從磁懸浮列車到鐵路均可使用的超導(dǎo)節(jié)電技術(shù)（上）

　　以磁懸浮列車為首，超導(dǎo)技術(shù)在鐵路各領(lǐng)域的應(yīng)用備受期待。東海旅客鐵道（JR東海）提出的2027年開業(yè)的磁懸浮中央新干線，超導(dǎo)是主要技術(shù)這這自不必說，將來該技術(shù)還有望導(dǎo)入現(xiàn)有鐵路線的蓄電裝置及供電電纜（圖1）。

圖1：JR東海的超導(dǎo)磁懸浮列車（Maglev）“MLX01-1”
曾在2005年愛知世博會上展出。

　　在鐵路以外，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用范圍也很廣。設(shè)想將該技術(shù)應(yīng)用于MRI（核磁共振成像）裝置及污水處理等，需要強(qiáng)力磁場的裝置及系統(tǒng)。

　　今后尤為看好的是高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用。采用該材料，能夠以更少的能量驅(qū)動磁懸浮列車，或者減少現(xiàn)有鐵路線中上的供電損失。如果采用于軸承上，還可實(shí)現(xiàn)低損失的大型蓄電用飛輪，可有效利用再生能量。

因無需制冷機(jī)故可小型化

　　正在研發(fā)此類高溫超導(dǎo)技術(shù)的是日本鐵道綜合技術(shù)研究所（鐵道綜研）。如，使用稀土類元素（RE）的高溫超導(dǎo)線材就是正在開發(fā)的超導(dǎo)技術(shù)之一。RE類線材是一種擁有X-Ba-Cu-O（X為稀土類元素）成分的材料。這種材料在高磁場中的臨界電流密度較大，特性不易劣化。

　　2010年，鐵道綜研開發(fā)出了在線圈中使用釔（Y）類高溫超導(dǎo)線材的小型超導(dǎo)磁鐵（圖2）。通過發(fā)展該技術(shù)，超導(dǎo)磁懸浮列車配備的超導(dǎo)磁鐵有望實(shí)現(xiàn)小型化并降低運(yùn)用成本。

圖2：使用釔類高溫超導(dǎo)線材的小型超導(dǎo)磁鐵
設(shè)想配備在磁懸浮列車上，尺寸為現(xiàn)行Maglev的約1/4?？删S持1T以上的磁場在9小時(shí)以上。

　　此次開發(fā)的小型超導(dǎo)磁鐵，其外形尺寸為寬600×高400×進(jìn)深200mm，大約是JR東海的超導(dǎo)磁懸浮鐵道山梨實(shí)驗(yàn)線上行駛的“Maglev”*1上所配超導(dǎo)磁鐵的約1/4。通過改進(jìn)隔熱構(gòu)造，只要冷卻到20K，便可在9個多小時(shí)內(nèi)使線圈溫度保持在50K以下。而如果線圈溫度在50K左右，就能夠形成1T（特斯拉）以上的磁場。

　　*1 Maglev一詞由磁懸浮Magnetically Levitation的前幾個字母組成。

　　現(xiàn)有Maglev的超導(dǎo)磁鐵線圈使用了鈮鉍（Nb-Ti）類線材，用液氦（He）冷卻至4.2K。為了持續(xù)冷卻液氦，超導(dǎo)磁鐵分別安裝了制冷機(jī)，并在車輛上配備燃?xì)廨啓C(jī)作為制冷機(jī)的電源。

　　然而，以液氮冷卻的小型超導(dǎo)磁鐵，其熱容量為現(xiàn)有超導(dǎo)磁鐵的約1000倍，對溫度上升的耐受能力很強(qiáng)。由于能夠長時(shí)間維持超導(dǎo)狀態(tài)，因此無需為每個線圈配備制冷機(jī)。而且還可省去線圈的輻射熱遮蔽材料及液氦罐，從而可實(shí)現(xiàn)小型化。這樣便有望使將來的磁懸浮列車降低制造成本及運(yùn)行成本*2。

　?。? 即使要配備制冷機(jī)，也只需維持較高溫度的小型機(jī)即可。

2012年力爭達(dá)到5T

　　鐵道綜研今后打算以增加線圈匝數(shù)等使外形尺寸變化不太大的情況下，實(shí)現(xiàn)與目前的鈮鉍類磁鐵同等程度的5T磁場。鐵道綜研磁懸浮鐵路技術(shù)研究部低溫系列研究室長長島賢自信地表示：“只要掌握超導(dǎo)線材的性能，憑我們的能力和經(jīng)驗(yàn)就能設(shè)計(jì)出具有實(shí)用水平的磁鐵”。

　　另外，現(xiàn)為9小時(shí)左右的運(yùn)行時(shí)間也應(yīng)能進(jìn)一步延長。鐵道綜研表示，只要減小超導(dǎo)線材以外部分的電阻，即有望將連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間延長到1天左右。

　　實(shí)用面臨的課題，不僅有性能，還有可靠性。這就是對可在何種程度上防止失超*3而穩(wěn)定發(fā)揮磁鐵功能的疑問。

　　*3 失超是指某種原因引發(fā)的容器無法保持隔熱性，或磁通釘扎（Flux Pinning）稍有偏移，導(dǎo)致從超導(dǎo)狀態(tài)一下子變?yōu)槌?dǎo)狀態(tài)的現(xiàn)象。

　　“RE類線材作為磁浮懸列車用磁鐵是一種新型材料，因此有可能需要新的評測方法”（長島賢）。鐵道綜研計(jì)劃2012年開發(fā)擁有5T能力的磁鐵，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評測＊4。

　　*4 不過，JR東海目前正在計(jì)劃的磁懸浮中央新干線預(yù)計(jì)將采用現(xiàn)有的鈮鉍類磁鐵。這是由于鈮鉍類磁鐵已在山梨實(shí)驗(yàn)線經(jīng)過了長期試驗(yàn)。

　　另外，還考慮將其推廣至磁懸浮新干線以外的領(lǐng)域。這是因?yàn)?，利用RE類線材的磁鐵即使沒有制冷機(jī)也可長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，并且還小型、易操作。例如，在利用磁力的污水凈化裝置、電車減速時(shí)蓄積再生能量的蓄電用飛輪上應(yīng)用的探討已經(jīng)開始。

　　應(yīng)用于飛輪時(shí)，在軸承部分采用高溫超導(dǎo)線圈以及后面將提到的高溫超導(dǎo)塊材，以非接觸方式支撐旋轉(zhuǎn)軸。具體而言，就是以高溫超導(dǎo)線圈作起動器，支持嵌有高溫超導(dǎo)塊材的旋轉(zhuǎn)軸（圖3）。整個飛輪收放在低溫恒溫器中，軸承部分以稀薄的低溫氦氣冷卻。通過利用基于超導(dǎo)線圈的電磁鐵來支撐超導(dǎo)塊體，能夠以非接觸方式支撐重達(dá)數(shù)噸的巨大飛輪。（未完待續(xù)）

圖3：飛輪試驗(yàn)裝置和超導(dǎo)線圈
可用定子采用高溫超導(dǎo)線圈、轉(zhuǎn)子采用高溫超導(dǎo)塊體的軸承，以非接觸方式支撐50kg左右的飛輪（a）。下方的照片為用作定子的高溫超導(dǎo)線圈試制品（b）。