能源危机是全球面临的公共难题。科学家们由太阳获得灵感,希望通过可控核聚变反应来创造出“人造太阳”,以获得清洁且可持续的能源。幸运的是,其实现的主要手段之一——磁约束核聚变技术已经接近成熟,即托卡马克方案。
在这一方案中,一种在极低温下电阻变零且具备完全抗磁性的材料成为不可或缺的关键一环,它就是超导材料。我国企业能量奇点自主研制的“洪荒70”是一台由全高温超导材质建造的托卡马克装置。相比低温超导托卡马克装置,其体积和造价大幅降低,极有可能在不久的将来实现示范性聚变发电。而其磁体系统所采用的高温超导材料,正是今天科Way想要给读者朋友们介绍的浦东企业上海超导科技股份有限公司(以下简称“上海超导”)所提供的。值得注意的是,上海超导前不久刚刚启动IPO辅导。接下来,请随科Way一起走近这家国内高温超导领域的领头羊。
今年的专精特新中小企业发展大会期间,上海超导作为全国专精特新中小企业的优秀代表,亮相于大会特设的专精特新中小企业发展成就展。在展区,记者见到了上海超导的主要产品——第二代高温超导带材,它们就如一盘盘普通的带子那样摆在桌子上。
上海超导副总裁陈思侃为记者科普,第二代高温超导带材的制备,就是在不锈钢等合金基带上,镀一层大约1-2微米厚的稀土氧化物高温超导薄膜。上海超导的带材以哈氏合金为基带,随后一层层镀上氧化铝、氧化钇、氧化镁、镧锰氧、氧化铈、超导层、银层,然后再用铜层包裹。这也使得超导带材与传统的圆形铜丝、电缆不同,最终呈现出一条扁长的形状。
这种材料在相对较高的温度下(通常指超过液氮沸点的77K),能表现出零电阻和完全抗磁性的现象,因此在能源、电力、交通、医疗、大科学装置等诸多领域都具有重要的应用前景。
比如在手机和卫星通信领域,高温超导滤波器的应用明显改善了通信质量;在医疗设备行业,超导量子干涉器件装备的使用大大加强了对人体心脑探测检查的精确度和灵敏度;我国自主开发的高温超导磁悬浮列车样车时速达到了620公里。
可以说,高温超导在所有与电相关的领域都有着重要的研究和开发价值。
当然,高温超导材料的应用最被寄予厚望的是推动可控核聚变反应堆的发展。尽管国际上的超大型装置,如LHC(欧洲强子对撞机)、ITER(国际热核聚变反应堆)等使用的仍然是最早的超低温超导体材料,工作温度低至零下271摄氏度,必须用昂贵的液氦冷却,但我国的强磁场高温超导托卡马克装置“洪荒70”已于今年6月成功实现了等离子体放电,而下一代的“洪荒170”也已进入了物理装置阶段,明年初将开始工程设计,预计2027年建成。
高温超导材料于1986年被发现,于1987年被授予诺贝尔物理学奖。“但当时它还只是块状的陶瓷材料,不能做成带材,不能作为一个电线电缆去使用。后来科学家们用了二三十年才将其从块材研发成带材。”陈思侃说。
2011年,上海交通大学制备出了中国首根百米级的超导带材。同年,上海超导成立,接力将这一行业内的突破性科技成果产业化。
十多年来,上海超导相继与南方电网、国家电网、中科院等离子体所、中科院电工所、美国MIT、德国KIT、美国CFS公司、英国TE公司、联创超导等国内外企业及科研机构建立了合作。
与此同时,随着研发上的不断突破,上海超导的带材产量持续增加,从2016年的10公里,到2017年的17公里,再到2018年猛然增至43公里。2019年和2020年,带材产量更是增长惊人:分别达到201公里和406公里,实现倍增。更为重要的是,在2019年生产的带材检测图片中,几乎所有都只有一条平直的细细红线,这意味着产品性能更加稳定和均一,良品率大大增加。
这是一个质的飞跃,上海超导的量产化之路终于走通了。
根据今年10月松禾资本的研报,上海超导目前已实现每年1000km以上的产能,成为了全球能够大规模稳定量产的公司之一。
