книги / Ниже 120 по Кельвину

дящей является только роторная обмотка, статор имеет конструкцию, близкую к традиционной. Применять сверх­ проводящую обмотку в статоре пока нецелесообразно, так как на переменном токе в сверхпроводниках теряет­ ся энергия.

Поскольку на пути постоянного тока сопротивление отсутствует, цепь останется холодной, энергия в роторе не расходуется. Следовательно, увеличивается кпд элек­ трической машины.

Уже упоминалось: обычная электрическая машина не может работать без стали. Но что такое стальной магнитопровод для крупной машины? Это масса в десятки и сотни тонн, ею определяются размеры турбогенера­ тора.

Большой электрический ток в сверхпроводящей об­ мотке возбуждения создает столь сильное магнитное по­ ле, что уже нет необходимости использовать сталь в ро­ торе. Стальной сердечник в статоре нужен, чтобы замк­ нуть магнитный поток внутри машины. Но его можно сде­ лать более легким и упростить конструкцию. Поскольку можно полностью убрать сталь из ротора и частично из статора, габариты сверхпроводящего турбогенератора значительно уменьшаются.

Даже в обычном традиционном турбогенераторе ро­ тор — самая напряженная часть машины. Протекающий постоянный ток нагревает обмотку, следовательно, не­ обходимо отводить тепло; высокое напряжение стремит­

вал, а центробежные силы — разрушить конструкцию. В таком режиме тепловых,, электрических, механических нагрузок ротор турбогенератора работает много меся­ цев подряд без остановки — общин срок службы маши­ ны примерно 30 лет.

А в сверхпроводящем варианте ротор представляет собой еше и криостат, в который надо непрерывно по­

давать жидкий гелий и из которого надо отводить испа­ рившийся газообразный гелий.

среда является горячей, тепло извне стремится проник­

окружающей среде. В сверхпроводящей машине, наобо­ рот, надо ограничить приток тепла из окружающей сре­

лампочки от карманного фонаря — испаряет 1,5 л хла­

линдре расположена погруженная в кипящий гелий ро­ торная обмотка. Сюда через полый вал протянуты тру­ бопровод жидкого гелия и трубопроводы испарившегося газа, а также токовводы, соединяющие источник тока с обмоткой, и провода от контролирующих работу дат­ чиков. Утечку гелия предупреждает эффективное мас­ ляное уплотнение. А радиационный экран и полости с вакуумом ограничивают теплопритоки в холодную зону.

Крутящий момент турбины на ротор и, следователь­ но, сверхпроводящую обмотку возбуждения передается со стороны приводного вала через «тепловые мосты» —

132

7 — турбина; 8 — жесткие связи; 9 — упругие связи

конструкцию, достаточно прочную механически и плохо передающую тепло. «Тепловые мосты» из титановых сплавов эффективно охлаждаются обратным потоком испарившегося гелия. (Схема конструкции ротора пока­ зана на рис. 20.)

Предусмотрены меры защиты при возможном пере­ ходе обмотки ротора из сверхпроводящего в нормаль­ ное состояние, способное привести к аварии из-за лави­ нообразного нагрева. Обмоточный провод представляет собой медную матрицу, в которую как бы вкраплены ты­ сячи тончайших жил из сплава ниобия и титана (рис. 21). В случае кратковременной потерн сверхпрово­ дящего состояния на каком-либо участке ток вытесняет­

лельно цепи возбуждения включено разрядное соиро-

Рис. 21. Многожильный внут­ ренне стабилизированный нио- бий-титановый провод

133

источник питания, обмотка возбуждения окажется замк­ нутой на это сопротивление, и на нем выделится боль­ шая часть тепловой энергии. В роторе-криостате подни­ мется давление испарившегося гелия — газ будет выве­ ден из машины.

Схема, представленная на рис. 22, дает представле­ ние о двухконтурной системе криогенного обеспечения сверхпроводящего турбогенератора. Оборудование рабо­ тает в нескольких режимах: в нормальном, форсирован­ ном, при плавном охлаждении роторной обмотки при подготовке к пуску.

Дли примера рассмотрим нормальный режим. Из ожижителя в холодную зону ротора поступает жидкий гелий. Охлаждая сверхпроводящую обмотку, гелий испа­ ряется и через насос 6 подается в компрессор /. После блока очистки газообразный гелий попадает в ожижи­ тель, оттуда вновь направляется в турбогенератор. Па­ ровая фаза гелия из ожижителя отводится в компрес­ сор /. Накопитель гелия используется при форсирован­ ном режиме. При пуске турбогенератора необходимый темп снижения температуры обеспечивается охлаждени­ ем газообразного гелия жидким азотом.

