克服成本问题就能让高温超导体普及。

超导体导电时的电阻基本为零，因而能规避如今电力传输、转换、使用过程中的大量损耗。到目前为止，超导体的主要应用场景是强电磁场，大范围商业应用仅限于由低温超导体Nb47Ti构成的磁共振成像电磁铁。阻碍低温超导体得到更大规模应用的因素是：这种材料在使用时必须用液氦将其冷却到4.2K以下。能够在液氮温度范围（65~80K）内工作的高温超导体有望摆脱低温超导体的限制，从而得到大规模应用。核聚变发电可以极大程度推动国际能源机构在2050年前实现无碳经济的愿景。现在，核聚变反应堆原型机中已经开始应用高温超导体，从而为克服目前阻碍高温超导体技术商业发展的成本壁垒提供了契机。

自1987年意外发现93K的高温超导现象以来，应用高温超导体彻底改变电力工业的想法就一直萦绕在科学家脑海，显然，这远超超导体的传统应用范围电磁铁。虽然在后来的日子里，高温超导体技术取得了诸多突破，但在电力工业领域的应用仍旧寥寥无几。这很大程度上是因为高温超导材料成本太高，用其替换早已在电力设施中大规模应用的铜、铁制品在经济上没有任何可行性。因此，在过去十年里，高温超导体的应用研究退回了制造超高场电磁铁（使用“传统”的低温超导体无法实现这一目标）这一领域。从科学角度上说，这依然令人兴奋，但商业应用前景有限。不过，高温超导体使得经济型聚变反应堆成为可能，而后者是实现2050年零碳目标的重要途径。另外，核聚变的协同发展也会提升对高温超导材料的需求，产能的上升显然有助于降低这种材料的生产成本。如此种种都有可能彻底改变高温超导材料的经济性，特别是在替代电力技术中使用的铜铁材料方面。紧凑型托卡马克核聚变反应堆发展方面的主要投资现在已经初见成效，目前已经成功研制出大约1.8m×0.5m的环形磁场线圈原型。这种线圈由性能最佳的高温超导体REBa2Cu3O7-δ（一种稀土钡铜氧化物）构成，表面包裹着涂层导体，工作环境为20K、20T。在紧凑型托卡马克核聚变装置中，一组D形高温超导体-涂层导体线圈产生环形磁场，以约束等离子体（参见下页说明图）。前面提到的环形磁场线圈原型使用了270千米长的稀土钡铜氧化物（REBCO）材料，是目前在所有高场磁铁中使用的稀土钡铜氧化物-涂层导体材料的数倍。这一成果需要大幅扩大涂层导体的生产，于是就为按吨生产稀土钡铜氧化物-涂层导体材料提供了契机，同时有望把成本降至足以投入大规模应用的程度。届时，这种材料就不仅可以用于核聚变设施，更可以投入到电力工业和液氢产业中。

纵观历史，对新型超导体的需求主要来自高能物理学界。实际上，由于低温超导体和高温超导体都是极高能粒子对撞机的必要组成部分，高能物理学研究正不断推动对这类材料的需求。20K、20T环形磁场核聚变磁铁的成功为欧洲核子研究中心未来圆形对撞机高温超导偶极磁体的设计和操作提供了强有力的支持。在目前的大型核子对撞机中，主要使用温度1.8K的超流体氦为低温超导体磁铁降温。这个方法虽然有效，但代价高昂。相较之下，能在15~25K温度范围内工作的高温超导体可以节省大量冷却成本。

也就是说，大型核子对撞机以及未来的类似设备有望摆脱高成本的超流体氦，甚至可能直接使用温度在65~80K之间的液氮。正是这种诱人前景推动了人们对高温超导体尤其是稀土钡铜氧化物材料投入大规模应用的期待。不过，应用高温超导体的尝试很快就证明，这种超导材料之所以有效，还不只是因为它的高转变温度（或者说临界温度Tc）可以节省大量冷却费用，更重要的是，高温超导体可以在强磁场中携带高电流密度（Jc）。电流密度取决于各种结构缺陷能多大程度将超导体内部的量子化涡流“钉住”不动。在过去20多年里，获取高密度电流一直是个非常活跃的研究领域。为此，首先需要了解稀土钡铜氧化物材料的显著各向异性——这种性质肇始于材料本身结构的各向异性，并且使得强涡流很难被钉住。稀土钡铜氧化物可以生长成薄膜形式，同时还可结合纳米级隔热人造稀土化合物RE2O3以及BaZrO3等钙钛矿化合物，甚至可以在液氮温度下钉住强涡流，从而使获取高密度电流成为可能。

