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一、室溫超導(dǎo)：百年夢想，創(chuàng)新涌現(xiàn)

1.1 超導(dǎo)及超導(dǎo)材料體系：百年研究歷程，向高溫不斷進發(fā)

有限溫度下的零電阻、完全抗磁特性是超導(dǎo)體的核心特性。超導(dǎo)現(xiàn)象自 1911 年被發(fā)現(xiàn)以來就備受全球科學(xué)家關(guān)注。所謂超導(dǎo)現(xiàn)象，實際上是電子系統(tǒng)在凝聚態(tài)物質(zhì)中發(fā)生量子凝聚后表現(xiàn)出的奇異性質(zhì), 如有限溫度下的零電阻和完全抗磁特性等。（1）臨界溫度：超導(dǎo)體的臨界溫度是超導(dǎo)體研究的核心之一，決定了超導(dǎo)體的實際應(yīng)用與制備方法。所謂臨界溫度，即超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)（0 電阻）時的溫度，實際上也就是把 Cooper 電子對解體開來的溫度。（2）完全抗磁特性：即磁場中的金屬處于超導(dǎo)狀態(tài)時，體內(nèi)磁感應(yīng)強度為零的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象又被稱為邁斯納效應(yīng)。

臨界溫度超過 40K 的超導(dǎo)體被稱為高溫超導(dǎo)體，在工程實踐中意義重大。根據(jù) Hualei Sun 等于2023 年 7 月 12 日發(fā)表在《Nature》雜志的論文《Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure》，基于 1957 年三位美國科學(xué)家巴丁、庫珀、施里弗提出的電聲子耦合超導(dǎo)配對凝聚理論（即 B-C-S 理論），麥克米蘭等人推斷傳統(tǒng)金屬超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度不會超過 40 K，即約零下 233 攝氏度。1986 年，荷蘭科學(xué)家繆勒和柏諾茲在一種銅氧化物材料中發(fā)現(xiàn)了 35 K 的超導(dǎo)電性，隨后被包括中國科學(xué)家在內(nèi)的多國科學(xué)家將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高到 90 K 以上。銅氧化物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以超過液氮沸點 77 K，極大降低了制冷成本，為超導(dǎo)材料的應(yīng)用提供了巨大潛力。然而，銅氧化物中的高溫超導(dǎo)電性無法用電聲子耦合機制來完全理解，它們也被劃分為非常規(guī)超導(dǎo)材料，其機理成為近 40 年來物理學(xué)中最重要的前沿科學(xué)問題之一。人們也一直在尋找其他具有較高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的非常規(guī)超導(dǎo)材料。2008 年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導(dǎo)體成為第二類突破 40 K 的高溫超導(dǎo)家族，其塊材最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為 55 K，但至今尚未能突破液氮溫區(qū)。

1.2 LK-99 特殊之處：簡單的材料體系，常溫常壓的超導(dǎo)條件

LK-99 在常壓下的臨界溫度 Tc 高達約 127 攝氏度（400K），遠超目前所有已知材料體系。根據(jù)A. P. Drozdov 等于 2019 年發(fā)表在《Nature》上的論文《Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures》，十氫化鑭（??????10）是目前已知的臨界溫度最高的超導(dǎo)體，其臨界溫度達 260K 以上，但需要在 190 萬個大氣壓下才能實現(xiàn)。然而，LK-99 在常壓下的臨界溫度Tc 高達約 127 攝氏度（400K），且如若驗證為真，可能將顛覆現(xiàn)有關(guān)于超導(dǎo)現(xiàn)象的認知。
LK-99 材料體系較為“簡單”。根據(jù)《Superconductor ????10?x??????(????4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism》論文，LK-99 為一種摻雜銅的鉛磷灰石材料體系，其可通過????2????5與 ????3??進行固相反應(yīng)合成，論文中也給出了較為詳細的實驗條件和參數(shù)。

