高溫超導體發展前景

克服成本問題就能讓高溫超導體普及。

超導體導電時的電阻基本為零，因而能規避如今電力傳輸、轉換、使用過程中的大量損耗。到目前為止，超導體的主要應用場景是強電磁場，大范圍商業應用僅限于由低溫超導體Nb47Ti構成的磁共振成像電磁鐵。阻礙低溫超導體得到更大規模應用的因素是：這種材料在使用時必須用液氦將其冷卻到4.2K以下。能夠在液氮溫度范圍（65～80K）內工作的高溫超導體有望擺脫低溫超導體的限制，從而得到大規模應用。核聚變發電可以極大程度推動國際能源機構在2050年前實現無碳經濟的愿景。現在，核聚變反應堆原型機中已經開始應用高溫超導體，從而為克服目前阻礙高溫超導體技術商業發展的成本壁壘提供了契機。

自1987年意外發現93K的高溫超導現象以來，應用高溫超導體徹底改變電力工業的想法就一直縈繞在科學家腦海，顯然，這遠超超導體的傳統應用范圍電磁鐵。雖然在后來的日子里，高溫超導體技術取得了諸多突破，但在電力工業領域的應用仍舊寥寥無幾。這很大程度上是因為高溫超導材料成本太高，用其替換早已在電力設施中大規模應用的銅、鐵制品在經濟上沒有任何可行性。因此，在過去十年里，高溫超導體的應用研究退回了制造超高場電磁鐵（使用“傳統”的低溫超導體無法實現這一目標）這一領域。從科學角度上說，這依然令人興奮，但商業應用前景有限。不過，高溫超導體使得經濟型聚變反應堆成為可能，而后者是實現2050年零碳目標的重要途徑。另外，核聚變的協同發展也會提升對高溫超導材料的需求，產能的上升顯然有助于降低這種材料的生產成本。如此種種都有可能徹底改變高溫超導材料的經濟性，特別是在替代電力技術中使用的銅鐵材料方面。緊湊型托卡馬克核聚變反應堆發展方面的主要投資現在已經初見成效，目前已經成功研制出大約1.8m×0.5m的環形磁場線圈原型。這種線圈由性能最佳的高溫超導體REBa2Cu3O7-δ（一種稀土鋇銅氧化物）構成，表面包裹著涂層導體，工作環境為20K、20T。在緊湊型托卡馬克核聚變裝置中，一組D形高溫超導體-涂層導體線圈產生環形磁場，以約束等離子體（參見下頁說明圖）。前面提到的環形磁場線圈原型使用了270千米長的稀土鋇銅氧化物（REBCO）材料，是目前在所有高場磁鐵中使用的稀土鋇銅氧化物-涂層導體材料的數倍。這一成果需要大幅擴大涂層導體的生產，于是就為按噸生產稀土鋇銅氧化物-涂層導體材料提供了契機，同時有望把成本降至足以投入大規模應用的程度。屆時，這種材料就不僅可以用于核聚變設施，更可以投入到電力工業和液氫產業中。

縱觀歷史，對新型超導體的需求主要來自高能物理學界。實際上，由于低溫超導體和高溫超導體都是極高能粒子對撞機的必要組成部分，高能物理學研究正不斷推動對這類材料的需求。20K、20T環形磁場核聚變磁鐵的成功為歐洲核子研究中心未來圓形對撞機高溫超導偶極磁體的設計和操作提供了強有力的支持。在目前的大型核子對撞機中，主要使用溫度1.8K的超流體氦為低溫超導體磁鐵降溫。這個方法雖然有效，但代價高昂。相較之下，能在15～25K溫度范圍內工作的高溫超導體可以節省大量冷卻成本。

也就是說，大型核子對撞機以及未來的類似設備有望擺脫高成本的超流體氦，甚至可能直接使用溫度在65～80K之間的液氮。正是這種誘人前景推動了人們對高溫超導體尤其是稀土鋇銅氧化物材料投入大規模應用的期待。不過，應用高溫超導體的嘗試很快就證明，這種超導材料之所以有效，還不只是因為它的高轉變溫度（或者說臨界溫度Tc）可以節省大量冷卻費用，更重要的是，高溫超導體可以在強磁場中攜帶高電流密度（Jc）。電流密度取決于各種結構缺陷能多大程度將超導體內部的量子化渦流“釘住”不動。在過去20多年里，獲取高密度電流一直是個非常活躍的研究領域。為此，首先需要了解稀土鋇銅氧化物材料的顯著各向異性——這種性質肇始于材料本身結構的各向異性，并且使得強渦流很難被釘住。稀土鋇銅氧化物可以生長成薄膜形式，同時還可結合納米級隔熱人造稀土化合物RE2O3以及BaZrO3等鈣鈦礦化合物，甚至可以在液氮溫度下釘住強渦流，從而使獲取高密度電流成為可能。

