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能源之光:國家脈沖強磁場科學中心——“要讓中國擁有領跑世界的強磁場”

iNews 2022-05-12 10:59:00




武漢新能源研究院,已在創新奔跑中,步入第六個年頭。


2016年,我們背靠華中科技大學電氣學院、能源學院等多個優勢學科,以成果轉化為核心使命,市校共建了武漢新能源研究院。象征新能源之花的馬蹄蓮大樓,成為了光谷乃至湖北的創新地標。


過去六年,新能源研究院一直圍繞兩個大的方向性任務不懈探索:清潔能源的規?;煤蛡鹘y能源的清潔高效利用。一批重塑未來格局的源頭創新,在這里發生;一批高質量的科技成果轉化項目在這里嶄露頭角。


當前的武漢已全面吹響爭創綜合性國家科學中心、國家科技創新中心的號角,并啟動建設光谷科技創新大走廊、東湖科技城,一批大科學裝置規劃,都與新能源密不可分??梢哉f,這是一場關于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共創低碳中國,更是未來城市角逐的主戰場。


2022年,我們帶著「INEW能見」專欄來了,在這里,每周和你分享我們的創新故事,能見=看見,能源未來。新能源創新發展之路,道阻且長,這是我們的使命,更是新的長征。




國家脈沖強磁場科學中心

“要讓中國擁有領跑世界的強磁場”


從1982年的相變理論,到1985年的量子霍爾效應,從1987年的高溫超導體,再到2007年的巨磁阻效應,近40年來,與強磁場相關的諾貝爾獎,達到10項。


美國國家強磁場實驗室主任Greg Boebinger曾經預言:100T(T為磁感應強度單位特斯拉)以上的實驗條件,有可能帶來高溫超導研究的重大突破,孕育出兩個新的諾貝爾獎。


在華中科技大學,國家重大科技基礎設施——脈沖強磁場實驗裝置,在過去20多年間,一步步從藍圖走向現實。從技術跟跑、并跑,到最終實現世界領跑,讓我國該領域從受人掣肘,到一路邁向國際脈沖強磁場第一方陣。


2020年11月17日,先進電磁制造技術研究中心在武漢新能源研究院正式掛牌成立。電磁制造是通過對電(或磁、電磁)能的高效利用和精確調控,將大電流、強磁場、高能量密度、高功率密度等高參數強電磁技術應用到先進制造領域。


該中心由國家脈沖強磁場科學中心和武漢新能源研究院共建,主要依托脈沖強磁場國家重大科技基礎設施,專注于研發多時空脈沖強磁場高速成形制造技術,解決異種金屬連接、薄壁件成形、高密度壓制等高端制造業的“卡脖子”問題。


在華中科技大學脈沖強磁場國家重大科技基礎設施控制大廳,我們見到了這項大科學裝置的領軍人物——國家脈沖強磁場科學中心主任李亮教授。


破冰:李培根為他三赴美國



2011年11月8日凌晨,位于華中科技大學校園一角的國家脈沖強磁場科學中心仍然燈火輝煌,中心主任李亮率領他的科研團隊,正在進行一次重要的實驗?!?3特斯拉!”大家一陣驚呼。5點28分,中心自行研制的國內首個雙線圈脈沖磁體成功實現了83特斯拉的磁場強度——這不僅刷新了我國脈沖磁場強度紀錄,也使我國非破壞性磁場強度水平一下躍居亞洲第一、世界第三。


——2012年初的《人民日報》上,一篇名為《用“中國速度”創造“中國強度”》的報道,引起了國內對脈沖強磁場的高度關注。


“為什么要建這個大裝置?因為當科學家想觀測到物質在常態下所觀測不到,同時又能反映物質最本質特點的效應和現象,強磁場是一個不可或缺的極端實驗環境,和極低溫、靜高壓等一起構成研究物質微觀世界的綜合極端條件?!崩盍琳f,通過這些研究,能真正認識物質的物理本質?!皣医o我們的目標,就是做前沿基礎科學研究?!?


