高温超导行业产业链、技术应用及前景如何?

高温超导行业产业链、技术应用及前景如何?

最佳答案 匿名用户编辑于2023/12/12 14:25

产业发展进行中。

我国高温超导材料商业化处于初期阶段,全面发展仍需时日。我国在超导材料的研究方面已具备较好的研究基础,但高温超导材料的开发和批量化制备技术尚显薄弱,产业化进程落后于部分发达国家。目前具备实用价值的高温超导材料主要包括铋系(BSCCO)、钇系(YBCO)、二硼化镁(MgB2)超导材料及铁基超导材料等。高温超导行业产业链主要包括上游原材料、中游超导材料(包括线材、带材等)、下游应用产品三个环节:

1)上游原材料行业主要包括各类矿产资源,具体涉及的金属元素诸如铋(Bi)、锶(Sr)、钇(Y)、钡(Ba)、硼(B)等以及镧(La)等稀土元素;2)中游为超导材料加工环节,主要产品包括BSCCO和YBCO等带材、MgB2线材以及铁基超导体等,是高温超导行业的核心;3)下游包括各类超导应用产品,如超导电缆、超导电机、超导限流器、超导变压器、超导滤波器、超导储能等,是超导行业的载体。

高温超导乃至室温超导研究进展一旦取得突破,其应用难度和成本将极大地降低,这对人类文明的影响深远程度或将不亚于半导体材料。由于高温超导的机理目前尚不明晰,因此对高温超导开展深入研究对于理解具有多体相互作用的复杂量子材料、发展最先进的实验技术具有重要意义。高温超导材料下游终端应用涉及诸多与电力电子相关的设备行业,以下将以超导电力技术和超导电子学的应用为核心,对各类下游应用的现状与前景展开讨论:

超导电力技术的应用:随着超导电力技术的发展,高温超导的应用有望大幅降低电力传输能耗,从而对能源节约作出贡献。超导电力技术是利用超导体的特殊物理性质与电力工程相结合而发展起来的一门新技术,其发展与应用能在一定程度上颠覆现代电力的运输形式,其有效地降低了供电与输电过程中的能量损耗。由于超导线的载流能力可以达到100~1000A/mm2(约为普通铜导线或铝导线载流能力的50~500倍),且其直流状态下的传输损耗为零,因此利用超导线制备的电力设备,具有损耗低、效率高、占据空间小等优势;

进入二十一世纪以来,国内外在高温超导材料基础研究和超导电力技术研发方面都有长足进展。我国超导电力技术应用研发总体上处于国际同行的前列水平,并具有自身的特色和优势,目前已有多项试验成果为未来高温超导产业化铺路:

1)2011年,以西北有色金属研究院、东北大学、中科院电下所为主的单位成功制备出国内第一根千米级MgB2长线,建成继美国、意大利之后国际上第三条千米级MgB2超导线材中试线,标志着绕制大口径MgB2超导磁体成为可能;

2)2013年,中国科学院电工研究所研制成的360米、10kA高温超导直流输电电缆于河南中孚实业顺利投入工程示范运行,成为全球范围内传输电流最大的高温超导电缆、首组实现工程示范运行的超导直流电缆;

3)2021年12月,全球首条35千伏公里级超导电缆在沪投运,标志着这一国内新型电力系统建设领域关键技术取得了重大突破,有效解决窄通道大容量输电难题,帮助消除负荷热点地区的供电“卡脖子”现象。随着高温超导研究进展和产业化进程的逐步推进,超导电力技术有望辐射国内更多区域,为社会资源的节约提供有力保障;

目前高温超导电力技术仍处产业化初期,待各项难题逐步攻克后规模化应用指日可待。高温超导电力技术的发展瓶颈主要包括:超导材料较传统材料是否具备较高的性价比,以及低温制冷系统是否具备较高的稳定性。若室温超导体能够得到更多的研发突破和产业化进展,超导电力技术的规模化应用必将成为现实。

超导电子学的应用:超导电子学是研究超导体内超导电子及其与电磁场相互作用的一系列效应的理论、技术,并据以开发新型电子器件和应用的学科。其以超导体的两个基本特性——完全导电性和完全抗磁性为基础,以超导微观理论和约瑟夫森效应为核心。自高温超导于1986年被发现以来,超导电子学应用在最近一、二十年间取得了突破性进展。以量子信息技术为例,其作为当前全球各国战略竞争的焦点之一,无论是在量子计算、通信还是精密测量方面,超导电子学都在当中扮演了重要角色。同时,超导电子学的发展与当代信息技术的发展及超导材料的科研和应用进展相辅相成。目前基于超导电子学的应用领域主要包括超导量子干涉仪、超导微波应用、超导传感器/探测器、超导数字电路、超导电路计量应用技术等;

约瑟夫森效应是超导电子技术的核心,目前基于约瑟夫森结的器件已经成功应用于一系列高灵敏电子仪表和精密测量设备领域:1)超导量子干涉仪(SOUID)是目前最灵敏的用于测量弱磁场磁测量传感器,它可以检测到地磁场十亿到百亿分之一的磁信号,在地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等弱电磁检测领域具备不可替代的优越性,目前涉及的具体应用装置包括脑磁仪、心磁仪、超导全张量磁梯度测量装置等;2)超导微波应用是基于超导体零电阻特性的一种应用。由于在100GHz以下的频段中YBCO的微波表面电阻均比铜小(1GHz的频段时YBCO的微波表面电阻比铜小3~4个量级),因此用超导材料制作的微波谐振器具有非常高的品质因数,其制成的天线、滤波器、谐振腔等无源微波器件具有非常小的微波损耗。随着高温超导材料在多个超导电子学细分应用领域取得了初步的规模化应用,不断探索高温超导的机理和潜在应用方向为领域发展重点,发掘具备更高临界温度的超导体仍将是未来超导材料的发展主线。

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