1、超导是什么？

2、高温超导的温度很高吗？

3、高温超导线材应用在哪些领域？
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上期我们发布与藤仓合作的最新消息之后，后台陆续收到很多粉丝留言，大家想进一步了解高温超导，我们整理了更加丰富详实的内容分享给大家~


超导、超导体、高温超导体

超导，是物质的电阻在某一低温下变为零的现象，最早于1911年由荷兰科学家昂内斯发现。例如现在常规输电线缆，因为导线有电阻，在输送电力过程中，电能会损失，而使用超导线材做输电导线，这项电能损耗就可以避免，可见超导技术有着巨大的经济前景。

超导具有3个临界值，即临界温度Tc、临界电流Ic和临界磁场Hc。三者之间相互制约并形成临界值曲面，只有当温度、电流和磁场在临界值曲面上或内部时，物质才会进入超导态，拥有零电阻特性。

具有超导特性的物质被称为超导体。最早发现的超导体是金属汞(Hg)，其临界温度约4K，需使用液氦(LHe，温度4.2K /-269°C)冷却。随后，科学家又发现了铅(Pb)、铌(Nb)、铌钛(NbTi)、铌三锡(Nb3Sn)等一系列金属或合金的超导特性。这些金属型的超导体临界温度较低(＜25K)，均需要使用液氦冷却，被称为低温超导体(LTS)。1986年后，人们发现了以钇钡铜氧(YBaCuO)和铋锶钙铜氧(BiSrCaCuO)为代表的氧化铜型超导体，其具有较高的临界温度，可使用液氮(LN2，温度77K / -196°C)冷却实现超导性，因此被称为高温超导体(HTS)。

划重点：此处高温是相对而言，即使叫高温，也需很低的温度！（零下196°C是什么概念，如图，被液氮冷冻过的锁，轻易就被敲断）▼

由于液氮的制备、使用和成本相比于液氦均有显著优势，因此，基于液氮冷却的高温超导体获得了快速发展。

说到这里给大家叨咕一下，近两年概念很火的室温超导。在2020年，一个美国研究团队将碳、氢、硫混合材料加压到267±10GPa（相当于200多万倍标准大气压）时，实现了在约15℃的室温下的超导现象。然而，这虽然打破了低温的限制，却又在另一方面引入了极度苛刻的条件——高压，实现难度更高！

高温超导线材应用领域

在实际应用中，超导体会被制成线材使用。高温超导线材分为铋系的第一代(1G HTS)线材和稀土系的第二代(2G HTS)线材。前者使用银套管法制备，工艺成熟且具有较好的弯曲特性，但需要使用大量的贵金属银，成本较高；后者采用外延法生长超导薄膜制备，工艺较复杂，但银的用量少成本低，且具有更高的载流能力和良好的机械性能，在磁场中特性几乎不变，电流密度高，交流损耗小，是实用的高温超导线材中性能最高，商业化前景最好的材料。

目前，人们在第二代高温超导线材的研究和应用上持续投入大量时间和经费，并将其作为下一代能源、交通和医疗等领域的关键支撑技术。其重点应用包括磁约束受控核聚变、核磁共振成像、超导磁悬浮、超导电机、超导电缆、粒子加速器等。


可控核聚变——人类的终极能源，被誉为“人造太阳”

氘-氚核聚变的能量密度是铀235裂变能的100倍，可从海水中提取，燃料来源广泛，且核反应过程中几乎没有核辐射，核废料也几乎没有放射性，反应好控制，只要断电就可以终止，避免发生核事故。但是影响其实施的难点是：需要维持上亿度的超高温并可控的释放能量。目前解决方案是采用环形真空磁约束装置托卡马克（Tokamk），原理是用环形磁场将超高温等离子体约束其中与外界隔绝，受控发生核聚变释放能量。其中高性能的超导材料可助力其获得更强的磁场，减小装置体积，加速商业核聚变系统开发。

案例

我国的可控热核聚变实验装置“东方超环”(EAST超导托卡马克)的科研人员近期发现了Grassy ELM高性能稳态运行模式的形成机理。有望将这种运行模式应用于未来具有更强磁场的稳态托卡马克核聚变反应堆，解决瞬态热负荷瓶颈问题。