Заметно — на 0,5—0,7% — повысился кпд, в 2 раза снизилась масса турбогенератора. Через несколько лет новая машина будет работать на одной из тепловых станций Ленэнерго.

...1832 г. Майкл Фарадей на мосту Ватерлоо через Темзу проделал интересный опыт. Два провода он опу­ стил в реку, два других конца замкнул через гальвано­ метр. Ученый рассуждал так: под влиянием земного маг­ нетизма в проводящей среде — воде должна наводить­ ся ЭДС, если поток направлен перпендикулярно магнит­ ным силовым линиям.

Понадобилось более полтора столетия, чтобы реали­ зовать идею Фарадея — создать искусственный магнитогидродинамический (МГД) генератор. Ведущую роль в его разработке играют советские ученые. Принцип действия МГД-генератора чрезвычайно прост. Имеется прямоугольный вытянутый в длину МГД-канал из жа­ ропрочных материалов. С двух противоположных сторон

134

поле, с двух других располагаются электроды. В камере сгорания, размещенной впереди МГД-канала, сжигается природный газ в среде, обогащенной кислородом (в бу­ дущем в качестве топлива используют уголь), образует­ ся низкотемпературная плазма. В МГД-канале магнит­ ное поле отклоняет плазменный шнур к электродам, ко­ торые через преобразователь постоянного тока в пере­ менный соединены с потребителями электрического то­ ка. Отработанная плазма, как уже упоминалось, отдает свое тепло в пароподогревателе.

Не будем вдаваться в многочисленные научные и ин­

танной электроэнергии и требует для своего охлаждении чуть ли не целую реку.

Поэтому в МГД-генераторах применяют сверхпрово­

135

дящие магнитные системы. Одна такая установка, соз­ данная в США, работает в Институте высоких темпера­ тур АН СССР. По сути дела, это шедевр инженерного искусства: испепеляющий жар плазмы — 2800 К и кос­

нем нет никаких вращающихся частей, он быстро вклю­

микроволновом диапазоне.

Основные же надежды энергетиков связаны не с ле­ тающими МГД-станциями, а с установками управляемо­ го термоядерного синтеза. Хотя уже несколько десяти­ летий ученые многих стран мира бьются над термоядом, пока не удалось зажечь в земных условиях искусствен­ ное солнце. Одна из главных проблем: шнур из плазмы температурой около 100 млн.0 С надо удержать в реак­ торе. Такое возможно только с помощью невидимой стены, созданной магнитными силовыми линиями, ведь любые материалы мгновенно испарятся. Создать мощное магнитное поле в большом объеме реально лишь с ис­ пользованием сверхпроводящих магнитов.

В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова работает «Токамак-7». Его сверхпроводящий магнит по­ требляет 300 кВт, водоохлаждаемый обычный магнит в импульсном режиме потреблял бы 200 тыс. кВт мощно­ сти. (Такой мощности хватило бы для крупного города.) Диаметр реактора 4,8 м, объем плазмы около 25 м3.

Запущена установка «Токамак-15». Сверхпроводя­ щий провод для магнитной ловушки выполнен из спла­ ва ниобий — олово, что позволяет получать очень силь­ ные магнитные поля. Часть криогенного оборудования изготовлена в Чехословакии. На «Токамаке-15» физики надеются получить плазму температурой 100 млн. граду­ сов

136

ядерного реактора. Конечная цель — сооружение и экс­ плуатация первого международного термоядерного де­ монстрационного реактора.

...На выставках старых автомобилей посетителей больше всего поражают первые машины, выполненные в виде конных пролеток. Видимо, изобретатели прошлого никак не могли уйти от мысли, что бензиновый мотор Л'ишь замена лошади.

Не находятся ли в подобном заблуждении сотрудни­ ки нынешних электротехнических НИИ и КБ? Ведь их усилиями сверхпроводящие обмотки втискиваются в са­ мые обычные традиционные конструкции. Не здесь ли причина мучительно долгого становления сверхпроводя­ щих электрических машин? (Устройствам, которые принципиально не могут работать без использования сверхпроводимости, например топологическим генерато­ рам — «магнитным насосам», уделяется очень мало вни­ мания.)

Иное положение с МГД-генераторами и* установками термоядерного синтеза. Они технически целесообразны только при использовании сверхпроводящих магнитов. (Иначе их энергии не хватит на создание собственного магнитного поля.)

