королевы криоЛЭП можно прису-
дить линии, предложенной Р.Гарвиным из «Галф Дже-
нерал атомик инкорпорейтед» (1963 г.). В бетонном
блоке с вакуумной полостью размещены три трубы и
две сверхпроводящие жилы, по которым при напряже-
нии ±100 кВ передается ток 500 кА на тысячу километ-
ров. Еще не построено ни одной сверхпроводящей ЛЭП,
но многие идеи, содержащиеся в сотнях патентов, вопло-
тятся в сталь и бетон. Надо только подождать.
На пути конструирования таких линий встретилась,
пожалуй, всего одна .по-настоящему кризисная пробле-
ма, когда серьезному сомнению подвергалась возмож-
ность передачи жидкого гелия на большие расстояния.
Ведь жидкий гелий легко кипит, поэтому, постепенно
двигаясь вдоль труб, он будет вбирать в себя тепло,
проникающее извне сквозь теплоизоляцию стенок, рас-
ширяться и превращаться в пар. Однако советским, аме-
риканским и английским ученым удалось показать, что
по хорошо теплоизолированной трубе при разумных на-
порах все же можно передать на сотни километров по-
токи холодного гелия, необходимые для охлаждения
сверхпроводников.
Сверхпроводящий кабель вполне правомерно рас-
сматривать как симбиоз трех каналов, проложенных
параллельно и мирно сосуществующих друг с другом:
канала сверхпроводящего, по которому текут токи боль-
шой силы; канала криогенного, по которому продавли-
вается холодный газ, поддерживающий температуру
сверхпроводящих жил в нужных пределах, и канала
вакуумного, поддерживающего чрезвычайно большие
разрежения в слоях теплоизоляции для эффективного
преграждения пути теплового потока из зон нормальных
температур.
Основная трудность при создании криогенного ка-
беля — обеспечение низких температур по всей длине.
От надежности работы систем криообеспечения будет
однозначно зависеть будущее линейных конструкций.
154
Вот почему, словно из рога изобилия, одна за другой
сыпались работы, посвященные схемам организации по-
токов гелия, их дублированию, расщеплению и поворо-
ту в обратную сторону.
Некоторые авторы допускали кипение гелия по пу-
ти следования. В ФРГ предложили использовать трубу
большого диаметра, в которой кипящий гелий имел бы
свободную поверхность, а образовавшийся пар отсасы-
вался бы в другую трубу и перекачивался к ближайше-
му рефрижератору для повторного сжатия и ожижения.
Проекты трубопроводов для эфемерных жидкостей со
временем становились то изощреннее, то ближе к требо-
ваниям практики. Хладагенты изолировались от зоны
атмосферных температур слоями вакуума с встроенны-
ми отражающими пленками, числом до сотни на 1 см
толщины. В теплоизоляцию встраивался экран с проме-
жуточной температурой, достигаемой то охлаждением
жидким азотом, то отбором части гелия от основного
потока.
Ко всему прочему гелиепровод сжимается при охла-
ждении, значит, нужны компенсаторы этого сжатия.
Обязательно надо гарантировать герметичность много-
численных полостей, соседствующих по длине кабеля,
чтобы вакуум не портился притоками других газов и
чтобы азотные и гелиевые полости не вступали в неже-
лательный контакт. Важно научиться перевозить сек-
ции кабеля, точно стыковать их, сделать способными
противостоять возможным ударам и волнам гидравли-
ческим, тепловым, электрическим.
Одновременно с трубопроводами тока, гелия и ва-
куума пришлось заняться рефрижераторами. До тех пор
нужда в холодильных машинах диктовалась запросами
физиков для относительно малоемких экспериментов.
Ориентация на массовое внедрение сверхпроводящих
устройств вызвала потребность в создании мощных реф-
рижераторов большой производительности. До сих пор
ожижители работали непрерывно не больше нескольких
суток, а их ремонт превращался в священнодействие.
Сейчас, когда создание сверхпроводящего оборудования
привело к бурному развитию криогенной техники, рефри-
жераторы стали мощнее и надежнее, они могут работать
без остановки около года. Срок непрерывной службы
надо бы повысить еще больше, до 3—5 лет, но пока этого
нет, в проектах учитывается установка одного или не-
155
скольких дополнительных рефрижераторов, которые под-
меняют машины, выводимые в текущий ремонт. Нужно
сказать, что при этом общие затраты вырастут не очень
сильно.
Оценивая существующие криогенные, электрические,
механические, измерительные проблемы, которые придет-
ся решать при создании сверхпроводящих линий, снова
и снова задумываешься над сложностью этих конструк-
ций. Разумно ли тратить силы на столь непростые изде-
лия? «Конечно, самолет сложнее телеги»,— отвечают
сторонники новых ЛЭП. «Уж очень сложно»,— сетуют их
противники.
Не удивительно, что крен в сторону разработки крио-
генных кабелей оживил исследования других, некриоген-
ных линейных устройств. Неожиданно выяснилось, что
обычные кабели с бумажно-масляной изоляцией при не-
котором усовершенствовании смогут передавать настоль-
ко большие мощности, что запросы энергетиков еще на
20—30 лет вперед вполне можно удовлетворить. Очень
хорошо смотрятся кабели с так называемыми электро-
отрицательными газами (азот, фреон, элегаз), примене-
ние которых позволит поднять напряжения кабелей до
700 кВ и более. Японцы предлагают подвешивать по 4—6
термостойких алюминиевых проводов сечением по 810
или 1520 мм2 на одну фазу воздушной линии: токи мож-
но повысить до 12 кА, а передаваемую мощность при на-
пряжении 500 кВ (которое давно освоено)—до 10 ГВт.
Как раз такой будет мощность атомных и термоядерных
электростанций в конце века. На одну станцию — одна
воздушная ЛЭП! Неплохо.
Сверхпроводящие силовые кабели создаются, но еще
не совсем ясно, какие линейные конструкции они заменят
или дополнят. Кажется целесообразным выполнять на
сверхпроводниках многоамперные токопроводы, но число
таких станционных передач невелико (в год вводится
10—20 мощных генераторов), так что о переломе в тех-
нических и экономических показателях электроэнергети-
ки говорить не приходится. Кабельных линий высокого
напряжения тоже немного, их суммарная длина в десятки
раз меньше длины воздушных сетей.
Заменить воздушные линии сверхпроводящими? За-
дача грандиозная, но и возможные выгоды велики. Сни-
зятся потери мощности в масштабе страны, уменьшатся
индуктивные сопротивления (подстанции можно ставить
156
реже), электромагнитные поля не выйдут за пределы хо-
лодной зоны внутри кабеля, в окружающую среду не бу-
дет поступать тепло (только над рефрижераторными
станциями возникнет купол нагретого воздуха). Кроме
того, гигантские опоры ЛЭП перестанут загромождать и
портить ландшафт. Уже не потребуется отчуждать зем-
лю под линии. Только в Москве под трассы занято 3%
территории. Шутка ли, ведь в районах жилого и промыш-
ленного строительства земля в пересчете на деньги це-
нится в 10—20 руб/м2.
Конечно, еще можно создать воздушные и кабельные
линии нужной мощности, но все же традиционные линей-
ные конструкции обречены. Принудительное охлаждение
жил воздухом, водой, маслом позволит увеличить плот-
ности токов до 8—10 А/мм2, но потери вырастут еще
больше. А снижение экономичности нежелательно из-за
всевозрастающей стоимости топлива, которое приходит-
ся тратить на нагрев проводников. И дальнейшее повы-
шение напряжений — не выход, потому что близки пре-
делы электрической прочности диэлектриков. Остается
одна возможность — увеличивать рабочие токи, но без
джоулевых потерь. Вот почему уже сегодня нужно ис-
кать способы повышения токонесущей способности ли-
ний электропередачи, вот почему будущее кабелей на
сверхпроводниках оценивается очень высоко.
Прежде чем создавать сверхпроводящие ЛЭП, надо
быть твердо уверенным в оправданности этого шага. Еще
20 лет назад физики могли построить демонстрационную
модель такого участка, но это ручное изделие вряд ли
годилось бы для промышленной эксплуатации. С тех пор
работы по сверхпроводящим кабелям встали на инду-
стриальную основу: теория, модели, снова проектные
изыскания, опытные образцы.
Общие соображения о нужности таких кабелей опро-
вергнуть трудно. Ведь за последние 200 лет, словно сле-
дуя неписаному плану, электрики поочередно опробовали
один за другим разные способы снижения потерь: выбор
наилучшего материала проводника (при комнатных тем-
пературах лучше меди проводит только серебро), сниже-
ние плотности токов по способу Пироцкого, снижение
токов при одновременном увеличении напряжений по
способу Лачинова. Теперь остается последняя, но самая
привлекательная возможность: глубокое охлаждение
проводника.
157
Надо прямо сказать, что сам по себе сверхпроводя-
щий материал дороже меди в 100—1000 раз. Однако то-
конесущая жила оказывается дешевле. Причина ясна:
ведь по сечению 1 мм2 можно передать не 1—2 А,
а 10 000 А. Сэкономленную на токовой жиле сумму мож-
но потратить на криогенное охлаждение: на теплоизоля-
цию, компенсаторы сжатия, герметичные вакуумные обо-
лочки, гелиевые и азотные рефрижераторы, вакуумные
посты, нужные трубопроводы и сосуды. Нелегко так уде-
шевить жилу, чтобы применение сверхпроводников оку-
пило стоимость криогенного оснащения: похоже, что это
удастся только при токах 40—100 кА. Но потребители
столь больших токов уже есть (электролиз, электротер-
мия), так что там сверхпроводящие токопроводы бу-
дут дешевле обычных даже по первоначальной стои-
мости.
Однако и для потребителей гораздо меньших токов
сверхпроводящие кабели все равно могут оказаться
выгодными, но уже за счет меньших издержек эксплу-
атации. Лет 15 назад в нашей стране, Франции и Англии
почти одновременно появились статьи, в которых сооб-
щалось о так называемых оптимальных температурах
проводников с токами. Если учесть, сколько ватт мощно-
сти приходится затрачивать на привод рефрижератора,
чтобы отвести ватт тепла от проводника при некоторой
фиксированной температуре, то окажется, что по сумме
потерь в проводнике и затрат на охлаждение всегда вы-
годно сильно охлаждать любые проводники, в том числе
медь, алюминий, бериллий, до температур жидкого ге-
лия, водорода или азота соответственно.
Отсюда следовал простой, но нетривиальный вывод:
передача тока при комнатной температуре заведомо не-
выгодна. В миллионах, миллиардах ежедневных привыч-
ных действий по включению трансформаторов, электро-
двигателей, кабелей электрики неосмотрительно запус-
кают механизм расточительной траты энергии, превра-
щав дефицитные и дорогостоящие топлива в бесполезно
выделяемое тепло, в конечном итоге передаваемое про-
водниками воздуху. В пока что фантастическом мире, где
дороже всего ценится энергия, непременно будет царить
правило: каждому проводнику — свой холодильник. Тог-
да затраты энергии на привод охлаждающего устройства
и на потери в охлажденном проводнике снизятся до де-
сятой части потерь в проводнике при обычных темпера-
158
турах. Конечно, в нашем реальном мире легче тратить
топливо, чем снабжать все проводники, число которых
неизмеримо велико, рефрижераторами. Но хотя бы глав-
ные, самые мощные энергетические артерии — уже нуж-
но, реально, технически и экономически оправдано.
Тот диапазон температур, который нормален на по-
верхности Земли, оптимален только для живой, органи-
ческой природы. Для проводников с токами наш климат
нестерпимо жарок, только при низких температурах за-
траты энергии на пропускание тока минимальны.
Еще Г. Дэви, знаменитый английский химик, знал,
что при охлаждении проводника на 27 градусов его элек-
тросопротивление снижается на 10%. Но охлаждать
сверхпроводники еще выгоднее. Ведь передача по ним
тока не приводит к потерям, если не считать притока теп-
ла извне к холодному каналу. Передача электричества
по сверхпроводящему кабелю бесплатна, если кто-то уже
создал гелиепровод. Если низкотемпературный канал
уже существует, то следует сопрягать с ним как можно
более мощную сверхпроводящую линию.
Пока шли дебаты о том, нужно ли создавать сверх-
проводящие кабели, какими они будут и где их выгодно
применять, полным ходом готовились модели. В 1967 г.
о создании трехметровой конструкции первой объявила
фирма «Британские изолированные кабели». Через не-
большие сверхпроводящие трансформаторы ток 4 кА
вводился в ниобиевую трубу, охлаждаемую жидким гели-
ем. При сечении 11 мм2 слой ниобия пропускал ток, для
которого потребовалось бы сечение 4000 мм2, если бы
труба была медной. Через год модель длиной 16 м пу-
стили французы, потом американские ученые передали
16 кА на длину 6 м.
За полтора десятка лет, пролетевших с тех пор, поя-
вилось почти полсотни моделей кабелей на сверхпровод-
никах. При длине моделей до 100 м, напряжении до 100—
200 кВ рабочие токи составили 10—20 кА. На этих кон-
струкциях измерялись потери в сверхпроводниках и теп-
лопритоки по токовводам к жидкому гелию, подбиралась
лучшая теплоизоляция, измерительные датчики, конст-
рукция жил, тип рефрижератора. Ученые СССР, Англии,
Франции, ФРГ, Японии, США, Австрии, Венгрии и дру-
гих стран вложили немало труда и выдумки, чтобы до-
казать: сверхпроводящий кабель сделать можно и ра-
ботать он будет надежно.