11.3 LK-99 超導(dǎo)的可行性淺探：原理或可行，但仍需實驗復(fù)現(xiàn)

傳統(tǒng)的 BCS 理論在高溫超導(dǎo)體解釋方面遇到了較大困難?；?B-C-S 理論，常壓下超導(dǎo)體的臨界溫度不會超過 40K（零下 233℃）。但高溫超導(dǎo)體（主要是銅氧化物超導(dǎo)體）在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面具有不同于傳統(tǒng)超導(dǎo)體的顯著特點，從而使 BCS 理論在高溫超導(dǎo)微觀機理的解釋上變得困難重重。到目前為止，但還沒有一種能同時解釋低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)微觀機制的理論，也沒有一種能將超導(dǎo)態(tài)下的超導(dǎo)電子與常態(tài)下的自由電子相統(tǒng)一的理論。

LK-99 巧妙的晶體結(jié)構(gòu)，或用“內(nèi)壓”替代“外壓”，從而實現(xiàn)常壓室溫超導(dǎo)。施加壓力可以提高材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，原因是壓力可以壓縮晶格結(jié)構(gòu)，增加電子之間的距離，從而降低電子間的庫侖斥力，促進超導(dǎo)電子對的形成。同時增加壓力還可以減少材料的晶格缺陷，提高材料的超導(dǎo)性能。因此傳統(tǒng)上，高溫超導(dǎo)往往需要借助外加較大壓力來實現(xiàn)。根據(jù)論文的觀點，LK-99 之所以具備室溫超導(dǎo)特性，原因在于通過銅原子對鉛原子的替代，在晶格中造成了微小畸變（產(chǎn)生了約 0.48%的體積收縮），而鉛原子和磷酸氧之間通過結(jié)構(gòu)畸變和應(yīng)變產(chǎn)生了量子阱（SQW），電子通過量子隧穿效應(yīng)在量子阱（SQW）之間移動時，實現(xiàn)了零電阻，從而使 LK-99 獲得了超導(dǎo)性。美國勞倫斯-伯克利國家實驗室的 Sin′ead M. Griffin 發(fā)表的《Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite》的論文似乎也通過理論結(jié)算驗證了該結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)可行性。

二、超導(dǎo)材料應(yīng)用現(xiàn)狀：以低溫超導(dǎo)材料為主，應(yīng)用于醫(yī)療、科研等領(lǐng)域

目前以????????和??????????為代表的低溫超導(dǎo)材料，由于其具有優(yōu)良的機械加工性能和成本優(yōu)勢，在相當(dāng)長的時期內(nèi)仍將在商業(yè)化超導(dǎo)市場中處于主導(dǎo)地位。其絕大部分應(yīng)用都是基于超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括 MRI、ITER、加速器、科研用特種磁體等。

2.1 MRI 用超導(dǎo)磁體

MRI 是當(dāng)前超導(dǎo)材料的最主要應(yīng)用領(lǐng)域。MRI 是一種生物磁自旋成像技術(shù)，它利用原子核自旋運動的特點，在外加磁場內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激發(fā)后產(chǎn)生信號，經(jīng)過計算機處理轉(zhuǎn)換后獲得圖像。與基于 CT（計算機 X-射線斷層攝影術(shù)）的 X 射線技術(shù)不同，MRI 對人體不會產(chǎn)生放射性損傷，可以實現(xiàn)三維立體掃描、成像圖像分辨率高、對腫瘤早期診斷有較高的臨床價值，已經(jīng)廣泛運用于全身各部位臟器的疾病診斷中。與永磁型 MRI 相比，超導(dǎo) MRI 成像區(qū)磁場高，所以可以獲得更高的分辨率，通過閉環(huán)運行方式實現(xiàn)磁場空間和時間穩(wěn)定性更高，一般可達 10 年以上而不變化。這就決定了超導(dǎo) MRI 具有永磁型 MRI 無可比擬的優(yōu)勢。