目前,上海超导已为全球三个电压等级最高的超导限流器、全球首台兆瓦级感应加热装置、全球磁场最高的全超导稳态强磁体(32.3T)以及全球首条 35kV 公里级高温超导电缆等重大工程提供原材料。
在产业化的漫漫征途上,上海超导遇到的第一个难题就是没有现成的可用来量产的设备。
在高温超导带材的制备过程中,需要用到大型的镀膜设备,其中还包括离子束、脉冲激光等复杂的关键部件。而每一次镀膜和封装,都意味着一道工序,意味着一台专用的设备。但实验室的设备严重依赖于进口,给材料的量产化设置了天然的屏障。
因为在带材材料批量生产时,如果设备依赖进口,就意味着,只要其中一个部件坏了,就会导致整个产线停工。“而且如果设备是外边买的话,就无法满足和工艺包结合到一起的要求。”上海超导董事长马韬说。
上海超导生产车间一角
在上海超导位于张江的车间里,能够看到不同大小、不同功能的设备按照生产流程摆放着。其中核心的镀膜设备,看上去就像是一台电影放映机。两个同步旋转的圆盘之间,是一条细细的带材。随着圆盘的转动,带材上又被镀上一层材料。
“我们造出了所有的设备。从设备的每一根电线、每一个螺母,到程序都是自己设计的。小到装载带材的盘片,大到每一个重要的部件,都经历了反反复复的推倒重来。”马韬介绍,上海超导在装备以及基础材料上,解决了材料的国产化和大功率离子源的国产化。
走通高温超导产业化这条荆棘遍布的道路,上海超导离不开上海市的大力支持。记者听说过一段故事:本世纪初,上海也曾尝试去购买海外超导领军企业的核心设备材料,却遭对方开出天价,于是下定决心自主创新。
在政府部门的牵头下,上海超导材料、系统、应用等关键环节的企业组建产业联盟,逐渐形成从超导材料研究、生产到产品研究、生产、应用的完整产业链,具备了从超导材料到电缆集成的核心能力。而始终坚持自主创新的上海超导,得益于逐步完善的产业生态和上海市的持续支持,经过4年多的艰苦研发,终于将超导带材批量化制备所需的所有设备都设计制造了出来。
从2012年到2015年,上海超导陆续制造了国内首台公里级卷对卷磁控溅射镀膜设备、离子束辅助沉积镀膜设备、脉冲激光沉积镀膜设备,以及超导带材各类后处理和检测设备,为超导带材批量化制备奠定了扎实的基础。
但很快又一个难题摆在了上海超导面前——最初从实验室完成的工艺在产业化时“卡壳”了。所有做出来的超导带材性能不稳定,就如人的“心电图”般波动不定。
在产业化中,必须保证带材的均一性。性能如此不稳定意味着,超导带材十几道工序中还有众多的工程实践问题要解决。于是,研发团队加班做实验,将所有工艺一道道重新研究。
功夫不负有心人。针对超导层的镀制,上海超导提出非对称温区技术,解决了多道动态镀膜温度均匀性的问题,完成了一系列关键核心技术的攻关。同时,开发了超导带材关键性能指标的测试平台与方法,也逐步建立了一套完整的工艺质量体系。
此外,为实现超导带材实用化,上海超导还开发一系列关键技术,例如开发低阻带材工业接头,解决了带材长度有限问题;攻克带材过流烧断、浸渍性能退化、不锈钢封装等困扰业界的一些难题。
工艺和技术上的不断突破,使得上海超导不仅走通了产业化之路,而且所制备的带材材料在性能上超越了美国超导。
日本高能加速器研究机构(KEK)、英国托卡马克能源公司(Tokamak Energy)、美国麻省理工等离子与聚变中心(PSFC)、新西兰罗宾逊研究所(RRI)曾经在对比测试全球主流带材的性能后,给出了惊人一致的结论:上海超导在全球16家第二代高温超导带材生产商中排在第一梯度,且性价比第一。
而且,上海超导还是目前全球唯二的两家能够在30微米薄基带上制备出高 Je带材的公司之一,更是唯一一家开发出基于25微米薄基带的批量化超导带材的公司。
文字丨沈润秋