159
Сегодня нет сомнений, что теоретические представле-
ния вот-вот станут реальностью, но все еще ни в одной
стране сверхпроводящие линии не проложены. Почему?
Во-первых, еще нет рефрижераторов с достаточным сро-
ком непрерывной работы. Во-вторых, промышленность
пока не готова снабдить энергетиков километрами та-
ких линий, ибо не отработана технология серийного про-
изводства длинных сверхпроводящих жил, прокладки
протяженных трубопроводов с высоковакуумной тепло-
изоляцией, стыковки монтажных плетей в полевых усло-
виях. В-третьих, еще не вся нужная научная информация
получена: трудно подобрать диэлектрики, электрическая
прочность которых при низких температурах была бы
достаточно высока, а потери — низки; сложно создать
систему дистанционного автоматического контроля и уп-
равления режимами сразу трех каналов — электрическо-
го, гидравлического и вакуумного. Проблема сверхпро-
водящих силовых кабелей еще не вышла из стадии ла-
бораторных экспериментов.
Даже основная терминология еще не устоялась. Если
жила гибкая, то это кабель? А если жесткая, из труб,
то уже токопровод? Но и в том, и другом случае много
однотипных элементов: каналы для хладагентов, ваку-
умные полости, электромагнитные экраны, слои элект-
роизоляции. Стандартами рекомендуется применение
прилагательных «сверхпроводниковые», а инженеры
привыкли к «сверхпроводящим». Еще ни один институт
или техникум не готовит специалистов-кабельщиков низ-
котемпературного профиля.
Проблем много, но все они вполне разрешимы, если
целесообразность создания сверхпроводящих линий
электропередачи будет бесспорна. Однако на повестке
дня неожиданно возник еще более сложный вопрос: а
как впишутся кабели на сверхпроводниках в существую-
щие электрические сети?
СВЕРХПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Надо бы так: энергетики проектируют сверхпрово-
дящие электрические системы, потом выдают заказы
электротехникам на изготовление нужных агрегатов, по-
лучают их, монтируют и эксплуатируют. Фактически все
наоборот: вслед за физиками электротехники создают
то, что считают нужным (генераторы, двигатели), а
160
энергетики пытаются применить новые изделия, объеди-
нив их, если удастся, в сверхпроводящие комплексы.
Обычно этого сделать не удается. Потому что работы
по прикладной сверхпроводимости еще не вышли из ста-
дии поисков. А еще потому, что энергетики не могут про-
ектировать новые сети, пока нет нужного электрообору-
дования.
Выйти из этого заколдованного круга можно по-раз-
ному. Начав, например, внедрять криогенные агрегаты
уже сегодня везде, где можно, хотя заведомо ясно: вряд
ли сверхпроводники могут просто дополнить существу-
ющее теплое оборудование. Скорее, заменить полностью.
Но все же начинать приходится, приспосабливаясь к уже
сложившимся комплексам.
На электростанциях, например, между крупным ге-
нератором и повышающим трансформатором протека-
ют большие токи, достигающие 20—40 кА. Зачастую не
удается даже подобрать выключатель генераторного на-
пряжения, и приходится прямо соединять статорную об-
мотку генератора с низковольтной обмоткой трансфор-
матора. Можно весь комплект выполнить из сверхпрово-
дящего оборудования. Во-первых, из-за устранения теп-
лопритоков по токовводам увеличится экономичность по
сравнению с работой каждого объекта поодиночке. Во-
вторых, вся многоамперная цепь приобретает новые
тепловые и электромагнитные качества.
Для отдельного генератора охлаждение силовой об-
мотки считается нецелесообразным, потому что потери
в сверхпроводнике на переменном токе ухудшат высокие
технические и экономические показатели машины со
сверхпроводящим ротором. Но на электростанциях ра-
ботает не одна машина, а комплекс устройств. Если
вместе с генератором охлаждать обмотку трансформато-
ра, пропадут теплопритоки к этой обмотке: трансформа-
тор станет экономически приемлемым, хотя сегодня це-
лесообразность создания сверхпроводящих обмоток
трансформатора отрицается. Энергетики еще не требуют
оборудования для таких совмещенных комплексов, пото-
му что нужные схемные решения только разрабатыва-
ются.
Энергетики ждут, когда появятся перспективные об-
екты для внедрения россыпью, а не комплектом. И но-
вые решения появляются, хотя из множества предложе-
ний нелегко выбрать наилучшее. Американские инже-
161
неры, например, пытаются спроектировать генератор с
напряжением 110—220 кВ вместо 15—20 кВ сегодня.
Потребуется полная перестройка конструкции машины,
ведь сверхпроводящий ротор должен создавать магнит-
ные поля много большей интенсивности. Зато линию
можно будет присоединять непосредственно к клеммам
высоковольтного генератора, минуя ставшие ненужными
и повышающий трансформатор, и многоамперный токо-
провод, который сейчас соединяет генератор с трансфор-
матором.
Не дожидаясь появления высоковольтных генерато-
ров, уже сегодня можно выполнить станционные токо-
проводы сверхпроводящими, потому что в обычных кон-
струкциях с экранированными алюминиевыми шинами
теряется 2—3 кВт мощности на метр длины. Год от го-
да растут единичные мощности станционных токопрово-
дов, они становятся все крупнее, их уже надо охлаждать
принудительно. Для машин в 800, 1200 МВт целесо-
образно уже сейчас применять токопроводы со сверхпро-
водящими жилами (дешевле, компактнее, экономичнее).
Тезис о предпочтительности криогенных комплектов
с отдельными агрегатами можно проиллюстрировать на
линейных примерах. Так, выгодно совместить две линии
на сверхпроводниках для передачи одновременно боль-
шой мощности и информации. Сейчас вдоль ЛЭП идут
низковольтные информационные линии. По расчетам со-
ветских ученых, укладка в гелиевой полости силового
кабеля 5—10 высокочастотных сверхпроводящих кабелей
с лихвой перекроет необходимость передачи вдоль линии
только линейной информации. Энергоинформационная
сверхпроводящая магистраль будет служить и целям
связи.
Специалисты создают проекты синтеза сверхпроводя-
щих ЛЭП с газопроводами. Давно готов вариант такой
симбиозной системы длиной 1000 км, которая свяжет
Лос-Анджелес с Фармингтоном в США. В разных поло-
стях одной трубы потекут жидкие природный газ, водо-
род, гелий и электрический ток. Природный газ покро-
ет двадцатую часть нужд Калифорнии в топливе, водо-
род в объеме 220 т в сутки сожгут двигатели ракет кос-
мопорта «Белые пески», а гелий требуется для охлаж-
дения сверхпроводящих жил, передающих мощность
1000 МВт. Детально подсчитано, сколько сэкономится
нефти, насколько снизится выброс в воздух сажи и серы
162
от тепловых электростанций, как сильно разгрузятся
транспортные магистрали страны от перевозки твердого
топлива и жидкого водорода.
Проектов совмещения потоков электроэнергии и при-
родного газа сегодня известно много. Показатели линий
двойного назначения обычно высоки (если, конечно, уда-
ется совместить трассы передачи газа и электричества).
Советские специалисты считают, что для передачи сжи-
женного газа на трубопровод понадобится в 3—4 раза
меньше металла, чем на высоконапорную газовую маги-
страль. Если трубопровод жидкого газа совместить со
сверхпроводящей ЛЭП, экономичность повысится. Ведь
холодный природный газ может служить вспомогатель-
ной теплоизолирующей рубашкой. Часть газа, испарив-
шуюся по пути следования, можно сжигать, заставляя
крутить газовые турбины для привода рефрижераторов.
Такая совмещенная нитка обойдется всего в 65% стои-
мости раздельно проложенных сверхпроводящей ЛЭП и
трубопровода сжиженного природного газа.
Детально проработано больше ста технических про-
ектов кабелей на сверхпроводниках, десятки вариантов
трансформаторов и других объектов энергетического на-
значения, но гораздо меньше идей насчет того, как от-
дельные аппараты объединить в общие электрические и
низкотемпературные схемы. Надо ли всю систему от
электростанции до заводов делать сверхпроводящей или
использовать криогенные конструкции в рамках сущест-
вующих сетей, превратив их в смесь объектов с разными
рабочими температурами?
Вот, например, одна из проблем. Кабели на сверх-
проводниках удобно выполнять с коаксиальным распо-
ложением жил (поля не выходят наружу, индуктивности
снижены до предела, емкости повышены). Но как быть
с торцами по концам линии: ведь теперь на каждую фа-
зу придется уже не один провод, как у сегодняшних
линий, а два—с противоположно направленными то-
ками, с фазным надряжением между ними? До сих пор
силовых коаксиальных кабелей в энергосистемах не
было.
Или еще. Составлены и детально рассчитаны на ЭВМ
математические модели криогенных электропередач.
Выяснилось, что кабели на сверхпроводниках выгодно
применять при мощностях больше 1—2 ГВт. Но такие
большие мощности нужны не везде, да и обычные линии
163
еще можно усилить, чтобы они справлялись с нарастаю-
щими во времени потоками электроэнергии. Из-за это-
го могучие современные сверхпроводящие кабели ока-
зываются вроде бы ненужными. И о сокращении потерь
на первых одиночных линиях электропередачи говорить
рано: только при длинных электрических сетях скажется
положительный эффект от замены алюминия на сверх-
проводники.
Конечно, настанет день, когда без сверхпроводящих
силовых кабелей нельзя будет обойтись: ведь мощности
атомных и (термоядерных?) электростанций к концу века
могут подняться до 30—50 ГВт, отвести которые никакая
линия без помощи сверхпроводников не сможет.
Помочь делу может системный подход, когда рас-
сматривается вся цепочка взаимосвязанных объектов, а
не фрагменты из нее. Ведь теперь, когда исчез страх пе-
ред джоулевыми потерями, можно и нужно пересмотреть
основы комплектования электросетей: не выгодно ли по-
высить рабочие токи, нельзя ли какие-то агрегаты кон-
структивно объединить, одновременно что-то убрав или
создав заново?
В технически развитых, но небольших по территории
странах, где напряжение сетей невыгодно повышать бо-
лее 110—220 кВ (Венгрия, ГДР, ЧССР, ФРГ, Япония),
уже сегодня актуальны соображения о многоамперной
энергетике. Экономические расчеты показывают, что за-
траты на создание и эксплуатацию сверхпроводящих
линий больших мощностей минимальны также при на-
пряжениях 110 кВ вместо 500, 750 кВ для линий обычно-
го исполнения. Интересно, как сегодня решается проб-
лема работы с пониженными напряжениями? Этот опыт
позволяет увидеть, хотя и в миниатюре, трудности внед-
рения многоамперных кабелей на сверхпроводниках.
Ограничение напряжений при растущих мощностях
линий ведет к серьезным следствиям. Сверхпроводящие
кабели выгодно выполнять многоамперными, но повы-
шенные рабочие токи надо пропускать через многие ап-
параты подстанций (трансформаторы измерительные и
силовые, выключатели и разъединители, реакторы), ко-
торые и без того загружены токами до предела. Удастся
ли создать новые конструкции аппаратов? Ведь очень
непросто разрывать большие токи, гасить электрическую
дугу на контактах, обеспечивать прочность токонесущих
конструкций.
164
В больших по территории странах (СССР, США, Ка-
нада) подход к сверхпроводящему оборудованию более
традиционный. Инженеры-исследователи врезают сверх-
проводящую жилу с необходимым криогенным усложне-
нием в кабели обычного типа, которые надо вклю-
чать в существующие электрические сети. И такое ре-
шение долустимо, потому что показатели конструкций
смешанного выполнения оказываются достаточно высо-
кими.
В энергосистеме штата Филадельфия в США, на-
пример, детально рассмотрели характеристики переда-
чи электрической мощности 10 ГВт на 100 км между
двумя промышленными районами, разделенными поля-
ми, рекой, городскими территориями. Проанализирова-
но 16 типов линейных конструкций, технически осуще-
ствимых сегодня: воздушных ЛЭП, высоковольтных
кабелей с бумажно-масляной и газовой изоляцией, кри-
огенных кабелей с жилами из гиперпроводника или
сверхпроводника. Расчеты максимально приближены к
требованиям практики, учтены особенности перевозки
оборудования, существующие стоимости материалов и
обслуживания, устройство переходов трассы над рекой и
в подземных коллекторах. Результаты оценок поразили
даже специалистов: воздушная ЛЭП — вне конкуренции
(бесплатный диэлектрик, бесплатный отвод тепла в ат-
мосферу), но сверхпроводящая ЛЭП оказалась всего на
94% дороже! Ее показатели предпочтительнее, чем у ли-
ний 14 других типов. Удешевление материалов и рефри-
жераторов, неминуемое при массовом спросе; сверхпро-
водящее выполнение оборудования подстанций — все это
еще улучшит показатели ЛЭП на сверхпроводниках.
