【原】輻導(dǎo)員丨超導(dǎo)技術(shù)的歷史與未來(lái)

大城小E 2022-03-25

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作者介紹：段若晨，上海交通大學(xué)工學(xué)博士，高級(jí)工程師，注冊(cè)電氣工程師，IEEE會(huì)員。多年從事電力研究，專(zhuān)注于超導(dǎo)技術(shù)在能源電氣領(lǐng)域及新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，曾在國(guó)內(nèi)外高水平期刊發(fā)表論文十余篇，申請(qǐng)專(zhuān)利數(shù)十項(xiàng)，主持并參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目。

提到超導(dǎo)，大家可能覺(jué)得既熟悉又陌生。那么什么是超導(dǎo)呢？超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在特定溫度下（一般是低溫），失去電阻特性的現(xiàn)象。1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的H·卡茂林·昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃時(shí)，汞的電阻突然消失；后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與汞相類(lèi)似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡茂林稱(chēng)之為超導(dǎo)態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)使他獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。

超導(dǎo)的另一個(gè)特性是完全抗磁性，大家也許都會(huì)想到那個(gè)疾馳的超導(dǎo)磁懸浮小車(chē)。1933年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R.Ochsebfekd）對(duì)錫單晶球超導(dǎo)體做磁場(chǎng)分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，在小磁場(chǎng)中把金屬冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，體內(nèi)的磁力線一下被排出，磁力線不能穿過(guò)它的體內(nèi)，也就是說(shuō)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，體內(nèi)的磁場(chǎng)恒等于零，這種效應(yīng)被稱(chēng)為“邁斯納效應(yīng)”。

受限于制冷技術(shù)的發(fā)展以及制冷成本，一百多年來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找臨界溫度更高、實(shí)用性更好的超導(dǎo)體材料，如NbTi , Nb₃Sn，MgB₂等。但直到各類(lèi)銅氧復(fù)合材料的發(fā)現(xiàn)，才真正進(jìn)入高溫超導(dǎo)時(shí)代（臨界溫度大于77K），實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)液氮環(huán)境下的超導(dǎo)，如LSCO（鑭鍶銅氧）、BSCCO（鉍鍶鈣銅氧）、YBCO（釔鋇銅氧）、HCBCO（汞鈣鋇銅氧）等。

隨著我國(guó)科學(xué)快速發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)在科學(xué)工程、生命健康、國(guó)防科技、能源電力、交通運(yùn)輸、資源探測(cè)等強(qiáng)、弱電領(lǐng)域均有大量應(yīng)用。

在電力領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬超導(dǎo)電纜（??一圖讀懂上海超導(dǎo)電纜科技亮點(diǎn)）。高溫超導(dǎo)輸電，是當(dāng)前電力行業(yè)最具革命性意義的工程技術(shù)之一。所謂高溫超導(dǎo)，是指在相對(duì)于絕對(duì)零度而言的接近零下200攝氏度的液氮環(huán)境下，利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)特性，使電力傳輸介質(zhì)接近于零電阻，電能傳輸損耗接近于零，從而實(shí)現(xiàn)低電壓等級(jí)的大容量輸電，有效解決城市中心電網(wǎng)發(fā)展的諸多“卡脖子”難題（??我國(guó)首條公里級(jí)高溫超導(dǎo)電纜工程在滬開(kāi)工!）。

2021年12月22日，由國(guó)家電網(wǎng)公司建設(shè)的世界首條35千伏公里級(jí)超導(dǎo)電纜在上海市徐匯中心區(qū)域投運(yùn)（??國(guó)內(nèi)首條35千伏高溫超導(dǎo)電纜試?yán)囼?yàn)成功，將用于上海徐匯），工程項(xiàng)目歷時(shí)五年，是迄今世界上輸送容量最大、距離最長(zhǎng)、接頭數(shù)量最多的全商業(yè)化運(yùn)行超導(dǎo)電纜輸電工程，該示范工程開(kāi)創(chuàng)了公里級(jí)超導(dǎo)電纜在全球城市核心區(qū)域的應(yīng)用先例，解決了大城市電網(wǎng)窄通道大容量的輸電難題，為城市電網(wǎng)的升級(jí)改造提供了新思路、新手段。