超導材料王國的探秘之旅

原標題：超導材料王國的探秘之旅

張平祥博士在檢測超導線材 

「國際先進、國內空白、解決急需」，這是西部超導材料科技股份有限公司(以下簡稱西部超導）的產品定位。本著這樣的理念，西部超導屢創佳績，在超導材料研發和產業化方面取得卓越成績。西部超導「超導磁共振成像儀用高性能超導線材」產業化項目獲得2017年度陝西省科學技術獎一等獎。該技術填補了國內空白，達到世界領先水平，打破了發達國家在這一領域的壟斷。

底氣源自實力。「國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃」系目前規模僅次於國際空間站的人類科技合作計劃。其核心部件需採用高性能的鈮鈦和鈮三錫超導材料，西部超導為該工程提供了174噸鈮鈦和30噸鈮三錫超導線材。經過10餘年堅持不懈的自主創新、成果轉化，西部超導現已成長為國際領先、全球唯一的超導錠棒材、超導線材、超導磁體全流程生產企業。

帶著人類對超導材料的無限想像，西部超導繼續著自己的探索之旅。

1 搶佔國際超導材料產業化技術前沿

從人類首次發現「超導現象」至今的100多年間，超導研究的每一次跨越都給人類生活帶來更多可能。20世紀80年代起，美國、日本等發達國家相繼實現了超導材料產業化。我國在超導研究領域基本上與發達國家同步，但是直到20世紀末，我國的超導產業依然是一片空白。

2003年，我國以正式成員國身份加入ITER計劃，西部超導應運而生，我國的超導產業化迎來了難得的發展契機。據西北有色金屬研究院院長、西部超導董事長張平祥博士介紹，ITER計劃旨在利用核聚變產生的能量永久地解決人類能源危機。鈮鈦和鈮三錫超導線材是製造聚變反應系統核心裝置「託卡馬克」線圈的關鍵材料。要更好地控制核聚變，就意味著線圈圈數越多越好，這就要求鈮鈦線材足夠長、足夠細，同時線裡面的1萬多根芯絲均不能斷裂。一場國際賽跑拉開序幕。從那時起，西部超導開始自主研發實用化低溫超導材料製備技術。10年間，該團隊完成了5項創新技術發明，讓單根芯絲直徑僅5微米的超導線材從夢想變為可能。

2011年，第一批鈮鈦線材樣品下線。在ITER國際組織進行的對比測試中，鑑定委員會認為，西部超導製備的高性能超導線材，其綜合性能指標及性能穩定性位居國際領先水平。2012—2017年間，西部超導圓滿完成了佔ITER總量69%的鈮鈦和7.5%的鈮三錫超導線材的供貨任務。同時，西部超導先後向美國通用電氣公司、中國科學院高能物理研究所等國內外用戶，以及先進重離子加速器等科學項目提供了高性能超導線材，滿足了超導領域大科學工程急需。

多年間，西部超導的高性能超導線材製備技術先後取得發明專利授權17項、國防專利8項，發表學術論文25篇，制定工藝標準47項，填補了我國高性能低溫超導線材批量化製備技術的空白。在西部超導的努力下，中國的超導產業後來居上，一舉趕超了西方國家30年的發展水平。

2 為超導磁共振成像儀提供核心材料

創新永無止境。具備尖端材料製備技術的西部超導不斷嘗試，努力拓展為人類服務的深度與廣度。在醫療領域，西部超導實現了超導磁共振成像儀用超導線材的產業化，為這項惠及民生的工程注入了超導能量。

超導磁共振成像是現代醫療影像診斷最重要的手段之一。它能夠在不損害健康的前提下，快速地獲得患者身體內部結構的高精確度立體圖像，幫助篩查、確診早期重大疾病。在我國，每百萬人擁有超導磁共振成像設備的數量與西方國家相差10倍左右，只有實現超導磁共振成像設備的國產化，才能大幅降低該項醫療檢查的成本，國人才能實現腫瘤等重大疾病的早發現、早治療。

