超导材料在能源和交通领域的应用

1911年, 荷兰物理学家Onnes发现超导现象, 并揭示了超导态的基本特征理想导电性。1933年迈斯纳和欧欣菲尔德又发现了超导态物质的另一个基本特征:完全抗磁性。超导体得天独厚的特性, 使它可能在各种领域得到广泛的应用[1,2]。但由于早期的超导体存在于液氦温度条件下, 极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体。1954年Matthias发现新型的化合物超导体Nb3Sn, 1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体, 开辟了超导技术在强电中的应用。1986年初高温超导研究取得了突破性的发展, 物理学家Muller和Bednorz发现了高温铜氧化物超导体La2-x Bax Cu O4[3], 超导临界温度超过30K。1987年YBa2Cu3O7y高温超导体被发现[4], 其临界温度超过90K, 随后Bi系、Tl系高温超导体相继发现临界温度迅速提高, 为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

随着研究的进展, 超导材料的应用是基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场, 制成超导电缆、磁性极强的超导磁铁, 用于输电、制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车, 以解决人类的能源和交通问题。

1 超导材料在能源和交通领域的应用

1.1 超导输电

超导材料可用于制作超导电缆, 超导电缆具有载流能力大、损耗低和体积小的优点, 其传输容量将比常规电缆提高3~5倍, 可以把电力几乎无损耗地输送给用户, 尽管在交流运行状态下存在交流损耗, 但其输电损耗也将比常规电缆降低20%~70%[5]。

近年来, 很多国家都相继开展了超导输电电缆的研究[5~8]。2004年日本Furukawa电气公司和电力工业中心研究所 (CRIEPI) 等研制了长500m、77k V/1k A单相高温超导电缆, 并进行了高温超导电缆在穿越地下、过河、上下坡等不同安装环境下的性能试验。2006年, 美国超导公司 (AMSC) 、Superpower公司等分别研制出200m (13.5k V/3k A) 、350m (34.5k V/0.8k A) 和660m (1 3 8 k V/2.4 k A) 三相高温超导交流电缆, 并分别安装在俄亥俄州哥伦布的Bixby变电站、纽约州的Albany和长岛等地并网试验运行。

我国也非常重视对高温超导电缆的研究[5,9,10,11], 中国科学院电工研究所与北京有色金属研究总院和西北有色金属研究院合作于1998年研制成功1m/2k A高温超导直流输电电缆模型, 随后于2000年又研制出6m/2k A高温超导直流输电电缆。2002年, 中国科学院电工研究所还完成了10m/1.5k A三相高温超导交流输电电缆的研制。2005年, 中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司、中国科学院理化技术研究所等合作, 研制出75m、10.5k V/1.5k A三相交流高温超导输电电缆, 并于2005年底安装在甘肃长通电缆公司向车间供电运行。

1.2 超导发电机

超导技术在能源方面可应用于体积小、功率大的发电机。采用超导磁体可以产生数万乃至几十万高斯的磁场, 从而使磁流体的输出功率大大提高。随着超导技术的不断突破, 在不远的将来必然可产生大容量、小型化的磁流体发电机。这种发电机将会在诸如航天器、舰艇、飞机等许多领域得到应用。

1.3 超导加速器

超导磁体在粒子加速方面大有作为。在研究高能物理时, 需要建造大型粒子加速器, 在加速器建造中若采用超导磁体, 其轨道半径相比常规磁体可以大大减小。

1.4 超导储能

世界上最先进的托卡马克装置内的所有磁体均采用超导磁体。它可以用来研究等离子在磁场加速和约速下产生聚变。聚变时产生的强大能量, 具有很高的经济价值和广泛的应用潜力。

1.5 磁悬浮列车

超导磁体系统用于火车的动力系统可生产出超导磁悬浮列车, 和常规列车比较, 超导磁悬浮列车有许多的优点, 比如速度快、污染小、爬坡能力强、节能等等。

2 其它应用

用超导材料薄片制作约瑟夫森器件用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备[12]。如超导量子干涉仪、超导开关、超导磁强计、超导计算机、超导滤波器等。

用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗及其他应用。如超导核磁共振层析成像仪等。

摘要：超导材料具有广阔的应用前景。在提高临界温度的同时, 人们在努力探索新型超导材料。在进一步探索超导微观机理的同时, 人们更关注超导的应用前景。本文简单介绍了超导的基本知识和超导材料的发展历程, 详细阐述了超导材料在电力、能源、交通等领域的应用及其前景。

关键词：超导,超导,理想导电性,完全抗磁性,能源,交通

参考文献

[1] 冯端, 等.金属物理学.第四卷超导电性与磁性[M].科学出版社, 2000:4～46.

[2] 张其瑞, 等.高温超导电性[M].浙江大学出版社, 1992:647～679.

[3] J.G.Bednorz and K.A.Muller, Z Phts.B.64, 189 (1986) .

[4] 赵忠贤, 等, 科学通报[J].1987:32, 412.

[5] 林良真, 肖立业.超导电力技术[J].科技导报, 2008, 26 (1) :53～58.

[6] Kimura A, Yasuda K.R&D of super-conductive cable in Japan[J].IEEE Transon Applied Superconductivity, 2005 (2) :1818～1822.

[7] Stovall J P, Demko J A, Fisher P W, etal.Installation and operation of the Southwire30-meter high-temperature super-conducting power cable[J].IEEE Transon Applied Superconductivity, 2001 (1) :2467～2472.

[8] Oestergaard J.Superconducting power cablesin Denmark─A case study[J].IEEE Transon Applied Superconductivity, 1997 (2) :719～722.

[9] 林良真.我国超导技术研究现状及展望[J].电工技术学报, 2005 (1) :1～7.

[10] 温华明, 严陆光, 林良真.超导在加速器中的应用概况[J].低温与超导, 2005 (33) :46～49.

[11] 严陆光.高临界温度超导应用的进展和展望[J].电工电能新技术, 2006 (25) :1～4.

[12] 刘岗.超导及其应用探索[J].科技资讯, 2006 (35) :1.