我国高温超导技术研究现状

第2期 2008年 4月 中碣雹；钶学研京隍学葶曩 Journal of CAEIT Vo1．3 No．2 Apr． 2008 0 s g 《 综 述 《 石＼ ＼! I、 我国高温超导技术研究现状 杨 天信，谢毅立，胡来平，王生旺，王 (中国电子科技集团公司第16研究所，合肥 贤华 230043) 摘 要：从高温超导材料技术、超导强电技术和超导弱电技术三个方面陈述了我国高温超导技术 研究与发展现状，并列举了国内一些高温超导研究项目的进展情况及应用水平。对国家重大高温 超导研究计划项 目，超导材料技术、器件、组件和系统的性能指标，应用推广情况，产业规模，发展水 平和发展趋势等进行了讨论和分析。对我国超导技术军、民用技术的市场潜力做了研究、评估和预 测。针对国内外高温超导技术发展应用的水平差距，提 出了对我国高温超导技术发展和应用的 建议。 关键词：高温超导材料；超导强电技术；超导弱电技术；超导技术应用 中图分类号：0511 文献标识码：A 文章编号：1673-5692(2008)02-122-06 Status of Research in High Temperature Superc0nductiVity Technology in China YANG Tian-xin，XIE Yi-li，HU Lai-ping，WANG Sheng-wang，WANG Xian-hua (The 16th Research Institute of CETC，Hefei 230043，China) Abstract：The paper describes the status of research and development of high temperature superconduc· tivity(HTS)technology in China from such three aspects as high temperature superc0nductivity material and superc0nductivity thin film technology ，power applications of superc0nductiVity， and application of superconductivity to electronics．The study on the programs of HTS superconductivity technology and their applications in China are also presented．The performance of main and significant projects on supercon- ductivity materials，superc0nductivity thin films，devices，components and their integrated systems are al- SO discussed．The popularization of HTS technology ，the scale of HTS technology industry，levels and trends of various superconductor research and applications developed in China are discussed and ana- lyzed．Th e potential markets of HTS superconductivity technology used in the military and civil fields are surveyed，evaluated and predicted．Meanwhile，the suggestions on development and application on HTS superc0nductivity are given based on the differential levels between China and foreign countries． Key words：high temperature superconducting material；power applications of superc0nductiVity technol- ogy ；applications of superc0nductivity to electronics；application of superconductors 0 引 言 2O世纪 8O年代后期高温超导的发现，在全球 掀起了一股“超导热”。