超導磁共振成像設備要實現國產化，需要解決超導線材、超導磁體、信號處理系統3個難題。由於其中的核心關鍵材料——高尺寸精度、高穩定超導線材的製造技術長期被發達國家壟斷，嚴重製約了我國超導磁共振成像設備的產業化和普及應用。經過數年的探索，西部超導成功解決了高均勻合金熔煉、導體結構設計、粉末裝管法線材塑性變形控制、高尺寸精度線材加工等難題，研發出國內第一根具有完全自主智慧財產權的磁共振成像儀用超導線材，並建成了我國首條年產量達400噸的生產線，相關產品已為德國西門子集團等全球主要醫療影像設備供應商供貨，應用於中國科學院電工研究所等國內超導磁共振成像儀系統研發。該技術的研發和產業化，打破了長期以來我國超導線材依賴進口的狀況，全面提升了我國超導材料製備技術的能力和水平，推動了我國超導材料科學及應用技術加速發展。

目前已在全世界醫院廣泛使用的鈮鈦超導磁共振儀，需要在液氦製冷環境下工作。由於氦氣在地球上儲量極少，我國的氦氣基本依靠進口，在一定程度上制約著我國該產業的長期發展。為此，西部超導在實現磁共振成像儀用超導線材國產化的同時，也在積極開發新一代的二硼化鎂超導線材製備技術，並已實現小批量產。目前，西部超導是國際上除美國和義大利之外，第三家可以提供千米級實用化二硼化鎂超導長線的企業，線材性能與國際水平相當。這種二硼化鎂超導材料可以使用常規的制冷機在無液氦環境下直接冷卻至要求溫度，因此非常適合偏遠地區或者野外環境等對磁共振設備的特殊需求。

3 探索超導材料的更多可能

「西部超導有年產400噸的超導線材生產線，每年出口300噸左右。做一臺超導磁共振成像儀需要1噸線材，300噸就相當於生產300臺超導磁共振成像儀的需求量，而國內年供應量約100噸左右。」西部超導副總工程師、超導材料製備國家工程實驗室副主任閆果說。隨著人們生活水平的提高，對健康需求更加重視。理論上說，我國擁有全世界最大的核磁消費市場，然而事實並非如此。

這個問題，曾經困擾過很多創業型企業。「我們和美國通用電氣公司等國際企業有非常好的合作，產品性能得到一致認可。西部超導堅決支持民族超導磁共振成像產業的發展，我們做超導材料的初衷就是希望能在國內得到全面應用，真正團結起來，擰成一股繩去參與國際競爭。」閆果說，民族品牌的發展要有一個過程，市場也要給企業提供一個相對寬鬆的成長環境。

在科幻電影《阿凡達》裡，人類不惜一切代價想得到潘多拉星球上的寶貴資源，這個「寶貝」是一種神奇的室溫超導礦石。這種室溫超導體具有異常強大的力量，以至於依賴潘多拉星磁場就能使含有這類礦石的「哈利路亞」大山懸浮起來，具有巨大的經濟價值。

「超導材料同時具有零電阻效應和完全抗磁性這兩大神奇物理特性。」閆果說，抗磁性就是礦山能夠懸浮起來的原理，而零電阻意味著不會產生能量損耗。與傳統材料相比，在同等場景下使用超導線只需很細一根，相關設備的體積和重量就會大大降低。「實現這一切的必要前提是要讓超導材料處於足夠低的溫度環境中，這阻礙了超導材料的大規模應用。如果室溫超導礦石真的存在，這個世界將會徹底改變。」

好奇心驅使著人類探索未知世界的奧秘，引領著我們不斷認識自然世界，創造更舒適的生活。如今，西部超導正在積極推動相關技術應用於我國超導加速器、超導智能電網、超導風力發電機等領域。超導材料將怎樣改變人們的生活，值得期待。 （侯燕妮）

(責編：孫晨(實習生)、王珩)