《金属新材料行业超导材料专题报告(二):超导技术应用驶向星辰大海-231101(44页).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《金属新材料行业超导材料专题报告(二):超导技术应用驶向星辰大海-231101(44页).pdf(44页珍藏版)》请在三个皮匠报告上搜索。
1、 1 arXiv arXivbilibiliMatter 国家国家科研院所或团队科研院所或团队状态状态结果结果华中科技大学初步结果首次验证成功合成可半悬浮的LK-99晶体首次验证成功合成可半悬浮的LK-99晶体。样品电阻在387K处发生样品电阻在387K处发生跳变,但是不会降为零跳变,但是不会降为零,整体电阻仍然呈半导性,认为可能存在杂质影响。北京航空航天大学材料科学与工程学院初步结果样品没有观察到悬浮或抗磁性样品没有观察到悬浮或抗磁性,表现出类似半导体的行为。东南大学物理学院初步结果成功合成样品,通过X-射线衍射检验确定,与韩国原团队制备的样品相似。在室温下未观测到零电阻与抗磁性在室温下未观
2、测到零电阻与抗磁性。仅在110K下观测到零电仅在110K下观测到零电阻,但不符合临界温度的典型跳变特征阻,但不符合临界温度的典型跳变特征。此外,在约300K(26.85)至220K(-53.15)的温度区间内发现了电阻骤减的现象。北京大学、中国科学院大学等初步结果X射线衍射证实样品与韩国原团队制备的样品一致。在一些小碎片样在一些小碎片样品上观察到半磁悬浮现象品上观察到半磁悬浮现象。发现样品普遍包含微弱但明确的软铁磁组分,认为软铁磁特性以及小片段明显的形状各向异性足以解释在强垂直磁场中观察到的半悬浮。测量没有发现迈斯纳效应或零电阻的迹象,因此认为样品不具备超导性因此认为样品不具备超导性。中国科学
3、院北京凝聚态物理国家实验室和物理研究所得出结论研究了含有Cu2S的LK-99以及纯Cu2S的磁性和电性,在电阻率和磁化在电阻率和磁化率中观察到明显的类超导转变和热滞效应,但是没有观察到零电阻率中观察到明显的类超导转变和热滞效应,但是没有观察到零电阻。认为LK-99中的所谓超导行为可能是由于Cu2S在温度约为385K时认为LK-99中的所谓超导行为可能是由于Cu2S在温度约为385K时发生的一级结构相变导致的电阻降低,而非真正的超导行为。发生的一级结构相变导致的电阻降低,而非真正的超导行为。中国中国arXiv 国家国家科研院所或团队科研院所或团队状态状态结果结果劳伦斯伯克利国家实验室计算机模拟通
4、过计算机模拟验证的方式,证明了LK-99(改性铅磷灰石晶体结证明了LK-99(改性铅磷灰石晶体结构)存在超导的可能,并给出了相应的相应的理论依据构)存在超导的可能,并给出了相应的相应的理论依据。Varda航天工业、南加州大学初步结果似乎由于铁污染,导致合成出的样品有半悬浮现象。似乎由于铁污染,导致合成出的样品有半悬浮现象。印度印度印度国家物理实验室重启实验半悬浮,似乎有磁通钉扎效应,具有复杂磁性,观测结果为非超导半悬浮,似乎有磁通钉扎效应,具有复杂磁性,观测结果为非超导体。体。俄罗斯俄罗斯列别捷夫物理研究所初步结果X射线衍射证实样品与韩国原团队制备的样品一致。合成了两个样品:一个按照预印本进行
5、合成,另一个则修正了化学计量。按照预印本合成的样品含有大量绿色玻璃相,为了进一步实验,已将玻璃相去除。未观察到反磁性未观察到反磁性。使用四点探针方法未观察到零电阻,测得的使用四点探针方法未观察到零电阻,测得的电阻较高电阻较高。随着温度降低,电阻增加。被采访的研究人员将该样品与用于绝缘子的陶瓷进行了比较。美国美国 永磁型永磁型常导型常导型超导型超导型材料材料具有铁磁性的永磁材料,主要包括铝镍钴、铁氧体和稀土永磁等磁性材料由金属导体组成的空芯电磁铁,线圈通常用铜线绕成导线由超导材料制成并至于液氮中磁场强度磁场强度0.5T0.23T1.5T,3.0T优点优点永磁体采购和运行成本低,整机故障率低;磁场
6、维护无需水电消耗-唱腔高,磁场均匀性和稳定性好,成像质量好缺点缺点成像质量低,永磁体对温度变化敏感,磁场稳定性差磁场均匀性与稳定性较差,运行费用搞,目前已基本退出市场采购与运行成本较高,需要液氮保持超导环节,需要水电无间断运行 0070日本美国希腊韩国德国 意大利 芬兰挪威 奥地利西班牙 中国百万人MRI设备保有量(台/百万人)0500025002000212022我国MRI进口数量(台)我国MRI出口数量(台)0%1%2%3%4%5%6%7%0204060800
