界面新聞實(shí)習(xí)記者 | 蔣習(xí) 金秋野
時(shí)隔六個(gè)月，美國研究團(tuán)隊(duì)再次宣稱獲得室溫超導(dǎo)技術(shù)新突破，引爆了物理圈。
3月7日，紐約羅徹斯特大學(xué)物理學(xué)家Ranga Dias及其團(tuán)隊(duì)在拉斯維加斯舉行的美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上宣布，在室溫超導(dǎo)領(lǐng)域取得重大突破。
Dias團(tuán)隊(duì)稱，通過使用由氫、氮和镥制成的新材料，可以在1GPa壓強(qiáng)條件和294K（即21攝氏度）的常溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)特性。該研究成果已發(fā)表在英國《自然》雜志上。
室溫超導(dǎo)即在常溫條件下實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象。按照凝聚態(tài)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，室溫指300K（27攝氏度）。日常所說的室溫，范圍則相對(duì)較廣。
超導(dǎo)即超級(jí)導(dǎo)電，這一現(xiàn)象是指電流可以在材料中零電阻通過，且具有完全抗磁性。一般情況下，材料在較低的溫度下才能進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。
1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯將汞降溫至4.2K（即零下269攝氏度）后，發(fā)現(xiàn)超低溫下汞材料的電阻降低為零。超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，包括電力、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等。
因?yàn)闆]有了電阻，意味著電流在傳輸過程中沒有損耗，電線兩端不需要變電站進(jìn)行電壓控制，就能實(shí)現(xiàn)電流快速傳輸。
因此有觀點(diǎn)認(rèn)為，若常溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實(shí)，特高壓輸電技術(shù)將被取代，徹底顛覆目前的輸電模式。
特高壓電網(wǎng)是指1000千伏及以上交流電網(wǎng)或±800千伏及以上直流電網(wǎng)，為遠(yuǎn)距離、高電壓等級(jí)輸電線路，具有大容量、高效率的特點(diǎn)，其中關(guān)鍵設(shè)備之一是設(shè)立特高壓變電站。目前，中國特高壓輸電技術(shù)位居世界前列。
“常溫超導(dǎo)如果真的實(shí)現(xiàn)，那就太厲害了?！币晃浑娋W(wǎng)業(yè)內(nèi)人士對(duì)界面新聞稱，“但Dias團(tuán)隊(duì)目前實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的條件是1萬個(gè)大氣壓，這和超低溫的要求相比，并不輕松?！?/span>
1萬個(gè)大氣壓相當(dāng)于十萬米水深處的壓強(qiáng)。地球海洋深度最大地方是馬里亞納海溝，深度僅1.1萬米。
但有不愿具名的華人科學(xué)家對(duì)界面新聞稱，1萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)，在很多條件下可以實(shí)現(xiàn)，比如油壓機(jī)，很多實(shí)驗(yàn)室也可以達(dá)到這一壓強(qiáng)。
“技術(shù)顛覆性不會(huì)來的這么快，全面替代為時(shí)過早?！?nbsp;中國科學(xué)院物理研究所研究員羅會(huì)仟在一場(chǎng)線上采訪上則對(duì)界面新聞表示，1萬個(gè)大氣壓的條件仍然很高。
此外，室溫超導(dǎo)技術(shù)或材料想要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，成本是非常重要考量因素。“要替代現(xiàn)有電網(wǎng)，成本要很低才行?！绷_會(huì)仟稱，目前國內(nèi)的高壓輸電技術(shù)已經(jīng)非常成熟，暫時(shí)不會(huì)被替代。
“理論離工程應(yīng)用還很遠(yuǎn)。”多位電網(wǎng)人士也對(duì)界面新聞稱。