经过2O多年的研究发展， 收稿 日期 ：2007-09-10 修订日期：2007-12-04 我国高温超导技术在超导材料技术、超导强电技术 和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破。 在众多领域中，超导技术的应用具有非常突出的优 点和不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制 冷技术的迅速发展，使超导技术的应用步伐迅速加 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年第2期 杨天信 等：我国高温超导技术研究现状 123 快。超导技术在电力、通信、高新技术装备和军事装 备等方面的应用也十分令人向往，具有重要的战略 意义。 根据第五届国际超导工业峰会预测，高温超导 应用技术将在今后 5～10年时间达到实用化水平， 并将在 2010年前后形成较大规模的产业。到2010 年，全球超导产业的产值预计将达到260亿美元，到 2020年将达到2 400亿美元以上。超导技术将是 21世纪具有光明前景的高新技术 J。 1 国内超导材料与薄膜技术 我国在铋系带材、钇系大面积双面薄膜、钇系新 型涂层带材、钇系准单畴块材和高温超导电缆等方 面，其技术发展水平与国际水平相当或相近，某些方 面甚至处于国际领先水平。 目前 ，国内带材研究单位在核心的粉体技术方 面，建立了粉体质量控制体系，保证了前驱粉体较好 的重复性和稳定性；在带材的加工和热处理方面，解 决了长带鼓泡和芯丝不均匀性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，消除了长期困 扰 Bi(铋)系长带制备的障碍，所制备的带材的最高 临界电流密度 J．．>4．0 X 10 A／cm (』 =125 A)， 200 m长带的临界电流密度 J >3．0 X10 A／cm (临 界电流』 =90 A)，这些成果都达到了目前国际先进 水平。 北京英纳超导技术公司和西北有色金属研究院 先后建成了年产 200 km的生产线，为我国超导技术 应用的产业化提供了必要的材料基础。英纳超导公 司300 m长带的临界电流大于 100 A，达到国际先 进水平。其产品在满足国内需求的同时，还出口到 韩国、欧洲等地。 近年来第二代高温超导带材的研究成为国内外 超导研究的热点。我国在“863”计划的支持下，已 初步实现了第二代带材的动态制备，数十厘米长的 带材的超导临界电流达到 40 A。在高温超导单畴 块材方面，我国在材料制备工艺上有知识产权，与国 际先进水平的差距较小。北京有色金属研究总院 制成了直径 5 cm，冻结场 7 T(4．2 K)，磁悬浮力 16 N／cm 的钇系块材，并实现了直径4 cm单畴材料 的小批量生产。2000年 12月国产的340余块钇 系块材用于世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车 系统。 同时，铋系带材、钇系准单畴块材及钇系新型涂 层带材等是供高温超导电缆、限流器、变压器、磁储 能系统、电机、核磁共振成像(MRI)磁体等技术应用 和研究所需的材料。 我国的钇系2英寸双面薄膜制备水平与国际水 平相当。中科院物理所、北京有色金属研究总院和 电子科技大学等单位，分别实现了3英寸双面钇钡 铜氧(YBCO，YBaCuO)薄膜的小批量制备。天津海 泰超导公司引进德国 THEVA公司的多元反应共蒸 合成法技术，生产出了直径 3英寸以上的超导薄膜， 最大直径可达 8英寸。现在已具备 2英寸、3英寸 双面超导薄膜稳定的批量生产能力，超导薄膜各项 性能指标均达到国内领先、国际先进水平。 YBCO，YBaCuO薄膜的表面微波电阻尺 达到 1毫欧以下(10 GHz，77 K)，最小达400微欧，临界 电流密度 J >1 X 10。A／cm ，J 分布的不均匀性小 于 10％。综合指标[临界温度( )、临界电流密度 (．， )、表面电阻(尺 )、薄膜厚度、表面形貌]，基本达 到微波应用的要求。