По-видимому, главный резерв улучшения шансов
сверхпроводящего оборудования на массовое внедре-
ние — комплексное проектирование. Действительно, как
сочленить кабель с большими токами пониженного на-
пряжения и подстанцию, где токи невелики, но напряже-
ния гораздо выше? Или придется кабель выполнять для
существующих уровней токов и напряжений (но кому
нужен такой сверхпроводящий кабель?). Или между ка-
белем и концевыми подстанциями придется вводить сог-
ласующие трансформаторы (нереально из-за сложности
схем и дороговизны оборудования). Или, наконец, нуж-
но всю подстанцию перевести на сверхпроводники (про-
цесс долгий, но экономически выгодный).
165
Сверхпроводящие подстанции еще не проектируются,
но показатели нужного оборудования достаточно высо-
ки. Так, синхронные компенсаторы, реакторы, измери-
тельные трансформаторы — это магнитные системы,
сверхпроводящее исполнение которых, как уже ясно, тех-
нически и экономически оправдано. Известны патенты на
выключатели криотронного типа, выпрямители-инвер-
торы.
Изготовить сверхпроводящее оборудование разного
назначения можно, но для каких условий работы долж-
ны проектироваться эти многоамперные комплексы? Мо-
жет быть, труднее всего справиться с реактивными про-
цессами. В воздушных линиях электропередачи высоко-
го напряжения индуктивные сопротивления велики, но
низки рабочие токи. В итоге длина ЛЭП с допустимыми
потерями напряжения и мощности относительно высока
(30—80 км). В сверхпроводящих кабелях индуктивности
на порядок меньше, потому что разные фазы сближены.
Но рабочие напряжения снижены, а токи огромны. По-
тому предельные длины участков с допустимыми уров-
нями реактивных потерь в 3—5 раз меньше, чем для
воздушных ЛЭП. Вывод ясен: для работы с многоам-
перными кабелями на переменном токе придется глубо-
ко компенсировать потери реактивной мощности.
В обычных сетях относительно слабая компенсация
реактивностей выполняется с помощью конденсаторов:
они генерируют реактивную мощность, восполняя ее по-
тери в индуктивностях. Удастся ли выполнить конден-
саторы в сверхпроводящем исполнении для новых сетей?
Еще в 1937 г. в Париже вышла брошюра Ф. Лондона
«Новая концепция сверхпроводимости». За давностью
лет она превратилась в библиографическую редкость, но
в этом научном первоисточнике приводятся результаты
первых измерений емкости сверхпроводящих образцов.
Нормальные проводники и сверхпроводники заряжаются
совершенно одинаково, так что конденсаторы должны
быть электрически тождественны. Проверка показала,
что небольшие различия в емкости зависят от усадки ма-
териалов при глубоком охлаждении и от уменьшения ди-
электрической проницаемости на 1—3%.
Обычно для компенсации индуктивных потерь в ли-
нию включают конденсаторы, но поможет ли старое ре-
шение теперь? Потенциалы сверхпроводящих линий не-
велики, стало быть, выработка реактивной мощности
166
конденсаторами снижена. Хорошо, если сама линия гене-
рирует емкостные токи, но для этого надо увеличить ее
собственную емкость. И это решение, как обычно, нетра-
диционно: кабельщики привыкли^ к вредным проявле-
ниям емкостей, на холостом ходу линия генерирует боль-
шие реактивные токи. Уже при длинах 30—100 км, обыч-
но называемых критическими, ненагруженная линия за-
гружена емкостными токами, словно при работе на пот-
ребителя. Для сверхпроводящих сетей приходится дер-
жать линию под нагрузкой, а если токи меняются, то
вместе с ними следует менять напряжения на линейных
электродах.
Еще одна проблема — ограничение сверхтоков. Сей-
час при коротких замыканиях появляются столь мощные
всплески токов, что отключающие аппараты часто не в
силах изолировать поврежденный участок. В высоковоль-
тном варианте сетей трудно ожидать чего-то другого: ре-
гуляторы настроены так, чтобы поддерживать напряже-
ния неизменными, даже если повышение снизившихся
напряжений еще больше увеличивает аварийные токи в
землю или между фазами. Линии на сверхпроводниках
по инерции включили в порочный круг высоковольтных
недостатков: мол, в многоамперном оборудовании токи
при авариях вырастут еще больше. Но проблему ката-
строфических токовых бросков можно снять полностью,
если поддерживать неизменными не напряжения в узлах
сетей, а токи в линиях.
Сверхпроводники принесли с собой настолько новые
возможности, что у специалистов-сетевиков появились
радикальные предложения об изменении самих принци-
пов электропередачи. Силовую линию можно уподобить
(эту аналогию любил применять Д. Максвелл) гидравли-
ческому каналу, ток — расходу воды, напряжение — на-
пору. Трансформаторы выполняют роль шлюзов, меняю-
щих уровень электрических жидкостей.
Высоковольтные электросистемы похожи на каналы
малого расхода, но сеть каналов высоко поднята над
уровнем потребления. Как вода, сбрасываемая с гор в
долину, производит разрушительные действия, так и
электричество при авариях срабатывает свою потенци-
альную энергию. Теперь вместо искусственной картины
«каналы в горах» можно применить картину «равнин-
ных рек» — картину сети нового типа. Ведь при появле-
нии сверхпроводников будто исчезли гидравлические со-
167
противления электрическим потокам. Раз нет напора
между линией и потребителями, значит, повреждение
изоляции (то есть барьеров, ограждающих реку) не при-
ведет к переливу энергии в точке аварии. Электронному
потоку всегда легче протекать по сверхпроводнику, чем
ответвляться в цепь с сопротивлением. Исчезнет сама
проблема коротких замыканий. Потоки электричества
можно сделать настолько полноводными, что исчезнет
нужда в повышении уровня этих потоков.
Или, например, еще одна возможность — сети типа
«горные ручьи». Пусть огромные переменные токи при-
водят к большим индуктивным потерям напряжения в
сверхпроводящих линиях. Зато в избранных точках сети
можно поставить конденсаторы, чтобы выработать ем-
костную реактивную энергию взамен потерянной индук-
тивной. Нетрудно поддерживать строго нулевым баланс
реактивной мощности в энергосистеме, при этом можно
обойтись без трансформаторов, исключив их из сетей за
ненадобностью. Ведь теперь сами линии могут преобра-
зовывать напряжения по величине. Мало того, что в
сверхпроводниках нет потерь активной мощности. Вмес-
то частичной компенсации потерь реактивной мощности,
как сегодня, можно набирать систему из любого соче-
тания индуктивностей и емкостей, лишь бы получить
трансформацию напряжения до заданного уровня. Вер-
нее, не трансформацию, а «реактивизацию» без транс-
форматоров. Упрощение сетей поразительное, и все эти
чудесные метаморфозы принесены сверхпроводниками.
Но и это не все. Можно не навязывать потребителям
сетевых решений, можно сетевикам перестроиться для
удовлетворения нужд конкретных потребителей. Сверх-
проводящие соленоиды создаются специально для пу-
зырьковых камер, ускорителей или сепараторов. Почему
бы по сверхпроводящим ЛЭП не передавать электро-
энергию именно с теми параметрами, которые нужны
потребителю для технологического процесса?
Например, анализ кабельных схем и конструкций по-
казал, что любое линейное устройство можно заведомо
спроектировать для передачи или напряжения, или тока,
или мощности. Пусть потребителю (электростатическая
окраска, высоковольтные испытания, линейные ускори-
тели элементарных частиц) нужно высокое напряжение.
Линию удобно спроектировать так, чтобы при тех же
габаритах кабеля подать на него наибольшую разность
168
потенциалов. При этом и размеры кабеля будут наи-
меньшими из возможных, и стоимость минимальна. Эта
специфика конструирования давно известна электротех-
никам, но тот же целенаправленный подход можно при-
менить к кабелям не только высоковольтного, но и мно-
гоамперного назначения.
Пусть потребителю нужен большой ток при малых
напряжениях (магниты, электропечи, светильники). Про-
водники многоамперного, пусть сверхпроводящего кабе-
ля надо увеличить в размерах до предела, снизив элек-
трический зазор до минимума. Если нужно передать наи-
большую мощность, то решение оказывается промежу-
точным, но из самых общих представлений ясно, что чем
лучше проводниковый материал, тем сильнее вырастает
вклад тока в передаваемую мощность.
Совершенно по-новому смотрятся многие системы для
обеспечения электроэнергией конкретного потребителя,
например системы электроснабжения электролизных про-
изводств. Обычно эти потребители нуждаются в огром-
ных постоянных токах при очень низких напряже-
ниях. Для выплавки 50 т алюминия в час, например,
в цех завода нужно подавать ток 300 кА при напряже-
нии 1 кВ.
Сейчас электролизные цехи питаются от выпрями-
тельных агрегатов, к которым подводится переменный
ток, снимаемый с проводов высоковольтных ЛЭП. Столь
энергоемкие производства обычно размещают вблизи
ГЭС, так как отпускаемая ими электроэнергия дешева.
Всего несколько километров отделяет завод от станции,
но на этом коротком пути приходится несколько раз
трансформировать напряжение по величине.
Буквально напрашивается другое решение: поставить
на станции генератор постоянного тока, например уни-
полярного типа, а вырабатываемые им огромные посто-
янные токи без каких-либо трансформаций передавать
на завод прямо в электролизные цехи. При всей простоте
осуществить эту схему технически нелегко. Надо создать
сверхпроводящую униполярную машину, не имеющую
себе равных; надо проложить сверхпроводящие кабели,
рассчитанные на пропускание огромных постоянных то-
ков; надо сочленить эти кабели с горячими шинами эле-
ктролизеров. Совершенно по-новому придется решать
проблемы регулирования, защиты, прокладки — словом,
весь сложный комплекс требует переделки.
169
Если смотреть совсем далеко, то, быть может, ког-
да-нибудь исчезнут привычные жилы из проводов, и ли-
нии электропередачи превратятся в трубы диаметром
1,5—2,0 м. Наиболее практичными для передачи боль-
ших потоков мощности (8—10 ГВт) считаются такие
сверхвысокочастотные колебания, когда при частоте око-
ло 10 ГГц по стенке текут круговые токи, а их магнит-
ные поля параллельны оси трубы. На высокий КПД та-
ких волноводов надеяться трудно, ибо полезная волна
склонна к перерождению в быстро затухающие модифи*
кации. Чтобы на длине 1000 км добиться передачи хотя
бы 80—90% мощности, нужно убрать шероховатости на
внутренней стенке, лаком защитить от окисления мед-
ный слой, исключить газ (кислород) из полости, так как
переориентация его молекул в быстропеременных полях
приведет к потерям на нагрев, добиться идеальной фор-
мы труб, их поворотов на трассе, прямолинейности (до
1 мм отклонений на 100 м пути). До сих пор нет мощ-
ных СВЧ-преобразователей для возбуждения волно-
вода и снятия энергии. Словом, как считают специалисты-
электротехники, передача электроэнергии на сверхвысо-
ких частотах по волноводам проблематична, нужно пре-
одолеть слишком много трудностей.
А не могут ли и здесь помочь сверхпроводники? Медь
можно заменить тончайшим сверхпроводящим слоем,
из полости можно «выморозить» все газы. Но требова-
ния идеальной геометрии сохранятся, не менее трудно
обеспечить глубокое охлаждение линии. Все же сверх-
проводящие линии СВЧ-электропередачи в миниатюре
уже существуют. Такие волноводы несравненно мень-
ших габаритов и другого назначения уже давно работа-
ют в физических установках, причем их добротность
чрезвычайно высока. Возможно, что для крупных потре-
бителей СВЧ-энергии (закалка металлов, металлургия,
химические реакции при очень высоких температурах,
прогрев больших масс пищевых продуктов, разогрев
плазмы) ее передача по сверхпроводящим волноводным
линиям окажется оправданной.
Наконец, может быть, вообще больше не нужны
электрические системы переменного тока? Ведь сначала,
100 лет назад, создавались генераторы, линии и потре-
бители постоянного тока. Переменный ток победил по
двум причинам: его легко преобразовывать по величине
и с его помощью легко наводить ЭДС, создающие новые
170
токи в металлических проводах. Трансформаторы и асин-
хронные двигатели стали символами практичности приме-
нения переменного тока.
Но теперь, вместе с появлением сверхпроводников,
кажется, настал час вернуть системы постоянного тока,
что, кстати, прозорливо предвидел творец трехфазных
систем М. Доливо-Добровольский. Пусть переменный ток
останется там, где он нужен, но и сейчас многие потре-
бители (лампы, троллейбусы, электромоторы) нуждаются
в токах постоянных. Ведь их легко регулировать; для
передачи достаточно двух, а не трех проводов (в 1,5 раза
снижается расход проводников и электроизоляции); ис-
чезает тяжелая проблема реактивностей; можно прямо
снабжать самые энергоемкие производства.
Вот почему многие ученые разрабатывают оборудо-
вание для сверхпроводящих цепей постоянного тока:
генераторы, трансформаторы, криотронные выпрямите-
ли-инверторы. К достоинствам постоянного тока прибав-
ляется отсутствие потерь в сверхпроводниках. Уже шла
речь о возможном устранении токов короткого замы-
кания, если в сетях типа равнинных рек регулировать
токи, а не напряжения.
Если бы еще научиться хранить электроэнергию, ра-
зорвав тесную связь электростанций с потребителями.
Тогда электростанции равномерно и постоянно работа-
ли бы на эти склады, размещенные около центров круп-
ного потребления. Потребители могли бы забирать со
складов нужное количество энергии в нужное время.
