超導(dǎo)技術(shù) 漸行漸近

蘇更林

超導(dǎo)被譽(yù)為是物理學(xué)中的一顆“明珠”，吸引了無數(shù)科學(xué)家為之不懈探索。然而，超導(dǎo)態(tài)產(chǎn)生需要相當(dāng)?shù)偷呐R界溫度，所以很難被投入到實(shí)際應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代開始，高溫超導(dǎo)材料相繼問世，超導(dǎo)臨界溫度也不斷提高。中國科學(xué)家在鐵基高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的研究，已經(jīng)走在世界超導(dǎo)技術(shù)研究的最前沿，特別是中國研制成功的世界上首根百米級鐵基超導(dǎo)長線，加快了超導(dǎo)走進(jìn)實(shí)際生活的步伐。面對漸行漸近的超導(dǎo)技術(shù)，有多少美好的愿景值得我們期待呢？

超導(dǎo)輸電——打造“無損能源通道”

當(dāng)今社會，電力的重要性已不容置疑。然而，遠(yuǎn)距離輸電電力損耗大得驚人。數(shù)據(jù)顯示，我國輸配電損耗占到全國發(fā)電量的6.6%左右，其中大部分為輸配電線的電阻損失。發(fā)展超導(dǎo)輸電技術(shù)無疑是解決大容量輸配電損耗困局的一個潛在途徑。

超導(dǎo)輸電技術(shù)是利用高密度載流能力的超導(dǎo)材料發(fā)展起來的新型輸電技術(shù)，超導(dǎo)輸電電纜主要由超導(dǎo)材料、絕緣材料和維持超導(dǎo)狀態(tài)的低溫容器構(gòu)成。超導(dǎo)材料的載流能力可以達(dá)到100～1000安/平方毫米，大約是普通銅或鋁等材料的50～500倍。超導(dǎo)電纜輸電的損耗幾乎為零，交流輸電時存在一定的交流損耗，輸電總損耗可以降到常規(guī)電纜的25%～50%。

目前超導(dǎo)電纜輸電技術(shù)研究已經(jīng)取得重要進(jìn)展。超導(dǎo)輸電的輸送容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的架空輸電線路和充油電纜輸電線路，也大于充氣輸電管道和低溫低阻電纜輸電?？茖W(xué)家測算，如果在發(fā)電、輸電、配電等環(huán)節(jié)都采用超導(dǎo)電力技術(shù)，那么電能資源總效率將提高大約5%左右。目前，我國的電能還主要來源于燃煤發(fā)電。超導(dǎo)電纜輸電不僅能夠降低電網(wǎng)的損耗，而且還能降低污染物的排放量，因此其應(yīng)用前景十分看好。同時，采用超導(dǎo)輸電還可以簡化發(fā)電機(jī)、變壓器和電動機(jī)等的熱絕緣，并保證輸電的穩(wěn)定性和安全性。

超導(dǎo)磁體——身手不凡的“魔塊”

超導(dǎo)技術(shù)一個很重要的途徑就是用超導(dǎo)材料制作磁性極強(qiáng)的超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)磁體實(shí)際上就是一個閉合的超導(dǎo)線圈，采用超導(dǎo)線材或者帶材繞制而成。當(dāng)給超導(dǎo)線圈通上電流之后，可以維持較強(qiáng)的穩(wěn)恒磁場。超導(dǎo)磁體相較普通的磁體具有體積小、穩(wěn)定度高、耗能少等多種優(yōu)勢。

在核聚變能的研究中，超導(dǎo)磁體是托卡馬克裝置的關(guān)鍵核心。粒子加速器的進(jìn)步在一定程度上也依賴于超導(dǎo)磁體的水平。從北京正負(fù)電子對撞機(jī)到歐洲大型強(qiáng)子加速器，其加速磁體和探測器都采用了超導(dǎo)磁體。粒子加速器的超導(dǎo)磁體，可以增強(qiáng)粒子的偏轉(zhuǎn)和集束能力，從而大大縮短加速器通道的長度。

將超導(dǎo)磁體應(yīng)用于發(fā)電機(jī)而制成的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，單機(jī)發(fā)電容量可以比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5～10倍，而整機(jī)重量和體積卻分別減少1/3和1/2，整機(jī)發(fā)電效率提高50%左右。軍用艦艇和飛機(jī)使用超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，可以提高它們的戰(zhàn)斗力。

