Подземные страсти-II (комары)
В постскриптуме к первой истории наобещано было всякого; придётся теперь долги отдавать.
Сегодня разберёмся с электричкой в сто миллиардов комариных сил
Что гоняем? (Пучок)
Вот комар. Он тут у нас не случайно, а по делу.
Поймаем комара и зашвырнём его. Видите, летит? С некоторой комариной скоростью. И масса у комара. Невеликая, но уж какая есть. А значит, как учили в школе, будет у него кинетическая энергия.
Так вот, энергия полёта комара как раз равна энергии одного протона, что будет крутиться по "протонодрому" Большого Адронного Коллайдера - БАКа.
Ну, не так чтобы совсем равна: комары бывают побольше и поменьше, только-только перекусившие и на диете, да и скорость полёта зависит от настроения. Тем не менее, энергии комара и энергия протона не слишком разнятся.
Как говорят в таких случаях физики, эти два числа совпадают "по порядку величины". Это означает, что если одно чисело окажется в 2-3 раза больше другого, мы на это внимания обращать не будем. Скажем: энергия средне-испуганного комара средней упитанности и БАКовского протона равны по порядку величины.
Итак, энергия полёта комара. Не смейтесь, по масштабам микромира это о-очень много.
А протонов в трубе БАКа как комаров в Сибирской тайге. Летят они стаями - сгустками. А в каждом сгустке протонов "и не сорок, и не сотня", а 115 миллиардов (!). А сгустков таких в 27-километровом пучке около трёх тысяч (а именно 2808). Вот и умножайте. Да не забудьте, что пучков два, летящих навстречу друг другу.
Ответ на картинке справа. Энергия нашего "комариного войска" равна энергии 400-тонного поезда, несущегося со скоростью 150 км/час.
Эту сумашедшую энергию можно оценить и по-другому. Представьте себе, что наши протонные пучки вместо того, чтобы заниматься делом, решат вдруг вырваться из плена и вдарить по стенкам трубы. Что тогда, ужас? Или ужас-ужас? Так вот, крутящейся в трубе энергии хватит на то, чтобы разогреть и расплавить целую тонну металла!
Может ли такая беда случиться? Строго говоря, почему бы и нет. Если Годзилла какая наступит на высоковольтную линию и обесточит БАК, или, например, на пригород Женевы нападут космические термиты, которые обожают грызть в холодке ниобиево-титановые кабели. Как бы то ни было, возможность "ужастика" предусмотрена. Случись что, оба пучка автоматически отправляются на "помойку" - два туннеля, набитые специальным поглощающим материалом, в котором упокоятся отбившиеся от рук протоны. В случае нештатной ситуации решение отправить пучки на помойку принимается за 1/10000 долю секунды, так что ни беды-беды, ни просто беды не случится. *)
Как гоняем? (Магниты)
Помните первый закон Ньютона? В школьном изложении: тело, которому дали пинка, летит по прямой. Если протон всё время не подстёгивать, он по кругу не полетит, и не проси. Чтобы его завернуть нужно магнитое поле. По сути дела, ускоритель - это выставка достижений народного электромагнитного хозяйства. В БАКе много магнитов, хороших и разных. Более 50-ти типов. Но самые важные - те что сгибают ньютонову прямую в кольцо. Длина такого магнита - диполя - больше 14 метров, вес 35 тонн, стоимость около полмиллиона швейцарских франков (или сегодяшних долларов). А всего их в кольце 1232 штуки...
Один из магнитов-диполей в сборочном цехе Готовый магнит опускают на 90-метровую глубину для установки в кольцо
Почему такие бешеные деньги? Подумаешь, 35 тонн! Небольшой бульдозер потяжелее будет. Но полмиллиона!?.. Нет-нет, откаты тут ни при чём. Дело в том, что наш магнит - это не просто тонны, а тонны "чудес враждебной техники". Давайте разберёмся.
Чтобы рулить протонами нужно поле в 200 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли. Чтобы сотворить такое поле нужен электромагнит, по обмотке которого течёт огромный электрический ток в 11700 Ампер. Это в сотни раз больше, чем вытерпит предохранитель у вас дома.
Предохранитель - он не просто так, для красоты. Если по спрятанному в стенке проводу потечёт слишком большой ток, он нагреется, раскалится, и ваша скрытая проводка станет "явной". **) А нам надо пустить по проводу в обмотке магнита не 10 Ампер, и не 20, а тысячи... Какой провод это выдержит, не испарившись?
Выход есть: сделать провод из такого хитрого материала, чтобы он вовсе не грелся от проходящего через него тока. То есть чтобы не оказывал току никакого сопротивления - был свехпроводящим.
