【行业动态】以超导电缆为应用先锋，上海历时18年打造全球最全高温超导产业链

超导指的是在特定的低温条件下呈现出电阻等于零的特性以及具备完全抗磁性的材料。1911年，荷兰物理学家海克·卡麦林·昂尼斯首次在液氦温度（4.2K，-268摄氏度）以下从极纯的汞上发现了超导现象，此后超导材料不断演进，1987年，科学家发现了首个临界温度高于液氮温度（77K，-196 摄氏度）的高温超导材料。虽然比液氦环境下的低温超导晚了七十多年，但由于温度大幅提高，且用于制冷的液氮成本极为低廉，高温超导材料的产业化被寄予厚望。

高温超导电缆是高温超导材料率先应用于产业的场景之一。城市用电需求伴随发展不断增长，高温超导电缆因采用了无电阻、高流通密度的超导材料作为导电体，能够进行大容量输电。1根超导电缆通常可以替代4-6条相同电压等级传统电缆，较以往节省70%的地下管廊空间，可以有效缓解城市电网的架空线入地策略所面临的地下廊道不足困难。

目前全球已有多个长距离高温超导电缆挂网运行，主要集中于美国、日本、韩国和德国。上海35kV公里级超导电缆示范工程是目前全世界输送容量最大、长度最长的高温超导电缆，开创了公里级超导电缆在大型城市核心区域的应用先例；自线路投运以来，成功为4.6万用户稳定供电，和现行标准同样收取电费，公里级线路首次在国内实现了全商业化运营，标志着中国在超导的电力应用水平跻身国际一流行列。

国家电网上海市电力公司（下称国网上海）成果及转化处处长郑健表示，“国家电网公司做超导方面的研究有十几年了，但一直停留在实验室阶段，如何将超导电缆与我们现有的电网结合，有很多问题需要解决，过去一直没能成功挂网。”此次示范工程的建设团队攻坚了从高温超导带材、电缆以及工程敷设、试验诊断各个环节的若干难题，譬如，由于超导带材的机械性能与传统导体有较大差异，其敷设时牵引力、侧压力、弯曲半径等参数无经验可循，实际施工中存在众多难点与瓶颈，施工难度堪称迄今国内外电缆工程之最。

上海35kV公里级超导电缆示范工程对于超导电缆的推广应用具有非常重要的现实借鉴意义。该工程电缆核心部件均为国产，工程结束后，团队已颁布超导电缆领域IEC国际标准1项、国家标准1项、机械行业标准1项和团体标准2项，正在编制能源标准1项和系列企业标准3项。

在张喜泽看来，示范工程平稳运行至今，经历了极端高温、严寒等各种气候的挑战，经受了电网对于安全可靠性要求的考验，并且实现了较好的节能减排效果，这一结果不仅仅是对电网企业、超导电缆企业，也是对高温超导带材以及整个超导产业链的上下游企业莫大的鼓舞，多年的坚持终于开拓出了一条通往产业化的道路。

据了解，在示范工程立项之际，产业里的几家主要企业都曾面临生死存亡的境遇。伴随着示范工程的推进，企业有了大练兵的机会，能力得到快速提升，“如果没有这一剂强心针，很可能就跨不过来了。”回望超导产业的发展之路，业内人士如此感叹。

上海的高温超导产业能够走到今天，与上海市相关部门持续推进的产业化战略分不开。

2003年，从东北大学超导物理专业毕业的张喜泽在导师的推荐下从沈阳来到上海，加入了上海电缆研究所黄崇祺院士牵头成立的超导电缆课题组，“黄院士当时判断超导电缆将是电缆产品的第三代，电缆研究所有必要提前布局，特地招了超导材料专业的学生。”

两年后，在日本、英国、德国的大学及科研机构留学多年的蔡传兵，来到了上海大学任教。他在国内外超导研究经验的基础上，凝练出回国后的主攻科研方向：高温超导领域的低成本化学法实用成材的技术攻关。

