Содержание
В Китае появился самый сильный в мире магнит, предназначенный для научных исследований » DailyTechInfo
В пятницу прошедшей недели в лаборатории Высоких магнитных полей (High Magnetic Field Laboratory) в Хэфэе, городе на юго-востоке Китая в провинции Аньхой, был произведен запуск экспериментальной установки, которая представляет собой самый мощный в мире магнит, предназначенный для различных научных исследований. Активный элемент этого магнита имеет диаметр всего в 33 миллиметра, но он способен создать стабильное магнитное поле, силой 45.22 Тесла, что приблизительно в миллион раз сильней естественного магнитного поля Земли.
Предыдущим обладателем данного рекорда был созданный в 1999 году гибридный магнит, расположенный в американской Национальной лаборатории Высоких магнитных полей. Этот магнит генерировал поле, силой 45 Тесла и он являлся держателем рекорда 23 года. В 2019 году американским ученым удалось «выжать» из нового экспериментального магнита на короткое время поле, силой 45.
5 Тесла, но это не стало рекордом, так как данный магнит никогда не был использован для проведения научных исследований.
Создание столь сильных магнитных полей является весьма и весьма сложным делом, ведь для этого требуются огромные количества энергии, а возникающие между элементами устройства взаимодействия настолько сильны, что они могут оторвать от земли массу, эквивалентную массе авианосца.
Китайские ученые создали свой первый мощный магнит еще в 2016 году. Это устройство генерировало поле, величиной в 40 Тесла, и это не было удовлетворительным результатом. После пяти лет дополнительных технических исследований была разработана новая структура магнита, были разработаны новые магнитные материалы и произведена глубокая оптимизация производственного процесса. И в результате всего этого китайцы все же стали обладателями самого мощного магнита в мире на сегодняшний день.
Теперь, обладая новым магнитом, китайские ученые смогут продвинуться вперед в области замены кремния углеродом в электронных чипах и массового использования углеродных нанотрубок, что может привести к появлению высокоскоростных процессоров и компьютеров, потребляющих незначительное количество энергии.
Более того, сильнейшее магнитное поле позволит ученым подробнее изучить клетки живых существ и найти ответы на вопросы, связанные с процессами старения, мозговой деятельности и разработать новые методы лечения различных заболеваний, включая рак.
Ключевые слова:
Китай, Магнит, Поле, Сила, Рекорд, Исследования
Первоисточник
Другие новости по теме:
Добавить свое объявление
Загрузка…
Юргинский Технологический Институт — Самый мощный магнит в мире.
09 Апреля 2013
В Лос-Аламосской национальной лаборатории США создали сверхмощный импульсный магнит. С его помощью получено магнитное поле с индукцией 100,75 Тл. Для магнитного поля это рекордная величина, она превышает магнитное поле Земли в 2 млн. раз.
Соленоид магнита изготовлен из российского сверхпрочного высокопроводящего нанокомпозита медь-ниобий, который и позволяет создавать столь высокие магнитные поля. Композит, разработанный в Курчатовском институте совместно с ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара, состоит из медной матрицы сверхвысокой чистоты, которую пронизывают более 450 миллионов тончайших ниобиевых волокон диаметром менее 10 нанометров. Высокопрочный материал, обладающий высокой электропроводностью при достаточной пластичности, выдерживает без разрушения сверхбольшие токи (до сотни ампер), необходимые для создания мощного магнитного поля.
Сверхмощные магнитные поля нужны для проведения исследований твердого тела, например для изучения квантовых фазовых переходов, наведенных магнитным полем (так называемых критических квантовых точек, в которых небольшие изменения свойств материала при сверхнизких температурах вызывают мощные физические эффекты),а также механизма сверхпроводимости.
Подобные магниты требуются для туннельных микроскопов с наноразмерным разрешением.
