中日超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)度及應(yīng)用比較

邵虹 成歡

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

隨著人類現(xiàn)代信息化進(jìn)程的加快，以及對(duì)于生產(chǎn)效率及環(huán)保理念的更高要求，超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1911年荷蘭物理學(xué)家卡麥林·昂尼斯（Onees）首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象、超電導(dǎo)性，即當(dāng)溫度降至4.2 K時(shí)，水銀的電阻頓時(shí)消失，此后，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，水銀溫度進(jìn)而從最初的4.2 K提高到23.22 K、30 K、53 K、93 K，而93 K的 Tc（臨界溫度）發(fā)現(xiàn)在藏量豐富且價(jià)格低廉的液氮的沸點(diǎn)77 K之上，由此1986年高溫超導(dǎo)性被發(fā)現(xiàn)并取得進(jìn)展，超導(dǎo)性的應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣泛，發(fā)展?jié)摿σ灿油癸@。

超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展獲得了多國(guó)的關(guān)注，世界各國(guó)紛紛投入巨資加快研究和開發(fā)，特別是20世界 80年代以來，美，日，瑞士等國(guó)在采用超導(dǎo)技術(shù)方面均有較大成果，如表1所示[1]。

超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及到電力，交通，醫(yī)療，科學(xué)試驗(yàn)等方方面面，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于各國(guó)的經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)展水平的不同，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)度間差距較大。我國(guó)在發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)方面起步較晚，在上世紀(jì)60年代末期才正式開始對(duì)超導(dǎo)技術(shù)的研究。本文將著重介紹日本及中國(guó)在超導(dǎo)技術(shù)方面的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用比較，以有助于我國(guó)吸取日本超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)高效環(huán)保的應(yīng)用目標(biāo)。

1 中日超導(dǎo)技術(shù)在交通上的應(yīng)用比較

日本是發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)并廣泛應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)最早的國(guó)家之一。在交通運(yùn)輸方面，日本和德國(guó)是率先將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用到交通方式的國(guó)家。日本的磁懸浮列車便是利用了超導(dǎo)磁體的排斥性，通過列車的超導(dǎo)磁體排斥地上的永久磁體，依靠?jī)烧叱饬④囎討腋∑饋黼x開軌道。

表1 各種高溫超導(dǎo)設(shè)備在世界上的領(lǐng)先國(guó)家

列車的懸浮必須滿足三個(gè)條件：有足夠的安全定位信息，設(shè)有緊急停車信號(hào)和分區(qū)控制子系統(tǒng)工作正常，下圖1顯示的是列車懸浮功能模塊結(jié)構(gòu)圖[4]。它的優(yōu)點(diǎn)就在于車輛在電機(jī)牽引下無軌零摩擦前進(jìn)，時(shí)速最高可達(dá)500 km/h，操作簡(jiǎn)單易行。

圖1 列車懸浮功能模塊結(jié)構(gòu)流程圖

我國(guó)在借鑒日本及德國(guó)磁懸浮列車的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，于2001年研制出常導(dǎo)磁懸浮客車，采用電磁吸力將車輛懸浮，客車與軌道間距離始終保持在8-10 mm之間，輪軌與車體間保持零摩擦。車輛運(yùn)行時(shí)具有平穩(wěn)舒適、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。但我國(guó)首列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的實(shí)用型中低速磁懸浮列車是在2009年5月13日正式在中國(guó)北車唐山軌道客車有限公司完成組裝，下線隨即進(jìn)行列車調(diào)試。這也標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)具備中低速磁懸浮列車產(chǎn)業(yè)化的制作能力。上海浦東磁懸浮列車時(shí)速可達(dá)423km/h，是吉尼斯世界記錄認(rèn)證的“現(xiàn)今世界最快的陸上交通工具”。

目前，我國(guó)已擁有載人高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)技術(shù)，該技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，并已經(jīng)承載兩萬余人，實(shí)質(zhì)上已具有一定的商業(yè)價(jià)值，開拓了磁懸浮技術(shù)上跨越發(fā)展的可能性。