И такие склады электричества на постоянном токе уже
созданы, только небольшие.
НАДЕЖНЫЕ СПИНЫ
Уже давно известна серия проектов сверхпроводя-
щих линий постоянного тока, охватывающих огромные
территории. Например, по проекту чехословацкого спе-
циалиста И. Шмида гигантское сверхпроводящее кольцо
вокруг нескольких стран — членов СЭВ сможет получать
и распределять энергию многих электростанций. Нема-
ловажно то обстоятельство, что в линии накапливается
много энергии, которая при необходимости может быть
отдана в специально оборудованных ответвлениях.
Если по сверхпроводящей жиле передается гигантский
ток (скажем, величиной 100 кА), то в магнитном поле
171
запасается ощутимая энергия (3—5 кВт-ч/км). Чтобы
люди, автомашины, самолеты не попадали в поле линии,
можно разместить коаксиально две жилы с противото-
ками. Основной вклад в энергию вносит сильное поле
около жилы, но оно быстро ослабевает, снижаясь от
доли тесла в миллиард раз на расстоянии от кабеля в
50—100 км. При ограничении поля вторым проводом за-
пасенная энергия снижается до 0,1—0,3 кВт-ч/км.
Гораздо больше энергоемкость у специально спроек-
тированных устройств. В новой энергетике почетное мес-
то отводится сверхпроводящим индуктивным накопите-
лям (СПИНам). Эти соленоиды специально предназна-
чены для накопления и выдачи токов по требованию.
Конструктивно СПИН выглядит как большая, замкнутая
сама на себя катушка, в которой без рассеяния цирку-
лируют токи. До сих пор изготавливать такие крупные
индуктивности было бессмысленно: ведь запасенную в
них энергию удавалось использовать только в коротком
импульсе, потому что токи затухали на омических со-
противлениях.
Принято говорить, что в магнитных полях запасается
энергия, которую можно использовать при отводе токов.
Но как накопить невидимое, можно ли запасать энергию?
«Что такое энергия?» — спрашивает в широко известных
лекциях Р. Фейнман и отвечает: «Физике сегодняшнего
дня неизвестно, что такое энергия». Потому и накопление
энергии — далеко не очевидный процесс, хотя подобное
обозначение сейчас в моде.
В конце 1954 г. советские электрики провели очеред-
ную дискуссию о природе электричества. Позже, словно
подводя итоги дискуссии, в свет вышла книга профессора
О. Брона «Электромагнитное поле как вид материи».
Участники встречи обсуждали многие вопросы, но для
нас важно только их мнение о сущности материи, кото-
рая проявляет себя в виде вещества и поля. Что касается
энергии, то это не материя, ее нельзя вырабатывать, хра-
нить, копить, передавать. Потому методически неверно
говорить «генерация электроэнергии», «линии передачи
электроэнергии».
Энергия — это математическая мера взаимодействия
тел или тел с полями. Энергия измеряется работой, кото-
рую, например, поле совершает или может совершить над
телом. Поднятой гире можно приписать самые разные
значения потенциальной энергии в зависимости от того,
172
до какого уровня гиря сможет упасть. Установить суще-
ствование избыточной энергии можно по явному призна-
ку — непременному присутствию силы, которая должна
работать при высвобождении энергии.
Склад энергии — это жаргонное выражение, которые
инженеры пользуются для сокращения корректного ело
вообразования «склад веществ или полей, которые пол
действием приложенных к ним сил могут совершить ра-
боту, то есть воздействовать на другие тела». Складом
энергии можно считать любую совокупность разнонап-
равленных сил, одна из которых хранится для соверше-
ния полезной работы, а другая сковывает деятельную си-
лу, противодействуя ее стремлению высвободиться.
На складах вещества тоже хранится энергия, спря-
танная в хранимых телах. Но эта энергия связанная, она
высвободится когда-то потом, уже вне склада. Вещества
безучастно хранятся вместе с заключенной в них энер-
гией и покидают склад веществ, не расплескав ее запа-
сов.
На складах энергии тоже непременно хранится имен-
но то вещество (или поле), которое должно совершить
работу в конце цикла хранения. Вода, например, содер-
жится в сосуде не просто ради сохранения, а так, чтобы
при открытии крана с напором вылиться и, надавив на
лопатки, закрутить турбину. Складом энергии можно счи-
тать и взведенную пружину, срабатывающую в месте
хранения.
Вообще-то взаимодействие тел можно оценивать раз-
ными мерами: импульсом, энергией, их секундными доля-
ми (силой и мощностью), моментами силы или количе-
ства движения. С равным основанием заряженную вин-
товку можно называть накопителем импульса или скла-
дом энергии, если измерять количество движения выбро-
шенной из ствола пули или ее кинетическую энергию при
вылете. Много лет интенсивность процессов описывалась
развиваемой силой, но столь же давно известно, что си-
ла— характеристика механического перемещения, а энер-
гия — еще и внутреннего, теплового.
Практически все тела, находящиеся в силовых полях,
можно отнести к энергетическим складам. Бытовые про-
цессы энергетически слабы. Студент, выронивший порт-
фель, инициирует работу поля гравитации над падающим
грузом, которая ничтожна (примерно 10""5кВт-ч). Гораз-
до более крупным складом энергии (около 1 кВт-ч) мож-
173
но считать каменную глыбу массой 10 т, падающую со
скалы высотой 30—40 м. При ударе о землю глыба про-
изведет работу, равную кинетической энергии в момент
касания земли или потенциальной энергии первоначаль-
ного положения. Отсюда следует, что киловатт-час — от-
носительно крупная энергетическая мера.
Современная техника оперирует энергиями на поря-
док больше. В массивном маховике из сверхпрочной ста-
ли, раскрученном до предельно больших скоростей, обыч-
но запасается энергия 5—15 кВт-ч. Если применить спе-
циальные устройства, которые преобразуют механическое
вращение в электрический ток, то останавливаемый ма-
ховик сможет на один вечер обеспечить освещением нес-
колько квартир.
Запасать энергию требуется во многих случаях, и же-
лательно хранить ее в том виде, в каком она будет пот-
ребляться, иначе преобразователи удорожат энергетиче-
ские склады. Довольно часто энергию потребляют в элек-
тромагнитной форме, поэтому склады горячей воды, сжа-
того воздуха, поднятых масс неминуемо усложняются
технически. Электрики стремятся запасать энергию в из-
быточных зарядах или токах. Хорошо отработана техно-
логия создания электрических складов, конденсаторов,
где в кубометре объема можно запасти энергию около
1 кВт-ч. Ту же энергию содержат 7—8 м3 намагниченной
трансформаторной стали.
В СПИНах хранится энергия магнитного поля токов.
В зависимости от величины тока и длительности его раз-
ряда конструкции индуктивных накопителей, предназна-
ченных для физиков, медиков, геологов, энергетиков, су-
щественно различны. Если говорить о накопителях для
электрических сетей, то цикл разряд—заряд должен
длиться часами при достаточно высокой мощности. От-
бирать энергию токов, без затухания циркулирующих
в короткозамкнутых обмотках СПИНов, можно по-раз-
ному: в электрических сопротивлениях энергия тока пре-
образуется в тепло, поэтому накопитель можно включить
на активную нагрузку; если выталкивать магниты из по-
ля накопителя, то при удалении магнитов они снизят
циркулирующие токи. И наоборот, приближение магни-
тов с полями той же ориентации позволит повысить ток
в электромагните-накопителе.
Важно отметить, что не всегда можно ввести энергию
в СПИН или отвести ее наружу. Если в разрядных кон-.
174
турах нет омических участков, а поблизости не располо-
жены металлические тела обычной электропроводности,
то разрядные процессы полностью обратимы: СПИН ни-
когда не сможет освободиться от запасенных токов, ко-
торые после путешествия в разрядных цепях вернутся об-
ратно могучими электрическими волнами.
Короткозамкнутые сверхпроводящие катушки с огром-
ными циркулирующими токами можно выполнить в виде
тороидальных обмоток диаметром несколько метров.
Стальное кольцо, оснащенное рефрижераторами и вы-
прямительно-инвенторным блоком для связи с сетью пе-
ременного тока, можно разместить в подвале крупного
дома.
Если мысленно препарировать стальную оболочку на-
копителя диаметром 3—4 м, то можно увидеть сотни
скрученных кольцами шин сечением примерно 2X2 см2
с общей длиной провода 80—100 км. Если каждый виток
пропускает ток 10 кА, то обмотка сможет породить поле
феноменальной величины в 15 Т, что в 10 раз сильнее
полей лучших постоянных магнитов.
В этот проект заложен провод из меди с тонким на-
пыленным слоем высокополевого сверхпроводника типа
ванадий-галлий. По каналу внутри каждого витка дол-
жен циркулировать жидкий гелий со скоростью около
2 м/с. Между гелиевой зоной и наружной оболочкой
комнатной температуры расположен металлический ко-
жух, охлаждаемый жидким азотом, что нужно для огра-
ничения теплопритоков извне к сверхпроводящей обмотке.
Масса катушки в 80—100 т примерно удваивается за
счет опор и креплений, которые должны защитить обмот-
ку от механических повреждений. Электромагнитные си-
лы стягивают соседние витки и расширяют диаметр об-
мотки. Действию этих сил противостоит бандаж: он ско-
вывает обмотку, но она при работе все же распухает
примерно на сотую долю своего объема.
Главная нагрузка на рефрижераторы приходится
в часы первичного захолаживания обмотки, когда требу-
ется затратить около 200 м3 жидкого азота и вдвое мень-
ше жидкого гелия. После того как рабочие температуры
установятся и ток будет введен в обмотку, приток тепла
через изоляционную оболочку и импульсные тепловыде-
ления при изменениях тока во времени могут быть сняты
маленьким рефрижератором размером с письменный
стол.
175
Перед включением СПИНа в эксплуатацию нужно
убедиться в отсутствии полей вне накопителя. Для торо-
ида почти все создаваемое поле спрятано в его толще, но
если применять катушки другой геометрии, то понадо-
бится заслонять их от стен помещения стальными щита-
ми, которые не выпустят поля наружу.
Токовое кольцо описанной конструкции может запас-
ти энергию 2—4 МВт-ч. Подзаряжаясь током ночами,
днем накопитель будет отдавать электроэнергию стан-
кам, светильникам и другим потребителям своего дома,
которые в течение одних-двух суток смогут обойтись на-
копленной энергией. Для повторного заряда СПИНа не
обойтись без помощи внешнего электроснабжения. Тако-
го типа накопители ученые в состоянии изготовить уже
сегодня. СПИНы работают бесшумно, не загрязняют воз-
духа и помещения, автономны.
Оценить слабые и сильные стороны индуктивных на-
копителей на сверхпроводниках поможет их сравнение
с другими источниками пиковой энергии, например, га-
зотурбинными станциями. Это два—четыре реактивных
двигателя, установленных внутри одноэтажного строе-
ния с толстыми звукоизолирующими стенками. Призем-
ленные авиадвигатели оснащены глушителями, на валу
двигателей размещены электрогенераторы, сложная си-
стема поддерживает параметры вырабатываемой элек-
троэнергии в пределах, устраивающих потребителей.
В итоге для выработки каждого киловатта мощности при-
ходится монтировать оборудования на 200—300 руб. Га-
зотурбинные станции потребляют топливо только высоко-
го качества, надо заботиться об отводе продуктов сгора-
ния без ущерба для населения, вместе с газовыми выбро-
сами наружу неминуемо проникает шум. Вот почему
пиковая электроэнергия в 5—6 раз дороже, чем от круп-
ных электростанций.
В технике используются и другие быстродействующие
накопители. Газовые турбины могут за 2—3 мин набрать
установленную мощность. Энергию, запасенную в рото-
рах крупных турбин или в раскаленном водяном паре
внутри котлов тепловых электростанций, можно срабаты-
вать за 10—600 с. Обычно такие импульсы мощности тра-
тятся на то, чтобы регулировать скорости турбогенерато-
ров и успокаивать колебания тока в электрической сети.
СПИНы смогут заменить накопители других типов
для подобного быстрого регулирования. Но еще важнее
добиться равномерной загрузки агрегатов электростан-
ций в течение суток. Электроэнергия потребляется во вре-
мени неравномерно, и генераторы, жестко следующие за
графиками спроса, приходится несколько раз в сутки до-
гружать, разгружать, останавливать совсем. Если бы
станции работали равномерно с одной и той же нагрузкой,
то половины генераторов хватило бы для выработки всей
нужной энергии. При этом снизился бы расход топлива
на обеспечение неравномерных режимов работы, меньше
изнашивалось бы оборудование, можно было бы умень-
шить количество ремонтов. Упрощение режимов снизит
вероятность аварий и поможет предотвратить неправиль-
ные действия персонала. Устранение суточной неравно-
мерности работы электростанций — задача очень важ-
ная. Огромные установленные мощности энергосистем
вынуждают создавать крупные склады энергии. Сейчас
эти функции возложены на гидроаккумулирующие элек-
тростанции (ГАЭС). В часы провала нагрузок насосы
качают воду в резервуары, а их электродвигатели, пот-
ребляя много энергии, догружают энергосистему до обыч-
ной дневной нормы. Зато в часы массового включения
потребителей двигатели ГАЭС выполняют функции гене-
раторов, а насосы — турбин, срабатывающих запасы во-
ды в хранилище.