事实上，早在2005年，上海市科委就开始调研和布局高温超导技术项目，启动了第二代高温超导带材和冷绝缘超导电缆的“从0到1”的技术攻关。

在筹办2010年上海世博会期间，上海市政府有了推动高温超导产业化的现实需求。为了满足世博园区的用电，需要有一条从浦东穿越黄浦江至浦西的50万伏超高压电缆。50万伏的超高压电缆管廊占据体积相当于一条单向地铁通道，而在地下资源紧张、寸土寸金的上海，减小管线体积成为当务之急。

2011年，上海交通大学科研团队在实验室里制备出了国内第一根百米级第二代高温超导带材。同年，上海市政府决定在高温超导材料领域培育2家民营企业提前布局，希望未来能产出实用的国产高温超导材料用于超导电缆的建设。

两家带材企业中的一家是由蔡传兵领头的上海大学团队，通过技术转让建立的上海上创超导科技有限公司（下称上创超导），另一家是与上海交通大学科研团队合作的上海超导科技股份有限公司（下称上海超导）。现任上海超导总裁的朱佳敏当年刚满23岁，走出大学校门后，成为了上海超导的001号员工。

日后，因为超导电缆，这三个人成了合作伙伴、竞争对手和朋友，也是上海高温超导产业的重要人才力量。张喜泽所在的上海电缆研究所负责超导电缆的集成，蔡传兵和朱佳敏则是高温超导带材的供应商。

在示范工程之前，上海超导电缆已经有了一次重大突破。2013年，张喜泽所在的团队在宝钢公司成功建设了50米长、35kV的高温超导电缆系统示范工程，实现了3年以上的平稳运行，验证了超导电缆的实用性。

产业化大幕在2016年由上海市经信委接棒后真正拉开。这一年，上海市经济和信息化委员会（下称上海市经信委）牵头国网上海、国际超导策划在上海建设1.2公里高温超导电缆系统示范工程。

想法虽好，但困难不少，首当其冲的是资金。据上海市经信委工作人员回忆，当时上海市政府政策允许给予的资金支持远不能满足示范工程建设需求，要想推动示范工程顺利启动，只能想方设法提高项目主体自筹资金的比例。

由于示范工程项目的倒逼，张喜泽所在的上海电缆研究所超导中心也于2020年9月正式完成了改制，成立上海国际超导科技有限公司，引入民间资本，一揽子解决了高温超导产业化培育中市场化推进主体、团队骨干激励、示范工程资金来源、科技研发投入退出等关键问题。

解决了资金问题，接下来就是技术攻关。科研成果能否顺利实现产业化，产品的稳定性是一大难关，在实验室里，只要有一次成功，科研人员就有了成果，可以发表论文，然而产业化需要次次成功，即如何实现“从0到1”向“从1到100”的跨越。

同样是生产高温超导带材，但上创超导和上海超导两家公司选择的技术路线并不相同，前者采用的是MOD化学溶液沉积法（化学法），后者采用的是PLD脉冲激光沉积法（物理法），两者的攻关路径并不能相互借鉴。从生产装备到量产工艺的每个环节中的问题均需要一一解决。

蔡传兵清楚地记得当初为了解决生产线各个环节的配件问题，他跑遍了国内大大小小近百家工厂，有些问题最终还是依赖上海大学校内的其他院系团队共同协助攻关，“有些设备的结构设计，企业是没有能力也没有动力去帮你解决的，只有你先设计好了再请他们帮忙制作，在这个过程中，我们也交了很多学费，不断通过试错来积累经验。”如今上创超导所有的生产设备均为自研，并已经历了七八次的升级迭代。

朱佳敏看着十年前自己操作设备的照片，说自己最显著的变化就是“头发变少了”。身为土生土长的“上海小囡”，朱佳敏从小喜欢带着一群小伙伴动手做机器人，课余时间都投入在各类科创大赛上，获奖无数。2011年进入上海超导后，朱佳敏负责建造用于量产超导带材的生产装备。他指着自己当初建造的第一台卷对卷磁控溅射镀膜装备说，“上面的每一块电路板都是我自己设计和焊接的”，现在这些设备仍在正常运行。

