超導(dǎo)材料及其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

肖立業(yè) 劉向宏 王秋良 馬衍偉 古宏偉

超導(dǎo)體不僅在臨界溫度下具有零電阻特性，而且在一定的條件下具有常規(guī)導(dǎo)體完全不具備的電磁特性，因而在電氣與電子工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。我國在超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域總體上處于國際先進(jìn)行列，基本掌握了各種實(shí)用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，在多個(gè)應(yīng)用方面也取得了良好的發(fā)展。我國超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗵剿鞲吲R界溫度的超導(dǎo)體，提升超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展水平。

1911年，荷蘭萊登實(shí)驗(yàn)室的卡麥林·昂尼斯在測(cè)量低溫下金屬的電導(dǎo)率時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度下降到4.2K時(shí)，汞的電阻完全消失（如圖1所示），他把具有這種現(xiàn)象的導(dǎo)體稱為超導(dǎo)體。經(jīng)過近50年的研究，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體不僅在一定溫度（也稱為臨界溫度，簡稱Tc）之下具有零電阻特性，而且在一定的條件下具有高密度載流能力、完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）、約瑟夫森效應(yīng)等常規(guī)導(dǎo)體完全不具備的電磁特性，因而在電氣與電子工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值（見表1）。根據(jù)應(yīng)用的具體需求，工程師們可以將超導(dǎo)體制備成各種超導(dǎo)材料，如超導(dǎo)線材、超導(dǎo)帶材、超導(dǎo)薄膜、復(fù)合超導(dǎo)體等。

經(jīng)歷了100多年的研究，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多達(dá)數(shù)萬種超導(dǎo)體。按照超導(dǎo)體的臨界溫度，可以將超導(dǎo)體分為低溫超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體，臨界溫度低于25K～30K超導(dǎo)體為低溫超導(dǎo)體，臨界溫度高于25K～30K超導(dǎo)體為高溫超導(dǎo)體。目前，基于低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用裝置一般工作在液氦溫度（4.2K及以下），基于高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用裝置一般工作在液氫溫度（約20K）至液氮溫度（約77K）之間。探索出更高臨界溫度乃至室溫的超導(dǎo)體是人類不斷追求的夢(mèng)想。

超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

盡管人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬種超導(dǎo)體，但真正具有實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)體并不多。目前得到應(yīng)用的低溫超導(dǎo)體主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等，具有實(shí)用價(jià)值的高溫超導(dǎo)體主要包括鉍系（BSCCO，Tc約90K-110K，也稱為第一代高溫超導(dǎo)材料，主要包括BSCCO-2212和BSCCO-2223兩種，也簡稱Bi-2212或Bi-2223）、釔系（Tc約90K，YBCO或ReBCO，也稱為第二代高溫超導(dǎo)材料）。進(jìn)入21世紀(jì)以來，MgB2（Tc為39K）和鐵基超導(dǎo)體（Tc最高為55K）相繼被發(fā)現(xiàn)，成為兩種新的具有實(shí)際應(yīng)用潛力的超導(dǎo)體。

低溫超導(dǎo)材料發(fā)展現(xiàn)狀與前景

超導(dǎo)材料主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等。自上世紀(jì)60年代以來，其制備技術(shù)與工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，并推動(dòng)了如加速器磁體、核聚變工程用超導(dǎo)磁體、核磁共振（MRI和NMR）磁體、通用超導(dǎo)磁體等的發(fā)展，并由此形成了具有一定規(guī)模的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。目前，美國、歐盟和日本等國家和地區(qū)已經(jīng)有一大批的企業(yè)可以生產(chǎn)各種面向不同應(yīng)用需求的低溫超導(dǎo)材料。2006年，我國加入了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃，從而使我國低溫超導(dǎo)材料的發(fā)展迎來了前所未有的機(jī)遇。作為國內(nèi)極少的低溫超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化公司，西部超導(dǎo)材料科技有限公司承擔(dān)了174噸NbTi超導(dǎo)線和35噸Nb3Sn超導(dǎo)線的生產(chǎn)任務(wù)，通過自主開發(fā)，掌握了成套技術(shù)和工藝，并于2017年全部交付預(yù)訂的產(chǎn)品，得到了國際同行的高度評(píng)價(jià)，總體上達(dá)到了國際先進(jìn)水平。ITER項(xiàng)目極大推動(dòng)了我國低溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，也為我國自主開發(fā)MRI、加速器和核聚變磁體提供了超導(dǎo)材料供應(yīng)的保障。