Гидроаккумуляторы — единственные регуляторы на-
грузок энергосистем суточного, а то и недельного дейст-
вия. Мощности их велики, установки уникальны. Можно
вырабатывать пиковую энергию станциями приливного
типа. Экспериментальная установка сооружена около
Мурманска: ее турбины во время приливов и отливов, ис-
пользуя перепады уровней воды с той или другой стороны
плотины, приводят в действие генераторы, вырабатыва-
ющие электроэнергию. Примерно треть суток турбины
служат насосами, перекачивающими воду на ту сторону,
где уровень поднимается, чтобы усилить напор в пред-
стоящем генераторном цикле.
Но приливные станции привязаны к лунному ритму
приливов-отливов, что затрудняет их применение для ре-
гулирования режимов энергосистем. Зато они использу-
ют даровую помощь моря, а станциям равнинного типа
приходится обходиться собственными насосно-турбинны-
ми возможностями.
Теперь можно взвесить достоинства и недостатки
сегодняшних и завтрашних накопителей энергии для
176
177
электросистем: ГАЭС и СПИНов. Водяным аккумулято-
рам нужны большие водохранилища, место для которых
нелегко отыскать вблизи центров потребления электро-
энергии (СПИНам водохранилища не нужны). Появле-
ние рукотворных морей неизбежно меняет климат района
(магнитный резервуар на погоду не действует). Для со-
здания водохранилищ надо сооружать плотины и дамбы,
сносить постройки, укреплять дно и берега для снижения
утечек воды, отторгать земли от сельского или промыш-
ленного производства (объемы СПИНов несравненно
меньше). Наконец, быстродействие гидроаккумуляторов
ограничено пропускной способностью плотин и турбин
(в магнитных накопителях быстродействие можно по-
высить до секунд).
Еще нужно упомянуть об «электрических» сложностях
ГАЭС. Во-первых, от плотины нужно тянуть линии элек-
тропередачи в центры потребления, относительно далеко
отстоящие кот водохранилищ. СПИНы можно размещать
глубоко под землей, непосредственно под заводами, жи-
лыми районами, физическими институтами. Во-вторых,
для ГАЭС нужны турбины и генераторы, преобразующие
механическую энергию водяного напора в электрическую
форму. В СПИНах преобразование вдвое проще: посто-
янный ток надо превратить в переменный.
В одном из проектов СПИНа ближайшего будущего
предусмотрено создание сверхпроводящей обмотки диа-
метром с футбольное поле. Конструкция, накапливающая
энергию 10 000 МВт-ч, должна обойтись по сегодняшним
ценам примерно в 0,5 млрд. долл. Равноценная гидроак-
кумулирующая станция на 20% дешевле, но она тратит
на свои нужды почти треть производимой энергии. На
обеспечение глубокого охлаждения СПИНов требуется
5—10% запасенной энергии.
Любопытно взглянуть на распределение затрат, свя-
занных с постройкой столь большого индуктивного нако-
пителя. На первый взгляд стоимость СПИНа расклады-
вается на составляющие странным образом. Так, почти
половина средств тратится на сооружение каркаса, скре-
пляющего витки обмотки, чтобы противостоять разруша-
ющим силам, создаваемым огромными токами. И дей-
ствительно, крепления должны принять на себя бешеный
напор огромных количеств энергии, стремящейся выр-
ваться из тесного пространства и рассеяться.
Казалось бы, в крупную сумму должна обойтись обо-
лочка, защищающая сверхпроводящую обмотку от при-
тока тепла извне под температурным напором в 300 гра-
дусов. Однако сложный слоеный металлический криостат
с тремя взаимообнимающими прочными кожухами, под-
держиваемыми при температурах окружающего воздуха,
жидкого азота и жидкого гелия, обходится всего в чет-
верть общей стоимости СПИНа. А ведь конструкция кри-
остата сложна, она рассчитана на температурные дефор-
мации при охлаждении и нагреве, кожуха разъединены
слоями вакуума для снижения до возможного предела
теплопритоков в холодную зону. Денежные оценки убе-
дительнее слов свидетельствуют о том, что относительно
молодая, но бурно прогрессирующая криогенная техни-
ка уже сегодня в силах создавать сложные, но недорогие
конструкции.
На долю сверхпроводящих материалов приходится
еще меньшая доля стоимости (15—20%). Преобразовате-
ли постоянного тока в переменный отработаны неплохо
многими десятилетиями успешной эксплуатации, вот по-
чему их создание оценивается в десятую часть общей
стоимости. А рефрижераторы, самые непривычные, а по-
тому, казалось бы, самые дорогие элементы конструкции,
вносят в общую стоимость 2—4%. Вот как бесстрастные
цифры исправляют суждения, обусловленные эмоциями
(непривычно — значит дорого).
Анализ стоимостных показателей помогает правильно
отразить сложность того или иного узла, позволяет скон-
центрировать силы инженеров на решении самых узких
мест этой задачи. Главным оказывается умение сконстру-
ировать крепления обмотки, чтобы бандаж был предель-
но прочным при минимуме затрат на сооружение. Ведь
энергия, запасенная в креплениях, и силы, на них ложа-
щиеся, должны точно соответствовать энергии и силам,
заключенным в аккумулирующей среде. Попросту гово-
ря, приходится конструировать одновременно два нако-
пителя. Какую бы среду мы ни сжимали, пытаясь нако-
пить энергию (газы, пружины, магнитное поле), резерву-
ар должен противостоять напору, не разрушаясь, чтобы
не уподобиться проколотой велосипедной шине. Можно
ту же мысль выразить по-другому: рабочая среда нако-
пителя передает силы на оболочку, упругая деформация
которой и позволяет запасти энергию. При разгрузке на-
копителя оболочка отдает энергию через промежуточную
178
179
аккумулирующую среду, которая выдавливает наружу
сжимающую материю (в СПИНах — ток).
В этом плане поучительна конструкция накопителя на
10 ГВт-ч. Авторы проекта (университет Висконсин, США)
предложили убрать из гигантского сверхпроводящего
кольца дорогие крепления из нержавеющей стали. Вместо
того чтобы удорожать обмотку утопленным в ней банда-
жом, принято решение обойтись скальным грунтом сна-
ружи обмотки. Если обмотку накодителя спрятать в
толщу скалы на глубине 100—500 м, то стенки коридора
примут на себя усилия, распирающие обмотку. В итоге
этот проект дешевеет весьма существенно, ибо стоимость
крепления можно отнести к смете простой скальной про-
ходки. Важно, что граниты, кварциты и доломиты прак-
тически непроницаемы для воды, так что коридоры на-
копителя всегда будут сухими. И еще: магнитное поле,
распределенное в толще скалы, не будет влиять на на-
земный транспорт и пешеходов.
Еще одна проектная находка — охлаждение обмотки
сверхтекучим гелием (ниже 2,2 К). Эта жидкость не ки-
пит, прекрасно проводя тепло и гарантируя надежное ох-
лаждение обмотки без какого-либо напора и без заку-
порки каналов циркуляции случайными пузырями газа,
что угрожает любым каналам с обычным жидким гели-
ем. При этом холодильное оборудование всего на чет-
верть дороже обычного. Если такую обмотку заряжать
током в течение 14 ч подряд, то остальное время из
СПИНа можно выкачивать мощность 750 МВт, что рав-
ноценно крупной современной электростанции.
СЕГОДНЯ И ЗАВТРА
Некоторое время назад на одном из совещаний в мос-
ковском Доме научно-технической пропаганды обсуждал-
ся доклад о возможных путях развития работ со сверх-
проводниками. Если охватить взглядом обширный комп-
лекс разнообразных исследований по прикладной сверх-
проводимости, то можно заметить постепенно проступа-
ющие контуры существенно обновленной техники будуще-
го: сначала отдельных агрегатов, потом — электротехни-
ки в целом и, наконец, всей электроэнергетики.
Процесс долгий, на него уйдет много десятков лет.
Сейчас близится к завершению первый этап практической
обкатки сверхпроводников, когда в объект известного ти-
130
па, например турбогенератор, встраивается ротор новой
конструкции, в ускоритель — более сильный электромаг-
нит, а в кабель — холодная жила. Таких аппаратов появ-
ляется все больше — это одиночные, технически привле-
кательные изделия, но, конечно, не меняющие показате-
ли отрасли в целом. Самое большее, чего можно ожидать
от первых моделей,— демонстрация возможностей сверх-
проводников. Принципы действия новых конструкций
проверены временем, а сочетание горячих и холодных уз-
лов благотворно сказывается на технических показате-
лях аппаратов. Они приобретают новые качества, пара-
метры повышаются.
Улучшая старые машины, сверхпроводники открыва-
ют новую жизнь известным, но еще мало применяемым
конструкциям, таким, как униполярные генераторы и дви-
гатели, магнитогидродинамические генераторы. Другие
конструкции, как, например, силовые кабели, по габари-
там остаются почти теми же, но в сверхпроводящем ис-
полнении их стоимость минимальна при более высоких
токах. Так и должно быть, если внедряется более выгод-
ный проводниковый материал.
На втором этапе работ должны появиться серии кон-
струкций нового типа: магнитовозы, сепараторы, крио-
ЭВМ; принципиально новые объекты, немыслимые для
старой электротехники: трансформаторы постоянного то-
ка, топологические генераторы, силовые выключатели
больших токов, использующие криотронный эффект.
Возможности проводниковой революции будут, по-
видимому, исчерпаны после завершения третьего этапа,
когда объекты новой электротехники сольются в единые
комплексы энергетических систем. Такие системы буду-
щего станут на порядок мощнее, чем сегодня, в той же
мере снизятся электрические потери.
Если эти прогнозы верны, то, казалось бы, частное ре-
шение по замене традиционных меди и алюминия на
сверхпроводящие материалы огромной электропроводно-
сти станет мощным рычагом, с помощью которого ради-
кально улучшится сначала электротехника, потом энер-
гетика. Именно этот процесс начался в мире 10—20 лет
назад. Вот чем можно объяснить необычайный интерес
к сверхпроводникам, регулярное появление в научной пе-
риодике до 100 публикаций в месяц.
Год от года все больше электриков открывают для
себя богатые возможности еще недавно экзотического
181
физического явления. «Такой большой интерес к техни-
ческой сверхпроводимости мне кажется очень отрадным
явлением,— еще в 1975 г. говорил президент АН СССР
А. Александров.— Дело в том, что мы технически вполне
подготовились к довольно широкому применению сверх-
проводящих машин, крупных магнитных систем, прибо-
ров с применением сверхпроводимости. И сейчас мы пе-
реходим от стадии лабораторной, опытной к стадии про-
мышленного освоения сверхпроводимости. Строящиеся
у нас крупнейшие атомные электростанции требуют соз-
дания мощных электрогенераторов, устанавливаемых на
этих станциях. Развитие мощностей дальше, за миллион
киловатт в одной машине, уже будет выгоднее, по-види-
мому, делать за счет применения сверхпроводящих ма-
шин. Значительные потери энергии в наших электросе-
тях также настоятельно требуют введения новой техники
в эту область. Все это касается задач, которые будут ре-
ализованы через 10—15 лет, но у нас есть и такие зада-
чи, которые мы должны решать сегодня: это создание
крупных термоядерных установок, еще эксперименталь-
ных, но, тем не менее имеющих большие магнитные по-
ля в очень больших объемах».
Сегодня во многих странах разрабатываются реакто-
ры типа токамак, идея которых вышла из стен Институ-
та атомной энергии им. Курчатова. Этим реакторам нуж-
ны мощные катушки, магнитные поля которых служат
стенками для плазмы. Тороидальные обмотки постоянно-
го действия обязательно должны быть сверхпроводящи-
ми; другие электромагниты (для омического нагрева
плазмы, стабилизирующие, отклоняющие) можно вре-
менно наматывать обычными проводами, пока не удаст-
ся изготовить сверхпроводящих обмоток, работоспособ-
ных в переменных импульсных полях.
В 1978 г. советские физики, выступая на проходившей
в американском городе Питтсбурге международной кон-
ференции по прикладной сверхпроводимости, рассказали
об установке «Токамак-7». Обмотка весом 12 т, обтекае-
мая током 4,5 кА, создает магнитное поле интенсив-
ностью 2,4 Т на оси тора объемом 6 м3. Выход на режим
длится 5 ч, а запасенная энергия 4 кВт»ч выводится из
обмотки за 20 мин. В разных странах готовятся к испы-
таниям несколько чрезвычайно крупных сверхпроводя-
щих обмоток с полями 3—6 Т для новых моделей термо-
ядерных установок. Размеры этих реакторов должны
182
быть ближе к тем, которые нужны для первого промыш-
ленного образца: большие диаметры тора повышаются
до 26 м, диаметры их сечений — до 7 м. Показательно,
что для реакторов с расчетной полезной мощностью 1,5—
2,0 ГВт в сверхпроводящих обмотках придется запасать
магнитную энергию уже 50—70 МВт-ч, так что эти элек-
тромагниты можно использовать одновременно как источ-
ники пиковой электроэнергии.