Разработкой новых композиционных материалов для сверхмощных магнитов в Курчатовском институте начали заниматься еще начале 1980-х годов. Как рассказал доктор технических наук Александр Константинович Шиков, существовавшие тогда высокопроводящие материалы обладали низкой прочностью-разрушались при прохождении через них сверхбольших токов. Главной задачей было повышение прочности материала при сохранении его высокой электропроводности. Первые испытания изготовленного импульсного магнита на основе новых композитов были проведены в институте еще в конце 1980-х годов, тогда сразу было достигнуто магнитное поле свыше 50 Тл. Окрыленные успехом физики занялись совершенствованием материала – дальнейшим его упрочнением за счет увеличения числа и одновременного уменьшения диаметра волокон из ниобия в матрице и увеличения электропроводности за счет повышения чистоты компонентов композита.
«Новый материал, впервые представленный на международной конференции в США в начале 1990-х годов, вызвал большой интерес у коллег из Лос-Аламосской национальной лаборатории, которые попросили изготовить для них партию нанокомпозитной проволоки для разрабатываемой мощной магнитной системы», – говорит А.
К. Шиков.
В начале 2000-х годов в Лос-Аламасской лаборатории создали магнит, обеспечивающий рекордное на то время магнитное поле – около 90 Тл длительностью импульса 10 миллисекунд. Партию нового, доработанного, варианта композита российские специалисты отправили американским коллегам два года назад. И наконец, в начале апреля 2012 года рубеж в 100 Тл преодолен. Магнит, состоящий из семи катушек общим весом более 8 т, питает генератор мощностью около 330 киловатт-часов (1200 МДж).
Нанокомпозитную проволоку для соленоидов магнита получают по многостадийной технологии. Сложноорганизованный процесс включает электронно-лучевую плавку, обеспечивающую сверхвысокую чистоту меди и ниобия, холодное волочение на специально созданном оборудовании, экструзию для спекания компонентов композита, тщательно подобранные режимы термообработки.
Российский наноматериал может быть использован для линий электропередачи на Крайнем Севере, контактных сетей высокоскоростного железнодорожного транспорта, в устройствах импульсной штамповки и сварки, для гибких кабелей робототехники, электропроводящих элементов сотовых телефонов, в ответственных элементах в авиации, космонавтике, судостроении.
По материалам: «Наука и жизнь» № 7, 2012.
Фото: LANL.
Чернова С.А., Кафедра сварочного производства
предыдущая новость >< следующая новость
Самый мощный магнит в мире начинает путешествие к сердцу гигантского термоядерного эксперимента
Первый модуль центрального соленоида, выставленный на заводе General Atomics в Сан-Диего.
(Изображение предоставлено ИТЭР)
Инженеры в США готовятся отправить первую часть самого мощного в мире магнита во Францию, где он поможет привести в действие ультрасовременный термоядерный реактор .
Магнит, известный как центральный соленоид, станет сердцем крупнейшего в мире термоядерного реактора ИТЭР, что в переводе с латыни означает «путь». В этом международном эксперименте участвуют 35 стран, и он направлен на то, чтобы доказать возможность устойчивого ядерного синтеза для производства энергии. В ядерном синтезе меньше атома сливаются, чтобы создать более крупные — реакция, которая высвобождает огромное количество энергии.
В полностью собранном виде центральный соленоид будет иметь высоту 59 футов (18 метров) и ширину 14 футов (4,3 м) и будет способен создавать магнитное поле величиной 13 тесла — примерно в 280 000 раз сильнее, чем Земли магнитное поле, что делает его достаточно сильным, чтобы поднять целый авианосец, который весит около 100 000 тонн (90 700 метрических тонн).
Связанный: 18 самых больших неразгаданных тайн физики
«Центральный соленоид — это самый большой и самый мощный импульсный электромагнит из когда-либо созданных», — сказал Джон Смит, директор по проектированию и проектам в General Atomics, компании, создавшей магнит, рассказала Live Science.