7、0212022全球MRI设备市场规模(亿美元)YOY0%2%4%6%8%10%12%14%16%02040608002020212022国内MRI设备市场规模(亿元)YOY 31%29%19%18%1%2%GE医疗西门子医疗飞利浦医疗联影医疗东软医疗其他 SEMI SUMCO 67.2%25.5%7.3%12英寸8英寸6英寸及以下CPIA 47.067.283.788.910343%25%6%16%0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%0204060800021我国半导体单晶硅市场规
8、模(亿元)YOY43.598225438858125%130%95%96%0%20%40%60%80%100%120%140%0.0200.0400.0600.0800.01000.0200202021我国光伏单晶硅市场规模(亿元)YOY 性能参数性能参数高温超导感应加热高温超导感应加热传统交流感应加热传统交流感应加热加热频率/Hz加热频率/Hz4 12(240 720rpm)大于50 电流穿透深度/mm 电流穿透深度/mm 5015加热效率/%加热效率/%80 85 40 45 能耗/(kWh/t)能耗/(kWh/t)140280(含冷却)芯表温差/芯表温差/5 20
9、加热工艺加热工艺可双根加热 可双根加热 无功补偿无功补偿不需要 需要电力谐波污染 电力谐波污染 无严重适合铝锭挤压场景适合铝锭挤压场景大于36MN热挤压机大于36MN热挤压机 成本项成本项兆瓦级超导感应加热装置兆瓦级超导感应加热装置传统交流感应加热装置传统交流感应加热装置系统容量系统容量1.2 MW1.25 MW*2效率效率0.90.45设备维护率设备维护率0.9920.9使用寿命使用寿命20 年20 年电费单价电费单价0.55 元/度0.55 元/度年工作时间年工作时间5616 小时5616 小时年耗电量年耗电量673 万度1404 万度运行维护成本比例运行维护成本比例0.020.033投资
10、风险贴现率投资风险贴现率0.060.06通货膨胀率通货膨胀率0.070.07设备总成本设备总成本906.2 万元(1.2 MW)360万元(21.25 MW)现场改造成本现场改造成本57.4万元57.4万元运行维护成本运行维护成本18.12万元11.8万元年运行费用年运行费用450.1万元806.9万元总投资成本总投资成本20,568万元39,898万元 821.54%1.41%6.47%2.99%-2.36%-3%-2%-1%0%1%2%3%4%5%6%7%0220020202120
11、22铝挤压型材产量(万吨)同比增速(右轴)大功率传输容量大功率传输容量相对于超高压交流的成本优势相对于超高压交流的成本优势交流多点互联能力交流多点互联能力地下直流电缆的隐蔽性和高可靠性地下直流电缆的隐蔽性和高可靠性直流系统的系统控制特征直流系统的系统控制特征地下电缆的最小占地地下电缆的最小占地比较项比较项输电方式输电方式超高压超高压交流交流高压直流高压直流直流电缆直流电缆高温超导高温超导直流输电直流输电 工程名称工程名称主办团队主办团队建设地建设地验收/验收/投入使用时间投入使用时间超导材料超导材料类别类别工程内容工程内容大电流高温超导直大电流高温超导直流电缆的关键技术流电缆的关键技术研究与工
12、程示范研究与工程示范中科院电工所、河南中孚实业股份有限公司河南2013年4月BSCCO长度达360米、载流能力达10千安的高温超导直流输电电缆在我国研制成功,并在河南中孚实业股份有限公司顺利投入工程示范运行。针对超导电缆低温杜瓦管加工长度有限的问题,首次提出了“分段设计、插接集成”的思路和技术方案,通过采用标准化接口和双层夹套真空密封连接技术,可以实现任意长通过采用标准化接口和双层夹套真空密封连接技术,可以实现任意长度超导电缆的连接,为长距离超导电缆研制奠定了基础。度超导电缆的连接,为长距离超导电缆研制奠定了基础。10千伏三相同轴高10千伏三相同轴高温交流超导电缆示温交流超导电缆示范工程范工程
