科技日報記者 張佳欣
據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志近日報道，隨著新生代的核聚變能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，無需依賴任何特殊材料就能建設(shè)超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體需要在極低溫度或極高壓力下工作，這限制了它們的應(yīng)用范圍，僅能在磁共振成像機等特定領(lǐng)域一展身手。
1986年，人們發(fā)現(xiàn)了第一種“高溫超導(dǎo)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(xué)家興奮不已，因為這意味著可使用更為經(jīng)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(dǎo)體。
與傳統(tǒng)銅質(zhì)電線相比，高溫超導(dǎo)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(wǎng)中因發(fā)熱而損失的電力。此外，高溫超導(dǎo)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(shù)量。在某些情況下，現(xiàn)有的銅質(zhì)電線也能被超導(dǎo)材料替換，這將減少電力傳輸所需的空間，省去了鋪設(shè)新線路的繁瑣。
迎來雙重飛躍契機
目前，全球已有數(shù)條高溫超導(dǎo)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(yīng)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(xué)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(dǎo)電力線迎來一個“歷史性時代”。
一是隨著制造商改進生產(chǎn)方法并實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，超導(dǎo)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(dǎo)材料來建造聚變反應(yīng)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(dǎo)膠帶”纏出一個反應(yīng)堆。他們預(yù)計今年將使用10000公里的高溫超導(dǎo)帶。這種超導(dǎo)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(jié)構(gòu)的深刻轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)中心等日益增長的電力需求，構(gòu)建龐大的新型輸電網(wǎng)絡(luò)已成為當務(wù)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(wǎng)，這一數(shù)量相當于目前全球電網(wǎng)的總長。
能源轉(zhuǎn)型號角吹響
“能源轉(zhuǎn)型的號角已經(jīng)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。”VEIR公司的凱文·鄧恩表示。VEIR是一家致力于建設(shè)超導(dǎo)電力線路的初創(chuàng)公司。該公司開發(fā)了一種技術(shù)，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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。這有望簡化電網(wǎng)擴容，對于支持可再生能源并增強電網(wǎng)韌性至關(guān)重要。
不過，對于高溫超導(dǎo)線路的質(zhì)疑聲依然存在，比如在風暴后如何進行維修，以及如何培訓(xùn)工人處理相關(guān)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(dǎo)體，比如用稍好一點的導(dǎo)體代替銅線。
