超导技术 渐行渐近

苏更林

超导被誉为是物理学中的一颗“明珠”，吸引了无数科学家为之不懈探索。然而，超导态产生需要相当低的临界温度，所以很难被投入到实际应用。从20世纪80年代开始，高温超导材料相继问世，超导临界温度也不断提高。中国科学家在铁基高温超导领域的研究，已经走在世界超导技术研究的最前沿，特别是中国研制成功的世界上首根百米级铁基超导长线，加快了超导走进实际生活的步伐。面对渐行渐近的超导技术，有多少美好的愿景值得我们期待呢？

超导输电——打造“无损能源通道”

当今社会，电力的重要性已不容置疑。然而，远距离输电电力损耗大得惊人。数据显示，我国输配电损耗占到全国发电量的6.6%左右，其中大部分为输配电线的电阻损失。发展超导输电技术无疑是解决大容量输配电损耗困局的一个潜在途径。

超导输电技术是利用高密度载流能力的超导材料发展起来的新型输电技术，超导输电电缆主要由超导材料、绝缘材料和维持超导状态的低温容器构成。超导材料的载流能力可以达到100～1000安/平方毫米，大约是普通铜或铝等材料的50～500倍。超导电缆输电的损耗几乎为零，交流输电时存在一定的交流损耗，输电总损耗可以降到常规电缆的25%～50%。

目前超导电缆输电技术研究已经取得重要进展。超导输电的输送容量远远超过传统的架空输电线路和充油电缆输电线路，也大于充气输电管道和低温低阻电缆输电。科学家测算，如果在发电、输电、配电等环节都采用超导电力技术，那么电能资源总效率将提高大约5%左右。目前，我国的电能还主要来源于燃煤发电。超导电缆输电不仅能够降低电网的损耗，而且还能降低污染物的排放量，因此其应用前景十分看好。同时，采用超导输电还可以简化发电机、变压器和电动机等的热绝缘，并保证输电的稳定性和安全性。

超导磁体——身手不凡的“魔块”

超导技术一个很重要的途径就是用超导材料制作磁性极强的超导磁体。超导磁体实际上就是一个闭合的超导线圈，采用超导线材或者带材绕制而成。当给超导线圈通上电流之后，可以维持较强的稳恒磁场。超导磁体相较普通的磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势。

在核聚变能的研究中，超导磁体是托卡马克装置的关键核心。粒子加速器的进步在一定程度上也依赖于超导磁体的水平。从北京正负电子对撞机到欧洲大型强子加速器，其加速磁体和探测器都采用了超导磁体。粒子加速器的超导磁体，可以增强粒子的偏转和集束能力，从而大大缩短加速器通道的长度。

将超导磁体应用于发电机而制成的超导发电机，单机发电容量可以比常规发电机提高5～10倍，而整机重量和体积却分别减少1/3和1/2，整机发电效率提高50%左右。军用舰艇和飞机使用超导发电机，可以提高它们的战斗力。

超导磁悬浮列车是超导磁体应用的又一个典型案例。与常导磁悬浮技术相比，超导磁悬浮列车将更为高速、稳定和安全。由于超导磁体可以通过很大的电流，因此产生的磁场要比常规磁体更大。同时，由于超导磁体几乎没有电阻，因此一次通入电流励磁之后撤掉电源，只需维持其低温工作环境以保证其不失超即可。这样一来，超导磁体重量轻、体积小、能耗低、效率高的优势就表现出来了。

超导储能——没有损耗的“储能容器”

超导储能是建立在超导技术基础之上的一种先进的储能方式，具有很好的发展前景。超导储能可以把能量储存于超导线圈的磁场当中，从而通过电磁之间的相互转换来实现储能装置的充电和放电。因此，超导储能在功率输送时不需要进行能源形式的转换，具有响应速度快、转换效率高、比容量大等特点。

超导储能的基本工作过程简单来说就是把一个超导体圆环置于一个特定的磁场当中，然后把其温度降至超导体圆环材料的临界温度以下。当把电网中的多余电能储存在这个超导体圆环之中的时候，即便是撤去磁场，圆环中仍会有感生电流产生。因此，只要温度保持在临界温度以下，电流就会不断地持续下去。可以持續多久呢？有资料显示，这种电流的衰减时间不低于10万年。不过，持续维持线圈处于超导状态所需的低温，代价却不小，这就限制了超导储能技术的应用。超导储能技术未来的普及还有赖于高温超导材料的开发。