当朱佳敏的团队用了四五年时间把设备造出来，材料部门准备大干一番时，却发现公司已陷入困境。原先的实验室工艺做出的超导带材仅有30%的良率。超导长带材的电流分布像心电图一样上下波动，根本无法销售。2015年，上海超导拿到了公司成立以来的第一个公开招标，但上海超导直到2017年底才攒齐了对方需要的13公里高温超导带材。

为了解决生产难题，朱佳敏选择降薪换岗来到工艺生产一线，将原先实验室里的工艺推倒重来，重新制定了生产流程和各类标准体系，上海超导也迎来了生机。

2020年是上海超导的转折年。当年，该公司的年产量终于从3年前的十几公里增至400公里，产品性能提高一倍，成品率从不足50%提升至90%左右，实现了自我造血功能。现在上海超导成为全球前三的第二代高温超导带材生产企业，产品占全球供应量约30%。

超导带材性能过关了，但制作成超导电缆应用于工程中时，还有大量的难题待解。超导带材需要在低温下才能发挥功能，绝热管是关键设备。在示范工程中，大长度、大口径绝热管的研制是国际超导进行电缆设计中的最大难点，也是张喜泽团队花费时间最长的领域，国内此前从未有制作单根长度400-500米、口径180毫米的绝热管的先例。

国际超导从2015年就开始进行前期的设计和设备安装，2017年开始试生产，直到2021年4月才把绝热管做完。“为了做到稳定生产，没有漏点，一方面要研究材料的基础物性和特征，另一方面还要再在此基础上对生产工艺、生产设备进行摸索和调试。生产设备的改造平均每年都需要进行一两次，但良率的提升并不容易。”张喜泽介绍说，“良率从20%提升到50%很快，仅用了半年时间，但从50%提升到90%则用了3年时间。”

各家都解决了自己的问题，但整合到一起又会有新的问题。由于是第一根全国产业化超导电缆，三家企业经常因材料的检测标准、交付标准存在分歧而僵持不下，各自都有充分的理由和难处。这时，上海市经信委就充当老娘舅，工作人员经常在车间会议室陪同企业人员到晚上八九点。“他们再怎么吵、拍桌子，我们坐在这里，他们就不能一拍两散，吵完后继续想对策。”

示范工程的敷设也意外遇到了线路拆迁的困难，工程施工一度停滞不前，最后由市领导参与协调，在徐汇区、田林街道和市相关部门通力合作下才啃完硬骨头，为示范工程的顺利实施铺平了道路。

示范工程的平稳运行为超导电缆的推广搬掉了一座大山，国网上海目前也在谋划电压等级更高、输送距离更长的超导电缆项目。城市电网的输送距离多集中在3-8公里的范围，一旦成功，超导电缆将使城市电网布局变得更加紧凑。但目前挡在这个项目实施路上的一座大山，便是超导电缆的高成本。

据悉，目前超导电缆的成本是每公里9000万元，而同等级普通电缆的这一价格只需要几百万元。“至少要下降一半，市场才有逐步推进规模化工程应用的可能性。”郑健表示，即便算上超导电缆建设期节省的通道成本、运行期的节能效益，目前的超导电缆成本仍无法被市场广泛接受。

在张喜泽看来，超导电缆的成本下降需要整个产业链一起努力。目前超导电缆的成本主要来自于三部分，其中40%是超导材料的费用，剩下的成本主要是超导电缆绝热管和低温制冷设备。其中，伴随着绝热管成品率的上升，绝热管的漏热水平已经从2016年宝钢项目的每米约4-5瓦降低到2.5瓦。但综合制冷效率目前仍低于10%，虽然与国际整体持平，但未来仍有较大提升空间，需要进一步进行技术攻坚。

超导带材企业也在不断努力通过提高产品性能来降低成本。蔡传兵介绍，上创超导近期研发的一个重大突破就是把化学法采用的胶水组分进行了变化，除了提高了超导薄膜的生长效率，还让超导层的厚度翻了一倍，这让带材性能完成了从500安培到1000安培的飞跃，“2014年之前，我们觉得要达到美国超导（AMSC）300安培的载流能力是很难的，领导给我们下了300安培的任务，说实话我们心里并不情愿，但2014年我们确实做到了，后来不断超越，现在上创的性能已经是国际领先。”

