Где применяются сверхпроводящие соленоиды?

"Профессии" сверхпроводящих магнитов весьма разнообразны. Они играют важную роль в физике высоких энергий, помогают исследовать твердые тела, применяются в электротехнике и даже на транспорте. О проектах поездов на магнитной подушке, наверное, слышали все читатели. Сверхпроводящие соленоиды, установленные в вагоне, создают мощное магнитное поле, которое при движении поезда наводит индукционные токи в специальных рельсах. Согласно правилу Ленца магнитное поле этих токов направлено так, чтобы препятствовать приближению соленоида к рельсу, и поезд ... повисает над полотном. В Японии уже создана семикилометровая экспериментальная линия, на которой установлен мировой рекорд скорости - 517 км/ч! В сентябре 1982 г. на этом поезде были перевезены первые пассажиры. А к 1988 г. планируется создать серийный образец трехвагонного поезда, который будет курсировать на линии Токио - Осака. В каждом вагоне находится своя холодильная установка с жидким гелием, совмещенная со сверхпроводящим соленоидом в одном конструкционном модуле. В нашей стране разработан технический проект транспортной системы на магнитной подушке для города Алма-Ата.

В электротехнике использование сверхпроводящих магнитов становится целесообразным при создании электрических двигателей и генераторов гигантской мощности в сотни и более мегаватт. Сверхпроводящие обмотки в статоре создают сильное постоянное магнитное поле, в котором вращается ротор из нормального металла. При этом достигается значительное уменьшение размеров и массы установки. Такие двигатели мощностью в несколько мегаватт уже созданы и разрабатываются проекты более мощных машин. Еще большие преимущества дает применение сверхпроводящей обмотки ротора, но при реализации этой идеи возникает много технических проблем.

Мы знаем, что магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы (токи) силой Лоренца. Она направлена перпендикулярно скорости частицы и искривляет ее траекторию. Чем больше индукция магнитного поля, тем меньше радиус окружности, по которой движется частица в магнитном поле. Именно такой принцип магнитного "удержания" частиц применяется в ускорителях, пузырьковых камерах, установках управляемого термоядерного синтеза. Преимущества использования для этих целей сверхпроводящих магнитов, создающих сильные магнитные поля без затрат огромных энергий, очевидны. В нашей стране уже действует первая в мире сверхпроводящая система для установки термоядерного синтеза "Токамак-7" и разработана установка "Токамак-15", в которой будет накапливаться магнитная энергия в 600 миллионов джоулей. Создание устройств следующих поколений, рассчитанных на более высокие энергии, без использования сверхпроводимости просто невозможно.

При исследовании твердых тел, молекул, атомов и ядер необходимо создавать сильные магнитные поля в малых объемах, а также очень однородные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты в таких случаях незаменимы и сейчас широко используются в физических лабораториях. Маленькие сверхсильные соленоиды в комплекте с системой охлаждения стали уже промышленной продукцией, выпуск которой все более расширяется.

Энергетика будущего - это не только новые источники энергии. Необходимо разработать новые эффективные способы хранения и передачи электроэнергии. Сверхпроводники и здесь предлагают свои услуги. Разработан проект системы хранения электроэнергии, в котором гигантская сверхпроводящая катушка диаметром более 100 метров будет установлена в специальном тоннеле, пробитом в горах. В нем с помощью холодильных установок с жидким гелием будет поддерживаться температура, близкая к абсолютному нулю. Незатухающий сверхпроводящий ток в такой катушке запасет гигантскую энергию в 100 мегаватт-часов.

Рис. 7. На фотографии изображены в натуральную величину кабели, используемые в крупных сверхпроводящих системах. В сечении видны тонкие нити сверхпроводника, окруженные металлом с высокой электро- и теплопроводностью

А передача энергии без потерь по сверхпроводящим кабелям? Оценки показывают, что такой способ становится рентабельным при передаче мощности свыше нескольких тысяч мегаватт на расстояния более 20 километров. Прототип кабеля уже создан (см. рис. 7). Однако пока что можно только мечтать о линиях электропередач, которые, "купаясь" в жидком гелии, переносили бы электричество без потерь на огромные расстояния. Но сверхпроводимость ведь еще не сказала последнего слова. Вполне возможно, что появятся материалы, которые будут становиться сверхпроводниками при комнатных температурах. И тогда сразу все изменится. Фантазия станет реальностью^*.

^* (См. примечание на с. 126.)