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高温超导技术推动核聚变商业化进程加速
发布时间：
2024-01-11 00:00
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概要：
超导，全称超导电性，是指在一定条件下电阻等于零，电流可在其间无损耗流动的现象，具备这种特性的材料被称为超导材料或超导体。
1、高温超导带材工艺日渐成熟
超导，全称超导电性，是指在一定条件下电阻等于零，电流可在其间无损耗流动的现象，具备这种特性的材料被称为超导材料或超导体。超导材料具有三个常规材料所不具备的性质：
（1） 零电阻：这是超导材料最基本的性质，即当温度降至临界温度 Tc 以下时，其电阻变为零。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。
（2） 完全抗磁性：将超导体置于外磁场中时，超导体会表现出完全抗磁性，即把原来处于体内的磁场排挤出去，其内部的磁感应强度为零，人们将此种现象称为“迈斯纳效应”。利用超导材料的完全抗磁性，可以制造超导磁悬浮列车。
（3） 量子隧穿效应：是指在薄绝缘层隔开的两种超导体之间有电流通过，但超导结上并不出现电压。超导材料的量子隧穿效应可用于弱电磁信号的检测，超导量子干涉仪（SQUID）是目前人类所掌握的能测量弱磁场的手段中最灵敏的仪器，可以探测强度为地磁场十亿分之一到百亿分之一的磁信号。
按照临界温度的不同，超导可分为低温超导和高温超导：
（1）低温超导技术实验室发现以及起步较早，已经应用于许多领域，国际超导材料市场 90%左右是低温超导材料。但低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作，液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展，更多应用在磁共振成像、粒子加速器、磁悬浮列车等成本不敏感的领域，未能实现大规模商业化应用。目前，我国低温超导材料、超导电子学应用以及超导电工学应用领域的研究已达到或接近国际先进水平。我国 NbTi 线材性能和性价比已优于发达国家，Nb3Sn 线材综合水平与发达国家相当。
（2）高温超导材料因为临界温度的提高，可以在液氮环境中工作，工业液氮制冷已经非常成熟，一吨液氮的价格稳定在一千元以下，适用范围广且价格低廉。高温超导具有使用成本低、应用限制少两大优势。目前应用较广的高温超导材料YBCO 对临界电流密度、临界磁场强度的要求相比主流低温超导材料更低，应用场景更为广泛。
受益于高温超导带材工艺日渐成熟，高温超导产业化应用加速。高温超导技术早期受限于带材的价格过高以及带材质地较脆难以加工等因素限制，规模化应用推进速度较慢，我国当前高温超导带材生产技艺经过近十年的积淀已经成熟，良率大幅度提升，例如 2020 年上海超导带材成品率从不足 50%提升至 90%左右。
规模化逐步显现：2020 年上海超导的年产量终于从 3 年前的十几公里增至 400 公里。随着技术进步及规模化效应，带材价格持续大幅下降，并且中下游的超导磁体中带材绕制工艺不断进步，推动高温超导技术产业化应用进一步加速。超导材料市场规模持续增长，高温超导材料市场规模占比逐步提升。根据Global Market Insights 预测，2022 年超导材料市场规模约为 109 亿美元，2023-2032 年复合增长率为 10.8%。根据材料类型分，2022 年低温超导材料市场约占超导材料市场规模的 79.72%，伴随高温超导材料和技术的不断成熟，预计未来高温超导材料市场规模占比逐渐扩大。
根据应用场景分，2022 年，医疗行业超导材料市场占有份额显著，约为63.26%，受益于超导材料在医疗成像设备(如 MRI 机器)中的关键作用研究和开发应用，预计未来仍将保持快速增长。
核聚变领域虽然相对小众，但由于其在清洁能源电方面的潜力而备受关注，而超导材料在这方面至关重要。电子工业利用超导材料的各种应用，包括传感器和探测器，贡献了相当大的份额。在交通运输领域，超导材料用于磁悬浮列车并逐渐普及。在能源领域，特别是电力传输和分配，超导材料是高效率电力电缆必不可少的环节。其他类别包括各种新兴应用，如量子计算。
为加速超导商业化进程，我国出台相关政策支持超导产业发展。整体来看，我国超导技术的发展趋势将向提高性能、降低成本，功能集成化的方向发展，有助于超导技术更好地满足不同领域的需求，推动超导技术在更广泛范围内的商业化和应用。
2、高温超导感应加热设备投产
受益于高温超导感应加热设备投产，高温超导产业化应用加速。在 2022 年初，第一台高温超导感应加热设备正式并线生产并通过验收后，高温超导产业化应用得到了实质性发展。
相较于传统交流工频感应加热，超导感应加热技术优势凸显。超导感应加热是指通过坯料旋转切割磁力线，产生涡流被加热，相较于传统的工频炉加热，高温超导感应加热利用凭借零电阻、强磁场、极低频的特点，具备节能减耗、加热均匀、升温迅速、温控精准等优势，使其成为替代老一代工频感应炉的优选。
高温超导应用领域丰富，市场空间广阔。高温超导感应节能设备目前主要应用于与挤压机、锻压机配套的非磁金属加热等应用领域。相较于传统感应加热设备，高温超导设备具备节能减耗、加热均匀、升温迅速、温控精准等优点，设备替换空间近千亿元。
此外，高温超导技术还可应用于金属熔炼及半导体熔融、晶硅生长炉、超导磁储能、超导可控核聚变、超导磁选矿、超导污水处理等需要大口径强磁场领域，每一个应用场景的市场规模都不逊于高温超导感应加热。以晶硅生长炉、金属熔炼及半导体熔融以及可控核聚变为例，国内直拉单晶硅设备已达数十万台,其中8 英寸-12 英寸的设备需求数量每年有数万台；金属熔炼及半导体熔融市场每五年周期性更换 50-60%，有望实现每年 200-300 亿元的市场替换规模。
来源：嘿嘿能源与科技PowerTech
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