韓國室溫超導(dǎo)論文引來圍攻，中國默默推進高溫超導(dǎo)投入實用

室溫超導(dǎo)是材料科學(xué)領(lǐng)域的圣杯，每次有人宣布突破，都會引來一番熱議，也會有團隊在短時間內(nèi)去驗證。韓國學(xué)者這次也一樣，只是這一次引來的熱議聲音更高，前去驗證的團隊更多。在大家都忙著解釋韓國室溫常壓超導(dǎo)到底是不是真的時候，中國已經(jīng)把高溫超導(dǎo)投入實用，而且用到了國家電網(wǎng)上。

圖片1：室溫超導(dǎo)材料報道，來自百度圖片，無版權(quán)糾紛

話說韓國室溫超導(dǎo)的論文短時間內(nèi)引發(fā)了全球各地科研團隊的迅速驗證。倒不是說韓國學(xué)者太不靠譜，而是這項成果太過逆天，也太容易驗證了。以前的室溫超導(dǎo)都是在極高壓強下操作的，獲得那種壓強的設(shè)備非常昂貴，全世界擁有這樣設(shè)備的實驗室都不多，想重復(fù)一下人家的實驗，還是很難的。但是韓國這個LK-99材料，是室溫常壓條件下的超導(dǎo)材料，制備過程完全不需要高壓，只需要一個真空環(huán)境和一個材料燒制設(shè)備，這樣的條件哪怕不是搞超導(dǎo)材料的實驗室也不難實現(xiàn)。因此，世界各地，尤其是中國、印度有一大批科技工作者投入了驗證LK-99的隊伍。

【資料圖】

本來大家以為很容易驗證很容易打臉的一項實驗，卻引來了各種各樣不同版本的驗證結(jié)果，雖然沒有任何一個團隊聲稱完全重現(xiàn)了原作者的實驗，多數(shù)團隊都宣稱未發(fā)現(xiàn)這種材料的超導(dǎo)性，而且中科院的學(xué)者直接從原理上解釋了這種材料在 ℃條件下電阻突然迅速下降的原因跟超導(dǎo)現(xiàn)象無關(guān)，但這些證據(jù)也并沒有做到完全否定室溫常壓超導(dǎo)材料的存在。

主要原因是，這種材料是一種復(fù)合材料，而且引發(fā)特殊性質(zhì)的恰恰是里面的雜質(zhì)，想完全復(fù)制一樣的產(chǎn)品并不是很容易。比如東南大學(xué)團隊，制備了六個樣品，只有一個樣品出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，但不是室溫超導(dǎo)而是110K超導(dǎo)，也就是在-163℃以下可以實現(xiàn)超導(dǎo)，距離室溫超導(dǎo)還有很大的距離。如果這個實驗被證實，至少能說明，這種材料是有超導(dǎo)體潛質(zhì)的，即使不能達到室溫超導(dǎo)，也有繼續(xù)研究的價值。但這個材料也不能真正代表韓國人做出來的材料，所以世界上很多機構(gòu)向韓國團隊索要原始材料，想驗證一下韓國團隊的實驗數(shù)據(jù)有沒有問題。

還有一點，雖然目前還沒有確切證據(jù)做到室溫常壓超導(dǎo)，但理論上并沒有否定室溫常壓超導(dǎo)材料存在的可能性。通過化學(xué)結(jié)構(gòu)改造實現(xiàn)室溫常壓超導(dǎo)一旦實現(xiàn)，其意義必然非同凡響。畢竟室溫常壓超導(dǎo)材料對未來的影響太大了，說性能逆天一點都不夸張。不管LK-99最終被證明是不是室溫常壓超導(dǎo)，關(guān)于室溫常壓超導(dǎo)材料的研究也都會一直進行下去。

關(guān)于室溫常壓超導(dǎo)材料的研究還會繼續(xù)，但可以肯定的是，短時間內(nèi)這類材料不可能投入使用。然而，超導(dǎo)材料本身卻已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研和生產(chǎn)活動中了。尤其是近些年高溫超導(dǎo)材料已經(jīng)被用到了電網(wǎng)中，替代傳統(tǒng)電纜并取得了不錯的效果。中國在這方面是走在世界前列的。

超導(dǎo)材料的應(yīng)用非常多，但眼下最接地氣的一項應(yīng)用還是用在電網(wǎng)節(jié)能上。大家都知道，電站發(fā)出來的電，需要經(jīng)過電線傳輸?shù)角Ъ胰f戶，甚至有些電需要跨越幾個省區(qū)遠距離傳輸，在電線有電阻的背景下，至少有10-15%的電力會損耗在電線上。如果使用超導(dǎo)材料，理論上可以把這些電給節(jié)省下來，這樣的節(jié)省甚至不亞于把所有白熾燈都換成節(jié)能燈帶來的效益。