阻礙高溫超導體大規模應用的第二個問題是：高溫超導材料對任何局部抑制超導性的紊亂都相當敏感，就比如多晶導體幾乎所有晶粒之間（晶粒邊界）的情況那樣。目前主要使用的兩種低溫超導材料Nb47Ti和Nb3Sn載流子密度高、各向同性，而且是s波超導體。而銅酸鹽高溫超導材料明顯是各向異性的d波超導體。在這種材料中，除了極低角度的晶粒邊界（相鄰兩個晶粒之間的晶體取向差異很小），絕大多數晶粒邊界的載流子密度和超導性受到嚴重抑制。這就導致多晶材料晶粒間的連通性和電流密度大幅退化。于是，即便是長度遠小于1千米的高溫超導體也花了至少15年才研制出來。相較之下，低溫超導體的單根長度通常遠大于10千米。目前比較成熟的3種商用高溫超導材料分別是稀土鋇銅氧化物、鉍鍶鈣銅氧化物（BSCCO）Bi-2223和Bi-2212。無論是上述哪一種材料，要想獲得高電流密度，都必須先研發出能夠最大程度削減遠程超導電流傳輸阻礙的高晶體結構。具體到稀土鋇銅氧化物，需要一種全新的大規模氣相沉積薄膜生產方法。值得一提的是，Bi-2223和Bi-2212倒是可以通過傳統線材制造方式生產，但代價是產品品質較差，因而電流密度較低。相較之下，薄膜涂層導體制造工藝的工業化已經解決了弱渦流固定問題和晶粒邊界超導電流阻塞問題，從而使得經濟型高溫超導材料的大規模生產成為可能。

目前，全世界都在生產長度500～1 000米、幾乎全是單晶結構的稀土鋇銅氧化物—涂層導體。絕大多數采用的生產方式是：借助離子束輔助沉積（IBAD）令10～50納米厚的立方結構氧化鎂模板生長到30～100微米厚的無結構金屬襯底上，比如哈斯特洛伊耐腐蝕鎳基合金C-276。接著，一些約100納米厚的中間氧化層允許氧化鎂與1～3微米厚的稀土鋇銅氧化物層進行晶格匹配，然后由1～2微米厚的濺射銀作保護，最后再覆上更厚的5～50微米厚的銅層。一般來說，這層銅層之前就已經過電鍍處理，以保證電穩定性并防止稀土鋇銅氧化物的超導性損失。大多數（甚至可以說是所有）生產工藝都需要多個物理氣相沉積室。這類設備成本很高，吞吐速度又相對較慢，導致涂層導體的制造變得既復雜又昂貴。核聚變發電工業的迅猛發展必然導致對高溫超導材料的需求增加，這可能會帶來具有革命意義的深遠影響，推動稀土鋇銅氧化物涂層導體的生產制造進入全工業化運營階段，進而可能大幅降低成本。

衡量超導體生產成本最常使用的單位是美元每千安培每米（$/kA-m），也即在自場（沒有外部磁場）溫度77K的條件下生產1米傳輸1 000安培電流所需超導體的成本——當然，也可以把生產條件放寬到滿足需要的任何溫度和磁場強度。當前高溫超導體的批量生產價格在150～200$/kA-m。許多針對超導體商業應用可行性的分析顯示，高溫超導材料大規模應用于電力產業的成本臨界點是50$/kA-m。按照現在的遠景預測，等到高溫超導材料能以極大規模生產時，成本甚至可以低于10$/kA-m。

值得一提的是，在目前所有可以生產的超導體中，最不“有效”的（就可使用的操作場和溫度范圍而言）Nb47Ti反而是唯一能達到商業生產所需規模的。雖然鈮這種材料價格昂貴，但Nb47Ti卻是核共振成像技術能進入大眾市場的關鍵經濟驅動力，因為核共振成像技術中由Nb47Ti制成的電磁鐵可以在持續電流模式下工作，并且只需要一個小小的制冷劑就能冷卻。緊湊型核聚變反應堆需要的條件只有稀土鋇銅氧化物涂層導體才能提供，這就可以迫使許多無法容忍目前高溫超導材料高昂成本的新市場為享受這種材料無可替代的優越性而做出嘗試。

緊湊型核聚變反應堆原型需要10倍以上的高溫超導材料供應，于是，在過去的3年里，這種材料的產量從原來的一年幾百千米上升到了幾千千米。需求的急劇上升推動了技術進步，使得高溫超導材料的生產變得更加穩健且具備規模化可能，每年的產量也上漲到了數噸的水平。生產規模的迅速擴張很快就可能讓高溫超導材料的生產成本降至大約100$/kA-m。高溫超導材料的使用成本很大程度上也與超導體的電流密度與產量相關。目前，實驗室所用超導體樣本的最大電流密度達到商用超導體的2倍以上，因此，生產規模上升后，商用超導體的性能和使用成本仍有巨大提升空間。隨著生產技術的成熟，高溫超導體產量必然也會隨之上升，進而降低成本。這樣一來，高溫超導涂層導體就有了同銅、鐵制品在電力設備、風力渦輪等應用領域競爭的可能，甚至可能研發出使用氫冷超導發動機的電動飛機。

總的來說，目前，由于稀土鋇銅氧化物超導體的應用范圍有望進一步擴大，高溫超導材料及其工業應用的前景前所未有的光明，就像35年前磁共振成像電磁鐵中應用Nb47Ti為高溫超導材料擴大生產帶來的機遇一樣。緊湊型核聚變發電廠（目前尚處于原型機階段）的發展直接刺激了全球年發電量指數式增長。超導材料應用學界期待高溫超導材料能進入“成本下降—電力技術應用范圍擴大—需求增加”的良性循環，畢竟，在目前的許多電力產業中，與廣泛使用的銅、鐵乃至低溫超導制品相比，當前稀土鋇銅氧化物涂層導體的價格毫無優勢，并非經濟的選擇。我們完全可以期待高溫超導材料及其應用未來能收獲可持續的規模化市場，這無疑會為能源生產、分配、使用過程中的諸多人類活動以及醫藥業、運輸業和科研界帶來可觀的公共利益。

資料來源 Science