林良真，1935年出生，中国科学院电工研究所研究员、博士生导师。1958年毕业于哈尔滨工业大学电机系。历任中国科学院电工研究所超导技术研究室主任、电工研究所学位评定委员会主任、《电工电能新技术》主编、中国电工技术学会理事兼超导应用技术专业委员会主任、国家超导专家委员会委员、国际制冷学会第一专委会委员、国际低温工程委员会委员等。先后从事直流输电、电力系统稳定、大能量电感储能技术和超导技术及应用等研究。1992年获国务院政府特殊津贴，曾获国家科技进步三等奖一项和中科院科技进步二等奖两项。在国内外公开发表论文160余篇，编著《超导电性及其应用》、主编《第15届国际磁体工艺会议论文集》和《第20届国际低温工程会议论文集》（英文）等。
十年以后我们用“超导电”
超导的抗磁性现象使超导体在磁铁上悬起来
［背景］：4月30日美国纽约州长岛市电力局 （LIPA）、美国超导公司（AMSC）宣布，在全球首次实现了高温超导电缆的商用化——利用3根高温超导电缆和138千伏电压将574兆瓦的电力传输约600米。6月19日日本住友电气工业把研制的世界首台全用超导马达驱动的电动汽车向公众公开。
许多国家把超导技术当作21世纪具有经济战略意义的高新技术来重点发展，而重中之重就是加快超导电力技术的应用，以促进电力能源工业的重大变革。近几年来，关于超导技术的成果接连不断，让人们看到了超导技术的巨大作用和广阔的应用前景。那么，超导技术到底有哪些神奇的功能？它将给人类未来的生活带来哪些变化？我国超导技术特别是超导电力技术发展水平又如何呢？
超导材料将给电力工业带来重大变革
研究和发现容易制备、性能优越、价格低廉的超导材料，一直是科学家的梦想
记者：早在1911年，荷兰科学家卡麦林·昂内斯首先发现了超导电性——用液氦冷却汞时发现，当温度下降到4.2K（开尔文，K为物理学单位，0k=－273℃）时，汞的电阻完全消失，他把这种现象称为超导现象，具有超导现象的材料称为超导体。后来他又发现一些金属具有超导性，只是出现超导性的温度有所不同。从那时算起，人类发现超导性有近100年的时间了，但是到目前为止好像还未听说哪个国家和地区已经大规模用上超导电力设备，那么研制和应用超导材料的难点在哪里呢？
林良真：直到目前为止，所有的超导材料只在一定低温下才具有超导性，例如目前常用的铌钛合金超导体，它的超导态转变 温 度 约 是9.4K(－263.6℃),而1988年发现的铋系高温超导体的转变温度虽比铌钛合金超导体高，但也需低达110K（－163℃）时才具有超导性。因此，要使超导设备能在超导态下运行，就必须提供所需的低温条件，这就限制了超导体大规模地应用和发展。
另外，虽然目前的超导材料载流能力比常规导体如铜等要大两个数量级以上，但价格还是比较昂贵，如Bi2223高温超导带材，其商品每米价格约是15～20美元。因此，在世界上虽然一些大型科学装置或工程已采用超导装置，如大型的加速器、核聚变实验装置、核磁共振谱仪等，但要使超导体得到更广泛应用，还需研究价格更低廉、可以在更高温度下运行和电磁性能更好的超导材料。
各种超导材料制成的电线样品
记者：这些年来对超导技术进行攻关的主要方向是否就是提高临界温度或者说找到临界温度较高的超导材料？目前有哪些元素或材料在较高的温度下具有超导性？
林良真：各国科学家一直在努力寻找临界温度更高的超导材料，期望有一天能够得到在室温下就能工作的超导材料，而在这方面取得突破性进展还是近20年的事情：1986年4月，具有35K的高温超导性的镧钡铜氧化物被发现，1987年美国休斯敦大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后研制成临界温度约为90K的超导材料钇铋铜氧（YBCO）。1988年初，日本研制成临界温度达110K的铋锶钙铜氧超导体。这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，实现了科学史上的重大突破，被称为高温超导体，而这个“高温”是相对而言的，即区别于运行在液氦温区（约4.2K）的“低温”超导体。因为液氮比液氦容易制备，而且价格也较之便宜，这样就有利于广泛应用。将来超导材料温度能达到200K以上，对制冷要求就要低得多，这将大大提高超导的应用范围。
