Серебряной рекою опоясан...

Эта глава о сверхмощных соленоидах начинается с "проклятой" формулы, выведенной в 1898 году, и идеи, заимствованной у конструкторов атомных реакторов. Затем речь заходит о магните - грейпфруте и магните из жидкого серебра, а после этого автор делает попытку спуститься вместе с читателем вниз по шкале температур, что, как полагают ученые, позволит резко увеличить эффективность сверхмощных магнитов.

Серебряной рекою опоясан...

В истории магнита почетное место принадлежит американскому физику Френсису Биттеру. Он родился в городе Виховкин штата Нью-Джерси в 1902 году. Двадцати восьми лет он стал доктором философии за свои исследования магнитных свойств газов. Затем он поступает на службу в электроконцерн "Вестингауз", где изучает теоретические и технические проблемы магнетизма. Позже перешел на преподавательскую деятельность в Массачусетский технологический институт, где им были построены прославившиеся впоследствии "биттеровские соленоиды".

Биттер - человек, вся жизнь которого посвящена магнетизму и магнитам. Даже во время войны он не захотел бросать любимого дела и занимался... магнитными минами и защитой от них. Этими же вопросами занимался в то же время в осажденном Севастополе Игорь Васильевич Курчатов.

Биттеру удалось построить самые мощные в свое время электромагниты. Началось дело, как это всегда бывает, с проблемы.

В тридцатых годах Биттеру для исследования тонких магнитных явлений в газах потребовалось сильное магнитное ноле - примерно в сто тысяч эрстед. Необходимо было в короткий срок создать магнит, который мог бы в течение длительного времени - несколько часов - обеспечивать исследователю это грандиозное поле, в двести тысяч раз превышающее магнитное поле Земли.

Перед тем как приняться за решение задачи, Биттер решил изучить все, что было до него сделано в области сильных магнитных полей.

Вращательное преобразование силовых линий. Обмотки стелларатора выполнены таким оюразом, чтобы силовые линии (показаны стрелкой) оюразовали не круг, а тороидальную поверхность. Это дает возможность избежать разделения положительных и отрицательных частиц

В это время уже работали очень мощные электромагниты в Белле-Ви, под Парижем (поле до 60 тысяч эрстед) и в Уппсальском университете в Швеции - с полем до 70 тысяч эрстед. Это были громадные сооружения со стальным магнито-проводом и ярмом, классические магниты весом в десятки тонн. В то же время Биттеру было прекрасно известно, что повышение поля до 60-70 тысяч эрстед стоило физикам очень дорого; по сравнению с компактными стандартными магнитами, дающими 30-40 тысяч эрстед, весящими что-нибудь около тонны, уппсальский и парижский магниты были похожи на вымерших чудовищ. Такой была за счет насыщения стали цена увеличения поля всего в два раза. Нечего было и думать о том, чтобы получить сто тысяч эрстед с помощью электромагнита со стальным сердечником, хотя теоретически можно легко показать, что, несмотря на "насыщение", в магнитных системах со сталью можно получить какое угодно большое поле. Бесконечное поле будет в том случае, когда вся Вселенная, за исключением точки, в которой создается магнитное поле, будет заполнена полностью намагниченным железом...

Биттер прекрасно понимал, что для достижения ста тысяч эрстед ему придется заполнить насыщенным железом если не Вселенную, то уж во всяком случае всю свою лабораторию. Вариант с железным сердечником не подходил.

Другой путь был известен со времени открытия французскими учеными Араго и Ампером электромагнита без стального сердечника, позже названного соленоидом и представляющего собой спираль, обтекаемую электрическим током. Неприятности, которые подстерегали на этом пути, были сформулированы французским электротехником Фабри и выражались "формулой Фабри", опубликованной в журнале "Электрическое освещение" за 1898 год. (Как-то один мой приятель - высококвалифицированный расчетчик магнитов - представил заместителю директора по хозяйственной части на подпись список статей, которые ему нужно было переснять для работы из различных журналов. Заместитель вычеркнул из списка упомянутую статью Фабри и сказал укоризненно: "Занимаетесь, молодой человек, ультрасовременными вещами, а переснимаете какое-то старье. С тех пор уже все переменилось").

О чем говорит формула Фабри? Об очень грустных вещах: если вы хотите увеличить магнитное поле, например, в десять раз - извольте увеличить электрическую мощность, расходуемую в соленоиде, в десять в квадрате раз, то есть в сто раз. Для достижения сильных магнитных полей потребуются целые электростанции. Академику П. Л. Капице, уже в 1923-1927 годах получившему поле в 500 000 эрстед, не пришлось преодолевать эту трудность - он создавал поле, продолжающееся во времени лишь одну тысячную долю секунды. Но этот выход для Биттера также не подходил - ему нужны были длительные поля. Выход был ясен - нужно строить соленоид.