Сверхпроводящие тороидальные катушки, если судить
по запасенной энергии, создаются с отставанием на 6—
10 лет от серии соленоидов, применяемых в физике вы-
соких энергий. Уже решены вопросы подбора материа-
лов, конструкций, режимов работы. Сегодня главными
считаются не до конца решенные проблемы стабилиза-
ции катушек; защиты от переменных полей, порождае-
мых токами в плазме и зажигающей обмотке; конструк-
ции проводника и обмотки; их защита от радиации.
Соленоиды экспериментальных энергетических реак-
торов, которые должны появиться в середине 80-х годов,
будут немного отличаться от сегодняшних моделей. Ма-
териалом обмоток, кроме сверхпроводника ниобий-титан,
послужит станнид ниобия. Для более надежного охлаж-
дения, как и в циркуляционной установке Т-7, гелий при-
дется прокачивать внутри проводников, несущих посто-
янные токи от 10 до 80 кА. Защиту от внешних импульс-
ных полей обеспечит простой алюминиевый экран.
Советские физики-атомщики за последние годы пусти-
ли несколько сверхпроводящих магнитных систем с по-
лями 2—5 Т для удержания, накопления и нагрева плаз-
мы. Программа предстоящих работ загружена до преде-
ла: за 10 лет надо увеличить запасаемые энергии в 10 тыс.
раз!
В термоядерных реакторах все новое — принцип дей-
ствия, экстремальные параметры, технология осуществле-
ния. Применение сверхпроводников в магнитных систе-
мах реакторов вряд ли случайно: проводимости, темпе-
ратуры, токи новых проводников лежат за гранью воз-
можностей обычных материалов. С помощью сверхпро-
водников можно не только создать принципиально новые
технологии, но и улучшить давно известные технические
решения, повысив, например, энергию ускоряемых час-
тиц на порядок и в той же мере снизив затраты на
осуществление процесса формирования и ускорения
пучка.
183
В 50-х годах нашего столетия начали бурно создавать-
ся первые ускорители. Тогда же выдающийся физик
Э. Ферми, оценивая перспективы развития физики высо-
ких энергий и экстраполируя в будущее темпы создания
ускорителей элементарных частиц, провел любопытный
анализ. Если столь же высокие скорости прогресса в ус-
корительной технике сохранились бы еще полвека, то
к 2000 г. надо бы ждать появления конструкции с гигант-
ской энергией 1015 эВ. Эта махина опоясала бы весь зем-
ной шар по экватору. Для создания глобального ускори-
теля пришлось бы загрузить работой всю промышлен-
ность планеты, а все население Земли должно было
обслуживать единственную в мире физическую фабрику.
И что же? Фантастический прогноз Ферми выполня-
ется даже более высокими темпами, но благодаря сверх-
проводникам ускорительные комплексы становятся мно-
го компактнее. Энергия электронных ускорителей обыч-
ного типа с мобилизацией всех резервов повышена до
30 ГэВ, протонных синхротронов — до 200 ГэВ. А сейчас
проекты таких ускорителей без сверхпроводящих элек-
тромагнитов даже не рассматриваются. Для протонных
ускорителей с помощью сверхпроводников скоро удастся
поднять энергию частиц до 1000 ГэВ.
Сначала сверхпроводящие соленоиды применяли не
для управления пучком, а для контроля и фиксации ре-
зультатов столкновения частиц на пузырьковых камерах.
Затем в сверхпроводящем исполнении появились „спект-
рометры, магнитооптические системы и, наконец, электро-
магниты для формирования потоков частиц. Например,
в ускорительном комплексе «Изабелла» на 800 ГэВ
встречные протонные пучки собираются в два накопи-
тельных кольца, размещенных в одном туннеле длиной
3,8 км. Инжектором служит протонный ускоритель, до
этого работавший самостоятельно: при энергии 30 ГэВ
он дает в импульсе 1013 протонов каждые 2 с. Для запит-
ки каждого кольца, нужно несколько сотен импульсов.
Пучки шестикратно пересекаются по длине кольца, а их
траектории формируются полями 1084 сверхпроводящих
электромагнитов. Поле 5 Т, температура 3,8 К, вакуум
10"""11 мм рт. ст.— такие параметры поддерживаются в
двух дьюарных оболочках диаметром по 60 см. Провода
обмотки из 300 сплетенных ниобий-титановых волокон
в медной матрице охлаждаются гелием сверхкритических
параметров. Этот проектируемый и создаваемый очере-
184
дями криогенный комплекс обещает стать наиболее круп-
ным в мире.
Реализуя современные тенденции развития физики
частиц высоких энергий, советские ученые строят сверх-
проводящий магнитный комплекс «Гиперон-1» массой
165 т с полем 6 Т для управления трассами тяжелых час-
тиц. Для формирования пучка мезонов создается уста-
новка массой 2000 т; для ускорительно-накопительной си-
стемы ^с пучками протонов и электронов сверхвысоких
энергий предназначено оборудование массой 5000 т, а рас-
ход сверхпроводников достигнет 60 т.
На одной из научных конференций криогенщики рас-
сказали о крупных планах использования сверхпроводя-
щих электромагнитов практически во всех ускорительных
установках Дубны: в кольцетроне — коллективном уско-
рителе частиц, нуклотроне — жестко-фокусирующем ус-
корителе ядер релятивистских энергий, крионе — элект-
ронно-лучевом источнике многозарядных ионов гелия.
Скоро появится возможность работать с протонным син-
хротроном на 2000 ГэВ, и в нем используются сверхпро-
водящие обмотки.
В состав любого сверхпроводящего объекта непремен-
но входят установки для обеспечения гелиевых тем-
ператур. От криогенной части зависит, насколько объект
экономичен и работоспособен. Вот, например, как выг-
лядит и какими характеристиками обладает низкотем-
пературное оборудование «Токамака-7», одной из моделей
термоядерного реактора.
В тор диаметром 2,5 м встроено 48 катушек диаметром
по 0,7 м, намотанных сверхпроводящими шинами с внут-
ренней прокачкой гелия сверхкритических параметров.
Магнитные обмотки заключены в алюминиевый корпус,
который служит также холодной оболочкой реактора
и механическим каркасом. Медная обшивка корпуса от-
ражает лучистый теплоприток снаружи и экранирует
электромагнитные поля, которые могли бы нарушить ус-
тойчивость плазменного шнура. Наконец, вся эта конст-
рукция закрыта слоем экранно-вакуумной теплоизоляции.
В криогенное хозяйство входит три блока: азотный,
гелиевый и вакуумный. Медный экран охлаждается
жидким азотом, 80 л/ч подается от трех азотных баков
объемом по 50 м3. Для охлаждения сверхпроводящих об-
моток расходуется жидкого гелия до 180 л/ч, а сам гели-
евый ожижитель потребляет от 150 до 500 л/ч жидкого
185
азота (соответственно в стационарном или пусковом ре-
жимах). Захолаживание обмоток до температуры 4,5 К
длится четверо суток. При этом, кроме катушек, охлаж-
даются и шины, рассчитанные на ввод в электромагниты
тока 10 кА.
Объем криогенной системы раз в 10 больше, чем са-
мого токамака. Если учесть, что гелий циркулирует под
давлением 25—30 атм, на сжатие гелия перед ожижением
тратится мощность около 200 кВт, а вакуумные насосы
снабжены электроприводом 50 кВт, станет ясно, что опу-
танная трубопроводами, насыщенная вентилями криоген-
ная схема—самое громоздкое, хотя относительно прос-
тое звено установки.
Знакомство с устройством «Тскамака-7» позволяет
зримо оценить масштабы крупных сверхпроводящих объ-
ектов. Для массовой техники важно и то, что сверхпро-
водящие системы установок для физических исследо-
ваний служат своего рода лабораторными стендами, на
которых пробуются перспективные инженерные решения.
Пока для нужд физиков (а чуть позже она пригодится
создателям генераторов, трансформаторов, кабелей) ос-
воена технология выпуска практически всех известных
сверхпроводящих материалов. В лентах, шинах, проволо-
ках и обмоточных проводах на токи до 20 кА обычно ис-
пользуется ниобий-титан, а теперь и станнид ниобия.
В некоторые жилы встраиваются трубки для циркуляции
гелия; наиболее сложные многоволоконные жилы содер-
жат до 105 сверхпроводящих нитей диаметром 2—3 мкм,
скрученных для равномерной загрузки током; по заказу
жилы отжигаются, запекаются в разных матрицах;
они достаточно жестки, чтобы крепиться в прочнейших
бандажах для противостояния огромным смещающим
силам.
Строители электрических машин могут использовать
готовые конструкции сверхпроводящих обмоточных про-
водов. Опираясь на опыт физиков и дополняя его специ-
фическими решениями, электромашиностроители уже из-
готовили генератор средней мощности (20 МВт) малого
напряжения (6 кВ). Вслед за пуском машины 300 МВт
следует ждать появления генератора на 1000 МВт. В кон-
це столетия с него начнется серийный выпуск миллион*
ников для промышленной эксплуатации.
Что же в конечном итоге сверхпроводники дадут элек-
троэнергетике? Со времени, прошедшего после доклада
186
Г. Кржижановского по плану ГОЭЛРО на VIII Всерос-
сийском съезде Советов, прошло более 60 лет. Претво-
рение этого плана в жизнь позволило довести установ-
ленную мощность электростанций страны с одного до
200 ГВА. Мощности сверхпроводящего электрооборудо-
вания соответствуют, по-видимому, диапазону 2—3 тыс.
ГВА. Сверхпроводники в состоянии обновить оборудова-
ние станций, подстанций и сетей. Вот почему через 20 лет
и более от успеха работ по прикладной сверхпроводимо-
сти будет зависеть энергетическая мощь государства. По-
истине можно назвать программу перевода энергети-
ки на сверхпроводящее электрооборудование планом
ГОЭЛРО-П.
Конечной целью подобной программы видится энерге-
тика, основой которой станут атомные и термоядерные
станции с чрезвычайно мощными генераторами. Снаб-
женные сверхпроводящими обмотками на роторе и ста-
торе синхронные машины введут энергию через сверх-
проводящие выпрямители в 3—4 подземные линии, ог-
ромными кольцами обнимающие крупные районы страны.
Вблизи крупных регионов от колец отойдут радиальные
отростки переменного тока со сверхпроводящими инвер-
торами, преобразующими не только получаемую, но и
накапливаемую в системе магнитную энергию к промыш-
ленной частоте. В системе можно увидеть сверхпроводя-
щие токоограничители, мгновенно препятствующие про-
теканию аварийных токов.
Оборудование энергосистем станет в несколько раз
более мощным на единицу веса. Единичные мощности
агрегатов вырастут на порядок. Закрытое исполнение
низкотемпературных проводников позволит убрать элек-
тромагнитные поля из зон обслуживания, снизить индук-
тивные сопротивления. Напряжения сетей снизятся, по-
тому что сверхпроводники будут передавать огромные то-
ки. Значительно уменьшится число трансформаторных
подстанций. Введение сверхпроводящих накопителей в
определенные точки энергосистемы позволит перевести
электростанции на базовый, равномерный режим рабо-
ты. Наконец, крупные потребители постоянного и пере-
менного тока смогут по сверхпроводящим ЛЭП получать
энергию без преобразования напряжения.
Уже созданы модели многих устройств, которые пона-
добятся многоамперной энергетике. Осмысливаются
принципы их работы, осваиваются расчетные методики.
187
Пройдет 15—20 лет, и кто знает, быть может, электро-
энергетика начнет меняться на глазах, разделившись на
две функционально разные половины: бытовая (электро-
снабжение промышленных предприятий и жилых масси-
вов) почти наверняка останется горячей, а мощные агре-
гаты станций, подстанций и электрических сетей посте-
пенно будут заключены в теплоизоляционные оболочки,
становясь сверхпроводящими.
Специалисты по прогностике предрекают широкое ис-
пользование сверхпроводников не только в электрических
сетях. Автономные потребители коротких импульсов
энергии получат индуктивные накопители со сверхпро-
водящими обмотками. Печать США и Англии со-
общает о разработке сверхпроводящих генераторов и
двигателей, предназначенных для авиации и для уста-
новки на крейсерах и линкорах для привода гребных винтов.
Предлагается вывести в космическое пространство
огромные панели преобразователей солнечной энергии
в высокочастотное электромагнитное излучение. С сол-
нечных электростанций, неподвижно зависших над фик-
сированными точками, в сторону Земли будут направле-
ны мощные излучатели. Потоки буквально льющейся с
неба электроэнергии надо сфокусировать в нескольких
приемных пунктах поверхности, там преобразовать и на-
править токи промышленной частоты к основным цент-
рам потребления. Все электрооборудование космических
энергосистем должно быть сверхпроводящим: в против-
ном случае потери в проводниках конечной электропро-
водности достигнут астрономических величин.
Сверхпроводники удобно использовать в летательных
аппаратах. Из печати известны предложения оснащать
космические корабли сверхпроводящими соленоидами
(для защиты космонавтов от потоков заряженных час-
тиц), генераторами и двигателями (для электропривода
оборудования). Этому способствует бесплатный вакуум
космоса, низкие температуры в тени, компактность и эко-
номичность сверхпроводящих аппаратов.