记者：那么以上发现的这些具有较高临界温度的超导材料是否可以大规模应用，比如，做成超导电缆等各种超导设备？
林良真：高温超导材料的发现的确让科学界及产业界欢欣鼓舞，有人开始尝试制造实用化的超导电缆等电力装备。由于这些高温超导材料一般来说都属于陶瓷材料，机械性能较差，并且像铋系这类第一代高温超导材料，其电磁特性也不理想，加之价格较贵，所以应用受到了限制。而如YBCO，它的电磁特性要优于铋系第一代高温超导带材，但加工制备难度更大。因此，研究发现制备容易、简单、性能优越、价格低廉的超导材料是科学家一直要解决的课题。
利用超导特性制成高速磁悬浮列车
二硼化镁超导体的发现和研究让超导应用离我们更近一步
记者：目前超导领域研究的二硼化镁（MgB2）就是这样一种超导材料吧？
林良真：MgB2是2001年才发现的一种金属系超导体，它的临界温度为39K，高于低温超导体的临界温度。MgB2的化学组成和晶格结构简单，容易加工和成材，制备工艺比较简单，用来制备MgB2的原料镁和硼价格低廉。此外，MgB2的相干长度比目前的高温超导体要大得多，用它来制造超导隧道结有可能比高温超导材料要好。因此，MgB2超导体无论对基础研究还是应用研究都具有十分重要的意义，从而受到了国际学术界和产业界的广泛重视。
当然，MgB2也有待解决的问题，如磁场会大大降低它所能承载的最大电流，而超导材料在实际应用中不可避免地要与磁场相联系，于是科学家在完善MgB2超导性能方面做了很多探索，如采用优化的纳米掺杂工艺与加工及热处理技术相结合的方法，制备高性能MgB2长线材。目前采用此方法制备出的MgB2线带材样品，其传输临界电流密度在4.2K和10T的磁场下已大于1.5×104A/cm2。
记者：那么，二硼化镁超导体是否可以看作是目前最热门、最有前景的超导材料？在二硼化镁被发现以前，铌钛合金被认为是低温超导体的“明星”，此类超导体有什么特点？有了高温超导体，那么低温超导体还有研究和应用的价值吗？
林良真：目前高温超导材料包括钇系、铋系、铊系和汞系的氧化物以及二硼化镁，其中有实用前途的是铋系、钇系和二硼化镁。高温超导材料比低温超导体有更高的临界温度，在这方面是非常吸引人的。但在未发现高温氧化物超导体之前，运行在液氦温度下的以铌钛 （NbTi）、铌三锡（Nb3Sn）为代表的实用低温超导材料一直是超导应用的主要材料，这类材料虽然运行温度低，但价格相对便宜且电磁性能很好。经过二三十余年研究，世界上包括我国在内，对低温超导材料的研制和应用，取得了很大成果，在某些领域，已得到较广泛的应用。如在强磁场中，NbTi超导材料已在高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等获得应用。在高温超导材料的性价比大幅度提高之前，低温超导材料仍然是主要的实用化超导材料。
高温超导交流电缆
超导独特的属性使这一技术应用广泛，并给我们的生活带来深刻影响
记者：对于超导体的应用，我们常听到的有超导磁悬浮列车、医疗上的核磁共振等设备，还有哪些应用不为人们所熟知？人们常说超导技术会带来革命性的变化，那么未来超导技术达到很高水平时，它还会在哪些方面发挥巨大作用？
林良真：超导技术的应用十分广泛，涉及输电、电机、交通运输、微电子和电子计算机、生物工程、医疗、军事等领域，这主要源自它独特的属性。首先是零电阻特征，所以超导技术最重要的、也是与公众关系最密切的应用就是超导输电，用超导体输电和储能原则上可以做到没有损耗，高效利用能源；用超导体材料做成的电缆，其载流能力比常用铜导线大两个数量级以上；正因为超导体可以运载强大的电流，进而可以形成强大的磁场，我们称为超导磁体，在一些大型科学工程中，如高能粒子加速器、受控核聚变实验装置、强磁场实验装置，超导磁体发挥了重要作用。利用超导体可以大大地提高磁场的强度和均匀度等，比如研究宇宙和物质基本问题的最重要的设备粒子加速器，超导强磁场使其粒子束行进的曲率半径更小，这样就使设备小型化；再如研究21世纪有广阔应用前景的新能源“受控核聚变反应”时，其内部温度将高达1亿℃～2亿℃，没有任何常规材料可以包容这些物质，而超导体产生的强磁场可以包围、约束超高温等离子体，从而使受控核聚变得以实现。大家都知道，目前磁共振成像已广泛应用于医学诊断中，而磁共振成像仪需要在一个大空间（如1米孔径内）有一个高均匀度和高稳定性的磁场，超导磁体在这方面比常规磁体有明显的优势，因为它可通过超导开关形成闭环电流运行，使工作电流不受外界干扰。
