調研報告

1、調研報告：高溫超導技術與可持續(xù)發(fā)展張文略PB09203013摘要摘要能源技術的突破是21人類實現可持續(xù)發(fā)展的重要基石，高溫超導技術的誕生對人類能源體現中起到中樞作用的輸電網絡將帶來革命性的改變。本文介紹了超導技術的由來，發(fā)展和前沿領域的研究，以及在能源領域及其廣闊的應用前景。關鍵詞關鍵詞高溫超導能源電網輸送損耗超導材料超導機制應用背景背景能源是人類生存發(fā)展的重要物質基礎。20世紀后半葉，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世紀的來臨，兩個有關能源的突出問題出現在人們的面前。一是石油資源逐漸枯竭，能源的構成即將發(fā)生變化；二是大量使用化學能源對環(huán)境造成污染。除此以外，在當前世界各國以發(fā)電廠和電網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產生驚人的損耗，通常達到5%8%的損耗率。在目前普遍采用的高壓輸電技術，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體，用它制成的高溫超導輸電線所能傳輸的電能是普通銅質線材的3到5倍。即使算上用于超導材料冷卻的消耗，采用高溫超導線材的輸電網的損耗也要遠小于普通的架空輸電線和電纜。如果用超導線材替代傳統變壓器繞組中的銅導線，還可以進一步降低網損。以一個100兆瓦變壓器為例，超導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，超導電線也能大大提升傳輸功率。鑒于高溫超導技術在

4、能源領域廣闊的應用前景，我下面就對超導技術的原理，當前研究前沿的進展以及面臨的困難做一個論述。什么是超導什么是超導超導材料是在一定溫度下沒有電阻的導體。在物理學和材料科學的發(fā)展進程中，無數頂尖科學家傾力于超導材料研究，超導材料臨界溫度的不斷提高凝聚了無數科學家的心血，高溫超導材料研究仍是科學家一直關注的前沿領域。超導的發(fā)現超導的發(fā)現超導電性是昂尼斯（Onnes）早期研究水銀（Hg）的電阻與溫度的關系是發(fā)現的。因為水銀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。當溫度大約為4.4K時，電阻突然下降至一個小的不能測量的數值，這種電阻突然消失的現象稱為超導電性。出現這種特性時的溫度稱為轉變溫度或稱為臨界溫度。一般用符號Tc表示.。昂尼斯和其他許多科學家后來又發(fā)現了28種超導元素和8000多種超導化合物。但出現超導現象時的溫度大都接近絕對零度(273℃)。這些超導材料沒有太大的實用可能性和經濟價值。然而，從那時起，科學家一直不斷嘗試提高超導材料的臨界溫度。直到19

6、73年，英美科學家發(fā)現了超導合金———鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，才使超導材料研究走上了快速路，這個紀錄保持了13年。幾十年來，已發(fā)現許多純金屬，合金和化合物均能在某一溫度下出現這種超導現象，上圖2是我們在本組大學物理5級實驗實測的溫度電阻轉變曲線，利用的冷卻物質就是普通的液氮。目前氧化物高溫超導材料類型比較多，最常見的是Y系，Bi系，Hg系和La系等系列。當然其超導臨界溫度Tc也不同，Y系超導材料的超導臨界溫度Tc一般在90

7、K附近，Bi系最高可達110K以上，La系一般Tc較低，約40K附近，而Hg最高，約為140K附近。超導材料在溫度達到或低于其臨界溫度時，由于其存在的超導態(tài)到正常態(tài)度的相變過程，在這個相變過程中許多物理量都會出現一個比較大的改變，如電阻磁化率，熱電勢，比熱，熱導等等，所以測量其臨界溫度的方法也比較多，但最常用也時最簡單的方法時測量其電阻，也就是在超導轉變的過程中電阻有一個很大的變化，即電阻有一個從無到有的變化。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時候沒有任何電阻后，設計了一類材料，這些材料有望在大大高于室溫的條件下也具有超導性。這意味著，未來的高溫超導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性的原因，但物理學家科學地解釋了“常規(guī)”低溫超導材料的工作原理。其奧秘就在于在接近絕對零度的低溫條件下，超導材料內部電子的活動情況。當電子處于自由空間時它們之間相互排斥，而在超導材料內部的電

9、子則成對地束縛在一起。這些電子對的活動具有趨于一致性的特點，它們在超導材料內部集體游動時(swimcollectively)沒有遇到障礙。因此，它們不會損失任何能量，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，這種材料在40K時具有超導性。與其他高溫超導材料相比，這種臨界溫度本身并不令人吃驚。但對常規(guī)超導材料來說，該材料的臨界溫度之高令人難以想象，可以說開辟了

10、尋找高溫超導材料的新途徑。進一步的深入研究表明，混合材料中的氧化鎂發(fā)揮了關鍵作用。在上述研究成果發(fā)表的兩個月之內，很多科學家都利用氧化鎂進行超導研究，相繼發(fā)表了50篇研究論文。中國科技大學陳仙輝領導的科研小組報告，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)時也變成超導體。該文章發(fā)表在國際頂尖學術刊物《nature》上。這標志著我校在超導研究方面走在世界前列。超導的應用超導的應用20世紀90年代后期以來，高溫超導材

11、料在應用方面取得了長足進步，直接促進了應用技術的發(fā)展。高溫超導的許多應用可以簡單地看成是低溫超導應用的不同比例放大，但要求有很高的可控溫度。從超導體特性來看，高溫超導材料的應用正朝著大電流(強電)、電子學(弱電)和抗磁性等三個方向發(fā)展。超導在強電方面的應用主要有：超導發(fā)電機、超導傳輸線、超導儲能等應用。所謂超導發(fā)電機是指常規(guī)發(fā)電機的勵磁繞組導線采用超導體，或勵磁繞組與電樞繞組均采用超導體的發(fā)電機，后者又叫做全超導發(fā)電機。現各國研制的超導

12、發(fā)電機大多數是前者。超導同步發(fā)電機的超導勵磁能產生極強的氣隙磁場，使得在超導電機的定、轉子繞組磁路中不需要、也不能夠設置鐵磁體磁路。超導同步發(fā)電機的轉子為中空深冷、多層非鐵磁體圓筒式結構，沒有定子鐵心。與傳統發(fā)電機相比，它不僅能增加發(fā)電效率、而且能減少尺寸和保證質量，改善電力系統穩(wěn)定性。超導技術與電力技術的結合將給電力行業(yè)的發(fā)、輸、配電帶來革命性的改變，電力行業(yè)是超導產業(yè)最重要的應用場所與市場。高溫超導電纜是采用無阻的、能傳輸高電流密度