超導技術 漸行漸近

蘇更林

超導被譽為是物理學中的一顆“明珠”，吸引了無數科學家為之不懈探索。然而，超導態產生需要相當低的臨界溫度，所以很難被投入到實際應用。從20世紀80年代開始，高溫超導材料相繼問世，超導臨界溫度也不斷提高。中國科學家在鐵基高溫超導領域的研究，已經走在世界超導技術研究的最前沿，特別是中國研制成功的世界上首根百米級鐵基超導長線，加快了超導走進實際生活的步伐。面對漸行漸近的超導技術，有多少美好的愿景值得我們期待呢？

超導輸電——打造“無損能源通道”

當今社會，電力的重要性已不容置疑。然而，遠距離輸電電力損耗大得驚人。數據顯示，我國輸配電損耗占到全國發電量的6.6%左右，其中大部分為輸配電線的電阻損失。發展超導輸電技術無疑是解決大容量輸配電損耗困局的一個潛在途徑。

超導輸電技術是利用高密度載流能力的超導材料發展起來的新型輸電技術，超導輸電電纜主要由超導材料、絕緣材料和維持超導狀態的低溫容器構成。超導材料的載流能力可以達到100～1000安/平方毫米，大約是普通銅或鋁等材料的50～500倍。超導電纜輸電的損耗幾乎為零，交流輸電時存在一定的交流損耗，輸電總損耗可以降到常規電纜的25%～50%。

目前超導電纜輸電技術研究已經取得重要進展。超導輸電的輸送容量遠遠超過傳統的架空輸電線路和充油電纜輸電線路，也大于充氣輸電管道和低溫低阻電纜輸電。科學家測算，如果在發電、輸電、配電等環節都采用超導電力技術，那么電能資源總效率將提高大約5%左右。目前，我國的電能還主要來源于燃煤發電。超導電纜輸電不僅能夠降低電網的損耗，而且還能降低污染物的排放量，因此其應用前景十分看好。同時，采用超導輸電還可以簡化發電機、變壓器和電動機等的熱絕緣，并保證輸電的穩定性和安全性。

超導磁體——身手不凡的“魔塊”

超導技術一個很重要的途徑就是用超導材料制作磁性極強的超導磁體。超導磁體實際上就是一個閉合的超導線圈，采用超導線材或者帶材繞制而成。當給超導線圈通上電流之后，可以維持較強的穩恒磁場。超導磁體相較普通的磁體具有體積小、穩定度高、耗能少等多種優勢。

在核聚變能的研究中，超導磁體是托卡馬克裝置的關鍵核心。粒子加速器的進步在一定程度上也依賴于超導磁體的水平。從北京正負電子對撞機到歐洲大型強子加速器，其加速磁體和探測器都采用了超導磁體。粒子加速器的超導磁體，可以增強粒子的偏轉和集束能力，從而大大縮短加速器通道的長度。

將超導磁體應用于發電機而制成的超導發電機，單機發電容量可以比常規發電機提高5～10倍，而整機重量和體積卻分別減少1/3和1/2，整機發電效率提高50%左右。軍用艦艇和飛機使用超導發電機，可以提高它們的戰斗力。

超導磁懸浮列車是超導磁體應用的又一個典型案例。與常導磁懸浮技術相比，超導磁懸浮列車將更為高速、穩定和安全。由于超導磁體可以通過很大的電流，因此產生的磁場要比常規磁體更大。同時，由于超導磁體幾乎沒有電阻，因此一次通入電流勵磁之后撤掉電源，只需維持其低溫工作環境以保證其不失超即可。這樣一來，超導磁體重量輕、體積小、能耗低、效率高的優勢就表現出來了。

超導儲能——沒有損耗的“儲能容器”

超導儲能是建立在超導技術基礎之上的一種先進的儲能方式，具有很好的發展前景。超導儲能可以把能量儲存于超導線圈的磁場當中，從而通過電磁之間的相互轉換來實現儲能裝置的充電和放電。因此，超導儲能在功率輸送時不需要進行能源形式的轉換，具有響應速度快、轉換效率高、比容量大等特點。

超導儲能的基本工作過程簡單來說就是把一個超導體圓環置于一個特定的磁場當中，然后把其溫度降至超導體圓環材料的臨界溫度以下。當把電網中的多余電能儲存在這個超導體圓環之中的時候，即便是撤去磁場，圓環中仍會有感生電流產生。因此，只要溫度保持在臨界溫度以下，電流就會不斷地持續下去。可以持續多久呢？有資料顯示，這種電流的衰減時間不低于10萬年。不過，持續維持線圈處于超導狀態所需的低溫，代價卻不小，這就限制了超導儲能技術的應用。超導儲能技術未來的普及還有賴于高溫超導材料的開發。

