第 卷 第 期 年 月!"" #$" 实 用 超 导 材 料 的 发 展 演 变 及 其 前 景 展 望 蔡 传 兵 刘 志 勇 鲁 玉 明 上 海 大 学 超 导 与 应 用 技 术 研 究 中 心 上 海 摘 要 超 导 现 象 发 现 年 以 来 各 类 新 型 超 导 体 层 出 不 穷 然 而 由 于 本 征 特 性 低 温 条 件 合 成 技 术 及 环 境 因 素 等 限 制 使 许 多 超 导 材 料 失 去 了 实 用 性 首 先 简 要 概 述 了 超 导 材 料 的 应 用 特 别 是 在 先 进 电 网 中 的 应 用 需 求 和 前 景 分 析 了 国 内 外 几 种 典 型 的 实 用 超 导 材 料 的 发 展 趋 势 和 市 场 需 求 情 况 给 出 了 主 要 发 达 国 家 及 我 国 的 超 导 发 展 计 划 指 出 了 当 前 发 展 新 型 电 力 传 输 材 料 第 二 代 高 温 超 导 带 材 的 必 要 性 并 以 上 海 市 为 例 粗 略 展 望 了 第 二 代 高 温 超 导 带 材 及 其 强 电 应 用 技 术 包 括 城 市 电 缆 超 导 限 流 器 超 导 变 压 器 超 导 电 机 等 发 展 对 社 会 生 活 和 传 统 产 业 的 重 要 影 响 和 贡 献 关 键 词 实 用 超 导 材 料 第 二 代 高 温 超 导 带 材 先 进 电 力 传 输 中 图 分 类 号 * " 文 献 标 识 码 文 章 编 号 ' % ' % %&!! " # +,#-./-0 1 +/ -0 1, /-0 #$ + - $3$,4 $ -(, $ #-( 44!/ ( +-!0/ +#-0+#/1-/5 $ / +#-0+#/ +/-# /- +,4 $ -(, /5/ # (/ 5 $ ( # -,$ #0 5#$/, -,4 $ -(, $ +#5. - 3,-( -(7!! 8 5 $ #-,. $ 3,4 $ -(, $ +#5! + /$4$# / #!#44!/ #/- (,!/ /#/- 3$ + /-$/- / 4$4 $/!7 4 $#,$ $ 9,/$ - -+ / -(//- #-( -5/$- -#!3# $ 85#$/ 3#44!/ #/- 3$,7 4 $ -(, /-0 # $/#! #$, #$/) ( 4#$/,!#$! /+ $ 4 + 3/!( 3#(5#- ( 4 $0$/( /- + - #$3,,$ 8 + ( 5!4 -#-( 5!5-34$# / #!,4 $ -(, /-0 # $/#! #$ #-#! ) ( 0 + $/+ + #$: ( #-( 8 #/-#!4$; $ 0#$(/-0,4 $ -(, /-0#44!/ #/- 3$#3 #;$#(5#- (,-$/ #$ /-$(, ( #! #-( + - #$/ /0-/3/ #- #-( -$/.,/- + / 3$( 5!4-3+ -(#$ 70 - $#/-,4 $ -(, /-0 #4 #-( $! 5#-- 5!,4 $ -(, /-0( 5/, + # 0$/( #.! 3#,!, $ -!/ / $ 4 $$#- 3$ $ #-( $ 8/- + $4!/!/: +#-0+#/ #$ $,0+! /-(/ # (8 4$# / #!,4 $ -(, /-0 # $/#! + -(,4 $ -(, /-0#4 #(5#- ( 4 $0$/( 前 言 自 从 年 荷 兰 物 理 学 家 # $!/-0*-- 发 现 超 导 现 象 以 来 超 导 材 料 的 发 展 经 过 了 一 个 从 简 单 金 属 到 复 杂 化 合 物 即 由 一 元 系 到 二 元 系 三 元 系 直 至 多 元 系 及 高 分 子 体 系 的 过 程 在 上 世 纪 & 代 末 发 现 铜 氧 化 物 超 导 体 之 后 在 新 世 纪 之 初 又 有 两 类 比 较 接 近 实 用 的 超 导 材 料 被 发 现 即 0 和 基 超 导 体 新 型 超 导 体 可 谓 层 出 不 穷 然 而 由 于 各 自 不 同 的 本 征 特 性 低 温 条 件 合 成 技 术 及 其 环 境 污 染 等 因 素 各 类 超 导 体 的 实 用 化 水 平 相 差 很 大 有 的 基 本 失 去 实 用 性 仅 能 适 于 基 础 收 稿 日 期 % % 基 金 项 目 国 家 &' 计 划 项 目 国 家 计 划 项 目 上 海 市 科 委 科 技 攻 关 项 目 () 通 信 作 者 蔡 传 兵 男 ' 年 生 教 授 博 士 生 导 师 研 究 基 于 双 轴 织 构 和 薄 膜 外 延 技 术 的 第 代 高 温 超 导 带 材 由 于 克 服 了 晶 界 弱 连 接 和 拥 有 大 量 位 错 缺 陷 提 供 的 高 密 度 的 磁 通 钉 扎 中 心 在 液 氮 温 区 具 有 高 的 不 可 逆 磁 场 就 磁 场 中 的 超 导 载 流 能 力 而 言 它 为 目 前 最 佳 的 实 用 超 导 材 料 更 为 可 贵 的 是 其 技 术 使 用 价 廉 的 / 基 合 金 或 一 般 的 不 锈 钢 带 作 为 衬 底 材 料 成 本 明 显 低 于 第 代 / 系 高 温 超 导 带 材 第 代 高 温 超 导 带 材 已 经 成 为 发 展 超 导 电 力 应 用 的 基 础 和 必 然 选 择 因 此 当 前 世 界 主 要 发 达 国 家 均 争 先 恐 后 地 进 行 研 发 近 年 来 美 日 韩 和 欧 洲 多 国 已 先 后 成 功 研 制 出 长 度 超 过 最 长 达 到 且 能 够 传 输 以 上 超 导 电 流 的 第 代 高 温 超 导 带 材 使 氧 化 物 高 温 超 导 材 料 在 能 源 电 力 交 通 运 输 强 磁 体 和 军 事 领 域 的 大 规 模 应 用 成 为 可 能 应 用 第 代 高 温 超 导 带 材 进 行 的 电 力 示 范 工 程 也 在 不 断 增 加 可 以 预 见 正 如 半 导 体 带
