ЕНКМ_3 часть

Рассмотрим связывания электронов в пары. Пусть в решетке пролетел электрон и вызвал колебание ионов, расположенных в узлах решетки. Электрон несет отрицательный заряд, а ионы заряжены положительно. Поэтому ионы слегка притянутся к пролетевшему электрону. Но ионы гораздо тяжелее электрона, следовательно, их движение более медленное. Электрон уже «давно» пролетел, а ионы еще только подтянулись к тому месту, где он был. Значит, в этом месте образовался (на некоторое время) небольшой избыточный положительный заряд, и уже другой летящий мимо этого места электрон почувствует его и изменит траекторию своего движения, притянется к этому месту.

Таким способом фононы создают слабое притяжение между электронами. Но притягиваются электроны, находящиеся на больших расстояниях. Ведь для того чтобы второй электрон притянулся ионами, первый должен уже далеко улететь, иначе его отрицательный заряд «перебьет» всё притяжение. Электроны, находящиеся вблизи, отталкиваются, как и положено двум отрицательным зарядам по закону Кулона, а на достаточно больших расстояниях они притягиваются за счет фононов. На больших расстояниях отталкивание двух электронов не мешает, так как вокруг и между обоими электронами много положительных ионов и других электронов, и все силы притяжения и отталкивания уравновешиваются.

151

Рис. 2.8: Кружки изображают упорядоченные в решетку атомные остовы, ионы. Сплошная и штриховая линии показывают как бы траектории движения двух притягивающихся через посредство фононов электронов.

Притяжение между электронами приводит к связыванию их в пары, которые называются куперовскими, в честь американского ученого Л. Купера.

Среднее расстояние между электронами в паре обозначается греческой буквой ξ и называется длиной корреляции. Это расстояние, на котором электроны чувствуют друг друга и на котором существенно изменяются сверхпроводящие свойства. Значения для разных сверхпроводящих материалов различны.

2.1.4. Применение сверхпроводимости

В настоящее время намечены два главных вида применения сверхпроводимости в технике – магниты с обмоткой из сверхпроводящего провода и СКВИДы.

Путь к созданию сверхпроводящих магнитов был достаточно сложным. Первоначально главным препятствием выступали низкие критические поля сверхпроводников I рода. С открытием

152

сверхпроводников II рода начались практические попытки создания сверхпроводящих магнитов. При этом инженеры столкнулись с различного рода неустойчивостями сверхпроводящих магнитных систем.

Применение сверхпроводящих магнитов:

Управляемый термоядерный синтез;

ЯМР-томографы;

Сверхпроводящее электрооборудование (НТСП-провода, ВТСП-провода).

СКВИД – прибор, название которого представляет собой сокращение длинного наименования «сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор» на английском языке. «Сердце» СКВИДа представляет собой сверхпроводящее кольцо с четырьмя выводами, которые служат для подачи тока и съема напряжения. В кольце есть одно или два слабых звена. Кольцо с одним слабым звеном и кольцо с двумя слабыми звеньями – два разных вида СКВИДа, различающиеся по устройству и режиму работы.

Применение СКВИДов:

Сверхточные измерители напряженности магнитного поля;

В геофизике для измерения колебаний магнитного поля

Земли;

В медицинских исследованиях ведутся записи магнитных сигналов от органов человеческого тела (головного мозга);

Чувствительные вольтметры, низкотемпературные термометры, детекторы электромагнитного излучения.

153

2.1.5. Высокотемпературная сверхпроводимость

Новый период начался в октябре 1986 г. после публикации статьи Г. Беднорца и А. Мюллера о возможном наблюдении сверхпроводимости при температуре более 30 К. Авторы были очень осторожны в выражениях: сообщения о повышении критической температуры появлялись и раньше, но пока, ни разу не подтверждались. На этот раз результат был не только подтвержден, но и быстро «улучшен». В начале 1987 г. уже в ряде лабораторий установили, что в соединении четырех химических элементов – лантана, стронция, меди и кислорода La–Sr–Cu–O – существует достаточно резкий сверхпроводящий переход с Tc = 36 К. Уже этого было достаточно, чтобы мир физики пришел в возбуждение. В начале марта 1987 г. было опубликовано сообщение о сверхпроводимости в соединении элементов иттрия, бария, меди и кислорода Y–Ba–Cu–O, о сверхпроводимости при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота. Обнаружена «азотная» сверхпроводимость, которая совсем недавно казалась недосягаемой мечтой!

Представление о том, что сверхпроводимость есть явление, принципиально присущее лишь узкому температурному диапазону вблизи абсолютного нуля, было полностью разрушено. Более того, новыми сверхпроводниками оказались оксидные керамики, для которых более характерны диэлектрические или полупроводниковые свойства.

В заключение необходимо обратить внимание на то, что в области исследования фундаментальных свойств сверхпроводимости

154

есть «путеводная звезда». Это встречается далеко не часто, чтобы можно было сформулировать цель, которая одновременно была бы понятна и людям, совершенно не сведущим в деталях исследований. Такая цель – достижение комнатно-температурной сверхпроводимости.

Подумайте и ответьте:

1.Что такое сверхпроводимость?

2.Фазовые переходы каких родов различают в научной литературе? Приведите примеры фазовых переходов.

3.Чем сверхпроводники второго рода отличаются от сверхпроводников первого рода?

4.Подготовьте краткое сообщение об использовании знаний о фазовых переходах в жизни человека.

5.Как Вы понимаете, чем низкотемпературная сверхпроводимость второго рода отличается от высокотемпературной?

