- 時間：2024-09-27
- 來源：科技日報
◎本報記者 張佳欣
據英國《新科學家》雜志近日報道，隨著新生代的核聚變能產業(yè)發(fā)展，無需依賴任何特殊材料就能建設超導輸電線路變得越來越可行。同時，其解決方案也相對簡單：將電線“冷凍”起來。
傳輸電力暢通無阻
超導體是幾乎能夠無電阻或無損耗地傳輸電力的材料。最早發(fā)現(xiàn)的超導體需要在極低溫度或極高壓力下工作，這限制了它們的應用范圍，僅能在磁共振成像機等特定領域一展身手。
1986年，人們發(fā)現(xiàn)了第一種“高溫超導體”。盡管這個“高溫”仍遠低于日常所理解的溫度范疇（約-196℃），但這一突破已足以讓科學家興奮不已，因為這意味著可使用更為經濟且儲量豐富的液氮作為冷卻劑，而液氮可泵入電線芯以冷卻超導體。
與傳統(tǒng)銅質電線相比，高溫超導電力線展現(xiàn)出了一系列引人矚目的優(yōu)勢。首先，它們能最大限度地減少電網中因發(fā)熱而損失的電力。此外，高溫超導電力線能在相同寬度的電線中承載更大的電流，從而大幅減少所需的新輸電線路數量。在某些情況下，現(xiàn)有的銅質電線也能被超導材料替換，這將減少電力傳輸所需的空間，省去了鋪設新線路的繁瑣。
迎來雙重飛躍契機
目前，全球已有數條高溫超導電力線路投入運營。例如，美國芝加哥郊外連接兩個變電站的200米地下線路，以及位于德國埃森市下方全球最長的1公里線路。然而，這些線路相對較短，且僅應用于空間受限的特殊環(huán)境。究其原因，高昂的制造和冷卻成本是制約因素。
不過，美國佛羅里達州立大學國家高磁場實驗室的大衛(wèi)·拉爾巴萊斯特爾表示，幾項重大進展可能會改變現(xiàn)狀，使超導電力線迎來一個“歷史性時代”。
一是隨著制造商改進生產方法并實現(xiàn)大規(guī)模生產，超導體本身的成本正在下降。這主要得益于新興聚變能行業(yè)需求旺盛，正尋求使用超導材料來建造聚變反應堆中的強大磁體。
例如，一家名為聯(lián)邦聚變系統(tǒng)的美國聚變能初創(chuàng)公司計劃用“超導膠帶”纏出一個反應堆。他們預計今年將使用10000公里的高溫超導帶。這種超導帶層層堆疊，可形成非常強大的電磁鐵，從而塑造并約束不規(guī)則的等離子體，并使大部分帶電粒子遠離托卡馬克壁面。該公司相信，用這種新方法可建造一個體積更小、更便宜的高性能托卡馬克。
另一個契機是，全球能源結構的深刻轉型正呼喚著前所未有的輸電能力擴容。為了將太陽能和風能等可再生能源從資源豐富的地區(qū)輸送到需求中心，并滿足電動汽車、熱泵和數據中心等日益增長的電力需求，構建龐大的新型輸電網絡已成為當務之急。國際能源署估計，為實現(xiàn)氣候目標，到2040年，全球需要新增或替換約8000萬公里的電網，這一數量相當于目前全球電網的總長。
能源轉型號角吹響
“能源轉型的號角已經吹響，而我們正站在將這一變革融入現(xiàn)實系統(tǒng)的門檻上?！盫EIR公司的凱文·鄧恩表示。VEIR是一家致力于建設超導電力線路的初創(chuàng)公司。該公司開發(fā)了一種技術，能在不增加占地面積的情況下，傳輸比傳統(tǒng)線路更多的電力，從而實現(xiàn)長距離高效輸電。
到目前為止，高溫超導電力線一直采用“閉環(huán)”系統(tǒng)，通過向電線芯注入液氮來冷卻。而VEIR的方法是在沿電線每隔約一公里處設置站點來回收液氮。這種“開環(huán)”系統(tǒng)允許液氮從站點的被動熱交換器中蒸發(fā)，使得冷卻效率大大提高。
去年，VEIR在美國馬薩諸塞州沃爾伯恩鋪設了一條30米長的輸電線路，其傳輸能力可達傳統(tǒng)線路的5—10倍，且無需額外建設基礎設施。這有望簡化電網擴容，對于支持可再生能源并增強電網韌性至關重要。
不過，對于高溫超導線路的質疑聲依然存在，比如在風暴后如何進行維修，以及如何培訓工人處理相關問題等。
此外，還有其他簡易方法可擴大輸電容量，而無需使用高科技超導體，比如用稍好一點的導體代替銅線。