13、南方电网深圳供电局深圳2021年9月YBCO一根10千伏三相同轴高温交流超导电缆,相当于一根常规110千伏电缆的电量输送能力,且其输电损耗几乎为零。系统性解决了三相同轴超导电缆总体设计、低温杜瓦管连续焊接成型、失超保护研制、电磁环网高可靠性运行方式等核心技术难题,实现了关键技术自主可控,填补了相关国内技术空白。超导电缆超导电缆应用于实际电网中,有望“一揽子”解决电网建设用地难、电网负荷需求应用于实际电网中,有望“一揽子”解决电网建设用地难、电网负荷需求持续增长、城市输配电走廊趋于饱和等诸多问题和挑战持续增长、城市输配电走廊趋于饱和等诸多问题和挑战。35千伏公里级超导35千伏公里级超导电缆示范工
14、程电缆示范工程上海超导科技有限公司上海2021年12月YBCO工程建设35千伏超导电缆线路,替代原有4回共计12根35千伏常规电缆,联结两座220千伏变电站,总长1.2公里,额定电流2200安培,额定容量133兆伏安,采用全程排管敷设工艺,是目前世界上距离最长、输送容量最大的35千伏超导电缆输电工程,为上海地区约4.6万用户供电。10千伏庞东直流中10千伏庞东直流中心站高温超导直流心站高温超导直流电缆工程电缆工程国网苏州供电公司苏州2023年6月YBCO该工程在国内率先应用正负极同轴的冷绝缘高温超导直流电缆,使用了苏州本地企业自主研发生产的钇钡铜氧(YBCO)第二代高温超导带材,实现了超导电实
15、现了超导电缆系统核心材料的国产化替代,具有电流密度大、传输损耗小、占地少、缆系统核心材料的国产化替代,具有电流密度大、传输损耗小、占地少、环境友好等优点环境友好等优点。()Bing 悬浮类型悬浮类型电磁悬浮电磁悬浮电动悬浮电动悬浮超导钉扎悬浮超导钉扎悬浮悬浮原理悬浮原理车载磁体与铁磁轨道之车载磁体与铁磁轨道之间的相互吸引产生悬浮间的相互吸引产生悬浮力力车载磁体与“8”字线圈/车载磁体与“8”字线圈/导电板之间相对运动产生导电板之间相对运动产生悬浮力悬浮力非理想第二类超导体的抗非理想第二类超导体的抗磁特性产生悬浮力磁特性产生悬浮力悬浮高度悬浮高度810mm80150mm(超导电动悬浮)、2030
16、mm(永磁电动悬浮)1030mm最高试验速度最高试验速度550km/h(德国TR09)、430km/h(上海磁浮线TR08)603km/h(JR东海L0)、505km/h(日本山梨试验线L0)300km/h最高应用速度最高应用速度需要闭环控制自稳定、无需控制自稳定、无需控制悬浮、导向控制悬浮、导向控制有静态悬浮无静态悬浮有静态悬浮车载磁体车载磁体电磁铁电磁铁超导磁体/永磁体超导磁体/永磁体超导块材超导块材路轨铺设路轨铺设硅钢片“8”字线圈/金属导电板永磁导轨车辆重量车辆重量(单节车厢)(单节车厢)重56.5t(德国TR09)轻25t(JR东海L0)轻12t(西南交通大学工程化样车)研究进展研究
17、进展商业运营准商业运营试验阶段 型号L0悬浮方式电动悬浮编组5/7/12车辆尺寸25m x 2.9m x 3.08m(长x宽x高)(单节车厢)重量25t/辆设计最高速度603km/h运行速度505m/h 项目名称项目名称主办团队主办团队项目项目建设地建设地事件时间事件时间项目内容描述项目内容描述高温超导高速磁浮工高温超导高速磁浮工程化样车及试验线程化样车及试验线西南交通大学成都2021年1月这是由我国自主研发设计、自主制造的世界首台高温超导高速磁浮工程化样车及试验线正式启用,设计时速620千米,标志着我国高温超导高标志着我国高温超导高速磁浮工程化研究实现从无到有的突破。速磁浮工程化研究实现从无
18、到有的突破。时速600公里高速磁时速600公里高速磁浮交通系统浮交通系统中国中车青岛2021年7月由中国中车承担研制、具有完全自主知识产权的我国时速600公里高由中国中车承担研制、具有完全自主知识产权的我国时速600公里高速磁浮交通系统在青岛成功下线速磁浮交通系统在青岛成功下线,标志我国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。高温超导电动悬浮全高温超导电动悬浮全要素试验系统要素试验系统中车长客长春2023年3月由中车长客自主研制的国内首套高温超导电动悬浮全要素试验系统由中车长客自主研制的国内首套高温超导电动悬浮全要素试验系统完成首次悬浮运行完成首次悬浮运行,标志着我国在高温超导电动悬浮领域实现重要
