Самый большой и мощный магнит в мире носит неблагозвучное название “Центральный соленоид” (Central Solenoid). А что поделать, если в научном мире это действительно соленоид, а не наш с вами магнитик на холодильник с изображением Сочи?
Полностью собранный, он имеет высоту 18 метров. Три метра в ширину и весит около 1000 тонн, что означает, что магнит десятилетия самый массивный в мире.
Точнее - будет самым массивным, поскольку еще только строится. Его устанавливают на юге Франции в крупнейшем в мире термоядерном реакторе. Это международный проект, который завершится в 2023 году.
Создание магнита такой величины - огромная работа. Инженеры и техники General Atomics в Сан-Диего потратили более полувека на проектирование, изготовление и тестирование различных компонентов Центрального соленоида на своем производственном объекте - и это только половина дела. Транспортировка каждой части магнита - это титаническое усилие само по себе, требующее специально построенных дорог и кранов для их транспортировки.
Только представьте себе силу такого магнита - Центральный соленоид будет генерировать достаточную магнитную силу, чтобы поднять на полтора-два метра в воздух американский авианосец весом 102 тысячи тонн.
В августе первый модуль магнита прибыл во Францию, но Центральный соленоид в конечном итоге будет состоять из шести частей. Каждый модуль имеет два метра в высоту, три метра в ширину. После завершения инженеры скрепят модули вместе в центре реактора.
Сверхпроводящий электромагнит является “сердцем” токамака ITER — магнитного удерживающего устройства, которое производит контролируемую термоядерную энергию синтеза. Если представить ITER как массивный электрический трансформатор, центральный соленоид является “первичной обмоткой”, то есть он будет направлять 15 миллионов ампер электрического тока в тело токамака в форме пончика, помогая формировать и стабилизировать горячую на солнце плазму внутри.
В то время как гигантский реактор ИТЭР является скорее прототипом будущих крупномасштабных токамаков и не будет вырабатывать электроэнергию, он станет доказательства того, что термоядерный синтез является возможным безуглеродным энергетическим решением. До сих пор ни один существующий термоядерный реактор даже близко не производил больше энергии, чем он использует. Это огромный камень преткновения, потому что реакторы потребляют огромное количество электроэнергии. Но, вооруженный центральным соленоидом в качестве источника питания, ITER может стать основой для устойчивой энергетики.
Транспортировка даже одного из модулей магнита требует изобретательности на каждом шагу. Основной механизм — огромный кран, но это тоже сложно. “У вас должен быть кран, чтобы построить кран”, - сразу поставили задачу инженерам. Корпус крана помещается на одном девятиосном грузовике. У него от 40 до 60 полуприцепов деталей, компонентов, дедвейтов и противовесов, которые необходимы для перевозки.
Есть бензиновый двигатель, приводящий в действие гидравлическую систему, и есть водитель, управляющий задним набором колес. За ним все время стоят два больших дизеля-полуприцепа.
Оттуда модуль загружается в поезд, где несколько двигателей помогают тянуть массивную полезную нагрузку. В конце концов он достигает Карибского моря, где его грузят на судно, предназначенное для перевозки легко загружаемых морских контейнеров. Оттуда модули отправляются во Францию.
Так как же на самом деле построить магнит такого калибра? Это в основном тот же процесс, который вы использовали бы для создания любого электромагнита с намотанной катушкой: просто скрутите проводящую проволоку вокруг прочного сердечника. Конечно, этот магнит почти непостижимо огромен и сделан из сверхпроводящего сплав ниобия и олова, что немного усложняет ситуацию.
Во-первых, General Atomics поставляет кабели с завода-изготовителя в Японии. Затем материалы тщательно наматываются вместе и подвергаются пятинедельной термической обработке в 1200 градусов. Сплавляя ниобий и олово в химическое соединение Nb3 Sn, ученые превращают простой проводник в сверхпроводник. Температура очень постепенно повышается, поддерживается, а затем снова постепенно понижается. Наконец, осторожно ослабляют пружинящие катушки, чтобы специальная машина могла обернуть все 2 километра кабеля изоляцией, дюйм за дюймом.
Сверхпроводящий кабель покрывают изоляционной лентой. Немного не такой, какая есть у каждого из нас. Затем воздух внутри магнитного модуля заменяется примерно 1000 литрами смолы, которая расплавлена, затем ее охлаждают. Затем весь блок переохлаждают всего до 4 Кельвинов (около -450 градусов по Фаренгейту) для тестирования.
Первый модуль уже протестировали. General Atomics будет производить остальные пять модулей в шахматном порядке, на что потребуется еще год.
Однако трудности не заканчиваются производственным процессом. General Atomics базируется в Калифорнии, но каждый модуль должен пройти путь до Сен-Поль-ле-Дюранса во Франции, что делает процесс транспортировки немного сложным. После загрузки каждого модуля в специализированные тяжелые транспортные средства General Atomics отправит части в Хьюстон, где их заберет транспортный корабль.
Есть и другие рекорды. Например, инженеры уже построили специально подготовленную сверхпрочную дорогу к объекту на юге Франции, позволяющую рабочим доставлять чрезвычайно тяжелые предметы по суше - не отличающиеся от специальных дорог, которые перемещают космические аппараты из подготовительных помещений на стартовую площадку.