2.2 核聚變

隨著石油等化石能源的逐漸枯竭，人們竭力尋找新能源，核聚變作為一種可能的清潔能源受到了廣泛關(guān)注和研究。核聚變產(chǎn)生的能量是核裂變的 3～4 倍，其副產(chǎn)品是惰性、無毒的氦氣，不會影響環(huán)境安全。從發(fā)展趨勢看，可控核聚變有望成為一項清潔、安全且用之不盡的能量生產(chǎn)技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
磁約束是可控核聚變的必要條件之一。核聚變產(chǎn)生能源的基本原理是由于氫的同位素——輕原子核氘和氚結(jié)合成較重的原子核氦時會釋放巨大能量。地球上沒有物質(zhì)可以承載核聚變所產(chǎn)生的高溫，這使得聚變反應(yīng)的物質(zhì)無處盛放。但只要利用等離子體導(dǎo)電這一性質(zhì)，就能夠?qū)崿F(xiàn)聚變物質(zhì)的變相存放，目前主要通過磁約束（又稱托卡馬克約束）來限制和控制不同的溫度。
以國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）為例，它是采用超導(dǎo)材料產(chǎn)生的強磁場對高溫等離子體進行約束以使其避免與容器壁接觸。ITER 是一個超大型托卡馬克裝置，高約 30 米，等離子體環(huán)的半徑超過 6 米，目標是把等離子體加熱到 10 億度，維持 500 秒的核聚變實驗，每小時用 5 萬度電的能量，釋放出 50 萬度電的能量。ITER 裝置的主體部分是一個用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形真空容器，目前 ITER 設(shè)計共有超導(dǎo)大型磁體 48 個，具體包括：18 個縱場線圈（TF）、6個極向場線圈（PF）、6 個中心螺管線圈組成的中心螺管（CS）和 18 個校正場線圈（CC），其中 TF 和 PF 采用 Nb3Sn 超導(dǎo)線，CS 和 CC 采用 NbTi 超導(dǎo)線，將產(chǎn)生高達 13T 的磁場，超過地磁場的 20 萬倍。

2.3 超導(dǎo)磁懸浮磁懸浮

交通通過電磁力來實現(xiàn)懸浮、導(dǎo)向和牽引。磁懸浮交通系統(tǒng)是一種非接觸式運輸技術(shù)，無機械接觸磨損，運行速度高。通過電磁鐵異性相吸、同性相斥的原理，完成列車懸浮操作。在列車車頭設(shè)置 N 極電磁體，在靠前軌道設(shè)置 S 極電磁鐵，兩者相互作用產(chǎn)生吸引力，在靠后軌道 N極電磁體的作用下產(chǎn)生排斥力，生成列車驅(qū)動力。列車前進時，軌道兩側(cè)線圈中的電流形成反向流動狀態(tài)，S 極與 N 極進行交換，通過不斷循環(huán)保證列車可以始終處于運行狀態(tài)。

超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)能夠產(chǎn)生更大的懸浮力和牽引力，達到更高的能量利用效率和更高的列車運行速度。超導(dǎo)技術(shù)是保證列車應(yīng)用質(zhì)量的重要手段之一，也是磁懸浮列車研究重點內(nèi)容。超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計主要借助超導(dǎo)體的完全抗磁性，在運行過程中，放置在軌道上的線圈與車身之間的超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強大的排斥力以實現(xiàn)懸浮。在磁懸浮系統(tǒng)中，使用超導(dǎo)材料制成的線圈具有高電流密度、低損耗傳輸?shù)膬?yōu)點，因此可以產(chǎn)生更大的磁場，從而產(chǎn)生更大的懸浮力和牽引力，以達到更高的能量利用效率和更高的列車運行速度。
超導(dǎo)磁懸浮已獲得應(yīng)用。日本國有鐵道（Japanese National Railways）長期致力于高速超導(dǎo)電動懸浮列車研究。2015 年 4 月 21 日，日本低溫超導(dǎo)電動磁浮 L0 系車型在山梨試驗線上跑出了載人603 km/h 的世界紀錄。2021 年 1 月 13 日，世界首條高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗線在四川成都正式啟用，設(shè)計時速 620 km/h，由我國自主研發(fā)設(shè)計、自主制造，標志著我國高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化研究實現(xiàn)從無到有的突破。

