磁懸浮列車、核磁共振、金屬冶煉、軍用掃雷、可控核聚變……這些橫跨多個行業(yè)領域的前沿科技之中，核心部件都是超導材料。超導作為20世紀最偉大的科學發(fā)現(xiàn)之一，以它低溫狀態(tài)下獨特的零電阻和電磁特性，有望掀起一場新的材料革命，而上海無疑將是這場革命的主力軍。今天我們就講講上海超導產(chǎn)業(yè)以超導電纜為應用先鋒，如何從無到有，再到崛起的故事。
2023年1月16日，對于上海國際超導科技有限公司（下稱國際超導）的副總經(jīng)理張喜澤和他的合作伙伴來說，是一個重要的日子。當日，在由中國電力企業(yè)聯(lián)合會組織召開的科技成果鑒定會上，上海35kV公里級超導電纜示范工程（下稱示范工程）獲得了來自專家組的權(quán)威肯定，陳維江、王成山、王秋良三位院士帶隊的鑒定委員會一致認為，該工程在超導電纜研發(fā)、設計、敷設和運行等方面的技術(shù)成果整體達到國際領先水平。 2021年12月22日拍攝的超導電纜終端 上海35kV公里級超導電纜示范工程由國家電網(wǎng)有限公司承建，于2021年12月22日投運，至今已經(jīng)平穩(wěn)運行一年。張喜澤所在的國際超導是這一工程電纜系統(tǒng)供應商，參與了為期三年的技術(shù)攻關(guān)。35kV公里級超導電纜示范工程的成功運行堪稱上海超導產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程中的一座里程碑。上海高溫超導產(chǎn)業(yè)的培育，是一個漫長而艱辛的故事，早在2005年，上海就著手布局超導電纜相關(guān)產(chǎn)業(yè)，從科研到產(chǎn)業(yè)，其間無論是個人還是企業(yè)都經(jīng)歷了若干重大轉(zhuǎn)變，也曾經(jīng)在難以為繼的窘境下依然全力以赴。 在業(yè)內(nèi)人士看來，示范工程不僅是構(gòu)建中國新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)領域取得的一項重大突破，驗證了超導電纜的技術(shù)可行性，也帶動了國產(chǎn)高溫超導帶材的穩(wěn)定量產(chǎn)，為高溫超導產(chǎn)業(yè)形成了可持續(xù)的、市場化的發(fā)展環(huán)境。自培育高溫超導技術(shù)開始，歷經(jīng)十八載，今天的上海已經(jīng)成為全球高溫超導產(chǎn)業(yè)鏈最齊全的城市。 超導指的是在特定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零的特性以及具備完全抗磁性的材料。1911年，荷蘭物理學家海克·卡麥林·昂尼斯首次在液氦溫度（4.2K，-268攝氏度）以下從極純的汞上發(fā)現(xiàn)了超導現(xiàn)象，此后超導材料不斷演進，1987年，科學家發(fā)現(xiàn)了首個臨界溫度高于液氮溫度（77K，-196 攝氏度）的高溫超導材料。雖然比液氦環(huán)境下的低溫超導晚了七十多年，但由于溫度大幅提高，且用于制冷的液氮成本極為低廉，高溫超導材料的產(chǎn)業(yè)化被寄予厚望。 高溫超導電纜是高溫超導材料率先應用于產(chǎn)業(yè)的場景之一。城市用電需求伴隨發(fā)展不斷增長，高溫超導電纜因采用了無電阻、高流通密度的超導材料作為導電體，能夠進行大容量輸電。1根超導電纜通?？梢蕴娲?-6條相同電壓等級傳統(tǒng)電纜，較以往節(jié)省70%的地下管廊空間，可以有效緩解城市電網(wǎng)的架空線入地策略所面臨的地下廊道不足困難。 目前全球已有多個長距離高溫超導電纜掛網(wǎng)運行，主要集中于美國、日本、韓國和德國。上海35kV公里級超導電纜示范工程是目前全世界輸送容量最大、長度最長的高溫超導電纜，開創(chuàng)了公里級超導電纜在大型城市核心區(qū)域的應用先例；自線路投運以來，成功為4.6萬用戶穩(wěn)定供電，和現(xiàn)行標準同樣收取電費，公里級線路首次在國內(nèi)實現(xiàn)了全商業(yè)化運營，標志著中國在超導的電力應用水平躋身國際一流行列。 