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世界首个室温超导材料问世!会对电力产生哪些影响?

作者:中国储能网新闻中心 来源:电网头条 发布时间:2020-10-18 浏览:
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北京时间10月14日,最新一期《自然》(Nature)杂志上发表了一项物理学界的重磅研究成果:美国罗彻斯特大学研究人员在氢化物材料中,首次观察到了288开(约15摄氏度)的温度下的室温超导现象。

这一发现刷新了高温超导材料最高临界温度的历史纪录,也代表着人类向着创造出具有最优效率电力系统的目标又迈出了重要一步。

一个多世纪以来,开发室温超导材料一直是凝聚态物理学的“圣杯”。据罗彻斯特大学物理和机械工程助理教授兰加·迪亚斯(Ranga Dias)所言,这些材料一旦问世,甚至可以彻底改变当今世界的面貌。

为什么室温超导材料会有如此大的威力呢?

超导体有两个特性:零电阻和完全抗磁性。

中学物理的欧姆定律告诉我们,电流通过电阻会发热,从而导致大量的能源转化成热能损失了。而在特定温度下,电能可以在超导材料中零电阻通过。

除了零电阻的特性以外,超导材料还具有完全抗磁性——指在磁场强度低于临界值的情况下,磁力线无法穿过超导体,超导体内部磁场为零的现象。

这两个特性使得超导体在电流传输过程中几乎没有能量耗损,每平方厘米超导材料上还能承载更强的电流,可以实现最优效率;而一般常规材料,在导电过程中都会消耗大量能量。

既然超导材料功能如此强大,为什么一直没有投入实际应用呢?

目前,绝大多数超导体仅在接近绝对零度的温度下才能实现超导状态。这意味着实际应用中需要依赖昂贵的低温液体,如液氦,来维持低温环境。因此,超导应用的成本急剧增加,甚至维持低温的成本,都要远超材料本身的价值。

自1911年超导体首次被发现以来,寻找室温超导材料一直是科学家们竞相追求的目标。

中国科学家在高温超导领域收获颇丰,赵忠贤院士就曾因在这一领域的突出贡献荣获国家最高科学技术奖,他也是国际上最早认识到铜氧化合物超导体重要意义的少数科学家之一。1987年,他的团队在钇钡铜氧(Ba-Y-Cu-O)中发现了临界温度为93k的超导转变。

2008年,国内几个研究团队又各自独立在铁基高温超导上实现了突破,堪称中国铁基超导“奇迹”。

近年来,随着电网规模的快速增长,为减小电网建设成本和改造费用,同时,提高供电安全性和可靠性,国家电网公司也在高温超导领域开展了积极研究与应用。2019年,由中国电力科学研究院主导,国网辽宁省电力有限公司、中科院合肥物质科学研究院、特变电工沈阳变压器集团有限公司和清华大学合作开发的磁偏置高温超导限流器样机经验证具备10千伏并网能力。高温超导故障限流器( SFCL) 具有响应快、损耗低、载流能力强和自触发能力强等优点,可在极短时间内逐级限制电网故障电流,降低断路器配置容量,具有较好的技术经济性。2020年8月份,该磁偏置超导限流器长期挂网试点示范应用被纳入国网辽宁省电力公司2021年科技项目规划中。

此次,罗彻斯特大学研究团队将可以实现零电阻的温度提高到了15 摄氏度。然而,这种室温超导是在金刚石“砧板”制造的267吉帕(Gpa)高压下实现的,相当于200多万倍标准大气压,很难谈得上实际应用。

金刚石顶砧高压装置下实现室温超导

但是,研究团队也在论文结尾处指出,通过微调化学成分等技术手段来降低所需压力,未来有可能会实现大气压下稳定或亚稳定的室温超导体。

如果未来真的实现了常温常压超导,会为我们的经济社会发展带来哪些应用?

首先,电网不会再因为电线中的电阻而造成电的损失和浪费,全球化电力供应也有可能实现;

其次,有可能开发出速度比飞机还要快的磁悬浮列车;

另外,也可以对磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)机器、量子计算机等运用超导电磁元件的机器进行进一步的技术升级,为医疗、信息技术等领域的发展做出贡献。

未来,人类可能会进入“超导社会”,到那时,人类社会在能源、交通、高精度仪器和生物医学等各个方面可能都将发生深刻变化。

参考资料:

[1]Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature.DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z

[2]http://www.chinapower.com.cn/tech/20191218/1293344.html

[3]诸嘉慧,张会明,陈盼盼,张宏杰,丘明.10kV混合式磁偏置高温超导限流器性能实验研究[J].低温与超导,2020,48(09):36-41.

关键字:室温超导材料

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