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举数吨重列车“轻如树叶” 神力源自高温超导

    超导体导电能力是常规导体铜线的几十倍以上。在磁浮轨道交通系统中使用超导磁体,可产生更大的悬浮力、导向力和驱动力,且更加节能、环保。

    邓自刚

    西南交通大学教授

    随着超导材料性能不断提高和完善,科学家们正在积极开展高温超导应用技术的研究,其中诞生了一个重要领域的研究应用——高温超导磁浮列车技术。

    作为革命性的技术创造,高温超导磁浮列车技术在我国已有相关研究最新进展。就在本月13日,具有完全自主知识产权的,世界首条高温超导高速磁浮样车及试验线,在西南交通大学下线。这标志着高温超导高速磁浮工程化研究从无到有的突破,具备了工程化试验示范条件。

    此次下线的世界首台高温超导高速磁浮工程化样车重达12.5吨,但是它就像是一片漂浮于水面的叶子,仅用手就能轻松向前推动。为何如此神奇?答案就是:高温超导磁浮技术使它实现了静止悬浮。

    12.5吨重列车轻松实现静止悬浮

    高温超导体的电阻近似为0。因此产生的感应电流会在超导体内一直循环下去,而感应电流产生的磁场与轨道磁场方向相反,将相互作用产生悬浮力。

    “磁浮根据悬浮力的产生原理不同,主要分为电磁悬浮、电动悬浮和高温超导磁悬浮。最常见的是电磁悬浮,它的基本原理就是‘电生磁’,即通电后产生悬浮。”西南交通大学教授邓自刚说,此外电动悬浮,顾名思义就是“动生电”,即运动起来后产生悬浮。

    关于电动悬浮,目前日本的低温超导电动悬浮技术已相对成熟并正在建设商业运行线。在2015年,日本低温超导磁浮列车创下了时速603公里的速度纪录,之后商业应用的速度达到时速505公里。

    而低温超导电动悬浮是利用车载低温超导磁体与闭合“8”字形线圈的相对运动,在线圈中感应出涡流,涡流再产生感应磁场,感应磁场与磁体磁场互相作用产生电磁力,从而实现悬浮。

    当前,我国已成为世界高铁大国,技术、装备、建设和运营达到国际先进水平。在磁浮列车技术上,西南交通大学正在持续推进原创的高温超导磁浮列车技术。

    据邓自刚介绍,高温超导磁浮技术利用了非理想第二类高温超导体在混合态中的磁通钉扎特性,实现稳定悬浮导向一体化。因此,高温超导磁浮也被称为“高温超导钉扎悬浮”。

    高温超导磁浮的工作原理是:在外磁场中,高温超导体独有的强钉扎能力使得磁力线既难逃离钉扎中心的束缚(对于已经被俘获的磁力线)也难渗透进入超导体内(对于未被俘获的自由磁力线)。这种独特的钉扎特性使得超导体能够随外磁场的变化而感应出阻碍这种变化的超导强电流。这种超导电流与外磁场的电磁相互作用,在宏观上产生与悬浮体自身重力平衡的悬浮力,并提供横向稳定所需的导向力。

    与常规导体不同,高温超导体的电阻近似为0。因此产生的感应电流会在超导体内一直循环下去,而感应电流产生的磁场与轨道磁场方向相反,将相互作用产生悬浮力。因“感生电”原理,车载悬浮系统和轨道都不需要供电。

    “列车悬浮起来后,保持悬浮状态,唯一需要的是液氮,液氮使超导材料一直处于超导工作状态。”邓自刚说,空气中78%都是氮气,所以液氮成本较低,同时也节能环保。

    他表示,高温超导磁浮还有一个显著的特点——列车前进方向的磁阻力几乎为0。“在这些优势的加持下,高温超导才能帮助磁浮列车实现‘奔跑’,甚至更适合未来交通的超高速应用。”

    高温超导材料能“捆绑”磁力线

    处于超导态的高温超导块材向永磁体逐渐靠近,外界磁场以磁通量子束形式开始进入超导体内,钉扎中心周围超导区域将产生涡流而牢牢地锁定磁通量子束。

    据介绍,目前任何一种磁浮列车制式都能实现悬浮、导向、驱动这三项最重要的功能。邓自刚解释,导向也可以用“感生电”来解释,更形象的解释是高温超导材料具有磁通钉扎特性,对磁力线有束缚作用,从而实现导向功能。