盡管受到高溫超導(dǎo)材料不斷發(fā)展的挑戰(zhàn)，但是低溫超導(dǎo)材料在批量化加工技術(shù)、成本、使用穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)無可替代。且隨著制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，也使得低溫超導(dǎo)裝置對(duì)液氦的依賴程度逐漸降低，低溫超導(dǎo)材料在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍將是最主要的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)支柱性材料。由于低溫超導(dǎo)材料的性能水平和工藝路線已經(jīng)相當(dāng)成熟，國際上的競爭主要來自產(chǎn)品性價(jià)比的競爭。我國西部超導(dǎo)材料科技有限公司已經(jīng)在低溫超導(dǎo)材料的生產(chǎn)方面形成了自身的競爭優(yōu)勢(shì)，今后將進(jìn)一步根據(jù)應(yīng)用需求不斷優(yōu)化工藝和提高材料的性能水平，特別是圍繞中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）、超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SPPC）和國內(nèi)MRI市場發(fā)展需求，形成與國內(nèi)需求相匹配的生產(chǎn)能力。

高溫超導(dǎo)材料發(fā)展現(xiàn)狀與前景

Bi系高溫超導(dǎo)材料

Bi系超導(dǎo)體是一種陶瓷結(jié)構(gòu)的材料。為了制備成實(shí)用的超導(dǎo)材料，一般采用粉末套管法（PIT），即將制備材料所需的粉末包裹在金屬套管里（一般采用銀作為套管）制備成導(dǎo)線，然后再通過燒結(jié)形成超導(dǎo)導(dǎo)線（帶狀導(dǎo)線，也稱為超導(dǎo)帶材）。

自上世紀(jì)末成功采用粉末套管法制備出長帶以來，Bi-2223超導(dǎo)帶材的制備技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。國內(nèi)外具備了批量化生產(chǎn)千米級(jí)長帶能力的公司有美國超導(dǎo)公司（AMSC）、北京英納公司（INNOST）、德國布魯克公司（BRUKER）、日本住友電氣公司（SUMITOMO）等多家公司。2006年，日本住友電氣公司組建了30MPa的冷壁式Controlled Overpressure（CT-OP）熱處理方案，成功制備臨界電流達(dá)到150A的帶材，這一成果引起了世界同行的極大關(guān)注。目前，住友電氣已經(jīng)可以生產(chǎn)出臨界電流達(dá)到200A的千米級(jí)Bi-2223超導(dǎo)帶材，這是Bi-2223目前所達(dá)到的最高水平。到目前為止，世界上Bi-2223帶材的年生產(chǎn)能力總和已達(dá)千公里以上，為高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。表2列出了目前國內(nèi)外主要的Bi-2223供應(yīng)商提供的超導(dǎo)帶材的性能。

B-2212超導(dǎo)帶材主要用于高場超導(dǎo)磁體技術(shù)的研發(fā)，目前國內(nèi)外主要有英國牛津儀器公司和我國的西北有色金屬研究院開展此類超導(dǎo)帶材的研究，其中牛津儀器公司已經(jīng)可以提供千米級(jí)的Bi-2212帶材，其工程臨界電流密度已經(jīng)超過200A/mm2（4.2K，20T）。今后的主要挑戰(zhàn)是研制出機(jī)械強(qiáng)度高的復(fù)合導(dǎo)線，但由于YBCO帶材在高場下具有很高的臨界電流密度且其機(jī)械強(qiáng)度高，Bi-2212的研究已經(jīng)開始有所收縮。

Y系高溫超導(dǎo)材料

YBCO（或ReBCO）超導(dǎo)體在磁場下的性能比Bi-2223更為優(yōu)越，它在77K下的不可逆場達(dá)到了7T，高出Bi-2223一個(gè)量級(jí)，因而近年來受到了更多的關(guān)注。獲得高性能的第二代高溫超導(dǎo)（Y系）帶材的主要障礙是弱連接問題，相鄰的YBCO晶粒間的晶界角是決定超導(dǎo)體能否承載無阻大電流的關(guān)鍵。另外，由于YBCO的電流傳輸主要在其a-b面內(nèi)，因此要獲得高性能的第二代高溫超導(dǎo)帶材，必須先在柔性的金屬基帶上制備出c軸垂直于基帶表面的強(qiáng)立方織構(gòu)的YBCO層。而長尺度的強(qiáng)立方織構(gòu)YBCO的獲得一般需要采用涂層技術(shù)的外延生長，因此YBCO超導(dǎo)帶材也被稱為涂層導(dǎo)體。