國家電網(wǎng)上海市電力公司（下稱國網(wǎng)上海）成果及轉(zhuǎn)化處處長鄭健表示，“國家電網(wǎng)公司做超導方面的研究有十幾年了，但一直停留在實驗室階段，如何將超導電纜與我們現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)合，有很多問題需要解決，過去一直沒能成功掛網(wǎng)?！贝舜问痉豆こ痰慕ㄔO團隊攻堅了從高溫超導帶材、電纜以及工程敷設、試驗診斷各個環(huán)節(jié)的若干難題，譬如，由于超導帶材的機械性能與傳統(tǒng)導體有較大差異，其敷設時牽引力、側(cè)壓力、彎曲半徑等參數(shù)無經(jīng)驗可循，實際施工中存在眾多難點與瓶頸，施工難度堪稱迄今國內(nèi)外電纜工程之最。 上海35kV公里級超導電纜示范工程對于超導電纜的推廣應用具有非常重要的現(xiàn)實借鑒意義。該工程電纜核心部件均為國產(chǎn)，工程結(jié)束后，團隊已頒布超導電纜領域IEC國際標準1項、國家標準1項、機械行業(yè)標準1項和團體標準2項，正在編制能源標準1項和系列企業(yè)標準3項。 在張喜澤看來，示范工程平穩(wěn)運行至今，經(jīng)歷了極端高溫、嚴寒等各種氣候的挑戰(zhàn)，經(jīng)受了電網(wǎng)對于安全可靠性要求的考驗，并且實現(xiàn)了較好的節(jié)能減排效果，這一結(jié)果不僅僅是對電網(wǎng)企業(yè)、超導電纜企業(yè)，也是對高溫超導帶材以及整個超導產(chǎn)業(yè)鏈的上下游企業(yè)莫大的鼓舞，多年的堅持終于開拓出了一條通往產(chǎn)業(yè)化的道路。 據(jù)了解，在示范工程立項之際，產(chǎn)業(yè)里的幾家主要企業(yè)都曾面臨生死存亡的境遇。伴隨著示范工程的推進，企業(yè)有了大練兵的機會，能力得到快速提升，“如果沒有這一劑強心針，很可能就跨不過來了。”回望超導產(chǎn)業(yè)的發(fā)展之路，業(yè)內(nèi)人士如此感嘆。 上海的高溫超導產(chǎn)業(yè)能夠走到今天，與上海市相關(guān)部門持續(xù)推進的產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略分不開。 2003年，從東北大學超導物理專業(yè)畢業(yè)的張喜澤在導師的推薦下從沈陽來到上海，加入了上海電纜研究所黃崇祺院士牽頭成立的超導電纜課題組，“黃院士當時判斷超導電纜將是電纜產(chǎn)品的第三代，電纜研究所有必要提前布局，特地招了超導材料專業(yè)的學生?！?/span> 兩年后，在日本、英國、德國的大學及科研機構(gòu)留學多年的蔡傳兵，來到了上海大學任教。他在國內(nèi)外超導研究經(jīng)驗的基礎上，凝練出回國后的主攻科研方向：高溫超導領域的低成本化學法實用成材的技術(shù)攻關(guān)。 事實上，早在2005年，上海市科委就開始調(diào)研和布局高溫超導技術(shù)項目，啟動了第二代高溫超導帶材和冷絕緣超導電纜的“從0到1”的技術(shù)攻關(guān)。 在籌辦2010年上海世博會期間，上海市政府有了推動高溫超導產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)實需求。為了滿足世博園區(qū)的用電，需要有一條從浦東穿越黃浦江至浦西的50萬伏超高壓電纜。50萬伏的超高壓電纜管廊占據(jù)體積相當于一條單向地鐵通道，而在地下資源緊張、寸土寸金的上海，減小管線體積成為當務之急。 2011年，上海交通大學科研團隊在實驗室里制備出了國內(nèi)第一根百米級第二代高溫超導帶材。同年，上海市政府決定在高溫超導材料領域培育2家民營企業(yè)提前布局，希望未來能產(chǎn)出實用的國產(chǎn)高溫超導材料用于超導電纜的建設。 兩家?guī)Р钠髽I(yè)中的一家是由蔡傳兵領頭的上海大學團隊，通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓建立的上海上創(chuàng)超導科技有限公司（下稱上創(chuàng)超導），另一家是與上海交通大學科研團隊合作的上海超導科技股份有限公司（下稱上海超導）?，F(xiàn)任上海超導總裁的朱佳敏當年剛滿23歲，走出大學校門后，成為了上海超導的001號員工。 日后，因為超導電纜，這三個人成了合作伙伴、競爭對手和朋友，也是上海高溫超導產(chǎn)業(yè)的重要人才力量。