В физических лабораториях к сверхпроводящим маг­ нитам не предъявляются столь жесткие требования по надежности, как в энергетике. Уже сегодня они широко используются для изучения плазмы, элементарных ча­ стиц, атомного ядра, для разделения изотопов (тяже­ лые ядра имеют более искривленные траектории), для фокусировки изображений в электронном микроскопе, в приборах, использующих явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Сверхпроводящие магниты будут установлены на но­ вом ускорителе протонов с энергией 3000 млрд. эВ, ко­ торый строится в Советском Союзе. По своим размерам он больше Садового кольца в Москве. Поток заряжен­ ных частиц сначала ускорится на действующем синхро­ троне до 76 млрд. эВ, затем направится в сверхускори­ тель — большое кольцо, где энергия частиц вырастет з 40 раз. Использование сверхпроводимости дает замет­ ный выигрыш. В то же время потребляемая энергия но­ вого инструмента науки увеличится лишь вдвое по сравнению с существующими, она в основном пойдет на

137

питание криогенных систем. Сборка сверхпроводящей

водительностью 50 кВт на температурном уровне 4,2 К.

протонных пучков. Серпуховской ускоритель — одно из самых крупных и сложных научных сооружений века.

Модернизируется синхрофазотрон в лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных ис­ следований в Дубне. Существующая магнитная система заменяется сверхпроводящей. Сверхпроводящие магни­ ты используются и в Институте ядерной физики Сибир­ ского отделения АН СССР на генераторе синхротронного излучения.

В настоящее время в США в Национальной ускори­ тельной лаборатории имени 3. Ферми протоны ускоря­ ются до 1000 млрд. эВ. В ускорителе эксплуатируется кольцо диаметром 2 км из 1000 сверхпроводящих магни­

млрд. эВ. 30 тыс. сверхпроводящих магнитов предстоит установить в круговом туннеле длиной около 100 км. Но оказывается, и суперколлайдер не предел желания уче­ ных. Американские физики мечтают о еще более мощ­ ном сверхпроводящем суперускорителе. Центральная ва­ куумная труба разместится в кольцевом подземном туннеле шириной 6 м и длиной 320 км. Сверхпроводящие магниты создадут поле индукцией 6,6 Т. Это будет са­ мый дорогой прибор в истории науки — примерная сто­ имость 6 млрд, долларов.

помощью удается получать на снимках или экранах дис­ плеев любые срезы внутренних органов человека с чет­

138

костью, не доступной при использовании ультразвука или рентгеновских лучей;

...возможно, защитят космонавтов в дальнем космосе от вспышек на Солнце. Искусственное сильное магнит­ ное поле, созданное на космическом корабле, завернет в сторону частицы высоких энергий;

представляет собой тот же МГД-генератор, но работаю­

Источником питания будут мощные топливные элемен­ ты. Обмотка сверхпроводящих магнитов выполняется из

событием, как в авиации замена поршневых самолетов реактивными.

139

«ЛЕТАЙТЕ НА КУРОРТЫ ПОЕЗДАМИ: ЭТО БЫСТРО, УДОБНО, ВЫГОДНО!»

«Часом проклятия» называют час пик в большом го­ роде. До отказа забиты людьми автобусы, троллейбусы, трамваи, захлебывается от пассажиров метро. Врачи и социологи считают: поездка по городу не должна пре­ вышать 40 мин, иначе наступает «транспортная уста­ лость». На практике у миллионов горожан 2—3 ч каж­ дый день как бы вычеркиваются из жизни.

Если увеличить наземный подвижной состав, то ско­ рость движения на улицах станет еще ниже, еще доль­ ше будут пробки на перекрестках, возрастет шум и гро­ хот, более загрязненным окажется воздух в городе, еще острее станет проблема парковки машин. Метро строит­ ся недопустимо медленно — примерно 2 км в год в од­ ном городе, стоимость строительства постоянно удоро­ жается. А число городских жителей увеличивается. Уже сейчас 99 городов Земли имеют более 2 млн. жителей, в 12 городах-гигантах население свыше 10 млн.

большого количества пассажиров из центров городов к аэропортам и внутри мегалополисов. На средних рас­ стояниях — 300—500 км — самолеты дороги, неудобны, неэкономичны; автомобильные и железнодорожные пу­ ти забиты пригородным транспортом. Во многих стра­ нах строятся или проектируются скоростные железные дороги. Между Парижем и Лионом уже сейчас поезда ТЖВ ходят по специальному пути, огороженному метал­

щая Париж — Брюссель — Амстердам — Кельн. Каж­ дый день из Токио в отдаленные районы отправляется 265 поездов-пуль, следующих со скоростью 270 км/ч.

У нас в стране проектируются новые трассы па­

140