調(diào)研報(bào)告

1、調(diào)研報(bào)告：高溫超導(dǎo)技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展張文略PB09203013摘要摘要能源技術(shù)的突破是21人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基石，高溫超導(dǎo)技術(shù)的誕生對(duì)人類能源體現(xiàn)中起到中樞作用的輸電網(wǎng)絡(luò)將帶來革命性的改變。本文介紹了超導(dǎo)技術(shù)的由來，發(fā)展和前沿領(lǐng)域的研究，以及在能源領(lǐng)域及其廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞高溫超導(dǎo)能源電網(wǎng)輸送損耗超導(dǎo)材料超導(dǎo)機(jī)制應(yīng)用背景背景能源是人類生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)后半葉，隨著科技和工業(yè)的快速發(fā)展，能源消耗量大幅上升，人類

2、的可持續(xù)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著21世紀(jì)的來臨，兩個(gè)有關(guān)能源的突出問題出現(xiàn)在人們的面前。一是石油資源逐漸枯竭，能源的構(gòu)成即將發(fā)生變化；二是大量使用化學(xué)能源對(duì)環(huán)境造成污染。除此以外，在當(dāng)前世界各國以發(fā)電廠和電網(wǎng)體系為核心的能源利用布局中，由于電路傳輸熱電阻的耗散作用，在電能輸送，特別是長距離輸送上會(huì)產(chǎn)生驚人的損耗，通常達(dá)到5%8%的損耗率。在目前普遍采用的高壓輸電技術(shù)，雖然能大大減小電能在線路上的損耗，但是變壓器的能量傳送效率也成為了節(jié)能的

3、瓶頸。目前，研究人員正在研究高溫超導(dǎo)體，用它制成的高溫超導(dǎo)輸電線所能傳輸?shù)碾娔苁瞧胀ㄣ~質(zhì)線材的3到5倍。即使算上用于超導(dǎo)材料冷卻的消耗，采用高溫超導(dǎo)線材的輸電網(wǎng)的損耗也要遠(yuǎn)小于普通的架空輸電線和電纜。如果用超導(dǎo)線材替代傳統(tǒng)變壓器繞組中的銅導(dǎo)線，還可以進(jìn)一步降低網(wǎng)損。以一個(gè)100兆瓦變壓器為例，超導(dǎo)線圈變壓器的總損耗(包括線損，鐵耗和線圈冷卻消耗)一般是普通變壓器的65%到70%，與此同時(shí)，超導(dǎo)電線也能大大提升傳輸功率。鑒于高溫超導(dǎo)技術(shù)在

4、能源領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，我下面就對(duì)超導(dǎo)技術(shù)的原理，當(dāng)前研究前沿的進(jìn)展以及面臨的困難做一個(gè)論述。什么是超導(dǎo)什么是超導(dǎo)超導(dǎo)材料是在一定溫度下沒有電阻的導(dǎo)體。在物理學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，無數(shù)頂尖科學(xué)家傾力于超導(dǎo)材料研究，超導(dǎo)材料臨界溫度的不斷提高凝聚了無數(shù)科學(xué)家的心血，高溫超導(dǎo)材料研究仍是科學(xué)家一直關(guān)注的前沿領(lǐng)域。超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性是昂尼斯（Onnes）早期研究水銀（Hg）的電阻與溫度的關(guān)系是發(fā)現(xiàn)的。因?yàn)樗y可以得到很高的純度，

5、所以在液氦溫度下的水銀的電阻值很小。當(dāng)溫度大約為4.4K時(shí)，電阻突然下降至一個(gè)小的不能測量的數(shù)值，這種電阻突然消失的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。出現(xiàn)這種特性時(shí)的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或稱為臨界溫度。一般用符號(hào)Tc表示.。昂尼斯和其他許多科學(xué)家后來又發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和8000多種超導(dǎo)化合物。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)的溫度大都接近絕對(duì)零度(273℃)。這些超導(dǎo)材料沒有太大的實(shí)用可能性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，從那時(shí)起，科學(xué)家一直不斷嘗試提高超導(dǎo)材料的臨界溫度。直到19

6、73年，英美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金———鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為23.2K，才使超導(dǎo)材料研究走上了快速路，這個(gè)紀(jì)錄保持了13年。幾十年來，已發(fā)現(xiàn)許多純金屬，合金和化合物均能在某一溫度下出現(xiàn)這種超導(dǎo)現(xiàn)象，上圖2是我們?cè)诒窘M大學(xué)物理5級(jí)實(shí)驗(yàn)實(shí)測的溫度電阻轉(zhuǎn)變曲線，利用的冷卻物質(zhì)就是普通的液氮。目前氧化物高溫超導(dǎo)材料類型比較多，最常見的是Y系，Bi系，Hg系和La系等系列。當(dāng)然其超導(dǎo)臨界溫度Tc也不同，Y系超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界溫度Tc一般在90