張喜澤所在的上海電纜研究所負責超導電纜的集成，蔡傳兵和朱佳敏則是高溫超導帶材的供應商。 在示范工程之前，上海超導電纜已經(jīng)有了一次重大突破。2013年，張喜澤所在的團隊在寶鋼公司成功建設了50米長、35kV的高溫超導電纜系統(tǒng)示范工程，實現(xiàn)了3年以上的平穩(wěn)運行，驗證了超導電纜的實用性。 產(chǎn)業(yè)化大幕在2016年由上海市經(jīng)信委接棒后真正拉開。這一年，上海市經(jīng)濟和信息化委員會（下稱上海市經(jīng)信委）牽頭國網(wǎng)上海、國際超導策劃在上海建設1.2公里高溫超導電纜系統(tǒng)示范工程。 想法雖好，但困難不少，首當其沖的是資金。據(jù)上海市經(jīng)信委工作人員回憶，當時上海市政府政策允許給予的資金支持遠不能滿足示范工程建設需求，要想推動示范工程順利啟動，只能想方設法提高項目主體自籌資金的比例。 由于示范工程項目的倒逼，張喜澤所在的上海電纜研究所超導中心也于2020年9月正式完成了改制，成立上海國際超導科技有限公司，引入民間資本，一攬子解決了高溫超導產(chǎn)業(yè)化培育中市場化推進主體、團隊骨干激勵、示范工程資金來源、科技研發(fā)投入退出等關(guān)鍵問題。 解決了資金問題，接下來就是技術(shù)攻關(guān)。科研成果能否順利實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品的穩(wěn)定性是一大難關(guān)，在實驗室里，只要有一次成功，科研人員就有了成果，可以發(fā)表論文，然而產(chǎn)業(yè)化需要次次成功，即如何實現(xiàn)“從0到1”向“從1到100”的跨越。 同樣是生產(chǎn)高溫超導帶材，但上創(chuàng)超導和上海超導兩家公司選擇的技術(shù)路線并不相同，前者采用的是MOD化學溶液沉積法（化學法），后者采用的是PLD脈沖激光沉積法（物理法），兩者的攻關(guān)路徑并不能相互借鑒。從生產(chǎn)裝備到量產(chǎn)工藝的每個環(huán)節(jié)中的問題均需要一一解決。 蔡傳兵清楚地記得當初為了解決生產(chǎn)線各個環(huán)節(jié)的配件問題，他跑遍了國內(nèi)大大小小近百家工廠，有些問題最終還是依賴上海大學校內(nèi)的其他院系團隊共同協(xié)助攻關(guān)，“有些設備的結(jié)構(gòu)設計，企業(yè)是沒有能力也沒有動力去幫你解決的，只有你先設計好了再請他們幫忙制作，在這個過程中，我們也交了很多學費，不斷通過試錯來積累經(jīng)驗?！比缃裆蟿?chuàng)超導所有的生產(chǎn)設備均為自研，并已經(jīng)歷了七八次的升級迭代。 朱佳敏看著十年前自己操作設備的照片，說自己最顯著的變化就是“頭發(fā)變少了”。身為土生土長的“上海小囡”，朱佳敏從小喜歡帶著一群小伙伴動手做機器人，課余時間都投入在各類科創(chuàng)大賽上，獲獎無數(shù)。2011年進入上海超導后，朱佳敏負責建造用于量產(chǎn)超導帶材的生產(chǎn)裝備。他指著自己當初建造的第一臺卷對卷磁控濺射鍍膜裝備說，“上面的每一塊電路板都是我自己設計和焊接的”，現(xiàn)在這些設備仍在正常運行。 當朱佳敏的團隊用了四五年時間把設備造出來，材料部門準備大干一番時，卻發(fā)現(xiàn)公司已陷入困境。原先的實驗室工藝做出的超導帶材僅有30%的良率。超導長帶材的電流分布像心電圖一樣上下波動，根本無法銷售。2015年，上海超導拿到了公司成立以來的第一個公開招標，但上海超導直到2017年底才攢齊了對方需要的13公里高溫超導帶材。 為了解決生產(chǎn)難題，朱佳敏選擇降薪換崗來到工藝生產(chǎn)一線，將原先實驗室里的工藝推倒重來，重新制定了生產(chǎn)流程和各類標準體系，上海超導也迎來了生機。 2020年是上海超導的轉(zhuǎn)折年。當年，該公司的年產(chǎn)量終于從3年前的十幾公里增至400公里，產(chǎn)品性能提高一倍，成品率從不足50%提升至90%左右，實現(xiàn)了自我造血功能?，F(xiàn)在上海超導成為全球前三的第二代高溫超導帶材生產(chǎn)企業(yè)，產(chǎn)品占全球供應量約30%。 