以前沒有在電網(wǎng)上用超導(dǎo)材料，是因為傳統(tǒng)超導(dǎo)材料的使用成本太高了，液氦做冷卻劑實在太昂貴了，只有一些先進的科研設(shè)施才用得起。轉(zhuǎn)折點來自于高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，而高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)也有中國的一份功勞。

圖片2：電網(wǎng)，來自百度圖片，無版權(quán)糾紛

中國出了一位超導(dǎo)院士趙忠賢，他跟世界其他科學(xué)家同步發(fā)現(xiàn)了今天應(yīng)用最廣的高溫超導(dǎo)材料YBCO（釔鋇銅氧化物）。這種材料跟室溫超導(dǎo)材料一樣，是革命性的。YBCO可以在液氮溫度（77K，-196℃）下維持超導(dǎo)性能，相對于以往的超導(dǎo)材料只能用液氦冷卻來說，這是一個巨大的進步，也是超導(dǎo)材料從高端科研走向民用的前提。正是由于中國在這項材料的發(fā)現(xiàn)上走在了世界前列，后期的研究和應(yīng)用都跟上了世界強國的節(jié)奏，甚至大有引領(lǐng)趨勢。

由于YBCO這種高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，世界上發(fā)達國家開始了把超導(dǎo)材料應(yīng)用于電網(wǎng)的研究。這方面比較積極的國家有中國、日本、美國、韓國、德國、丹麥等國家。其中中國已經(jīng)走到了前端。

并不是說擁有了生產(chǎn)YBCO超導(dǎo)材料的技術(shù)，就擁有了生產(chǎn)超導(dǎo)電纜的能力，就可以在電網(wǎng)中鋪設(shè)超導(dǎo)電纜了，否則世界上就不是只有少數(shù)國家可以生產(chǎn)高溫超導(dǎo)電纜了。高溫超導(dǎo)電纜的結(jié)構(gòu)還是比較復(fù)雜的，而且不同類型的超導(dǎo)電纜適用于不同的應(yīng)用場景，為了讓電纜能承載足夠強的電壓和傳輸足夠大的電流，需要對電纜結(jié)構(gòu)進行特殊的設(shè)計，并不是隨便拿過來一條電纜就可以隨便適用于任何場景，也不可以任意提高電纜容量，甚至交流電纜和直流電纜的結(jié)構(gòu)也是不一樣的。

需要說明，YBCO并不是金屬材料，更像是陶瓷材料，這樣的材料生產(chǎn)出來的電纜，并不能像金屬電纜那樣可以輕松接到一起，超導(dǎo)電纜的接頭技術(shù)也涉及到了超導(dǎo)電纜的核心專利技術(shù)。而且，由于YBCO特殊的材質(zhì)和特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)的時候并不容易像金屬電纜那樣想生產(chǎn)多長就能生產(chǎn)多長。YBCO電纜往往只有幾十米，長的電纜也不過四五百米，要想拿到更長的超導(dǎo)電纜，必須借用特殊的接頭技術(shù)。

中國早在2004年就在云南普吉完成了首條電網(wǎng)超導(dǎo)線路的鋪設(shè)工作，比美國僅僅晚了四年。同年，還在甘肅白銀完成了另一條線路的鋪設(shè)。2013年，又在寶山鋼鐵股份有限公司鋪設(shè)了國內(nèi)首條領(lǐng)絕緣高溫超導(dǎo)電纜，這是一種新型的超導(dǎo)電纜，也是當下主流的一種超導(dǎo)電纜，可以說中國一直跟著世界節(jié)奏，在超導(dǎo)電纜領(lǐng)域走出了一條獨立自主的路子。

值得一提的是，2021年中國在上海鋪設(shè)了世界上最長的高溫超導(dǎo)電纜，全長1200米，相當于美國最長超導(dǎo)電纜的兩倍，比德國1000米的高溫超導(dǎo)電纜還要長。這項工程相當于讓中國在高溫超導(dǎo)電纜應(yīng)用領(lǐng)域從跟跑走向了領(lǐng)跑。不僅僅是長度世界最長，承受電壓達到35KV，電流，是同類產(chǎn)品中性能最好的。