7、K附近，Bi系最高可達(dá)110K以上，La系一般Tc較低，約40K附近，而Hg最高，約為140K附近。超導(dǎo)材料在溫度達(dá)到或低于其臨界溫度時(shí)，由于其存在的超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)度的相變過程，在這個(gè)相變過程中許多物理量都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較大的改變，如電阻磁化率，熱電勢(shì)，比熱，熱導(dǎo)等等，所以測量其臨界溫度的方法也比較多，但最常用也時(shí)最簡單的方法時(shí)測量其電阻，也就是在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的過程中電阻有一個(gè)很大的變化，即電阻有一個(gè)從無到有的變化。皮克特沒有被這種障礙所嚇倒

8、。他在研究了二硼化鎂在溫度為40K時(shí)候沒有任何電阻后，設(shè)計(jì)了一類材料，這些材料有望在大大高于室溫的條件下也具有超導(dǎo)性。這意味著，未來的高溫超導(dǎo)材料有望不需要借助于液氮的冷卻，在常溫甚至在炎熱的夏季溫度下就可以有效地工作。雖然還沒人弄清楚氧化物具有超導(dǎo)性的原因，但物理學(xué)家科學(xué)地解釋了“常規(guī)”低溫超導(dǎo)材料的工作原理。其奧秘就在于在接近絕對(duì)零度的低溫條件下，超導(dǎo)材料內(nèi)部電子的活動(dòng)情況。當(dāng)電子處于自由空間時(shí)它們之間相互排斥，而在超導(dǎo)材料內(nèi)部的電

9、子則成對(duì)地束縛在一起。這些電子對(duì)的活動(dòng)具有趨于一致性的特點(diǎn)，它們?cè)诔瑢?dǎo)材料內(nèi)部集體游動(dòng)時(shí)(swimcollectively)沒有遇到障礙。因此，它們不會(huì)損失任何能量，即意味著這種材料的電阻為零。JunAkimitsu研究小組選用了一種由鈦、鎂和硼組成的混合物作為研究材料。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這種材料在40K時(shí)具有超導(dǎo)性。與其他高溫超導(dǎo)材料相比，這種臨界溫度本身并不令人吃驚。但對(duì)常規(guī)超導(dǎo)材料來說，該材料的臨界溫度之高令人難以想象，可以說開辟了

10、尋找高溫超導(dǎo)材料的新途徑。進(jìn)一步的深入研究表明，混合材料中的氧化鎂發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在上述研究成果發(fā)表的兩個(gè)月之內(nèi)，很多科學(xué)家都利用氧化鎂進(jìn)行超導(dǎo)研究，相繼發(fā)表了50篇研究論文。中國科技大學(xué)陳仙輝領(lǐng)導(dǎo)的科研小組報(bào)告，氟摻雜釤氧鐵砷化合物在臨界溫度43開爾文(零下230.15攝氏度)時(shí)也變成超導(dǎo)體。該文章發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)刊物《nature》上。這標(biāo)志著我校在超導(dǎo)研究方面走在世界前列。超導(dǎo)的應(yīng)用超導(dǎo)的應(yīng)用20世紀(jì)90年代后期以來，高溫超導(dǎo)材

11、料在應(yīng)用方面取得了長足進(jìn)步，直接促進(jìn)了應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。高溫超導(dǎo)的許多應(yīng)用可以簡單地看成是低溫超導(dǎo)應(yīng)用的不同比例放大，但要求有很高的可控溫度。從超導(dǎo)體特性來看，高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用正朝著大電流(強(qiáng)電)、電子學(xué)(弱電)和抗磁性等三個(gè)方向發(fā)展。超導(dǎo)在強(qiáng)電方面的應(yīng)用主要有：超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)傳輸線、超導(dǎo)儲(chǔ)能等應(yīng)用。所謂超導(dǎo)發(fā)電機(jī)是指常規(guī)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組導(dǎo)線采用超導(dǎo)體，或勵(lì)磁繞組與電樞繞組均采用超導(dǎo)體的發(fā)電機(jī)，后者又叫做全超導(dǎo)發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)各國研制的超導(dǎo)

12、發(fā)電機(jī)大多數(shù)是前者。超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的超導(dǎo)勵(lì)磁能產(chǎn)生極強(qiáng)的氣隙磁場，使得在超導(dǎo)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組磁路中不需要、也不能夠設(shè)置鐵磁體磁路。超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為中空深冷、多層非鐵磁體圓筒式結(jié)構(gòu)，沒有定子鐵心。與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比，它不僅能增加發(fā)電效率、而且能減少尺寸和保證質(zhì)量，改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。超導(dǎo)技術(shù)與電力技術(shù)的結(jié)合將給電力行業(yè)的發(fā)、輸、配電帶來革命性的改變，電力行業(yè)是超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)最重要的應(yīng)用場所與市場。高溫超導(dǎo)電纜是采用無阻的、能傳輸高電流密度