19、技术突破。此次悬浮运行对超导磁体、直线同步牵引、感应供电及低温制冷等超导电动磁浮交通系统的关键核心技术进行了充分验证,为推动超为推动超导电动磁浮交通系统工程化应用奠定了坚实基础。导电动磁浮交通系统工程化应用奠定了坚实基础。高温超导磁悬浮列车高温超导磁悬浮列车中国科学院、四川大学-2023年4月中国科学院和四川大学联合研发的高温超导磁悬浮列车成功试运中国科学院和四川大学联合研发的高温超导磁悬浮列车成功试运行,时速达到600千米行,时速达到600千米。由于采用高温超导技术,该列车不需要大量消耗能源来维持磁悬浮运行,也不需要接触式导轨,提高了运行的效率和安全性。平均能耗相比传统动车组减少了三分之一以
20、上,所以也更加节能环保。Tokamaks LLNL The Kharkiv Times (ITER)CFETR 项目名称项目名称托卡马克托卡马克装置名称装置名称主办方主办方项目建成时间项目建成时间项目规划项目规划欧洲联合环欧洲联合环JETJET英国等12个西欧国家1983年6月世界上最大的聚变反应堆。位于英国卡勒姆科学中心。为一个镶嵌在直径15米、高约20米的容器内的环状反应堆。将0.1克冷的氢燃料喷入反应堆,并用无线电波、电流和粒子束产生的冲击波来加热,促进氢原子很快甩掉其电子,产生足以使原子核发生聚变的离子和电子的等离子体。美国托卡马克美国托卡马克聚变试验堆聚变试验堆TFTRTFTR美国普
21、林斯顿等离子体物理实验室1982年12月TFTR 的物理目标是探索并理解聚变堆氘氚(DT)等离子体芯部等离子体行为特性。就燃料密度、温度和聚变功率密度而言,芯部DT等离子体性能和预测的DT聚变堆等离子体性能接近,有助于研究与DT聚变堆等离子体芯部相关的等离子体输运、磁流体(MHD)不稳定性和粒子物理。JT-60托卡马JT-60托卡马克装置克装置JT-60JT-60日本原子能研究所1985年4月JT-60 是以实现临界等离子体条件(能量增益因子超过 1.0)为目的的大型托卡马克实验装置,与 TFTR,JET 列为世界三大托卡马克装置。韩国超导托卡韩国超导托卡马克高级研究马克高级研究KSTARKS
22、TAR韩国大田研究基地国家聚变研究所2007年8月KSTAR是韩国大田研究基地国家聚变研究所的超导托卡马克核聚变装置,被称为“韩国太阳”,是ITER项目的一部分,目标是在2025年之前,将核聚变反应的时间延长到300秒,这将为未来建造商业化的核聚变发电厂奠定坚实的基础。HT-7HT7EAST 项目名称项目名称托卡马克托卡马克装置名称装置名称主办方主办方项目开始项目开始时间时间(预计)建成(预计)建成时间时间超导材料超导材料类别类别项目规划项目规划合肥超环合肥超环HT-7HT-7中国科学院等离子体物理研究所1990年1994年NbTiHT-7超导托卡马克装置由俄方赠与的T-7装置升级改造而来,用
23、于研究等HT-7超导托卡马克装置由俄方赠与的T-7装置升级改造而来,用于研究等离子体在稳态、高参数、高约束条件下稳定性、输运、壁的平衡等方面的离子体在稳态、高参数、高约束条件下稳定性、输运、壁的平衡等方面的物理问题物理问题。其为建成的大型非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置EAST探索可先进的运行模式和物理基础,也培养造就一批具有超导托卡马克稳态运行能力的磁约束聚变的年轻队伍。东方超环东方超环EASTEAST中国科学院等离子体物理研究所2000年9月2007年3月NbTi三大科学目标是在未来15年内实现1兆安电流、1000秒放电、1亿度高参数等离子体的稳定运行,为国际热核实验聚变试验堆ITER
24、和中国未来独立设计建设运行聚变堆奠定坚实的科学和技术基础。2021年12月30日,EAST再次创2021年12月30日,EAST再次创造新的世界纪录,实现电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体造新的世界纪录,实现电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体运行1056秒,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间运行1056秒,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。国际热核聚变国际热核聚变实验堆计划实验堆计划ITERITER欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度、美国2006年5月预计2025年完工NbTi、Nb3Sn作为聚变能实验堆,ITER要把上亿度、
