Глава 350. Материала не хватает графен придёт на помощь •
Если не знаешь, что делать, - квантовая механика, не хватает фантазии - параллельные вселенные.
Это очень популярная фраза в Интернете, означающая, что если вы сталкиваетесь с неразрешимой проблемой или вопросом, то говорите "квантовая механика".
А в мире материалов, на самом деле, тоже есть такая фраза.
Материала не хватает, графен придёт на помощь.
Графен, в мире материалов его называют "универсальным материалом".
Это углеродный материал, состоящий из углеродных атомов, плотно уложенных в один слой "двумерной сотовой решётки", обладающий превосходными оптическими, электрическими и механическими свойствами. Он имеет адаптивность и важные перспективы применения практически во всех областях применения, таких как материаловедение, микро- и нанообработка, энергетика, биомедицина, доставка лекарств и т.д.
Это материал, который вышел за рамки своей области, о нём знают многие обычные люди.
Конечно, мощь свойств графенового материала поражает.
Его прочность и твёрдость даже превосходят алмаз, достигая стократной прочности высококачественной стали. Пластина толщиной в один сантиметр, изготовленная из него, может выдержать вес взрослого слона весом пять тонн, не прогибаясь и не ломаясь.
Например, что касается светопропускания, то светопропускание обычного стекла составляет всего около 89%, а светопропускание графена может достигать 97,7%, поэтому невооружённым глазом он практически прозрачен.
А если использовать графен для изготовления экранов мобильных телефонов и компьютеров, то экран можно будет практически произвольно складывать, даже сложить в кубик и положить в карман, не повлияет на его характеристики.
Что касается электропроводности и теплопроводности, то пока нет традиционных материалов, которые могли бы превзойти графен.
Кроме того, графеновый материал также является одним из основных направлений исследований в области сверхпроводимости.
В 2018 году Цао Юань из Массачусетского технологического института и его научный руководитель, физик Массачусетского технологического института Пабло Харильо-Эрреро, опубликовали статью в журнале Nature, в которой представили результаты исследований команды по графену.
Когда две пластины графена перекрываются под углом, близким к 1,1°, структура зон приближается к зоне с нулевой дисперсией, в результате чего эта зона при половинном заполнении превращается в изолятор Мотта.
И эта сверхпроводимость, возникающая при вращении и зарядке сложенного графена.
В сочетании с тем, что графен обладает электронами с чрезвычайно высокой подвижностью, что даёт ему возможность образовывать пары электронов, как в сверхпроводниках, он стал одним из будущих материалов для исследования высокотемпературной и даже комнатно-температурной сверхпроводимости.
Однако добиться комнатно-температурной сверхпроводимости на графене очень сложно.
Даже спустя более десяти лет Сюй Чуань не слышал, чтобы какая-либо страна смогла создать высокотемпературный графеновый сверхпроводящий материал, высокотемпературная графеновая сверхпроводимость всё ещё находилась в стадии лабораторных исследований, а о комнатно-температурной сверхпроводимости и говорить нечего.
Конечно, потенциал графеновых сверхпроводящих материалов огромен.
С одной стороны, этот двумерный материал, графен, если найти способ, можно лепить как угодно, как из пластилина: круглым, квадратным, длинным, плоским, линейным, полым - любым.
С другой стороны, дело в токонесущей способности графенового материала.
Между сверхпроводящими материалами тоже есть разница.
Чем выше токонесущая способность, тем сильнее магнитное поле и другие характеристики, которые он может обеспечить.
И в этом отношении графен обладает огромным потенциалом.
Единственная причина, ограничивающая применение этого превосходного материала, - это сложность промышленного производства.
На данный момент невозможно найти способ массового и стабильного производства высококачественного графена.
Но на данный момент Сюй Чуаню не нужна сверхпроводящая способность графенового материала, ему нужны только превосходные физические свойства графена, чтобы помочь повысить вязкость высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала.