在朱佳敏看来，虽然超导带材的原材料成本并不高，但由于前期研发投入大、时间长，每年企业固定开支大，在没有达到一定规模时，产品仍无法实现大幅降价。为此，无论是上创超导还是上海超导，两家带材企业都在持续与研发机构、企业、高校合作探索高温超导带材新的应用场景，开发新的超导应用产品。

高温超导带材除了可以应用于超导电缆，还可以应用于各类超导电力装备上，包括超导限流器、超导储能、超导变压器、超导电机等；此外，超导材料大载流的特性，使得其绕成线圈能产生大磁场，可以应用于高场磁体、可控核聚变、粒子加速器、感应加热、磁悬浮等场景。

目前，除了超导电缆外，上海超导和上创超导的带材已经逐步应用于超导电力、超导磁体、可控核聚变等多个领域，并开始向国外用户供货。

此外，曾经在日本铁道综合技术研究所学习、工作过的蔡传兵对于高温超导应用于磁悬浮列车抱有非常大的期望。经过20多年的试验，日本将于2027年实现东京到大阪的时速600公里以上的超导磁悬浮列车的商业化运行，而高温超导将使得超导磁悬浮列车技术在现有的基础上再次升级。

值得一提的是，超导从业人士对于被认为是“人类终极能源”的可控核聚变赛道尤为关注。

2021年9月，美国麻省理工CFS团队成功研制了全球首个可用于核聚变的20特斯拉高温超导磁体，标志着高温超导核聚变装置进入功能样机研制阶段；同年，该公司宣布完成18亿美元的B轮融资，投资人包括比尔·盖茨、淡马锡、老虎基金、中东主权基金、沙特Jameel家族基金等国际投资巨头。

国内以高温超导商业可控聚变堆为目标的创业团队和民间资本紧随其后。2022年初，能量奇点能源科技（上海）有限公司（下称能量奇点）获得由米哈游、蔚来资本领投的4亿元人民币天使轮融资，计划在2023年底之前建成运行全球首台全高温磁体超导托卡马克装置；2022年6月，陕西星环聚能科技有限公司获得顺为资本领投的数亿元人民币天使轮融资，致力于可控聚变能装置的设计、研发、建设和运行。

“可控核聚变装置对于超导带材的需求量可能会快速带动高温超导材料的规模化。”张喜泽判断，据他所知，一台紧凑型可控核聚变装置样机所需要的超导带材量基本与1公里超导电缆所需要的超导带材总量相当。

根据能量奇点的计划，该公司将于2027年建成全球首台可实现无感驱动净能量输出的先进托卡马克装置，并在2030年后建成可用于示范性聚变发电站的托卡马克装置。

伴随超导电缆、可控核聚变超导磁体等下游应用的带动，业内人士预计，未来几年全球高温超导带材年需求量将达到3000公里，国内年需求量将超过1500公里，远超当前高温超导带材有效产能。

目前，上海超导正在浦东康桥新建高温超导带材生产线，建成投产后超导带材成本有望大幅降低。

至此，上海已经完成了包括超导带材、制冷设备、绝缘材料、电缆、磁体、核聚变应用的超导全产业链的布局。

2021年11月，国际超导大股东奥盛集团、上海电缆研究所、国网上海市电力公司、上海电气输配电集团有限公司联合发起，成立上海超导制造业创新中心，面向上海超导产业发展的重大需求，以协同创新为取向，以产业前沿技术和共性关键技术的研发供给、转移扩散和首次商业化为重点，实现超导产业化过程中各创新链条，打造跨行业、跨领域、网络化的制造业创新生态系统。

上海高温超导产业基地于宝山高新技术产业园区落成，围绕新兴产业吸引超导产业链上下游集聚，打造超导产业应用技术研发高地，推动超导技术与电力能源、大科学装置、医疗、轨道交通等关键领域的深度融合，将超导打造成为“上海制造”新名片。