25、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的磁笼中,产生50万千瓦的聚变功率,持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。若ITER能点火成功,这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体,产生接近电站规模的受控聚变能。中国聚变工程中国聚变工程试验堆试验堆CFETRCFETR中国科学技术大学、中国科学院等离子体物理研究所2017年12月预计2035年建成聚变工程实验堆NbTi、Nb5Sn、BSCCOCFETR计划分三步走,完成“中国聚变梦”。第一阶段到2021年,CFETR开始立项建设;第二阶段到2035年,计划建成聚变工程实验堆,开始大规模
26、科学实验;第三阶段到2050年,聚变工程实验堆实验成功,建设聚变商业示范堆,完成人类终极能源。CFETR按照太阳内部热核聚变的原理,设计建造可CFETR按照太阳内部热核聚变的原理,设计建造可控的“人造太阳”,带来源源不断的清洁能源解决人类能源危机。控的“人造太阳”,带来源源不断的清洁能源解决人类能源危机。CCTV ITER FIA 年份年份公司公司所属国家所属国家融资轮次融资轮次融资金额融资金额2020TAE(Tri Alpha Energy)TAE(Tri Alpha Energy)美国战略投资1.3亿美元2020Tokamak EnergyTokamak Energy英国B轮6700万英镑
27、2021CFS(Commonwealth Fusion Systems)CFS(Commonwealth Fusion Systems)美国B轮18亿美元2021General FusionGeneral Fusion美国/加拿大E轮1.3亿美元2021Helion EnergyHelion Energy美国E轮5亿美元2021Zap EnergyZap Energy美国B轮2750万美元2022First Light FusionFirst Light Fusion英国C轮4500万美元2022EX-Fusion IncEX-Fusion Inc日本种子轮1.3亿日元2022Kyoto Fu
28、sioneeringKyoto Fusioneering日本B轮1860万美元2022HB11 EnergyHB11 Energy澳大利亚战略投资1580万美元2022能量奇点能量奇点中国天使轮4亿元人民币2022星环聚能星环聚能中国天使轮数亿元人民币 Wind*Wind 2023E2023E2024E2024E2025E2025E2023E2023E2024E2024E2025E2025E688122688122西部超导西部超导47.4307.838.36.371,1261,4781,92927.320.816.07.82600105600105永鼎股份永鼎股份6.084.736.60.55
29、33241351325.520.516.52.09600468600468百利电气百利电气5.559.649.90.00-2.50600363600363联创光电联创光电34.1155.448.70.5344459172035.026.321.63.53688776688776国光电气国光电气87.394.6103.514.89.940.831.88.93300316300316晶盛机电晶盛机电42.8559.612.60.194,7545,9887,11811.89.37.99.23688271688271联影医疗联影医疗116.0956.052.52.172,0172,5023,09147.438.230.99.02PBPB(MRQ)(MRQ)证券代码证券代码证券名称证券名称收盘价收盘价总市值总市值(亿元)(亿元)PE(TTM)PE(TTM)(2023)(2023)PEGPEG(2023)(2023)超导材料超导材料产业链环节产业链环节归母净利润(百万元)归母净利润(百万元)PEPE超导技术超导技术应用应用