Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.) - Владимир Карцев

получился бы колоссальной длины. Вместо поля магнитов Ферми предложил

использовать магнитное поле Земли. Ускоритель типа синхротрона должен был бы

представлять собой вакуумную трубу, опоясывающую земной шар вдоль магнитного

экватора. Осуществление такого проекта могло бы дать пучки чрезвычайно

энергичных частиц, однако стоимость ускорителя, по-видимому, оказалась бы

громадной — ведь орбита частиц должна быть круговой, а Земля — далеко не

идеальный шар. Чтобы обеспечить идеальную окружность, пришлось бы прорывать

туннели, строить виадуки над океанами и т. д. А проблема обеспечения

герметичности и высокого вакуума устройства, опоясывающего земной шар!

Какую же энергию частиц можно получить с помощью ускорителей? Естественно, что

самый большой возможный на нашей планете ускоритель должен располагаться по

экватору Земли. Индукция магнитного поля определяемая насыщением стали, равна,

скажем, 2 Тл. При этих условиях максимальная энергия ускоряемых протонов будет

равна 1010 МэВ.

Космической эре свойственны и космические проекты. Таким является проект

"лунатрона". Ускоритель можно разместить на нескольких спутниках, вращающихся

вокруг Земли. На спутниках можно установить фокусирующие магниты, ускоряющие

пластины, инжекторы. С помощью такой системы можно будет достичь энергии порядка

108 МэВ. Большое преимущество такой системы — отсутствие необходимости

вакуумировать рабочее пространство — ведь лунатрон будет размещен вне атмосферы

(т. е. в условиях естественного высокого вакуума).

Чрезвычайно интересная идея ускорителя предложена советским физиком академиком

Г.И.Будкером. Она заключается в том, чтобы слабым наводящим полем создавать

мощный круговой пучок электронов. Этот пучок стал бы, по сути дела, гибким

шнуром, по которому течет очень сильный электрический ток. Электрический ток

всегда создает магнитное поле, стремящееся уменьшить сечение проводника (пинч-

эффект). Однако, чем меньше диаметр шнура, тем больше при том же токе магнитное

поле, создаваемое на поверхности шнура. Г.И.Будкер предложил использовать это

очень сильное магнитное поле как рабочее поле ускорителя. В пучке электронов

диаметром 6 м можно удержать протоны с энергией вплоть до 104 МэВ.

Большие надежды возлагают физики и на сверхпроводимость. Ограничителем

магнитного поля ускорителей является индукция насыщения стали (около 2 Тл).

Однако, если сталь из ускорителя убрать, возникнет много других проблем.

Сопротивление магнитному полю ускорителя, например, сразу увеличится. Чтобы

сохранить поток прежним, нужно сильно увеличить мощность питания обмоток,

которая и при ускорителе со сталью была огромной. Мощность питания американского

синхрофазотрона "Беватрон" составляла 100 тыс. кВт. Такую мощность потребляет

город со стотысячным населением.

При рассмотрении проекта ускорителя "Газовая и электрическая компания"

тихоокеанского побережья специально занималась вопросом: не будут ли "садиться"

все лампы в городах Беркли и Окленде, когда в ускорителе разгоняется пучок

протонов.

А ведь "Беватрон" — относительно небольшой ускоритель и к тому же со стальным

сердечником. В ускорителях на 300 тыс. — 1 млн. МэВ без стали потребление

электроэнергии будет гораздо больше. Соответственно более дорогостоящим и

громоздким окажется сам ускоритель. Но если разобраться, эта колоссальная

энергия будет в большей мере тратиться попусту. Для поддержания магнитного поля

не требуется энергия: постоянный магнит ниоткуда не получает энергию, а его

магнитное поле не расходуется, когда им что-либо притягиваешь. Энергия

необходима лишь на установление поля: если в этой области пространства

магнитного поля раньше не было, а теперь оно есть — это значит, что затрачена

некоторая энергия. Остальная электроэнергия тратится на нагревание обмоток,

обладающих электрическим сопротивлением. Не будь сопротивления, потери бы

исчезли. Если подсчитать, какая часть энергии в ускорителях используется

полезно, то окажется, что она ничтожна.