羅會(huì)仟表示，基于目前的高壓合成測(cè)量技術(shù)，室溫超導(dǎo)材料的樣品產(chǎn)量非常低，且常壓下不一定穩(wěn)定，室溫超導(dǎo)不可能有大規(guī)模的應(yīng)用。如果未來不需要高壓即可合成超導(dǎo)材料，即使溫度沒有真正到室溫，在接近室溫情況下，用途也將非常廣。
羅會(huì)仟認(rèn)為，相比于替代長距離特高壓、超高壓輸電網(wǎng)，在城市大廈中率先使用超導(dǎo)電纜，更為現(xiàn)實(shí)。
2021年9月28日，中國首條自主研制的新型超導(dǎo)電纜在深圳平安金融中心投入使用，這也是全球首個(gè)應(yīng)用于超大型城市中心區(qū)的超導(dǎo)電纜，標(biāo)志著中國已全面掌握新型超導(dǎo)電纜設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)的關(guān)鍵核心技術(shù)。
據(jù)南方電網(wǎng)介紹，這條直徑僅17.5厘米、長400米的高溫超導(dǎo)交流電纜，數(shù)倍于常規(guī)電纜的電量輸送能力。
羅會(huì)仟指出，以平安金融中心為例，未來大城市的輸電可像管道一樣埋在地下，發(fā)電廠到城市依舊使用高壓電網(wǎng)，這樣城市上空沒有輸電線，此種情況可能可以實(shí)現(xiàn)。
羅會(huì)仟還表示，超導(dǎo)體還可能應(yīng)用于超導(dǎo)接頭，使得很多大功率運(yùn)行的設(shè)備會(huì)更加安全和穩(wěn)定。
因超導(dǎo)材料可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大電流，進(jìn)而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。也有觀點(diǎn)稱，常溫超導(dǎo)實(shí)現(xiàn)后，實(shí)現(xiàn)核聚變的托卡馬克裝置，將不要使用液氮冷卻裝置，將極大促進(jìn)可控核聚變的發(fā)展。
核聚變被認(rèn)為是解決人類能源需求的終極方案。與目前廣泛應(yīng)用的核裂變相比，核聚變不產(chǎn)生核廢料、輻射少、不產(chǎn)生有害及溫室氣體，更為清潔、高效和安全。
實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電的難點(diǎn)包括如何實(shí)現(xiàn)上億度點(diǎn)火和穩(wěn)定長時(shí)間約束控制。
一位不愿具名的核電業(yè)內(nèi)人士對(duì)界面新聞稱，要實(shí)現(xiàn)核聚變，溫度、密度和約束時(shí)間是三個(gè)關(guān)鍵因素。若實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，就可以實(shí)現(xiàn)約束密度平方級(jí)增加，核聚變實(shí)現(xiàn)難度大幅降低，人類實(shí)現(xiàn)聚變能量應(yīng)用的前景會(huì)提前實(shí)現(xiàn)。
“從科學(xué)界看，室溫超導(dǎo)技術(shù)的突破振奮人心，存在很大價(jià)值。”一位核聚變領(lǐng)域的專家則對(duì)界面新聞稱，但目前室溫實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，還需要很高的壓力，尚處于研究領(lǐng)域，談不上應(yīng)用。
該人士稱，1GPa壓強(qiáng)條件，完全超出目前托卡馬克裝置所能提供的環(huán)境。如果說，托卡馬克裝置能提供這個(gè)環(huán)境，那必定要消耗巨大的成本，最后產(chǎn)出的電具不具備性價(jià)比，是值得考慮的問題。
羅會(huì)仟表示，核聚變研究難度會(huì)大很多。目前核聚變使用最多的超導(dǎo)材料是鈮鈦線，下一步突破是鈮三錫材料。但鈮三錫材料經(jīng)過升溫、降溫的過程，在強(qiáng)磁場(chǎng)下性能退化速度快。
“盡管超導(dǎo)核聚變技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了多年，但要真正實(shí)現(xiàn)發(fā)電還需要繼續(xù)努力?！彼f。
他認(rèn)為，即使實(shí)現(xiàn)了核聚變，使用的磁體依舊以傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體為主，并不是今天的室溫超導(dǎo)磁體?！斑@些室溫超導(dǎo)磁體的應(yīng)用，那可能是幾十年以后的事情了?！?/span>羅會(huì)仟稱。