Транспортировка энергии

on 08 May 2008.

    Проблема передачи энергии на большие расстояния - это головная боль энергетиков. С одной стороны есть необходимость максимально поднять напряжение, чтобы при одной и той же передаваемой мощности уменьшить ток. А уменьшение тока позволяет уменьшить сечение проводов, то есть удешевить линию передачи. С другой стороны необходимо обезопасить население и устройства от возможных утечек и пробоев, связанных с использованием высокого напряжения.
    Попытки передавать энергию посредством сверхпроводников столкнулись с целым рядом трудностей. Причем трудности эти принципиального характера. Например, организация надежного охлаждения сверхпроводника по всей его длине. Например, проблема совмещения "горячих" источников (генераторов или трансформаторов) со сверхпроводящей линией. Например, проблема деградации сверхпроводников (отличие свойств малых образцов от образцов, обладающих значительными размерами). Проблема перехода ничтожно малой области от случайных событий (например, от ливня космических частиц, от срывов) в нормальное состояние решается с таким усложнением (десятки и сотни тысяч сверхпроводящих жилок окружают стабилизирующим металлом), что ясно - эта технология не пойдет. И, практически, не пошла! К сожалению…
    Новые сверхпроводники, сохраняющие состояние сверхпроводимости до температуры порядка 1000 К (сообщения о таковых достаточно достоверны) не вышли за стены лабораторий. Как оказалось, они нестабильны и теряют свои свойства по прошествии времени. Возможно, виноват в этом кислород воздуха, входящий в реакцию с компонентами сложного состава сверхпроводника. Возможно, виновата в этом сама структура керамических сверхпроводников. Кто знает?.. Факт, что они не идут ни в какое сравнение по пропускаемому току с "холодными" сверхпроводниками.
    Сейчас считается достаточно перспективным такое направление: передавать энергию посредством электронного луча. Современные ускорители позволяют поднять энергию частиц в луче до многих сотен миллионов электрон-вольт при токе в амперы (разработаны и более мощные ускорители). Это позволяет передавать приличные мощности.
    Автор предлагает к обсуждению следующую тему.
Свойства сверхпроводников позволяют передавать энергию, не пропуская ток через них. Перспективным направлением является передача энергии лучом электронов в пустотелом сверхпроводнике.
        Перспективно также передавать энергию посредством переменного магнитного поля по пустотелому сверхпроводнику.
       Представим себе движущийся параллельно сверхпроводящей плоскости луч электронов. Луч создает магнитное поле. Магнитное поле не может проникнуть в сверхпроводник, оно выталкивается из него. Следовательно, с одной стороны (со стороны плоскости) будет наблюдаться сгущение силовых линий, которое оттолкнет луч.
    Если луч будет двигаться между двумя сверхпроводящими поверхностями, то любое приближение к ним тут же вызовет увеличение магнитного поля, отталкивание луча к оси, то есть стабилизацию его в направлении, перпендикулярном поверхностям.
     Полый сверхпроводник поэтому будет идеальным самофокусирующим устройством для луча электронов.
Подобный полый сверхпроводник может быть применен для транспортировки энергии. Луч электронов может передаваться внутри полого сверхпроводника на значительные расстояния без потерь.
    Быть может, этот путь передачи энергии окажется более приемлем, чем транспортировка тока по самому сверхпроводнику.
    Во-первых, полый сверхпроводник с лучом электронов внутри может иметь такой диаметр, что разрушение сверхпроводимости магнитным полем будет невозможно, чего никак нельзя сказать о сверхпроводнике, по которому пропускается критический ток.
    Во-вторых, решается автоматически проблема состыковки "горячих" источников и холодной сверхпроводящей линии электропередачи - линия не подвергается воздействию потоков тепла от генератора.
    В-третьих, потеря сверхпроводимости на некотором участке мало скажется на транспортной способности линии (если эта потеря произошла на линейном участке, а не на участке поворота линии).
     В полом сверхпроводнике процесс фокусировки луча протекает автоматически, не требуя вмешательства оператора или сложной системы контроля, потребности материалов представляют собой лишь малый процент от известных схем с магнитной фокусировкой.
     Идеальный диамагнетизм сверхпроводника обеспечивает выталкивание магнитного поля, созданного лучом заряженных частиц, и самофокусировку луча в самой неидеальной конструкции.
     Электроны, как известно, имеют заряд, поэтому если они покоятся относительно сверхпроводника, то индуцируют на его поверхности заряд противоположного знака и, как следствие, притянутся к нему, осядут на стенке. Но если электроны движутся, то они создают магнитное поле, которое отражается от сверхпроводящих стенок и фокусирует луч. Не представляет особой сложности найти такое соотношение между концентрацией частиц, их скоростью и расстоянием до сверхпроводящей стенки, которое бы обеспечило динамическую стабилизацию луча.
    Известные, широко используемые сверхпроводники (не высокотемпературные!) сохраняют свои свойства в столь больших магнитных полях, что еще для некоторых из них и не выяснено точно, когда они теряют состояние сверхпроводимости. Поэтому ограничений на величину транспортного тока ВНУТРИ полого сверхпроводника не накладывается.
