超导材料在传输电的过程中没有损耗,超导磁悬浮列车将更高速、稳定和安全

超导技术 超凡脱俗(关注·走近“颠覆性技术”⑦)

2017-12-22 00:00 人民日报-本报记者 喻思南 104
<p> <img src="http://rmrbcmsonline.peopleapp.com/upload/image/201712/201712220528012880.jpg"/> </p><p>  制图:郭 祥</p><P>  不久前,我国科学家在铁基超导体统一相图研究上取得进展,人们对铁基超导的物理特性认识更进一步。而在3年前,中科院物理所和中国科技大学的研究团队以在铁基超导研究上的突破,获得国家自然科学一等奖,结束了该奖项连续3年的空缺。超导为何如此重要?</P><P>  </P><P>  如果采用超导输电线,我国每年节省的电量相当于数十个发电厂的发电量</P><P>  把材料置于零下两三百摄氏度的温度下,将会怎样?超导材料的表现是:电阻突然消失了。这可不是简单的变化,零电阻的超导体被认为有望给电力工业带来革新。</P><P>  日常生活中,电器、电线会发热,是因为电流和电器、电线发生了“摩擦”,这种“摩擦”就是电阻的来源,电阻产生的热量实际是电能浪费。事实上,电在从发电厂“赶往”工厂、住宅、学校的路上,就已经被输电线的电阻消耗了不少。</P><P>  专家介绍,因为电阻为零,超导材料在传输电的过程中就没有损耗。此外,采用超导输电还能简化变压器、电动机和发电机等热绝缘,并保证输电的稳定性,提高输电的安全性。</P><P>  有专家测算,目前采用铜或铝导线的输电损耗约为15%,我国每年的输电损耗就达1000亿度左右;如果采用超导输电线,每年节省的电量相当于数十个发电厂的发电量。</P><P>  超导材料另一个特性是完全抗磁性,即超导体一旦进入超导态,就如同练就了“金钟罩、铁布衫”一样。这是因为超导体在靠近磁场时会在其表面感应出超导电流,这个超导电流会在超导体内部产生一个与外磁场方向相反大小相等的磁场,外界磁场根本进不去,两种磁场相互抵消,从而体内的磁感应强度为零。</P><P>  专家表示,无论是先置入外磁场中后降温到超导态,还是先降温到超导态再放入外磁场中,外磁场的磁力线都无法穿透到超导体内部。超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势,因此临床上采用的高分辨核磁共振成像技术,很多依靠的是超导磁体。</P><P>  抗磁性还让超导体能在交通领域大展身手。由于磁力线几乎无法进入超导体的体内,将超导体置于普通磁体产生的磁场中时,会达到悬浮的效果,高速超导磁悬浮列车设想应用的正是这一原理。超导磁悬浮列车将为人们提供更高速、稳定和安全的轨道运输。</P><P>  超导大规模应用的难点是,缺乏适合应用的、临界温度更高的超导体。1911年,荷兰物理学家昂内斯等人测量金属汞的电阻时,惊奇地发现温度降至极低后,汞的电阻突然消失。金属汞也成为人类发现的第一个超导体。</P><P>  不过,汞要冷却到4.2K(0K等于零下273摄氏度,4.2K约为零下269摄氏度)才有超导现象。这是一个极低的温度,需要依靠昂贵的液氮来维持,推广应用几乎不可能。因此,从超导现象发现第一天起,科学家一直在寻找有应用价值的高温超导体。</P><P>  在铁基高温超导体基础研究上,我国处于世界前列</P><P>  超导研究在科学上的重要性及其巨大的应用前景,吸引了许多科学家的目光。超导研究百年历史上,有10人获得诺贝尔奖。</P><P>  1968年,物理学家麦克米兰根据传统理论计算推断,超导体的转变温度一般不能超过40K(约零下233摄氏度),这个温度也被称为麦克米兰极限温度。</P><P>  人类对超导的应用是否只能被限制在40K以下?40K的极限温度能否被突破?为了探索这个问题,科学家们做了无数次尝试。1986年,两名欧洲科学家发现以铜为关键超导元素的铜氧化物超导体。铜基超导成为高温超导家族中的一员,在很长一段时间内成为科学家的主要研究方向。</P><P>  我国科学家在铜基超导研究上也做出了重要贡献。