近日，beat365中国官方网站电气工程学院王为副研究员与英国剑桥大学在Nature子刊《自然综述：电气工程 Nat Rev Electr Eng》合作发表了高温超导领域的特邀综述论文《High-temperature superconductors and their large-scale applications》。
该综述主要阐述了高温超导（HTS）材料及其大规模应用。首先介绍了超导材料的基本概念、分类（如低温超导LTS材料和HTS材料）以及HTS材料的发现历程。接着详细阐述了HTS材料在大规模应用中面临的挑战，包括交流损耗、失超、热损耗和成本问题，并针对这些挑战介绍了相应的解决措施，如研发低损耗电缆（如PSALM、CORC等）、改进失超保护技术、发展磁通泵技术以降低热损耗等。
论文阐述了高温超导磁体在磁共振成像（MRI）、旋转电机和可控核聚变等领域的重要应用潜力及所面临的挑战。高温超导材料如 MgB₂和REBCO 因具有更高电流密度，有望实现更轻、更便携且高分辨率的MRI设备，满足医疗领域对高效成像技术的需求。在旋转电机应用中，HTS风力发电机能够提高功率输出，补偿低转速下对变速箱的依赖问题，提高发电效率，有望提升风能等清洁能源的利用率；在船舶/飞机推进方面，HTS磁体可提升电机的功率重量比，适应飞机、船舶等对重量敏感场景。在可控核聚变方面，HTS磁体可显著提升托卡马克磁场强度，有助于更好地约束等离子体，这对核聚变研究意义重大。多个核聚变项目正在积极开展相关工作，旨在利用HTS磁体实现更高效、更紧凑的核聚变装置，为能源领域带来变革。尽管面临交流损耗、失超、热损耗和高成本的障碍，HTS材料制造技术的发展有可能克服这些障碍，使高温超导材料有望在未来发挥更大作用，推动各领域技术进步。
在该综述中，四川大学作为唯一合作单位，责了“热损耗与热隔离”部分的撰写。超导磁体应用中需传输大电流来产生强磁场，传统电力供应存在电源设备昂贵、体积大、能耗高的问题，电流引线也会导致严重的低温漏热。LTS 磁体可脱离电源在闭环持续电流模式（PCM）下运行，而 HTS 磁体因接头电阻等问题难以实现PCM模式运行。超导无线直流电源—磁通泵（Flux pump）的发明可使 HTS 磁体在类似 PCM 的模式下运行，大幅减少磁体运行能耗及低温漏热负担，且使 HTS 磁体系统更便携。随着磁通泵技术的进一步发展，有望在未来完全克服 HTS 磁体闭环运行的卡脖子问题。
论文介绍了四川大学在磁通泵领域取得的研究进展，主要包括：发现宏观“超导磁通量子耦合效应”（2018），揭示行波磁通泵物理起源；发明直线电机型磁通泵装置（2018），实现国际最小体积磁通泵（2020）、实现3.1 kA磁通泵最高输出记录值（2024），实现磁通泵最高精度双极性电流控制（2024），并基于磁通泵实现了高温超导磁体闭环运行关键技术突破（2023）。
图1.稀土钡铜氧化物（REBCO）电缆示例
图2.高温超导体的应用实例
《自然综述：电气工程Nat Rev Electr Eng 》是《自然Nature》旗下子刊。该期刊旨在出版电气和电子工程领域最高质量和最具影响力的研究展望和分析，其涵盖内容包括电力、电子、控制系统、信号处理、通信工程等电气工程的传统核心学科，还涉及汽车电子、生物电子、纳米电子、智能电网等众多细分领域，全面覆盖了电气工程及其相关交叉领域的研究热点和前沿技术，同时也关注与电气和电子工程研究相关的社会、伦理、环境和商业等方面的内容。
王为，2014年获英国剑桥大学电气工程博士学位，2015年至今在beat365中国官方网站电气工程学院工作，现任电气工程学院副研究员、博士生导师，四川大学国家双创示范基地超导与新能源中心主任。主要从事磁通泵、高温超导磁体、高温超导电机、核聚变超导电源等方向研究，解决高温超导磁体闭环运行瓶颈问题。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s44287-024-00112-y