155

§ 2.2. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Реакции термоядерного синтеза были открыты более 70 лет назад. В 1934 г. Г. Гамов высказал идею о том, что ядерные реакции, протекающие при значительной температуре, могут быть источником энергии, миллиарды лет поддерживающим звезды в горячем состоянии. Детальную теорию ядерных реакций в звездах развил Х.А. Бете (Нобелевский лауреат, 1967 г., «За вклад в теорию ядерных реакций, особенно за открытия, касающиеся источников энергии звезд»). В этих реакциях из ядер водорода синтезируются более сложные ядра элементов. Так как данное образование происходит при высокой температуре, эти реакции получили название термоядерные. Термоядерная реакция – разновидность ядерной реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые ядра.

В центре Солнца из ядер обычного водорода сначала образуется его тяжелый изотоп дейтерий, из которого в результате дальнейших реакций появляется гелий. Данный процесс осуществляется очень медленно. К примеру, для образования из ядер водорода ядра дейтерия необходимы миллиарды лет. При этом удельная мощность термоядерных реакций в центре Солнца весьма невелика. Лишь благодаря гигантским размерам солнечный термоядерный реактор производит поток энергии, достаточный для поддержания жизни на Земле.

Для энергетики Земли такой мощности явно недостаточно. К счастью, можно обойтись без самой медленной реакции – синтеза дейтерия, поскольку на Земле он существует в готовом виде. Таким

156

образом, запасы термоядерного топлива на Земле легко доступны и представлены в достаточном количестве.

2.2.1. Условия синтеза

В настоящее время ученые пришли к пониманию того, что для осуществления управляемого термоядерного синтеза нужно выполнить три условия. Управляемый термоядерный синтез (УТС) – синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза, носит управляемый характер.

Первое и главное условие УТС – чрезвычайно высокая температура (T > 108 К).

В реакции должно участвовать достаточно большое частиц

–значительная плотность (n).

Время удержания (τ) термоядерных реакций должно быть

достаточным, чтобы энергия реакций превысила затраты на нагрев и удержание плазмы.

Соблюдение критерия Лоусона. Критерий Лоусона: для того, чтобы термоядерный синтез стал источником энергии, произведение концентрации частиц и времени их удержания на предельно близком расстоянии друг от друга должно превышать определённую величину. При выполнении критерия Лоусона энергия, выделяющаяся при управляемом термоядерном синтезе, превышает энергию, вводимую в

систему.

157

Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества. Высокоионизированный газ, большинство частиц которого электрически заряжено противоположными зарядами, так что полный заряд равен нулю. Плазма значительно отличается от обычного газа. Особенности плазмы связаны с дальнодействующим характером электрических сил взаимодействия между частицами. Каждая частица плазмы одновременно взаимодействует с группой соседних частиц, таким образом, плазма представляет собой систему, стянутую дальнодействующими силами. Движение заряженных частиц порождает электрические и магнитные поля, которые влияют на траектории соседних частиц. Благодаря дальнодействию кулоновских сил и большой подвижности легких электронов в плазме определяющую роль играют коллективные процессы, в том числе колебания и волны разных типов. В результате поведение плазмы оказывается чрезвычайно сложным.

Из всех термоядерных реакций самые скромные требования к температуре у реакции дейтерия и трития – около 100 миллионов градусов. Установлено, что смесь двух изотопов, дейтерия (D) и трития, требует менее всего энергии для реакции синтеза по сравнению с энергией, выделяемой во время реакции. Однако, хотя смесь дейтерия и трития является предметом большинства исследований синтеза, она в любом случае не является единственным видом потенциального горючего. Другие смеси могут быть проще в производстве; их реакция может надежнее контролироваться, или, что более важно, производить меньше нейтронов. Особенный интерес вызывают так называемые безнейтронные реакции, поскольку

158

успешное промышленное использование такого горючего будет означать отсутствие долговременного радиоактивного загрязнения материалов и конструкции реактора. Проблемой остается то, что реакцию синтеза с использованием альтернативных видов горючего намного сложнее поддерживать, потому реакция дейтерий+тритий считается только необходимым первым шагом.

Рис. 2.9: Реакция дейтерий и тритий.

Продукты реакции – ядро гелия-4 (4He) и нейтрон (1n). Итак, для указанной реакции нужны дейтерий и тритий. Дейтерий можно извлекать из воды, добыча трития проблематична – он неустойчив (период полураспада составляет всего 12 лет). Тритий придется создавать искусственным путем, облучая нейтронами литий. Это можно осуществлять прямо в стенках реактора за счет нейтронов, образующихся в результате термоядерных реакций. Литий имеется в

159

достаточном количестве на Земле. При необходимости его добычу можно осуществлять из морской воды.

2.2.2. Безнейтронные реакции

Помогая получать тритий, нейтроны одновременно создают ряд технических проблем. Во-первых, они вызывают в стенках реактора наведенную радиоактивность. В результате требуется тщательный отбор состава материалов для камеры реактора и контроль содержания в них примесей.

Нейтронное облучение снижает прочность конструкционных материалов. Высокоэнергетические нейтроны выбивают атомы из кристаллической решетки и образуют в твердом теле множество микроскопических каналов. Прочность материала резко падает. Таким образом, стенки реактора, подверженные бомбардировке нейтронами, придется регулярно заменять.

Избавится от нейтронов и связанных с ними проблем позволяют другие термоядерные реакции – безнейтронные. Среди таких реакций наиболее перспективной считается реакция дейтерий + гелий-3. Условия её достижения значительно сложнее (для реакции требуется температура в 10 раз большая, чем в реакции дейтерии и трития). Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах в настоящее время не производится. Однако, он может быть получен из трития, выработанного в свою очередь на атомных электростанциях. Также его можно добывать на Луне, куда он попадает в составе солнечного ветра и накапливается в верхних слоях грунта.

160