超導(dǎo)材料的應(yīng)用與前景展望

1、超導(dǎo)材料的應(yīng)用與前景展望 摘要：超導(dǎo)是超導(dǎo)電性的簡稱，是指某些物體當(dāng)溫度下降至一定溫度時(shí)，電阻突然趨近于零的現(xiàn)象。具有這種特性的材料稱為超導(dǎo)材料。自從超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)至今，超導(dǎo)的研究和超導(dǎo)材料的研制已迅速發(fā)展，超導(dǎo)材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)已逐漸研究清楚，其具有優(yōu)越的物理性質(zhì)和優(yōu)越的性能，目前已被廣泛的接受和認(rèn)同，超導(dǎo)材料也得到了廣泛的應(yīng)用，特別是高溫超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用將會(huì)給社會(huì)帶來的巨大變革。 關(guān)鍵字：超導(dǎo)材料；臨界參量；超導(dǎo)應(yīng)用Application and Prospect of superconducting materials Abstract: Superconducting supercond

2、uctivity for short, refers to some object when the temperature drops to a certain temperature, resistance suddenly approaches zero phenomenon. With the characteristics of the material called superconducting materials. Since the superconducting found so far, the research and development of supercondu

3、cting superconducting materials has developed rapidly, the material structure and properties of superconducting materials has been studied clearly, which has physical properties superior and superior performance, has been widely accepted and recognized, superconducting materials have been widely use

4、d, especially the great change widely used high temperature superconducting materials will bring to the society. Key words:Superconductor;Critical parameter;Superconducting application 1 引言1911年荷蘭物理學(xué)家翁奈在研究水銀低溫電阻時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。后來許多科學(xué)家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些金屬、合金和化合物在低溫時(shí)電阻也變?yōu)榱悖淳哂谐瑢?dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)現(xiàn)象是20世紀(jì)的重大探索發(fā)現(xiàn)之一。物質(zhì)在超低溫下，失去電阻的性質(zhì)稱

5、為超導(dǎo)電性；相應(yīng)的具有這種性質(zhì)的物質(zhì)就稱這超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。有專家預(yù)言，超導(dǎo)體的應(yīng)用將導(dǎo)致一場(chǎng)新技術(shù)革命，尤其是高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，是最近幾十年來物理學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域中的重大突破之一，已引起全世界廣泛關(guān)注，各國眾多科學(xué)工作者參與超導(dǎo)的研究與發(fā)展工作，人們將會(huì)很快感受到它給社會(huì)帶來的巨大變革。目前，超導(dǎo)材料已被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，本文擬就超導(dǎo)材料的性質(zhì)、臨界參量、分類、應(yīng)用及前景展望等幾個(gè)方面展開論述，以幫助人們更好的認(rèn)識(shí)超導(dǎo)材料。2 超導(dǎo)的性質(zhì)圖1電阻率與溫度的關(guān)系1-純金屬晶體 2-含雜質(zhì)和缺陷的金屬晶體 3-超導(dǎo)體2.1 零電阻性

6、超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻將變?yōu)闉榱?，這樣就可以無損耗地傳輸電能；也就是說如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去，這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察到。超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象與常導(dǎo)體零電阻在實(shí)質(zhì)上是截然不同的。常導(dǎo)體的零電阻是指在理想的金屬晶體中，由于電子運(yùn)動(dòng)暢通無阻，因此沒有電阻；而超導(dǎo)體零電阻是指當(dāng)溫度降至某一數(shù)值Tc（臨界溫度）或以下時(shí)，其電阻突然變?yōu)榱?。如右圖1所示，為常導(dǎo)體與超導(dǎo)體電阻率和溫度關(guān)系的對(duì)比1。 T>Tc T<Tc圖2 錫單晶球超導(dǎo)體不同溫度下在磁場(chǎng)中的現(xiàn)象2.2 完全抗磁性 超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，只要外加磁場(chǎng)不超過一定值，磁力線不能透入，

7、超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。超導(dǎo)體的這一特點(diǎn)是由邁斯納和奧爾德在1933年由錫單晶球的實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)的。把錫單晶球超導(dǎo)體在磁場(chǎng)(HHc)中冷卻，在達(dá)到臨界溫度Tc以下時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線一下子被排斥出去；或者先把超導(dǎo)體冷卻至Tc以下，再通以磁場(chǎng)，這時(shí)磁通線也被排斥出動(dòng)；如圖2所示為磁感線穿過不同溫度下錫單晶球超導(dǎo)體的對(duì)比1。2.3 約瑟夫森效應(yīng) 兩個(gè)超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層(厚度約1nm)而形成低電阻連接時(shí)，會(huì)有電子對(duì)穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可加一電壓U），同時(shí)，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為2