超導帶材性能過關(guān)了，但制作成超導電纜應用于工程中時，還有大量的難題待解。超導帶材需要在低溫下才能發(fā)揮功能，絕熱管是關(guān)鍵設備。在示范工程中，大長度、大口徑絕熱管的研制是國際超導進行電纜設計中的最大難點，也是張喜澤團隊花費時間最長的領域，國內(nèi)此前從未有制作單根長度400-500米、口徑180毫米的絕熱管的先例。 國際超導從2015年就開始進行前期的設計和設備安裝，2017年開始試生產(chǎn)，直到2021年4月才把絕熱管做完?！盀榱俗龅椒€(wěn)定生產(chǎn)，沒有漏點，一方面要研究材料的基礎物性和特征，另一方面還要再在此基礎上對生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設備進行摸索和調(diào)試。生產(chǎn)設備的改造平均每年都需要進行一兩次，但良率的提升并不容易?！睆埾矟山榻B說，“良率從20%提升到50%很快，僅用了半年時間，但從50%提升到90%則用了3年時間?！?/span> 各家都解決了自己的問題，但整合到一起又會有新的問題。由于是第一根全國產(chǎn)業(yè)化超導電纜，三家企業(yè)經(jīng)常因材料的檢測標準、交付標準存在分歧而僵持不下，各自都有充分的理由和難處。這時，上海市經(jīng)信委就充當老娘舅，工作人員經(jīng)常在車間會議室陪同企業(yè)人員到晚上八九點?！八麄冊僭趺闯?、拍桌子，我們坐在這里，他們就不能一拍兩散，吵完后繼續(xù)想對策。” 示范工程的敷設也意外遇到了線路拆遷的困難，工程施工一度停滯不前，最后由市領導參與協(xié)調(diào)，在徐匯區(qū)、田林街道和市相關(guān)部門通力合作下才啃完硬骨頭，為示范工程的順利實施鋪平了道路。 示范工程的平穩(wěn)運行為超導電纜的推廣搬掉了一座大山，國網(wǎng)上海目前也在謀劃電壓等級更高、輸送距離更長的超導電纜項目。城市電網(wǎng)的輸送距離多集中在3-8公里的范圍，一旦成功，超導電纜將使城市電網(wǎng)布局變得更加緊湊。但目前擋在這個項目實施路上的一座大山，便是超導電纜的高成本。 據(jù)悉，目前超導電纜的成本是每公里9000萬元，而同等級普通電纜的這一價格只需要幾百萬元?！爸辽僖陆狄话?，市場才有逐步推進規(guī)?；こ虘玫目赡苄??！编嵔”硎?，即便算上超導電纜建設期節(jié)省的通道成本、運行期的節(jié)能效益，目前的超導電纜成本仍無法被市場廣泛接受。 在張喜澤看來，超導電纜的成本下降需要整個產(chǎn)業(yè)鏈一起努力。目前超導電纜的成本主要來自于三部分，其中40%是超導材料的費用，剩下的成本主要是超導電纜絕熱管和低溫制冷設備。其中，伴隨著絕熱管成品率的上升，絕熱管的漏熱水平已經(jīng)從2016年寶鋼項目的每米約4-5瓦降低到2.5瓦。但綜合制冷效率目前仍低于10%，雖然與國際整體持平，但未來仍有較大提升空間，需要進一步進行技術(shù)攻堅。 超導帶材企業(yè)也在不斷努力通過提高產(chǎn)品性能來降低成本。蔡傳兵介紹，上創(chuàng)超導近期研發(fā)的一個重大突破就是把化學法采用的膠水組分進行了變化，除了提高了超導薄膜的生長效率，還讓超導層的厚度翻了一倍，這讓帶材性能完成了從500安培到1000安培的飛躍，“2014年之前，我們覺得要達到美國超導（AMSC）300安培的載流能力是很難的，領導給我們下了300安培的任務，說實話我們心里并不情愿，但2014年我們確實做到了，后來不斷超越，現(xiàn)在上創(chuàng)的性能已經(jīng)是國際領先?！?/span> 在朱佳敏看來，雖然超導帶材的原材料成本并不高，但由于前期研發(fā)投入大、時間長，每年企業(yè)固定開支大，在沒有達到一定規(guī)模時，產(chǎn)品仍無法實現(xiàn)大幅降價。為此，無論是上創(chuàng)超導還是上海超導，兩家?guī)Р钠髽I(yè)都在持續(xù)與研發(fā)機構(gòu)、企業(yè)、高校合作探索高溫超導帶材新的應用場景，開發(fā)新的超導應用產(chǎn)品。 高溫超導帶材除了可以應用于超導電纜，還可以應用于各類超導電力裝備上，包括超導限流器、超導儲能、超導變壓器、超導電機等；此外，超導材料大載流的特性，使得其繞成線圈能產(chǎn)生大磁場，可以應用于高場磁體、可控核聚變、粒子加速器、感應加熱、磁懸浮等場景。 