4.1

阻碍高温超导体大规模应用的第二个问题是：高温超导材料对任何局部抑制超导性的紊乱都相当敏感，就比如多晶导体几乎所有晶粒之间（晶粒边界）的情况那样。目前主要使用的两种低温超导材料Nb47Ti和Nb3Sn载流子密度高、各向同性，而且是s波超导体。而铜酸盐高温超导材料明显是各向异性的d波超导体。在这种材料中，除了极低角度的晶粒边界（相邻两个晶粒之间的晶体取向差异很小），绝大多数晶粒边界的载流子密度和超导性受到严重抑制。这就导致多晶材料晶粒间的连通性和电流密度大幅退化。于是，即便是长度远小于1千米的高温超导体也花了至少15年才研制出来。相较之下，低温超导体的单根长度通常远大于10千米。目前比较成熟的3种商用高温超导材料分别是稀土钡铜氧化物、铋锶钙铜氧化物（BSCCO）Bi-2223和Bi-2212。无论是上述哪一种材料，要想获得高电流密度，都必须先研发出能够最大程度削减远程超导电流传输阻碍的高晶体结构。具体到稀土钡铜氧化物，需要一种全新的大规模气相沉积薄膜生产方法。值得一提的是，Bi-2223和Bi-2212倒是可以通过传统线材制造方式生产，但代价是产品品质较差，因而电流密度较低。相较之下，薄膜涂层导体制造工艺的工业化已经解决了弱涡流固定问题和晶粒边界超导电流阻塞问题，从而使得经济型高温超导材料的大规模生产成为可能。

目前，全世界都在生产长度500~1 000米、几乎全是单晶结构的稀土钡铜氧化物—涂层导体。绝大多数采用的生产方式是：借助离子束辅助沉积（IBAD）令10~50纳米厚的立方结构氧化镁模板生长到30~100微米厚的无结构金属衬底上，比如哈斯特洛伊耐腐蚀镍基合金C-276。接着，一些约100纳米厚的中间氧化层允许氧化镁与1~3微米厚的稀土钡铜氧化物层进行晶格匹配，然后由1~2微米厚的溅射银作保护，最后再覆上更厚的5~50微米厚的铜层。一般来说，这层铜层之前就已经过电镀处理，以保证电稳定性并防止稀土钡铜氧化物的超导性损失。大多数（甚至可以说是所有）生产工艺都需要多个物理气相沉积室。这类设备成本很高，吞吐速度又相对较慢，导致涂层导体的制造变得既复杂又昂贵。核聚变发电工业的迅猛发展必然导致对高温超导材料的需求增加，这可能会带来具有革命意义的深远影响，推动稀土钡铜氧化物涂层导体的生产制造进入全工业化运营阶段，进而可能大幅降低成本。

衡量超导体生产成本最常使用的单位是美元每千安培每米（$/kA-m），也即在自场（没有外部磁场）温度77K的条件下生产1米传输1 000安培电流所需超导体的成本——当然，也可以把生产条件放宽到满足需要的任何温度和磁场强度。当前高温超导体的批量生产价格在150~200$/kA-m。许多针对超导体商业应用可行性的分析显示，高温超导材料大规模应用于电力产业的成本临界点是50$/kA-m。按照现在的远景预测，等到高温超导材料能以极大规模生产时，成本甚至可以低于10$/kA-m。

值得一提的是，在目前所有可以生产的超导体中，最不“有效”的（就可使用的操作场和温度范围而言）Nb47Ti反而是唯一能达到商业生产所需规模的。虽然铌这种材料价格昂贵，但Nb47Ti却是核共振成像技术能进入大众市场的关键经济驱动力，因为核共振成像技术中由Nb47Ti制成的电磁铁可以在持续电流模式下工作，并且只需要一个小小的制冷剂就能冷却。紧凑型核聚变反应堆需要的条件只有稀土钡铜氧化物涂层导体才能提供，这就可以迫使许多无法容忍目前高温超导材料高昂成本的新市场为享受这种材料无可替代的优越性而做出尝试。

紧凑型核聚变反应堆原型需要10倍以上的高温超导材料供应，于是，在过去的3年里，这种材料的产量从原来的一年几百千米上升到了几千千米。需求的急剧上升推动了技术进步，使得高温超导材料的生产变得更加稳健且具备规模化可能，每年的产量也上涨到了数吨的水平。生产规模的迅速扩张很快就可能让高温超导材料的生产成本降至大约100$/kA-m。高温超导材料的使用成本很大程度上也与超导体的电流密度与产量相关。目前，实验室所用超导体样本的最大电流密度达到商用超导体的2倍以上，因此，生产规模上升后，商用超导体的性能和使用成本仍有巨大提升空间。随着生产技术的成熟，高温超导体产量必然也会随之上升，进而降低成本。这样一来，高温超导涂层导体就有了同铜、铁制品在电力设备、风力涡轮等应用领域竞争的可能，甚至可能研发出使用氢冷超导发动机的电动飞机。

总的来说，目前，由于稀土钡铜氧化物超导体的应用范围有望进一步扩大，高温超导材料及其工业应用的前景前所未有的光明，就像35年前磁共振成像电磁铁中应用Nb47Ti为高温超导材料扩大生产带来的机遇一样。紧凑型核聚变发电厂（目前尚处于原型机阶段）的发展直接刺激了全球年发电量指数式增长。超导材料应用学界期待高温超导材料能进入“成本下降—电力技术应用范围扩大—需求增加”的良性循环，毕竟，在目前的许多电力产业中，与广泛使用的铜、铁乃至低温超导制品相比，当前稀土钡铜氧化物涂层导体的价格毫无优势，并非经济的选择。我们完全可以期待高温超导材料及其应用未来能收获可持续的规模化市场，这无疑会为能源生产、分配、使用过程中的诸多人类活动以及医药业、运输业和科研界带来可观的公共利益。

资料来源 Science