2.4 超導(dǎo)電纜

超導(dǎo)電纜具有輸送容量高、損耗低等優(yōu)點，為解決超大型城市高負荷密度區(qū)供電問題提供了新的方案。高溫超導(dǎo)電纜具有輸送容量高、線路損耗低、占地走廊小、安全環(huán)保、可實現(xiàn)大功率電力傳輸?shù)葍?yōu)勢，可以解決城市電網(wǎng)電力供需關(guān)系緊張、地下輸配電走廊趨于飽和等問題，助力實現(xiàn)國家“雙碳”目標。高溫超導(dǎo)電纜與傳統(tǒng)電纜在結(jié)構(gòu)上存在一定的區(qū)別。高溫超導(dǎo)電纜從內(nèi)到外依次為支撐管、導(dǎo)體層、絕緣層、屏蔽層、絕熱層；高溫超導(dǎo)電纜需要運行于特定的工作溫度，因此都裝配了一套額外的冷卻系統(tǒng)。2021 年 9 月 28 日，我國首條 10 kV 三相同軸高溫超導(dǎo)交流電纜在深圳投運，為深圳地標平安大廈等重要負荷供電，標志著我國的超導(dǎo)電纜開始走入普通百姓的生活中。該電纜采用三相同軸低溫絕緣結(jié)構(gòu)，直徑 17.5 cm，長 400 m 輸電容量 43 MV·A，可實現(xiàn) 5 倍于常規(guī)電纜的輸電能力，該示范工程為解決超大型城市高負荷密度區(qū)供電問題提供了新的方案。

三、室溫超導(dǎo)實現(xiàn)遠景：電力輸送、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域或迎來巨大變革

室溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，或大幅改變能源傳輸和儲存領(lǐng)域，超導(dǎo)材料意味著電流可以無損耗地傳輸，大大提高電力輸送的效率。目前，電力輸送中存在能量損耗和線路阻抗的問題，而室溫超導(dǎo)技術(shù)有望解決這些問題，減少能源浪費，提高能源利用效率。室溫超導(dǎo)能夠在常溫下實現(xiàn)零電阻傳輸，極大提高能源效率，將對電力輸送、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域帶來革命性的變革。
3.1 能源傳輸帶來電力系統(tǒng)的重建

若實現(xiàn)室溫超導(dǎo)，將會有無損電網(wǎng)的出現(xiàn)，其能夠極長距離的傳輸電力，或迎來電力系統(tǒng)的重建。
我國的西電東送工程在過去的幾十年中補足了東部地區(qū)的大量能源缺口，然而這一工程是建立在特高壓輸電技術(shù)上的，由于輸電材料的電阻，輸電過程中的電能有近 15%的損耗。
3.1.1 清潔能源：常溫可控核聚變

超導(dǎo)過去只能在低溫環(huán)境中實現(xiàn)，國際熱核聚變堆 ITER，就是采用了超低溫超導(dǎo)技術(shù)，但因為要配套復(fù)雜的液氦冷卻系統(tǒng)，工藝復(fù)雜，造價高昂，難以普及。若實現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，電阻就能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎為零，可控核聚變的難度能夠大幅降低，核聚變發(fā)電的成本能夠大幅下降，發(fā)電的問題就能夠得到解決。
核聚變的兩大絕對優(yōu)勢為（1）無窮的能量密度（2）無窮的燃料資源。
核聚變的能量密度非常大。根據(jù)《核聚變發(fā)電的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢》顯示，以 100 萬千瓦的電站一年所需燃料進行對比，傳統(tǒng)的燃煤電廠需要大約 200 萬噸煤；燃油電廠需要約 130 萬噸燃油；核裂變電廠需要約 30 噸 UO2，大約一個火車皮；而核聚變?nèi)剂想南拇蟾?0.6 噸，大約等同于一輛皮卡的容量。核聚變的最佳燃料是氘與氚，其原料可直接取自海水，來源幾乎取之不盡，且核聚變過程無二氧化碳排放，完全無放射性或無長壽命放射性廢物排放，因此相對于化石能源和裂變核能，核聚變能是人類未來更理想的新能源。

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