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加快打造原始創(chuàng)新策源地,加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),努力搶占科技制高點,為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——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

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,率先建成國家創(chuàng)新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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馬衍偉:推動高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

2025-06-30 科技日報
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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。產(chǎn)業(yè)既迎來重大發(fā)展機遇,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,為滿足高場強電領(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)展機遇

超導(dǎo)材料具有零電阻和完全抗磁性等性質(zhì),可實現(xiàn)常規(guī)材料無法實現(xiàn)的大容量無阻輸電、超強磁場等應(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)于推動未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》等多個國家發(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)展機遇,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

一是高溫超導(dǎo)材料規(guī)?;苽浼夹g(shù)取得突破。實用化的高溫超導(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,我國也實現(xiàn)了千米級長線技術(shù)的突破。在新型鐵基超導(dǎo)材料實用化研發(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)并建成了千米級長線制備平臺,開辟了實用化高溫超導(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,我國研制出配電級超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器和超導(dǎo)儲能系統(tǒng)等超導(dǎo)電力設(shè)備;建成全球首座超導(dǎo)變電站,實現(xiàn)了掛網(wǎng)示范運行;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;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兆瓦級高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置成功投運;自主研制的高溫超導(dǎo)磁控硅單晶生長設(shè)備填補了高端硅晶體制造領(lǐng)域多項空白;首套高溫超導(dǎo)電動懸浮全要素試驗系統(tǒng)完成首次車輛懸浮運行。上述應(yīng)用表明我國高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用場景日益豐富,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)化聚變堆擬運行于20特斯拉以上磁場強度,每個堆所需高溫超導(dǎo)線總長度將達(dá)5000—10000公里。在聚變堆商業(yè)化的推動下,高溫超導(dǎo)材料迎來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史性重大機遇,全球市場需求自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,市場規(guī)模將達(dá)到每年數(shù)千億級。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強度將達(dá)到16—24特斯拉國際最高水平。這些大科學(xué)裝置由數(shù)千個高場超導(dǎo)磁體組成,均需數(shù)千噸超導(dǎo)材料,也將極大帶動高溫超導(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)在以下幾個方面。

一是材料制備成本偏高,規(guī)模化應(yīng)用受限。高溫超導(dǎo)材料由于實用化性能、規(guī)模化制備和生產(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)》雜志報道,其市場價格為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)展相對滯后。如大口徑高場超導(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,近年來我國市場需求快速增長。然而,核磁共振譜儀市場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,需加強應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),推動其產(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)費用高等問題。在高溫超導(dǎo)線材制備所需的部分高純原材料、高質(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,需進(jìn)一步加強自主創(chuàng)新。

產(chǎn)學(xué)研融合助力產(chǎn)業(yè)邁上新臺階

針對上述挑戰(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,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,其實用化研發(fā)涉及多個學(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,統(tǒng)籌優(yōu)勢科研隊伍、國家科研基地平臺和重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,強化目標(biāo)導(dǎo)向攻關(guān),重點突破高性能高溫超導(dǎo)材料制備及高場強電應(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,強化產(chǎn)業(yè)協(xié)同,持續(xù)推動強鏈增效。在高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)上游重點加強高純度化學(xué)原料、高質(zhì)量靶材、高強度合金等原材料的自主可控。在產(chǎn)業(yè)中游強化低溫制冷技術(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“市場驗證—技術(shù)迭代—材料升級”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。在國家層面支持的基礎(chǔ)上,積極引導(dǎo)和鼓勵地方政府、優(yōu)勢企業(yè)對高溫超導(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,實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補,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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