Тогда Биттер отправился на Бостонскую электростанцию. Ему удалось договориться с начальством Эдисоновской электрической компании о том, что в те часы, когда город будет мирно спать, и, следовательно, в городе будет некоторая свободная электрическая мощность, Биттер будет питать этой мощностью свой прожорливый магнит. Магнит размером с автомобильное колесо был установлен в одном из помещений электростанции. Когда его включили впервые в 1937 году, в зале случилось что-то невообразимое - мелкая железная пыль, опилки, гвозди, болтики устремились со всех концов помещения к небольшому бронзовому кожуху, к которому подходили две мощные водопроводные трубы. По этим трубам подавалась охлаждающая вода из теплообменника, который омывался водой реки, протекавшей поблизости. Роль этих труб очень серьезна. Если бы к магниту не подавалась охлаждающая вода со скоростью пятьдесят литров в секунду, магнит мгновенно бы испарился.

Действительно, в магните тратилась мощность, примерно равная 1700 киловатт, или 1,7 мегаватта. Вся эта мощность выделяется в виде тепла, которое необходимо тут же отводить во избежание повышения температуры магнита.

Конструкция Биттера оказалась столь удачной, что до сих пор соленоиды, построенные по сходному принципу, называют биттеровскими. Оригинальный биттеровский соленоид, с помощью которого было получено впервые в течение длительного времени магнитное поле напряженностью 100 тысяч эрстед, представлял собой штампованные медные диски с шестьюстами отверстиями для охлаждающей воды, имевшие радиальную прорезь. Прорезь служила для того, чтобы, немного изогнув диск, можно было присоединить его к следующему диску с тем, чтобы образовалась непрерывная спираль с током.

Первый биттеровский соленоид с полем 100 тысяч эрстед, будучи сильнейшим в мире, непрерывно работал "на науку", вплоть до того времени, когда для исследований понадобились еще более сильные поля и в еще большем объеме. Единственным перерывом в этой деятельности было то время, когда для осуществления манхеттенского проекта с помощью магнита Биттера в Окридже разделяли изотопы урана.

Бурное развитие многих отраслей физики в 1960-х годах, особенно таких, как магнитное удержание плазмы, исследования сверхпроводимости, антиферромагнетизма, квантовой оптики, элементарных частиц привели к тому, что сверхсильные магнитные поля стали остро необходимы, и для их получения был организован ряд лабораторий и институтов в Советском Союзе, США и Англии. Нужно сказать, что благодаря усиленному интересу к этой области ни одно из природных явлений, исключая магнитное поле, ученые до сих пор не смогли воспроизвести в лаборатории с такой мощью, как это делает природа. Давления,, температуры, энергия элементарных частиц, полученные человеком, ниже тех, которые созданы природой.

Достигнутое в 1965 году магнитное поле в 250 тысяч эрстед в полмиллиона раз больше земного, в сто раз больше поля солнечных пятен и лишь в четыре раза уступает магнитному полю, которое, по расчетам, должно существовать в атомном ядре.

Поле в 250 000 эрстед было достигнуто в национальной^ магнитной лаборатории в Соединенных Штатах с помощью тройного соленоида, созданного Кольмом по расчету Монтгомери. Магнит с внутренним диаметром 10 сантиметров состоит из трех коаксиальных соленоидов. Полная потребляемая им мощность составляет 16 000 киловатт. Самая внешняя секция намотана полой медной шиной квадратного сечения. Внутренние секции выполнены из медных дисков, на поверхности которых химическим способом вытравлены радиальные каналы для охлаждения.

В магните использовано более трех тонн меди, а давление магнитного поля на внутренние секции так велико, что медь при этом начинает "течь". Это давление более чем в три раза превышает то, которое существует на дне глубочайшей океанской впадины.

Первый биттеровский соленоид. Стрелками указано направление тока. Медные диски изолированы друг от друга слюдяными прокладками

Интересна система охлаждения этого магнита. В ней использованы достижения в технике строительства атомных реакторов. В соленоиде, рассчитанном Монтгомери, использован принцип "пленочного" кипения. Температура охлаждаемой медной спирали при этом была выше 100°С, что вызывало возникновение на ней многочисленных пузырьков пара, которые в течение тысячных долей секунды рассасываются в громадной массе сравнительно холодной воды, водопадом обрушивающейся на соленоид. Так как удельная теплота парообразования воды очень велика то при образовании на поверхности спирали пузырьков от спирали отнимается гораздо более значительная энергия, чем та которая отнималась бы просто за счет нагревания охлаждающей воды. Этот принцип "локального", или "пленочного" кипения был впервые использован в небольшом магните Кольма, дававшем поле 126 000 эрстед. По сравнению с соленоидом Биттера на 100 000 эрстед этот магнит был просто крошкой - по объему в 25 раз меньше и величиной с грейпфрут.

