有色、钢铁行业室温超导深度报告：室温超导，百年梦想，创新涌现

看好（维持） 室温超导：百年梦想，创新涌现 ——室温超导深度报告 行业研究|深度报告有色、钢铁行业 国家/地区中国 行业有色、钢铁行业 报告发布日期2023年08月03日 核心观点 LK-99室温超导体引发关注，超导特性仍有待证实。2023年7月22日，韩国研发团队发表了一篇关于名为LK-99的室温超导体的论文，发布后引发全球较多关注， 并相继有实验室重复实验并给出初步结果，但目前仍有较大分歧，仍需要更多的实验研究和结果复现来证实。 LK-99利用巧妙晶体结构，基于简单的材料体系在常温常压下实现超导。目前的超导材料按临界温度可分为低温超导体、高温超导体，2008年发现的铁基超导体成为 第二类突破40K的高温超导家族，其块材最高超导转变温度为55K，但至今尚未能突破液氮温区。而LK-99特殊之处在于是超导在常温常压下即可实现，并且材料体系简单。 低温超导材料目前在商业化应用占主导地位，主要发挥抗磁特性。在有限温度下的零电阻、完全抗磁特性是超导体的核心特性。目前以𝑁𝑏𝑇�和𝑁𝑏3𝑆�为代表的低温超 导材料，由于其具有优良的机械加工性能和成本优势，在商业化超导市场中处于主导地位。并且低温超导材料的绝大部分应用都是基于超导磁体产生的强磁场，主要应用领域包括MRI、ITER、加速器、科研用特种磁体等。此外，超导材料在磁悬浮、电缆等领域的应用逐渐拓宽，带来更大的社会经济效益。 室温超导的实现或在电力输送、医疗、交通等领域迎来重大变革。零电阻有望极大提高能源效率，减少能源消耗，对环保和能源产业都具有重要价值；其次，室温超 导技术可用于磁悬浮交通、医疗成像等领域，推动了技术革新和产业进步；室温超导的实现还可为量子计算等前沿科学研究提供新的技术支持。 投资建议与投资标的 建议关注超导材料相关企业，如西部超导(688122，未评级)、东方钽业(000962，未评级)，及人造太阳项目中核聚变装置用PF/TF导体铠甲供应商久立特材(002318，买入)等，以及LK-99材料体系所需金属铅相关的上市公司驰宏锌锗(600497，买入)、豫光金铅(600531，未评级)、中金岭南(000060，未评级)等。 风险提示 超导材料研发不及预期的风险、室温超导体验证结果不及预期的风险、超导材料应用不及预期的风险。 证券分析师刘洋 021-63325888*6084 liuyang3@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860520010002香港证监会牌照：BTB487 证券分析师李一冉 liyiran@orientsec.com.cn 执业证书编号：S0860523040001 联系人孟宪博 mengxianbo@orientsec.com.cn 联系人滕朱军 tengzhujun@orientsec.com.cn 联系人李柔璇 lirouxuan@orientsec.com.cn 有关分析师的申明，见本报告最后部分。其他重要信息披露见分析师申明之后部分，或请与您的投资代表联系。并请阅读本证券研究报告最后一页的免责申明。 目录 前言4 一、室温超导：百年梦想，创新涌现5 1.1超导及超导材料体系：百年研究历程，向高温不断进发5 1.2LK-99特殊之处：简单的材料体系，常温常压的超导条件6 1.3LK-99超导的可行性浅探：原理或可行，但仍需实验复现6 二、超导材料应用现状：以低温超导材料为主，应用于医疗、科研等领域8 2.1MRI用超导磁体8 2.2核聚变8 2.3超导磁悬浮9 2.4超导电缆10 三、室温超导实现远景：电力输送、医疗、交通等领域或迎来巨大变革12 3.1能源传输带来电力系统的重建12 3.2医疗、交通等领域迎来重大变革14 四、投资建议15 风险提示16 图表目录 图1：不同超导体的临界温度与发现时间5 