第 卷 来 了 资 讯 时 代 光 纤 带 来 了 传 讯 时 代 高 温 超 导 材 料 将 从 根 本 上 改 变 人 类 的 用 电 方 式 给 电 力 能 源 交 通 以 及 其 它 与 电 磁 有 关 的 科 技 业 带 来 革 命 性 的 发 展 本 文 在 简 要 概 述 超 导 材 料 应 用 主 要 是 强 电 应 用 之 后 分 析 几 种 典 型 的 实 用 超 导 材 料 的 发 展 趋 势 和 市 场 需 求 进 而 明 确 当 前 发 展 新 型 电 力 传 输 材 料 第 二 代 高 温 超 导 带 材 的 必 要 性 并 将 以 上 海 市 为 例 粗 略 展 望 对 第 代 高 温 超 导 带 材 及 其 强 电 应 用 技 术 对 社 会 生 活 和 传 统 产 业 的 重 要 影 响 和 贡 献 超 导 材 料 及 其 应 用 概 述 超 导 材 料 除 零 电 阻 特 性 外 还 具 有 完 全 抗 磁 性 和 宏 观 量 子 效 应 等 诸 多 常 规 材 料 所 不 具 备 的 奇 特 性 质 利 用 超 导 体 的 这 些 特 性 可 以 传 输 大 电 流 获 得 强 磁 场 实 现 磁 悬 浮 检 测 微 弱 磁 场 信 号 等 因 此 超 导 材 料 广 泛 应 用 于 电 力 电 子 军 事 医 疗 交 通 运 输 高 能 物 理 等 许 多 领 域 目 前 超 导 材 料 已 发 现 上 千 种 包 括 单 质 合 金 和 化 合 物 从 年 第 次 发 现 超 导 现 象 到 & 年 超 导 转 变 温 度 最 高 为 铌 三 锗 的 这 些 超 导 材 料 工 作 在 液 氦 环 境 一 般 称 为 低 温 超 导 材 料 &' 年 (- $) 和,! $ 发 现 了 达 到 的 #7 #7,7* 超 导 体 标 志 着 高 温 超 导 研 究 的 开 始 紧 接 着 发 现 了 超 过 液 氮 温 度 的 7 #7,7* * /7 $7 #7,7* /!7 #7,7*! 和 07 #7 #7,7* 0 等 系 列 氧 化 物 高 温 超 导 材 料 它 们 可 以 工 作 在 廉 价 的 液 氮 环 境 这 类 材 料 被 称 为 高 温 超 导 材 料 年 以 前 实 用 化 超 导 材 料 的 研 究 主 要 集 中 在 低 温 超 导 材 料 目 前 低 温 超 导 材 料 已 经 进 入 产 业 化 阶 段 实 用 化 超 导 材 料 研 究 主 要 集 中 在 铜 氧 化 物 的 高 温 超 导 材 料 虽 然 近 年 来 各 类 新 型 超 导 材 料 层 出 不 穷 包 括 年 发 现 的 二 元 化 合 物 0 和 & 年 发 现 的 超 导 材 料 然 而 从 实 用 的 角 度 特 别 是 就 电 力 能 源 系 统 的 强 电 应 用 而 言 只 有 / 系 材 料 才 有 市 场 价 值! 和 0 系 由 于 含 有 环 境 危 害 元 素 和 特 殊 的 制 备 工 艺 失 去 了 作 为 一 种 实 用 超 导 材 料 的 广 泛 性 和 普 适 性 上 世 纪 年 代 末 随 着 第 代 / 系 超 导 材 料 的 制 备 技 术 取 得 重 大 突 破 高 温 超 导 线 材 很 快 形 成 产 业 化 生 产 能 力 极 大 地 促 进 了 超 导 应 用 技 术 的 发 展 如 高 温 超 导 电 缆 高 温 超 导 限 流 器 高 温 超 导 变 压 器 高 温 超 导 电 动 机 等 已 经 进 入 示 范 运 行 阶 段 超 导 电 力 技 术 的 应 用 可 望 提 升 电 力 工 业 的 发 展 水 平 和 促 进 电 力 业 的 重 大 变 革 因 此 世 界 主 要 发 达 国 家 均 把 超 导 电 力 技 术 视 为 具 有 经 济 战 略 意 义 的 高 新 技 术 美 国 能 源 部 认 为 超 导 电 力 技 术 将 是 世 纪 电 力 工 业 唯 一 的 高 技 术 储 备 发 展 高 温 超 导 电 力 技 术 是 检 验 美 国 将 科 学 发 现 转 化 为 应 用 技 术 能 力 的 重 大 实 践 而 日 本 新 能 源 开 发 机 构 * 则 认 为 发 展 高 温 超 导 电 力 技 术 是 在 世 纪 的 高 技 术 竞 争 中 保 持 尖 端 优 势 的 关 键 所 在 可 见 超 导 技 术 越 来 越 成 为 种 不 可 替 代 的 具 有 经 济 战 略 意 义 和 巨 大 发 展 潜 力 的 高 新 技 术 高 温 超 导 材 料 可 广 泛 应 用 于 电 力 电 子 医 疗 国 防 军 事 交 通 运 输 高 能 物 理 等 领 域 大 致 可 分 为 两 大 类 大 电 流 应 用 强 电 应 用 电 子 学 应 用 弱 电 应 用 见 表 超 导 技 术 越 来 越 成 为 种 不 可 替 代 的 具 有 经 济 战 略 意 义 和 巨 大 发 展 潜 力 的 高 新 技 术 将 会 对 国 民 经 济 和 人 类 社 会 的 发 展 产 生 巨 大 推 动 作 用 特 别 值 得 指 出 表 高 温 超 导 材 料 的 强 电 和 弱 电 应 用!! " #! #$% 44!/ #/- 3/!( $#44!/ #/-! $-/ #44!