对于强电应用的超导薄膜限流 器，这种薄膜的 I—V特性基本能满足应用要求。 而中科院物理所、南开大学的 2英寸双面铊，Tl一 2212薄膜，尺 均达800微欧以下，最小达 350微欧。 ．， 达到1 x 10。A／cm ，不均匀分布小于 10％。Tc> 105 K，不均匀分布小于 1％，而且产品稳定性好，技 术指标达到国际上最好水平。 国外高温超导薄膜和带材发展水平应引起国内 超导研究人员的关注。如，德国 THEVA公司采用 该国PRIMA TEC GmbH公司多元反应共蒸镀膜设 备，开发的 HTS薄膜多元反应共蒸成膜技术，发展 了传统的热蒸发制膜工艺，解决了超导薄膜需要在 高温下(800℃左右)连续合成处理的关键问题，使 成膜工艺参数处于严格受控状态，因而可以重复制 备大面积均匀的HTS薄膜。薄膜技术性能高，符合 产品研发的要求，成品率高，重复性好，可提供批量 的优质 HTS薄膜。该技术已为国际同行认可，产品 和 PRIMA TEC GmbH的设备 已销往世界多个实 验室。 值得一提的是，对于第二代高温超导带材的重 要性 ，我国科技工作者对其认识较早。在离子束辅 助沉积(IBAD)和扎制辅助双轴织构化(RABiTS)技 术诞生不久，当时的国家超导研究和开发中心就部 署了两种技术路线的攻关计划。北京有色金属研究 总院(GRINM)、西北有色金属研究总院和北京工业 大学负责 RABiTS基带及其涂层技术；而中科院上 海冶金所(现微系统所)和中科院物理所负责IBAD 技术。2005年底，GRINM课题组在近十年的涂层导 维普资讯 http://www.cqvip.com 124 中蔺鼋；斜学研宪阪髻极 2008年第2期 体研究经验基础上，建立了一套动态的 DC磁控溅 射系统，并在德国IFW Dresden的RABiTS镍基带 上制备出 10 m长高度织构的缓冲层(Y O ／YSZ／ CeO )。上海大学蔡传兵等领导的课题组设计了涂 层导体专用的PLD系统，并建立了国内首个动态的 电路交换数据服务 (CSD，circuit switched data)系 统_2j。另外清华大学课题组、电子科技大学课题 组、北京工业大学课题组等分别在化学涂层、双面溅 射沉积和RABiTS基带方面做出了特色工作。总体 上处于起步阶段，与国际水平差距较大。 2 国内超导弱电技术 “十五”期间，国家 863计划设立“超导材料与 技术专项”(简称超导专项)，重点支持超导应用技 术的研究，充分体现了国家对“超导技术”这一战略 性高技术的高度重视。 目前，国内已有清华大学、天津海泰超导公司、 中科院物理所和南开大学多家单位在进行移动通信 和高灵敏超导接收前端的研究。2001年 10月清华 大学研制成功我国第一台GSM1800移动通信用高 温超导滤波器系统。2004年 3月26日在国内首次 将超导滤波器应用于中国联通唐山分公司的码分 多址移动通信基站，超导滤波器系统已连续运行两 年多，实现了我国高温超导的第一次实际应用 j。 2005年底，在以北京大钟寺为中心的繁华地区建成 了我国第一个高温超导滤波器移动通信应用示范小 区，使用了30路超导滤波器系统，覆盖十多万居 民 ～ 。 天津海泰超导公司是国内第一家从事高温超导 滤波器产业化的企业，已经建成了国内第一条高温 超导滤波器系统生产线，在超导滤波器设计、超导芯 片精细加工、静态真空设计及获得、滤波器系统集 成、滤波器并网运行和测试方面建立了多项 自主知 识产权的技术，在超导滤波器产业化工作上取得了 多项阶段性成果 J。其超导滤波器产品也已在移 动通信基站上进行了多次并网运行。 中科院物理所针对我国现有全球移动通信系统 (GSM)、CDMA和即将布局的第三代(3G)移动通信 基站开发了带宽从 5—75 MHz的系列高温超导滤 波器及相应工作于70 K低温环境的低噪声放大器。 实测表明，该滤波器具有极小的插入损耗，极高的带 边陡度和极深的带外抑制等特点。特别是在带内群 时延起伏，功率承载能力等方面，均达到了我国时分 同步的码分多址技术标准的要求，处于国际领先水 平。使用高温超导滤波器可以大幅度地提高基站接 收系统的抗干扰能力和接收灵敏度，改善通话质量， 节约频带资源，扩大基站覆盖面积的目标。 “十五”期间，中电科技集团 16所在高温超导 器件、低温制冷机和低温封装技术研究方面取得了 可喜的成果，完成了高温超导信道化组件、高温超导 微波线性调频滤波器、高温超导辐射探测器、高温超 导软x射线探测器等项目。