中日超导技术的发展进度及应用比较

邵虹 成欢

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

0 引言

随着人类现代信息化进程的加快，以及对于生产效率及环保理念的更高要求，超导技术应运而生。1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯（Onees）首次发现了超导现象、超电导性，即当温度降至4.2 K时，水银的电阻顿时消失，此后，经过多次实验，水银温度进而从最初的4.2 K提高到23.22 K、30 K、53 K、93 K，而93 K的 Tc（临界温度）发现在藏量丰富且价格低廉的液氮的沸点77 K之上，由此1986年高温超导性被发现并取得进展，超导性的应用领域也愈加广泛，发展潜力也愈加凸显。

超导技术的应用与发展获得了多国的关注，世界各国纷纷投入巨资加快研究和开发，特别是20世界 80年代以来，美，日，瑞士等国在采用超导技术方面均有较大成果，如表1所示[1]。

超导技术的应用领域涉及到电力，交通，医疗，科学试验等方方面面，具有重要的现实意义。由于各国的经济、科技发展水平的不同，超导技术的应用发展进度间差距较大。我国在发展超导技术方面起步较晚，在上世纪60年代末期才正式开始对超导技术的研究。本文将着重介绍日本及中国在超导技术方面的发展状况及应用比较，以有助于我国吸取日本超导技术的发展经验，实现高效环保的应用目标。

1 中日超导技术在交通上的应用比较

日本是发展超导技术并广泛应用超导技术最早的国家之一。在交通运输方面，日本和德国是率先将超导技术应用到交通方式的国家。日本的磁悬浮列车便是利用了超导磁体的排斥性，通过列车的超导磁体排斥地上的永久磁体，依靠两者斥力将车子悬浮起来离开轨道。

表1 各种高温超导设备在世界上的领先国家

列车的悬浮必须满足三个条件：有足够的安全定位信息，设有紧急停车信号和分区控制子系统工作正常，下图1显示的是列车悬浮功能模块结构图[4]。它的优点就在于车辆在电机牵引下无轨零摩擦前进，时速最高可达500 km/h，操作简单易行。

图1 列车悬浮功能模块结构流程图

我国在借鉴日本及德国磁悬浮列车的技术经验基础上，于2001年研制出常导磁悬浮客车，采用电磁吸力将车辆悬浮，客车与轨道间距离始终保持在8-10 mm之间，轮轨与车体间保持零摩擦。车辆运行时具有平稳舒适、低噪声等优点。但我国首列具有完全自主知识产权的实用型中低速磁悬浮列车是在2009年5月13日正式在中国北车唐山轨道客车有限公司完成组装，下线随即进行列车调试。这也标志着我国已经具备中低速磁悬浮列车产业化的制作能力。上海浦东磁悬浮列车时速可达423km/h，是吉尼斯世界记录认证的“现今世界最快的陆上交通工具”。

目前，我国已拥有载人高温超导磁悬浮系统技术，该技术处于国际先进水平，并已经承载两万余人，实质上已具有一定的商业价值，开拓了磁悬浮技术上跨越发展的可能性。

2 中日超导技术在线材上的应用比较

日本是首个宣布获得175 K的超导材料的国家，之后不久，美国、中国、俄罗斯、德国及丹麦等国也相继有了突破性的研究报告，有的甚至发现了308 K的超导迹象，该温度已达到常温的转变温度。目前，日本有着100多家研究所在研究新超导材料，其中20%以上是企业的研究所。一些公司已经用陶瓷系列超导材料制成线材。日本许多研究机构和企业也纷纷行动起来。研究热潮甚至影响了国际稀土市场，制作超导材料的一等稀土元素在国际市场上空前紧俏，一场超导技术在各个领域应用的激烈竞争正在各国展开。

我国是稀土资源丰富的国家之一，成矿条件优越，甚至可以说是得天独厚，探明的储藏量位居世界之首，在发展超导线材应用上占有一定优势。几乎所有的电动机械（从尖端军事机械到普通家用电器）都离不开稀土元素制成的磁材料。然而，近年来随着中国大量出口稀土，中国已经成为世界最大的稀土生产、出口国，满足了世界30%的稀土资源需求。据报道称，中国大量且廉价出售稀土使得日本等国趁机收购并储存了足量稀土，数量够用几十年。业内人士甚至估计说，日本储存的稀土资源甚至已够用四五十年。因此，中国在加强管理稀土资源出口的同时，应积极利用稀土资源为我国的超导材料发展和工业上应用做出贡献。