8、ev/h，其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷1。2.4 同位素效應(yīng) 超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開1。同一種材料的不同同位素在化學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)以及靜電性質(zhì)等方面都是相同的，只是不同的原子量對(duì)晶體點(diǎn)陣的熱振動(dòng)(稱為晶格振動(dòng))的特性有影響。所以，超導(dǎo)體的同位素效應(yīng)暗示了電子與晶格之間的相互作用是超導(dǎo)現(xiàn)象中的重要因素，為超導(dǎo)電性的研究提供了重要啟示。3 基本臨界參量3.1 臨界溫度 外磁場(chǎng)為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的

9、溫度，以Tc表示（Tc值因材料不同而異）2。到1987年，臨界溫度最高值已由起初水銀的4K提高到100K左右，現(xiàn)已測(cè)得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢，為0.012K。3.2 臨界磁場(chǎng) 使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T 的關(guān)系為Hc=Ho1-(T/Tc)2，式中Ho為0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)2。3.3 臨界電流和臨界電流密度 通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場(chǎng)的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示2。4 超導(dǎo)材料的分類 超導(dǎo)材料按成分可分為元素超導(dǎo)體、合金和化合物超導(dǎo)體和有機(jī)高分

10、子超導(dǎo)體；按約瑟夫森效應(yīng)可分為第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體。4.1 按成分的分類4.1.1 元素超導(dǎo)體 在常壓下有28種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。4.1.2 合金和化合物超導(dǎo)體 超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高，有很好的超導(dǎo)性能。20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性，他們的小組對(duì)一些材料進(jìn)行了試驗(yàn)，于1986年在鑭鋇銅氧化物中發(fā)現(xiàn)了Tc=35K的超導(dǎo)電性。1987年，中國、美國、日本等國科學(xué)家在鋇釔銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。4.1.3 有機(jī)

11、高分子超導(dǎo)體 美國和日本等科學(xué)家在1991年又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子碳60在摻入鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性能。有些科學(xué)家預(yù)測(cè)，球狀分子碳60經(jīng)過摻金屬后，將來有可能在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象3。 4.2 按約瑟夫森效應(yīng)分類4.2.1 第一類超導(dǎo)體 如圖（4）所示，第一類超導(dǎo)體有如下的特點(diǎn)：當(dāng)H<Hc時(shí)，B=O，H>Hc 時(shí)，B=H，即在超導(dǎo)態(tài)內(nèi)能完全排除外磁場(chǎng)，且只有一個(gè)值，這就是第一類超導(dǎo)體。除釩、鈮、釕外,元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體。4.2.2 第二類超導(dǎo)體如果超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有一相同的規(guī)律，如圖（5）所示：當(dāng)H<Hc1時(shí)，B=0，排斥外磁場(chǎng)；當(dāng)Hc1<H<Hc2時(shí)，B

12、>0而B<H，磁場(chǎng)部分穿透；當(dāng)H>Hc2時(shí)，B=H ，磁場(chǎng)完全穿透。也就是在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間有一種混合態(tài)存在，Hc有兩個(gè)值Hc1和Hc2，這就是第二類超導(dǎo)體。釩、鈮、釕及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體都是屬于第二類導(dǎo)體。圖5 第二類超導(dǎo)體圖4 第一類超導(dǎo)體 90 不同導(dǎo)體的B-H曲線 5 超導(dǎo)材料的應(yīng)用及前景展望5.1 低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用低溫超導(dǎo)材料是具有低臨界轉(zhuǎn)變溫度（TC30K在液氦溫度條件下工作)的超導(dǎo)材料，分為金屬、合金和化合物。具有實(shí)用價(jià)值的低溫超導(dǎo)金屬是Nb(鈮)，TC為9.3K 已制成薄膜材料用于弱電領(lǐng)域。合金系低溫超導(dǎo)材料是以Nb 為基的二元或三元合金組成的相固溶