自1999年第一根100m長YBCO高溫超導(dǎo)帶材被制備出來以后，YBCO高溫超導(dǎo)帶材的研究逐漸開始向企業(yè)轉(zhuǎn)移。目前，該方面研發(fā)領(lǐng)先的是日本Fujikura公司、美國超導(dǎo)公司、美國Superpower公司、韓國的SuNAM公司等。我國從“十二五”開始，由于企業(yè)的介入，YBCO帶材的制備技術(shù)也迅猛發(fā)展，并進(jìn)入到世界先進(jìn)水平行列。2004年Fujikura公司制備出長度為100m、臨界電流超過100A的YBCO超導(dǎo)帶材；2011年4月制備出了長度為816.4m、平均電流為572A的YBCO帶材，其Ic×L值達(dá)到466981A·m，創(chuàng)造出新的世界記錄。美國超導(dǎo)公司采用RABiTS/MOD技術(shù)制備YBCO帶材，在4cm的寬帶上沉積中間層和超導(dǎo)層，因此其制備效率大大提高。美國SuperPower公司是世界上第一家制備出千米級(jí)的YBCO高溫超導(dǎo)帶材的廠商，2007年之前一直保持著Ic×L值的世界紀(jì)錄，2007年之后，它和日本的Fujikura公司交替領(lǐng)先。我國的蘇州新材料研究所是國內(nèi)第一家專注于YBCO高溫超導(dǎo)帶材產(chǎn)業(yè)化的高科技企業(yè)，2016年底制備出的千米帶材Ic×L值達(dá)到644100A·m，是目前的世界領(lǐng)先水平。此外，上海超導(dǎo)科技股份有限公司和上海上創(chuàng)超導(dǎo)科技有限公司也都是專注于YBCO高溫超導(dǎo)帶材制備的公司，也都具備了數(shù)百米級(jí)帶材的批量供應(yīng)能力。

YBCO高溫超導(dǎo)帶材是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括金屬基帶、多層隔離層、YBCO超導(dǎo)層、銀保護(hù)層、穩(wěn)定層等，其中，如何得到具有雙軸織構(gòu)特性的YBCO超導(dǎo)層是關(guān)鍵。為了獲得具有雙軸織構(gòu)的YBCO超導(dǎo)層，首先需要獲得相鄰晶粒的晶界角小于5°的柔性基帶。因此，或者通過扎制變形熱處理直接制備出具有立方織構(gòu)的金屬基帶（RABiTS技術(shù)），或者在多晶的金屬基帶上生長出具有立方織構(gòu)的種子層（IBAD技術(shù)），然后再外延緩沖層、超導(dǎo)層等。不管是RABiTS技術(shù)，還是IBAD技術(shù)，以及以后的緩沖層的生長，都需要在納米尺度上控制晶粒的生長，同時(shí)，又要求在千米級(jí)的長度上所有晶粒都保持同樣取向，這些都是YBCO材料制備的重要挑戰(zhàn)。目前，YBCO帶材的性能距離其理論水平還有較大差距，如何克服上述挑戰(zhàn)是進(jìn)一步提高YBCO水平的關(guān)鍵因素。

鐵基超導(dǎo)材料

2008年2月，日本東京工業(yè)大學(xué)Hosono研究組報(bào)道了轉(zhuǎn)變溫度為26K的鐵基超導(dǎo)體，引起了超導(dǎo)界的強(qiáng)烈關(guān)注。從應(yīng)用角度來看，鐵基超導(dǎo)體具有臨界溫度較高（Tc最高可達(dá)55K）、上臨界場高（Hc2>100T）、各向異性小、臨界電流密度高（Jc>106A/cm2）等特點(diǎn)，有望在超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）、核磁共振譜儀（NMR）、下一代高能物理加速器、未來核聚變裝置等方面得到應(yīng)用。