2 中日超導(dǎo)技術(shù)在線材上的應(yīng)用比較

日本是首個(gè)宣布獲得175 K的超導(dǎo)材料的國(guó)家，之后不久，美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯、德國(guó)及丹麥等國(guó)也相繼有了突破性的研究報(bào)告，有的甚至發(fā)現(xiàn)了308 K的超導(dǎo)跡象，該溫度已達(dá)到常溫的轉(zhuǎn)變溫度。目前，日本有著100多家研究所在研究新超導(dǎo)材料，其中20%以上是企業(yè)的研究所。一些公司已經(jīng)用陶瓷系列超導(dǎo)材料制成線材。日本許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也紛紛行動(dòng)起來。研究熱潮甚至影響了國(guó)際稀土市場(chǎng)，制作超導(dǎo)材料的一等稀土元素在國(guó)際市場(chǎng)上空前緊俏，一場(chǎng)超導(dǎo)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的激烈競(jìng)爭(zhēng)正在各國(guó)展開。

我國(guó)是稀土資源豐富的國(guó)家之一，成礦條件優(yōu)越，甚至可以說是得天獨(dú)厚，探明的儲(chǔ)藏量位居世界之首，在發(fā)展超導(dǎo)線材應(yīng)用上占有一定優(yōu)勢(shì)。幾乎所有的電動(dòng)機(jī)械（從尖端軍事機(jī)械到普通家用電器）都離不開稀土元素制成的磁材料。然而，近年來隨著中國(guó)大量出口稀土，中國(guó)已經(jīng)成為世界最大的稀土生產(chǎn)、出口國(guó)，滿足了世界30%的稀土資源需求。據(jù)報(bào)道稱，中國(guó)大量且廉價(jià)出售稀土使得日本等國(guó)趁機(jī)收購(gòu)并儲(chǔ)存了足量稀土，數(shù)量夠用幾十年。業(yè)內(nèi)人士甚至估計(jì)說，日本儲(chǔ)存的稀土資源甚至已夠用四五十年。因此，中國(guó)在加強(qiáng)管理稀土資源出口的同時(shí)，應(yīng)積極利用稀土資源為我國(guó)的超導(dǎo)材料發(fā)展和工業(yè)上應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。

超導(dǎo)材料具有極其優(yōu)越的物理特性：一是零電阻效應(yīng)，二是約瑟夫遜效應(yīng)，三是邁斯納效應(yīng)。特別是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，專家預(yù)計(jì)會(huì)更為廣泛。采用超導(dǎo)材料，可使許多重要的軍用裝備如艦艇，飛機(jī)，裝甲車，導(dǎo)彈，聚能武器等的性能得到大幅度的改善。1992年，世界第一艘超導(dǎo)艦船在日本研制成功，時(shí)速高達(dá)180 km，如果超導(dǎo)船應(yīng)用化，就可導(dǎo)致整個(gè)海運(yùn)發(fā)生重大變化[3]。

目前，世界上高溫超導(dǎo)材料形成了YBCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO等四類，其轉(zhuǎn)變溫度分別是 95 K、110 K、125 K和135 K。日本住友公司SEI是世界上首先提出發(fā)展BSCCO導(dǎo)線的公司之一，并用試驗(yàn)證實(shí)了高溫超導(dǎo)材料在許多方面比低溫超導(dǎo)材料更具優(yōu)越性和穩(wěn)定性。這影響到其他國(guó)家也紛紛以發(fā)展高溫超導(dǎo)應(yīng)用研究為主要方向。

2001-2003年，中國(guó)著力提高高溫超導(dǎo)線材技術(shù)，并生產(chǎn)出世界首條年產(chǎn)能力兩百公里的鉍系高溫超導(dǎo)線材，其各項(xiàng)指標(biāo)均位于世界首列，這也標(biāo)志著中國(guó)高溫超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化水平邁進(jìn)世界先進(jìn)行列，對(duì)增強(qiáng)我國(guó)國(guó)防裝備現(xiàn)代化水平具有里程碑式的意義。而在2000年以前，鉍系高溫超導(dǎo)線材工業(yè)化及實(shí)用化技術(shù)僅被美國(guó)、日本、德國(guó)等少數(shù)國(guó)家掌握。