超导的另外一个重大特征是完全抗磁性——— 被称为“迈斯纳效应”，这种性质是1933年迈斯纳研究超导态的磁性时发现的，即不管超导体内原来有无磁场，一旦进入超导态，超导体内的磁场一定等于零。我们可以通过一个现象容易地看到这种抗磁性——— 将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。高速超导磁悬浮列车就是利用这种磁悬浮效应制成的。另外，用超导量子干涉器件做成的测量仪器具有很高的磁场灵敏度、很宽的动态范围和优良的频率响应特性，可以测出由人的心脏和脑产生的极微弱的信号，也可以测出由潜入海洋的潜艇产生的对地球磁场的干扰，或用于寻找油田和地热能源、研究地震活动等，用途极为广泛。利用超导薄膜可制备出高性能的超导滤波器，并已用于移动通讯上。此外，超导材料还可用于制造微型电子计算机、量子计算机器件。
记者：超导材料最重要的、最令人期盼的就是在电力上的应用，因为超导电力设备能最大限度地减少损耗，达到电能高效利用，请您给我们一个直观的认识，如果目前我国的输电设备完全换上超导电缆、电线，能节约或者说能挽回多少用常规电缆或设备损耗的电能？
肖立业：拿高温超导电缆来说，它采用无阻和高电流密度的高温超导材料作为载流导体，具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，相同截面积的超导电缆的传输容量将比常规电缆高3～5倍，而电缆本体的焦耳热损耗非常小。虽然在交流运行状态下，它也存在一定的损耗，但超导电缆只要超过一定长度后，即使考虑到低温冷却和终端所需的电能消耗，其输电损耗也将比常规电缆降低50％～70％。我国电网目前的传输损耗约占发电容量的7%，如果全部采用超导电力电缆，则可以将电网的传输损耗减少到大约3.5%以下。以2007年的总发电容量（7亿千瓦）为例，可以节约的损耗相当于一个多三峡电站的总发电量，效益相当可观。
高温超导限流器
超导电力技术将带来电力能源工业的重大变革
记者：我们知道，除电缆外，电动机、变压器、限流器等都是电力的重要设备，超导技术是否也可以应用到这些设备上？除了减少损耗，超导应用在电力上还能发挥哪些作用，产生哪些效果？
肖立业：电力上的许多重要设备，包括电动机、变压器、限流器、储能系统及与现行电网兼容的相关技术，都是超导技术应用的重要方面。比如，超导故障限流器主要利用了超导体的超导态——— 正常态转变的物理特性，实现对故障短路电流的限制，其反应速度快、正常运行时损耗很低、能自动复位，是十分理想的限流装置，可显著提高系统的稳定性和可靠性。随着电网容量的增加和规模的不断扩大，电力系统的短路容量越来越大，一般情况下，短路电流约为额定电流的10～20倍以上，对电气设备和正常的工业生产及电力系统本身带来很大的危害。而目前，对付短路故障的办法主要是用断路器直接断开故障线路，这是一种被动方法，断容量很难进一步提高，超导故障限流器则很好地解决了这个问题。再如，与常规变压器相比，高温超导变压器有体积小、重量轻等优点，同时它采用液氮作为冷却剂，没有污染环境或火灾的隐患，并有很强的过载能力——— 在过载条件下短时间运行只导致冷却功率增加，而常规变压器过载约10％就可能导致绝缘损坏，其超导线圈还有限流的作用。超导磁储能(SMES)是利用超导线圈作储能线圈，在线圈中产生磁场而储存能量，可以长久储存而几乎不衰减，需要时，可经逆变器将所储存的能量送回电网或提供给其他负载用。与其他储能系统相比，超导磁储能具有很高的转换效率(可达95％)和很快的反应速度。超导电动机的动机单机容量可比常规电动机大得多，且长时过载能量强，一般可达到额定容量的两倍，而同步电抗可减少到常规电机的1/4～1/3，所以其电气稳定性也将大大提高。
