Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

8. Большой адронный коллайдер, расположенный на границе Франции и Швейцарии (на заднем плане видны Женевское озеро и Альпы). Адроны – класс элементарных частиц, к которому принадлежат протоны. Длина окружности подземного кольца (показано большим желтым кругом), в котором ускоряются протоны, составляет 26 659 км. Вдоль кольца установлены детекторы, предназначенные для различных исследований

БАК в ЦЕРН

Весной 2012 года была обнаружена новая элементарная частица – бозон Хиггса, – а точнее, по словам исследователей ЦЕРН, «частица, совместимая с бозоном Хиггса» (физики – осторожные люди!). Существование этой частицы было давно предсказано теоретически, а также полностью согласовывалось с существующими экспериментальными наблюдениями. Доказательство существования этого таинственного бозона объяснило бы, почему элементарные частицы имеют массу.

Чтобы удостовериться в существовании бозона Хиггса и иметь возможность проводить другие фундаментальные исследования, недалеко от Женевы построили подземное кольцо длиной 26,66 км – Большой адронный коллайдер (БАК) (илл. 9). Протоны в нем разгоняются до скоростей, очень близких к скорости света, с помощью сильнейших магнитных полей, направляющих их по круговой траектории. Это поле генерируется с помощью установленных вдоль кольца нескольких тысяч сверхпроводящих магнитов. Использование обычных магнитов потребовало бы дорогостоящих охлаждающих устройств, которые ввиду их громоздкости было бы невозможно разместить в туннеле. Ниобий-титановые сверхпроводящие провода, из которых изготовлены обмотки магнитов, способны нести токи, достигающие 12 000 A. Для охлаждения всего этого циклопического устройства до температуры ниже 2 K требуются недели.

ИТЭР: энергия XXII века?

Еще одна машина, в которой используются сверхпроводники, – это Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР (от англ. ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor), который в настоящее время строится в Кадараше, недалеко от ущелья Вердон во Франции. ИТЭР предназначен для выработки энергии путем ядерного синтеза. Напомним, что реакция ядерного синтеза состоит в том, что при слиянии двух легких ядер (например, дейтерия ²H и трития ³H) образуется более тяжелое ядро. В процессе этой реакции, как и при делении тяжелых ядер (см. главу 13, «Как использовать ядерную энергию?»), высвобождается энергия. Для ядерного синтеза требуется очень высокая температура (100 000 000 K!); именно посредством слияния ядер вырабатывается энергия Солнца. Ионизированные частицы образуют «плазму» – горячий газ, который необходимо удержать в объеме камеры, не позволяя ему коснуться стенок. В случае ИТЭР такое удержание обеспечивается магнитным полем, воздействующим на движущиеся в тороидальной камере заряженные частицы (илл. 10). Словом, механизм тот же, что и в ускорителях частиц, таких как БАК. Однако в последнем пучок протонов очень узкий, а радиус их траекторий гигантский (порядка 10 км). Радиус реактора термоядерного синтеза намного меньше, и между тем объем, в котором необходимо удерживать плазму при нескольких сотнях миллионов градусов, все равно составляет 840 м³.

9. Модель реактора ИТЭР, вид в разрезе. Он имеет высоту пятиэтажного здания, диаметр – около 30 м. В центре находится соленоид (обозначенный серым цветом), который разгоняет заряженные частицы. Красным показано 18 катушек тороидального поля, которые удерживают плазму в камере. Шесть дополнительных катушек (фиолетовые) полоидального поля (то есть направленного вдоль линий, проходящих через полюсы сферической системы координат) не позволяют раскаленной плазме соприкоснуться со стенками и обеспечивают ее стабильность. Для изготовления различных катушек в такой установке было затрачено более 500 т сверхпроводящего сплава Nb₃Sn

ИТЭР представляет собой токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), тип устройства, изобретенный в 1950-е годы двумя российскими физиками: Андреем Сахаровым (1921–1989) и Игорем Таммом (1895–1971). В первых токамаках использовались обычные электромагниты, которые потребляли огромное количество энергии. Необходимые для удержания плазмы магнитные поля порядка 10 Тл, то есть достаточно умеренны и позволяют для их создания использовать сверхпроводящие магниты, что обеспечивает значительную экономию энергии. Цель создания и введения в эксплуатацию ИТЭР – продемонстрировать возможность использования термоядерного синтеза как потенциального источника энергии. Конкретные результаты, то есть экономически эффективное и безопасное производство электроэнергии путем ядерного синтеза, ожидаются, по самым оптимистичным прогнозам, к 2040 году.

И будущие способы применения…