你可能不知道的超导研究现状，中国基础研究处于国际先进水平 ...

亦心绿 · 发表于 2023-4-4 14:59:18

图注：科幻电影《阿凡达》中在磁场中漂浮的常温超导材料（剧照）
         科幻电影《阿凡达》中，神奇的室温超导矿石“Unobtanium”借助母树附近的强大磁场悬托起了哈利路亚山。而现实中室温超导研究也疑似实现颠覆性突破，近日物理学家Ranga Dias及其团队宣布已经研发出在室温和相对较低压力条件下表现出超导性的材料：由镥-氮-氢（Lu-N-H）构成的三元化合物。室温超导是否能够掀起新的一轮能源革命尚待验证，但这次研究成果的出圈再一次让超导材料迎来了高光时刻。
         图注：科幻电影《阿凡达》剧照。潘多拉星球上漂浮的山体中含有室温超导材料，贪婪的人类正是为了索取这种材料，才不远万里入侵了这颗美丽的星球。
         超导全称超导电性，是指在一定条件下电阻等于零，电流可在其间无损流动的现象，具备这种特性的材料被称为超导材料或超导体。超导材料具有常规材料所不具备的零电阻、完全抗磁性和量子隧穿效应，在医疗装备、能源、交通、大科学工程（CFETR、重离子加速器）和国防等诸多领域具有独特的应用优势。

         从超导材料实现路径来看，目前全球的技术方向包括超高温和超高压。“室温超导”技术在实验室条件下实现了在20℃、1万个标准大气压的压力下进入超导状态，但大规模创造一万个大气压的压强环境实现难度较大，因此现阶段利用超低温是实现超导现象商业化的唯一手段，临界温度在液氦温区以下的超导体被称为低温超导材料，反之则为高温超导材料。

         1、发展环境
         国家有关部门相继出台利好政策，我国超导材料迎发展新机遇
         早在2006年，超导材料便被列入国家“863”计划中“超导材料与技术专项”，在电力应用、强磁体应用以及弱电应用等方面全面开展研发。近年来，国家层面围绕着超导材料的顶层设计政策密集出台，鼓励和规范着行业健康有序发展。《中国制造2025》将超导材料列为前沿颠覆性新材料中重点发展的项目之一，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出积极开发新型超导材料，参与国际热核聚变实验堆计划，不断完善全超导托卡马克核聚变实验装置等国家重大科技基础设施，推动了超导材料的发展革新；工信部、发改委、科技部、财政部联合发布《新材料产业发展指南》，提出加强超导材料基础研究、工程技术研究，在电力输送、医疗器械等领域实现产业化应用，明确了我国超导材料重点发力方向和增量市场来源；2021年12月，工信部、科技部、自然资源部联合发布的《“十四五”原材料工业发展规划》则作为纲领性文件，提出发展超导材料前瞻布局行动，强化应用领域的支持和引导，明确了超导材料在现代产业中的定位。

         我国超导材料基础研究能力不断突破，但在规模化制备方面与国际水平仍存在差距
         随着国家重点研发计划支持不断，我国在超导材料各环节的关键技术不断突破。一方面，我国在超导材料基础研究方面处于国际先进水平，创造了低温超导材料临界电流密度的世界纪录、率先发现了YBCO高温超导材料、新型铁基超导材料等，引领了国际超导材料发展方向；另一方面，随着高温超导材料开始进入商业化阶段，我国在部分高温超导应用层技术开始接近或达到国际先进水平。例如，全球首条35千伏公里级超导电缆在沪投运，完成国际热核聚变堆（ITER）计划用超导线材供货任务、高性能YBCO涂层导体实现产业化、高电压等级超导限流器实现挂网、癌症治疗用加速器实现应用、超导弱电技术实现军民两用等。与此同时，由于产业链发展相对滞后、产学研用结合不足，现阶段我国超导材料与技术研究发展总体水平与国际水平尚存在差距，如实用化超导材料的规模化制备和高端医疗设备、分析仪器、科研装备等领域超导应用层技术。
         2、发展现状
         产业链结构
         产业链上游原材料由铌、钛、钇、钡、铋、锶、硼等金属元素构成，中游主要包括两种低温超导材料（NbTi、Nb3Sn）和四种高温超导材料（铋系、钇系、MgB2、铁基超导材料），是产业链核心环节，为下游电力传输、医疗器械、电子通信、国防军事、科学研究等场景提供了应用基础。

