ReBCO超导材料及各国超导产业发展

ReBCO超导材料及各国超导产业发展

1986年，高温超导体的发现，使得铋锶钙铜氧（BSCCO）超导材料得到了深入的研究，并在多个超导样机与示范线中得以应用，但BSCCO材料本身的特性及原料成本限制了其大规模应用。由稀土（RareEarth，Re）、钡（Ba）、铜（Cu）、氧（O）元素组成的第2代的高温超导材料，统写为ReBCO，可以在较高的温度与磁场下使用，在性能上具有明显优势，同时随着工艺的成熟，成本也有望低于BSCCO，因而成为新的研究重点。稀土元素是一类元素的合称，包括元素钪、钇和镧系元素，共17种元素。因此，在ReBCO化学式中，Re可被任一稀土元素替代，如钇（Y）、钆（Gd）、钐（Sm）等。YBCO是目前研究最多，并已成功实现商品化的第2代高温超导材料，带材是最主要的应用形式。不管Re被哪一种具体元素替代，ReBCO超导带材的结构都包括基板、缓冲层、超导层和保护层。以YBCO高温超导带为例，对ReBCO超导带材的结构作进一步的阐述。YBCO超导带材是在合金基板上沉积YBCO超导薄膜，基板材料一般为镍（Ni）合金，如哈氏合金（HastelloyC）。超导层与基板之间具有缓冲层，缓冲层为YBCO的生长提供织构模板，有益于提高YBCO的载流能力。缓冲层又可细分为籽晶层、阻挡层及模板层。为了保护超导层，通常还需在YBCO层上制备一层或多层保护层。真空沉积技术是制备缓冲层的主流方法，以离子束辅助沉积（IBAD）最为典型，溅射法（Sputtering）、脉冲激光沉积法（PLD）、蒸发法（Evaporation）等常规真空制膜技术也可用于缓冲层的制备，常见的缓冲层材料有氧化铈（CeO2）、钇稳定氧化锆（YSZ）、钆锆氧化物（GZO）、氧化镁（MgO）等，具体见表1[1-3]。超导层是实现超导性能的核心层，PLD及TFAMOD（三氟乙酸盐金属有机物法）是目前最主要的制备方法。相比于PLD法，TFA-MOD法更适合规模化制备ReBCO超导薄膜，是当前重点发展方向之一[4]。保护层材料一般为导电导热性好且具有一定机械强度的金属材料，如银（Ag）-Cu复合材料或Ni合金等。一、ReBCO生产厂商表2[5-7]列出了国内外著名的ReBCO超导带材生产产商、产品结构及制备方法。AMSC是生产超导带材的龙头企业。2007年以前，AMSC以一代BSCCO超导带材作为其核心产品；2007年后，AMSC將重点转移至YBCO带材，同时停止BSCCO超导带材的生产。迄今，AMSC生产的带材已在多条超导电缆中应用。美国Superpower公司可生产3～12mm宽度的超导带材。根据不同的用户需求，可分切至不同的厚度。与AMSC不同，Superpower公司采用电镀的方式为超导带材提供保护层，且可根据实际过流作用的需要调整镀层厚度。2007年，Superpower公司利用自制的YBCO带材绕制的磁场线圈，在4.2K、19T的背景磁场下得到了26.8T强磁场，创造了超导磁体的世界纪录。2010年，这一纪录更新为35.4T。日本藤仓公司是生产ReBCO超导带材的典型代表，同时也是IBAD技术的首创者。目前，藤仓公司已实现数百米级ReBCO带材的制备能力，承担了日本多个国内国家科研项目。韩国SuNAM公司成立于2004年，其后发展迅猛，2007年开发了高温超导带材高速沉积实验系统，2009年建立了二代ReBCO高温超导带材生厂线，2012年即实现了千米级ReBCO超导带材的制备能力。随着ReBCO超导带材制备技术的日趋成熟，已有多个以其为核心的超导电力装置得以示范运营，见表3[8，9]。二、各国超导政策[10-13]目前ReBCO相关超导产品仍处于示范运行或样机状态，2007年以前，高温超导产品主要以Bi系超导材料作为载体。2007年后，以ReBCO超导带材为核心的超导产品逐渐开始出现。纵观国内外发展情况，ReBCO超导带材生产厂家主要集中在美、日等国，其掌握核心技术的同时，发展速度迅猛，而我国在带材生产及相关示范产品的基础相对薄弱。1.