與Bi-2223一樣，鐵基超導(dǎo)帶材的制備一般也采用粉末裝管法（PIT法）。目前，國內(nèi)外從事鐵基超導(dǎo)線帶材研究的主要單位為中國科學(xué)院電工研究所、美國佛羅里達(dá)州立大學(xué)、日本國立材料研究所、東京大學(xué)、意大利熱那亞大學(xué)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、澳大利亞臥龍崗大學(xué)等。其中，中國科學(xué)院電工研究所在高性能鐵基超導(dǎo)材料的研制中一直走在世界前列。2014年，中國科學(xué)院電工研究所首次將鐵基超導(dǎo)線帶材的臨界電流密度提高到105A/cm2（4.2K，10T），達(dá)到實(shí)用化水平。最近，中國科學(xué)院電工研究所通過優(yōu)化工藝，制備的鐵基超導(dǎo)線帶材Jc達(dá)到1.5×105A/cm2（4.2K，10T），這是目前國際關(guān)于鐵基超導(dǎo)線帶材文獻(xiàn)中報(bào)道的最高紀(jì)錄值。另外，通過對(duì)制備過程中涉及的相組分與微結(jié)構(gòu)控制、界面復(fù)合體均勻加工等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究，解決了鐵基超導(dǎo)線規(guī)模化制備中的均勻性、穩(wěn)定性和重復(fù)性等技術(shù)難點(diǎn)，并于2016年成功制備出長度達(dá)到115m的7芯鐵基百米長線（如圖2所示），該工作被譽(yù)為是鐵基超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的里程碑，奠定了鐵基超導(dǎo)材料在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、國防等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。

從應(yīng)用的角度來講，鐵基超導(dǎo)材料的制備成本可望比BSCCO和YBCO帶材低廉。研究表明：采用銅或鐵作為套管，也可以制備出鐵基超導(dǎo)帶材，為了提高加工性能，也可以采用銀和銅或鐵的復(fù)合套管，從而有效降低鐵基超導(dǎo)材料的制備成本。但其主要挑戰(zhàn)是，能否從工藝上實(shí)現(xiàn)與純銀套管同樣的性能，如能做到這一點(diǎn)，鐵基超導(dǎo)帶材在高場超導(dǎo)磁體等方面的應(yīng)用將具有比BSCCO和YBCO更為顯著的優(yōu)勢(shì)。

需要提到的是，2001年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了二硼化鎂（MgB2）超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度達(dá)39K。MgB2超導(dǎo)材料具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)；目前，意大利Columbus公司和美國HyperTech公司均可商業(yè)化制備并批量生產(chǎn)千米級(jí)MgB2長線。但是，目前MgB2長線的總體性能在液氦溫度還無法與低溫超導(dǎo)材料相比，在更高溫度下也無法與鐵基超導(dǎo)材料相比，因此國內(nèi)外研究有所停滯的趨勢(shì)。

超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景

超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景

由于超導(dǎo)線的載流能力可以達(dá)到100～1000A/mm2（大約是普通銅導(dǎo)線或鋁導(dǎo)線的載流能力的50～500倍），且其直流狀態(tài)下的傳輸損耗為零，因此利用超導(dǎo)線制備的電力設(shè)備，具有損耗低、效率高、占空間小的優(yōu)勢(shì)。由于超導(dǎo)線在電流超過其臨界電流時(shí)，會(huì)失去超導(dǎo)性而呈現(xiàn)較大的電阻率，因而用超導(dǎo)線制成的限流設(shè)備（超導(dǎo)限流器，F(xiàn)CL）可以在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)自動(dòng)限制短路電流的上升，從而有效保護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，利用超導(dǎo)線研制的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）是一種高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)（效率可達(dá)95%以上），且具有快速高功率響應(yīng)和靈活可控的特點(diǎn)，對(duì)于解決電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和瞬態(tài)功率平衡問題也具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，國內(nèi)外在超導(dǎo)電力技術(shù)研發(fā)方面取得了長足的進(jìn)步，公里級(jí)的超導(dǎo)輸電電纜、容量達(dá)到1MVA以上的超導(dǎo)變壓器、輸電電壓等級(jí)的超導(dǎo)限流器（110kV及以上）、MW級(jí)的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)、36.5MW級(jí)的超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)、79MW的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、8～10MVar的超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)等均已經(jīng)在實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行示范，取得良好的示范效果。其中，美國超導(dǎo)公司的MW級(jí)超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)和8～10MVar級(jí)的超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)還出售過產(chǎn)品。我國超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用研發(fā)總體上處于國際同行的前列水平，并具有自身的特色和優(yōu)勢(shì)。例如，中國科學(xué)院電工研究所研制成的360米、10kA高溫超導(dǎo)輸電電纜于2013年在河南中孚鋁業(yè)有限公司投入運(yùn)行，為電解鋁廠供電，這是全球首條投入實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)直流電纜，也是國際上傳輸電流最大的高溫超導(dǎo)電纜。經(jīng)過多年的研發(fā)，中國科學(xué)院電工研究所還完成了世界首座10kV級(jí)超導(dǎo)變電站的研制和建設(shè)，該超導(dǎo)變電站包括高溫超導(dǎo)電纜、高溫超導(dǎo)限流器、高溫超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)等多種超導(dǎo)電力裝置，并且于2011年2月初在甘肅省白銀市投入工程示范運(yùn)行，為下游多家企業(yè)提供高質(zhì)量的電力供應(yīng)。