13、體，TC在9K以上。雖然低溫超導(dǎo)材料已得到了廣泛應(yīng)用，但低溫超導(dǎo)材料由于TC低，必須在液氦溫度下使用，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用昂貴，故其應(yīng)用受到限制4。5.2 高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用及前景展望高溫超導(dǎo)材料是具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度(TC>77K)在液氮溫度條件下工作的超導(dǎo)材料,主要為多元系氧化物，高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導(dǎo)應(yīng)用的溫度從液氦提高到了液氮（77K）溫區(qū)。同液氦相比，液氮是一種非常經(jīng)濟(jì)的冷媒，并且具有較高的熱容量，給工程應(yīng)用帶來了極大的方便。另外，高溫超導(dǎo)體都具有相當(dāng)高的上臨界場(chǎng)（Hc2（4K）50T），能夠用來產(chǎn)生20T以上的強(qiáng)磁場(chǎng)，這正好克服了常規(guī)低溫超導(dǎo)材料的不足之處。5.2.

14、1 弱電應(yīng)用以約瑟夫森效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測(cè)量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)。5.2.1.1 超導(dǎo)濾波器（CDMA）濾波器是電子、通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，作用是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行提取、分離或抑制。隨著使用頻段的不斷擴(kuò)展，設(shè)備間的干擾也日趨嚴(yán)重，因此濾波器不但要確保產(chǎn)品本身正常工作，而且要減少相互影響、維持正常的無線工作環(huán)境。常規(guī)濾波器由于金屬電阻會(huì)產(chǎn)生一定衰耗，不可能達(dá)到理想的濾波性能。高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)高性能濾波器提供了一種切實(shí)有效的方法。在移動(dòng)通信頻段，高溫超導(dǎo)材料制作的微帶器件具有很高的品質(zhì)因數(shù)，CDMA具有損耗極小、邊帶極陡峭、帶外抑制極好的特點(diǎn)。CDMA是目前可以同時(shí)解決損耗和陡度的

15、唯一有效方案，在窄帶寬、高階數(shù)濾波器中優(yōu)勢(shì)非常明顯。他還可以顯著提高通信基站的靈敏度和選擇性，提高通信容量，降低手機(jī)的輻射率并提高通話清晰度5。目前，高溫超導(dǎo)技術(shù)在通信、雷達(dá)與射電天文等領(lǐng)域取得重大突破，美國已將高溫超導(dǎo)濾波器推向市場(chǎng)，并成功實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用。清華大學(xué)研制的兩套高溫超導(dǎo)濾波系統(tǒng)在中國聯(lián)通CDMA移動(dòng)通訊基站已連續(xù)無故障商業(yè)運(yùn)行一年以上。截至2012年6月，中國移動(dòng)電話用戶已超過7億，是全球移動(dòng)電話用戶最多的國家。中國移動(dòng)和聯(lián)通所建基站已超過30多萬個(gè)，中國3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)估計(jì)還需30萬個(gè)基站。若有20%的新建基站應(yīng)用超導(dǎo)濾波器，加上原有基站優(yōu)化，將會(huì)產(chǎn)生百億級(jí)的巨大市場(chǎng)。鑒于我國移動(dòng)

16、通信的高速發(fā)展和在超導(dǎo)濾波器研究方面已有的基礎(chǔ)，相信經(jīng)過科學(xué)家的努力，CDMA技術(shù)將有一個(gè)新的飛躍，并將在移動(dòng)通信、軍事裝備等領(lǐng)域獲得廣泛的、較大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。5.2.1.2 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)是利用超導(dǎo)技術(shù)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)及其部件，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高，其性能是目前電子計(jì)算機(jī)無法相比的。人們可以利用超導(dǎo)材料制成超導(dǎo)開關(guān)器件和超導(dǎo)存貯器，再利用這些器件制成超

17、導(dǎo)計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，其結(jié)果將使計(jì)算機(jī)的體積大幅度縮小，能耗大大下降，并且計(jì)算速度大大提高。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度比現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)快100倍，而電能消耗僅是電子計(jì)算機(jī)的千分之一。如果目前一臺(tái)大中型計(jì)算機(jī)，每小時(shí)耗電10千瓦，那么，同樣一臺(tái)的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)只需一節(jié)干電池就可以工作了。將超導(dǎo)數(shù)據(jù)處理器與外存儲(chǔ)芯片組裝成約瑟夫遜式計(jì)算機(jī)，能獲得高速處理能力，速度相當(dāng)于大型計(jì)算機(jī)的15倍。但是，現(xiàn)在這種組件計(jì)算機(jī)的電路還一定要在低溫下工作。若將來發(fā)明了常溫超導(dǎo)材料，計(jì)算機(jī)的整個(gè)世界將改變6。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。5.2.2強(qiáng)電應(yīng)用高溫超導(dǎo)線材在強(qiáng)磁場(chǎng)中,

