界面新聞實習(xí)記者 | 蔣習(xí) 金秋野
時隔六個月,美國研究團(tuán)隊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)隊在拉斯維加斯舉行的美國物理學(xué)會會議上宣布,在室溫超導(dǎo)領(lǐng)域取得重大突破。
Dias團(tuán)隊稱,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,范圍則相對較廣。
超導(dǎo)即超級導(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、磁懸浮運輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲能等。
因為沒有了電阻,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,就能實現(xiàn)電流快速傳輸。
因此有觀點認(rèn)為,若常溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實,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、高電壓等級輸電線路,具有大容量、高效率的特點,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)如果真的實現(xiàn),那就太厲害了?!币晃浑娋W(wǎng)業(yè)內(nèi)人士對界面新聞稱,“但Dias團(tuán)隊目前實現(xiàn)超導(dǎo)的條件是1萬個大氣壓,這和超低溫的要求相比,并不輕松?!?/span>
1萬個大氣壓相當(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)家對界面新聞稱,1萬個大氣壓的壓強(qiáng),在很多條件下可以實現(xiàn),比如油壓機(jī),很多實驗室也可以達(dá)到這一壓強(qiáng)。
“技術(shù)顛覆性不會來的這么快,全面替代為時過早?!?nbsp;中國科學(xué)院物理研究所研究員羅會仟在一場線上采訪上則對界面新聞表示,1萬個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。”羅會仟稱,目前國內(nèi)的高壓輸電技術(shù)已經(jīng)非常成熟,暫時不會被替代。
“理論離工程應(yīng)用還很遠(yuǎn)?!倍辔浑娋W(wǎng)人士也對界面新聞稱。
羅會仟表示,基于目前的高壓合成測量技術(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。
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、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現(xiàn)。
羅會仟還表示,超導(dǎo)體還可能應(yīng)用于超導(dǎo)接頭,使得很多大功率運行的設(shè)備會更加安全和穩(wěn)定。
因超導(dǎo)材料可以實現(xiàn)強(qiáng)大電流,進(jìn)而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。也有觀點稱,常溫超導(dǎo)實現(xiàn)后,實現(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。
實現(xiàn)核聚變發(fā)電的難點包括如何實現(xiàn)上億度點火和穩(wěn)定長時間約束控制。
一位不愿具名的核電業(yè)內(nèi)人士對界面新聞稱,要實現(xiàn)核聚變,溫度、密度和約束時間是三個關(guān)鍵因素。若實現(xiàn)室溫超導(dǎo),就可以實現(xiàn)約束密度平方級增加,核聚變實現(xiàn)難度大幅降低,人類實現(xiàn)聚變能量應(yīng)用的前景會提前實現(xiàn)。
“從科學(xué)界看,室溫超導(dǎo)技術(shù)的突破振奮人心,存在很大價值?!币晃缓司圩冾I(lǐng)域的專家則對界面新聞稱,但目前室溫實現(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比,是值得考慮的問題。
羅會仟表示,核聚變研究難度會大很多。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,但要真正實現(xiàn)發(fā)電還需要繼續(xù)努力。”他說。
他認(rèn)為,即使實現(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>羅會仟稱。