中日超導技術的發展進度及應用比較

邵虹 成歡

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

隨著人類現代信息化進程的加快，以及對于生產效率及環保理念的更高要求，超導技術應運而生。1911年荷蘭物理學家卡麥林·昂尼斯（Onees）首次發現了超導現象、超電導性，即當溫度降至4.2 K時，水銀的電阻頓時消失，此后，經過多次實驗，水銀溫度進而從最初的4.2 K提高到23.22 K、30 K、53 K、93 K，而93 K的 Tc（臨界溫度）發現在藏量豐富且價格低廉的液氮的沸點77 K之上，由此1986年高溫超導性被發現并取得進展，超導性的應用領域也愈加廣泛，發展潛力也愈加凸顯。

超導技術的應用與發展獲得了多國的關注，世界各國紛紛投入巨資加快研究和開發，特別是20世界 80年代以來，美，日，瑞士等國在采用超導技術方面均有較大成果，如表1所示[1]。

超導技術的應用領域涉及到電力，交通，醫療，科學試驗等方方面面，具有重要的現實意義。由于各國的經濟、科技發展水平的不同，超導技術的應用發展進度間差距較大。我國在發展超導技術方面起步較晚，在上世紀60年代末期才正式開始對超導技術的研究。本文將著重介紹日本及中國在超導技術方面的發展狀況及應用比較，以有助于我國吸取日本超導技術的發展經驗，實現高效環保的應用目標。

1 中日超導技術在交通上的應用比較

日本是發展超導技術并廣泛應用超導技術最早的國家之一。在交通運輸方面，日本和德國是率先將超導技術應用到交通方式的國家。日本的磁懸浮列車便是利用了超導磁體的排斥性，通過列車的超導磁體排斥地上的永久磁體，依靠兩者斥力將車子懸浮起來離開軌道。

表1 各種高溫超導設備在世界上的領先國家

列車的懸浮必須滿足三個條件：有足夠的安全定位信息，設有緊急停車信號和分區控制子系統工作正常，下圖1顯示的是列車懸浮功能模塊結構圖[4]。它的優點就在于車輛在電機牽引下無軌零摩擦前進，時速最高可達500 km/h，操作簡單易行。

圖1 列車懸浮功能模塊結構流程圖

我國在借鑒日本及德國磁懸浮列車的技術經驗基礎上，于2001年研制出常導磁懸浮客車，采用電磁吸力將車輛懸浮，客車與軌道間距離始終保持在8-10 mm之間，輪軌與車體間保持零摩擦。車輛運行時具有平穩舒適、低噪聲等優點。但我國首列具有完全自主知識產權的實用型中低速磁懸浮列車是在2009年5月13日正式在中國北車唐山軌道客車有限公司完成組裝，下線隨即進行列車調試。這也標志著我國已經具備中低速磁懸浮列車產業化的制作能力。上海浦東磁懸浮列車時速可達423km/h，是吉尼斯世界記錄認證的“現今世界最快的陸上交通工具”。

目前，我國已擁有載人高溫超導磁懸浮系統技術，該技術處于國際先進水平，并已經承載兩萬余人，實質上已具有一定的商業價值，開拓了磁懸浮技術上跨越發展的可能性。

2 中日超導技術在線材上的應用比較

日本是首個宣布獲得175 K的超導材料的國家，之后不久，美國、中國、俄羅斯、德國及丹麥等國也相繼有了突破性的研究報告，有的甚至發現了308 K的超導跡象，該溫度已達到常溫的轉變溫度。目前，日本有著100多家研究所在研究新超導材料，其中20%以上是企業的研究所。一些公司已經用陶瓷系列超導材料制成線材。日本許多研究機構和企業也紛紛行動起來。研究熱潮甚至影響了國際稀土市場，制作超導材料的一等稀土元素在國際市場上空前緊俏，一場超導技術在各個領域應用的激烈競爭正在各國展開。

我國是稀土資源豐富的國家之一，成礦條件優越，甚至可以說是得天獨厚，探明的儲藏量位居世界之首，在發展超導線材應用上占有一定優勢。幾乎所有的電動機械（從尖端軍事機械到普通家用電器）都離不開稀土元素制成的磁材料。然而，近年來隨著中國大量出口稀土，中國已經成為世界最大的稀土生產、出口國，滿足了世界30%的稀土資源需求。據報道稱，中國大量且廉價出售稀土使得日本等國趁機收購并儲存了足量稀土，數量夠用幾十年。業內人士甚至估計說，日本儲存的稀土資源甚至已夠用四五十年。因此，中國在加強管理稀土資源出口的同時，應積極利用稀土資源為我國的超導材料發展和工業上應用做出貢獻。