/ #/- #$0$/( /!/#$ #-( ( 3 - $#3/ #-( $#- 4 $#/-,4 $ -(, /-0 #.!,4 $ -(, /-03#,!, $ -!/ / $,4 $ -(, /-0$#- 3$ $,4 $ -(, /-0#,,!#$,4 $ -(, /-00 - $#$! $ #0- / 4$4,! /- -#5#!5!,4 $ 4 (,4 $ -(, /-0! $ #0- / 0,-,4 $ -(, /-00 $ 4,4 $ -(, /-0+/0+7 4 ( #0! 5$#/-,4 $ -(, /-0+/0+74 $ $,4 $ -(, /-0$#(#$ - /-0 (/ #!/- $, -,4 $ -(, /-0 #0- / $ -#- / #0 #0- #$(/0$#4+/ #!/- $, - #0- - 4+#!0$#4+,-/ #/- 8 #$0 /-! $#$7!/( $, # ( 5/ #0- / 4#$#/-,4 $ -(, /-09,#-, /- $3 $ $ /$!,-/ #/- /! $7/$ (,-/ #/-
第 期 蔡 传 兵 等 实 用 超 导 材 料 的 发 展 演 变 及 其 前 景 展 望 的 是 高 温 超 导 线 带 材 可 制 备 成 各 类 器 件 包 括 超 导 储 能 变 压 器 电 缆 限 流 器 等 等 广 泛 用 于 先 进 电 网 之 中 见 图 正 如 光 纤 的 发 明 催 生 崭 新 的 信 息 时 代 高 温 超 导 线 带 材 也 将 带 来 电 力 工 业 史 上 划 时 代 的 革 命 目 前 世 界 范 围 内 能 源 供 应 越 来 越 紧 张 而 电 能 有 大 量 浪 费 在 传 输 线 上 仅 美 国 每 年 在 输 电 线 上 的 损 失 就 高 达 亿 美 元 而 如 果 使 用 高 温 超 导 线 材 不 仅 可 避 免 这 些 损 失 还 可 以 节 约 大 量 的 金 属 材 料 因 为 同 样 直 径 的 高 温 超 导 材 料 的 导 体 能 力 高 于 普 通 铜 导 线 的 倍 以 上 高 温 超 导 线 材 制 成 的 超 导 器 件 具 有 损 耗 低 体 积 小 重 量 轻 和 效 率 高 等 特 点 另 外 建 设 超 导 智 能 电 网 是 解 决 常 规 电 缆 远 距 离 输 电 时 对 超 高 压 电 缆 及 技 术 依 赖 的 唯 一 途 径 例 如 从 内 蒙 到 上 海 通 过 传 统 输 电 方 式 至 少 需 要 : 的 电 压 而 通 过 超 导 电 缆 仅 仅 需 要 即 可 输 送 图 先 进 电 网 中 的 超 导 应 用 /0"5#$/ 3,4 $ -(, $44!/ #/- /- (5#- ( <$/( 随 着 经 济 和 社 会 发 展 人 们 对 电 能 的 需 求 量 日 益 增 长 电 力 系 统 的 容 量 越 来 越 大 电 网 将 不 得 不 向 超 大 规 模 方 向 发 展 同 时 人 们 对 电 能 质 量 和 安 全 的 要 求 也 越 来 越 高 急 需 进 行 电 力 工 业 的 革 新 改 造 实 用 化 超 导 材 料 的 发 展 趋 势 及 其 市 场 分 析 自 年 超 导 被 发 现 以 来 超 导 材 料 的 发 展 经 过 了 一 个 从 简 单 到 复 杂 即 由 一 元 系 到 二 元 系 三 元 系 直 至 多 元 系 的 过 程 根 据 其 适 用 温 度 及 制 备 工 艺 的 不 同 可 简 单 分 为 低 温 超 导 第 一 代 高 温 超 导 和 第 代 高 温 超 导 等 几 类 考 虑 到 最 大 的 需 求 是 超 导 线 带 材 这 里 并 没 有 介 绍 高 温 超 导 块 材 单 晶 外 延 薄 膜 和 目 前 尚 处 于 探 索 阶 段 的 0 超 导 体 " 低 温 金 属 超 导 体 线 材 传 统 的 拉 丝 技 术 以. -./ 为 代 表 的 低 温 超 导 体 已 实 现 了 商 品 化 并 得 到 广 泛 的 应 用 尤 其 在 全 球 医 疗 和 科 学 仪 器 方 面 如 用 于 医 学 诊 断 的 核 磁 共 振 成 像 仪 及 用 于 谱 线 分 析 的 核 磁 共 振 仪 目 前 超 导 应 用 在 全 球 医 疗 和 科 学 仪 器 方 面 的 年 产 值 大 约 是 亿 美 元 低 温 超 导 材 料 占 据 了 整 个 超 导 应 用 领 域 = 以 上 的 市 场 然 而 低 温 超 导 体 的 临 界 温 度 太 低 必 须 在 昂 贵 的 液 氦 系 统 下 使 用 严 重 限 制 了 低 温 超 导 在 电 力 能 源 系 统 中 的 应 用 " 第 代 高 温 超 导 带 材 系 传 统 的 粉 末 套 装 工 艺 / 系 超 导 线 材 又 称 第 一 代 高 温 超 导 带 材 具 有 更 高 的 上 临 界 场 可 以 用 来 获 得 更 高 的 磁 场 包 括 中 国 在 内 的 多 家 企 业 可 以 批 量 生 产 出 长 度 为 千 米 级 的 铋 系 多 芯 超 导 线 材 然 而 / 系 材 料 在 液 氮 温 区 的 不 可 逆 场 较 低 只 有 在 较 低 温 度 时 才 适 于 强 电 应 用 此 外 其 交 流 损 耗 远 太
