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1、电气工程导论第六章-电工理论与新技术.txt 我爸说过的最让我感动的一句话：“孩子，好好学习吧，爸以前玩麻将都玩儿 10 块的，现在为了供你念书，改玩儿 1 块的了。 ” 本文由 guohai168 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。电工理论与新技术超导超导的发现 超导的微观机理 超导材料 超导的应用 展望超导现象的发现超导是某些金属或合金在低温条 件下出现的一种奇妙的现象 。最先发现这种现象的是荷 兰物理学家卡麦林昂纳斯。 1911 年夏天，当昂纳斯的两个研 究生在做低温实验时，偶然 发现某些金属在极低温环境 中，金属的电阻突然消
2、失了 。昂纳斯接着用水银做实验 ，发现水银在 4.1K 时（约相当 于-269） ，出现了这种超 导现象；他又用铅环做实验 ，九百安培的电流在铅环中 流动不止，两年半以后仍旧 毫无衰减。快快方式 u=1235958048,109255454&gp=1.lnk通过研究人们发现：所有 超导物质，如钛、锌、汞 等，当温度降至临界温度 时，皆显出某些共同特征：超导之性质电阻为零，一个超导体 环移去电源之后，还能 保持原有电流有人做 过实验，发现超导环中 的电流持续了两年半而 无显著衰减 完全执磁性，这一现象 由德国物理学家迈斯纳 发现，只要超导材料进 入超导状态，便可把磁 感线排斥体外，其体内 的磁感
3、应强度总是零 （迈斯纳效应） 超导的发现轰动了全世界的 科学家，大家纷纷想要揭开 超导的奥秘，因为只有了解 了超导现象的微观机理，才 能使它为人类作出更大的贡 献。将近一百年过去了，经过 几代科学家的不断探索， 人类也对超导的机理有了 一个大概的认识，目前我 们对它有一下解释：1950 年，美籍德国人弗茹里赫与美国伊利 诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后， 同时提出：超导电性是电子与晶格振动相 互作用而产生的。他们都认为金属中的电 子在点阵中被正离子所包围，正离子被电 子吸引而影响到正离子振动，并吸引其它 电子形成了超导电流。接着，美国伊利诺斯大学的巴丁、 库柏和斯里弗提出超导电量子理 论，
4、他们认为：在超导态金属中 电子以晶格波为媒介相互吸引而 形成电子对，无数电子对相互重 迭又常常互换搭配对象形成一个 整体，电子对作为一个整体的流 动产生了超导电流。由于拆开电 子对需要一定能量，因此超导体 中基态和激发态之间存在能量差， 即能隙。这一重要的理论预言了电子对能 隙的存在，成功地解释了超导现 象，被科学家界称作“巴库斯理 论” 。这一理论的提出标志着超 导理论的正式建立，使超导研究 进入了一个新的阶段。超导的应用从目前的研究情况来看 ，超导技术的应用可分成 三类：超导技术应用（1）能源-超导输电、超导储能、超导电机等 （2）交通-磁悬浮列车（抗磁性应用） 、船舶磁推进器 （3）医疗
5、卫生-核磁共振成像、生物磁仪器等 （4）电子技术-超导微波技术应用、各类超导传感技术、 半导体 超导体集成电路、超导计算元件等 （5）重大科学工程-加速器、受控热核装置等 （6）国防技术超导反潜、扫雷、电磁推进、通讯及制 导等在磁悬浮列车方面的应用1999 年月，日本 研制的超导磁悬浮 列车时速已达 552 公 里西南交通大学研制 成功的超导磁悬浮 列车，最高设计时 速达 500 公里在磁悬浮列车方面的应用列车的最高时速为 300 公里，飞机的为 1000 公里。所以人们就想寻 求一种时速介于两者之间的交通工具。磁悬浮列车整好满足了这个 要求。最高时速可达到 500 公里。 磁悬浮列车是利用超
6、导体的完全 排磁性，使列车悬浮在空中，以 直流电动机作为推动力。他的优 点是，不接触轨道，无摩擦，运 行安全，无噪声，无任何有害气 体排放。 在上海浦东已经建成了我国第一 条磁悬浮铁路，全长 30 公里，仅 需 8 分钟。超导技术在定向武器方面的应用在军事上，定向武器在未来战争中将起到举足轻重的作用。美国 和俄罗斯已经把定向武器的研制放在突出的位置。定向武器就是把能量 汇聚成极细的能束，并沿着指定的方向以光速向外发射，从而摧毁目标。 存在一个问题：如何在瞬间提供大量的能量呢？ 用超导材料制成的闭合线圈就是一种理想的储能装置。 因为在超导线圈中的电流没有功率损失，可长时间维持。 只要线圈保持超导