Что касается проблемы невозможности массового производства графена в настоящее время, то это не его головная боль.
Если он будет использоваться в сверхпроводящих материалах, то и мелкосерийного производства будет достаточно.
Как снизить затраты, как наладить производство, как извлечь из этого прибыль - всё это должны учитывать промышленность и бизнес, а к нему, как к учёному, это не имеет большого отношения.
По сравнению с добавлением атомов оксида циркония, о котором говорил академик Чжан Пинсян, Сюй Чуань больше склоняется к использованию графенового материала в качестве материала для упрочнения усами (волокнами), чтобы компенсировать вязкость высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного материала.
Потому что для сверхпроводящего материала, если кристаллическая структура материала разрушается, это приводит к появлению разрывов в сверхпроводящей щели, а появление разрывов в сверхпроводящей щели приводит к резкому снижению всех сверхпроводящих свойств.
Но суть технологии упрочнения усами (волокнами) на самом деле сводится к химическим связям материала.
Как известно, большинство металлических материалов легко подвергаются пластической деформации, причина этого в том, что металлическая связь не имеет направленности.
А в таких материалах, как керамика, связью между атомами является ковалентная связь и ионная связь, ковалентная связь имеет явную направленность и насыщенность.
В этом случае сила отталкивания одноимённых ионов ионной связи очень велика, поэтому керамика, состоящая в основном из ионных кристаллов и ковалентных кристаллов, имеет очень мало систем скольжения и обычно разрушается до того, как происходит скольжение. (Знания из старшей школы, не говорите, что не понимаете!)
Это и есть основная причина хрупкости керамических материалов при комнатной температуре, а свойства высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала очень похожи на свойства керамических материалов.
Но технология упрочнения усами (волокнами) может хорошо компенсировать это, когда усы или волокна выдёргиваются и разрушаются, расходуется определённая энергия, что способствует предотвращению распространения трещин и повышению вязкости разрушения материала.
Проще говоря, это как если бы вы хотели сломать палочку для еды, а на палочке есть тонкая плёнка, эта плёнка может поглощать силу вашей руки, тем самым сохраняя форму внутренней палочки.
Конечно, конкретная ситуация с использованием графена для упрочнения усами (волокнами) будет более сложной.
Потому что соединение графена и высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала - это не простое смешивание, оно больше похоже на композитный материал, органически соединённый через очень тонкую границу раздела.
В этом случае химические связи в графене могут заменить связи легированных атомов углерода в медно-углеродно-серебряном композитном материале.
Сюй Чуань выбрал графен в качестве упрочняющего материала, также учитывая этот момент.
Графен - это чистый однослойный углеродный материал с "двумерной сотовой решёткой", его органическое соединение с границей раздела медно-углеродно-серебряного материала не изменит состав высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала.
Поэтому теоретически, с помощью графена для упрочнения усами (волокнами) всё ещё можно достичь цели.
А удастся ли это сделать на самом деле, покажет результат эксперимента.
В лаборатории материалов Чуаньхай Сюй Чуань и Чжан Пинсян, каждый со своей точки зрения, исследовали решение проблемы недостаточной вязкости высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала.
Он не только принёс подробные параметры экспериментальных реакторов крупных отечественных исследовательских институтов управляемого ядерного синтеза, но и список производителей, имеющих квалификацию и возможность производить высокотемпературный медно-углеродно-серебряный композитный сверхпроводящий материал.
Сюй Чуань сначала посмотрел подробные параметры экспериментальных реакторов крупных отечественных исследовательских институтов управляемого ядерного синтеза. Это было связано с практическим испытанием модели управления турбулентностью плазмы.
В кабинете Сюй Чуань просматривал материалы, принесённые Гао Хунмином.
Если считать в широком смысле, то в настоящее время в стране насчитывается более десяти исследовательских институтов управляемого ядерного синтеза, но термоядерных реакторов всего одиннадцать.
