钢铁行业室温超导深度报告：室温超导，百年梦想，创新涌现

积善书屋 2023-08-15 发布于河南

展开全文

报告出品方：东方证券

以下为报告原文节选

------

一、室温超导：百年梦想，创新涌现

1.1 超导及超导材料体系：百年研究历程，向高温不断进发

有限温度下的零电阻、完全抗磁特性是超导体的核心特性。超导现象自 1911 年被发现以来就备受全球科学家关注。所谓超导现象，实际上是电子系统在凝聚态物质中发生量子凝聚后表现出的奇异性质, 如有限温度下的零电阻和完全抗磁特性等。（1）临界温度：超导体的临界温度是超导体研究的核心之一，决定了超导体的实际应用与制备方法。所谓临界温度，即超导体从正常态转变为超导态（0 电阻）时的温度，实际上也就是把 Cooper 电子对解体开来的温度。（2）完全抗磁特性：即磁场中的金属处于超导状态时，体内磁感应强度为零的现象。这一现象又被称为迈斯纳效应。

临界温度超过 40K 的超导体被称为高温超导体，在工程实践中意义重大。根据 Hualei Sun 等于2023 年 7 月 12 日发表在《Nature》杂志的论文《Signatures of superconductivity near 80 K in a nickelate under high pressure》，基于 1957 年三位美国科学家巴丁、库珀、施里弗提出的电声子耦合超导配对凝聚理论（即 B-C-S 理论），麦克米兰等人推断传统金属超导体的转变温度不会超过 40 K，即约零下 233 摄氏度。1986 年，荷兰科学家缪勒和柏诺兹在一种铜氧化物材料中发现了 35 K 的超导电性，随后被包括中国科学家在内的多国科学家将超导转变温度提高到 90 K 以上。铜氧化物的超导转变温度可以超过液氮沸点 77 K，极大降低了制冷成本，为超导材料的应用提供了巨大潜力。然而，铜氧化物中的高温超导电性无法用电声子耦合机制来完全理解，它们也被划分为非常规超导材料，其机理成为近 40 年来物理学中最重要的前沿科学问题之一。人们也一直在寻找其他具有较高超导转变温度的非常规超导材料。2008 年发现的铁基超导体成为第二类突破 40 K 的高温超导家族，其块材最高超导转变温度为 55 K，但至今尚未能突破液氮温区。

1.2 LK-99 特殊之处：简单的材料体系，常温常压的超导条件

LK-99 在常压下的临界温度 Tc 高达约 127 摄氏度（400K），远超目前所有已知材料体系。根据A. P. Drozdov 等于 2019 年发表在《Nature》上的论文《Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures》，十氢化镧（𝐿𝑎𝐻10）是目前已知的临界温度最高的超导体，其临界温度达 260K 以上，但需要在 190 万个大气压下才能实现。然而，LK-99 在常压下的临界温度Tc 高达约 127 摄氏度（400K），且如若验证为真，可能将颠覆现有关于超导现象的认知。

LK-99 材料体系较为“简单”。根据《Superconductor 𝑃𝑏10−x𝐶𝑢𝑥(𝑃𝑂4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism》论文，LK-99 为一种掺杂铜的铅磷灰石材料体系，其可通过𝑃𝑏2𝑆𝑂5与 𝐶𝑢3𝑃进行固相反应合成，论文中也给出了较为详细的实验条件和参数。

11.3 LK-99 超导的可行性浅探：原理或可行，但仍需实验复现

传统的 BCS 理论在高温超导体解释方面遇到了较大困难。基于 B-C-S 理论，常压下超导体的临界温度不会超过 40K（零下 233℃）。但高温超导体（主要是铜氧化物超导体）在结构和性质方面具有不同于传统超导体的显著特点，从而使 BCS 理论在高温超导微观机理的解释上变得困难重重。到目前为止，但还没有一种能同时解释低温超导和高温超导微观机制的理论，也没有一种能将超导态下的超导电子与常态下的自由电子相统一的理论。