超導材料具有極其優越的物理特性：一是零電阻效應，二是約瑟夫遜效應，三是邁斯納效應。特別是在軍事領域的應用，專家預計會更為廣泛。采用超導材料，可使許多重要的軍用裝備如艦艇，飛機，裝甲車，導彈，聚能武器等的性能得到大幅度的改善。1992年，世界第一艘超導艦船在日本研制成功，時速高達180 km，如果超導船應用化，就可導致整個海運發生重大變化[3]。

目前，世界上高溫超導材料形成了YBCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO等四類，其轉變溫度分別是 95 K、110 K、125 K和135 K。日本住友公司SEI是世界上首先提出發展BSCCO導線的公司之一，并用試驗證實了高溫超導材料在許多方面比低溫超導材料更具優越性和穩定性。這影響到其他國家也紛紛以發展高溫超導應用研究為主要方向。

2001-2003年，中國著力提高高溫超導線材技術，并生產出世界首條年產能力兩百公里的鉍系高溫超導線材，其各項指標均位于世界首列，這也標志著中國高溫超導線材產業化水平邁進世界先進行列，對增強我國國防裝備現代化水平具有里程碑式的意義。而在2000年以前，鉍系高溫超導線材工業化及實用化技術僅被美國、日本、德國等少數國家掌握。

3 中日超導技術在能源電力系統上的應用比較

在我國“八五”、“九五”規劃中就有這么一條：“發展我國超導科學技術，促進我國超導產業形成”，在高科技發展日新月異的津貼，這項計劃具有重要意義。我國提出了分兩步走的戰略目標：第一步是實現高溫超導實用化的戰略目標，即在超導磁體和超導電子學上爭取早日形成生產力。第二步是逼近高溫超導體實用化的戰略目標，積極地為實現這些戰略目標而創造條件。

可以預見，以高溫超導、磁流體發電的新技術將以空前的廣度和深度影響現有的工業局面和人們的日常生活。我國未來超導技術的發展重點之一在于發展安全可靠的高效超導電力系統：包括超導儲能系統、超導限流器、超導電纜、超導變壓器、超導電機和基于超導技術和現代電力電子技術與控制技術而產生的靈活功率變換和調節技術，基于超導電力技術對傳統電網進行改造的相關技術的研究開發。

1965年，中國科學院物理研究所與武漢船用電力推進裝置研究所合作設計研制出一臺20 kW超導電機，其轉子線圈采用了我國寶雞有色金屬加工研究所研制的單芯NbTi超導線繞制。這是我國研制的第一個超導磁體[2]。盡管超導發電技術的優點很多，例如效率高，占用空間小等，但由于其建設周期大，技術難關多，投資大，使得許多本感興趣發展該技術的國家逐漸放棄了對其的前沿開發計劃。僅日本表示出堅定決心，并通過自身強大的經濟與技術實力，經過十幾年的傾心研究，終于取得成果，將兩臺70 MW級的超導發電機并入700 kV的輸電系統，測試運行顯示此次并網成功創造了超導發電機單機容量最大、效率最高和連續運行時間長的世界記錄。

超導電纜具有零電阻特性，幾乎可無損耗地輸送電能。使用高溫超導電纜比使用常規電線的總成本要低15%，它從本質上克服及解決了常規電纜線的缺點、問題，如輸電過程中的損耗大，容量小，環保效果差，建設成本高等。2004年3月，云南昆明普吉變電站完成三相交流33.5 m/35 kV/2 kA。超導電纜系統的現場安裝及掛網試運行成功標志著繼美國、丹麥之后，我國成為世界上第三個將超導電纜投入電網運行的國家。

4 結論

日本、美國等國家關于超導產品的市場估計，均把我國作為重要市場之一。我國能否抓住超導技術發展提供的歷史性的機會，爭取在這一新興高技術產業中占有一席之地，是我國超導技術發展面臨的一個重要問題。同時，超導技術的應用層面愈來愈廣泛，超導技術在醫學、移動通訊等行業在我國也均有不同程度的發展，相信在不久的將來，中國的超導技術會更加實用化及產業化，與世界其他超導強國并駕齊驅。

[1]徐乃英. 超導技術的發展及其應用. 電線電纜, 2000,(2): 5.

[2]林良真. 我國超導技術研究進展及展望. 電工技術學報, 2005, 20(1): 2.

[3]厲愛玲. 超導技術應用綜述. 山東水利專科學校學報, 1994-5.

[4]徐家鎮, 徐洪澤. 磁懸浮列車運行控制系統仿真環境研究. 微型機與應用, 2005, (12): 3.