[科普中國(guó)]-中國(guó)散裂中子源將解決哪些難題？專(zhuān)家：開(kāi)采可燃冰、鋰電池更安全

2018年8月，中國(guó)散裂中子源通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式向用戶開(kāi)放。中子極微小，但產(chǎn)生中子的整個(gè)設(shè)備卻是個(gè)龐然大物，造價(jià)高、技術(shù)復(fù)雜，是各種高精尖設(shè)備所組成的整體。此前，全世界僅有三個(gè)國(guó)家擁有散裂中子源，分別是英國(guó)、美國(guó)和日本，而中國(guó)成為了全球第四個(gè)擁有此裝置的國(guó)家。中國(guó)散裂中子源鳥(niǎo)瞰圖,坐落于廣東省東莞市，占地400畝。（來(lái)源：中國(guó)散裂中子源工程總指揮陳和生提供）有人將散裂中子源稱(chēng)為“超級(jí)顯微鏡”，利用它可以“透視”物質(zhì)結(jié)構(gòu)，探索物質(zhì)微觀世界，未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)中的電池怎樣能夠充電快、儲(chǔ)電量多、安全性高？21世紀(jì)最具商業(yè)開(kāi)發(fā)前景的綠色清潔能源“可燃冰”如何能夠安全開(kāi)采？一系列重大問(wèn)題都需要散裂中子源，才能夠開(kāi)展研究。散裂中子源是什么?簡(jiǎn)單地說(shuō)，散裂中子源是人工控制產(chǎn)生中子的一整套設(shè)備。用高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器產(chǎn)生高能量的質(zhì)子束，再用質(zhì)子轟擊重原子核，就會(huì)發(fā)生散裂反應(yīng)，產(chǎn)生大量中子。然后，研究者可利用產(chǎn)生的中子去探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)一束中子入射到研究樣本上時(shí)，就會(huì)與其原子核或內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射?！拔覀儨y(cè)量中子散射的軌跡及其能量和動(dòng)量的變化，就可以精確地反推出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)?！敝袊?guó)散裂中子源工程總指揮、中國(guó)科學(xué)院院士陳和生說(shuō)。中子散射的應(yīng)用很廣泛，比如對(duì)鋰電池的研究，一方面要尋找更好的電池材料，“有些材料只能用中子散射才能研究，”陳和生說(shuō)，還有一個(gè)方面是可以將汽車(chē)或者飛機(jī)的鋰電池整體放到散裂中子源實(shí)驗(yàn)裝置中，讓它充電幾百次，觀察其內(nèi)部微觀性能的變化和宏觀性能的變化，找到能夠讓鋰電池充電更快、容量更大、更安全的解決方案。此前，英國(guó)的散裂中子源曾經(jīng)為空客380飛機(jī)找到了最佳的制造工藝，“將飛機(jī)的機(jī)翼整個(gè)放到實(shí)驗(yàn)裝置上，進(jìn)行焊接鉚接，在這個(gè)過(guò)程中觀察微觀溫度和應(yīng)力的變化，由此找到最佳的工藝。”陳和生說(shuō)。中國(guó)散裂中子源建在13~18米的地下，包括1臺(tái)80MeV負(fù)氫離子直線加速器、1臺(tái) 1.6GeV快循環(huán)同步加速器、2條束流輸運(yùn)線、1個(gè)靶站以及3臺(tái)中子譜儀。自2011年在廣東東莞奠基，工期6年半，雖經(jīng)歷土建工程延誤，仍然按期交付。中國(guó)散裂中子源結(jié)構(gòu)示意圖（來(lái)源：陳和生提供）中國(guó)散裂中子源由1臺(tái)80MeV負(fù)氫離子直線加速器、1臺(tái) 1.6GeV快循環(huán)同步加速器、2條束流輸運(yùn)線、1個(gè)靶站、3臺(tái)中子譜儀構(gòu)成。 非它不可的研究工具在很多研究領(lǐng)域，散裂中子源是必不可少的、非它不可的研究手段，這是由中子本身的特點(diǎn)決定的。據(jù)陳和生介紹，中子盡管沒(méi)有電荷，但是它有磁矩，所以它可以研究各種磁性材料，磁性材料是材料科學(xué)中非常重要的一部分，只有利用中子才能夠研究它。