第 卷 大 不 符 合 交 流 传 输 和 变 化 磁 场 的 应 用 另 外 普 遍 使 用 的 粉 末 套 装 工 艺 离 不 开 贵 重 金 属 0 成 本 甚 高 使 得 基 于 它 的 超 导 技 术 在 工 业 上 的 大 规 模 应 用 前 景 变 得 渺 茫 世 界 各 国 已 逐 步 放 弃 第 一 代 超 导 在 电 力 传 输 方 面 的 应 用 将 研 究 重 点 转 移 到 开 发 基 于 系 的 第 二 代 高 温 超 导 带 材 上 来 " 第 代 高 温 超 导 带 材 系 现 代 薄 膜 生 长 技 术 系 带 材 晶 粒 间 结 合 较 弱 难 以 用 传 统 的 成 材 工 艺 制 备 带 材 其 成 材 通 常 建 立 在 现 代 薄 膜 外 延 生 长 技 术 上 称 为 第 二 代 高 温 超 导 带 材 也 称 为 高 温 超 导 涂 层 导 体 与 第 一 代 高 温 超 导 带 材 相 比 系 带 材 具 有 较 高 的 不 可 逆 场 在 磁 场 中 临 界 电 流 密 度 可 维 持 在 很 高 的 水 平 突 破 了 / 系 材 料 只 能 实 用 于 直 流 和 低 温 的 限 制 是 真 正 的 液 氮 温 区 下 强 电 应 用 的 超 导 材 料 更 为 可 贵 的 是 第 代 高 温 超 导 材 料 以 价 廉 的 / 或 者 / 合 金 为 基 带 甚 至 以 一 般 的 不 锈 钢 为 衬 底 材 料 成 本 明 显 优 于 第 代 导 体 的 /7 系 线 带 材 性 能 价 格 比 优 势 明 显 使 高 温 超 导 在 电 力 工 程 中 的 广 泛 应 用 成 为 可 能 " 高 温 超 导 带 材 的 性 价 比 及 其 市 场 发 展 需 求 & 年 月 美 国 - # 0 机 构 公 布 的 超 导 市 场 调 查 结 果 显 示 世 界 上 大 多 数 研 发 机 构 的 超 导 工 程 计 划 将 选 用 第 代 高 温 超 导 材 料 根 据 美 国 能 源 部 美 国 高 温 超 导 材 料 市 场 分 析 与 预 测 报 告 预 测 随 着 第 代 高 温 超 导 带 材 产 业 规 模 的 扩 大 及 带 材 性 能 的 提 高 其 性 能 价 格 比 将 大 幅 下 降 至 接 近 >?: 低 于 铜 导 线 的 性 能 价 格 比 这 同 时 又 会 促 进 市 场 对 高 温 超 导 带 材 的 需 求 随 着 性 能 价 格 比 的 提 高 开 展 各 种 大 规 模 超 导 应 用 也 将 变 为 可 能 市 场 需 求 和 产 值 也 将 会 有 显 著 提 高 根 据 美 国 能 源 部 美 国 高 温 超 导 材 料 市 场 分 析 与 预 测 报 告 初 步 估 计 从 年 起 高 温 超 导 限 流 器 电 缆 等 应 用 将 逐 渐 占 据 市 场 主 要 份 额 至 年 超 导 电 动 机 将 占 据 市 场 的 = 其 它 超 导 电 力 设 备 的 市 场 份 额 为 超 导 变 压 器 '= 超 导 发 电 机 = 超 导 电 缆 &= 国 际 超 导 科 技 界 年 世 界 超 导 工 业 峰 会 和 相 关 产 业 部 门 预 测 到 年 全 球 超 导 产 业 超 过 亿 美 元 以 上 估 算 还 只 是 在 美 国 政 府 尚 未 公 布 推 进 智 能 电 网 和 超 导 电 网 计 划 的 预 测 值 上 世 纪 年 代 美 国 克 林 顿 政 府 推 行 的 #/-#! -3$ #/- -3$# $,,$ 计 划 利 用 光 纤 技 术 为 基 础 成 功 推 进 信 息 产 业 革 命 为 美 国 经 济 的 发 展 取 得 了 巨 大 的 成 功 为 了 摆 脱 & 年 起 的 全 球 金 融 危 机 美 国 希 望 发 起 一 场 新 的 能 源 革 命 年 美 国 白 宫 发 布 的 经 济 复 苏 计 划 意 味 着 奥 巴 马 政 府 能 源 计 划 的 下 一 步 将 是 发 展 智 能 电 网 以 帮 助 美 国 走 出 困 境 智 能 电 网 是 当 今 世 界 电 力 系 统 发 展 变 革 的 最 新 动 向 并 被 认 为 是 世 纪 电 力 系 统 的 重 大 科 技 创 新 和 发 展 趋 势 美 国 政 府 的 新 能 源 计 划 主 要 包 括 两 张 网 即 智 能 电 网 和 超 导 电 网 目 前 超 导 电 缆 的 技 术 成 本 市 场 等 已 经 具 备 了 进 入 美 国 电 网 改 造 的 主 要 市 场 的 能 力 美 国 能 源 法 也 肯 定 了 超 导 电 缆 电 网 的 作 用 如 果 美 国 的 超 导 电 网 计 划 真 正 实 施 超 导 的 产 值 将 会 有 一 个 跳 跃 式 的 市 场 需 求 中 国 著 名 能 源 研 究 专 家 韩 晓 平 预 测 美 国 发 展 智 能 电 网 & @ 年 内 整 个 产 业 规 模 将 超 过 万 亿 美 元 同 时 美 国 发 展 超 导 输 电 & @ 年 内 产 业 规 模 将 陡 增 超 过 万 亿 美 元 通 过 超 导 电 网 战 略 美 国 超 导 的 电 力 应 用 产 业 规 模 在 & @ 年 内 将 达 到 万 亿 美 元 & 年 美 国 国 民 生 产 总 值 约 为 " 万 亿 美 元 按 照 平 均 增 长 率 = 到 美 国 < 将 达 到 " 万 亿 美 元 年 内 总 < 约 为 " 万 美 元 超 导 电 力 应 用 平 均 约 占 < 的 "&= 虽 然 中 国 在 超 导 电 力 研 发 和 应 用 都 落 后 于 美 国 如 果 我 们 抓 住 机 会 大 力 发 展 有 理 由 相 信 中 国 超 导 电 力 应 用 在 晚 于 美 国 年 年 后 可 以 获 得 其? 