1、调研报告：高温超导技术与可持续发展张文略 PB09203013摘要能源技术的突破是 21 人类实现可持续发展的重要基石，高温超导技术的诞生对人类能源体现中起到中枢作用的输电网络将带来革命性的改变。本文介绍了超导技术的由来，发展和前沿领域的研究，以及在能源领域及其广阔的应用前景。关键词高温超导 能源 电网输送损耗 超导材料 超导机制 应用 背景能源是人类生存发展的重要物质基础。20 世纪后半叶，随着科技和工业的快速发展，能源消耗量大幅上升，人类的可持续发展面临巨大挑战。随着 21 世纪的来临，两个有关能源的突出问题出现在人们的面前。一是石油资源逐渐枯竭，能源的构成即将发生变化；二是大量使用化学能
2、源对环境造成污染。除此以外，在当前世界各国以发电厂和电网体系为核心的能源利用布局中，由于电路传输热电阻的耗散作用，在电能输送，特别是长距离输送上会产生惊人的损耗，通常达到 5%-8%的损耗率。在目前普遍采用的高压输电技术，虽然能大大减小电能在线路上的损耗，但是变压器的能量传送效率也成为了节能的瓶颈。目前，研究人员正在研究高温超导体，用它制成的高温超导输电线所能传输的电能是普通铜质线材的 3 到 5 倍。 即使算上用于超导材料冷却的消耗，采用高温超导线材的输电网的损耗,也要远小于普通的架空输电线和电缆。 如果用超导线材替代传统变压器绕组中的铜导线，还可以进一步降低网损。以一个 100 兆瓦变压器
3、为例，超导线圈变压器的总损耗(包括线损，铁耗和线圈冷却消耗)一般是普通变压器的 65%到 70% ，与此同时，超导电线也能大大提升传输功率。鉴于高温超导技术在能源领域广阔的应用前景，我下面就对超导技术的原理，当前研究前沿的进展以及面临的困难做一个论述。什么是超导超导材料是在一定温度下没有电阻的导体。在物理学和材料科学的发展进程中，无数顶尖科学家倾力于超导材料研究，超导材料临界温度的不断提高凝聚了无数科学家的心血，高温超导材料研究仍是科学家一直关注的前沿领域。超导的发现超导电性是昂尼斯（Onnes）早期研究水银（Hg）的电阻与温度的关系是发现的。因为水银可以得到很高的纯度，所以在液氦温度下的水银
4、的电阻值很小。当温度大约为 4.4K 时，电阻突然下降至一个小的不能测量的数值，这种电阻突然消失的现象称为超导电性。出现这种特性时的温度称为转变温度或称为临界温度。一般用符号 Tc 表示.。昂尼斯和其他许多科学家后来又发现了 28 种超导元素和 8000 多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度(-273)。这些超导材料没有太大的实用可能性和经济价值。然而，从那时起，科学家一直不断尝试提高超导材料的临界温度。直到 1973 年，英美科学家发现了超导合金铌锗合金，其临界超导温度为 23.2K，才使超导材料研究走上了快速路，这个纪录保持了 13 年。几十年来，已发现许多纯金属，合金和
5、化合物均能在某一温度下出现这种超导现象，最近几十年来全世界科学工作者都在探讨高 Tc 材料，因为高 Tc 值的超导材料是判断该超导材料应用价值的重要依据。Tc 是超导体的基本参数之一，它的转变宽度和超导材料的物理，化学状态有关。自 1986 年 4 月 Bednorz 和 Muller 开创了超导新纪元，他们发现了La-Ba-Cu 氧化物超导体，其中 Tc 超过 30K，后来世界各国科学工作者都积极参与与高温超导材料的研究工作，研制除 T 高于 90K 的 Y-B-C 氧化物超导体。使超导体在 LN2 温区的应用成为可能。 我校陈仙辉老师领导的课题组在高超导研究中也作出了很多出色的研究工作。博
6、得了国际国内同行的好评。超导理论超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下，电子在金属中运动时，会因为金属晶格的不完整性(如缺陷或杂质等 )而发生弹跳损耗能量，即有电阻。而超导状态下，电子能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时，电子即成对，这时金属要想阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散电子对，因此电子对就能流畅运动。通常的低温超导材料中，电子是通过晶格各节点上的正离子振动而结合在一起的。但大多数的物理学家都认为，这一电子对结合机制并不能解释临界温度最高可达 138 开尔文(零下 135.15 摄氏度) 的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材料都是由层