從上世紀六七十年代開始,歐洲、日本和美國等發達國家,先后開始建設強磁場實驗室。因為沒有自己的大裝置,我國想要做相關實驗,只能把材料和樣品送往國外的實驗室。


1998年,潘恒、程時杰兩位院士,著手布局強電磁技術研究方向,并邀請當時身在美國的李亮參與策劃。


彼時,李亮已是國際上舉足輕重的強磁場科學家。在1993年到2000年間,美國國家強磁場實驗室、德國脈沖強磁場實驗室和澳大利亞脈沖強磁場實驗室的脈沖磁體,基本都是李亮主導完成。


早在比利時留學期間,還是學生的李亮,就已研發出磁場強度達到74特斯拉的高性能脈沖強磁體,這是當時世界最高紀錄。


1998年,他再次創造了當時脈沖磁場的世界最高場強79特斯拉。


2001年,潘恒院士與李亮聯合向國家提出脈沖強磁場實驗裝置立項建議,并于2007年獲國家發改委批準立項。這是教育部所屬高校承建的第一個國家重大科技基礎設施項目,計劃建設周期5年,建成后將成為世界四大脈沖強磁場科學中心之一。


中國自主研發世界級的脈沖強磁場裝置,已是箭在弦上。時任華中科技大學校長李培根院士,曾三次赴美,邀請李亮回國,牽頭這一歷史性的重大科技基礎設施項目的建設。


那時候,李亮在美國通用電氣(GE)公司全球研究中心任高級工程師,從事包括強磁場、整體充磁技術、磁共振成像和高溫超導電機等方面的研究,研究成果處于國際領先水平。


2007年,為了將祖國的強磁場事業帶入世界第一梯隊,李亮毅然回國。


突圍:一手弱牌打出“王炸”




脈沖強磁場裝置是產生高強磁場的最有效手段。目前,45T以上的磁場,只能通過脈沖強磁場裝置產生。


但有兩個決定性因素,極大制約著磁場強度的提高:一是電磁應力,二是溫升。


如果我們把電磁場想像成固體,電磁應力就相當于這個固體的張力極限。李亮說,極強磁場、極低溫度和極高壓力,是強磁場極端實驗環境的最大特點,當通電產生磁場以后,磁體就像家里的高壓鍋,瞬間會產生很大的壓力,想要往外爆。而我們一邊要讓這股壓力無限逼近極限,一邊又得把這個巨大的力給箍束住,不讓它爆炸。


這個壓力到底有多大?


他舉例說,蛟龍號載人潛水器在水下7000米深處,承受的海水壓強為70兆帕,相當于每平方厘米的壓力為0.7噸。而對脈沖磁體而言,當磁場強度達到90T,磁體所承受的壓強就會達到3600兆帕,即每平方厘米要頂住36噸的超級壓力。其單位受力面積,超過蛟龍號的50倍。


另一個問題是溫升。實驗中,短短十幾毫秒內,磁體溫度便會從-200°C,驟升至200°C。不僅磁場和電流之間會相斥產生諾倫茲力,巨大的溫升同樣會造成材料爆炸和斥力。


在熱力學效應中,斥力和溫升,都會對磁體結構造成顛覆性和破壞性后果。


一個世界科技難題擺在了剛剛回國的李亮面前:發達國家的脈沖強磁場裝置,往往是通過高強、高導線材,以及高功率、大能量脈沖電源,來突破電磁應力和溫升兩大因素的制約。但國際上,這些關鍵技術和裝備,均對中國實施封鎖。


身為國際知名的強磁場科學家,在美國從事強磁場研究時,曾經能輕松從全世界拿到任何科研材料和產品的李亮,如今一次次被拒絕。


“從那一刻起我就明白,我們只能靠自己。既然人家的高速公路不讓走,那就自己修路架橋!”