的 规 模 占 全 国 < 的 = & 年 中 国 总 < 为 " 万 亿 美 元 如 果 保 持 = 的 增 长 速 率 到 年 可 达 到 " 万 亿 美 元 到 年 为 &"' 万 美 元 则 年 中 国 超 导 电 力 规 模 可 望 达 到 亿 美 元 其 中 超 导 电 缆 约 占 = 即 亿 美 元 占 全 国 < 的 " = & 年 中 国 电 线 电 缆 生 产 总 值 占 全 国 < 的 "'= 左 右 约 为 亿 美 元 其 中 电 力 电 缆 约 占 = 即 亿 美 元 有 关 预 测 显 示 我 国 电 线 电 缆 行 业 在 世 纪 前 年 将 按 = @ = 的 速 度 增 长 如 果 我 们 大 力 发 展 高 温 超 导 电 力 应 用 电 力 电 缆 行 业 可 望 获 得 = 的 增 长 速 度 到 年 全 国 电 力 电 缆 产 值 将 达 到 " 万 亿 美 元 约 占 全 国 < 的 "= 美 国 估 计 其 年 超 导 电 缆 将 取 得 &= 的 电 缆 市 场 年 我 国 超 导 电 缆 有 望 取 得 电 力 电 缆 市 场 的 = @ = 约 为 % 亿 美 元 主 要 发 达 国 家 超 导 发 展 计 划 超 导 电 力 技 术 多 年 来 一 直 受 到 了 世 界 各 国 的 重 视 近 年 来 美 国 和 欧 洲 相 继 发 生 了 多 次 大 的 停 电 事 故 促 使 政 府 和 工 业 界 进 一 步 加 快 超 导 电 力 技 术 的 研 究 步 伐 美 国 日 本 欧 洲 和 韩 国 都 制 定 了 一 系 列 发 展 超 导 电 力 技 术 的 相 关 计 划 " 美 国 世 界 上 超 导 电 力 技 术 研 究 的 带 头 国 家 是 美 国
第 期 蔡 传 兵 等 实 用 超 导 材 料 的 发 展 演 变 及 其 前 景 展 望 年 美 国 就 开 始 推 进 了 世 界 上 最 大 规 模 的 研 究 计 划 以 发 展 超 导 电 力 技 术 及 相 关 技 术 由 美 国 能 源 部 组 织 国 家 实 验 室 大 学 和 相 关 公 司 及 电 力 公 司 联 合 攻 关 该 计 划 的 研 究 内 容 包 括 超 导 电 缆 超 导 变 压 器 超 导 电 机 超 导 磁 悬 浮 飞 轮 储 能 超 导 限 流 器 等 项 目 的 研 究 年 美 国 东 部 发 生 的 大 停 电 事 故 使 得 美 国 政 府 对 于 发 展 超 导 电 力 技 术 的 热 情 大 增 并 立 即 批 准 了 为 期 年 的 万 美 元 的 超 导 限 流 器 研 究 开 发 项 目 和 ' 万 美 元 的 高 温 超 导 电 缆 项 目 美 国 能 源 部 还 提 出 了 美 国 电 网 计 划 在 该 规 划 中 提 出 了 采 用 超 导 技 术 建 设 其 骨 干 电 网 的 建 议 美 国 的 能 源 法 中 也 率 先 肯 定 了 超 导 电 缆 电 网 的 作 用 见 表 & 年 美 国 纽 约 州 长 岛 在 商 业 电 网 中 安 装 了 第 一 条 第 二 代 高 温 超 导 带 材 输 电 电 缆 能 为 万 户 家 庭 供 电 其 装 机 容 量 为 ' 之 后 饱 受 灾 难 事 故 和 恐 怖 分 子 袭 击 的 纽 约 市 宣 布 启 动 名 称 为 $; ($# 的 计 划 即 所 谓 水 螅 计 划 其 主 要 框 架 就 是 年 启 动 的 曼 哈 顿 电 网 升 级 改 造 它 也 将 使 用 美 国 超 导 体 公 司 开 发 的 液 氮 冷 却 系 统 和 超 导 电 缆 以 实 现 纽 约 电 力 体 系 更 加 可 靠 的 运 转 表 美 国 电 网 规 划 远 景 美 * 资 料! # & %!! $ '! "$ #%, $ 0# # 3$+ - A0 - $#/-, $ #! - $0 3$ /0+! $!/#.!,$ (/0/#!0$#( #$ $ -#.!/-07#,-/ #7 /- #-( # $#- # /5, $7,/!/ /- $7 3# 4 $ + #/-0!/-0 #-( +, /(/ -$!/+ 4!,0B 4!# #./!//! # #.! +$,0+ $0#0 4 $3$#-, $+ #- / 3$(#.! - $0 $#0 ( 5/ #5#/!#7.! #- - -!/0 -+ #-( #44!/#-!/-: ( $3 4 $9,#!/ +$,0+ #,7 4! /- 3#-#/-#! $ -/- -7 + 0$/( #/ $ /- 3$5!#0 3$ 9, - #!,4 $ -(, /-0-0(/ #-,7 $0$# 3$, $4#$/ /4#/- /- 4 $ #$: +$,0+ ( #-(7 /( #-#0 -#-( (/ $/., ( 0 - $#/- (5#- ( 4 / -(, $ 3$0$ # $$#- 7 / /- #4# / 0/-#!4!#- 3$0$/( A4#- /- #-( ( $-/)#7 /- $#- / /- #.! #-( 4 $3# $/, 0 - $#$ $#- 3$ $ #-( #7.! /! #: # /0-/3/ #-(/3 $ - -0(/ #-,4 $ -(, /-0$#- / 7 /- #.! 4 $ -(, /-0.