На сходном принципе охлаждения основана работа еще одного грандиозного магнита. Он построен в Физическом институте Академии наук СССР под руководством академика А. Прохорова научными сотрудниками Л. Максимовым и В. Веселаго. Соленоид, напоминающий из-за множества шлангов-щупалец чудовищного осьминога, рассчитан на получение магнитных полей величиной в 200 000 эрстед. Для того чтобы снабжать это "чудовище" электроэнергией, в институте построена специальная электростанция.

Колоссальное поле, полученное Кольмом в его магните на 250000 эрстед, занимает сравнительно небольшой объем, хотя размер магнита - более метра в поперечнике. В рабочую зону диаметром в десять сантиметров можно разве что засунуть кулак, да и то не всякий. Проводить какие-либо крупномасштабные исследования на этом соленоиде затруднительно, и поэтому конструкторы искали все новых путей, с помощью которых можно было бы получать значительные поля в значительных объемах.

Может быть, использовать другое охлаждающее вещество? В этом смысле интересный эксперимент был сделан в Калифорнийском университете. Там еще в 1959 году был построен соленоид, охлаждаемый керосином. Почему был выбран керосин? Дело в том, что вода, особенно с примесями, не является идеальным изолятором, и с некоторого напряжения ее электролитические свойства начинают сказываться. Обмотка, охлаждаемая водой, подвергается коррозии. Анализ других жидкостей, которые можно было бы использовать для охлаждения, показал, что с точки зрения теплоемкости, стоимости, безвредности Для обмотки наилучшим является очищенный керосин, закупоренный в сосуде, наполненном нейтральным газом.

"Керосиновый" соленоид имел внутренний диаметр 10 сантиметров, был намотан медной шинкой, потреблял 6000 киловатт мощности, центнер очищенного керосина в секунду и давал магнитное поле в 100 000 эрстед. Соленоид установлен в специальной галерее шириной 2,5 метра и длиной 23 метра. Все крепления - болты, гайки, рамы и другие детали - в радиусе пять метров от магнита были сделаны из немагнитных материалов. Вся галерея во избежание взрыва заполнена инертным газом.

Керосин не был единственным кандидатом на роль лучшего хладоагента. Еще в самом начале XX века голландский физик Г. Каммерлинг-Оннес и его сослуживцы по лейденской лаборатории изучали ход температурной зависимости электрического сопротивления различных материалов при понижении температуры. На одной из конференций того времени эта группа выразила уверенность в том, что в ближайшие годы можно будет построить соленоид с полем около миллиона эрстед, если применить глубокое охлаждение проводников. С тех пор прошло более полувека, но до постоянного поля в миллион эрстед ученые так и не добрались.

Как рассуждали Оннес и его сотрудники? Они изучали электрическое сопротивление различных металлов при очень низких температурах (-100-250°С, или 15-20°К) и нашли, что при понижении температуры сопротивление резко снижается. А в формуле Фабри, уже известной в то время, электрическое сопротивление стоит в знаменателе. Если подставить новое, пониженное сопротивление, окажется, что магнитное поле при той же затрате мощности возрастет. Таким образом, у Оннеса и его группы, казалось бы, были все основания полагать, что достижение поля в миллион эрстед не за горами. Исследователи не взяли в расчет двух обстоятельств: во-первых, низкие температуры даются не даром - для того чтобы их получить, необходимо затратить значительную энергию; и во-вторых, с ростом магнитного поля за счет явления, называемого магнитосопротивлением, растет и электрическое сопротивление металла, причем эффект магнитосопротивления выражен при низких температурах особенно сильно.

Обмотки стелларатора

Академик П. Л. Капица в одной из своих статей дает результаты проверки идеи, предложенной в свое время французским физиком Перреном,- охлаждать соленоиды жидким воздухом. Выяснилось, что для охлаждения соленоида с полем 100000 эрстед, в области, диаметром 1 сантиметр потребуется прокачивать через него 24 литра жидкого воздуха в секунду. Для обеспечения соленоида пришлось бы построить целый завод по производству жидкого воздуха.

Может быть из-за этих обстоятельств, а может быть, и из-за каких-то других, развитие низкотемпературных, или, как их иногда называют, криогенных магнитов сильно задержалось.

