浅析超导的发展历史

浅析超导的发展历史、特性及其应用前景

广东北江中学 白超 陈昌俊 指导老师 ＋胡元天

人民网昆明2004年7月10日电记者陈娟报道：今天上午，我国第一组超导电缆系统正式并网仪式在云南省昆明普吉变电站举行，这标志着继美国、丹麦之后，我国成为世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家，从长远上也将对解决我国“西电东送”等

长距离大容量输电问题起到积极作用。

该超导电缆系统为户外分相交流电力电缆，是应用国产超导线材研制而成的，于2004年4月19日在昆明普吉变电站投入试运行。试运行两个多月以来，该组三相交流33.5米35K V/2K A的超导电缆系统，经受了多种气象条件的考验，运行状态良好，其部分性能指标优于目前已经并网运行的美国和丹麦的高温超导电缆。目前，昆明市西北地区的几万户居民和多个工业企业开始用上了通过超导电缆传输的电力。

使用超导电缆传输电力，运行总损耗仅为常规电缆的５０％至６０％，显示出明显的经济效益，由于超导电缆传输电力的能力是传统常规电缆的３至５倍，所以使用超导电缆还可以节约输电系统的占地面积和空间，节省大量宝贵的土地资源。超导电缆有如此多的好处，但“超导”究竟是什么呢？

二十世纪重大发现之一

1911年，荷兰莱顿大学的卡麦林·昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性。1913年他在一篇论文中首次以“超导电性”一词来表达这一现象。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质：如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性，又被称为“迈斯纳效应”。“迈斯纳效应”有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超导性。

超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。

超导电性的本质究竟是什么。一开始人们便从实验和理论两个方面进行探索。不少著名科学家为此负出了巨大努力。然而直到“B C S”理论的提出才获得了突破性的进展，“B C S”理论的提出标志着超导电性理论现代阶段的开始。“B C S”理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论。这一理论的核心是计算出导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态，即存在“电子对”。

1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫森根据“B C S”理论预言，在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道效应）；同时还产生一些特殊的现象，如电流通过薄绝缘层无需加电压，倘若加电压，电流反而停止而产生高频振荡。这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”。这一效应

在美国的贝尔实验室得到证实。“约瑟夫森效应”有力的支持了“B C S理论”。因此。巴丁、库珀、施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖。约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖。

超导体的研究60年代以来，重心逐渐转向对超导新材料的开发方面。开发高临界温度的超导体材料将能为超导体的大规模应用创造条件。

奇异的高温超导材料——超导陶瓷

使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。经过科学家们数十年的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。

1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年。1986年，设在瑞士苏黎士的美国I B M公司的研究中心报道了一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。

1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！

高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

发展现状

高温超导电缆技术的发展已有10多年的历史，出于对市场规模的考虑和技术上实现的可能性，近年来各国均把高温超导电缆技术开发列为首选项目或主要项目，如美国、日本、丹麦、德国、韩国、意大利、法国等积极进行高温超导电缆的研究和开发。

美国的高温超导电缆的研究开发工作一直走在世界前列，研制成功世界第一组高温超导电缆。目前，美国有三个新的更大规模的高温超导电缆工程正在进行。2001年5月28日，丹麦N K T公司宣布，其30米长，30k V/2k A热绝缘结构实用化高温超导电缆顺利实现挂网运行。德国S i e m e n s公司技术部和能源输送部合作，于1996年3月开始试制第一个10米电缆样品，之后研制了多个超导电缆样品。日本在政府新能源机构的协调下，有多家大公司、院校和科研院所从事高温超导电缆的开发研制，现在工作主要集中在低损耗H T S线材及电缆结构，低温电气绝缘、热绝缘、制冷系统、终端和接头技术等方面。2002年住友电气和东京电力公司合作完成了一组100米，3相，66k V/1k A,三芯平行轴电缆系统并在东京电力实验场完成了测试。韩国政府于2001年制定了预算为两亿美元的高温超导技术10年发展规划，从超导带材到超导电缆系统开展大规模研究，并计划在2003年完成22.9k V/50M V A,30米H T S电缆系统；2006年完成154k V/500M V A,100米H T S电缆系统。

广阔的超导应用

高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。超导材料最诱人的应用是大电流应用，即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

超导发电机　在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。

磁流体发电机　磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。

超导输电线路　超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

超导开关　超导开关可以分为电阻开关和电感开关。电阻开关是利用超导体以下性能：若改变磁场、电流和温度三个参量的任一个，就可以使它从零电阻态转变到有阻状态。例如，用冷子管作开关，就是利用一个完全超导的控制元件所产生的磁场，通过使门元件发生超导---正常转变来控制门元件的电阻而制成。这种开关的低电阻态为零，高电阻态典型的是毫欧姆数量级，所以，开关比是无限大。电感开关的原理是：不是像线圈、线等电路元件的电感，可用来将靠近它的超导体作正常态和超导态之间的转变，或移动电路元件附近的超导表面，使它发生相同转变，制成开关。由于超导体的特殊性能，超导开关的开关速度可达纳秒。

　超导计算机　高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。

超导磁悬浮列车　利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。

核聚变反应堆“磁封闭体”　核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿℃，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。

以上在能源、高精度仪器等方面介绍超导技术的应用，许多介绍是从当今世界上最前沿的研究领域中引入的，例如聚能武器、超导列车及超导计算机是各国积极准备开发的产品，它们的应用所需要（有的需相当长的时间）的时间是待

定的，还要人们的艰苦的工作。

发展趋势

近年来,世界各国掀起了开发超导电缆的热潮。2002年美国能源部启动7个超导应用技术项目，其中有2个千米级水平的高温超导电缆项目，总投资1.17亿美元，2004年底完成；2002年丹麦政府启动一个400米高温超导电缆项目，预计2004底完成；2002年韩国政府启动一个30米高温超导电缆项目，2004年底完成。

现阶段，高温超导技术在国外多应用于电力方面的超导电缆、超导电机、超导变压器、飞轮储能、限流器，美国、丹麦、德国、日本、中国、法国等国家正在研发高温超导电缆实用化技术。

世界各国普遍认为，发展高温超导技术是21世纪国际高技术竞争中保持尖端优势的关键所在，目前，各国政府和相关部门已经或正在积极推进高温超导电缆的产业化、实用化工作。下一步将研制出具有更高转变温度、更低价格的新一代超导材料，推动超导技术全面发展。我们认为，在2004年后超导产业将进入高速增长时期。

体会

在研究本课题的日子里，我们苦在其中，乐在其中，得在其中。我们学会了很多体验了自主研究的学习，对独立制订方案有所了解，对问题的分析处理能力，对资料的分析处理能力和撰写论文的能力得到了锻炼和提高。在我们协同合作下，终于能完成此次研究。我们经过自己的努力，了解了未知的问题，还能帮助别人了解这些问题，这个过程是最真实最重要得经历。