LK-99 巧妙的晶体结构，或用“内压”替代“外压”，从而实现常压室温超导。施加压力可以提高材料的超导转变温度，原因是压力可以压缩晶格结构，增加电子之间的距离，从而降低电子间的库仑斥力，促进超导电子对的形成。同时增加压力还可以减少材料的晶格缺陷，提高材料的超导性能。因此传统上，高温超导往往需要借助外加较大压力来实现。根据论文的观点，LK-99 之所以具备室温超导特性，原因在于通过铜原子对铅原子的替代，在晶格中造成了微小畸变（产生了约 0.48%的体积收缩），而铅原子和磷酸氧之间通过结构畸变和应变产生了量子阱（SQW），电子通过量子隧穿效应在量子阱（SQW）之间移动时，实现了零电阻，从而使 LK-99 获得了超导性。美国劳伦斯-伯克利国家实验室的 Sin´ead M. Griffin 发表的《Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite》的论文似乎也通过理论结算验证了该结构的超导可行性。

二、超导材料应用现状：以低温超导材料为主，应用于医疗、科研等领域

目前以𝑵𝒃𝑻𝒊和𝑵𝒃𝟑𝑺𝒏为代表的低温超导材料，由于其具有优良的机械加工性能和成本优势，在相当长的时期内仍将在商业化超导市场中处于主导地位。其绝大部分应用都是基于超导磁体产生的强磁场，主要应用领域包括 MRI、ITER、加速器、科研用特种磁体等。

2.1 MRI 用超导磁体

MRI 是当前超导材料的最主要应用领域。MRI 是一种生物磁自旋成像技术，它利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，经过计算机处理转换后获得图像。与基于 CT（计算机 X-射线断层摄影术）的 X 射线技术不同，MRI 对人体不会产生放射性损伤，可以实现三维立体扫描、成像图像分辨率高、对肿瘤早期诊断有较高的临床价值，已经广泛运用于全身各部位脏器的疾病诊断中。与永磁型 MRI 相比，超导 MRI 成像区磁场高，所以可以获得更高的分辨率，通过闭环运行方式实现磁场空间和时间稳定性更高，一般可达 10 年以上而不变化。这就决定了超导 MRI 具有永磁型 MRI 无可比拟的优势。

2.2 核聚变

随着石油等化石能源的逐渐枯竭，人们竭力寻找新能源，核聚变作为一种可能的清洁能源受到了广泛关注和研究。核聚变产生的能量是核裂变的 3～4 倍，其副产品是惰性、无毒的氦气，不会影响环境安全。从发展趋势看，可控核聚变有望成为一项清洁、安全且用之不尽的能量生产技术，具有广阔的应用前景。

磁约束是可控核聚变的必要条件之一。核聚变产生能源的基本原理是由于氢的同位素——轻原子核氘和氚结合成较重的原子核氦时会释放巨大能量。地球上没有物质可以承载核聚变所产生的高温，这使得聚变反应的物质无处盛放。但只要利用等离子体导电这一性质，就能够实现聚变物质的变相存放，目前主要通过磁约束（又称托卡马克约束）来限制和控制不同的温度。

以国际热核聚变实验反应堆（ITER）为例，它是采用超导材料产生的强磁场对高温等离子体进行约束以使其避免与容器壁接触。ITER 是一个超大型托卡马克装置，高约 30 米，等离子体环的半径超过 6 米，目标是把等离子体加热到 10 亿度，维持 500 秒的核聚变实验，每小时用 5 万度电的能量，释放出 50 万度电的能量。ITER 装置的主体部分是一个用磁约束来实现受控核聚变的环形真空容器，目前 ITER 设计共有超导大型磁体 48 个，具体包括：18 个纵场线圈（TF）、6个极向场线圈（PF）、6 个中心螺管线圈组成的中心螺管（CS）和 18 个校正场线圈（CC），其中 TF 和 PF 采用 Nb3Sn 超导线，CS 和 CC 采用 NbTi 超导线，将产生高达 13T 的磁场，超过地磁场的 20 万倍。

2.3 超导磁悬浮磁悬浮

交通通过电磁力来实现悬浮、导向和牵引。磁悬浮交通系统是一种非接触式运输技术，无机械接触磨损，运行速度高。通过电磁铁异性相吸、同性相斥的原理，完成列车悬浮操作。在列车车头设置 N 极电磁体，在靠前轨道设置 S 极电磁铁，两者相互作用产生吸引力，在靠后轨道 N极电磁体的作用下产生排斥力，生成列车驱动力。列车前进时，轨道两侧线圈中的电流形成反向流动状态，S 极与 N 极进行交换，通过不断循环保证列车可以始终处于运行状态。