峰值場強是衡量一個國家脈沖強磁場設施水平的四大指標之首。而決定峰值場強的最主要因素,是材料的抗拉強度。換言之,在激發磁場達到極限的同時,裝置材料首先自身不能變形,得要扛得住,還要具備高強度和高導電性能。


制造強磁場電磁體的核心材料,一個是銅鈮合金,一個是銅銀合金。但是,國產導線強度只有國外的2/3,電源能量僅為美國的1/10、德國的1/3。


想用手上這副弱牌打出“王炸”,干出世界一流的脈沖強磁場,談何容易?


材料和電源都處于下風,磁體的設計就變得尤為關鍵。反復推演后,李亮決定,在使用國產材料基礎上,利用多學科設計的突破,來彌補其他方面的“先天不足”。為了把這條路走通,他需要面臨橫跨力學、熱學、電學、材料學等一個個專業學科的無數問題。


在國家脈沖強磁場科學中心那一個個燈火通明的不眠之夜,背水一戰的李亮,帶領科研團隊相繼提出了脈沖磁體設計理論、磁場波形調控方法,并打造出了磁體設計軟件平臺。歷時數年,終于實現磁場強度的重大突破。


因為他建立了完整的脈沖磁體電磁滲透理論,獲得了準確的磁場波形和溫度分布,提出了脈沖磁體快速冷卻技術,令磁體冷卻效率提高5倍,攻克了溫升的難關。


因為他發現了脈沖磁體繞組間的應力傳遞關系,發明了非連續分布式層間加固技術,使磁體應力水平降低30%,極大解決了電磁應力的問題。


享有世界“脈沖強磁場之父”之稱的Fritz Herlach教授曾在他的專著《高磁場:科學與技術》(High Magnetic Fields:Science and Technology)中評價:“李亮發表了包括磁阻和趨膚效應在內的完整理論”;“李亮確立了線圈塑性變形最終穩定的判定標準”。


進擊:中國強磁場的世界奇跡



2011年,美國學術期刊《今日物理》(Physics Today)稱中國脈沖強磁場為“正在快速趕上的脈沖強磁場實驗裝置”。


在這一賽道上,中國開始奮力跟跑。2013年,國家脈沖強磁場實驗裝置在華中科技大學建成。教育部邀請美、德、法、日、荷等國際頂尖脈沖強磁場實驗室負責人,以及國內院士團等共計29位強磁場專家,對我國的這一重大科技裝置,進行國際聯合評估。


與穩態強磁場不同,脈沖強磁場的實驗只在瞬間。從按下電鈕到實驗結束,往往1秒鐘都不到。如果實驗失敗,當場就會爆炸,一切不可逆。


美國強磁場實驗室運行負責人將李亮拉到一邊提醒他:“你真要這么干嗎?風險太大了,出一點事就完蛋!”


李亮明白這位老朋友的擔憂。德國強磁場實驗室曾在一次挑戰世界最高強磁場記錄中,將目標鎖定100特斯拉,結果按下電鈕的那一刻,場強剛到70多特斯拉就爆炸了。


“我不光要做,我還要做一系列實驗,一共做9個!”李亮說。


他要向世界證明,國際同行能采集到的磁場信號,中國也能夠達到。


美國專家嘆了口氣搖搖頭:“如果你失敗其中一個,都沒人救得了你?!?


盡管前期已經演練過很多次,但那天每個老師在不同實驗中按下電鈕的時候,手仍在抖。


每次實驗前,他們都要當著這些全球最頂級的強磁場實驗室,一一介紹即將要做什么實驗,目標參數是多少,大家將在瞬間看到怎樣的物理現象,以及要達到什么樣的實驗目的——而這些實驗,都是此前其他實驗室所做不了的。


1個、2個,3個……當9個實驗全部做完,全場鴉雀無聲。繼而,是一片不可思議的掌聲。


此次國際評估認為:“中國的脈沖強磁場,已躋身世界上最好的脈沖強磁場實驗裝置之列”。


中國強磁場,終與世界并跑。2014年,脈沖強磁場實驗裝置通過國家驗收。


2018年,教育部組織第二次國際評估。中國的脈沖強磁場水平,再次驚艷世界。國際評估稱,該裝置已“成為國際領先的脈沖強磁場裝置之一”。


從跟跑、并跑再到進入領跑行列,以李亮為代表的中國脈沖強磁場科學家團隊,整整奮斗了十年。截至2020年底,美國脈沖強磁場峰值場強的最高記錄為100.7特斯拉,德國為94特斯拉,我國為90.6特斯拉,緊隨美德之后,位居全球第三。純銅導線磁體實現75特斯拉,為同類導體材料的世界最高場強。