超導限流——不會斷電的“保險絲”

短路電流是困擾電力系統的難題之一，在大容量電力系統中，短路電流有時可達數萬安培，因此會對電力系統的正常運行造成嚴重的影響。高溫超導限流器可以快速、平穩、有效地限制輸電線路的短路電流，從而解決輸電網安全穩定運行的關鍵技術難題。

高溫超導限流器通過超導態與正常態的轉變特性來限制電力系統中的短路電流。超導體的優勢之一在于它的零電阻特性，因此用它輸電可減少電能的損失；超導體的優勢之二是具有超導態-正常態轉換特性，高溫超導限流器就利用了這樣一個特性，即在從無阻態（超導態）向電阻態（正常態）的轉變中達到限流的目的。

我國科學家研制的高溫超導限流器，并入電網運行已取得滿意的效果，標志著我國成為繼瑞士、德國、美國之后的第4個擁有該技術的國家。高溫超導限流器相當于給電網裝上不用斷電的“保險絲”。

超導計算機——更快、更穩、更節能

超導的魔力是不可估量的，超導計算機就是孕育在“超導大樹”上的一個“胚芽”。

基于半導體技術開發的電子計算機，唱主角的是硅集成電路。隨著集成電路集成度的提高，進一步提高計算機的性能和速度已經遭遇到“瓶頸”。要進一步提高計算機的運行速度，必然會造成芯片的發熱，而這些熱量又對集成電路產生不良的影響，甚至還會使芯片發生損壞。如果用超導材料作為未來電子計算機的構成元件，那么發熱問題自然就迎刃而解了，速度的提升也就是順理成章的事了。

英國物理學家約瑟夫遜曾因發現“約瑟夫遜效應”而獲得1973年諾貝爾物理學獎，他的發現開啟了超導應用的新境界。如果利用超導材料先制成超導開關器件和超導存儲器，那么就可以再利用這些器件來制造超導計算機。我們知道，在特定的溫度條件下，超導體的電阻會消失為零，因此超導器件是零能耗的，這就意味著人們不用再為CPU溫度過高發愁了。

未來的超導計算機的運行速度可達到每秒幾十億次，而電力消耗也只是傳統電子計算機的千分之一。超導計算機不僅具有卓越的運算速度和節能品質，而且還能夠讓我們獲得性能穩定、圖像清晰的新體驗。不過，關于超導計算機的研究還處于初步階段，真正的商業化應用還將得益于常溫超導材料的進一步突破。

超導醫學——更清、更準、更實用

從超導的應用領域來看，生物科學和臨床醫學將是吸納超導科技成果的重要領域。目前在臨床醫學中廣泛采用的超導核磁共振層析成像儀，大都采用超導磁體技術。其中的超導磁體可以在一個較大的空間內產生一個均勻的強磁場，從而使其具有體積小、功耗低、分辨率高等特點。

在生物體內，某些元素的自然含量往往很低，要獲得非常清晰的共振譜信號，必須提高背景磁場的強度。科學家把超導磁體應用于核磁共振原理，開發出來的超導核磁共振層析成像儀，為圖像清晰度的提高創造了條件，可對人體內部的結構進行精細的分析，據此判斷人體組織是否發生病變。

隨著超導技術向醫學領域的滲透，一系列新型高精度測量儀器不斷面世。利用“約瑟夫遜效應”制成的高靈敏度磁強計，可以精確測量人體的心臟跳動和人腦內部的磁場變化。科學家發明的射頻超導量子干涉器，具有更高的靈敏度，能夠排除地磁的影響，因此是測量人體磁圖的理想儀器。利用射頻超導量子干涉器可以測量出心、腦、眼等部位的磁圖，從而指示出人體心、腦、眼等部位的生理和病理狀態。

超導技術在生物醫學領域的廣泛應用，還進一步拓展了科學家的思路。有科學家提出利用超導技術治療癌癥的設想，其基本思路就是阻斷局部癌變組織的營養供應，從而最終達到根治癌癥的目的。為了實現這個目標，可以把超導磁體作為一個工具，來誘導一種特殊的“鐵劑”在人體血液內進行流動，并準確地移動至癌變部位。然后阻塞癌變部位周圍的血管，使腫瘤組織壞死，從而達到治療的目的。由于超導磁體在人體的表面，并可以通過控制電流的方法來控制磁場的大小，同時超導磁體中沒有熱量的產生，對人體沒有危害。

【責任編輯】龐 云