另外，中子入射以后與原子核相互作用，對(duì)于原子序數(shù)較小的元素，比如與生命科學(xué)有關(guān)的碳、氫、氧、鈣元素，用中子散射效果很好，因此利用中子可以更好的研究生命科學(xué)涉及的分子結(jié)構(gòu)。第三，中子的穿透能力很強(qiáng)，在研究特殊環(huán)境中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，中子可以穿透很厚的容器。比如研究可燃冰在低溫高壓下的微觀結(jié)構(gòu)，或是某些高溫高壓環(huán)境下的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，都需要使用較厚的容器，只有中子可以穿透這些容器對(duì)其中的物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究?！坝捎谏⒘阎凶釉丛谌澜缍挤浅Ｕ滟F和稀少，所以只有像我之前提到的這些情況，只有利用中子才能展開(kāi)研究的，我們才會(huì)接受實(shí)驗(yàn)的申請(qǐng)?！标惡蜕f(shuō)。中國(guó)散裂中子源將解決哪些棘手難題可燃冰的商業(yè)開(kāi)發(fā)備受關(guān)注，它分布廣泛儲(chǔ)量大，其總資源量大概相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣總資源量的兩倍，被譽(yù)為21世紀(jì)最具商業(yè)開(kāi)發(fā)前景的戰(zhàn)略能源。但是作為一種固態(tài)的碳?xì)浠衔?，埋藏于海底深處的可燃冰開(kāi)采面臨著一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn)，如果在開(kāi)發(fā)過(guò)程中它瞬間氣化，輕則可能引起海上的驚濤駭浪，造成航行安全問(wèn)題，重則將造成不可挽回的人身安全損失?！?986年非洲喀麥隆的尼奧斯火山湖的湖底沉積了萬(wàn)年被壓縮的巨量二氧化碳和硫化氫氣體，突然氣化，造成周?chē)?千人瞬間死亡?！标惡蜕榻B說(shuō)?！八晕覀儽仨毮M可燃冰所處的高壓環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行深度研究。”模擬高壓環(huán)境需要非常厚的容器，必須要用中子才能夠穿透，另外，用中子散射研究碳、氫元素的效果也比較好，這使得散裂中子源成為可燃冰內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)研究的必要且不可或缺的手段。鋰電池研究也是中國(guó)散裂中子源的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，自2017年8月底，2017年8月底，中國(guó)散裂中子源首次打靶成功獲得中子束流后，進(jìn)入試運(yùn)行階段。2018年2月14日就完成了首個(gè)用戶樣品實(shí)驗(yàn)，4月17日，中國(guó)散裂中子源首篇用戶實(shí)驗(yàn)結(jié)果論文已在Nano Energy在線發(fā)表，兩個(gè)月后，第二篇論文也在國(guó)際能源期刊Energy Storage Materials雜志上發(fā)表，這兩篇研究論文都聚焦于新型鋰電池材料的研究。目前，電池是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵，怎樣能夠充電快、容量大并且保證安全，利用散裂中子源是研究此問(wèn)題的重要手段之一?！拔遗e一個(gè)例子，以前發(fā)生過(guò)某公司飛機(jī)上電池爆炸的事故，為什么會(huì)爆炸，就是充電過(guò)程在里面產(chǎn)生了氣體，這些氣體沒(méi)有辦法看到，只能用中子散射，看看在什么樣的條件下才會(huì)產(chǎn)生氣體，再看怎樣能夠避免產(chǎn)生氣體?！标惡蜕f(shuō)?！斑@也是后續(xù)我們要做的重要工作之一?！弊髡遼 李曉慧受訪專(zhuān)家| 陳和生 中國(guó)散裂中子源工程總指揮、中國(guó)科學(xué)院院士，本文發(fā)布前親自審閱把關(guān)編輯| 曾丹文章由騰訊科普“科普中國(guó)頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自“科普中國(guó)”