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超导材料王国的探秘之旅
    张平祥博士在检测超导线材。
超导线材生产车间。

  本报记者 侯燕妮 文/图
  “国际先进、国内空白、解决急需”,这是西部超导材料科技股份有限公司(以下简称西部超导)的产品定位。本着这样的理念,西部超导屡创佳绩,在超导材料研发和产业化方面取得卓越成绩。西部超导“超导磁共振成像仪用高性能超导线材”产业化项目获得2017年度陕西省科学技术奖一等奖。该技术填补了国内空白,达到世界领先水平,打破了发达国家在这一领域的垄断。
  底气源自实力。“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”系目前规模仅次于国际空间站的人类科技合作计划。其核心部件需采用高性能的铌钛和铌三锡超导材料,西部超导为该工程提供了174吨铌钛和30吨铌三锡超导线材。经过10余年坚持不懈的自主创新、成果转化,西部超导现已成长为国际领先、全球唯一的超导锭棒材、超导线材、超导磁体全流程生产企业。
  带着人类对超导材料的无限想象,西部超导继续着自己的探索之旅。

   1 抢占国际超导材料产业化技术前沿
  从人类首次发现“超导现象”至今的100多年间,超导研究的每一次跨越都给人类生活带来更多可能。20世纪80年代起,美国、日本等发达国家相继实现了超导材料产业化。我国在超导研究领域基本上与发达国家同步,但是直到20世纪末,我国的超导产业依然是一片空白。
  2003年,我国以正式成员国身份加入ITER计划,西部超导应运而生,我国的超导产业化迎来了难得的发展契机。据西北有色金属研究院院长、西部超导董事长张平祥博士介绍,ITER计划旨在利用核聚变产生的能量永久地解决人类能源危机。铌钛和铌三锡超导线材是制造聚变反应系统核心装置“托卡马克”线圈的关键材料。要更好地控制核聚变,就意味着线圈圈数越多越好,这就要求铌钛线材足够长、足够细,同时线里面的1万多根芯丝均不能断裂。一场国际赛跑拉开序幕。从那时起,西部超导开始自主研发实用化低温超导材料制备技术。10年间,该团队完成了5项创新技术发明,让单根芯丝直径仅5微米的超导线材从梦想变为可能。
  2011年,第一批铌钛线材样品下线。在ITER国际组织进行的对比测试中,鉴定委员会认为,西部超导制备的高性能超导线材,其综合性能指标及性能稳定性位居国际领先水平。2012—2017年间,西部超导圆满完成了占ITER总量69%的铌钛和7.5%的铌三锡超导线材的供货任务。同时,西部超导先后向美国通用电气公司、中国科学院高能物理研究所等国内外用户,以及先进重离子加速器等科学项目提供了高性能超导线材,满足了超导领域大科学工程急需。
  多年间,西部超导的高性能超导线材制备技术先后取得发明专利授权17项、国防专利8项,发表学术论文25篇,制定工艺标准47项,填补了我国高性能低温超导线材批量化制备技术的空白。在西部超导的努力下,中国的超导产业后来居上,一举赶超了西方国家30年的发展水平。
   2 为超导磁共振成像仪提供核心材料
  创新永无止境。具备尖端材料制备技术的西部超导不断尝试,努力拓展为人类服务的深度与广度。在医疗领域,西部超导实现了超导磁共振成像仪用超导线材的产业化,为这项惠及民生的工程注入了超导能量。
  超导磁共振成像是现代医疗影像诊断最重要的手段之一。它能够在不损害健康的前提下,快速地获得患者身体内部结构的高精确度立体图像,帮助筛查、确诊早期重大疾病。在我国,每百万人拥有超导磁共振成像设备的数量与西方国家相差10倍左右,只有实现超导磁共振成像设备的国产化,才能大幅降低该项医疗检查的成本,国人才能实现肿瘤等重大疾病的早发现、早治疗。
  超导磁共振成像设备要实现国产化,需要解决超导线材、超导磁体、信号处理系统3个难题。由于其中的核心关键材料——高尺寸精度、高稳定超导线材的制造技术长期被发达国家垄断,严重制约了我国超导磁共振成像设备的产业化和普及应用。经过数年的探索,西部超导成功解决了高均匀合金熔炼、导体结构设计、粉末装管法线材塑性变形控制、高尺寸精度线材加工等难题,研发出国内第一根具有完全自主知识产权的磁共振成像仪用超导线材,并建成了我国首条年产量达400吨的生产线,相关产品已为德国西门子集团等全球主要医疗影像设备供应商供货,应用于中国科学院电工研究所等国内超导磁共振成像仪系统研发。该技术的研发和产业化,打破了长期以来我国超导线材依赖进口的状况,全面提升了我国超导材料制备技术的能力和水平,推动了我国超导材料科学及应用技术加速发展。
  目前已在全世界医院广泛使用的铌钛超导磁共振仪,需要在液氦制冷环境下工作。由于氦气在地球上储量极少,我国的氦气基本依靠进口,在一定程度上制约着我国该产业的长期发展。为此,西部超导在实现磁共振成像仪用超导线材国产化的同时,也在积极开发新一代的二硼化镁超导线材制备技术,并已实现小批量产。目前,西部超导是国际上除美国和意大利之外,第三家可以提供千米级实用化二硼化镁超导长线的企业,线材性能与国际水平相当。这种二硼化镁超导材料可以使用常规的制冷机在无液氦环境下直接冷却至要求温度,因此非常适合偏远地区或者野外环境等对磁共振设备的特殊需求。
  3 探索超导材料的更多可能
  “西部超导有年产400吨的超导线材生产线,每年出口300吨左右。做一台超导磁共振成像仪需要1吨线材,300吨就相当于生产300台超导磁共振成像仪的需求量,而国内年供应量约100吨左右。”西部超导副总工程师、超导材料制备国家工程实验室副主任闫果说。随着人们生活水平的提高,对健康需求更加重视。理论上说,我国拥有全世界最大的核磁消费市场,然而事实并非如此。
  这个问题,曾经困扰过很多创业型企业。“我们和美国通用电气公司等国际企业有非常好的合作,产品性能得到一致认可。西部超导坚决支持民族超导磁共振成像产业的发展,我们做超导材料的初衷就是希望能在国内得到全面应用,真正团结起来,拧成一股绳去参与国际竞争。”闫果说,民族品牌的发展要有一个过程,市场也要给企业提供一个相对宽松的成长环境。
  在科幻电影《阿凡达》里,人类不惜一切代价想得到潘多拉星球上的宝贵资源,这个“宝贝”是一种神奇的室温超导矿石。这种室温超导体具有异常强大的力量,以至于依赖潘多拉星磁场就能使含有这类矿石的“哈利路亚”大山悬浮起来,具有巨大的经济价值。
  “超导材料同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两大神奇物理特性。”闫果说,抗磁性就是矿山能够悬浮起来的原理,而零电阻意味着不会产生能量损耗。与传统材料相比,在同等场景下使用超导线只需很细一根,相关设备的体积和重量就会大大降低。“实现这一切的必要前提是要让超导材料处于足够低的温度环境中,这阻碍了超导材料的大规模应用。如果室温超导矿石真的存在,这个世界将会彻底改变。”
  好奇心驱使着人类探索未知世界的奥秘,引领着我们不断认识自然世界,创造更舒适的生活。如今,西部超导正在积极推动相关技术应用于我国超导加速器、超导智能电网、超导风力发电机等领域。超导材料将怎样改变人们的生活,值得期待。

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