高功率脈沖技術是指通過短時間內以脈沖形式釋放高能量獲得高功率的技術。我國863計劃的提出者、中國科學院院士王淦昌指出:高功率脈沖技術是當代高科技的主要基礎學科之一。當前,高功率脈沖技術在國民經濟中有著廣泛的應用前景;脈沖功率科學和技術在民用領域的應用已引起全球越來越多國家的重視。

推動人類生產力進步的“引擎”

回顧人類的生產能力的進步,高能量密度技術和高功率技術就是人類生產力進步的支撐技術。無論鉆木取火、還是拉弓射箭,再到銅鐵爐中翻火焰,都是把人有限的體能,聚集在木棍頂端、弓桿和弓弦以及銅鐵爐有限的空間上;然后借助于鉆木的速度實現摩擦生熱、弓桿和弓弦彈性勢能釋放的速度打獵;在銅鐵爐中的高溫環境中冶煉金屬。

當代最大的高功率脈沖技術成果就是核武器。它可在100納秒內釋放出100萬噸TNT炸藥的能量。在核技術研究的需求牽引下,高功率電技術得到了飛速的發展,通過各種大型設備,可以將大量電能壓縮到納秒量級快速釋放,比閃電的速度還快。

比如,邱愛慈院士團隊在實驗室中研究出100納秒內產生1MA電子束流的“閃光二號”加速器應用于尖端科研實驗。高功率電脈沖技術還用于高功率微波、納秒強激光與慣性約束核聚變、電磁軌道炮、粒子加速器等技術研究。

攻克第三代可控沖擊波技術

可控沖擊波技術是基于高功率脈沖驅動源在水中快速、大電流釋放電能,通過水介質間隙擊穿、金屬絲電爆炸等機理在水中激起強大的沖擊波,以40MPa/μs的超高加載率作用到各種介質中。

可控沖擊波技術具有應力加載速率高,能透射到介質的內部的特點;可控沖擊波設備可以重復運行、重復加載。其作用、做功機理是在目標介質內部的弱面、裂隙和孔隙的尖端以剪切拉伸機理損傷、甚至破壞介質結構,具有極強的精準作業性;多次重復作用的模式,以疲勞效應獲得所需要的效果,克服了單次大能量模式(炸藥)的安全和環保難題。

針對各種應用的需求,我們團隊在脈沖功率技術基礎上研發出高壓擊穿型、金屬絲電爆炸型和等離子體輻射驅動含能材料等三代可控沖擊波技術。我們將三代可控沖擊波技術應用于各種油氣的儲層,在一定范圍內制造微米級裂縫網絡,如同為油藏鋪設了三維網狀的“毛細血管”。這種技術猶如一把叩開地球能源寶庫的金鑰匙,在能源開發領域掀起一場靜悄悄的革命。

在能源開發領域大放異彩

我國的石油資源以低產低滲為主,約60%的原油因巖層滲透率低和地層壓力不足而難以開采。在水力壓裂的主通道中,通過可控沖擊波創造的微裂隙系,可恢復或提高石油儲層的滲透性;或者在水力壓裂前首先以沖擊波作用近井地創造出多方位的裂隙并弱化其力學強度,可降低水力壓裂的破裂壓力、增大壓裂規模。某油田的現場試驗顯示,單井作業可使油井日產量提升3倍,且效果持續超過300天;可控沖擊波預處理高壓難壓儲層后,可降低水力壓裂的破裂壓力30~60%,擴大水力壓裂規模一倍以上。

在松軟煤層高瓦斯礦井中,瓦斯事故是煤炭生產的攔路虎,占煤礦安全事故的60%。以幅值沖量可控的沖擊波在松軟煤層增透方面有獨到之處,能夠在鉆孔中全孔段、均衡增透煤層而不破壞煤層結構。沖擊波作業有效增透半徑達到20米,促進解析區域半徑可達40米以上,百米鉆孔瓦斯抽采流量提高 11 倍以上,瓦斯治理效率提高了 61%,減少了瓦斯直接排放引起的環境污染。

目前,常規石油、天然氣、煤層氣的采出動力來源于地層的壓力梯度,可采資源量愈來愈少。中低成熟度頁巖油、煤基油氣資源(富油煤)是未來的主要接替資源,也是我國油氣供給安全的主要保障渠道。這些資源需要在原位加熱改質才能產生油氣。可控沖擊波可以應用于這些儲層的預裂,如同“儲層雕刻師”一樣在原位創造一定范圍的微裂隙系,創新對流式加熱改質工藝。目前已經在富油煤原位改質提油的探索性現場實驗中,將加熱改質周期縮短到1個月,并產出了全球第一桶原位改質煤焦油。