Центральный соленоид
Центральный соленоид состоит из шести отдельных модулей, которые будут установлены в центре реактора ИТЭР. Весь магнит будет высотой с четырехэтажный дом и весить 1000 тонн (907 метрических тонн).
Каждый отдельный модуль представляет собой большую катушку, содержащую около 3,5 миль (5,6 км) сверхпроводящего кабеля ниобий — олово в стальной оболочке.
Затем модуль подвергается термообработке в большой печи в течение нескольких недель для дальнейшего повышения его проводимости, после чего кабели изолируются, а катушке придается окончательная форма.
Согласно закону индукции Фарадея , электричество, проходящее по проводу, создает магнитное поле, перпендикулярное проводу. Когда этот провод скручен в кольцо, электрический ток создает круговое магнитное поле, и каждая катушка усиливает напряженность магнитного поля. Таким образом, соленоид создается многократным скручиванием проволоки. Простейшая версия соленоида — это классический школьный эксперимент, в котором учащиеся обматывают проволокой гвоздь и прикрепляют его к батарее. Когда батарея включена, катушка может собирать скрепки.
Однако размер и сверхпроводящая природа центрального соленоида означают, что через него может проходить гораздо больший электрический ток, что позволяет ему создавать более сильное магнитное поле, чем что-либо когда-либо созданное.
Сердце ИТЭР
Центральный соленоид является «бьющимся сердцем» реактора ИТЭР, поскольку он позволяет ученым контролировать обычно нестабильные реагенты ядерного синтеза.
ИТЭР предназначен для выпуска небольшого количества испаряемого дейтерия и трития, оба из которых изотопа водорода — или версии одного и того же элемента с разной атомной массой — в большую вакуумную камеру в форме пончика, известную как токамак. Токамак перегревает эти изотопы, отрывая электроны от атомов и превращая газ в плазму . Эта сверхгорячая плазма будет достигать 270 миллионов градусов по Фаренгейту (150 миллионов градусов по Цельсию), или в 10 раз горячее, чем ядро Солнца. При этой температуре происходит слияние атомов с выделением большого количества энергии, которую можно использовать для выработки электроэнергии путем нагревания воды и создания пара для вращения турбин.
Схема реактора токамак ИТЭР с центральным соленоидом в центре и плазмой внутри камеры. (Изображение предоставлено ITER)
Ядерный синтез уже был достигнут в нескольких реакторах-токамаках, построенных еще в 1950-х годах, но он длился всего несколько секунд за раз.
Чтобы ядерный синтез стал жизнеспособным вариантом для производства электроэнергии, эта реакция должна поддерживаться с постоянной скоростью и требовать меньше энергии для производства, чем она генерирует.
Одно из самых больших препятствий на пути устойчивого термоядерного синтеза — сдерживание и манипулирование обжигающей плазмой внутри реакторов.
Здесь вступает в действие центральный соленоид. По словам Смита, теоретически создаваемое им мощное магнитное поле будет удерживать плазму внутри токамака и поддерживать реакцию.
В пути
Первый модуль центрального соленоида, на создание которого ушло более пяти лет, наконец-то готов к транспортировке на площадку ИТЭР во Франции.
Инженеры строят и транспортируют каждый модуль по отдельности, потому что полный магнит будет слишком большим для безопасной транспортировки, сказал Смит. Модули также собираются отдельно на случай замены одного из них, добавил он.
Путешествие модуля начнется по дороге.
Он будет перемещен с базы General Atomics в Сан-Диего в порт Хьюстона на массивном 24-осном тягаче. Оттуда магнит-монстр будет отправлен в начале июля в Марсель, Франция, и прибудет туда к концу августа, прежде чем его снова доставят по дороге на объект ИТЭР.
Первый модуль центрального соленоида (справа) готовится к транспортировке производственной группой General Atomics. (Изображение предоставлено General Atomics)
Оставшиеся пять модулей и дополнительный резервный модуль будут следовать по тому же маршруту, когда они будут завершены в ближайшие несколько лет, сказал Смит.