超导磁悬浮系统能够产生更大的悬浮力和牵引力，达到更高的能量利用效率和更高的列车运行速度。超导技术是保证列车应用质量的重要手段之一，也是磁悬浮列车研究重点内容。超导磁悬浮系统的设计主要借助超导体的完全抗磁性，在运行过程中，放置在轨道上的线圈与车身之间的超导线圈产生强大的排斥力以实现悬浮。在磁悬浮系统中，使用超导材料制成的线圈具有高电流密度、低损耗传输的优点，因此可以产生更大的磁场，从而产生更大的悬浮力和牵引力，以达到更高的能量利用效率和更高的列车运行速度。

超导磁悬浮已获得应用。日本国有铁道（Japanese National Railways）长期致力于高速超导电动悬浮列车研究。2015 年 4 月 21 日，日本低温超导电动磁浮 L0 系车型在山梨试验线上跑出了载人603 km/h 的世界纪录。2021 年 1 月 13 日，世界首条高温超导高速磁浮工程化样车及试验线在四川成都正式启用，设计时速 620 km/h，由我国自主研发设计、自主制造，标志着我国高温超导高速磁浮工程化研究实现从无到有的突破。

2.4 超导电缆

超导电缆具有输送容量高、损耗低等优点，为解决超大型城市高负荷密度区供电问题提供了新的方案。高温超导电缆具有输送容量高、线路损耗低、占地走廊小、安全环保、可实现大功率电力传输等优势，可以解决城市电网电力供需关系紧张、地下输配电走廊趋于饱和等问题，助力实现国家“双碳”目标。高温超导电缆与传统电缆在结构上存在一定的区别。高温超导电缆从内到外依次为支撑管、导体层、绝缘层、屏蔽层、绝热层；高温超导电缆需要运行于特定的工作温度，因此都装配了一套额外的冷却系统。2021 年 9 月 28 日，我国首条 10 kV 三相同轴高温超导交流电缆在深圳投运，为深圳地标平安大厦等重要负荷供电，标志着我国的超导电缆开始走入普通百姓的生活中。该电缆采用三相同轴低温绝缘结构，直径 17.5 cm，长 400 m 输电容量 43 MV·A，可实现 5 倍于常规电缆的输电能力，该示范工程为解决超大型城市高负荷密度区供电问题提供了新的方案。

三、室温超导实现远景：电力输送、医疗、交通等领域或迎来巨大变革

室温超导的发现，或大幅改变能源传输和储存领域，超导材料意味着电流可以无损耗地传输，大大提高电力输送的效率。目前，电力输送中存在能量损耗和线路阻抗的问题，而室温超导技术有望解决这些问题，减少能源浪费，提高能源利用效率。室温超导能够在常温下实现零电阻传输，极大提高能源效率，将对电力输送、医疗、交通等领域带来革命性的变革。

3.1 能源传输带来电力系统的重建

若实现室温超导，将会有无损电网的出现，其能够极长距离的传输电力，或迎来电力系统的重建。

我国的西电东送工程在过去的几十年中补足了东部地区的大量能源缺口，然而这一工程是建立在特高压输电技术上的，由于输电材料的电阻，输电过程中的电能有近 15%的损耗。

3.1.1 清洁能源：常温可控核聚变

超导过去只能在低温环境中实现，国际热核聚变堆 ITER，就是采用了超低温超导技术，但因为要配套复杂的液氦冷却系统，工艺复杂，造价高昂，难以普及。若实现了室温超导，电阻就能够实现几乎为零，可控核聚变的难度能够大幅降低，核聚变发电的成本能够大幅下降，发电的问题就能够得到解决。

核聚变的两大绝对优势为（1）无穷的能量密度（2）无穷的燃料资源。

核聚变的能量密度非常大。根据《核聚变发电的研究现状与发展趋势》显示，以 100 万千瓦的电站一年所需燃料进行对比，传统的燃煤电厂需要大约 200 万吨煤；燃油电厂需要约 130 万吨燃油；核裂变电厂需要约 30 吨 UO2，大约一个火车皮；而核聚变燃料氘的消耗大概 0.6 吨，大约等同于一辆皮卡的容量。核聚变的最佳燃料是氘与氚，其原料可直接取自海水，来源几乎取之不尽，且核聚变过程无二氧化碳排放，完全无放射性或无长寿命放射性废物排放，因此相对于化石能源和裂变核能，核聚变能是人类未来更理想的新能源。