经济的飞速发展使我国对电力的需求越来越大，降低网络损耗，提高电力系统的稳定性、可靠性、供电品质一直是电力系统不断发展的目标。超导电力技术的全面应用会从根本上降低电力系统损耗，提高电力系统输送能力，有效限制故障短路电流，减低电压等级，提高电网的安全性，提高电力质量，同时降低电网的占地面积和电网的造价，使超大规模电网的实现成为可能。因此具有广阔的应用前景。
记者：看来超导电力技术的应用前景十分广阔，那么我国在这几个方面是否已经研制成实用的、产业的产品，应用效果如何？
肖立业：对超导电力技术，国家给予了高度的重视和支持。目前，全国有十多家科研所、大学、电力公司在对超导电力技术进行攻坚，取得了可喜的成就，比如大家最关心的超导电缆从“九五”开始研究，已研制出多种类型的高温超导电缆。例如，中国科学院电工研究所与甘肃长通电缆公司、中国科学院理化技术研究所等合作，研制出75米、10.5kV／1.5kA三相交流高温超导输电电缆，并于2004年底安装在甘肃长通电缆公司向车间供电运行。2005年，10.5kV／1.5kA新型桥路式高温超导限流器安装在湖南娄底电力局高溪变电站，进行了挂网运行和三相短路限流实验，性能十分稳定，运行时间超过了1万小时。2005年底，中国科学院电工研究所与新疆特变电工股份有限公司研制成功的10.5kV/400V/630kVA的超导变压器也在新疆昌吉投入试验运行。目前，我们正在开展MJ级超导储能系统的研究与应用示范。
目前，各种类型的超导电力设备都已研制出样机，多种型号的产品进入示范试验运行阶段，并且表现不俗，部分技术已开始步入商品化阶段，可以说超导电力设备正处于产业化的“前夜”；随着实用化的高温超导带材进入市场，高温超导电力技术的发展将会出现快速增长。今后l0年左右是在超导电力技术产业的国际竞争中取得优势的关键时期，以钇系高温超导带材为基础的超导电力技术将很有可能在今后10年陆续进入实用化阶段，将使21世纪的电力、能源产业产生根本性的变化。
高温超导变压器
记者：目前，国际超导电力技术研究和应用是怎样一个状况？我国的超导电力技术在国际上处于什么水平？
肖立业：近年来，超导电力技术受到了世界各国的广泛重视。美国能源部认为，超导电力技术将是21世纪电力工业唯一的高技术储备；日本新能源开发机构更是认为发展超导电力技术将是在21世纪全球竞争中保持尖端优势的关键所在。1999年，美国启动了SPI计划，开展了大部分超导电力设备的研究，并建成了包括多条超导电缆、多台超导限流器和变压器的示范运行系统，超导储能系统和超导调相机组已经有初级产品出售。“美国电网2030”计划，还提出了采用超导电力技术建设骨干电网等建议；美国海军舰船先进电力系统计划也列入了超导推进电机等研究项目。日本在20世纪90年代曾实施了超导电力技术研究计划，并成立了国际超导技术研究中心(ISTEC)，其主要电力公司及电机制造厂家均积极参与超导电力技术的研究工作，取得了多方面的成果，并建立了超导电缆示范系统。法国、德国、英国、加拿大、韩国和澳大利亚等都相继开展了超导电力技术研究工作。目前，国际上的高温超导电力设备的研制基本上处于示范试验运行阶段。我国的超导电力技术有着很好的基础，可以说处于世界前列，整体上看比“欧洲”高一点，与日本相平，比美国略低，所以我们应该加倍努力。
记者：目前超导电力技术的应用和产业化还面临着哪些问题，即我们努力的方向是什么？
肖立业：主要面临三个方面的问题，一是超导材料的临界温度还有待提高；二是超导材料的价格还比较高，有的比常规材料高几十倍、上百倍；三是超导技术所应用的低温制冷系统的制备还比较复杂，且制冷机的免维护寿命较短。其他还有超导电力装备的低温高电压绝缘技术、实时检测技术、集成技术、与常规系统的匹配协调运行等也是需要研究的问题。上述几个方面要取得突破，还需要政策、资金及全社会更多的支持，加大对技术难点的联合攻关。一种新技术要实现规模应用总是要经历困难和曲折的，我们对超导电力技术的广阔前景充满坚定的信心！
