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| 高温超导体的应用——梦想和现实 |
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| 作者：wlqy 文章来源：互联网 点击数： 更新时间：2005-9-3 12:56:12 | 【字体：小 大】 |
高温超导体发现之后，人们认为，不久以后，高温超导体必然会成为新的技术革命的主角。一种新的科学技术成熟到某种程度必然会成为新的技术革命的推动力，而高温超导的研究和高温超导技术也日渐完善。虽然高温超导体要达到工业的大规模应用还需克服若干障碍，但持乐观态度的人们甚至已经开始计算高温超导体的应用会形成多大的产业，并对所有人的日常生活产生巨大的影响。
其中，人们首先想到的是高温超导体在强电方面的应用，这将对远距离的电力输送、发电机和电动机的超导化以及其他大型电机设备的形状和性能上引起一场革命。事实上，超导体在强电方面的应用并不是一个新话题，从超导体出现的1911年开始，人们就梦想在电力工业上应用超导体。例如超导发电机、超导电动机、超导变压器等，其中超导的电力输送似乎是一个最古老的“梦”。
由于传统的电力输送过程中，送电、变电、配电的每一步都有电阻存在，大量的电力在输送过程中被白白浪费了，而且为了实现远距离送电，为了克服电阻还要用非常高的电压。而使用超导体输送电力既安全又省钱，一旦成功，将彻底改变目前电力工业的状况。在高温超导热的年头，室温超导似乎呼之欲出，如果使用室温超导体送电，不需要液氮，其优点是十分明显的。但室温超导体没有出现，超导电缆送电目前仍是一个神话。经过近一个世纪的发展，梦想仍然没有变成现实，所有的工作仍停留在实验室研究的水平上。
1999年9月，日本东京电力公司和住友电气工业公司试制成功一种超导电缆，能大大减少输电过程中的损耗。这种超导电缆使用温度为零下196摄氏度液氮进行冷却。即将进行实证试验的超导电缆长100米，电压66千伏，输电容量10万千瓦。实证试验将进行1年。如果试验成功，那么现有的内径150毫米的地下管道输电能力可达到100万千瓦，将大大节省铺设地下电缆的费用和地下空间。两公司计划于2001年6月对其进行首次实证试验。
日本从80年代后期开始研究超导技术，并且一贯重视此项技术在电力工业上的应用。迄今为止，有关企业已经成功地进行了超导发电机联网的实证试验和超导变压器的实证试验，超导技术在发电、变电和输电方面的应用即将达到实用化水平。据认为，这将给日本的电力工业带来革命性变化。
其次，人们预计高温超导会在能源工业上大有作为，超导贮能来调节电网的负荷、超导磁体约束的等离子体和由此可能产生的核聚变。这些应用在世界上的能源日益紧张的情况下，有着不可抗拒的诱惑力。由于石油资源的消耗日渐增长，有人担心工业化过程是否会带来第三次的能源危机，在许多场合下，原子能成为新的能源，各国纷纷建立的核电站正向人类提供廉价又丰富的电力。目前，核电站中使用的核裂变反应都是指放射性的铀235的原子核裂变，与核裂变过程相比，聚变反应能释放出更多的能量。而为了使核聚变反应持续进行，必须将处于1亿度到2亿度高温的等离子体高密度的约束起来，在如此高温的情况下不能使用容器，只能在磁场中进行约束。目前，使用常规磁体将等离子约束在空中，但要达到实用的可控聚变反应堆，需要大量电力，有点得不偿失，而使用超导磁体可以减少所需能量。
日本九州大学超导科学研究中心1999年9月9日宣布，它成功地进行了超导变压器的实用性测试，这意味着超导变压器已经可以付诸实用。这次试验使用温度为零下196摄氏度的液氮进行冷却。研究人员把直径20厘米、高度分别为50和20厘米的两种超导变压器线圈放入装有液氮的容器中，施加比正常水平高10倍的电流和高5倍的电压。试验结果表明，超导线圈承受住了过强的电流和过高的电压，已经达到实用水平。此外，与使用液氦冷却相比，使用液氮的成本更低廉，效率也更高。
该中心计划在1999年年底制造变电容量为500千瓦的超导变压器，从明年5月开始在九州电力公司的电网上进行试运转，并将在此基础上，尽早把这一技术用于地下变电站的配电变压器。
第三，高温超导体在电子学方面的应用是最现实、也是最具吸引力的，其应用范围不仅限于医学、探矿等方面，也极有可能会渗入人们的家庭生活。例如超导微带线可以用在大规模集成电路中传送微波信号；用超导电子学器件来制造计算机，可以使个人计算机具有超级计算机的性能；安装超导滤波器可以使电视或音响上的音乐更动听；超导量子干涉器件可以探测地下矿藏、甚至可以探查人脑思维之谜。利用高温超导体产生的强磁场可以使药物导弹运动到人体的患处，更有效地进行诊断和治疗，实际上，在先进国家，这一想法正在变成现实。而强超导磁体在核磁共振计算机断层诊断装置上的应用使其分辩本领大大提高，人们能够诊断出更早期的癌症。人的身体主要元素都是轻元素如碳、氧、氢，实验证明，癌细胞或其他染病细胞中水的氢，由共振态恢复到正常态的时间比正常细胞的时间长，把不同的时间信号经过计算机处理可以进行癌变的诊断。使用核磁共振断层诊断装置进行诊断时，检测的灵敏度在某种意义上取决于所加磁场的强度，而高温超导体可以产生极强的磁场，甚至比一般的磁体产生的磁场强度高几个数量级。事实上，癌症的诊断手段超导化已经被高温超导体推向了现实。
另外，高温超导体还可以在交通运输和国防技术上有用武之地，例如超导悬浮列车、超导船、超导陀螺仪，以及超导磁屏蔽系统等等。
在高温超导体发展的初期，人们的确对超导体的迅速实用化寄予厚望，并指望高温超导体会和晶体管、激光一样成为近代的三大产业。在高温超导研究最热的年头，人们甚至认为它将比晶体管和激光实用化的过程更短。但是，很多有识之士对此提出了疑问，因为虽然高温超导的研究进展十分迅速，但仍没有在提高临界电流和线材方面取得实质性的突破。随着研究的深入，越来越多的人认识到，大规模应用超导体并形成一定的产业是一场艰巨的任务，可能还需要很长的时间。要完成科学到产品的转化是一场旷日迟久的艰难历程，绝不是一蹴而就的。而科学技术的发展在历史上有许多相似之处，在半个世纪以前晶体管问世前后，人们一方面对这一发明寄予重望，一方面又担心成不了气候，当时半导体材料和半导体器件确实有许多不足之处。随着半导体科学的研究和材料制造工艺以及晶体管制造和设计的进展，半导体开始在收音机、录音机等上使用，并逐渐进入了人们的家庭生活，形成了巨大的产业。高温超导体的实用化也许正处于当年半导体实用化前的相似阶段。目前，各国都在进行超导磁体和超导电子学两方面的研究，人们估计这两相方面将是高温超导体实用化的突破口，一旦出现突破，它将迅速渗透到能源、材料、激光、高能物理工程、空间技术、交通运输、计量技术、电子技术、医疗工程和地质科学等各个领域，人们将生活在真正的超导世界里。
本文摘自《百年科学发现》
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