         （1）上游：产业链上游为原材料，其中低温超导原材料以钛、铌、锡为主，高温超导原材料主要包括钇、钡、铋、锶、硼。
         （2）中游：超导材料按照临界温度可被分为低温超导材料和高温超导材料，目前国内低温超导材料及应用占超导市场总量的90%以上，高温超导材料仍处于产业化初期。已实现商业化的低温超导线材主要为NbTi和Nb3Sn超导线材。其中，NbTi具有良好的加工塑性，主要应用于MRI、MCZ、NMR、核聚变实验堆、加速器等领域；Nb3Sn属脆性材料，主要应用于NMR、核聚变实验堆等领域。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，制备方法有固相法、液相法和气相法三种。高温超导材料具有使用成本低、应用限制少等两大优势，现阶段在感应加热、电力传输等领域已实现初步应用，在可控核聚变领域应用的可行性已得到证实，未来有望在更多领域代替低温超导材料。

         （3）下游：超导材料的零电阻、完全抗磁性和量子隧穿效应三大特性使其区别于普通材料，被广泛应用在电力传输、医疗器械、电子通信、国防军事、科学研究等多领域。例如，基于超导材料的零电阻性质和完全抗磁性，在超导材料中加载大电流，可以实现大电流输运、强磁场、磁悬浮等颠覆性技术；基于量子隧穿效应，超导能够应用于量子计算和实现弱磁场探测，可用于制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。《中国制造2025》中曾提到，利用量子隧穿效应制作的计算机逻辑和存储元件，其功耗仅有高性能集成电路的四分之一，运算速度却可达到10倍以上。

         市场规模：“市场+技术“推动产业稳健增长，全球市场规模已达68亿欧元
         在市场需求和相关技术深化融合之下，全球超导材料市场规模迎来稳健增长。一方面，低温超导材料供需两侧潜力不断释放，批量化加工技术方面不断发展的同时，MRI、MCZ、加速器、受控热核聚变等终端应用迎来跨越式增长；另一方面，随着全球各国不断探索高温超导微观机理、加速高温超导材料研发，叠加高可靠性和高效率的制冷系统的发展，高温超导材料已在多个超导电子领域取得了初步规模化应用。根据Conectus数据，全球超导产品市场规模从2012年的51.9亿欧元增长至2022年的68亿欧元。

         3、发展展望
         超导材料推动储能行业升级，提升电力系统稳定性和用电质量
         随着电网特高压及远距离输电技术飞速进步、叠加5G等高耗能基础设施的建设进一步拉动电力需求。在双碳背景下，以风电、光伏为代表的可再生能源的并网、分布式发电比重逐渐增加，给电力系统带来诸多稳定性及电网质量问题。储能装置可有效解决新能源供给间歇性与用户用电需求持续性之间的矛盾，实现电力系统调峰调频，平滑用户需求，提升能源利用率，近年来重要性进一步凸显。
         在储能行业多种技术路线并存的现状下，超导储能装置基于超导线圈运行在超导态下没有直流焦耳损耗的特点，可达到很高的能量密度并长时间无损耗储存能量。同时通过SMES变流器控制与电网的能量交换，可高效调节系统与超导磁体之间的功率交换，相比其他储能装置具有蓄能量高、转换效率好、响应速度快、应用灵活等优点，在电力系统负荷调峰填谷，遏制电网低频振荡方面效果显著。未来有望在解决电力系统动态稳定性问题、提升用电质量以及电能可靠性等方面发挥不可替代的作用。
         高通量筛选+机器学习，助力进一步探索高温乃至室温常压超导材料
         临界温度远低于室温这一痛点严重制约了超导材料的工程化应用，然而近年来，更高临界温度的超导材料随着实验研究陆续问世。放眼未来，高通量筛选与机器学习等技术有望基于数以千计的稀土金属、氮、氢和碳的可能组合中，实现预测、筛选、甚至设计出新型高温乃至常温常压超导体。
         一方面，高通量筛选的方法可以在短时间内同时对数千种可能超导材料组合进行过滤，具有自动化程度高、可并行、可扩展的优点，大幅度提升候选高温超导材料搜索效率，从而指导新型高温超导体的计算和实验研究；另一方面，随着更复杂的算法带来更高的准确性，机器学习为应用高质量数据优化探索及决策过程提供了一系列工具方法，现已被应用于众多新兴材料的研究与设计之中, 包括金属有机框架材料、软物质、生物材料、锂离子电池材料、热电材料、催化材料、碳材料等。在高温超导机理尚不完全明确之际，利用机器学习挖掘材料的微观性质和宏观性能之间的对应关系，有望助力科学家们在探索超导材料更高临界温度的道路上取得重大突破。
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