# :. - " 日 本 韩 国 日 本 在 世 纪 年 代 实 施 了,4 $< 等 超 导 电 力 技 术 研 究 计 划 并 成 立 了 国 际 超 导 技 术 研 究 中 心 其 主 要 电 力 公 司 及 电 机 制 造 厂 家 均 积 极 参 与 超 导 电 力 技 术 研 究 工 作 日 本 超 导 材 料 的 发 展 在 国 际 上 一 直 处 于 领 先 地 位 为 保 持 优 势 日 本 设 立 了 为 期 年 @ 的 第 代 高 温 超 导 带 材 研 发 国 家 计 划 总 投 资 超 过 " 亿 美 元 最 终 目 标 是 研 发 出 高 性 能 和 低 成 本 带 材 每 宽 度 自 场 C 长 度 在 以 上 而 且 要 大 大 降 低 制 造 成 本 该 计 划 顺 利 完 成 后 又 设 立 了 & % 年 计 划 大 力 发 展 低 成 本 带 材 的 批 量 化 制 备 目 标 为 开 发 条 千 米 长 工 程 临 界 电 流 :? 自 场 的 第 代 高 温 超 导 带 材 并 开 展 较 大 规 模 示 范 包 括 C D 超 导 电 缆 :% : 和 变 压 器 年 韩 国 设 立 了 应 用 超 导 技 术 发 展 先 进 能 源 系 统 的 年 计 划 即 计 划 主 要 研 究 开 发 高 温 超 导 电 缆 高 温 超 导 限 流 器 高 温 超 导 变 压 器 和 高 温 超 导 电 动 机 等 并 以 商 业 化 为 目 标 同 时 成 立 超 导 应 用 技 术 中 心 负 责 管 理 该 计 划 的 实 施 该 计 划 第 代 高 温 超 导 带 材 的 研 发 分 为 阶 段 年 至 年 实 现? 的 长 带 材 年 至 年 实 现? 的 长 带 材 年 至 年 实 现? 的 长 带 材 和? 的 长 带 材 的 产 业 化 各 阶 段 也 有 相 应 的 超 导 电 缆 限 流 器 等 电 力 工 程 应 用 项 目 " 欧 洲 各 国 欧 洲 为 了 促 进 超 导 电 力 技 术 和 超 导 材 料 的 发 展 实 施 了 超 导 电 力 联 接 1 *! 计 划 和 欧 洲 超 导 技 术 公 司 合 作 * 1 计 划 欧 盟 于 年 开 展 了 超 导 电 性 欧 洲 网 年 计 划 @' 建 立 欧 洲 超 导 研 究 区 域 平 台 提 升 产 业 界 和 学 术 界 沟 通 该 研 发 基 金 由 欧 盟 提 供 共 涉 及 个 欧 洲 国 家 的 个 学 术 机 构 和 个 工 业 中 心 年 欧 洲 基 金 会 又 发 布 了 @ 年 超 导 纳 米 科 学 与 工 程 项 目 计 划 欧 洲 一 些 大 的 公 司 如 西 门 子 E 等 也 积 极 投 资 于 这 方 面 的 研 究 以 争 取 未 来 的 市 场 欧 洲 超 导 材 料 的 研 发 工 作 由 德 国 牵 头 英 国 法 国 意 大 利 西 班 牙 芬 兰 等 国 积 极 参 与 欧 洲 已 有
' 第 卷 个 国 家 共 计 多 个 组 织 投 入 到 第 代 高 温 超 导 带 材 的 研 究 中 形 成 了 良 好 的 合 作 网 络 发 展 高 温 超 导 带 材 及 其 电 力 应 用 的 必 要 性 和 前 景 展 望 每 一 次 国 际 金 融 危 机 都 会 带 来 一 场 上 大 变 革 而 决 定 经 济 危 机 应 对 取 得 胜 利 的 关 键 是 科 技 的 力 量 培 育 新 的 经 济 增 长 带 特 别 是 新 兴 的 战 略 型 产 业 占 领 科 技 的 制 高 点 也 就 是 占 领 新 型 产 业 的 制 高 点 将 决 定 着 一 个 国 家 的 未 来 超 导 技 术 无 疑 已 成 为 目 前 世 界 各 国 全 力 争 取 的 科 技 制 高 点 之 一 超 导 技 术 是 世 纪 具 有 战 略 意 义 的 综 合 性 高 新 技 术 具 有 前 瞻 性 战 略 性 超 导 带 材 是 超 导 电 力 应 用 的 基 础 第 二 代 高 温 超 导 带 材 作 为 目 前 实 用 超 导 材 料 最 为 理 想 的 选 择 和 必 然 发 展 趋 势 毫 无 疑 问 它 的 研 制 和 发 展 是 占 领 超 导 技 术 与 相 关 高 新 科 技 产 业 制 高 点 的 重 要 途 径 可 创 造 具 有 巨 大 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 随 着 美 国 提 出 以 能 源 为 主 的 振 兴 经 济 计 划 能 源 就 成 为 下 一 个 战 略 型 产 业 在 奥 巴 马 的 能 源 战 略 中 有 两 张 网 一 个 是 智 能 电 网 一 个 是 超 导 电 网 这 两 张 网 资 源 消 耗 低 带 动 系 数 大 就 业 机 会 多 综 合 效 益 好 并 具 有 广 阔 的 市 场 前 景 如 前 所 述 如 果 美 国 大 力 发 展 超 导 电 网 & % 内 其 相 应 的 市 场 将 达 到 万 亿 美 元 仅 此 一 产 业 即 可 抵 全 球 < 的 = 相 对 & 年 < 总 值 与 世 界 主 要 发 达 国 家 和 地 区 一 样 我 国 主 要 城 市 特 别 上 海 市 随 着 经 济 和 社 会 发 展 人 们 对 电 能 的 需 求 量 日 益 增 长 电 力 系 统 的 容 量 越 来 越 大 人 们 对 电 能 质 量 和 安 全 的 要 求 也 越 来 越 高 需 要 对 传 统 的 电 力 工 业 技 术 进 行 革 新 改 造 根 据 美 国 长 岛 示 范 工 程 经 验 一 根 超 导 电 缆 大 约 可 以 提 供 @ 万 个 家 庭 供 电 覆 盖 @ 万 人 口 依 此 推 算 一 根 超 导 电 缆 基 本 可 以 满 足 上 海 的 整 个 陆 家 嘴 地 区 的 供 电 我 国 主 要 城 市 如 上 海 市 现 有 的 常 规 电 力 设 备 和 电 力 系 统 存 在 一 些 难 以 克 服 的 缺 乏 严 重 地 阻 碍 电 力 系 统 的 发 展 至 少 表 现 在 以 下 几 个 方 面 随 着 电 网 容 量 的 增 加 和 规 模 的 不 断 扩 大 电 力 系 统 的 短 路 容 量 越 来 越 大 不 加 限 制 的 短 路 电 流 对 电 气 设 备 和 正 常 的 工 业 生 产 带 来 很 大 的 危 害 还 可 能 导 致 电 力 系 统 的 崩 溃 常 规 电 力 技 术 缺 乏 快 速 功 率 调 节 技 术 这 使 得 电 力 系 统 的 功 率 只 能 维 持 基 本 的 平 衡 一 旦 电 力 系 统 发 生 扰 动 特 别 是 大 的 故 障 可 能 导 致 严 重 的 功 率 失 衡 从 而 引 起 系 统 崩 溃 并 对 电 力 系 统 产 生 破 坏 性 的 危 害 常 规 电 力 系 统 的 效 率 受 到,! 