技術創新引領世界礦業革新

更令人期待的是技術延展性。針對礦產行業百年未有突破的機械碎磨礦能耗高、過粉碎、礦物難解離的難題,我們將在地下原位致裂巖層的可控沖擊波技術移植到在地面艙體中作用于已采出的礦石。可控沖擊波透射進入礦石內部,對礦石進行預弱化、預富集,并促進解離和避免過粉碎。國際上,德國科學家正在探索用類似原理開發礦石碎磨技術。加拿大艾芬豪是國際最大的銅礦公司之一,于2023年投入7600萬美元,與必和必拓共同研制高壓電脈沖破碎設備,并在世界第三大銅礦卡莫阿卡庫拉銅礦進行試驗。2024,力拓、紐芒特、紐克雷斯特、賽吉滿等資助JK中心開發電脈沖預富集技術。我國在高壓放電碎礦方面的研究遠不及國外,但是,可控沖擊波技術從2021年介入礦業領域后,由于采用了正確的碎礦機理,目前,經過沖擊波作業后,實驗室礦石樣品碎磨功耗可降低20%,回收率提高5%。沖擊波碎磨礦新技術是對傳統機械碎磨技術的徹底顛覆,還將帶動礦物分選技術與工藝的創新與升級,引領世界礦業技術革新。

學科融合拓展全新應用領域

始于國防實驗室的“超級脈沖”沖擊波的以非接觸、高效、精確和可重復性高等特點,適用于復雜環境和敏感目標。高功率脈沖技術和可控沖擊波技術可以應用于各行各業的關鍵節點上,發揮關鍵作用并提高生產效率。

可以預見的是:高功率脈沖技術和可控沖擊波技術將與材料科學、環境科學、生物醫學和信息技術等多學科深度融合,拓展應用領域和提升應用效果。

高功率脈沖技術和可控沖擊波技術的發展正在書寫一個頗具啟示的科技寓言:最尖端的科技成果,終將以最接地氣的方式造福人類。當科學家學會用“溫柔的力量”、以多次重復作業的方式叩擊地球,人們收獲的不僅是能源、資源,更是與自然和諧共處的智慧密鑰。

作者簡介:

1978年,國防科技大學物理系學習;

1982年,西北核技術研究所助理工程師;

1987年,西北核技術研究所工程師;

1993年,西北核技術研究所高級工程師;

2003年,西北核技術研究所研究員

2007年,獲國務院政府貼別津貼

2008年,獲得清華大學博士學位;

2011年,兼任西安交通大學教授;

2019年,任西安交通大學研究員。

張永民,西安交通大學、西北核技術研究院研究員。四十多年來一直從事高功率脈沖技術及其應用等的研究。主持了“低能強流脈沖相對論電子束加速器(閃光二號)”的低阻抗、高能注量負載的研究和研制,成功應用于多項國防科研試驗中,獲得國家科技進步二等獎兩項(1、低能強流脈沖相對論電子束加速器(閃光二號)/1995年;2、核爆脈沖輻射模擬源系統/2008年);獲國家發明二等獎一項/2024年,部委級科技進步一等獎三項、二等獎一項,2007年享受國務院特殊津貼。

作為邱愛慈院士團隊的骨干成員,近十余年來,致力于將高功率脈沖技術拓展到能源、資源開發領域,通過多學科、多行業的技術交叉,開發出基于脈沖功率技術的可控沖擊波儲層改造新技術。“十二五”以來,主持了863計劃、973計劃、國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、國家科技重大專項、國家重點研發計劃項目和國企的科研項目。可控沖擊波技術在煤炭瓦斯治理中的應用獲得2020年煤炭協會科技進步一等獎,所研發的電磁脈沖輻射驅動可控沖擊波技術與裝備2024年獲的國家發明二等獎。目前主持國家“變革性技術關鍵科學問題”重點專項“頁巖油開發可控沖擊波壓裂技術的基礎研究”項目和可控沖擊波在富油煤開發中的應用,近期聯合中國礦業大學、福州大學、廣西華錫集團和陜西有色集團等開展金屬礦石可控沖擊波預處理產業化研究,在預富集、預弱化、促進解離等方面取得良好效果。

等多項新方向。近五年來發表論文11篇、獲授權發明專利9項。