
超导指的是在特定的低温条件下呈现出电阻等于零的特性以及具备完全抗磁性的材料,一直被称为“当代科学的明珠”。低温超导体(-269℃,液氦,以上温度工作的材料)早在1980年代实现商业化,但由于液氦的稀缺性和高成本,仅在医疗磁共振MRI设备中展开规模的商业化应用。高温超导体(-196℃,液氮,以上温度工作的材料)近几年在材料大规模制备方面逐步成熟,成本下降和良率提升都呈现明显加速。高温超导技术在超导线缆(电网)、可控核聚变、高温超导感应加热设备等下游领域展开了规模化商业应用,并且呈现加速放量。随着材料的成熟和下游应用领域的不断开展,高温超导行业已经迎来了规模商业化。
超导现象是指超导材料在低于某一极低温度时表现出的零电阻、完全抗磁性。超导现象是指材料在低于某一温度(这一温度称为超导转变温度Tc)时电阻变为零的现象,这种状态下,材料进入超导态,材料电阻突降为零,同时所有外磁场磁力线被排出材料外,材料同时出现零电阻态和完全抗磁性。
超导材料零电阻及完全抗磁性特性,让相应设备不仅仅节能效果显著而且性能显著提升。零电阻特性不仅仅可以有效降低长距离输电带来的电损耗,由于超导材料还具备完全抗磁性和宏观量子效应等常规导体所不具备的特性,这些性质使超导体能够实现大电流传输、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等还可以多种应用,使其除了满足最基本的导电需求外,还可以被广泛应用在电子通信、电力能源、交通运输、国防军事、医疗器械等诸多领域。由于超导材料和技术涉及领域之广,发达国家不惜投入巨资开展前期研究和产业化应用实验。
按照超导体的临界温度,可以将超导体分为低温超导体和高温超导体。临界温度低于25K~30K(-248℃至-243℃)超导体为低温超导体,临界温度高于25K~30K(-248℃至-243℃)为高温超导体。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,液氦制冷的方法昂贵且不方便,故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展,更多应用于核聚变工程、核磁共振等领域。高温超导材料因为临界温度的提高,可以在液氮环境中工作,工业液氮制冷已经非常成熟,一吨液氮的价格稳定在1千元以下,适用范围广且价格低廉,在2000年YBCO第二代高温超导带材问世之后,高温超导得到了实质性发展。
低温超导技术实验室发现以及起步较早,已在医疗等特殊领域开启应用。MRI是当前低温超导技术最主要的应用领域,MRI磁共振成像仪是一种生物磁自旋成像技术,它利用原子核自旋运动的特点,在外加磁场内,经射频脉冲激发后产生信号,经过计算机处理转换后获得图像。相比于传统的CT成像等技术,MRI不仅没有辐射,还可以实现三维立体扫描、成像图像分辨率高、对肿瘤早期诊断有较高的临床价值,已经广泛运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。与永磁型MRI相比,超导MRI成像区磁场高,所以可以获得更高的分辨率,通过闭环运行方式实现磁场空间和时间稳定性更高,一般可达10年以上而不变化,这就决定了超导MRI具有永磁型MRI无可比拟的优势。
低温超导磁体需要使用液氦冷却,受限于液氦资源稀缺等因素,目前低温超导技术主要应用于医疗、大科学装置等成本相对不敏感高精尖领域,未能实现大规模商业化应用。目前,低温超导材料主要应用于医疗、高能物理、能源、电力等强电领域方面。在医疗方面,主要是核磁共振人体成像仪(MRI);在高能物理研究方面,是大型质子对撞机(如LHC);在能源方面,主要是受控核聚变(如ITER)。
低温超导能够产生的磁场强度有限,叠加需要使用昂贵的液氦制冷因此限制其应用场景,而高温超导技术可突破低温超导磁场强度上限而且制冷成本大幅降低,打开超导技术大规模商业化应用空间。低温超导带材需要在液氦温区下才能维持超导态,液氦资源稀缺极难获得,而且通常低温超导磁体通常会在内部磁感应强度高于25特斯拉时停止工作,这也限制了低温超导磁体的磁场强度。高温超导带材仅需在液氮温区下即可维持超导态,而且能够产生的稳定磁场强度更高,赋予其更广的商业化应用前景。
REBCO高温超导带材主要由金属基带、缓冲层、超导层和保护层构成,其中在低温环境下导电的只有中间的REBCO超导层,基带层、缓冲层和保护层的存在主要是为了让REBCO超导层具备更强的机械性能和稳定性。高温超导技术早期受限于带材的价格过高以及带材质地较脆难以加工等因素限制,规模化应用推进速度较慢,当前高温超导带材生产技艺经过近十年的积淀已经成熟,良率大幅度提升,例如2020年上海超导带材成品率从不足50%提升至90%左右。规模化逐步显现:2020年上海超导的年产量终于从3年前的十几公里增至400公里。随着技术进步及规模化效应,带材价格持续大幅下降,并且中下游的超导磁体中带材绕制工艺不断进步,推动高温超导技术产业化应用进一步加速。
超导产业发展解读及高温超导
韩国研究团队声称发现了世上首个室温常压的超导体,引起了广泛的关注和实验室的复现。与美国的 DIY 亚斯团队发现的室温超导材料相比,韩国团队的材料可以在常压常温环境下实现超导特性,而不需要低温和高压的环境限制。这一发现可能对人类的能源结构和用电输电端带来颠覆性的变化。
• 低温超导:在极低温度下实现零电阻和完全抗磁性状态,需要液氦制冷。已实现产业化应用,如核磁共振仪和核聚变装置,但液态资源昂贵且依赖进口,限制了技术在商业领域的应用。
• 高温超导:温度相对较高,大约在零下 196 摄氏度,可以使用液氮来实现超导特性。解决了液氨资源的限制,推动了在商业领域的应用。
在高温超导行业,上下游发生了显著变化。上游材料的产品良率和成本有了突破,超导带材的生产长度从几十米增加到上千米,推动了下游研发的推进。高温超导带材的成本也在下降,从 19 年的每米三四百块钱下降到现在的 80 多块钱,未来可能进一步降低到三四十块钱。
• 电网领域:上海和深圳分别建设了示范性的电缆,并计划在今年进一步铺设。
• 商业设备领域:推出了基于高温超导磁体的感应加热设备,并进入了规模化批量交付阶段。
• 可控核聚变装置:高温超导磁体突破了原有磁体磁场的上限,降低了核聚变装置的研发门槛,提高了实现核聚变的可能性。
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