——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
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近年來,隨著超導(dǎo)技術(shù)在能源、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用取得重大突破,高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)材料與應(yīng)用相互促進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。產(chǎn)業(yè)既迎來重大發(fā)展機(jī)遇,也面臨諸多挑戰(zhàn),亟待產(chǎn)學(xué)研協(xié)同發(fā)力,加快產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,搶占產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn),為滿足高場(chǎng)強(qiáng)電領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略需求提供保障。
高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展機(jī)遇
超導(dǎo)材料具有零電阻和完全抗磁性等性質(zhì),可實(shí)現(xiàn)常規(guī)材料無法實(shí)現(xiàn)的大容量無阻輸電、超強(qiáng)磁場(chǎng)等應(yīng)用,是具有重大經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義的先進(jìn)材料?!秶覒?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于推動(dòng)未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》等多個(gè)國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃將超導(dǎo)材料列為未來新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)突破方向,明確提出,加快超導(dǎo)材料等前沿新材料創(chuàng)新應(yīng)用。目前,我國高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)迎來重大發(fā)展機(jī)遇,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
一是高溫超導(dǎo)材料規(guī)?;苽浼夹g(shù)取得突破。實(shí)用化的高溫超導(dǎo)材料主要包括銅氧化物超導(dǎo)材料、二硼化鎂超導(dǎo)材料和新型鐵基超導(dǎo)材料。在以釔鋇銅氧(YBCO)為代表的銅氧化物高溫超導(dǎo)線材規(guī)?;a(chǎn)上,我國長三角地區(qū)多家企業(yè)已具備千米級(jí)線材的生產(chǎn)能力,進(jìn)入國際先進(jìn)水平行列。在二硼化鎂超導(dǎo)材料方面,我國也實(shí)現(xiàn)了千米級(jí)長線技術(shù)的突破。在新型鐵基超導(dǎo)材料實(shí)用化研發(fā)領(lǐng)域,我國一直處于國際引領(lǐng)地位,率先突破了高性能長線制備技術(shù)并建成了千米級(jí)長線制備平臺(tái),開辟了實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)“新賽道”。
二是基于高溫超導(dǎo)材料的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用日趨成熟。在高溫超導(dǎo)電力應(yīng)用領(lǐng)域,我國研制出配電級(jí)超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器和超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)等超導(dǎo)電力設(shè)備;建成全球首座超導(dǎo)變電站,實(shí)現(xiàn)了掛網(wǎng)示范運(yùn)行;國際首條1.2公里高溫超導(dǎo)電纜商業(yè)化示范段在上海正式投運(yùn);自主研制的10千伏三相同軸高溫超導(dǎo)交流電纜在深圳投入運(yùn)行。在超導(dǎo)磁體應(yīng)用領(lǐng)域,我國研制的26特斯拉/50毫米孔徑高場(chǎng)超導(dǎo)磁體已用于懷柔國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施;自主研制的世界首臺(tái)兆瓦級(jí)高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置成功投運(yùn);自主研制的高溫超導(dǎo)磁控硅單晶生長設(shè)備填補(bǔ)了高端硅晶體制造領(lǐng)域多項(xiàng)空白;首套高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮全要素試驗(yàn)系統(tǒng)完成首次車輛懸浮運(yùn)行。上述應(yīng)用表明我國高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用場(chǎng)景日益豐富,產(chǎn)業(yè)生態(tài)持續(xù)完善。
三是高溫超導(dǎo)材料的市場(chǎng)需求迎來爆發(fā)式增長。近年來,由于高溫超導(dǎo)材料的不斷發(fā)展,讓小型化、低成本的商業(yè)化聚變堆成為可能。未來,商業(yè)化聚變堆擬運(yùn)行于20特斯拉以上磁場(chǎng)強(qiáng)度,每個(gè)堆所需高溫超導(dǎo)線總長度將達(dá)5000—10000公里。在聚變堆商業(yè)化的推動(dòng)下,高溫超導(dǎo)材料迎來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史性重大機(jī)遇,全球市場(chǎng)需求自2020年已提升10倍以上,達(dá)到每年數(shù)千公里。目前,全球商業(yè)核聚變領(lǐng)域企業(yè)總數(shù)已突破40家,共吸引超過70億美元的投資,未來一旦核聚變關(guān)鍵技術(shù)獲得突破,市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到每年數(shù)千億級(jí)。此外,在高能加速器領(lǐng)域,歐洲規(guī)劃將16—20特斯拉的高場(chǎng)超導(dǎo)磁體用于下一代加速器,我國提出的新一代高能加速器磁場(chǎng)強(qiáng)度將達(dá)到16—24特斯拉國際最高水平。這些大科學(xué)裝置由數(shù)千個(gè)高場(chǎng)超導(dǎo)磁體組成,均需數(shù)千噸超導(dǎo)材料,也將極大帶動(dòng)高溫超導(dǎo)材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)