Международное сотрудничество
Каждая из 35 стран-участниц, включая весь Европейский Союз, а также Великобританию, Швейцарию, Китай, Индию, Японию, Корею, Россию и США, внесла свой вклад в проект путем разработки и производства некоторые из более чем 1 миллиона отдельных компонентов реактора.
Центральный соленоид является крупнейшим из нескольких вкладов США, которые, по словам инженеров, составляют около 9% от общей стоимости ИТЭР.
По словам Смита, General Atomics разрабатывает дополнительные технологии и компоненты, которые помогут в манипулировании плазмой, а другие американские компании и университеты поставляют системы охлаждения и выхлопа, средства диагностики, контрольно-измерительные приборы и средства управления.
Несмотря на влияние пандемии COVID-19 на такие крупные проекты, строительство ИТЭР должно быть завершено к 2025 году и в настоящее время завершено примерно на 75%. По словам Смита, полномасштабные термоядерные реакции начнутся не раньше 2035 года.
Почему слияние так важно?
Устойчивый ядерный синтез может открыть дверь к неограниченным возобновляемым источникам энергии , что сократит выбросы углерода , образующиеся при сжигании ископаемого топлива , которые способствуют изменению климата .
«Слияние — один из немногих потенциальных вариантов крупномасштабного безуглеродного производства энергии», — сказал Смит. «Он предлагает безопасный, чистый, всегда доступный ресурс, который не производит выбросов или долгоживущих отходов».
Чтобы остановить — или хотя бы замедлить — потепление планеты, ветровую, солнечную, приливную и другие системы возобновляемой энергии необходимо масштабировать задолго до того, как ИТЭР синтезирует свои первые атомы. Но из-за непостоянства их выработки энергии (например, ветряные турбины работают только тогда, когда дует ветер) нам все равно придется полагаться на ископаемое топливо, чтобы обеспечить надежное энергоснабжение электросети, сказал Смит.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
Поэтому крайне важно, чтобы устойчивый ядерный синтез был достигнут как можно быстрее, а технология воспроизводилась по всему миру.
«ИТЭР — важный шаг в этом направлении, который продемонстрирует физику и технологию на пути к термоядерным электростанциям», — сказал Смит.
Первоначально опубликовано на Live Science.
Гарри — штатный писатель Live Science из Великобритании. Он изучал морскую биологию в Эксетерском университете (кампус Пенрин) и после его окончания завел собственный блог «Морское безумие», который продолжает вести вместе с другими энтузиастами океана.
Он также интересуется эволюцией, изменением климата, роботами, исследованием космоса, сохранением окружающей среды и всем, что окаменело. Когда он не на работе, его можно застать за просмотром научно-фантастических фильмов, игрой в старые игры про покемонов или бегом (вероятно, медленнее, чем ему хотелось бы).
Магнит
устанавливает мировой рекорд в 45,5 Тесла
Новый многокомпонентный, частично сверхпроводящий электромагнит — в настоящее время самый сильный в мире магнит постоянного тока любого типа — готов открыть путь к еще более сильным магнитам. Новая магнитная технология может помочь ученым изучить многие другие явления, включая ядерный синтез, экзотические состояния материи, молекулы, меняющие форму, и межпланетные ракеты, и это лишь некоторые из них.
Национальная лаборатория сильного магнитного поля в Таллахасси, штат Флорида, является домом для четырех типов современных сверхсильных магнитов. Один поддерживает магнитно-резонансные исследования. Другой настроен для масс-спектрометрии.
И другой тип создает самые сильные магнитные поля в мире. (Сестринские кампусы MagLab в Университете Флориды и в Лос-Аламосской национальной лаборатории предоставляют еще три магнита большой емкости для других областей исследований.)