等 基 本 导 电 材 料 的 限 制 要 进 一 步 提 高 难 度 很 大 常 规 电 气 设 备 占 地 面 积 大 而 人 口 密 度 的 大 中 城 市 正 是 负 荷 中 心 随 着 上 海 市 经 济 的 不 断 发 展 对 电 能 需 求 量 也 不 断 增 加 因 此 电 网 占 地 的 需 求 量 也 越 来 越 大 要 解 决 这 一 问 题 必 须 对 电 力 系 统 进 行 根 本 性 的 变 革 可 再 生 能 源 如 太 阳 能 风 力 发 电 和 潮 汐 能 发 电 的 能 量 密 度 低 且 易 受 气 候 条 件 的 影 响 要 使 这 些 能 源 能 充 分 有 效 的 利 用 必 须 采 用 新 的 技 术 措 施 改 善 其 品 质 同 时 使 其 能 有 效 地 储 存 并 与 大 电 网 联 结 中 国 科 学 院 最 近 公 布 的 中 国 至 年 能 源 科 技 发 展 路 线 图 指 出 年 年 中 国 电 力 装 备 安 全 技 术 和 电 网 安 全 新 技 术 比 重 将 达 到 = 和 = 届 时 超 导 电 力 装 置 将 在 电 力 系 统 中 得 到 多 层 次 的 大 规 模 应 用 如 前 所 述 世 界 范 围 内 能 源 供 应 越 来 越 紧 张 而 大 量 能 耗 都 是 浪 费 在 传 输 线 上 & 年 全 国 社 会 用 电 总 量 近 亿 千 瓦 时 按 中 国 输 电 损 耗 率 约 为 &= @ = 计 算 中 国 每 年 电 量 损 耗 高 达 亿 度 相 当 于 个 投 资 在 亿 元 以 上 的 核 电 站 总 发 电 容 量 其 中 上 海 市 约 占 "'= 每 年 损 耗 约 亿 度 电 折 合 人 民 币 多 亿 元 到 年 我 国 总 发 电 容 量 将 达 到 < 电 网 的 总 损 耗 将 达 到 < 上 海 地 区 电 网 消 耗 将 达 到 亿 度 随 着 经 济 的 发 展 及 每 年 总 发 电 量 的 增 加 线 路 耗 损 数 目 将 更 加 庞 大 超 导 材 料 无 电 阻 能 大 幅 度 地 降 低 输 电 路 的 损 耗 通 过 降 低 电 网 的 损 耗 不 仅 可 提 高 效 率 而 且 可 降 低 燃 煤 发 电 量 从 而 减 少 污 染 排 放 量 可 见 发 展 超 导 带 材 及 其 传 输 电 缆 将 提 升 和 改 革 电 力 电 网 不 但 能 增 强 经 济 发 展 优 化 城 市 环 境 而 且 对 节 能 减 排 以 及 低 碳 经 济 都 有 非 同 寻 常 的 意 义 另 外 随 着 超 导 材 料 的 规 模 化 生 产 超 导 电 力 将 会 得 到 大 力 发 展 由 此 形 成 的 超 导 产 业 将 会 整 合 来 自 各 式 各 样 的 新 技 术 研 发 新 产 品 制 造 新 服 务 企 业 和 新 型 投 融 机 制 以 及 标 准 的 制 定 和 安 全 监 控 机 构 等 上 海 市 如 能 占 领 超 导 带 材 这 一 超 导 电 力 高 科 技 的 制 高 点 可 望 能 创 造 出 新 的 经 济 推 动 力 和 投 资 机 遇 增 加 大 量 的 就 业 机 会 未 来 年 随 着 第 二 代 高 温 超 导 带 材 关 键 制 备 技 术 的 突 破 一 个 以 第 代 超 导 带 材 为 核 心 的 超 导 产 业 可 能 会 出 现 井 喷 现 象 由 此 将 会 产 生 行 业 众 多 的 上 下 游 产 业 链 届 时 我 国 主 要 城 市 例 如 上 海 市 的 行 业 格 局 将 会 有 所 变 化 也 将 大 大 促 进 上 海 市 相 关 传 统 企 业 的 产 品 更 新 和 技 术 革 新 进 步 如 图 所 示 ' 年 光 纤 被 华 裔 科 学 家 高 锟 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 获 得 者 发 明 年 后 人 们 利 用 光 纤 技 术 成 功 推 进 信 息 产 业 革 命 & 年 两 位 华 人 朱 经 武 赵 忠 贤 同 时 发 现 高 于 #,* 超 导 体 年 后 的 年 人