图2：LK-99的晶体结构示意图6 图3：LK-99的制备工艺示意图6 图4：高场磁共振成像系统的发展历程8 图5：托卡马克结构9 图6：ITER主体装置9 图7：低温超导电动磁浮悬浮导向推进功能原理9 图8：日本低温超导高速L0磁浮列车10 图9：高温超导高速磁浮工程化样车外观及试验线10 图10：超导电缆分解示意图11 图11：10kV滨星超导线11 图12：100万千瓦电站的燃料消耗比例12 图13：西电东送路线图13 表1：核聚变的发电效率远高于其他能源（生产100万千瓦）13 前言 2023年7月22日，韩国SukbaeLee,JihoonKim,Hyun-TakKim,SungyeonIm,SooMinAn,KeunHoAuh研究团队向论文预印本网站Arxiv提交了题目为《Superconductor 𝑷𝒃𝟏𝟎−x𝑪𝒖𝒙(𝑷𝑶𝟒)𝟔Oshowinglevitationatroomtemperatureandatmosphericpressureandmechanism》的论文（下文中均简称为“该论文”），首次揭示了一种名为LK-99的室温超导体的存在，给出了其具体的合成制备方法。根据该论文，LK-99为一种掺杂铜的铅磷灰石材料体 系，其超导临界温度Tc高达约127摄氏度（400K），且在常压下即可实现超导。 该论文发布后，引发全球较多关注，并相继有实验室重复实验并给出初步结果。截止至2023年8 月1日，已经有的理论和实验结果如下： （1）2023年7月29日，中科院和中国科学院大学的JunwenLai,JiangxuLi,PeitaoLiu,YanSun,Xing-QiuChen研究团队向论文预印本网站Arxiv提交了题目为《First-principlesstudyontheelectronicstructureof𝑃𝑏10−x𝐶𝑢𝑥(𝑃𝑂4)6O(x=0,1)》的论文。该论文通过第一性原理计算方法研究了LK-99的电子结构，发现LK-99在费米能级附近的能带结构展现出新颖的特性，这可能是导致其超导态的关键原因。 （2）2023年7月31日，美国劳伦斯-伯克利国家实验室的Sin´eadM.Griffin向论文预印本网站Arxiv提交了题目为《Originofcorrelatedisolatedflatbandsincopper-substitutedleadphosphateapatite》的论文。该论文采用密度泛函理论（DFT）对掺杂铜的铅磷灰石材料进行了理论计算，确认了在费米能级处的孤立平带，该孤立平带是已有高转变温度超导体体系的共同特征。作者认为这些孤立平带来源于结构中铜离子引发的结构畸变和源自铅孤电子对的手性电荷密度波。 （3）2023年7月31日，北京航空航天大学LiLiu,ZiangMeng等研究团队向论文预印本网站 Arxiv提交了题目为《Semiconductingtransportin𝑃𝑏10−x𝐶𝑢𝑥(𝑃𝑂4)6Osinteredfrom𝑃𝑏2𝑆𝑂5and 𝐶𝑢3�》的论文，该团队合成了优化的铅磷灰石材料𝑃𝑏10−x𝐶𝑢𝑥(𝑃𝑂4)6O并系统分析了该化合物的电传输性能和磁性能，并未发现该化合物具备超导性能。 由此可见，针对韩国研究团队发现的LK-99材料体系是否具备室温超导特性，全球各研究小组仍有较大的分歧，仍需要更多的实验研究和结果复现来证实。 一、室温超导：百年梦想，创新涌现 1.1超导及超导材料体系：百年研究历程，向高温不断进发 有限温度下的零电阻、完全抗磁特性是超导体的核心特性。超导现象自1911年被发现以来就备受全球科学家关注。所谓超导现象，实际上是电子系统在凝聚态物质中发生量子凝聚后表现出的奇异性质,如有限温度下的零电阻和完全抗磁特性等。（1）临界温度：超导体的临界温度是超导体研究的核心之一，决定了超导体的实际应用与制备方法。所谓临界温度，即超导体从正常态转变为超导态（0电阻）时的温度，实际上也就是把Cooper电子对解体开来的温度。