Такое бывает, но стоит дорого. Обычным медным проводом тут не обойдёшься. Нужен специальный сплав редких ниобия (Nb) и титана (Ti), который может в принципе стать сверхпроводником. Может, да не очень хочет. Чтобы такой провод перевести в сверхпроводящее состояние, нужно его держать в холоде.
Теперь про холод
Холод холоду рознь. Желанной зимней температурой советских детей было -25, когда не нужно идти в школу; рекорд холода на планете около -70; при -110 замерзает спирт, а при -190 воздух превращается в жидкость. Куда же дальше?
Но для сплава NbTi это - тропики. Он любезно согласится стать сверхпроводником только при температуре ниже -263 градусов. Однако БАКовские магниты будут работать при ещё более низкой температуре, около -271 градуса по шкале Цельсия (или около 2-х градусов Кельвина).
Это всего на 2 градуса выше недостижимого абсолютного нуля температуры.
Даже в открытом космосе теплее!
Как охладить 30 тысяч тонн металла до такой фантастически низкой температуры?
Когда выходишь на берег после купания, ощущаешь прохладу. Это потому, что вода, испаряясь, поглощает тепло и приятно холодит кожу. И лоб в жару потеет для того же: чтобы пот, испаряясь, охлаждал череп и предохранил мозги от перегрева. Вот и магниты БАКа охладят тем же способом, только испарять придётся жидкий азот, ни много ни мало а 12 миллионов литров. Как всякая жидкость, он при испарении поглощает тепло и поэтому охладит магниты намного глубже своей собственной температуры кипения (-195 градусов).
А потом, на втором этапе за дело возьмётся жидкий гелий, в котором "плавают" катушки сверхпроводящих магнитов. Сжиженный гелий - ещё один элемент БАКовой магии. Ниже 2.2К он сверхтекуч (очередное волшебное слово) и является идеальным проводником тепла.
Вам приходилось держать за ручку горячую hi-tech сковородку? Яичница скворчит, а ручка ничего, чуть тёплая. Потому что у неё теплопроводность низкая.
С жидким гелием всё ровно наоборот. Если один конец трубки со сверхтекучим гелием подогреть всего на одну десятую градуса, то тепло тут же передаётся без потерь на расстояние больше километра! Вот это теплопроводность! Такие трубки пронизывают все двенадцать сотен магнитов и эвакуируют лишнее тепло, поддерживая постоянную рабочую температуру в 1.9К.
Ну вот, холодильник готов, взглянем теперь на провода, что питают наши электромагниты.
Пенелопа XXI
Всего для магнитов БАКа пришлось напрясть 7600 километров или 1200 тонн вот такого сверхпроводящего кабеля:
Каждая косичка - это технологическое чудо диаметром 0.825 миллиметра, состоящее из 6426 ниобиево-титановых ниточек в 10 раз тоньше человеческого волоса. Не всякая рукодельница Пенелопа с такой работой справится!
А ещё каждая ниточка запечатана в тончайшую шкурку из химически чистой меди, которая играет роль изолятора.
Ну не смешно ли? В обычных условиях медь - прекрасный проводник, но её можно вполне считать изолятором в сравнении со сверхпроводником. Однако, если случится авария и температура по какой-то причине превысит 2.2К, то ниточки NbTi сверхпроводимость потеряют.
Косичка NbTi ниточкиКабель сплетён из 36-ти косичек.
Вот тогда-то медные шкурки пропустят через себя остаток тока и заодно отведут тепло. А пропускать и отводить будет что: в магнитном поле БАКовских диполей запасено энергии в 30 раз (!) больше, чем в самих протоных пучках. Эту энергию надо быстро и аккуратно эвакуировать, чтобы не дать драгоценному кабелю расплавиться и чтобы не засветиться назавтра на первой полосе "Вечерней Женевы" или "New York Times".
Общая длина сверхпроводящей NbTi нити, что внутри кабеля, просто астрономическая: её хватит чтобы пять раз добраться от Женевы до Солнца и обратно, да ещё на несколько путешествий до Луны останется! Супер-ниточки тянули в Финляндии, собирали их в супер-кабели в Японии. Ко-операция, блин.
Магниты намотали, холодильник придумали, в следующий раз включим рубильник.
*) Вы будете смеяться, но когда написалась эта фраза, в всём городке Сен-Жени на 5 минут вырубился свет. Неужели уже Годзиллочки пошаливают, разминаются? :)
**) Студенты-физики спасались зимой от холода, развешивая поперёк комнаты спирали от электрических плиток. Соответственно, в корридоре общежития на место предохранителей вставлялись толстый гвозди. На штукатурке проступали бурые письмена запрятанной в стене провОдки.