电子科大、中电16所、 中电55所共同完成了高温超导高灵敏接收前端研 究。电子科技大学完成了 x波段高温超导高灵敏 接收机前端系统各单元部件的优化设计及制作，并 进行了小型化改进及制作，达到了设计要求；开始了 对 x波段高温超导高性能接收机前端系统进行一 体化集成初样研制。在其他领域，清华大学已研制 成功了特殊通信用的超导滤波器系统，该超导滤波 器系统已完成了在通信基站的现场通信试验，使原 基站的噪声系数大幅度改善，灵敏度大幅提高了 5 dB。现场通信试验的结果表明，改用超导滤波器 后，通话质量、通话成功的几率均大幅提高。 我国国防建设迫切需要超导滤波器技术，以提 高通信设备和其他装备的灵敏度、选择性和抗干扰 能力。清华大学最近在这方面有突破性的进展。 中科院物理所研制的应用于卫星微波接收机的 高温超导滤波器，采用了独创的带通滤波器和可调 带阻滤波器无损超导集成技术，取得了反射损耗好 于一22．5 dB，且带外抑制优于 一110 dB的优异性 能。经国家权威部门认定，上述集成技术和综合指 标“在国内外未见相同报道”。 该滤波器和工作于低温的放大器与小型机械制 冷机组成子系统 ，并与卫星微波接收机联机进行了 地面试验。试验结果表明：使用高温超导滤波器子 系统可以极大地降低卫星接收机的噪声温度(高达 73％)。与此同时，中科院物理所何豫生教授领导 的研究小组，研制的超导滤波器通过了航天飞行力 学环境模拟试验。试验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 指出：“试验结果表明 中科院物理所研制的高温超导滤波器能够经受航 天飞行件力学试验的检验。证明高温超导滤波器 的材料、机械设计、加工和装配工艺均达到了航天飞 行件力学性能要求。”目前我国的卫星和载人航天 领域都在积极部署使用高温超导滤波器的微波接 收机 。 在高新技术研究方面，太赫兹(THz)波也是目 前超导领域研究的前沿技术。在探测非金属武器、 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年第2期 杨天信 等：我国高温超导技术研究现状 125 爆炸物、伪造物或赝品等安全应用方面，太赫兹波段 具有明显的优点。这一波段的开发，在实际的军事 安全技术应用中有重要的意义。国内著名专家研究 电磁波在层状超导体中的传播规律，致力于以超导 器件为核心技术的THz信号的高灵敏接收和成像 技术、物质的太赫兹波频谱测量技术和宽带频谱测 量等，在整体上形成了自己的研究特色，在这一领域 中已经做了许多重要的工作 ¨。北京大学和中科 院物理所已经制备出高温超导量子干涉器件，并且 制备出测量心脏磁场的心磁仪的样机模型。北京大 学和中科院物理所合作成功进行了利用高温超导 SQUID对大地地磁分部的测量，获得了一些重要结果。 清华大学曹必松教授领导的研究小组，研制的 超导滤波器系统已达到国际先进水平并处于国内领 先水平。 2006年，在高温超导发现 20年之际，日本有关 领域在报纸上发表文章， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 高温超导的应用发展， 其中首先提到美国在超导滤波器方面的应用成果， 接着介绍了我国清华大学在超导滤波器方面的应用 成果，然后提到日本准备将超导滤波器应用于移动 通信 。可见，国外已承认我国在该技术领域的国 际地位。在国外 ，超导滤波器从美国、欧洲、日本相 关样机的出现到现在已经有八九年的历史，但在欧 洲和日本一直没有出现商业性的示范运行。美国从 1998年正式进入商业网以来，现在运营系统也只是 徘徊在 6 000套左右的水平。 最近，清华大学超导滤波器技术已吸纳社会资 金 ，成立了超导滤波器公司，正在建设年产 1 000台 超导滤波器系统的生产线，推动超导滤波器的规模 化商业应用，超导滤波器生产线即将建成投产。我 国高温超导滤波器及其组件的发展相当快，并有望 实现产业化发展。 3 国内超导强电技术 国内在超导强电应用技术研究方面也做了大量 工作，取得一些科研成果。如西南交通大学王家素 教授领导的研究小组研制的载人高温超导磁悬浮列 车技术已处于国际先进水平 ，并已承载两万多人次 ， 实质上已具有一定的商业价值，这开拓了在磁悬浮 技术上实现超越发展的可能性。1999年中科院电 工所研制成功我国第一台微型超导储能样机。