超导材料具有极其优越的物理特性：一是零电阻效应，二是约瑟夫逊效应，三是迈斯纳效应。特别是在军事领域的应用，专家预计会更为广泛。采用超导材料，可使许多重要的军用装备如舰艇，飞机，装甲车，导弹，聚能武器等的性能得到大幅度的改善。1992年，世界第一艘超导舰船在日本研制成功，时速高达180 km，如果超导船应用化，就可导致整个海运发生重大变化[3]。

目前，世界上高温超导材料形成了YBCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO等四类，其转变温度分别是 95 K、110 K、125 K和135 K。日本住友公司SEI是世界上首先提出发展BSCCO导线的公司之一，并用试验证实了高温超导材料在许多方面比低温超导材料更具优越性和稳定性。这影响到其他国家也纷纷以发展高温超导应用研究为主要方向。

2001-2003年，中国着力提高高温超导线材技术，并生产出世界首条年产能力两百公里的铋系高温超导线材，其各项指标均位于世界首列，这也标志着中国高温超导线材产业化水平迈进世界先进行列，对增强我国国防装备现代化水平具有里程碑式的意义。而在2000年以前，铋系高温超导线材工业化及实用化技术仅被美国、日本、德国等少数国家掌握。

3 中日超导技术在能源电力系统上的应用比较

在我国“八五”、“九五”规划中就有这么一条：“发展我国超导科学技术，促进我国超导产业形成”，在高科技发展日新月异的津贴，这项计划具有重要意义。我国提出了分两步走的战略目标：第一步是实现高温超导实用化的战略目标，即在超导磁体和超导电子学上争取早日形成生产力。第二步是逼近高温超导体实用化的战略目标，积极地为实现这些战略目标而创造条件。

可以预见，以高温超导、磁流体发电的新技术将以空前的广度和深度影响现有的工业局面和人们的日常生活。我国未来超导技术的发展重点之一在于发展安全可靠的高效超导电力系统：包括超导储能系统、超导限流器、超导电缆、超导变压器、超导电机和基于超导技术和现代电力电子技术与控制技术而产生的灵活功率变换和调节技术，基于超导电力技术对传统电网进行改造的相关技术的研究开发。

1965年，中国科学院物理研究所与武汉船用电力推进装置研究所合作设计研制出一台20 kW超导电机，其转子线圈采用了我国宝鸡有色金属加工研究所研制的单芯NbTi超导线绕制。这是我国研制的第一个超导磁体[2]。尽管超导发电技术的优点很多，例如效率高，占用空间小等，但由于其建设周期大，技术难关多，投资大，使得许多本感兴趣发展该技术的国家逐渐放弃了对其的前沿开发计划。仅日本表示出坚定决心，并通过自身强大的经济与技术实力，经过十几年的倾心研究，终于取得成果，将两台70 MW级的超导发电机并入700 kV的输电系统，测试运行显示此次并网成功创造了超导发电机单机容量最大、效率最高和连续运行时间长的世界记录。

超导电缆具有零电阻特性，几乎可无损耗地输送电能。使用高温超导电缆比使用常规电线的总成本要低15%，它从本质上克服及解决了常规电缆线的缺点、问题，如输电过程中的损耗大，容量小，环保效果差，建设成本高等。2004年3月，云南昆明普吉变电站完成三相交流33.5 m/35 kV/2 kA。超导电缆系统的现场安装及挂网试运行成功标志着继美国、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。

4 结论

日本、美国等国家关于超导产品的市场估计，均把我国作为重要市场之一。我国能否抓住超导技术发展提供的历史性的机会，争取在这一新兴高技术产业中占有一席之地，是我国超导技术发展面临的一个重要问题。同时，超导技术的应用层面愈来愈广泛，超导技术在医学、移动通讯等行业在我国也均有不同程度的发展，相信在不久的将来，中国的超导技术会更加实用化及产业化，与世界其他超导强国并驾齐驱。

[1]徐乃英. 超导技术的发展及其应用. 电线电缆, 2000,(2): 5.

[2]林良真. 我国超导技术研究进展及展望. 电工技术学报, 2005, 20(1): 2.

[3]厉爱玲. 超导技术应用综述. 山东水利专科学校学报, 1994-5.

[4]徐家镇, 徐洪泽. 磁悬浮列车运行控制系统仿真环境研究. 微型机与应用, 2005, (12): 3.