Благодаря сверхпроводникам станет экономичней тех-
ника. По данным Мирового энергетического конгресса
1979 г., нужды человечества в энергии не беспредельны:
они будут насыщены полностью через 100—200 лет. Рас-
полагаемые электрические мощности вырастут до 100—
150 тыс. ГВт, после чего вряд ли будут изменяться. Ста-
билизируется и численность населения Земли (примерно
188
12 млрд. человек), и на одного жителя в среднем придет-
ся 10—15 кВт мощности, что удовлетворит все мыслимые
производственные, социальные и бытовые потребности
людей.
В общем энергобалансе роль электрической энергии
станет определяющей. Еще мощнее станут системы цен-
трализованной выработки электричества, автопарк пере-
йдет исключительно на аккумуляторный привод с подпит-
кой от сети, электрообогрев, электрохимия станут еще
более энергоемкими. Сейчас в электрооборудовании си-
стем теряется каждый десятый киловатт, значит, сверх-
проводники сэкономят 10—15 тыс. ГВт мощности. По се-
годняшним меркам размер экономии грандиозен, ведь
к 2000 г. уровень электроэнергетики мира будет около
2000 ГВА.
Даже в планетарных масштабах энергосберегающая
роль сверхпроводников существенна. Так, например, все
реки мира смогут дать лишь пятую часть энергии, кото-
рую сверхпроводники могли бы сэкономить в будущем.
Среди возобновляемых ресурсов предполагается освоить
тепло, запасенное в водах Мирового океана. Для этого
пришлось бы заполнить моря тропического пояса пла-
вучими тепловыми станциями, перегородить судоходные
пути теплопроводами. Потребовались бы огромные капи-
таловложения, морская теплоэнергетика может помешать
мореплаванию, может измениться климат (южные моря
станут холоднее на 1° С, их тепло будет передано в более
холодные районы). Но и тогда полученная тепловая
энергия морей обеспечит людей лишь шестой частью
энергии, которую могли бы сберечь сверхпроводники.
Или другой пример. Сверхпроводящее электрооборудова-
ние способно исключить потери, равные 0,03% энергии
солнечной радиации, получаемой Землей. Могут ли быть
нагляднее и убедительнее масштабы выгод, обещаемых
применением сверхпроводников?
Если смотреть с высот установившейся, полностью
сформировавшейся энергетики, то можно считать, что
сегодняшняя энергетика переживает младенческий этап
развития. Сейчас еще можно мириться с нагревом про-
водников электрическими токами, потому что абсолют-
ная величина потерь все же невелика (к 2000 г. всего
0,004 Вт/м2 из расчета на всю территорию планеты). До
сих пор электрики осваивали только горячую часть буду-
щих энергосистем: она сильно разветвлена из-за необхо-
189
димости разводить энергию по многочисленным мелким
потребителям, большинство электроагрегатов маломощ-
но, да и электрические сети формировались исходя из
требований момента.
Теперь, когда настало время создавать энергетику на
порядок более мощную, существующие сети целесообраз-
но оставить в качестве распределительных, но генериру-
ющую основу и системообразующий каркас новых сис-
тем надо бы создавать заново. Уже нельзя обойтись без
долгосрочного прогнозирования и планирования. При но-
вых уровнях мощностей без сверхпроводящего электро-
оборудования потери были бы неприемлемо велики, по-
тому что потоки энергии вырастут десятикратно.
Сверхпроводники могли бы качественно изменить
электротехнику, повысить эффективность электроэнерге-
тики. Но это не все: новые материалы помогли бы решить
сложную экологическую проблему нынешнего и будуще-
го столетий. Речь идет о тепловом загрязнении планеты.
Как стабилизировать тепловой баланс планеты? Одни
ученые предлагают затормозить, пока не поздно, рост
промышленности. Энергия сжигаемых топлив влияет на
климат, а энергетика становится все мощнее, вот-вот по-
явятся чрезвычайно крупные термоядерные станции.
В крайнем случае, добавляют противники техники, мож-
но предельно равномерно распределить промышленные
предприятия по территории планеты: ведь концентрация
производства эквивалентна концентрации тепловыделе-
ний со всеми вытекающими отсюда тепловыми следстви-
ями. Чтобы убедиться в малой реальности этих предло-
жений, следует вспомнить, что распыление технических
средств во времени и пространстве снижает действен-
ность и эффективность работы промышленности.
Другие специалисты более умеренны. Будучи сторон-
никами научно-технического прогресса, они предлагают
регулировать тепловой режим планеты техническими
средствами. Уже известны проекты устройства энергети-
ческих туннелей через атмосферу для вывода избыточно-
го тепла в космос за пределы Земли; в принципе можно
искусственно менять степень отражения солнечных лу-
чей в глобальном масштабе: вполне реально часть време-
ни работы солнечных электростанций (при их достаточ-
ном числе) использовать гелиостаты для отражения сол-
нечных лучей в космос с целью вывода тепла, равного
энергии сжигаемых топлив (природного газа, нефти, уг-
190
ля, урана, а в будущем и сырья для термоядерного син-
теза).
Сверхпроводники, конечно, не решат проблемы теп-
лового загрязнения планеты, но могут ее смягчить. Уст-
ранение омических сопротивлений позволило бы снизить
потери энергии без какого-либо ущерба для энергоемко-
сти промышленных потребителей, что дало бы время для
поиска окончательного ответа на актуальный вопрос: как
остановить перегрев планеты индустриальными тепловы-
делениями?
Заключение
РАЗМЫШЛЕНИЯ О ВНЕДРЕНИИ
Освоить сверхпроводимость — значит проникнуть в
необычный идеальный мир без трения, само существова-
ние которого было интригующей загадкой для науки.
Движение — это основа существования материи, но дви-
жению всегда есть препятствия. Через них тела обмени-
ваются механическими импульсами, вовлекаясь в процесс
взаимодействия. Если нужно сохранить движение в чис-
том виде, нужно устранить помехи перемещению. Эти по-
мехи принято называть трением (внешним, внутренним)
или сопротивлением среды.
Трение сопутствует любому взаимодействию тел или
тел с полями. Вот почему ни один мыслитель, ученый или
инженер не мог пройти мимо проблемы трения. Еще Ари-
стотель (384—322 до н. э.) создал теорию движения тел
в земных, реальных условиях, когда присутствуют вяз-
кие среды, такие, как вода, воздух. Нельзя не согласить-
ся с энциклопедистом древности в том, что «движение
без усилий не сохранится», ибо трение уничтожает прило-
женное к телу «насильственное действие».
Задачу о силах, мешающих двум сцепленным телам
сдвигаться относительно друг друга, впервые сформули-
ровал схоласт Брадвардайн (1328 г.). Предложенный им
закон оказался неверен, но ведь первая попытка редко
бывает успешной. Гораздо ближе к истине приблизился
великий Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.). Проведя
серию опытов, он записал в дневнике, что «каждым тя-
желым телом побеждается сопротивление трения, равное
четвертой части веса тела».
191
До сих пор не удается чисто аналитически рассчи-
тать силы, мешающие двум телам скользить по соприка-
сающимся поверхностям. Задача эта исключительно
сложна, потому что приходится учитывать множество
факторов, которые влияют на состояние граничной зоны.
Вот почему нельзя обойтись без коэффициентов трения,
определяя их экспериментально для каждой трущейся
пары.
Искали методы борьбы с помехами перемещению
Г. Галилей и X. Гюйгенс. Закон внешнего трения сколь-
жения переоткрыл Г. Амонтон (1700 г.): с тех пор оста-
валось только уточнять значения коэффициентов трения
разных тел друг о друга. Механикой занимался Ш. Ку-
лон (1736—1806 гг.), который нашел зависимость силы,
мешающей качению цилиндров (или круглых шаров), от
радиуса тела, нормальной силы между телом и опорой
и состояния касающихся поверхностей, которое опять-та-
ки приходилось учитывать эмпирическим коэффициен-
том.
Когда говорят о И. Ньютоне (1643—1727 гг.), обычно
имеют в виду закон всемирного тяготения. Но чтобы до-
казать справедливость этого закона, ученому пришлось
глубоко изучить и понять механику движения тел в вяз-
ких средах. Ведь в те годы многие разделяли декартов-
ское мнение о тонком эфире, заполняющем пространство
и переносящем планеты своими вихрями. Вот почему
треть главного труда жизни, «Математических начал на-
туральной философии», Ньютон посвятил расчетам сил,
мешающих движению. Ведь если бы эфир существовал,
то из-за его конечной вязкости планеты Солнечной систе-
мы не смогли бы перемещаться в пространстве ритмично
и по идентичным орбитам. Доказав, что эфира нет, Нью-
тон обосновал решающую роль сил тяготения и инерции,
господствующих в мировом пространстве.
Все, что относится к механическому трению, справед-
ливо для электрического сопротивления. Линейно зави-
сят от скорости те силы, которые мешают продавливанию
пластины через газ низкого давления, и те силы, которые
препятствуют направленному движению электронов, об-
разующих ток в металле (закон Ома).
К электрическому трению приходится приспосабли-
ваться, еще чаще с ним борются. Давно известны четыре
способа уменьшения сопротивления проводника электри-
ческому току: подбор хорошо преведящего материала,
192
увеличение сечения и уменьшение длины проводника, ох-
лаждение металла, снижающее рассеяние электронов на
тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки.
С помощью сверхпроводников удалось найти неожидан-
ное решение: мешающая среда осталась, она продолжа-
ет возмущать движение одиночных электронов, но, объе-
диненные в пары, электроны перестали взаимодейство-
вать со средой. Жаль, что этот способ борьбы с трением
справедлив только в квантовомеханическом мире атомов
и элементарных частиц, а то бы два груза, скрепленных
ниткой, могли бы без трения смещаться там, где сопро-
тивление среды гасит движение одного тела.
Удивительно, но сверхпроводимость свойственна не
только металлам. Почти полвека известна гипотеза
Ф. Лондона о сверхпроводящем механизме памяти. Не-
давно появились идеи о бесконечной электропроводности
родопсина — белка, обеспечивающего зрительный про-
цесс. Разработана теория о пи-электронах, которые мо-
гут без трения смещаться внутри сложных органических
молекул.
В 1980 г. французские физики обнаружили, что искус-
ственное органическое соединение (TMTSF)2PF6 с нор-
мальным электросопротивлением 10~7 Ом*м (почти как
у железа, олова, никеля или платины) при охлаждении
до 15 К становится полупроводником, а при 0,9—1,0 К
и давлении 12 атм — сверхпроводником с критическим
полем 0,014—0,050 Т. А через год датские физики обна-
ружили сверхпроводимость у кристалла органического
проводника примерно того же состава, но уже при обыч-
ном давлении. Уже много лет известно о сверхпроводи-
мости некоторых полупроводников. Советские физики за-
фиксировали переход серы при высоких давлениях в
сверхпроводящее металлическое состояние. Относительно
недавно появилось сообщение о необычном поведении
простого соединения серы с кадмием: в жидком азоте
сульфид кадмия вдруг выталкивает магнитное поле, слов-
но сверхпроводник. Даже инертный газ ксенон при дав-
лениях 320 тыс. атм начинает проявлять металлические
свойства, проводить ток лучше меди.
Подобных примеров немало, и они множатся день за
днем. Возможно, что и сверхпроводимость не уникальное
явление, а распространенное свойство различных веществ.
Потому и использование сверхпроводимости перестает
выглядеть случайным действием, зависящим от воли от-
193
дельных людей, но не диктуемых объективными законо-
мерностями развития физики и техники. Техническая
сверхпроводимость по праву приобретает права граждан-
ства, законное место в электротехническом мире.
Постепенно становится известно о чрезвычайно широ-
ком распространении сверхпроводников в природе. Так,
еще в 1963 г. американский металлофизик Б. Маттиас ут-
верждал, что «сверхпроводимость не является редким
явлением, она возникает не в результате какого-то чувст-
вительного баланса сил между разными видами взаимо-
действия. Вероятно, сверхпроводимость всегда является
конечным состоянием металла, если он достаточно чист,
а температура достаточно низка». Отмечая, что сверхпро-
водников в сотни раз больше, чем ферромагнетиков, Мат-
тиас утверждал, что сверхпроводимость и ферромагне-
тизм есть явления родственные, ибо порождаются спино-
вым взаимодействием электронов. И как бы завершая
разговор о всеобщей распространенности этого явления,
в 1979 г. советские физики получили золотую медаль
им. Ломоносова за выдвинутое и научно обоснованное
предположение о сверхпроводящем состоянии физиче-
ского вакуума.
Кроме сверхпроводимости, известно еще одно сверхъ-
явление — сверхтекучесть гелия при температурах ниже
2,2 К. Ф. Лондон называет такой гелий «сверхтеплопро-
водником» по аналогии с известными металлическими
«сверхэлектропроводниками». При лямбда-переходе теп-
лопроводность гелия резко возрастает до огромной вели-
чины 105 Вт/м-град вместо 10-2Вт/м-град у обычного ге-
лия. Это в тысячу раз больше, чем у лучших проводников
тепла — серебра и меди. Причина чрезвычайно высокой
теплопроводности Не-И: перенос тепла нормальными мо-
лекулами жидкости, которые смещаются без трения вну-
три сверхтекучей компоненты. Характерно, что сверхте-
кучесть и сверхпроводимость даже разрушаются при оди-
наковых скоростях потоков жидкости или электронов
(примерно 50—100 м/с).