7、状的“铜氧”面组成，其中的电子是如何成对的，仍是未解难题。图 1.(Hg-Pb)-1223 相样品电阻-温度转变曲线（零电阻转变温度 Tc0=135K）809010101201301401501600501015020250R(-4)T(K)高 Tc氧 化 物 陶 瓷图 2.高 Tc 氧化物陶瓷样品电阻-温度转变曲线（零电阻转变温度 Tc0=90K）上图 2 是我们在本组大学物理 5 级实验实测的温度电阻转变曲线，利用的冷却物质就是普通的液氮。目前氧化物高温超导材料类型比较多，最常见的是 Y 系，Bi 系，Hg 系和 La 系等系列。当然其超导临界温度 Tc 也不同，Y 系超导材料的超导临界温
8、度 Tc 一般在 90K 附近，Bi 系最高可达 110K 以上，La 系一般 Tc 较低，约 40K 附近，而 Hg 最高，约为 140K 附近。超导材料在温度达到或低于其临界温度时，由于其存在的超导态到正常态度的相变过程，在这个相变过程中许多物理量都会出现一个比较大的改变，如电阻磁化率，热电势，比热，热导等等，所以测量其临界温度的方法也比较多，但最常用也时最简单的方法时测量其电阻，也就是在超导转变的过程中电阻有一个很大的变化，即电阻有一个从无到有的变化。皮克特没有被这种障碍所吓倒。他在研究了二硼化镁在温度为 40K 时候没有任何电阻后，设计了一类材料，这些材料有望在大大高于室温的条件下也具
9、有超导性。这意味着，未来的高温超导材料有望不需要借助于液氮的冷却，在常温甚至在炎热的夏季温度下就可以有效地工作。虽然还没人弄清楚氧化物具有超导性的原因，但物理学家科学地解释了“常规”低温超导材料的工作原理。其奥秘就在于在接近绝对零度的低温条件下，超导材料内部电子的活动情况。当电子处于自由空间时它们之间相互排斥，而在超导材料内部的电子则成对地束缚在一起。这些电子对的活动具有趋于一致性的特点，它们在超导材料内部集体游动时(swim collectively)没有遇到障碍。因此，它们不会损失任何能量，即意味着这种材料的电阻为零。JunAkimitsu 研究小组选用了一种由钛、镁和硼组成的混合物作为研
10、究材料。他们惊奇地发现，这种材料在 40K 时具有超导性。与其他高温超导材料相比，这种临界温度本身并不令人吃惊。但对常规超导材料来说，该材料的临界温度之高令人难以想象，可以说开辟了寻找高温超导材料的新途径。进一步的深入研究表明，混合材料中的氧化镁发挥了关键作用。在上述研究成果发表的两个月之内，很多科学家都利用氧化镁进行超导研究，相继发表了 50 篇研究论文。中国科技大学陈仙辉领导的科研小组报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度 43 开尔文(零下 230.15 摄氏度)时也变成超导体。该文章发表在国际顶尖学术刊物nature上。这标志着我校在超导研究方面走在世界前列。超导的应用20 世纪 90
11、年代后期以来，高温超导材料在应用方面取得了长足进步，直接促进了应用技术的发展。高温超导的许多应用可以简单地看成是低温超导应用的不同比例放大，但要求有很高的可控温度。从超导体特性来看，高温超导材料的应用正朝着大电流(强电)、电子学(弱电)和抗磁性等三个方向发展。超导在强电方面的应用主要有：超导发电机、超导传输线、超导储能等应用。所谓超导发电机是指常规发电机的励磁绕组导线采用超导体，或励磁绕组与电枢绕组均采用超导体的发电机，后者又叫做全超导发电机。现各国研制的超导发电机大多数是前者。超导同步发电机的超导励磁能产生极强的气隙磁场，使得在超导电机的定、转子绕组磁路中不需要、也不能够设置铁磁体磁路。超导
12、同步发电机的转子为中空深冷、多层非铁磁体圆筒式结构，没有定子铁心。与传统发电机相比，它不仅能增加发电效率、而且能减少尺寸和保证质量，改善电力系统稳定性。超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所与市场。 高温超导电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体传输大电流的一种电力设施，是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有 15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达 1000 多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。因此，专家认为，高温超导(HTS)电缆是解决未来大城市高密度配电的唯一出路。近十年来高温度超导应用得到了良好的发展，在超导电缆、超导限流器与超导变压器等电力应用方面，研制成功多台样机，进行了示范应用，人们期望着人类在 21 世纪前期将迅速进入超导电力的新时代。 超导技术的迅速发展必然带来具有巨大市场潜力的超导经济，并对 21 世纪世界经济产生全面深远的影响。 参考文献：电网损耗分析以及降损措施 中国电网工程学报 2006.3 李全亮 索张淼 超导临界温度 大学物理实验 低温物理实验方法 阎守胜超导物理（第二版） 张裕恒 中国科技大学出版社 1997 合肥