18、 能負(fù)載很高的臨界電流。超導(dǎo)磁體，能在大的空間內(nèi)產(chǎn)生很高的磁場(chǎng)，所需的勵(lì)磁功率很小，一個(gè)10T的磁體只要汽車蓄電池充電即可7。5.2.2.1 高溫超導(dǎo)電纜目前遠(yuǎn)程大容量電力輸送一般都采用架空鋁裸線，大城市的輸電一般采用地下電纜，導(dǎo)體為銅線或者鋁線。使用這些傳統(tǒng)的電線或電纜，電能在輸送過程中要損失5%10%。為了減少電能在輸送過程中的損失，在長距離輸電時(shí)要盡量提高電壓，如采用220kV或500kV超高壓線路。超高壓線路對(duì)輸電塔的絕緣瓷瓶和對(duì)空間使用有很高的要求，尤其是對(duì)線路終端附件的材料和制作技術(shù)要求更高，大大提高了超高壓線路的建設(shè)成本。目前我國還不能生產(chǎn)超高壓線路終端附件，進(jìn)口的超高壓線路終端

19、附件十分昂貴。如果使用高溫超導(dǎo)電纜，其交流阻抗僅為常規(guī)電纜的1/10，可以減少電網(wǎng)線損50%左右。高溫超導(dǎo)電纜與常規(guī)電纜相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：一是損耗低。高溫超導(dǎo)電纜的導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的1/10，加上制冷的能量損耗，其運(yùn)行總損耗也僅為常規(guī)電纜的50%60%；二是容量大。同樣截面的高溫超導(dǎo)電纜的電流輸送能力是常規(guī)電纜的35倍；三是節(jié)約材料。具有同樣傳輸能力的高溫超導(dǎo)電纜與常規(guī)電纜相比，使用較少的金屬和絕緣材料；四是無污染。高溫超導(dǎo)電纜沒有造成環(huán)境污染的可能性，而充油常規(guī)電纜存在著漏油污染環(huán)境的危險(xiǎn)。另外，高溫超導(dǎo)電纜還具有低噪音的特性8。 從長遠(yuǎn)來講，高溫超導(dǎo)電纜的應(yīng)用還使長距離直流輸電技術(shù)

20、變得容易和經(jīng)濟(jì)。用于直流輸電，超導(dǎo)電纜會(huì)使電網(wǎng)線損降低70%以上，顯示出更好的經(jīng)濟(jì)效益。由云電英納承擔(dān)研制的我國第一組實(shí)用型高溫超導(dǎo)電纜，于2004年3月23日全部完成，并于4月19日在昆明普吉變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行成功。5.2.2.2 超導(dǎo)懸浮高速列車 科學(xué)家覺察到現(xiàn)如今的火車在速度、成本、特別是在環(huán)境保護(hù)方面具有的一些局限性,預(yù)見它必將為一種更先進(jìn)的陸上運(yùn)載工具所取代。于是科學(xué)家提出應(yīng)該把超導(dǎo)理論運(yùn)用于鐵路建設(shè),創(chuàng)造出一種速度更快、運(yùn)力更大、成本更省、維護(hù)更易、對(duì)人類居住環(huán)境所帶來的不利影響更小的新的陸上運(yùn)載工具。超導(dǎo)磁懸浮列車是采用超導(dǎo)材料的強(qiáng)磁場(chǎng)研制的一種無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的磁

21、懸浮高速列車系統(tǒng)。多方面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的鐵路列車相比,超導(dǎo)磁懸浮列車具有多方面的優(yōu)勢(shì)，速度快、省能源、舒適性好、運(yùn)行安全、無摩擦部件,減少了維修量無車輪沖擊、摩擦產(chǎn)生的噪音,無廢氣,對(duì)環(huán)境不會(huì)帶來公害9。目前，中國對(duì)磁懸浮鐵路技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段。經(jīng)過中國鐵道科學(xué)研究院、西南交大、國防科大、中科院電工所等單位對(duì)常導(dǎo)低速磁懸浮列車的懸浮、導(dǎo)向、推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，已對(duì)低速常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)有了一定認(rèn)識(shí)，初步掌握了常導(dǎo)低速磁懸浮穩(wěn)定懸浮的控制技術(shù)。英納公司和清華大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究中心合作開展高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的研究，目前已取得較大突破，并且已經(jīng)申請(qǐng)了高溫超導(dǎo)磁懸浮專利。其實(shí)，磁懸