Будут ли частицы терять энергию, двигаясь внутри полого сверхпроводника?
    По мнению автора, будет происходить торможение луча только при влете в сверхпроводник. В случае установления стационарного тока, например, в тороидальном сверхпроводящем корпусе или в сверхпроводящей трубе, где находится излучатель электронов и приемник, торможение происходить не будет. Если же луч влетает в сверхпроводящий энерговод (назовем его так), то он потеряет часть своей энергии, но при вылете из трубы пучок вернет затраченную при влете в трубу энергию. То есть произойдет компенсация потерь.
    Если же источник электронов, например. накаленная спираль, находился внутри сверхпроводника, то никакого торможения луча наблюдаться не будет (естественно, предполагается, что электроны вытягиваются положительным потенциалом из области эммисии, а не стремятся тут же на стенки).
     Любой изгиб полого сверхпроводника искривляет траекторию луча электронов внутри него, заставляет их двигаться с ускорением. А движение заряженной частицы с ускорением будет сопровождаться электромагнитным излучением, приводить к уменьшению энергии луча. Следовательно, чем меньше будет изгибов и чем больше будут радиусы изгибов, тем меньше будет происходить потерь. При 50 МэВ длина волны излучения (оно называется синхротронным, потому что впервые было обнаружено в 1946 году на синхротроне) составляет примерно 2 мкм - это инфракрасная область спектра. При 100 МэВ излучение видимое, при 200 МэВ - ультрафиолетовое. В месте изгиба сверхпроводящего энерговода будет всегда выделяться энергия, которую надо отводить.
     Наиболее простое применение может оказаться в области ускорителей заряженных частиц. Сейчас, чтобы искривить траекторию частиц, используют магнитные системы, вес которых составляет десятки тысяч тонн. Причем это высококачественная сталь, медные обмотки, системы принудительного охлаждения... И даже создание стабилизирующих полей с помощью сверхпроводящих магнитов не намного удешевляет установку. И вся эта сложнейшая конструкция должна быть подогнана так, чтобы траектория частиц не испытывала перекосов, магниты подгоняют с точностью до долей миллиметра.
    Искривление траектории частиц, например, в циклотронах, достигаемое сейчас с помощью внешнего магнитного поля, может быть получено в самих дуантах, если их сделать сверхпроводящими, причем никакого поля создавать не придется. Некоторые ограничения по энергии именно электронов (за счет излучения) с лихвой окупаются исключительной простотой конструкции. При переходе к ускорению протонов и тяжелых ионов преимущества сверхпроводящего направляющего канала выглядят просто наголову превосходящими любые известные конструкции. Дело в том, что излучение тяжелых частиц при одинаковой с электронами энергией на несколько порядков меньше.
    Кроме того, есть возможность выпустить возникающее синхротронное излучение: ведь оно выходит в плоскости вращения частиц довольно узким лучом, поэтому если разрезать внешние края сверхпроводящего канала (например, дуанта) и слегка раздвинуть их, то это не намного исказит стабилизирующее магнитное поле, но позволит сбросить излучение, не даст ему попасть на сверхпроводник, что дает возможность не допустить перегрева его.
     Кстати, насчет ненужной энергии. Спрос на синхротронное излучение так велик, что в данный момент в десятки раз больше строят ускорителей не для ускорения частиц, а для генерирования именно синхротронного излучения. Их заказывают физики, биологи, медики, химики, технологи предприятий микроэлектроники, рентгеноструктурщики.
      Сверхпроводники -  идеальные диамагнетики. То есть они выталкивают магнитное поле. Вся современная энергетика стоит на трансформаторах. А трансформаторы, как известно, имеют магнитопровод. То есть преобразование энергии производится через переменное магнитное поле (или, точнее, посредством его). Вес трансформатора - это на 90% вес магнитопровода. А магнитопровод - это ферромагнетик, то есть вещество, втягивающее магнитное поле. Причем нет такого понятия как идеальный ферромагнетик. После достижения некоторой величины магнитного поля, когда все магнитные домены оказываются сориентированы согласно полю, наступает насыщение. Дальнейшее наращивание магнитного поля бесполезно, все, предел взят. Поэтому больше 1-2 Тесла полей не получить. А теперь представьте, что мы имеем полый сверхпроводник, внутри которого находится катушка, создающая переменное магнитное поле. На расстоянии километр от первой катушки находится в этой же сверхпроводящей трубе вторая катушка (потребитель), включенная на нагрузку. Так как идеальный диамагнетик не дал магнитному полю выйти наружу, то нет (совершенно нет!) никакого рассеивания магнитного поля, оно дошло до потребителя в первозданном виде, навело в рабочей катушке ЭДС, пошел ток...Нет состыковки холодных и горячих линий, нет потерь... А ток по сверхпроводнику не тек! Передача энергии от производителя к потребителю произведена.
    
     И если сегодня это идеи, то завтра это устройства, позволяющие не только экономично решать встающие проблемы, но дающие возможность встать на принципиально другой технологический уровень.