Первой серьезной попыткой использовать низкую температуру для снижения электрического сопротивления было создание в 1961 году соленоида на 100 тысяч эрстед, выполненного из алюминия, охлажденного жидким неоном (температура кипения - 27°К). Внутренний диаметр соленоида составил 30 сантиметров, длина - 200 сантиметров. Это - один из самых больших соленоидов в мире, если не самый большой, учитывая его колоссальное поле. Предназначен он для термоядерных исследований и поэтому на концах имеет "магнитные пробки", в которых напряженность магнитного поля составляет 200 тысяч эрстед. Однако работать этот соленоид может лишь в течение одной минуты, за которую весь запасенный в криостатах жидкий неон превращается в газ. Вес алюминиевых обмоток - 5 тонн.

После постройки этого соленоида было сделано много попыток превзойти его магнитное поле, используя другие охлаждающие вещества - такие, например, как жидкий азот, жидкий водород и другие материалы обмоток, например натрий, запресованный в тонкую стальную трубку. Хотя эксперименты эти многообещающи, превзойти рекордные результаты никто пока не смог.

Несколько слов о питании таких магнитов. Чаще всего они получают его от собственной энергетической установки, вырабатывающей постоянный ток мощностью в несколько тысяч киловатт. Когда этой мощности недостаточно (как это получилось с рекордным соленоидом Кольма), на вал машин насаживают маховик. Накопив в нем достаточную энергию, можно в течение короткого времени снимать с генераторов мощность, превышающую номинальную величину в несколько раз.

В Королевском радарном центре в Англии источником питания соленоидов служат мощные аккумуляторные батареи, снятые с подводной лодки.

В поисках новых путей Кольм разработал конструкцию соленоида, названного им гидромагнитом. Соленоид состоит из соосных труб, между которыми в радиальном направлении поступает какая-нибудь проводящая жидкость, например жидкий натрий или жидкое серебро. Обе трубы помещены в небольшое магнитное поле возбуждения.

Гидромагнит. Струи жидкого серебра, по которым течет ток, играют роль обмоток сверхмощного электромагнита

Поступающая жидкость пересекает силовые линии поля возбуждения, и в ней наводится электродвижущая сила. Под действием этой электродвижущей силы в жидкости начинает течь электрический ток, совпадающий по направлению с током, создающим поле возбуждения. Таким образом, сама жидкость как бы становится обмоткой соленоида. Величина магнитного поля, которое можно получить с помощью этой "обмотки", зависит от скорости жидкости, ее электропроводности и величины поля возбуждения. Кольм рассчитал, что в гидромагните, наполненном расплавленным серебром при температуре 1000°СГ в магнитном поле возбуждения 60 тысяч эрстед при расходуемой мощности 70 тысяч киловатт и при скорости серебра в 200 литров в секунду, можно будет получить магнитное поле в 400 тысяч эрстед.

Два типа стеллараторов

Однако если отвлечься от прочих трудностей, достижение столь грандиозных полей приводит к тому, что материалы обмотки под действием давления магнитного поля начинают "течь". В соленоиде Кольма на 250 тысяч эрстед давление, как уже говорилось, превышало в три раза давление на дне глубочайшей океанской впадины. А давление растет пропорционально квадрату поля. Увеличив поле чуть больше, чем в три раза, мы получим увеличение давления в десять раз.

При поле в миллион эрстед магнитные усилия эквивалентны тем, которые развиваются в жерле пушки при выстреле. Держать такое поле - все равно что задержать взорвавшийся в казенной части пушки снаряд таким образом, чтобы снаряд не вылетел и пушка не разорвалась бы.

А обязательно ли рост поля связан с ростом давления? Давайте попробуем разобраться. Электромагнитная сила всегда создается за счет так называемого векторного произведения плотности тока в обмотке на индукцию магнитного поля (это та же самая лоренцова сила, которая отклоняет частицы в ускорителях). Векторное произведение максимально, когда направление тока перпендикулярно направлению магнитного поля, и равно нулю, когда направления магнитного поля и тока совпадают. Несколько ученых воспользовались этим законом и разработали конфигурации обмоток и соленоидов, в которых почти полностью отсутствуют усилия. Такие обмотки и соленоиды называют "бессиловыми". На рисунке (см. вклейку) изображена бессиловая система для исследования термоядерных реакций, работающая на несколько ином принципе - в ней усилия переносятся с "нежных" обмоток соленоида на массивный стальной постамент. Эта база испытывает усилие в тысячу тонн. Страшно даже подумать, что было бы с "воздушной" обмоткой, если бы это усилие действовало целиком на нее!

'Огра-1'

О других типах бессиловых обмоток мы расскажем в одной из следующих глав.