22、浮運(yùn)載技術(shù)它不僅能夠用于陸上平面運(yùn)載，也可以用于海上運(yùn)載，還能用于垂直發(fā)射，美國就在試驗(yàn)用磁懸浮技術(shù)發(fā)射火箭；高速磁懸浮體系的發(fā)展還將帶動(dòng)當(dāng)前眾多高新技術(shù)前沿的發(fā)展，這些高新技術(shù)本身又將為新興產(chǎn)業(yè)的形成和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的作用。概括的說，它是一種能帶動(dòng)眾多高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，又是一種具有極廣泛前景的應(yīng)用技術(shù)。5.2.2.3 熱核聚變反應(yīng)堆核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億-2億攝氏度，沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（IT

23、ER）計(jì)劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，建造約需10年，耗資50億美元（1998年值）。2003年1月，國務(wù)院批準(zhǔn)我國參加ITER計(jì)劃談判，2006年5月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，中國ITER談判聯(lián)合小組代表我國政府與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計(jì)劃協(xié)定。2013年1月5日中科院合肥物質(zhì)研究院宣布，“人造太陽”實(shí)驗(yàn)裝置輔助加熱工程的中性束注入系統(tǒng)在綜合測(cè)試平臺(tái)上成功實(shí)現(xiàn)100秒長脈沖氫中性束引出。據(jù)了解，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，目前總控系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、失超保護(hù)、真空磁位形測(cè)量系統(tǒng)、超導(dǎo)傳輸線、高溫超導(dǎo)電流引線以及等離子體控制系統(tǒng)運(yùn)行

24、正常。據(jù)專家介紹，發(fā)明這種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定輸出，像太陽一樣，為人類提供一種無限的、清潔的和安全的能源，俗稱“人造太陽”。核聚變研究是當(dāng)今世界科技界為解決人類未來能源問題而開展的重大國際合作計(jì)劃。與不可再生能源和常規(guī)清潔能源不同，聚變能具有資源無限，不污染環(huán)境，不產(chǎn)生高放射性核廢料等優(yōu)點(diǎn)，是人類未來能源的主導(dǎo)形式之一，也是目前認(rèn)識(shí)到的可以最終解決人類社會(huì)能源問題和環(huán)境問題、推動(dòng)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。5.2.2.4 超導(dǎo)變壓器現(xiàn)代電力變壓器是一種具有高度可靠性、高效率的電力設(shè)備。隨著我國電力工業(yè)和城市建設(shè)的迅速發(fā)展, 國家正在實(shí)施城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造,變壓器

25、行業(yè)相應(yīng)地得到了飛速發(fā)展。隨著單機(jī)容量的日益增大,用戶對(duì)變壓器的要求越來越高,電力變壓器除了要滿足電、磁、力、熱等技術(shù)規(guī)范外,還要滿足小型、無油、低噪音的要求,以減小占地面積和減少環(huán)境污染。常規(guī)變壓器由于其固有缺陷難以滿足現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)展的需要。早在60年代實(shí)用超導(dǎo)材料出現(xiàn)后,國際上就開展了對(duì)超導(dǎo)變壓器的研究。由于超導(dǎo)線的交流損耗較大, 超導(dǎo)變壓器的研究沒有什么進(jìn)展。1987年以來,隨著高溫超導(dǎo)帶材的開發(fā)成功, 超導(dǎo)變壓器的研究興趣開始轉(zhuǎn)向高溫超導(dǎo)變壓器。超導(dǎo)變壓器與傳統(tǒng)的變壓器相比：1. 不存在常規(guī)變壓器中的發(fā)熱損耗，節(jié)能潛力；2. 體積可以減少40-60%；3. 液氮代替變壓器油，消除火災(zāi)