3 中日超導(dǎo)技術(shù)在能源電力系統(tǒng)上的應(yīng)用比較

在我國(guó)“八五”、“九五”規(guī)劃中就有這么一條：“發(fā)展我國(guó)超導(dǎo)科學(xué)技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)形成”，在高科技發(fā)展日新月異的津貼，這項(xiàng)計(jì)劃具有重要意義。我國(guó)提出了分兩步走的戰(zhàn)略目標(biāo)：第一步是實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)實(shí)用化的戰(zhàn)略目標(biāo)，即在超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)電子學(xué)上爭(zhēng)取早日形成生產(chǎn)力。第二步是逼近高溫超導(dǎo)體實(shí)用化的戰(zhàn)略目標(biāo)，積極地為實(shí)現(xiàn)這些戰(zhàn)略目標(biāo)而創(chuàng)造條件。

可以預(yù)見，以高溫超導(dǎo)、磁流體發(fā)電的新技術(shù)將以空前的廣度和深度影響現(xiàn)有的工業(yè)局面和人們的日常生活。我國(guó)未來超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)之一在于發(fā)展安全可靠的高效超導(dǎo)電力系統(tǒng)：包括超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)電機(jī)和基于超導(dǎo)技術(shù)和現(xiàn)代電力電子技術(shù)與控制技術(shù)而產(chǎn)生的靈活功率變換和調(diào)節(jié)技術(shù)，基于超導(dǎo)電力技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行改造的相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)。

1965年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所與武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所合作設(shè)計(jì)研制出一臺(tái)20 kW超導(dǎo)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子線圈采用了我國(guó)寶雞有色金屬加工研究所研制的單芯NbTi超導(dǎo)線繞制。這是我國(guó)研制的第一個(gè)超導(dǎo)磁體[2]。盡管超導(dǎo)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多，例如效率高，占用空間小等，但由于其建設(shè)周期大，技術(shù)難關(guān)多，投資大，使得許多本感興趣發(fā)展該技術(shù)的國(guó)家逐漸放棄了對(duì)其的前沿開發(fā)計(jì)劃。僅日本表示出堅(jiān)定決心，并通過自身強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)實(shí)力，經(jīng)過十幾年的傾心研究，終于取得成果，將兩臺(tái)70 MW級(jí)的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)并入700 kV的輸電系統(tǒng)，測(cè)試運(yùn)行顯示此次并網(wǎng)成功創(chuàng)造了超導(dǎo)發(fā)電機(jī)單機(jī)容量最大、效率最高和連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的世界記錄。

超導(dǎo)電纜具有零電阻特性，幾乎可無損耗地輸送電能。使用高溫超導(dǎo)電纜比使用常規(guī)電線的總成本要低15%，它從本質(zhì)上克服及解決了常規(guī)電纜線的缺點(diǎn)、問題，如輸電過程中的損耗大，容量小，環(huán)保效果差，建設(shè)成本高等。2004年3月，云南昆明普吉變電站完成三相交流33.5 m/35 kV/2 kA。超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝及掛網(wǎng)試運(yùn)行成功標(biāo)志著繼美國(guó)、丹麥之后，我國(guó)成為世界上第三個(gè)將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行的國(guó)家。

4 結(jié)論

日本、美國(guó)等國(guó)家關(guān)于超導(dǎo)產(chǎn)品的市場(chǎng)估計(jì)，均把我國(guó)作為重要市場(chǎng)之一。我國(guó)能否抓住超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展提供的歷史性的機(jī)會(huì)，爭(zhēng)取在這一新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中占有一席之地，是我國(guó)超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展面臨的一個(gè)重要問題。同時(shí)，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用層面愈來愈廣泛，超導(dǎo)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、移動(dòng)通訊等行業(yè)在我國(guó)也均有不同程度的發(fā)展，相信在不久的將來，中國(guó)的超導(dǎo)技術(shù)會(huì)更加實(shí)用化及產(chǎn)業(yè)化，與世界其他超導(dǎo)強(qiáng)國(guó)并駕齊驅(qū)。

[1]徐乃英. 超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用. 電線電纜, 2000,(2): 5.

[2]林良真. 我國(guó)超導(dǎo)技術(shù)研究進(jìn)展及展望. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2005, 20(1): 2.

[3]厲愛玲. 超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用綜述. 山東水利?？茖W(xué)校學(xué)報(bào), 1994-5.

[4]徐家鎮(zhèn), 徐洪澤. 磁懸浮列車運(yùn)行控制系統(tǒng)仿真環(huán)境研究. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2005, (12): 3.