Именно эту последнюю категорию в кампусе Таллахасси — сильнейший магнит в мире — пытаются дополнить последние исследования. Так называемая полевая установка постоянного тока MagLab, работающая с 1999 года, приближается к пределу силы магнитных полей, которые она может создавать с помощью своих нынешних материалов и технологий.
Магнит постоянного тока MagLab поддерживает постоянную напряженность поля 45 тесла, которая до недавнего времени была самым сильным непрерывным магнитным полем, создаваемым в мире. (Не путать с одноименной маркой электромобиля, Тесла также является единицей силы магнитного поля. Чем выше рейтинг Тесла, тем сильнее магнит. Для сравнения, типичный МРТ-аппарат построен на основе сверхпроводящего магнита с напряженность поля примерно 3 Тл.
Магнитное поле Земли, ощущаемое на поверхности планеты, составляет 0,00005 Тл.)
Новый исследовательский магнит на волосок опережает магнит MagLab DC Field, поддерживая непрерывное поле 45,5 Тл. Но это не незначительное преимущество в силе, которое обещает такие перспективы, говорит Дэвид Ларбалестье, главный материаловед в Лаборатории магнитного поля. .
«Это плацдарм на территории 50 Тесла», — говорит Ларбалестье.
В новом магните, описанном в недавнем письме в журнал Nature , используется высокотемпературный сверхпроводящий материал, охлажденный до температур жидкого гелия, которые используются в сверхпроводниках старой школы. Охлаждение этого конкретного сверхпроводника ниже его критической температуры (температуры, ниже которой он полностью теряет электрическое сопротивление) фактически увеличивает его способность выдерживать более высокие токи. А более высокие токи, конечно же, приводят к более высоким магнитным полям.
Старые сверхпроводники, такие как те, что используются в магнитах МРТ, не могут работать с магнитными полями, превышающими 30 тесла, говорит Ларбалестье.
Куперовские пары электронов, являющиеся ключом к квантовым сверхпроводящим свойствам материала, становятся слишком нестабильными, поэтому сверхпроводник теряет свои свойства нулевого сопротивления и становится похожим на остановленное восьмиполосное шоссе.
При длительной эксплуатации сверхпроводящего магнита необходимо избегать так называемого «катастрофического гашения». (Сверхпроводящие магниты Большого адронного коллайдера, как известно, столкнулись с этой проблемой в 2008 году.)
[короткий код ieee-pullquote quote=»»Это плацдарм на территории 50 Тесла.»» float=»left» expand=1]
«Мы запускаем их в жидком гелии, потому что сверхпроводимость становится сильнее, чем ниже температура, — говорит Ларбалестье. «И чего мы хотим избежать, так это разрушения сверхпроводимости магнитным полем».
Другим нововведением, которое помогает магниту избежать или уменьшить гашение, является отсутствие изоляции. Ларбалестье говорит, что типичный электромагнит должен иметь электрическую изоляцию между слоями сверхпроводящей ленты.
Но его группа обнаружила, что неизолированная лента, уложенная слой за слоем — как несколько бинтов Ace, обернутых вокруг лодыжки спортсмена, — ведет себя немного как толстый однослойный сверхпроводник.
Таким образом, препятствие или примесь в сверхпроводящей решетке может в однослойном куске ленты, изготовленном из редкоземельного оксида бария и меди (REBCO), препятствовать куперовским парам и нагревать этот участок сверхпроводника выше температуры перехода. И это гашение — что означает, что игра для сильного поля магнита окончена.
Отсутствие изоляции позволяет куперовским парам перенаправляться вокруг примеси в решетке, избегая гашения.
Исследовательская группа постоянно улучшала способность магнита работать с более сильными полями. (Они также усилили поле, поместив сверхпроводящий магнит внутрь большего медно-серебряного магнита.)
«Мы по-прежнему заинтересованы в продвижении вперед», — говорит Ларбалестье. «Итак, внутренняя часть нового пользовательского магнита 32 T сделана из этой ленты REBCO.