26、隱患；4. 內(nèi)阻極小，能夠增大電壓的可調(diào)節(jié)范圍10?？傮w來看, 超導(dǎo)變壓器將成為21世紀(jì)最理想的節(jié)能變壓器,極具潛在的開發(fā)前景。研究和發(fā)展新型超導(dǎo)變壓器,從而提高電力變壓器的性能,具有巨大的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。專家預(yù)計(jì)，超導(dǎo)變壓器可望在5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。我國于2010年7月自主研制成功了第一臺(tái)高溫超導(dǎo)變壓器，并順利通過了各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)。這是繼美國、瑞士、德國、日本等少數(shù)幾個(gè)國家之后，我國研究成功的首臺(tái)三相高溫超導(dǎo)變壓器樣機(jī)，其二次側(cè)輸出電流是目前世界上最大的。最終與2012年4月，這臺(tái)高溫超導(dǎo)變壓器投入配電網(wǎng)試驗(yàn)運(yùn)行，這是世界上第二臺(tái)掛網(wǎng)運(yùn)行的高溫超導(dǎo)變壓器，標(biāo)志著我國在高溫超導(dǎo)變

27、壓器的研制開發(fā)方面已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。目前，除了以上所列出的超導(dǎo)材料的應(yīng)用外還有超導(dǎo)開關(guān)、超導(dǎo)磁分離裝置、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置、超導(dǎo)電磁推進(jìn)裝置、核磁共振人體成像儀等應(yīng)用。涉及到國民經(jīng)濟(jì)、軍事技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生和各種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。6 結(jié)論超導(dǎo)材料的研究是當(dāng)今世界上一門新興的科學(xué)技術(shù)。自1911年荷蘭科學(xué)家卡末林、昂尼斯發(fā)現(xiàn)“超導(dǎo)”現(xiàn)象至今，世界各國的科學(xué)家從未間斷過對(duì)“超導(dǎo)”的研究，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來。隨著1987年中國、日本和美國科學(xué)家采用金屬氧化物，將超導(dǎo)臨界溫度提高，使超導(dǎo)體前進(jìn)了一大步，從而引起了一場(chǎng)前所未有的“超導(dǎo)大戰(zhàn)”。由于超導(dǎo)材料能影響人類生存的

28、許多重要領(lǐng)域，各國的材料科學(xué)家都在競(jìng)相探索它的結(jié)構(gòu)，研究它的性能，以求率先找到具有高臨界溫度的超導(dǎo)材料。近年來，世界各國紛紛投入巨資加緊研究與開發(fā)，不斷推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生新的飛躍。 超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)材料的應(yīng)用。隨后高溫超導(dǎo)材料克服了常規(guī)低溫超導(dǎo)材料的不足之處，于是高溫超導(dǎo)材料隨即替代了低溫超導(dǎo)材料。至今，高溫超導(dǎo)的研究已經(jīng)有22年的歷史，在20多年的廣泛研究中,人們積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論方法。到目前為止，雖然已經(jīng)有許多很好的理論模型，但

29、是高溫超導(dǎo)機(jī)理問題仍然沒有完全解決，許多實(shí)驗(yàn)的結(jié)果還存在爭議。因此，要用高溫超導(dǎo)材料來改進(jìn)現(xiàn)有的科技工程又決非易事。高溫是相對(duì)于低溫而言，即使是高溫依然遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)。所以在實(shí)際應(yīng)用中超導(dǎo)材料需要制冷等操作，大大提高了成本，也使得超導(dǎo)材料不能大量應(yīng)用?？茖W(xué)家和工程師們所遇到的困難就是如何使超導(dǎo)材料實(shí)用化，即提高臨界轉(zhuǎn)變溫度、臨界電流密度和改良其加工性能，制造出理想的超導(dǎo)材料。可以這樣說，高溫超導(dǎo)材料的突破，必將深刻地促進(jìn)尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從而加速人類文明的進(jìn)程。現(xiàn)如今，高溫超導(dǎo)的研究也不再局限于認(rèn)識(shí)高溫超導(dǎo)電性本身，而是要理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)背后所有的物理現(xiàn)象以及如何建立研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的范式。因而強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中的超導(dǎo)現(xiàn)象也就成為高溫超導(dǎo)的研究范圍，并且吸引了人們極大的興趣。盡管如此，超導(dǎo)材料仍處于試驗(yàn)研究階段。但人們相信，隨著超導(dǎo)材料臨界溫度的提高和材料加工技術(shù)的發(fā)展，它將會(huì)在許多高科技領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。綜合以上分析可以看出，高溫超導(dǎo)材料作為一種新型材料，將廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、軍事技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生和各種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，其前景有可能如當(dāng)年的晶體管取代電子管一樣。未來十年是高溫超導(dǎo)市場(chǎng)發(fā)展和材