2007 年中科院电工所肖立业教授领导的研究小组，研制成 功世界首台超导限流一储能系统，1 MJ／0．5 MVA超 导限流一储能系统。该项目是超导电力中心本年度 集中主要力量进行攻关的重点项目。1 MJ／0．5 MVA 超导限流一储能系统主要包括：高温超导磁体、低 温及制冷系统、电力电子系统，以及在线监测系统等 部件。所有部件的研制在 2006年已经完成，近期 1 MJ／0．5 MVA超导限流一储能系统将在北京市投 入并网实验运行。在完成该系统并网试验运行前的 各项调试和检测后，将投入 10．5 kV配电网上试验 运行，这将是世界上第一套投入实际电网运行的高 温超导限流一储能系统 。目前，在中国科学院知 识创新工程的支持下，正在开展2．5 MJ／1 MVA超导 限流一储能系统的研究。 2001年4月，清华大学韩征和教授领导的北京 英纳公司与云南电力集团合作，投资成立北京云电 英纳超导电缆有限公司。计划在五年内投资 1．5亿 元人民币，推进高温超导电缆的产业化。2004年 4 月 19日，世界第三个高温超导电缆项 目，三相 30 m 35 kV／2 kA高温超导电缆在昆明普吉变电站并网 试运行成功，其中，中电16所的万瑞冷电科技公司 承担高温超导电缆制冷系统的研制。2004年 7月 10日，由北京云电英纳公司牵头研制的我国第一根 高温超导电缆(33．5 m)在云南电力公司正式并网 运行，使我国成为世界上第三个将高温超导电缆投 入运营的国家 ¨。电缆并网运行一年多来，运行平 稳，无大的故障发生。 2005年由中科院电工所与甘肃长通电缆科技 股份有限公司、中科院理化所联合研究的国家“十 五”计划中的“863”重大项 目_ 75 m、10．5 kV／ 1．5 kA三相交流高温超导电缆顺利完成系统集成， 已经通过了系统检测和调试，取得了一系列 自主知 识产权。它是目前世界上正在并网试验运行的高温 超导电缆。75 m高温超导电缆主要由超导电缆芯、 低温系统等许多关键技术，完全 自主研制成功的三 相交流高温超导电缆、三相高温超导限流器、三相高 温超导变压器分别在甘肃省白银市、湖南省娄底市 和新疆昌吉市投入并网实验运行，各个系统通过了 国家电力设备的标准实验，运行期间未发生任何自 身故障。超导电力技术的研究开发，解决了一系列 关键技术问题 ，研制的相应的系统在国内处于领先 地位，并达到国际先进水平。 超导磁体系统：国内一些研究单位为了配合研 究实验工作的需要 ，研制了一些科学仪器用的超导 磁体，如西南核物理研究院研究了4 mm回旋管用 超导磁体、振动样品磁强计超导磁体和超导材料电 维普资讯 http://www.cqvip.com 126 中国鼋；纠增研宪隍茸瓤 2008年第2期 磁特性测试装置等。中国科学院电工所也研制成功 4 mm回旋管用磁体系统并开展200兆周核磁共振 谱仪的超导磁体的研制工作。在低温磁体技术、高 温超导磁体技术方面也取得了一定成绩⋯。上海 大学等单位在超导磁体研究方面，也做出了可应用 的磁体材料。 20世纪90年代初，中科院科健公司研制成功 核磁共振成像用的0．6 T超导磁体系统，并分别安 装在无锡、北京和深圳等医院中使用。中科院等离 子体物理所对原苏联库恰托夫研究所赠给的第一代 超导托卡马克(Tokamak)装置 T一7的铌钛(NbTi) 超导线圈加以改造，在合肥建成我国第一个超导 Tokamak装置 HT一7。在此基础上，2005年建造成 超导托卡马克 EAST核聚变实验装置，其大半径为 1．75 m，中心场 3．5 T，是我国规模最大的低温超导 装置⋯。也是我国自行设计制造的世界上第一个 超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置(EAST)，于 2006年9月28日完成首轮物理放电实验。实验中 获得的电流超过200 kA，时间接近3 s的等离子体 放电。属于亚洲第一、世界第三大科研装置，投资约 3亿元人民币，使我国核聚变研究能力向前跨进一 大步。 超导加速器：据《低温与超导}2005年第 1期报 道，超导技术在加速器中的应用在我国也 日益得到 重视。中国科技大学同步辐射实验室在我国首先应 用了Wiggler超导磁体，中国科学院高能物理研究所 在二期工程改造中也将采用超导磁体。北京大学、 中国科学院高能物理研究所和上海应用物理研究所 都已开始了超导加速腔的研究工作。