超導(dǎo)磁懸浮列車是超導(dǎo)磁體應(yīng)用的又一個典型案例。與常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)相比，超導(dǎo)磁懸浮列車將更為高速、穩(wěn)定和安全。由于超導(dǎo)磁體可以通過很大的電流，因此產(chǎn)生的磁場要比常規(guī)磁體更大。同時，由于超導(dǎo)磁體幾乎沒有電阻，因此一次通入電流勵磁之后撤掉電源，只需維持其低溫工作環(huán)境以保證其不失超即可。這樣一來，超導(dǎo)磁體重量輕、體積小、能耗低、效率高的優(yōu)勢就表現(xiàn)出來了。

超導(dǎo)儲能——沒有損耗的“儲能容器”

超導(dǎo)儲能是建立在超導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種先進(jìn)的儲能方式，具有很好的發(fā)展前景。超導(dǎo)儲能可以把能量儲存于超導(dǎo)線圈的磁場當(dāng)中，從而通過電磁之間的相互轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)儲能裝置的充電和放電。因此，超導(dǎo)儲能在功率輸送時不需要進(jìn)行能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、比容量大等特點(diǎn)。

超導(dǎo)儲能的基本工作過程簡單來說就是把一個超導(dǎo)體圓環(huán)置于一個特定的磁場當(dāng)中，然后把其溫度降至超導(dǎo)體圓環(huán)材料的臨界溫度以下。當(dāng)把電網(wǎng)中的多余電能儲存在這個超導(dǎo)體圓環(huán)之中的時候，即便是撤去磁場，圓環(huán)中仍會有感生電流產(chǎn)生。因此，只要溫度保持在臨界溫度以下，電流就會不斷地持續(xù)下去?？梢猿掷m(xù)多久呢？有資料顯示，這種電流的衰減時間不低于10萬年。不過，持續(xù)維持線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)所需的低溫，代價卻不小，這就限制了超導(dǎo)儲能技術(shù)的應(yīng)用。超導(dǎo)儲能技術(shù)未來的普及還有賴于高溫超導(dǎo)材料的開發(fā)。

超導(dǎo)限流——不會斷電的“保險絲”

短路電流是困擾電力系統(tǒng)的難題之一，在大容量電力系統(tǒng)中，短路電流有時可達(dá)數(shù)萬安培，因此會對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。高溫超導(dǎo)限流器可以快速、平穩(wěn)、有效地限制輸電線路的短路電流，從而解決輸電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)難題。

高溫超導(dǎo)限流器通過超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的轉(zhuǎn)變特性來限制電力系統(tǒng)中的短路電流。超導(dǎo)體的優(yōu)勢之一在于它的零電阻特性，因此用它輸電可減少電能的損失；超導(dǎo)體的優(yōu)勢之二是具有超導(dǎo)態(tài)-正常態(tài)轉(zhuǎn)換特性，高溫超導(dǎo)限流器就利用了這樣一個特性，即在從無阻態(tài)（超導(dǎo)態(tài)）向電阻態(tài)（正常態(tài)）的轉(zhuǎn)變中達(dá)到限流的目的。

我國科學(xué)家研制的高溫超導(dǎo)限流器，并入電網(wǎng)運(yùn)行已取得滿意的效果，標(biāo)志著我國成為繼瑞士、德國、美國之后的第4個擁有該技術(shù)的國家。高溫超導(dǎo)限流器相當(dāng)于給電網(wǎng)裝上不用斷電的“保險絲”。

超導(dǎo)計算機(jī)——更快、更穩(wěn)、更節(jié)能

超導(dǎo)的魔力是不可估量的，超導(dǎo)計算機(jī)就是孕育在“超導(dǎo)大樹”上的一個“胚芽”。

基于半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)的電子計算機(jī)，唱主角的是硅集成電路。隨著集成電路集成度的提高，進(jìn)一步提高計算機(jī)的性能和速度已經(jīng)遭遇到“瓶頸”。要進(jìn)一步提高計算機(jī)的運(yùn)行速度，必然會造成芯片的發(fā)熱，而這些熱量又對集成電路產(chǎn)生不良的影響，甚至還會使芯片發(fā)生損壞。如果用超導(dǎo)材料作為未來電子計算機(jī)的構(gòu)成元件，那么發(fā)熱問題自然就迎刃而解了，速度的提升也就是順理成章的事了。

