心怀梦想 昼夜兼程 ——记上海交通大学金之俭教授超导团队

2023-11-29 17:21:17     来源:

(金之俭教授)

在国内高温超导领域中,由上海交通大学金之俭教授领导的高温超导课题组,早已成为了一支明星团队。交大高温超导团队始建于2010年,多位成员来自于英国剑桥大学、美国麻省理工学院、哈佛大学、休斯顿大学、丹麦科技大学Risoe国家实验室以及清华大学、上海交大等海内外名校。

2009年,高温超导技术被上海市列为战略前沿重点培育方向,正是在这样的环境之下,金之俭课题组开始组建并迅速成长。团队从高温超导材料到应用进行了全产业链研发布局,10多年的努力,研发的高温超导材料已由上海超导公司实现了产业化,上海超导公司已迅速成长为国际上富有竞争力的高温超导材料供应商,目前已开始筹备IPO。

超导应用方向团队在超导电力、超导节能、超导磁悬浮和聚变强场磁体等领域也取得了一系列成果,近期超导感应加热和超导磁悬浮列车全要素实验线新闻相继登上了央视频道。团队近期研发集中在超导磁悬浮和聚变强场磁体两大方向,这两个方向也是超导应用中难度最大的研究对象。

积极创新 奋勇争先

就超导磁悬浮而言,高速磁悬浮列车超导磁体是一个动态磁体,需要应对很高的加速度,机械增强和制冷设计是主要的难关,吴蔚副教授从零起步,经过努力已完成了国内首个高温超导磁悬浮磁体,可以在全断电状态下连续运行工作,多项技术指标达到了国际领先。

就聚变强场磁体而言,高场强是其主要特点,需要面对超大电流(100kA)、超高磁场(20T)和超大口径(直径超过5m)带来的一系列高难度挑战。过去近十年间,针对聚变强场磁体团队在“超导材料---集束缆线---强场磁体”这条研究主线上积累了一系列研究成果,也收获了许多工程经验。团队的王亚伟副教授专注于强场磁体鲁棒性的研究,在国际上率先建立的无绝缘线圈仿真理论模型为高温超导磁体走向工程实用做出了重要贡献,正是因为其突出的贡献英国博士后工作期间获得了玛丽居里奖。聚变磁体工作于非常极端的条件下,由上百根超导带材构建的集束缆线是绕不过去的难关,团队的盛杰副教授专注于集束缆线的研究,目前已率先建成了一条高性能生产线,为聚变强场磁体的研发奠定了重要基础。高温超导材料失超传播特性相对较差,至今仍缺失完善的高温超导磁体失超检测保护工程解决方案。团队的江俊杰博士将光纤与超导带材(集束缆线)进行集成封装,采用分布式光纤传感系统实现了失超检测,在时间分辨率和空间分辨率指标上均达到国际领先水平。

面向未来 勇挑重担

由于高温超导技术的突飞猛进,采用高温超导强场磁体使得聚变堆小型化成为了可能,这不仅能大幅降低成本,更重要的是能大大缩短研发周期。美国和英国都将实现聚变发电时间表提前到了2035-2040年,中国高层也动作频频,积极谋划。

2021年9月,由麻省理工学院团队孵化的CFS(Commonwealth Fusion Systems)公司完成了20T聚变强场磁体工程样机,这是一个里程碑式的突破。CFS计划于2025年完成聚变实验装置SPARC,2030年代初完成工程试验堆ARC并实现聚变发电。CFS的突破性进展点燃了聚变领域风投的热情,大量私人资本的涌入进一步加快了聚变技术研发进程,原本30年预期的国际合作超级项目演变成为10年预期的风投热点。

核聚变能源具有运行安全、燃料丰富、能量密度高、无核废料污染、不产生温室气体等特点,被视为是人类的终极清洁能源。一旦可控核聚变技术取得突破,能源体系将发生巨变,未来能源主宰将由能源资源拥有者向能源技术拥有者转移。中国作为一个高度工业化的国家,能源是国民经济稳定发展的基石,从能源安全和“双碳”目标的角度出发,中国的聚变能源不可或缺。

如果用新能源汽车的产业链做类比,强场磁体之于核聚变,好比锂电池之于新能源车。团队新成立的上海翌曦科技公司将目标聚焦于聚变强场磁体研发。金之俭说:“在国内聚变强场磁体领域,翌曦科技已经占据了领先地位,在国家聚变战略发展中应该承担重要责任。领先一步的基础研发将是翌曦科技行业地位的保证,翌曦科技要成为聚变领域的宁德时代。”

20年前启动的ITER(国际热核聚变反应堆计划)项目推动了低温超导产业的发展。虽然ITER装置目前仍在建设中,但是巨量的需求已带动了低温超导产业的兴起,现今已经普及的核磁共振成像和诸多加速器、科学仪器的应用都得益于此。现如今高温超导小型化聚变堆的兴起将也彻底改变高温超导材料的需求状态,高温超导材料的性能尤其是制冷成本优势更为突出,一旦达到临界爆发点,其应用前景远超想象,高温超导行业也正迎来一个重要的发展机遇。

金之俭表示,科学家都是有梦想的人,人的一生如果能干成一件大事就会活得很有意义。他说:“聚变是我年轻时代就有的梦想,也是人类的共同梦想。我高温超导研究了10多年,在这个领域组建了国内最大的科研团队,不经意间我们已经看到了实现聚变梦想的希望。”

如今,金之俭已经成为一名企业家。他说:“作为创业者就更要有梦想,创办翌曦科技正是奔着这个梦想而去。成立至今,我们得到了各方面的大力支持,心怀感激的同时,也让我们有了更多动力,我也将携手业内的同仁们,希望能在有生之年实现聚变这个梦想。”(文/张霞)

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