7、状态，它所储存的电磁能就会毫无损耗地长期保存下 去并可随时把强大的能量提供给聚能武器，超导储能装置使聚能武器如 虎添翼，有如给聚能武器提供了一个机动灵活、容量无比的弹药库，使 聚能武器随时可以对敌实施攻击。超导技术在定向武器方面的应用飞 机 推 进 器超导技术在定向武器方面的应用精确制导武器的发射超导技术在定向武器方面的应用核潜艇图核磁共振 超导技术在医疗卫生方面的应用核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技术。是继 CT 后医学影像学的又一 重大进步。自 80年代应用以来，它以极快的速度得到发展。其基本原理 基本原理：是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体 基本原理 内氢原子核，引起
8、氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢 原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的 接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就叫做核磁共振成像。核磁共振 超导技术在医疗卫生方面的应用磁共振成像技术(MRI)和 CT 成像技术比较， 首先是成像原理不同。 CT 即计算机断层扫描技术,是将 X 射线对人体 组织作横断面扫描后通过计算机对密度对比 分析成像诊断疾病，对人体有 X 线辐射损伤，MRI 是通过发射脉冲磁场信号，对人体氢质子磁共振信号进行分析成像， 诊断疾病，不存在 X 线幅射损伤。可根据需要对人体进行横断面、矢状面、 冠状面三维任意角度切层，通过各种角度显示病
9、变，立体感更强，而且 在同一切层可采用不同序列、不同参数扫描，这更有利于对不同生物学 特性的组织的充分显示，由于 MRI 扫描中不同组织信号差异远大于 CT 上 组织间密度差异，因此，使许多病变更易辩认，有利于对病变早期诊断， 尤其是细小病变。受控热核聚变装置超导体在托卡马克装置中的应用托卡马克装置是一种磁约束 热核聚变实验装置，经过人 们 50 多年的不懈努力，1992 年以来，已经成功的在欧洲 联合环 jet 和美国 TFTR 上进行 了氘氚放电，开发聚变能的 科学可行性终于在托卡马克 装置上得到证实。 但是常规托卡马克装置，体 积大，效率低而且是脉冲运 行。而超导托卡马克正是在 这一点上
10、有着极大的优势， 即:高效紧凑，稳态运行。中科院等离子体物理研究所 超导托卡马克 HT-7 巨大的电感线圈利用超导体产生的巨大磁场， 应用于受控制热核反应。核聚 变反应时，内部温度高达1 亿 2 亿，没有任何常规材料可以 包容这些物质。而超导体产生 的强磁场可以作为“磁封闭 体” ，将热核反应堆中的超高 温等离子体包围、约束起来， 然后慢慢释放，从而使受控核 聚变能源成为 21 世纪前景广阔 的新能源。氢弹蘑菇云我们的目标： 超导电工中心 我们的目标：围绕 EAST 超导磁体系统的需求，开展相关技术的研究和攻关，确保大科学工 程任务的完成； 瞄准国际前沿，研究和发展超导磁体技术、建立大型超导磁
11、体测试中心，建 成超导线材，导体和磁体测试装置，提供面向全国的大型超导磁体试验平台， 为超导磁体技术在科研、国防、和国民经济发展中的应用提供技术基础； 建立 2 kW/4K 大型深冷低温系统，发展大型超临界氦和超流氦低温技术为国内 大型超导磁体和超流氦冷却的高场磁体的发展提供技术支撑，使我国大型氦低温 技术继续发展并达到国际先进水平； 选择有限目标，研究超导装置与电力系统的匹配协调运行的关键科学问题，开 展超导技术用于电力工业的应用基础研究，建立大型超导储能实验装置，开展大 型超导储能实验研究，并探索大电流高温超导电流引线等实用技术。 在以上工作的基础上逐步发展成为一个国内公认的，有特色的大型
12、超导应用技 术研究和实验基地。中国科学院等离子体物理研究所超导电工中心 建立起中国最大的超导磁体试验系统。该 EAST 建立起中国最大的超导磁体试验系统。 大型超导磁体试验系统包括： 大型超导磁体试验系统包括： 实验杜瓦、低温、真空、电源、电流引线、数 据采集及控制等诸多子系统。总重 16 吨、容积 48 立方米的实验杜瓦是国内最大的实验杜瓦杜瓦是一个有真空夹层的容器，真空夹层起绝热作用。 杜瓦在高温和低温都有广泛的用途。 低温下主要用作 低温液体储存容 器，也用来为制 冷装置绝热以免 环境传热到制冷 空间，同时被冷 却对象装在杜瓦 的真空环境中可 防止其上因低温 而结水影响工作。 低温杜瓦是