目前，除了超導電纜外，上海超導和上創(chuàng)超導的帶材已經(jīng)逐步應用于超導電力、超導磁體、可控核聚變等多個領域，并開始向國外用戶供貨。 此外，曾經(jīng)在日本鐵道綜合技術(shù)研究所學習、工作過的蔡傳兵對于高溫超導應用于磁懸浮列車抱有非常大的期望。經(jīng)過20多年的試驗，日本將于2027年實現(xiàn)東京到大阪的時速600公里以上的超導磁懸浮列車的商業(yè)化運行，而高溫超導將使得超導磁懸浮列車技術(shù)在現(xiàn)有的基礎上再次升級。 值得一提的是，超導從業(yè)人士對于被認為是“人類終極能源”的可控核聚變賽道尤為關(guān)注。 2021年9月，美國麻省理工CFS團隊成功研制了全球首個可用于核聚變的20特斯拉高溫超導磁體，標志著高溫超導核聚變裝置進入功能樣機研制階段；同年，該公司宣布完成18億美元的B輪融資，投資人包括比爾·蓋茨、淡馬錫、老虎基金、中東主權(quán)基金、沙特Jameel家族基金等國際投資巨頭。 國內(nèi)以高溫超導商業(yè)可控聚變堆為目標的創(chuàng)業(yè)團隊和民間資本緊隨其后。2022年初，能量奇點能源科技（上海）有限公司（下稱能量奇點）獲得由米哈游、蔚來資本領投的4億元人民幣天使輪融資，計劃在2023年底之前建成運行全球首臺全高溫磁體超導托卡馬克裝置；2022年6月，陜西星環(huán)聚能科技有限公司獲得順為資本領投的數(shù)億元人民幣天使輪融資，致力于可控聚變能裝置的設計、研發(fā)、建設和運行。 “可控核聚變裝置對于超導帶材的需求量可能會快速帶動高溫超導材料的規(guī)模化?！睆埾矟膳袛?，據(jù)他所知，一臺緊湊型可控核聚變裝置樣機所需要的超導帶材量基本與1公里超導電纜所需要的超導帶材總量相當。 根據(jù)能量奇點的計劃，該公司將于2027年建成全球首臺可實現(xiàn)無感驅(qū)動凈能量輸出的先進托卡馬克裝置，并在2030年后建成可用于示范性聚變發(fā)電站的托卡馬克裝置。 伴隨超導電纜、可控核聚變超導磁體等下游應用的帶動，業(yè)內(nèi)人士預計，未來幾年全球高溫超導帶材年需求量將達到3000公里，國內(nèi)年需求量將超過1500公里，遠超當前高溫超導帶材有效產(chǎn)能。 目前，上海超導正在浦東康橋新建高溫超導帶材生產(chǎn)線，建成投產(chǎn)后超導帶材成本有望大幅降低。 至此，上海已經(jīng)完成了包括超導帶材、制冷設備、絕緣材料、電纜、磁體、核聚變應用的超導全產(chǎn)業(yè)鏈的布局。 2021年11月，國際超導大股東奧盛集團、上海電纜研究所、國網(wǎng)上海市電力公司、上海電氣輸配電集團有限公司聯(lián)合發(fā)起，成立上海超導制造業(yè)創(chuàng)新中心，面向上海超導產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大需求，以協(xié)同創(chuàng)新為取向，以產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)和共性關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)供給、轉(zhuǎn)移擴散和首次商業(yè)化為重點，實現(xiàn)超導產(chǎn)業(yè)化過程中各創(chuàng)新鏈條，打造跨行業(yè)、跨領域、網(wǎng)絡化的制造業(yè)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。 上海高溫超導產(chǎn)業(yè)基地于寶山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)落成，圍繞新興產(chǎn)業(yè)吸引超導產(chǎn)業(yè)鏈上下游集聚，打造超導產(chǎn)業(yè)應用技術(shù)研發(fā)高地，推動超導技術(shù)與電力能源、大科學裝置、醫(yī)療、軌道交通等關(guān)鍵領域的深度融合，將超導打造成為“上海制造”新名片。
來源 | 澎湃新聞
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