《资治通鉴》评说

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【diamond】(八)龙的智慧 C.超级导体

(2013-09-22 18:53:26) 下一个

一般来说导体总是具有一定的电阻,而在足够低的温度之下,通常是接近零下273摄氏度的绝对零度,此时某些导体会呈现出零电阻特性,称为超导体。超导体具有很多奇特和有用的性质,比如零电阻使它可以毫无损耗地传输电流。不过绝对零度的温度很难得到和维持,所以在高温超导现象发现之前,超导始终无法走出实验室。上世纪80年代,科学家们合成了能在液氮温度以上实现超导的材料,称之为高温超导。所谓高温,是相当于绝对零度而言的。由于通过液化空气制备液氮已经是很成熟和廉价的技术,这就使高温超导的实际应用具有了可行性。此后,国际上掀起了研究也应用高温超导材料的热潮。

中国的高温超导研究是和国际上同时开始的,并且始终保持在第一梯队的位置。到2012年,中国的高温超导技术已经在多个领域里进入实用范畴,其中一个应用方向是构建变电站。高温超导体具备零电阻的特性,即可以无损耗地传输电流,这使得超导材料在电力行业中有着天然的应用优势。

 

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这座超导变电站所采用了四项超导技术,分别是:高温超导储能系统――世界上并网运行的第1套;高温超导限流器――中国第1台、世界第4台并网运行;高温超导变压器――中国第1台、世界第2台并网运行,也是世界上最大的非晶合金变压器;三相交流高温超导电缆――研制时为世界最长的同类电缆。

除此之外,高温超导现象还可以被用来制造大功率的超级电机。

 

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而在高温超导电机方面,中国在高温超导和高强度永磁材料两方面的基础研究和构成应用都具备相当的优势。此前中国已经建立了世界上首条高温超导电缆,长360米、载流能力10千安,已并网示范运行;国际合作的顶尖物理探测设备――阿尔法磁谱仪――中的永磁体也是由中国制造的,它提供了仪器必须的巨大磁场,是其核心器件之一。由此可见,中国在高温超导电机领域完全有可能后来居上,为巨型舰船提供最强劲的动力。

此外,由中国主导的最新一代可控核聚变试验装置――东方超环――中也使用了高温超导线圈,用于提供约束核聚变材料所需的超强磁场。至2013年5月,中国已经在河南建成了高温超导输电示范工程,其电缆长360米、载流能力10千安,是世界首条并网示范运行的高温超导电缆。

在产业应用方面,由清华大学的曹必松团队研制、拥有完全自主知识产权的高温超导滤波器已经实际应用到了联通的CDMA基站。2005年底,北京市海淀区大钟寺地区建成了我国第一个高温超导前端移动通信应用示范基站。试验结果表明,在通信装备上加装超导滤波系统后,重度干扰下原本无法工作的通信装备恢复了正常工作,中度干扰下装备最大作用距离平均增加了56%,在应用高温超导滤波器后,可以把移动基站的辐射功率降低一半。2011年1月19日,该系统获得了在我国通信装备实际应用的许可。2012年10月22日,其首批产品订货完成生产并交付用户使用,将在全国16个省市的通信装备上投入了长期实际应用。

采用高温超导材料制作滤波器,是由于高温超导材料具有极低的微波损耗,利用这一特性研制的滤波器具有插入损耗小、带边陡度高、带外抑制深等特点,除了应用在移动通讯领域,还可以用以提高卫星微波接收系统的灵敏度和抗干扰能力。2012年10月14日,实践九号A/B卫星随“长征二号丙”运载火箭升空并进入预定轨道,上面搭载了由中科院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室研制的高温超导滤波器,初步的数据表明,该滤波器达到了预定试验指标要求。

从近代科学的发展历史来看,科学理论从来都是和工业应用同步发展的,并且往往是工业应用走在了科学理论的前面,比如在瓦特“发明”了蒸汽机之后,又过了半个多世纪,才有了卡诺的热机理论和焦耳的热功当量。在很多情况下,是大规模的工业应用,而不是象牙塔里的潜心研究,成为了理论突破的真正动力。所以,高温超导的意义远不限于工程应用领域,也绝不仅仅是用来制造低损耗变电站、大功率电动机、强磁场线圈或者微波滤波器的实用技术。高温超导现象是凝聚态物理的一个重要研究方向,通过对其形成机理的研究,我们可以更加深入地了解电子和原子的运动和相互作用,从而揭示出更加深刻的物理规律。在这方面,工业越发达、应用规模越大的国家机会越大,从英国、法国、德国到美国,概莫能外,未来的中国也是如此。

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