Механизм сверхтекучести справедлив не только для
сверхнизких, но и для сверхвысоких температур. В инсти-
туте физики Грузинской АН разработана модель поведе-
ния вещества пульсаров. Теперь стали ясны причины их
внезапного ускорения и изменения ритма излучений: вне-
запное исчезновение внутреннего трения. Кстати, уже
обнаружена сверхтекучесть атомарного водорода!
194
Сверхтекучесть только начинает использоваться в тех-
нике, главным образом при охлаждении некоторых сверх-
проводящих систем физического назначения. Сегодня
техника основное внимание уделяет сверхпроводникам.
Внедрение этих материалов с бесконечной электропровод-
ностью полезно по многим соображениям. Так, особенно
важен рост единичной мощности электрооборудования и
экономичность работы.
Для электротехнических агрегатов, изготовленных из
обычных активных материалов, вместе с увеличением
мощности одновременно растут размеры, масса, стои-
мость и потери. Зато в сверхпроводящих объектах вместе
с мощностью увеличиваются только размеры, масса и
стоимость, причем гораздо менее быстро, а потери про-
порциональны не третьей, а только второй степени раз-
меров, так как пропорциональны не объему агрегата, а
его поверхности. Вот почему применение сверхпроводни-
ков становится все выгоднее с увеличением единичной
мощности объекта. Развитие энергетики как раз достигло
того предела, за которым выгоден ее перевод на низко-
температурное охлаждение.
Охлаждать сверхпроводники дешевле, чем терпеть по-
тери в обычных проводниках. Сверхпроводники нужны
там, где нужно экономить, а потому они нужны везде.
Ведь важно не только производить новые ценности, но
бережно тратить существующие. В истории техники
встречалась аналогичная ситуация: при сооружении гид-
роэлектростанций приходилось увеличивать капиталовло-
жения, чтобы производить дешевую электроэнергию.
Только в том случае, когда нужно обеспечить быстрый
подъем энергетики, строятся недорогие, но малоэконо-
мичные тепловые станции. Так и с проводниками: мате-
риалы нормальной электропроводности использовать лег-
ко, но потери мощности постепенно сводят на нет
первоначальный выигрыш в стоимости. Зато умеренное
возрастание первичных затрат (а в ряде случаев можно
обойтись и без этого) быстро окупается устранением джо-
улевых потерь в сверхпроводниках.
Внедрение нового материала выгодно, если ориенти-
роваться на его использование в течение многих лет. При-
менение сверхпроводящего электрооборудования — это,
пожалуй, стратегическое, а не тактическое решение. Для
достижения малых целей эти материалы все же дороги.
Первичные затраты можно, конечно, ограничить, если при
195
реализации долговременных программ осуществлять их
стадийно, чтобы в первую очередь удовлетворить насущ-
ные нужды сегодняшнего дня. Вот почему понадобится
немало лет, прежде чем сверхпроводники займут достой-
ное место в технике.
Сверхпроводники — это все же тяжелая артиллерия,
орудия весьма большого калибра и чрезвычайно больших
последствий. Считается, что по масштабу проблема осво-
ения сверхпроводимости уступает лишь космической про-
грамме, созданию атомной энергетики и поискам в обла-
сти термоядерного синтеза. Но уж если сверхпроводники
попадут в электротехнику, они останутся там навсегда,
потому что придется экономить любые первичные ресур-
сы сырья и энергии.
Внедрению сверхпроводников иногда мешает психо-
логическая преграда — кажущаяся нетрадиционность
сверхпроводящих объектов. Как-то внезапно эти матери-
алы попали в сферу интересов техники, но обращение
к ним вовсе не случайно. Сторонники плавного, эволю-
ционного развития электротехники полагают, что снача-
ла, если уж говорить об искусственном охлаждении про-
водников, было бы логичным перевести все токонесущие
объекты на водяную циркуляцию. Так, собственно, уже
делают, омывая водой обмотки статора и ротора в круп-
ных турбогенераторах, шины мощных токопроводов.
А еще раньше начали применять прокачку масла, запол-
няющего баки трансформаторов или трубы, в которых
проложены мощные силовые кабели.
Вот и давайте продолжать в том же духе, советуют
некоторые. Отработав технологию охлаждения проводни-
ков воздухом, маслом или водой, можно перейти на ис-
пользование фреонов, потом жидкого азота и, постепен-
но спускаясь по шкале температур, добраться до глубо-
кого холода, нужного сверхпроводникам.
Слов нет, постепенный ход развития разумен, и на его
фоне резкие прыжки в глубь температурного колодца
выглядят слишком дерзко, даже эксцентрично. Но оправ-
данность постепенного нарастания интенсивности охлаж-
дения только кажется логичной, на самом деле она не-
приемлема. Дело в том, что затраты на охлаждение всег-
да выше экономии на повышении электропроводности
вплоть до некоторой предельной температуры. Опустив-
шись за этот низкотемпературный порог, будет выгодно
работать с проводниками обычной электропроводности:
196
потери в них снижаются настолько, что энергии хватает
для привода рефрижераторов. Но сверхпроводники и
здесь остаются материалами исключительными, потому
что их всегда выгодно охлаждать.
Многообещающие показатели сверхпроводников по-
зволяют надеяться, что на них можно сделать главную
ставку в развитии очень большой и очень малой электро-
техники: с одной стороны, оборудования огромной мощ-
ности; с другой стороны, сверхбыстрых, сверхточных при-
боров и вычислительных средств. Электромагнитные
аппараты средних параметров, используемые на произ-
водстве и в быту, пока еще рано переводить на глубокое
охлаждение, но, быть может, скоро настанет и их очередь.
Применению сверхпроводников в технике способству-
ет многое. Во-первых, требуемые народному хозяйству
энергогиганты с помощью сверхпроводников могут стать
гораздо более мощными, экономичными и компактными.
Во-вторых, в фундамент криогенной электротехники за-
ложены самые перспективные научные идеи. Новизна ис-
ходных идей гарантирует, что холодное электрооборудо-
вание морально не устареет, когда через одно-два деся-
тилетия появятся первые серийные агрегаты.
Немаловажно и то (это в-третьих), что программа
внедрения сверхпроводников базируется на разнородных
знаниях, что служит залогом взаимного обогащения мно-
гих научных дисциплин и технических методик. Наконец,
в-четвертых, не исчерпаны потенциальные возможности
технической сверхпроводимости. Еще много сюрпризов
скрыто на дальнейшем пути научных поисков.
Именно ученым первым приходится видеть поражаю-
щие горизонты будущего, осмысливать неизбежные из-
менения той или иной ситуации. Но так или иначе вся
полученная информация попадает к людям техники для
использования в разных сферах материального произ-
водства. «Мы располагаем большими резервами в народ-
ном хозяйстве...— подчеркнул на ноябрьском (1982 г.)
Пленуме ЦК КПСС Генеральный секретарь ЦК КПСС
Ю. В. Андропов.— Эти резервы надо искать в ускорении
научно-технического прогресса, широком и быстром внед-
рении в производство достижений науки, техники и пе-
редового опыта».
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
А л ф е е в В. Полупроводники, сверхпроводники и параэлектри-
ки в криоэлектронике. М., Советское радио, 1979.
Астахов 10. и др. Сверхпроводящие линии электропередачи.
М, ВИНИТИ АН СССР, 1971.
Врем ер Дж. Сверхпроводящие устройства. М., Мир, 1964.
Б у к к е л ь В. Сверхпроводимость. Основы и приложения. М.,
Мир, 1975.
Веников В., Зуев Э., О к о л о т и н В. Сверхпроводники в
энергетике. М., Энергия, 1972.
Волков А., Заварицкий Н., Надь Ф. Электронные уст-
ройства на основе слабосвязанных сверхпроводников. М., Советское
радио, 1978.
Вопросы применения сверхнизких температур в электротехнике.
Сборник статей. Под ред. В. Г. Новицкого. Л., Наука, 1971.
Глебов И., Лаверик Ч., Шахтарин В. Электрофизиче-
ские проблемы использования сверхпроводимости. Л., Наука, 1980.
Зенкевич В. и др. Сверхпроводники в судовой технике. Л.,
Судостроение, 1971.
Зенкевич В., Сычев В. Магнитные системы на сверхпро-
водниках. М., На^ка, 1972.
К о з о в с к и й Е., Карцев В., Шахтарин В. Сверхпроводя-
щие магнитные системы. Л., Наука, 1967.
Карасик В. Физика и техника сильных магнитных полей. М.,
Наука, 1964.
Лаверик Ч. Сверхпроводящие магниты. М., Мир, 1968.
Л инт он Э. Сверхпроводимость. М., Мир, 1971.
Основные свойства сверхпроводников и применение их в технике.
М., Информэлектро, 1965.
Применение сверхпроводимости и глубокого охлаждения в транс-
форматоростроении. М., Информэлектро, 1968.
Р о у з-И не А., Родерик Е. Введение в физику сверхпроводи-
мости. М., Мир, 1972.
Свалов Г., Белый Д. Сверхпроводящие и криорезистивные
обмоточные провода. М., Энергия, 1976.
Сверхпроводимость. Труды конференции по техническому исполь-
зованию сверхпроводимости. Т. 1—5. М., Атомиздат, 1977.
Сверхпроводимость и ее применение. М., ВИНИТИ АН СССР,
1977.
Сверхпроводимость и ее применение в электротехнике. Пер. под
ред. Б. К. Буля, Б. М. Тареева. М., Энергия, 1964.
Сверхпроводящие материалы. Пер, под ред. Е. Савицкого. М.,
Мир, 1965.
Сверхпроводящие соленоиды. Пер. под ред. Н. Е. Алексеевского.
М., Мир, 1965.
Слабая сверхпроводимость (Квантовые интерферометры и их
применения). Под ред. С. Фонера, Б. Шварца. М., Мир, 1980.
Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред.
М. П. Малкова. М., Энергия, 1973.
Кроме того, использованы многие отечественные и зарубежные
научные публикации, а также материалы из журналов «Природа»,
«Химия и жизнь», «Знание — сила», «Техника — молодежи», «Техника
и наука», из газет «Правда», «За рубежом» и др.
198
СОВЕТУЕМ ПРОЧИТАТЬ
Б р е х н а Г. Сверхпроводящие магнитные системы. М., Мир,
1976.
Грачев А., Калинин Н. Получение и использование низких
температур. М., Энергоиздат, 1981. -
Джо л л и У. Криоэлектроника. М., Мир, 1975.
Е Кимов В. Д. Низкие температуры в технике связи. М.,
Связь, 1975.
Каган ер М. Г. Тепловая изоляция в технике низких темпера-
тур. М., Машиностроение, 1966.
Карцев В. Магнит за три тысячелетия. М, Атомиздат, 197».
Карцев В. Сверхпроводники в физике и технике. М., Знание,
1965
Карцев В. Сверхсильные магнитные поля. М., Знание, 1967.
Кресин В. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. М., Наука,
1978
Криохирургия. Под ред. Э. И. Канделя. М., Медицина,
1974
Мал ков М. П., Данилов И. Б. Криогеника. М., Знание,
1970
МартыновА. В., Б р о д я н с к и й В. М. Что такое вихревая
труба? М, Связь, 1976.
Мендельсон К. На пути к абсолютному нулю. М., Атомиз-
дат, 1971.
Паркинсон Д., Малхолл Б. Получение сильных магнит-
ных полей. М., Атомиздат, 1971. т
Патрунов Ф. Холод и техника. М., Московский рабочий, 198L
Сверхпроводящие машины и устройства. Под ред. С. Фонера,
Б. Шварца. М., Мир, 1977.
Уильяме Дж. Сверхпроводимость и ее применения в технике.
М., Мир, 1973. т^ о г»
Фастовский В. Г., Петровский Ю. В., Новин-
ский А. Е. Криогенная техника. М., Энергия, 1974.
Физика низких температур. Пер. под ред. А. И. Шальникова.
М., Изд-во иностр. лит., 1959.
Физики о физике. Сверхпроводимость. М., Знание, 19/о.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ
Начало обновления электротехники 4
ГЛАВА ПЕРВАЯ
Четыре барьера 12
ГЛАВА ВТОРАЯ
Применение сверхмагнитов 63
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
Разработка сверхизмерителей 121
ГЛАВА-ЧЕТВЕРТАЯ
Сверхэнергетика будущего 146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Размышления о внедрении 191
Использованная литература 198
Советуем прочитать 199
Владимир Степанович ОКОЛОТИН
СВЕРХЗАДАЧА ДЛЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
Главный отраслевой редактор В. П. Демьянов
Редактор В. М. К л и м а ч е в а
Мл. редактор Н. П. Т е р е х и н а
Художник М. А. Дорохов
Худож. редактор М. А. Бабичева
Техн. редактор Н. В. Л б о в а
Корректор Н. Д. М е л е ш к и н а
ИБ № 5113
Сдано в набор 05.04.82. Подписано к печати 24.01.83. Т 02055.
Формат бумаги 84хЮ87з2- Бумага тип. № 1. Гарнитура лите-
ратурная. Печать высокая. Усл. печ. л. 10,50. Усл. кр.-отт. 10,82.
Уч.-изд. л. 11,20. Тираж 100 000 экз. Заказ 880. Цена 35 коп.
Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд
Серова, д. 4. Индекс заказа 827730.
Киевская книжная фабрика. 252054, Киев-54, ул. Воровского, 24.