北京大学已经 计划与德国DESY合作建造小型超导直线加速器系 统，计划采用两个 TESLA型超导谐振腔。超导技术 在加速器中的应用在我国也日益受到重视，尤其是 北京大学拟建造小型超导直线加速器 PKU—SCAF， 中国科学院高能物理研究所和中国科学院上海应用 物理研究所都对超导磁体和超导腔在加速器中的应 用研究 日益重视。 超导限流器：2002年中科院电工所研制成功我 国第一台新型高温超导限流器(400 V／25 A)。 2005年8月，中科院电工所联合湖南电力公司、中 国科学院理化所等单位，自主研制成一种新型的 超导限流器，克服以往超导限流器的功能缺陷。该 限流器的额定 电压 10．5 kV，额定短路 电流 为 1．5 kVA。经过电力标准试验后，该超导限流器已 经在湖南娄底供电局投入电网运行，其短路电流缩 减率达到了 82％，响应时间和恢复时间仅为几个毫 秒。这也是我国首台、国际第四台投入实际电网试 验运行的超导限流器，本装置已经运行 8个月无 故障。 目前，中科院电工所自主创新研制成功世界首 台超导限流一储能系统，装置的储能量达到 10万焦 耳、功率为25 kVA。该系统实现了原理上的重大突 破，能够在一个装置实现超导限流器和超导储能系 统的功能，在限制短路电流、改善电网稳定性和电力 质量方面具有重要应用价值。此外，东北大学物理 系和西北有色金属研究院合作开展了屏蔽型高温超 导限流器的研究，完成了一台实验室样机。 超导变压器：2005年 11月，中国科学研究电 工所与新疆特变电工股份有限公司联合研制成功 我国首台超导变压器。超导变压器的额定容量为 630 kVA、额定功率为 10．5 kV／400 V。该超导变压 器采用非晶合金材料作为铁芯，实现了技术上的突 破。在国家电网中变压器部分的试验表明：该超导 变压器的效率超过 98％，各项技术指标符合国家标 准。到目前为止，该装置已经试验运行约两个多月， 经受了恶劣外部环境的考验。此外，株洲电力机车 厂和北京英纳公司还合作开展机车用超导变压器的 研制。 超导发电机、电机：1981年开始研制一台400～ 800 kVA超导同步发电机，其最长发电时间达 1 h。 武汉712研究所与中科院电工所、浙江大学等合作， 开展了300 kW单极超导电机的研制。“十五”期间 国家支持的采用铋系高温超导导线的100 kW舰船 推进用超导同步电机(712所，清华大学和北京英纳 超导公司)最近已试制成功。这为将来研制兆瓦级 的船用超导电机打下了良好的基础。 4 结 语 超导技术是21世纪的十大关键技术之一，各发 达国家都非常重视超导技术发展。尽管我国在高温 超导技术研究领域做出了巨大努力，但整体技术水 平与国外相比仍有较大差距，特别是工程化应用方 面的差距较大。我国应该借鉴国外经验，合理组织 研究力量，在超导技术应用研究上加大投入力度，对 比较成熟的超导技术尽快投入工程化应用，加速我 国超导技术研究与应用步伐，这对巩固国防和促进 国民经济建设具有十分重要的战略意义。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年第2期 杨天信 等：我国高温超导技术研究现状 127 参考文献： [1]林 良真．我国超导技术研究进展及展望 [J]．电工技 术学报，2005，20(1)：1-7． [2]蔡传兵，时东陆，潘成远，等．高温超导涂层导体 一 RE123双轴织构技术及其发展状态 [C]／／2006中 日 超导与纳米技术研讨会论文集，上海：上海大学， 2006：23-26． [3]姚文新．我国超导技术现状与发展战略[J]．新材料 产业，2004(1)：12—16． [4]YIN ZHESHENG，WEI BIN，CAO BISONG，et a1．Field Trial of an HTS Filter System on a CDMA Base Station [J]．Chinese Science Bulletin，2007，52(2)：171—174． [5]BISONG CAO，HELMUT PIEL．Fabrication of HTS Fil— ter Subsystems and Field Test for CDMA Mobile Commu— nication[C]／／The 9th Symposium on High Temperature 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