圖片3：高溫超導(dǎo)電纜，來自百度，無版權(quán)糾紛

在研發(fā)領(lǐng)域，中國也走在了世界前列，已經(jīng)研發(fā)出了能承受220kV電壓、3kA電流的高溫超導(dǎo)電纜。也研發(fā)出了直流大容量高溫超導(dǎo)電纜，甚至研發(fā)出了單條400米以上的高溫超導(dǎo)電纜。可以說，中國在高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的布局走在了世界前列，無論是基礎(chǔ)研究還是核心專利申請，以及實際應(yīng)用研究，中國都是居于世界前列的。未來隨著技術(shù)越來越成熟，中國國家電網(wǎng)中高溫超導(dǎo)電纜的使用規(guī)模一定會遠遠超過其他國家，成為全球高溫超導(dǎo)電纜應(yīng)用的領(lǐng)頭羊，就像高鐵一樣成為世界典范。

中國執(zhí)著于推進高溫超導(dǎo)電纜在電網(wǎng)中的應(yīng)用，那高溫超導(dǎo)電纜真能實現(xiàn)0損耗傳輸電能嗎？它有哪些優(yōu)點呢？未來真有可能實現(xiàn)超導(dǎo)電纜的全替代嗎？

高溫超導(dǎo)電纜雖然能實現(xiàn)電阻為零，理論上可以實現(xiàn)零損耗傳輸電能，但實際電纜卻做不到0損耗。

首先，現(xiàn)在的電纜輸送的電力都是交流電，交流電哪怕在超導(dǎo)體中傳輸也是有損耗的，因為交流電會往外釋放電磁波，從而損失能量。未來應(yīng)該會有越來越多直流超導(dǎo)電纜投入使用，因為直流電是不會輻射電磁波的，也就避免了輻射損耗。

其次，高溫超導(dǎo)電纜也只能做到液氮溫區(qū)超導(dǎo)，溫度太高了就會產(chǎn)生電阻，不再超導(dǎo)。為了維持超導(dǎo)狀態(tài)，必須時刻用液氮來維持低溫，也就是電纜芯需要泡在液氮里面。而液氮的溫度和環(huán)境的溫度相差二百多攝氏度，不管電纜的隔熱效果有多好，也會不斷有熱量損耗，為了維持液氮溫度，必須有配套的制冷技術(shù)維持溫度，換句話說維持溫度是需要消耗電能的。

再次，YBCO電纜單條長度都不太長，往往需要借助超導(dǎo)接頭技術(shù)來銜接，接頭是做不到零電阻的。

還有，電纜內(nèi)部也有一些損耗電能的機制，就算沒有前面的這些因素，超導(dǎo)電纜也做不到完全不損耗電能。

所以，超導(dǎo)電纜并不是不損耗電能，而是比傳統(tǒng)電纜更節(jié)省電能。目前超導(dǎo)電纜的能耗水平已經(jīng)達到了普通電纜的六分之一左右，這也是非常可觀的節(jié)省了。

超導(dǎo)電纜相對于傳統(tǒng)電纜來說，除了節(jié)省電能以外還有一些優(yōu)點，比如可以在低電壓下傳輸大電流，能量損耗很少。超導(dǎo)電纜的傳輸容量比傳統(tǒng)電纜高很多，一般能達到傳統(tǒng)電纜容量的三倍以上，以前一堆電纜才能完成的傳輸任務(wù)，換成超導(dǎo)電纜一根就夠了。超導(dǎo)電纜還可以節(jié)約地下空間，在相同輸電電壓的情況下，超導(dǎo)電纜比傳統(tǒng)電纜能節(jié)省一半以上的鋪設(shè)面積，節(jié)約地下空間。

當然，高溫超導(dǎo)材料雖好，也不太可能替換所有電纜。在未來相當長的時間內(nèi)，高溫超導(dǎo)電纜只會用來制作城市內(nèi)主電纜和遠距離輸送電能的主電纜，只有在這兩類電纜中超導(dǎo)材料的優(yōu)勢才能充分發(fā)揮，也對得起鋪設(shè)這種電纜的高昂成本。一般的電纜換成超導(dǎo)電纜，成本上非常不劃算，除非未來真的可以實現(xiàn)室溫常壓超導(dǎo)電纜，那時候可能我們家里面的電線也可以換成超導(dǎo)的。這也正是大家都急切希望室溫常壓超導(dǎo)材料盡快面世的原因。

不管怎樣，中國在超導(dǎo)電纜應(yīng)用領(lǐng)域走在了世界前列，未來肯定會成為高溫超導(dǎo)電纜的最大應(yīng)用市場，成為引領(lǐng)全球的大市場。讓我們一起期待吧。

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