美国美国先后出台了《电力系统超导计划（1998年）》、《超导伙伴计划SPI（1993年）》、《GRID2030计划（2003）》等超导相关政策，并于2005年和2006年分别发布了《2005-2009财年的超导电力系统项目计划》与《超导技术基础研究需求报告》，从相关政策的数量与频繁程度，可以看出美国政府对超导技术的重视。美国总统奥巴马的“绿色能源新政”中更是提出：要建设横跨4个时区以超导电网和智能电网为主的全国统一电网（用超导电缆将东部、西部、德州电网3大电网连接），可以接入包括风能、太阳能等在内的各种可再生能源，并能进行智能化管理，使整个动力系统发生变革，从而改善美国电力基础设施。在美国能源部（DOE）的资助及相关政府部门的协调下，各公司、大学与科研院所展开了密集的合作，如美国南线公司（Southwire）、AMSC公司、Supowpower公司、ABB电力和配电公司、布鲁克海文国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）、美国橡树岭国家实验室（ORNL）以及乔治亚输电公司等，都取得了丰硕的成果。Superpower与LANL公司合作，推动了IBAD法制备YBCO超导带材的发展；AMSC与ORNL合作，发明了RABiTS技术，并成功批量制备商用YBCO带材。2006年7月20日，指标为34.5kV/800A/320m的超导电缆在美国国家电网公司通电运行（AlbanyProject）。320m超导电缆完全采用日本SEI公司的Bi系超导带材，并由SEI公司负责制造。Superpower、英国氧气公司（BOC）、美国国家电网等参与了项目的实施。该项目得到了DOC与纽约州能源研发局的资助。随后，SEI利用Superpower提供的YBCO超导带材，制成了30m超导电缆，并与前期320m超导相连，于2008年1月通电运行。2006年8月，由DOE资助、长岛能源管理局承办、AMSC主导、耐克森公司与法国液化公司参与的“LIPA”项目进入施工阶段。该条电缆长600m、电压等级138kV，額定传输电流2.4kA，由并行排列的3条独立单相高温超导电缆组成。2008年4月22日，该条电缆成功并网，并为30万家庭供电；2007年，“LIPAⅡ”期项目启动，目标是将“LIPA”项目超导电缆的第二相更换为YBCO超导带材，该项目仍有DOE自助。2.日本在超导材料及相关技术开发上，日本处于世界领先水平。在日本政府的支持下，“超导设备和带材工程研究协会”、“国际超导产业技术研究中心（ISTEC）”、“新能源产业综合技术开发机构（NEDO）”等研究机构与协会相继成立，研究领域包括医疗、电力、交通与军事等众多领域。在日本，有很多大公司及科研机构如三菱、昭和、SEI、藤仓、九州大学、早稻田大学等从事超导技术的开发，且研发方向相互联系而侧重点又各有相同。表4列出了日本2003-2007年度第2代高温超导带材研发国家计划的分工与开发内容情况。在日本政府一系列举措下，在各公司、研究机构的积极参与下，日本在超导材料开发及应用方面已具有绝对优势。3.韩国相比于日、美，韩国在超导技术研究领域起步较晚。2000年后，韩国政府加快了包括超导技术在内的高新技术的开发力度。2001年，韩国科技部成立了“超导应用技术中心（CAST）”负责统筹协调“应用超导技术发展先进电力系统（DAPAS）计划”，DAPAS计划中，韩国电力技术研究院（KERI）是领导实施的独立机构，负责研究目标与实施计划的拟定、项目评审与超导技术的引进，具体承担单位包括首尔大学、韩国机械材料研究所、韩国原子能机构研究所等，研发方向包括：超导电力设备（电缆/变压器/限流器）、超导材料、超导通用技术（低温/绝缘/损耗）。表5列出了2005年度，ReBCO超导带材的研发机构与分工。在政府的大力扶持下，韩国SuNAM公司现已成为为数不多的有能力制备商用ReBC超导带材的厂家之一。2011年，22.9kV/50MVA/410m冷绝缘三相超导电缆在韩国利川变电站挂网。该项目由韩国知识经济部（MKE）与韩国电力公司（KEPCO）资助，LS电缆公司与KERI为主要参与单位，该条电缆采用的ReBCO超导带材购自AMSC公司。