當(dāng)前,我國高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展仍面臨材料性價(jià)比低、關(guān)鍵技術(shù)存在短板、產(chǎn)業(yè)鏈配套不完善等問題,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
一是材料制備成本偏高,規(guī)?;瘧?yīng)用受限。高溫超導(dǎo)材料由于實(shí)用化性能、規(guī)?;苽浜蜕a(chǎn)成本等因素制約,仍處于規(guī)?;瘧?yīng)用初期。如YBCO超導(dǎo)線材主要采用鍍膜工藝制備,據(jù)2023年《科學(xué)》雜志報(bào)道,其市場(chǎng)價(jià)格為150美元/千安米左右,距業(yè)界公認(rèn)的50美元/千安米的大規(guī)模應(yīng)用目標(biāo)還存在差距。對(duì)于二硼化鎂和新型鐵基超導(dǎo)材料,采用粉末裝管法制備線材可降低成本,但其高場(chǎng)載流性能還需繼續(xù)提高。因此,持續(xù)提升載流能力、降低制造成本,是高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。
二是關(guān)鍵技術(shù)存在短板,產(chǎn)業(yè)化能力不足。我國高端超導(dǎo)磁體長期依賴進(jìn)口,產(chǎn)業(yè)化發(fā)展相對(duì)滯后。如大口徑高場(chǎng)超導(dǎo)磁體是高端醫(yī)療裝備、工業(yè)與特種裝備等領(lǐng)域的重要設(shè)備,我國商品化大口徑高場(chǎng)超導(dǎo)磁體的制造技術(shù)尚不成熟,相關(guān)產(chǎn)業(yè)仍無法與發(fā)達(dá)國家全面競(jìng)爭。核磁共振譜儀是生命科學(xué)、藥物研發(fā)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的高端分析儀器,近年來我國市場(chǎng)需求快速增長。然而,核磁共振譜儀市場(chǎng)長期被國外廠商壟斷,我國商品化核磁共振譜儀處于起步發(fā)展階段,需加強(qiáng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
三是產(chǎn)業(yè)鏈配套不完善,自主可控缺乏保障。我國在高溫超導(dǎo)材料研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域有著豐富的技術(shù)積累和較完整的產(chǎn)業(yè)布局,但由于創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈不完整,相關(guān)配套技術(shù)存在短板。如高溫超導(dǎo)材料研發(fā)所需的部分科研裝備,還依賴國外進(jìn)口,面臨配件購買周期長、維護(hù)費(fèi)用高等問題。在高溫超導(dǎo)線材制備所需的部分高純?cè)牧稀⒏哔|(zhì)量靶材等方面,也存在依賴國外進(jìn)口的問題,面臨斷供風(fēng)險(xiǎn),需進(jìn)一步加強(qiáng)自主創(chuàng)新。
產(chǎn)學(xué)研融合助力產(chǎn)業(yè)邁上新臺(tái)階
針對(duì)上述挑戰(zhàn),我國應(yīng)從核心技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展和創(chuàng)新生態(tài)構(gòu)建三個(gè)方面入手,形成產(chǎn)學(xué)研相互協(xié)作、融合發(fā)展的創(chuàng)新體系,共同推動(dòng)高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
第一,完善頂層設(shè)計(jì),統(tǒng)籌核心技術(shù)攻關(guān)。高溫超導(dǎo)材料作為前沿新材料,其實(shí)用化研發(fā)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,需完善國家科技創(chuàng)新戰(zhàn)略部署和頂層設(shè)計(jì),統(tǒng)籌優(yōu)勢(shì)科研隊(duì)伍、國家科研基地平臺(tái)和重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,強(qiáng)化目標(biāo)導(dǎo)向攻關(guān),重點(diǎn)突破高性能高溫超導(dǎo)材料制備及高場(chǎng)強(qiáng)電應(yīng)用關(guān)鍵核心技術(shù),為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展筑牢基礎(chǔ)。
第二,強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)協(xié)同,持續(xù)推動(dòng)強(qiáng)鏈增效。在高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)上游重點(diǎn)加強(qiáng)高純度化學(xué)原料、高質(zhì)量靶材、高強(qiáng)度合金等原材料的自主可控。在產(chǎn)業(yè)中游強(qiáng)化低溫制冷技術(shù)與設(shè)備、材料成型精密加工設(shè)備、高端測(cè)試分析儀器等配套裝備和技術(shù)保障。在產(chǎn)業(yè)下游聚焦能源、電力、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域的重大需求,構(gòu)建應(yīng)用牽引的“市場(chǎng)驗(yàn)證—技術(shù)迭代—材料升級(jí)”反饋閉環(huán),形成“原材料—配套技術(shù)—產(chǎn)業(yè)應(yīng)用”的全鏈條協(xié)同發(fā)展。
第三,構(gòu)建創(chuàng)新生態(tài),促進(jìn)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)升級(jí)。在國家層面支持的基礎(chǔ)上,積極引導(dǎo)和鼓勵(lì)地方政府、優(yōu)勢(shì)企業(yè)對(duì)高溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用技術(shù)研發(fā)進(jìn)行投入,形成全社會(huì)共同參與和支持的多元研發(fā)體系。加快構(gòu)建由行業(yè)龍頭企業(yè)牽引,產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)、高校及科研院所參與的協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái),實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范,形成產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的高效產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系,推動(dòng)我國高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
(作者:馬衍偉,系中國科學(xué)院電工研究所黨委副書記、副所長、研究員)
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