Именно с этим обстоятельством и связаны попытки использовать в качестве

материала обмоток магнитов ускорителей сверхпроводник. У сверхпроводника

омическое сопротивление отсутствует и, следовательно, потери энергии также

отсутствуют. Другая положительная сторона применения сверхпроводящих обмоток —

возможность сильного увеличения магнитного поля, а стало быть, и уменьшения

радиуса ускорителя. Если удастся достичь магнитного поля 10 Тл, размеры

ускорителей уменьшатся впятеро.

В поисках новых путей, позволяющих более дешевым и эффективным способом получать

частицы высоких энергий, ученые ФИАНа выдвинули идею построить в Протвино

ускорительно-накопительный комплекс (УНК) на энергию ускоряемых протонов 3000

ГэВ. Большой вклад в развитие и осуществление этой идеи внес академик

А.А.Логунов. Частицы энергий 70 ГэВ, ускоряемые на уже существующем Серпуховском

ускорителе, будут "впрыскиваться" в УНК для дальнейшего ускорения. В УНК будут

использоваться мощные сверхпроводящие магниты, которые позволят снизить длину

окружности ускорителя с 60 до 20 км, резко уменьшить энергозатраты на питание

магнитов. Несмотря на гигантские финансовые расходы, комплекс решено строить, и

строительство начато. Ученые предполагают, что уникальный физический прибор

поможет раскрыть самые сокровенные тайны строения вещества. Новый ускоритель

будет стоить около миллиарда рублей, диаметр его секционного кольцевого магнита

— около 7 км, а займутся строительством его несколько тысяч человек и сотни

организаций. Защищаться от излучения такого ускорителя придется бетонными

стенами двенадцатиметровой толщины.

Строительство новых сверхмощных ускорителей вызовет определенное напряжение даже

для таких стран, как СССР и США. Это напряжение будет не только финансовым, но и

"умственным". С новым ускорителем так или иначе свяжут свой труд около 200

кандидатов и докторов наук — целая армия ученых. Поэтому в европейской печати

довольно часто начинает проскальзывать мысль о том, что ускорители на такие

большие энергии следует строить "всем миром" — т. е. в буквальном смысле силами

всех развитых стран.

Еще в 1963 г., когда В.И.Векслер получал международную премию "Атом для мира", он

призвал к международному сотрудничеству ученых в деле постройки сверхмощных

ускорителей: "Природа одна; проблемы, которые она представляет нам на данном

этапе развития науки, очень часто имеют единственное решение, конечно, не

зависимое от того, где живут — в Советском Союзе или в Соединенных Штатах —

люди, стремящиеся найти это решение".

Неизвестно, как в конце концов разрешится эта проблема — будут ли такие

ускорители строить отдельные государства или группы государств, или, наконец,

проблема попадет в ранг вопросов, решаемых ООН. А пока энергия ускорителей

десятикратно увеличивается каждые шесть лет. Что же будет дальше?

Плазма в магнитной рубашке

Среди технологических революций конца XX века одной из самых главных является

перевод потребителей на атомное топливо. И снова магнитные поля оказались в

центре внимания. Только они смогут обуздать своенравную плазму в "мирной"

термоядерной реакции, которая должна прийти на смену реакциям деления

радиоактивных ядер урана и тория.

Что бы еще сжечь? — навязчивым рефреном звучит вопрос, вечно мучающий

энергетиков. Довольно долго нас выручали дрова, но у них малая энергоемкость, а

потому дровяная цивилизация примитивна. Сегодняшнее наше благосостояние основано

на сжигании ископаемого топлива, однако легкодоступные запасы нефти, угля и

природного газа медленно, но верно иссякают.

Волей-неволей приходится переориентировать топливно-энергетический баланс страны

на что-то другое. В будущем веке остатки органического топлива придется

сохранять для сырьевых нужд химии. А основным энергосырьем, как известно, станет

ядерное топливо.

Ядерная энергия много лучше энергии химической вследствие высокой концентрации

на единицу массы топлива. Уран, один из самых дорогих металлов, стал самым

дешевым топливом, ибо по производству тепла 1 г его эквивалентен 3 т антрацита.

Даже переход на все более трудноразрабатываемые месторождения, что со временем