4.中国我国对超导技术也持续给予了政策支持。“九五”至“十二五”期间，分别以“超导技术专项-高温超导电缆”、“超导材料与技术专项”、“实用化超导材料制备与超导工程化示范应用技术”、“先进超导材料及其应用技术”为阶段目标，予以重点攻关。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中提出：要发展新型高温超导材料及制备技术、超导电缆、超导电机、高效超导电力器件以及超导生物医学器件、高温超导滤波器、高温超导无损检测装置等灵敏探测器件等；2012年1月4日，国家工业和信息化部出台了《新材料产业“十二五”发展规划》，规划中提出：发展高温超导千米长线、高温超导薄膜材料规模化制备技术，满足核磁共振成像、超导电缆、无线通信等需求；2012年3月27日，科学技术部印发《智能电网重大科技产业化工程“十二五”专项规划》中，提出要对超导材料产业进行布局；2012年7月9，国务院印发了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》明确提出：开展超导等共性基础材料研究和产业化，提高新材料工艺装备的保障能力。截至2014年，我国已有3条超导电缆并网运行、2台超导限流器挂网，实现了千米级Bi系超导带材及百米级ReBCO高温超导带材的制备，硕果累累。但必须认识到，我国第2代ReBCO高温超导带材产业化上仍处于落后地位，暂无国产ReBCO超导带材市售的报道。5.其他国家俄罗斯也将超导技术作为重点发展产业之一。2010年12月，俄政府向“俄罗斯国家原子能公司”下拨7.65亿卢布经费（约1.4亿RMB），以发展“创新能源”项目框架下的“超导产业”。目前俄罗斯已建成一条200m超导电缆（采用SEI公司Bi系超导带材）示范线，其他的基础研究也在开展之中。欧洲的很多国家也在从事超导技术的研究与开发工作，如英国剑桥大学、阿伯丁大学、丹麦技术大学与国家实验室、德国卡尔斯鲁尔技术研究院（KIT）以及荷兰的莱顿大学（超导现象在此发现），从事ReBCO超导带材的研究单位主要集中在德国，欧盟的其它国家则以基础研究为主。为了促进超导材料及相关技术发展，欧洲先后实施了《超导电性欧洲网》计划与《超导电力连接计划》。2011年9月，德国RWE公司、KIT以及Nexans启功了“AmpercityProject”项目，拟用ReBCO超导带材，建造一条10kV/2.3kA/1000m超导电缆，2013年3月该电缆在德国埃森市开始铺设，2013年底至2014年初完成调试，这是目前世界上利用ReBCO制造的最长超导电缆。三、结语从世界各国都在进行超导技术的开发，足以看出超导技术的应用潜力，但要想真正的实现规模化应用，还有待时日。高温超导技术想要实用化，必须首先解决高温超导带材长带批量化制备问题。作为目前最具性能及价格优势的ReBCO高温超导带材，正在逐渐向长带化发展。我国从“九五”后一直从事超导技术的开发工作，取得了丰硕的成果，但在ReBCO高温超导研发上，与美、日等国还有很大差距（尽管美、日等国也并不具备批量化生产千米级以上ReBCO超导长带的能力）。相信在国家政策的持续推动下，ReBCO超导长带制备技术有望取得突破。Reference[1]王醒东，夏芳敏，林中山，等.二代YBCO超導带材的制备及其临界电流测试方法[J].新材料产业，2012，（12）：28-32.[2]XuYongli，ShiDonglu.AReviewofCoatedConductorDevelopment[J].TsinghuaScienceandTechnology，2003，8（3）：342-369.[3]熊杰.YBCO高温超导带材的制备及实用化研究[D].成都，电子科技大学，2007.[4]王醒东.商用超导材料技术概况[J].新材料产业，2013（2）：51-55.[5]冯峰，史锴，瞿体明，等.制备高温超导涂层导体的技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