核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI），也称磁共振成像（MRI），采用静磁场和射频磁场使人体组织成像。人体内含量最多的成分是水，MRI则主要依赖其中的氢原子的“自旋共振”来成像，在成像过程中，既不用电离辐射、也不用造影剂就可获得高对比度的清晰图像，能够从人体分子内部反映出人体器官失常和早期病变。

MRI中更高磁场强度能带来更快的扫描速度，更强的稳定性，更好的图像质量。而高温超导线材拥有更高的临界磁场，助力MRI升级。

案例

2020年，藤仓与布鲁克合作，采用其高品质2G HTS线材，成功开发了1.2GHz的核磁共振(NMR)磁体，相当于28.2 T的磁场强度，创造了高分辨率NMR的世界纪录，为化学中的结构解析、质量控制、材料科学和结构生物学提供了强有力的工具。


高温超导电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，可以实现低损耗、高效率、大容量输电。具有以下优势：

✔ 零电阻，传输损耗极低。高温超导电缆的传输损耗仅为传输功率的0.5%，比常规电缆5-8%的损耗要低得多；

✔ 抗磁性，超导电缆周围的磁场始终处于较为稳定的状态，有很强的系统安全性；

✔ 资源消耗低，一公斤超导电缆能完成77公斤普通电缆的传导量，大大节省传统铜材用量。同等传输能力的超导电缆与常规电缆相比，使用金属和绝缘材料更少。

目前高温超导电缆将首先应用于短距离大电流传输电能的场合包括：发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口、电镀厂与发电厂和变电站之间的电力传输、大型或超大型城市内电力传输。

案例

2021年12月22日，世界首条35千伏公里级超导电缆在上海正式投运，这是国内新型电力系统建设领域一项重大核心技术突破。35千伏公里级超导电缆位于上海徐汇商业核心区，项目主体部分于2020年4月开工，电缆联结两座220千伏变电站，总长1.2公里，额定电流2200安培，额定容量133兆伏安，采用全程排管敷设工艺。


高铁作为仍采用轮轨技术的运输工具，车轮与轨道之间的摩擦仍然是提升速度的首要障碍，未来要突破500、600公里，甚至更高的时速。采用高温超导技术的磁悬浮列车是最佳选择。

案例

“高速飞行列车”研究论证，拟通过商业化、市场化模式，将超声速飞行技术与轨道交通技术相结合。高速飞行列车利用低真空环境和超声速外形减小空气阻力，通过磁悬浮减小摩擦阻力，实现超声速运行的运输系统，比传统高铁的运行速度提升10倍，最大速度达到4千公里/小时。在未来，采用真空管道+高温超导磁悬浮技术的新型高铁有望取代传统的轮式高铁，成为人们远途出行的主要选择交通方式。


粒子加速器(Particle Accelerator)全名为“荷电粒子加速器”，是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置，是人为地提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备。

粒子加速器的对撞能量与环的大小及二级磁体场强成线性关系，环的大小一定，磁场越强，对撞能量越高，国内外目前和未来拟建设的高能量加速器，如CERN提议建设的环形对撞机(FCC)，以及我国科学家于2012年提出的超级质子对撞机(SPPC)，均基于高场超导磁体技术，且磁体的性能及成本，直接决定着项目的指标、造价甚至可行性。

案例

欧洲核子研究中心(CERN)建造了世界上最大、能量最高的粒子加速器，大型强子对撞机LHC(Large Hadron Collider)，这是一种将质子加速对撞的高能物理设备，用于探索新的粒子和微观量化粒子的‘新物理’机制。LHC坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深，总长17英里的隧道内。LHC的超导磁体采用NbTi超导材料制造而成，包含1232个二级超导磁体，每个超导磁体长15m，500个四级磁体，8000个轨道矫正磁体，16个超导腔，40对高温超导电流引线，总共使用了1500吨的超导材料。

本期就给大家分享到这里啦，感兴趣的朋友可拨打热线电话咨询：400 829 1996~  下期我们继续分享藤仓超导线材内部结构及制备工艺。