13、在低压下储运液氮、液氦、液氧、生物样本 以及超导磁体的容器。 救护车内液氧液氧储罐直流发电机组电源系统由四台直流发电机组成， 国内最大总储能量 560MJ，最大总脉冲功率 80MW 的直流脉冲发电机组。氦 制 冷 机一套国内最大的 2 kW/4K 的大型深冷低温系统超导应用的诱人前景不光是实现大电流、大功率 的电力无损耗长距离传输，利用超导体的抗磁性 可以实现磁悬浮列车、无磨损轴承，同时，利用 超导体的电子性可以研制出运算速度更高的电子 计算机、高性能微波元件特别是利用超导可 以制造出能测量比人脑磁信号弱几千倍的超导量 子干涉仪，从本质上揭示人类大脑的奥秘。总之， 21 世纪将是超导技术大显身
14、手、异彩纷呈的新世 纪。核聚变电工技术各种能源储量和可用年数（按目前消耗水平） 能源 石油 天然气 煤 铀 235（裂变堆） 锂（DT 聚变堆）储量（109J） 1.2X1013 1.4X1013 1.0X1014 1013 1019可用年数 40 50 300 30 30000 3X10710 铀 238 釷 232（增殖堆） 16反应堆解决能源问题是当今社会的 一个最急迫的问题，而最让人注目的 就是 热核反应聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射 性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一， 也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题 和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径
15、 之一。 2006 年 5 月 24 日，国家科学技术部代表我国政府与其他 六方一起，在比利时首都布鲁塞尔草签了国际热核 聚变实验堆 （InternationalThermonuclearExperimentalReactor）联 合实施协定 。这标志着 ITER 计划实质上进入了正式 执行阶段，即将开始工程建设，也标志着我国实质上 参加了 ITER 计划。ITER 计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合 作项目之一。它的建造大约需要十年，耗资五十亿美元 （1998 年值） 。合作承担 ITER 计划的七个成员是欧盟、中 国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国，这七方包括了全世 界主要的核
16、国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一 半。为建设 ITER，各参与方专门协商组建了一个独立的国 际组织，各国政府首脑在过去几年中都采取不同方式对参加 ITER 计划作出过正式表态。这些都是国际科技合作史上前 所未有的，充分显示了各国政府和科技界对该计划的高度重 视。ITER 计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地 使用聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的 进程。在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予 以高度关注的今天，各国坚持协商、合作的精神，搁置诸 多的矛盾和利害冲突，最终达成了各方都能接受的协议， 并开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。但最近的计算机模拟研究发现，ITER 核聚变所产生的 超过 10 亿摄氏度的高温等离子对反应堆内壁的破坏作 用远远超乎想象，为避免反应堆内壁熔化，必须更好 地绝缘等离子体，因此需要有更强大的脉冲磁场来约 束，并改变反应堆内部结构设计。要弥补这一设计上 的缺陷，ITER 计划正式投入核聚变试验的时间至少要 推迟到 2026 年，