На первый взгляд, это действительно много, но на самом деле большинство из этих одиннадцати термоядерных реакторов - это всего лишь экспериментальные реакторы или даже установки.
Так называемый экспериментальный реактор - это экспериментальная установка, способная удовлетворить самые основные экспериментальные потребности экспериментов с плазмой.
А об установке и говорить нечего, она даже не может провести эксперимент по зажиганию.
В материалах, принесённых Гао Хунмином, в настоящее время в стране есть только два термоядерных реактора, способных проводить эксперименты по зажиганию.
Это токамак с магнитным удержанием "EAST" Института физики плазмы Академии наук и установка с инерционным удержанием "Шэньгуан" Девятого института.
А метод инерционного удержания полностью отличается от магнитного удержания.
Магнитное удержание можно понимать как создание высокотемпературной плазмы, которая течёт в устройстве и сливается, образуя высокую температуру.
А инерционное удержание использует инерцию вещества, помещая несколько миллиграммов смеси дейтерия и трития в газообразном или твёрдом состоянии в маленький шарик диаметром около нескольких миллиметров.
Затем снаружи равномерно облучают лазерным лучом или пучком частиц, сфера поглощает энергию и испаряется наружу, под действием реакции внутренний слой сферы сжимается внутрь, создавая высокотемпературную среду, заставляя эти несколько миллиграммов смеси дейтерия и трития взорваться, производя большое количество тепловой энергии.
Если такие взрывы происходят три-четыре раза в секунду и продолжаются непрерывно, то высвобождаемая энергия эквивалентна электростанции мощностью в миллион киловатт.
Проще говоря, инерционное удержание похоже на взрыв водородной бомбы, а затем извлечение тепловой энергии из взрыва для выработки электроэнергии.
Просто в меньшем масштабе и с большей управляемостью.
Этот метод не имеет никакого значения для исследуемой Сюй Чуанем модели управления турбулентностью плазмы, потому что способ слияния совершенно иной.
Поэтому, исключив установку с инерционным удержанием "Шэньгуан" Девятого института, у него остался только один экспериментальный реактор - токамак с магнитным удержанием "EAST".
Токамак с магнитным удержанием "EAST", также называемый полностью сверхпроводящим экспериментальным термоядерным реактором, в 2016 и 2018 годах соответственно провёл эксперименты по работе плазмы с температурой более 50 миллионов градусов и 100 миллионов градусов.
В 2017 году он установил рекорд, достигнув стабильной работы плазмы с высоким удержанием в течение 101,2 секунды.
В стране он является бесспорным лидером в области управляемого ядерного синтеза, и даже в мире он входит в число самых передовых экспериментальных реакторов.
Но кроме "EAST", другие термоядерные установки оставляют желать лучшего.
Сюй Чуань и не ожидал, что в конце 2019 года отечественная сфера управляемого ядерного синтеза будет выглядеть так.
Действительно, с технической точки зрения, на пути управляемого ядерного синтеза страна уже входит в число лидеров, и в целом различные технологии довольно хороши.
Но в области экспериментальных реакторов их действительно мало.
Помимо токамака с магнитным удержанием "EAST", в настоящее время нет других экспериментальных реакторов, способных проводить эксперименты по зажиганию.
Известные в будущем термоядерный реактор KTX Научно-технического университета, стелларатор HL-2A и экспериментальный реактор HL-2M в настоящее время в основном находятся в стадии строительства и не завершены.
Даже стелларатор HL-2A, срок завершения которого ближе всего, нужно ждать до второй половины 2020 года.
И даже если он будет завершён, он не сможет сразу же начать эксперименты по зажиганию. Потребуется как минимум один-два года, чтобы пройти всевозможные тесты, пройти как минимум два-три раунда экспериментов по зажиганию, прежде чем можно будет протестировать модель турбулентности плазмы.
Такая ситуация заставила Сюй Чуаня беспомощно усмехнуться.
Теперь, похоже, у него вообще нет выбора.