而衡量脈沖強磁場設施水平四大指標中的另外三個指標——平頂磁場場強、脈沖的重復頻率、在強磁場下測量物質特性的精度,均居世界第一。


其中,65特斯拉脈沖磁體平均壽命超過800次,遠超國際350~500次的使用壽命;實現峰值52特斯拉無紋波平頂脈沖磁場,世界首創;采用蓄電池電源實現穩定度達200ppm平頂脈沖磁,同樣為世界首創。


未來:搭建科技與產業新“磁場”



“從2014年到現在,我們6年時間做了1000多項科學實驗,其中至少有200多項是給國際上其他國家做的?!崩盍琳f,就連美國斯坦福大學、哈佛大學、英國牛津大學、劍橋大學等世界頂級高??蒲袡C構,也與我們的強磁場實驗室建立了檢測合作。


不同領域,需要研究的對象各不一樣。比如凝聚態物理學,需要借助強磁場,研究電子不同軌道的自旋;從事生物學的,又需要了解大分子的磁共振。牛津大學的樣本基本上每兩三個月就會送來一次,做強磁場下的高溫超導材料研究等,主要都是研究材料最本質的物理特性。


這表明,我國脈沖強磁場的實驗條件和測量水平,已獲得世界認可。


李亮介紹,脈沖強磁場中心的使命和運營模式有兩個:


一是基礎研究層面,要面向全球,打造開放的、公共的基礎科學研究平臺。所有用戶都可以在網上提出實驗申請,需要多強磁場、什么溫度、多少個點位,樣品是否需要旋轉等等。


二是在應用層面尋求更多場景,與產業發展密切結合。在這方面,強磁場的相關成果轉化,都可以依托武漢新能源研究院的平臺來推進。


電磁技術的應用,除了軍事上的電磁炮、電磁彈射等裝備系統,在科學儀器、電磁制造、充磁機、醫療診斷設備等領域,都有著廣闊的前景。


他說,英國的牛津儀器、美國的量子設計,都是全球數一數二的科學儀器制造商。牛津儀器幾乎壟斷了磁體市場,僅在高校的物理和化學研究所,用來測材料電阻的物質基本性質測量儀(PPMS),或測材料磁性的磁學測量系統(SQUID),就高達500多萬元一臺。


此外,李亮還在全國首次提出了“電磁制造”的概念,希望研發可移動的脈沖式電磁壓力機,開辟基于脈沖場的電磁制造。這些壓力機模塊大小可調,可以到現場組裝,解決大型裝備的運輸難題。


“還有給永磁裝備的整體后充磁,充磁機也是一個新市場?!彼f,無論是壓力機還是充磁機,都可以既賣產品又賣服務。


醫療診斷設備市場主要是磁共振成像,它一般由穩態磁場、脈沖磁場和射頻磁場三種磁場構成。


過去,醫院的核磁共振多是使用的吸鐵石、稀土永磁等磁體,利用的是物質本身的天然磁性來產生磁場,磁場強度僅有0.2至0.4特斯拉。超導出現后,磁場強度提升至1.5T?,F在,醫院用得最多的便是1.5T和3T的磁共振。目前,科研人員們已研發出了7T以上的磁共振。磁場越高,機器的靈敏度和分辨率,也會成倍提高。當磁場強度達到十幾T,甚至能看到單分子層面,一個小分子是怎么反應的。


李亮透露,在強電磁技術的拓展應用上,該團隊研發的電源、電磁及測量技術,已推廣應用于國內外多個裝置。


“從技術到市場,是新的挑戰,也是新的征程?!?