（2）完全抗磁特性：即磁场中的金属处于超导状态时，体内磁感应强度为零的现象。这一现象又被称为迈斯 纳效应。 临界温度超过40K的超导体被称为高温超导体，在工程实践中意义重大。根据HualeiSun等于2023年7月12日发表在《Nature》杂志的论文《Signaturesofsuperconductivitynear80Kinanickelateunderhighpressure》，基于1957年三位美国科学家巴丁、库珀、施里弗提出的电声子耦合超导配对凝聚理论（即B-C-S理论），麦克米兰等人推断传统金属超导体的转变温度不会超过40K，即约零下233摄氏度。1986年，荷兰科学家缪勒和柏诺兹在一种铜氧化物材料中发现了35K的超导电性，随后被包括中国科学家在内的多国科学家将超导转变温度提高到90K以上。铜氧化物的超导转变温度可以超过液氮沸点77K，极大降低了制冷成本，为超导材料的应用提供了巨大潜力。然而，铜氧化物中的高温超导电性无法用电声子耦合机制来完全理解，它们也被划分为非常规超导材料，其机理成为近40年来物理学中最重要的前沿科学问题之一。人们也一直在寻找其他具有较高超导转变温度的非常规超导材料。2008年发现的铁基超导体成为第二类突 破40K的高温超导家族，其块材最高超导转变温度为55K，但至今尚未能突破液氮温区。 图1：不同超导体的临界温度与发现时间 数据来源：《AbInitioApproachandItsImpactonSuperconductivity-DefangDuan》、东方证券研究所 1.2LK-99特殊之处：简单的材料体系，常温常压的超导条件 LK-99在常压下的临界温度Tc高达约127摄氏度（400K），远超目前所有已知材料体系。根据 A.P.Drozdov等于2019年发表在《Nature》上的论文《Superconductivityat250Kinlanthanumhydrideunderhighpressures》，十氢化镧（𝐿𝑎𝐻10）是目前已知的临界温度最高的超导体，其临界温度达260K以上，但需要在190万个大气压下才能实现。然而，LK-99在常压下的临界温度Tc高达约127摄氏度（400K），且如若验证为真，可能将颠覆现有关于超导现象的认知。 LK-99材料体系较为“简单”。根据《Superconductor𝑃𝑏10−x𝐶𝑢𝑥(𝑃𝑂4)6Oshowinglevitationatroomtemperatureandatmosphericpressureandmechanism》论文，LK-99为一种掺杂铜的铅 磷灰石材料体系，其可通过𝑃𝑏2𝑆𝑂5与𝐶𝑢3�进行固相反应合成，论文中也给出了较为详细的实验条件和参数。 图2：LK-99的晶体结构示意图图3：LK-99的制备工艺示意图 数据来源：《Superconductor𝑷𝒃𝟏�−x𝑪𝒖�(𝑷𝑶𝟒)�Oshowinglevitationatroomtemperatureandatmosphericpressureandmechanism-SukbaeLee等》、东方证券研究所 数据来源：《Superconductor𝑷𝒃𝟏�−x𝑪𝒖�(𝑷𝑶𝟒)�Oshowinglevitationatroomtemperatureandatmosphericpressureandmechanism-SukbaeLee等》、东方证券研究所 1.3LK-99超导的可行性浅探：原理或可行，但仍需实验复现 传统的BCS理论在高温超导体解释方面遇到了较大困难。基于B-C-S理论，常压下超导体的临界温度不会超过40K（零下233℃）。但高温超导体（主要是铜氧化物超导体）在结构和性质方面具有不同于传统超导体的显著特点，从而使BCS理论在高温超导微观机理的解释上变得困难重 重。到目前为止，但还没有一种能同时解释低温超导和高温超导微观机制的理