超导限流——不会断电的“保险丝”

短路电流是困扰电力系统的难题之一，在大容量电力系统中，短路电流有时可达数万安培，因此会对电力系统的正常运行造成严重的影响。高温超导限流器可以快速、平稳、有效地限制输电线路的短路电流，从而解决输电网安全稳定运行的关键技术难题。

高温超导限流器通过超导态与正常态的转变特性来限制电力系统中的短路电流。超导体的优势之一在于它的零电阻特性，因此用它输电可减少电能的损失；超导体的优势之二是具有超导态-正常态转换特性，高温超导限流器就利用了这样一个特性，即在从无阻态（超导态）向电阻态（正常态）的转变中达到限流的目的。

我国科学家研制的高温超导限流器，并入电网运行已取得满意的效果，标志着我国成为继瑞士、德国、美国之后的第4个拥有该技术的国家。高温超导限流器相当于给电网装上不用断电的“保险丝”。

超导计算机——更快、更稳、更节能

超导的魔力是不可估量的，超导计算机就是孕育在“超导大树”上的一个“胚芽”。

基于半导体技术开发的电子计算机，唱主角的是硅集成电路。随着集成电路集成度的提高，进一步提高计算机的性能和速度已经遭遇到“瓶颈”。要进一步提高计算机的运行速度，必然会造成芯片的发热，而这些热量又对集成电路产生不良的影响，甚至还会使芯片发生损坏。如果用超导材料作为未来电子计算机的构成元件，那么发热问题自然就迎刃而解了，速度的提升也就是顺理成章的事了。

英国物理学家约瑟夫逊曾因发现“约瑟夫逊效应”而获得1973年诺贝尔物理学奖，他的发现开启了超导应用的新境界。如果利用超导材料先制成超导开关器件和超导存储器，那么就可以再利用这些器件来制造超导计算机。我们知道，在特定的温度条件下，超导体的电阻会消失为零，因此超导器件是零能耗的，这就意味着人们不用再为CPU温度过高发愁了。

未来的超导计算机的运行速度可达到每秒几十亿次，而电力消耗也只是传统电子计算机的千分之一。超导计算机不仅具有卓越的运算速度和节能品质，而且还能够让我们获得性能稳定、图像清晰的新体验。不过，关于超导计算机的研究还处于初步阶段，真正的商业化应用还将得益于常温超导材料的进一步突破。

超导医学——更清、更准、更实用

从超导的应用领域来看，生物科学和临床医学将是吸纳超导科技成果的重要领域。目前在临床医学中广泛采用的超导核磁共振层析成像仪，大都采用超导磁体技术。其中的超导磁体可以在一个较大的空间内产生一个均匀的强磁场，从而使其具有体积小、功耗低、分辨率高等特点。

在生物体内，某些元素的自然含量往往很低，要获得非常清晰的共振谱信号，必须提高背景磁场的强度。科学家把超导磁体应用于核磁共振原理，开发出来的超导核磁共振层析成像仪，为图像清晰度的提高创造了条件，可对人体内部的结构进行精细的分析，据此判断人体组织是否发生病变。

随着超导技术向医学领域的渗透，一系列新型高精度测量仪器不断面世。利用“约瑟夫逊效应”制成的高灵敏度磁强计，可以精确测量人体的心脏跳动和人脑内部的磁场变化。科学家发明的射频超导量子干涉器，具有更高的灵敏度，能够排除地磁的影响，因此是测量人体磁图的理想仪器。利用射频超导量子干涉器可以测量出心、脑、眼等部位的磁图，从而指示出人体心、脑、眼等部位的生理和病理状态。

超导技术在生物医学领域的广泛应用，还进一步拓展了科学家的思路。有科学家提出利用超导技术治疗癌症的设想，其基本思路就是阻断局部癌变组织的营养供应，从而最终达到根治癌症的目的。为了实现这个目标，可以把超导磁体作为一个工具，来诱导一种特殊的“铁剂”在人体血液内进行流动，并准确地移动至癌变部位。然后阻塞癌变部位周围的血管，使肿瘤组织坏死，从而达到治疗的目的。由于超导磁体在人体的表面，并可以通过控制电流的方法来控制磁场的大小，同时超导磁体中没有热量的产生，对人体没有危害。

【责任编辑】庞 云