超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)在于：超導(dǎo)材料的性價(jià)比是否能夠做到與傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料相近、低溫制冷系統(tǒng)能否具有長期運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。特別是，如果能夠探索出更高臨界溫度的超導(dǎo)體乃至室溫超導(dǎo)體，且這類新的超導(dǎo)體具有良好的電磁性能，那么超導(dǎo)電力技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用必將成為現(xiàn)實(shí)。

超導(dǎo)磁體技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

強(qiáng)磁場條件有助于實(shí)現(xiàn)特有的功能和發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，因此在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。自從上世紀(jì)60年以來，隨著實(shí)用化低溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)磁體技術(shù)得到了很大發(fā)展，并在核磁共振、大科學(xué)工程、科學(xué)儀器和工業(yè)裝備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)成為一門相當(dāng)成熟的技術(shù)。

超導(dǎo)磁共振成像（MRI）是低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)最早實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)域，目前主流產(chǎn)品為1.5T、3.0T螺管型磁共振成像用超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，國內(nèi)外已經(jīng)有數(shù)十家企業(yè)可以提供此類產(chǎn)品。我國的1.5TMRI系統(tǒng)雖然大部分仍為進(jìn)口產(chǎn)品，但國內(nèi)廠商占據(jù)的市場份額正在迅速增加。近年來，我國自主研發(fā)的0.5T、0.7T開放式磁共振成像用超導(dǎo)磁體及整機(jī)系統(tǒng)，也正在積極開拓國際市場。核磁共振譜儀（NMR）是超導(dǎo)磁體的另一主要應(yīng)用領(lǐng)域。目前普遍使用的NMR磁體具有標(biāo)準(zhǔn)孔徑54mm～89mm，磁場從4.7T到23.5T，對(duì)應(yīng)頻率為200～1000MHz，950MHz～1000MHz的超導(dǎo)NMR也達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用水平。目前，世界范圍內(nèi)正在開發(fā)1.25GHz NMR系統(tǒng)以發(fā)現(xiàn)新型的藥物和解開遺傳變異之謎。中科院電工所先后研制成功各種用于不同科學(xué)儀器、醫(yī)療和特種裝備的超導(dǎo)強(qiáng)磁系統(tǒng)，磁場強(qiáng)度5T～16T和溫孔φ80～330mm以及400～500MHz的核磁共振譜儀系統(tǒng)，目前正在開展1.05GHz譜儀和9.4T/φ800mm全身核磁共振成像超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的研制。

高能加速器是超導(dǎo)磁體在大科學(xué)工程中應(yīng)用的一個(gè)重要的領(lǐng)域，如歐洲的LHC，美國的RHIC以及德國的DESY、GSI等高磁場加速器磁體系統(tǒng)已相繼建成和投入運(yùn)行。我國中科院高能物理研究所、蘭州近代物理所、中科院等離子所、上海應(yīng)用物理研究所圍繞ADS和高能探測(cè)器等也開展了系列研究與開發(fā)。在核聚變領(lǐng)域，托卡馬克（Tokamak）、仿星器（Stellarator）和磁鏡（Mirror machines）以及懸浮等離子體實(shí)驗(yàn)裝置（LDX）也需要超導(dǎo)磁體作為支撐。世界上已經(jīng)建成的超導(dǎo)Tokamak系統(tǒng)主要包括：法國的Tore Supera，俄羅斯Kurchatov原子能研究所的T15和T7，中國的EAST超導(dǎo)Tokamak，其中均采用NbTi超導(dǎo)線圈。1992年由多個(gè)國家參與建設(shè)的ITER工程設(shè)計(jì)正式開始，2005年ITER Tokamak正式選址在法國的Cadarache核中心，最大磁場達(dá)到13T。同時(shí)，一些不同用途的反應(yīng)裝置也將相繼建設(shè)，如中國的CFETR，韓國的KDEMO等。

