超导电技术与能源 [复制链接]

第7版()
专栏：

超导电技术与能源
周立 王中兴
超导电技术是从六十年代逐渐发展起来的。近年来，欧美国家在利用超导电技术方面取得了可喜成就。超导电技术在能源的节流与开源两大方面将发挥越来越大的作用，孕育着巨大的潜力，日益受到人们的注意。
超导电性是物质在低温条件下表现出来的一种奇异特性。按照物理学原理，金属的电阻随着温度的降低而减小，导电率变大。1911年荷兰莱登实验室发现在零下269℃条件下，水银的电阻突然消失，水银进入了一个新的物态，电阻实际为零。这种特殊的电性质的物质状态，被定名为超导态。具有这种特性的物质称为超导体。目前已经发现的超导体，有元素、合金以及化合物共约四千余种。现在实际应用的超导体只有铌钛、铌锡和钒镓几种。
目前世界上一些先进国家将超导体主要应用到电磁体技术、电工技术及能源开发等方面。超导体应用到电磁体技术方面可以极大地减少能量损耗，使电器装置小型化和轻量化，并且还可以产生很高的磁场。1961年首次用铌锡绕成的第一个强磁场超导磁体，产生8特斯拉的磁场。在以后的几年里，超导磁体进入了实用阶段，一个磁场强度为5特斯拉的中型磁体，如果用常规电磁体重量有20吨，而超导磁体重只有几公斤。这主要是由于超导体没有电阻，超导线的载流能力比普通铜、铝导线要高成百上千倍。目前仅英国一家公司已年产几百个超导磁体。日本金属材料研究所研制成功的17．5特斯拉的超导磁体是目前磁场最高的磁体。
将超导磁体用于高能加速器，不仅可以节约大量的电能，还可以成倍地提高粒子能量。西欧原子能研究中心的大型气泡室，使用铜导体要消耗电力5．7万度，而使用超导磁体仅消耗0．1万度，运转费用仅为常规磁体的三十分之一。
在工业上使用超导强磁体，可使磁力选矿机的磁场强度提高几倍，使得目前一些不能很好分离的弱磁性矿物，如煤的脱硫、红铁矿、磷灰石、钨矿与其它矿物获得有效分离。超导技术还可用于污水处理，并使耗电成十倍地下降。目前国外已研制每小时处理几十吨污水的超导磁分离器，预计八十年代中期即可投入工业应用。
在电工技术应用方面，有超导电缆输电，超导发电机，超导电动机，超导储能以及磁悬浮列车等。超导电机的优点是小型、轻量，输出功率高，损耗小。这不仅对大规模电力工程，而且对舰艇、飞机上的应用尤为理想。目前英国、日本、美国都在研制容量为几万千瓦或更大的超导电机。
值得注意的是超导电子计算机的研制，它容量大，体积小，功率损耗少，开关速度比半导体集成电路快1，000倍，被认为是第五代电子计算机。美国国际商用电子计算机公司正在进行研制。预计1985年左右可以制成第一台超导电子计算机。
在能源开发方面，磁流体发电被认为是第五能源—节能—开发中最有希望的技术之一。磁流体是一种非常经济的发电形式，使高温导电气体（2700—3000℃）穿过磁场直接将热能转变成电能，没有常规发电的机械损耗，与常规的汽轮机联机发电，热效率可以从40％提高到50—60％，发电成本降低20—30％，而且启动快，污染小，可用低质煤作燃料。1978年美国、苏联设计和制造的超导磁体用于磁流体发电已试运转成功。美国正在研究五万千瓦的磁流体发电装置。日本也将磁流体发电作为发展能源的“月光计划”的五个重点项目之一。
超导电技术应用于能源的“节流”与“开源”两个方面，虽然已日益引起人们的重视，但目前只在少数工业发达国家应用，尚未进入到大规模工业应用阶段。主要原因是受到低温条件的限制。目前使用价格昂贵的氦气，另外氦气的液化、储存、运输技术都比较复杂。人们正在大力研究在液氢以至在液氮温区具有超导性能的材料。随着科技的发展，超导电技术将进入工业应用阶段，在节约能源和开发新能源方面得到广泛地、大规模地应用。