!第 " 期 蔡传兵等( 实用超导材料的发展演变及其前景展望 =!! 图 $!未来上海市第 $ 代高温超导带材产业链展望 [ H 4$!BDP 3 XQ Q DP D MN DRM O E@DO P EH E@DN P 5 3N M M N E -C5 EH C5 们实现第一代高温超导带材的产业化制备$ $##< 年实 传输方面的应用很可能 像 光 纤 与 光 缆 在 信 息 传 输 方 面 现商业化生产& 纵观 光 纤 材 料 的 发 明% 到 首 次 材 料 商 的应用一样在其发现 "# 周年后得到 大 规 模 的 发 展! 见 业化% 再到产业化发 展 的 历 程$ 高 温 超 导 材 料 的 发 展 图 "" $ 这 实 际 上 与 国 内 外 发 展 现 状 和 各 类 预 测 十 分 阶段非常相似& 由此 可 以 推 测 超 导 材 料 与 电 缆 在 电 力 吻合& 图 "!光纤与高温超导材料及其产业化发展对比 [ H 4"!] M O PO LR5 N E FM P TM M E RP O 5 3Q FM N5 E@ N DRM O E@DO P EHP 5 RM N!!根据国内外发展态势$ 未来 %# 年之后$ 随着超导 超导电机驱动飞机和高温超导磁成像仪将逐步在上海市 材料的产业化$ 超导电力应用$ 包括超导电缆% 超导变 的各种领域和场所出现& 超导技术最终将给我们的城市 压器% 超导限流器% 超导磁悬浮车% 超导电磁推进器% 带来变革性的影响& 超导带材及其电缆应用技术是国家
& 第 卷 和 地 方 发 展 智 能 电 网 的 迫 切 需 求 根 据 年 月 上 海 市 人 民 政 府 与 国 家 电 网 在 沪 签 署 的 关 于 智 能 电 网 建 设 战 略 合 作 协 议 上 海 市 将 率 先 发 展 智 能 电 网 等 战 略 性 新 兴 产 业 将 重 点 发 展 包 括 高 温 超 导 等 个 方 面 产 业 和 技 术 国 家 电 网 与 上 海 市 人 民 政 府 将 分 别 在 北 京 上 海 进 行 大 长 度 超 导 电 缆 并 网 示 范 项 目 建 设 为 降 低 成 本 和 防 止 国 外 技 术 封 锁 急 需 国 内 有 关 单 位 研 制 出 高 质 量 的 < 高 温 超 导 带 材 并 能 实 现 批 量 化 制 备 进 而 为 将 来 超 导 电 力 工 程 产 业 化 发 展 打 下 坚 实 的 基 础 结 束 语 尽 管 超 导 材 料 种 类 层 出 不 穷 实 用 化 高 温 超 导 材 料 却 难 以 一 蹴 而 就 经 过 近 年 的 发 展 基 于 系 薄 膜 的 第 二 代 高 温 超 导 带 材 逐 步 发 展 成 熟 在 完 成 了 千 米 级 连 续 化 外 延 工 艺 和 性 能 的 优 化 之 后 已 成 为 目 前 液 氮 温 度 超 导 性 能 最 好 的 材 料 处 于 产 业 化 前 夜 为 了 实 现 真 正 意 义 上 的 低 成 本 高 机 械 强 度 和 高 不 可 逆 磁 场 等 优 势 满 足 更 广 范 围 的 应 用 需 求 人 们 正 在 努 力 推 动 第 代 高 温 超 导 带 材 向 低 成 本 稳 定 化 和 规 模 化 方 向 发 展 可 以 预 见 随 着 第 二 代 高 温 超 导 带 材 研 究 技 术 的 进 一 步 成 熟 其 性 能 价 格 比 也 将 大 幅 下 降 最 终 将 会 降 低 到 @?: 接 近 或 低 于, 的 性 价 比 届 时 开 展 各 种 大 规 模 超 导 应 用 将 变 为 可 能 市 场 需 求 和 产 值 也 将 会 出 现 井 喷 的 局 面 正 如 半 导 体 带 来 了 资 讯 时 代 光 纤 带 来 了 传 讯 时 代 高 温 超 导 材 料 将 从 根 本 上 改 变 人 类 的 用 电 方 式 给 电 力 能 源 交 通 以 及 其 它 与 电 磁 有 关 的 科 技 业 带 来 革 命 性 的 发 展 参 考 文 献!" +,#-./-0 蔡 传 兵 8 高 温 超 导 涂 层 导 体 7 双 轴 织 构 技 术 及 其 发 展 状 态 D 8 物 理 学 进 展 ' 8 +,#-0./-0 蔡 传 兵 8! " #$ % &'&!& 高 温 超 导 应 用 研 究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蔡 传 兵 8' " " * () % @ #! $ % & '&!& 上 海 市 第 二 代 高 温 超 导 带 材 及 应 用 发 展 % 战 略 研 究 报 告 8 +#-0+#/ +#-0+#/ / - #-( +-!0 $ 8 日 本 成 功 研 制 无 需 稀 土 强 力 磁 铁 日 本 东 北 大 学 研 究 生 院 等 科 研 机 构 团 体 宣 布 目 前 已 成 功 开 发 出 一 种 无 需 稀 土 即 可 获 得 强 磁 力 磁 铁 的 基 础 技 术 这 种 无 稀 土 磁 铁 的 磁 力 可 与 用 于 混 合 动 力 车 的 发 动 机 和 家 电 的 钕 磁 铁 磁 力 相 匹 敌 预 计 年 前 后 该 技 术 将 走 向 实 用 化 据 悉 这 种 磁 铁 主 要 由 铁 和 氮 物 质 合 成 无 需 从 中 国 进 口 具 有 供 应 风 险 的 钕 等 稀 土 矿 这 将 意 味 着 日 本 先 于 其 它 国 家 首 次 成 功 合 成 强 磁 性 氮 化 铁 强 磁 性 氮 化 铁 在 大 约 年 前 即 被 看 好 由 于 纳 米 合 成 技 术 成 为 可 能 该 研 究 取 得 巨 大 发 展 此 次 研 制 成 功 的 强 磁 性 氮 化 铁 所 需 原 料 由 生 产 磁 性 材 料 的 户 田 工 业 位 于 广 岛 县 提 供 合 成 技 术 则 由 东 北 大 学 研 究 生 院 的 高 桥 研 等 教 授 开 发 据 悉 该 研 究 作 为 独 立 行 政 法 人 新 能 源 产 业 综 合 开 发 机 构 * 的 项 目 将 得 到 丰 田 汽 车 等 的 协 助 今 后 共 同 提 高 强 磁 性 氮 化 铁 的 耐 高 温 性 和 磁 力 的 持 久 性 $ + 4??- 8 / - - 8 -?+!-??? 8 +