超導(dǎo)磁體技術(shù)今后發(fā)展的主要挑戰(zhàn)包括：研制大口徑高場核磁共振成像系統(tǒng)用超導(dǎo)磁體（9.4T及以上、口徑800mm）、磁場強(qiáng)度達(dá)25T及以上的核磁共振譜儀用超導(dǎo)磁體以及超高場的通用超導(dǎo)磁體（30T及以上）。這些特種超導(dǎo)磁體的發(fā)展對(duì)于人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)和生命的結(jié)構(gòu)及活動(dòng)規(guī)律具有重要的意義。

超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用主要包括微波通信應(yīng)用、約瑟夫森結(jié)的各種應(yīng)用及單光子探測(cè)等。與上述的超導(dǎo)電力技術(shù)及超導(dǎo)磁體技術(shù)應(yīng)用不同，超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用主要是基于超導(dǎo)薄膜材料和超導(dǎo)納米線等超導(dǎo)材料。目前，超導(dǎo)薄膜的制備（如Nb薄膜和YBCO薄膜）技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，實(shí)驗(yàn)室制備超導(dǎo)薄膜已經(jīng)成為研究超導(dǎo)物理的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)手段。

基于超導(dǎo)薄膜的微波通信用濾波器，國內(nèi)外已經(jīng)具備批量生產(chǎn)的能力，代表性的企業(yè)如美國的STI公司、北京綜藝超導(dǎo)技術(shù)公司等。北京綜藝超導(dǎo)技術(shù)有限公司與通信公司合作，利用超導(dǎo)濾波器先后在北京和廣州進(jìn)行了3G和4G通信的示范，取得了良好的示范效果。中科院物理所研制的超導(dǎo)濾波器成功地用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星SJ-9），并在2016年用于空間實(shí)驗(yàn)室的通信系統(tǒng)。超導(dǎo)濾波器的規(guī)模應(yīng)用是否能夠?qū)崿F(xiàn)，主要取決于其價(jià)格競爭優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)的長期運(yùn)行成本。

基于約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）的制備技術(shù)也日趨成熟，國際上有多家企業(yè)可以提供產(chǎn)品；基于SQUID的腦磁儀和心磁儀也取得了長足的發(fā)展，其中芬蘭、加拿大、美國等企業(yè)已經(jīng)可以批量生產(chǎn)腦磁儀，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所已經(jīng)研制成心磁儀，并具備批量化生產(chǎn)能力。此外，SQUID在大地探測(cè)、無損檢測(cè)等微弱電磁信號(hào)測(cè)量等方面也得到了大量的應(yīng)用。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)是約瑟夫森結(jié)的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域，超級(jí)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的能耗比常規(guī)計(jì)算機(jī)低100倍以上。目前，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)仍然處在研發(fā)初級(jí)階段，中國科學(xué)院已經(jīng)啟動(dòng)了超導(dǎo)計(jì)算機(jī)研發(fā)的先導(dǎo)專項(xiàng)，美國國家安全局也啟動(dòng)了一項(xiàng)研究超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的項(xiàng)目，計(jì)劃投資5億美元。

超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用方向較多，如單光子探測(cè)、紅外探測(cè)、THz應(yīng)用、超導(dǎo)Qubit和超導(dǎo)量子計(jì)算等，在此不一一闡述。

我國在超導(dǎo)領(lǐng)域的位置

我國在超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域總體上處于國際先進(jìn)行列，基本掌握了各種實(shí)用化超導(dǎo)材料的制備技術(shù)，在多個(gè)應(yīng)用方面也取得了良好的發(fā)展。今后，我國超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)超導(dǎo)材料及其應(yīng)用裝置的制備工藝研究，不斷探索更高臨界溫度的超導(dǎo)體，并加強(qiáng)與超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用密切相關(guān)的低溫制冷技術(shù)和低溫系統(tǒng)的研究，以進(jìn)一步全面提升我國的超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展水平。（作者對(duì)謝曉明、鄭東寧、劉建偉、程軍勝、劉建華、王暉等各位同行在寫作過程中給予的幫助致以衷心的感謝）