Единственное, что радует, - это то, что все параметры токамака с магнитным удержанием "EAST" довольно превосходны.
Основная часть установки EAST имеет высоту 11 метров, диаметр 8 метров и вес 400 тонн. Она состоит из шести основных компонентов: сверхвысоковакуумной камеры, катушек продольного поля, катушек полоидального поля, внутренних и внешних криоэкранов, внешнего вакуумного дьюара и системы поддержки.
Он имеет 16 больших "D"-образных сверхпроводящих магнитов продольного поля, способных создавать продольное магнитное поле напряжённостью 3,5 Тл; 12 больших сверхпроводящих магнитов полоидального поля могут обеспечить изменение магнитного потока ΔФ ≥ 10 вольт-секунд; с помощью этих сверхпроводящих магнитов полоидального поля можно будет генерировать ток плазмы ≥ 1 миллиона ампер; длительность может достигать более 1000 секунд, а при высокой мощности нагрева температура превысит 100 миллионов градусов.
Этот набор параметров, даже в мировом масштабе, довольно превосходен.
Превосходное оборудование в сочетании с математической моделью турбулентности плазмы, даже если это всего лишь феноменологическая модель, Сюй Чуань уверен, что сможет побить текущий рекорд времени работы токамака.
И даже погоня за рекордом времени работы стелларатора не является невозможной.
Прочитав материалы в руках, Сюй Чуань слегка покачал головой и вздохнул: "Не ожидал, что развитие управляемого ядерного синтеза в стране такое".
На диване Гао Хунмин наклонился вперёд и взволнованно спросил: "Нет подходящих?"
Сюй Чуань кивнул, а затем покачал головой: "Подходящие есть, но только один, установка EAST в Луяне по данным соответствует требованиям, а остальные - нет".
Услышав это, Гао Хунмин немного расслабился и с улыбкой сказал: "Хорошо, что есть подходящие, руководителем установки EAST является академик Чэнь Минцзи, он также является ответственным за взаимодействие нашей страны с международным проектом термоядерного синтеза ITER, я позже свяжусь с академиком Чэнем для обсуждения".
Сюй Чуань кивнул, немного подумал и сказал: "Вообще-то, я должен был сам поехать, но в последнее время я вместе с академиком Чжан Пинсяном исследую, как оптимизировать высокотемпературный медно-углеродно-серебряный композитный сверхпроводящий материал, и никак не могу вырваться".
"Давай так, я попрошу академика Пэн Хунси поехать с тобой, это будет выглядеть более серьёзно. Ведь нужно использовать их оборудование, а также нужно изменить модель управления, для управляемого ядерного синтеза это тоже довольно большое дело".
Гао Хунмин с улыбкой кивнул: "Ничего страшного, занимайтесь своими исследованиями, я уверен, что академик Чэнь поймёт".
Помолчав, он продолжил: "Кстати, по поводу вашего предыдущего разговора с министром Цинь о производстве высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала, я заодно принёс информацию о производителях, имеющих квалификацию и возможность производства, посмотрите?"
Сюй Чуань кивнул, взял у Гао Хунмина материалы, и, собираясь их просмотреть, подумал и снова заговорил: "Кстати, я только что смотрел материалы, в токамаке с магнитным удержанием "EAST" всё ещё используется ниобий-титановый сплав в качестве сверхпроводящего материала".
"По поводу этой заявки на токамак с магнитным удержанием "EAST", ты можешь обсудить с академиком Чэнем, я не просто так беру, я сделаю некоторую компенсацию".
"Если он согласится, то после того, как высокотемпературный медно-углеродно-серебряный композитный сверхпроводящий материал будет произведён, я могу бесплатно предоставить ему первую партию высокотемпературного сверхпроводящего материала, я уверен, что характеристики высокотемпературного медно-углеродно-серебряного композитного сверхпроводящего материала позволят токамаку с магнитным удержанием "EAST" сделать ещё один шаг вперёд".