    “由于超导体在轨道上方,磁力线将穿透超导体,但如果磁力线被钉扎在超导体里面,要想移动超导体,它就会产生一个回复力,阻碍车体的移动,所以说回复力会起到导向作用,使列车不会发生脱轨。”他说。

    具体来看,高温超导体材料制备过程中产生的位错、沉淀物等缺陷,形成位能势阱。将正常态的超导块材放入磁场中,此时磁场能够穿过块材,块材进行冷却进入超导态后,位能势阱会阻止磁通线移动,对磁通线进行“束缚”,也就是磁通钉扎效应。处于超导态的高温超导块材向永磁体逐渐靠近,外界磁场以磁通量子束形式开始进入超导体内,在其通过的路径上遇到结构缺陷等(钉扎中心),钉扎中心周围超导区域将产生涡流而牢牢地锁定磁通量子束,宏观上表现为自稳定悬浮现象。

    从驱动功能方面来说,磁浮列车都是依靠直线电机进行牵引,直线电机产生一个行波磁场,然后拉着列车不停地“奔跑”。直线电机与车体之间也没有接触,由车上永磁体组成的动子和线路上线圈组成的定子构成,两者相互作用,产生牵引力或制动力。

    当然,磁浮列车的底部装有悬浮装置,被称为“杜瓦”。杜瓦里面有超导材料,可以把它理解为列车的“车轮”。因此,要让列车悬浮,车载高温超导材料、地面永磁轨道和液氮三要素必不可少。

    “不同的磁浮技术采用的导体也有所不同,按照所采用的导体材料划分为常导磁悬浮、高温超导磁悬浮和低温超导磁悬浮。常导磁悬浮使用的是常规导体材料,比如铜或铝;高温超导磁悬浮和低温超导磁悬浮使用的是超导材料。”邓自刚介绍,此次高温超导磁浮列车使用的是钇钡铜氧高温超导材料。

    邓自刚告诉记者,由于超导体最大的优点是没有电阻,可减少电流传输过程中的热消耗,所以十分节能,它的导电能力是常规导体铜线的几十倍以上。“因此在磁浮轨道交通系统中使用超导磁体,不但可以产生更大的悬浮力、导向力和驱动力,而且更加节能、环保。”

    此次成功下线的世界首条高温超导高速磁浮样车及试验线,邓自刚表示,结合西南交通大学此前建成的真空管道高温超导磁浮车高速试验台,最高试验速度可达400公里/小时,目标速度将达到620公里/小时,可开展高温超导磁浮车动力学、气动、振动、噪声等方面的研究。

    未来室温超导体更有研究价值

    现在是用低温条件换取超导,目前发现的室温超导体是用高压条件换取超导,如果未来能发现在大气环境下工作的室温超导材料,将会进一步提升磁浮列车研究的应用价值。

    据介绍,超导是指某些材料在温度降低到某一临界值以下时,电阻突然消失的现象,而具备这种特性的材料称为超导体。所谓“高温超导体”,是指临界温度在40K(约零下233摄氏度)以上的超导体。

    “除了磁浮外,超导材料在众多领域也有相关研究应用。目前,低温超导材料已实现商业化应用,主要用在医学的核磁共振上。”邓自刚介绍,超导技术被称为21世纪电力工业的高技术储备,可有效解决当前的能源、交通等问题,如今国内外正在研究应用于高压线输电的高温超导电缆,应用于各种设备的超导电机等。

    “超导电机重量轻、体积小,在风力发电机中具备特别优势,所以将超导电机用于风力发电也是目前的研究热点。同时,超导在所有与电相关的领域,比如信息、检测、交通运输、电力技术等都能广泛应用,有着重要的研究和开发价值。”他说。

    目前我国正在大力开展超导材料制备及其应用研究。而不断探索更高临界温度的超导体,并加强与超导技术应用密切相关的低温制冷技术和低温系统的研究,是未来的大方向。

    值得注意的是,科学家们正在研究在室温下没有电阻和磁场驱逐的超导材料,也就是室温超导材料。在最新研究中,科学家在高达260万个大气压的条件下,制作的碳硫氢化材料将此前的超导温度纪录提高到了约15摄氏度,首次在室温下观测到了超导现象。

    “我们现在是用低温条件换取超导,目前发现的室温超导体是用高压条件换取超导,如果未来能发现在大气环境下工作的室温超导材料,将会进一步提升磁浮列车研究的应用价值。”邓自刚说。(李迪陈科)


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编辑:夏雪

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