比如,1987年初,中科院物理所团队在钡—钇—铜—氧中发现了临界温度93K(约零下180摄氏度)的液氮温区超导体,并在世界上首次公布了元素组成,刮起了一阵研究液氮温区超导体的旋风。</P><P>  经过科学家的努力,虽然铜基高温超导材料的质量和性能不断提高,但它有两个致命的缺陷。第一,作为一种金属陶瓷材料,它在柔韧性和延展性上远远不如金属材料,加工工艺也严苛,在材料机械加工等方面存在巨大的困难;第二,它可以负载的最大电流相对较低,无法在一些需要高电流强磁场的领域应用。</P><P>  铁元素作为典型的磁性元素,曾一度被认为是探索高温超导体的禁区。2008年3月,日本的一位科学家无意中发现了铁基高温超导材料。但由于日本科学家最早发现的铁基超导样品转变温度只有26K(约零下247摄氏度)——因为没有突破麦克米兰极限温度,还不能确定是铁基高温超导体。</P><P>  随后不久,我国科学家发现了临界温度超过40K的铁基超导体,突破了麦克米兰极限温度,证明铁基超导材料是继铜氧化物超导体之后的新型高温超导材料。其中,中国科学院院士赵忠贤领导的研究小组利用高压合成技术高效地制备了一大批不同元素构成的铁基超导材料,转变温度很多达到50K(约零下223摄氏度)以上,并创造了55K(约零下218摄氏度)的铁基超导体转变温度纪录。</P><P>  我国科学家还对铁基超导体若干基本物理性质进行了深入研究,确认了它的非常规性。铁基超导被确认为新一类高温超导体,引起了国际物理学界的极大关注,成为科学家研究的热点。铁基超导材料也因其在交通运输、医学、国防等领域有广泛的应用前景,被《科学》杂志称为是目前最具有发展前景的新型高温超导体之一。</P><P>  目前,我国科学家在铁基高温超导体基础研究上处于世界前列。</P><P>  我国已率先研制出首根百米量级铁基超导长线</P><P>  超导体要实现规模化的商业应用,将实验室的优势转化为产业优势,还少不了工程方面的工作。值得欣慰的是,自2008年科学家发现铁基超导体以来,我国在铁基超导材料研究和制备上同样做到了领跑。</P><P>  研制铁基超导线的技术难点是找到均匀、稳定、可重复性的制备方法。2008年,中科院电工所研究员马衍伟带领团队采用粉末装管法,率先制备出世界首根铁基超导线带材。虽然其后验证发现其传输电流为零,说明这根线材没有太大意义,但团队由此找到了制备铁基超导线材的路径。</P><P>  2010年,马衍伟团队首创铁基超导前驱粉先位烧结工艺,为线材载流性能显著提升奠定了基础;2011年,研究团队解决铁基超导体的弱连接问题,提升了载流能力,并测得其临界传输电流达到180安培,相应临界电流密度超过25000安培/平方厘米。</P><P>  2012年,马衍伟团队进一步优化织构化铁基超导带材的制备工艺,大幅度提高了超导电流,其临界电流密度在10特斯拉的强磁场下达到17000安培,证明了铁基超导材料在强电应用上的巨大潜力。</P><P>  米级的铁基超导线性能不断提高,但铁基超导材料要走向大规模应用,还要制备出高性能长线。</P><P>  2015年,马衍伟团队成功研制出国际上第一根10米量级的高性能122型铁基超导长线,实现了铁基超导线带材制备的新突破。不过,要达到实用级别,10米量级的铁基超导线还远远满足不了规模化制备需求。</P><P>  长线线材制备难点在哪里?“线带材越长,均匀性越难控制,这对超导线制备中的各项工艺技术都提出了很高的要求。”马衍伟说。</P><P>  2016年9月,马衍伟团队优化了设计和加工方案,成功研制国际上首根100米量级铁基超导长线。经测试,该超导线载流性能表现良好,10特斯拉高磁场下的临界电流密度超过12000安培/平方厘米,初步具备了应用的价值。</P><P>  目前,世界上其他国家的铁基超导线制备仍处于米级水平。专家表示,百米量级铁基超导线的成功研制,表明我国已率先掌握了具有自主知识产权的铁基超导长线制备技术,巩固了我国在铁基超导相关研究上的领先地位,有利于我国占领新型超导材料及其应用发展的制高点。</P>

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