英國物理學(xué)家約瑟夫遜曾因發(fā)現(xiàn)“約瑟夫遜效應(yīng)”而獲得1973年諾貝爾物理學(xué)獎，他的發(fā)現(xiàn)開啟了超導(dǎo)應(yīng)用的新境界。如果利用超導(dǎo)材料先制成超導(dǎo)開關(guān)器件和超導(dǎo)存儲器，那么就可以再利用這些器件來制造超導(dǎo)計算機(jī)。我們知道，在特定的溫度條件下，超導(dǎo)體的電阻會消失為零，因此超導(dǎo)器件是零能耗的，這就意味著人們不用再為CPU溫度過高發(fā)愁了。

未來的超導(dǎo)計算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到每秒幾十億次，而電力消耗也只是傳統(tǒng)電子計算機(jī)的千分之一。超導(dǎo)計算機(jī)不僅具有卓越的運(yùn)算速度和節(jié)能品質(zhì)，而且還能夠讓我們獲得性能穩(wěn)定、圖像清晰的新體驗(yàn)。不過，關(guān)于超導(dǎo)計算機(jī)的研究還處于初步階段，真正的商業(yè)化應(yīng)用還將得益于常溫超導(dǎo)材料的進(jìn)一步突破。

超導(dǎo)醫(yī)學(xué)——更清、更準(zhǔn)、更實(shí)用

從超導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域來看，生物科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)將是吸納超導(dǎo)科技成果的重要領(lǐng)域。目前在臨床醫(yī)學(xué)中廣泛采用的超導(dǎo)核磁共振層析成像儀，大都采用超導(dǎo)磁體技術(shù)。其中的超導(dǎo)磁體可以在一個較大的空間內(nèi)產(chǎn)生一個均勻的強(qiáng)磁場，從而使其具有體積小、功耗低、分辨率高等特點(diǎn)。

在生物體內(nèi)，某些元素的自然含量往往很低，要獲得非常清晰的共振譜信號，必須提高背景磁場的強(qiáng)度?？茖W(xué)家把超導(dǎo)磁體應(yīng)用于核磁共振原理，開發(fā)出來的超導(dǎo)核磁共振層析成像儀，為圖像清晰度的提高創(chuàng)造了條件，可對人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的分析，據(jù)此判斷人體組織是否發(fā)生病變。

隨著超導(dǎo)技術(shù)向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的滲透，一系列新型高精度測量儀器不斷面世。利用“約瑟夫遜效應(yīng)”制成的高靈敏度磁強(qiáng)計，可以精確測量人體的心臟跳動和人腦內(nèi)部的磁場變化?？茖W(xué)家發(fā)明的射頻超導(dǎo)量子干涉器，具有更高的靈敏度，能夠排除地磁的影響，因此是測量人體磁圖的理想儀器。利用射頻超導(dǎo)量子干涉器可以測量出心、腦、眼等部位的磁圖，從而指示出人體心、腦、眼等部位的生理和病理狀態(tài)。

超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，還進(jìn)一步拓展了科學(xué)家的思路。有科學(xué)家提出利用超導(dǎo)技術(shù)治療癌癥的設(shè)想，其基本思路就是阻斷局部癌變組織的營養(yǎng)供應(yīng)，從而最終達(dá)到根治癌癥的目的。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，可以把超導(dǎo)磁體作為一個工具，來誘導(dǎo)一種特殊的“鐵劑”在人體血液內(nèi)進(jìn)行流動，并準(zhǔn)確地移動至癌變部位。然后阻塞癌變部位周圍的血管，使腫瘤組織壞死，從而達(dá)到治療的目的。由于超導(dǎo)磁體在人體的表面，并可以通過控制電流的方法來控制磁場的大小，同時超導(dǎo)磁體中沒有熱量的產(chǎn)生，對人體沒有危害。

【責(zé)任編輯】龐 云