[科普中国]-中国散裂中子源将解决哪些难题？专家：开采可燃冰、锂电池更安全

2018年8月，中国散裂中子源通过国家验收，正式向用户开放。中子极微小，但产生中子的整个设备却是个庞然大物，造价高、技术复杂，是各种高精尖设备所组成的整体。此前，全世界仅有三个国家拥有散裂中子源，分别是英国、美国和日本，而中国成为了全球第四个拥有此装置的国家。中国散裂中子源鸟瞰图,坐落于广东省东莞市，占地400亩。（来源：中国散裂中子源工程总指挥陈和生提供）有人将散裂中子源称为“超级显微镜”，利用它可以“透视”物质结构，探索物质微观世界，未来电动汽车中的电池怎样能够充电快、储电量多、安全性高？21世纪最具商业开发前景的绿色清洁能源“可燃冰”如何能够安全开采？一系列重大问题都需要散裂中子源，才能够开展研究。散裂中子源是什么?简单地说，散裂中子源是人工控制产生中子的一整套设备。用高能强流质子加速器产生高能量的质子束，再用质子轰击重原子核，就会发生散裂反应，产生大量中子。然后，研究者可利用产生的中子去探索物质的内部结构。当一束中子入射到研究样本上时，就会与其原子核或内部磁场发生相互作用，产生散射。“我们测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化，就可以精确地反推出物质的结构。”中国散裂中子源工程总指挥、中国科学院院士陈和生说。中子散射的应用很广泛，比如对锂电池的研究，一方面要寻找更好的电池材料，“有些材料只能用中子散射才能研究，”陈和生说，还有一个方面是可以将汽车或者飞机的锂电池整体放到散裂中子源实验装置中，让它充电几百次，观察其内部微观性能的变化和宏观性能的变化，找到能够让锂电池充电更快、容量更大、更安全的解决方案。此前，英国的散裂中子源曾经为空客380飞机找到了最佳的制造工艺，“将飞机的机翼整个放到实验装置上，进行焊接铆接，在这个过程中观察微观温度和应力的变化，由此找到最佳的工艺。”陈和生说。中国散裂中子源建在13~18米的地下，包括1台80MeV负氢离子直线加速器、1台 1.6GeV快循环同步加速器、2条束流输运线、1个靶站以及3台中子谱仪。自2011年在广东东莞奠基，工期6年半，虽经历土建工程延误，仍然按期交付。中国散裂中子源结构示意图（来源：陈和生提供）中国散裂中子源由1台80MeV负氢离子直线加速器、1台 1.6GeV快循环同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、3台中子谱仪构成。 非它不可的研究工具在很多研究领域，散裂中子源是必不可少的、非它不可的研究手段，这是由中子本身的特点决定的。据陈和生介绍，中子尽管没有电荷，但是它有磁矩，所以它可以研究各种磁性材料，磁性材料是材料科学中非常重要的一部分，只有利用中子才能够研究它。另外，中子入射以后与原子核相互作用，对于原子序数较小的元素，比如与生命科学有关的碳、氢、氧、钙元素，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学涉及的分子结构。第三，中子的穿透能力很强，在研究特殊环境中的物质结构时，中子可以穿透很厚的容器。比如研究可燃冰在低温高压下的微观结构，或是某些高温高压环境下的化学反应时，都需要使用较厚的容器，只有中子可以穿透这些容器对其中的物质进行结构研究。“由于散裂中子源在全世界都非常珍贵和稀少，所以只有像我之前提到的这些情况，只有利用中子才能展开研究的，我们才会接受实验的申请。”陈和生说。中国散裂中子源将解决哪些棘手难题可燃冰的商业开发备受关注，它分布广泛储量大，其总资源量大概相当于全球已知煤、石油和天然气总资源量的两倍，被誉为21世纪最具商业开发前景的战略能源。但是作为一种固态的碳氢化合物，埋藏于海底深处的可燃冰开采面临着一个巨大的风险，如果在开发过程中它瞬间气化，轻则可能引起海上的惊涛骇浪，造成航行安全问题，重则将造成不可挽回的人身安全损失。“1986年非洲喀麦隆的尼奥斯火山湖的湖底沉积了万年被压缩的巨量二氧化碳和硫化氢气体，突然气化，造成周围近2千人瞬间死亡。”陈和生介绍说。“所以我们必须模拟可燃冰所处的高压环境，对其进行深度研究。”模拟高压环境需要非常厚的容器，必须要用中子才能够穿透，另外，用中子散射研究碳、氢元素的效果也比较好，这使得散裂中子源成为可燃冰内部微观结构研究的必要且不可或缺的手段。锂电池研究也是中国散裂中子源的一个重要研究领域，自2017年8月底，2017年8月底，中国散裂中子源首次打靶成功获得中子束流后，进入试运行阶段。2018年2月14日就完成了首个用户样品实验，4月17日，中国散裂中子源首篇用户实验结果论文已在Nano Energy在线发表，两个月后，第二篇论文也在国际能源期刊Energy Storage Materials杂志上发表，这两篇研究论文都聚焦于新型锂电池材料的研究。目前，电池是制约电动汽车发展的关键，怎样能够充电快、容量大并且保证安全，利用散裂中子源是研究此问题的重要手段之一。“我举一个例子，以前发生过某公司飞机上电池爆炸的事故，为什么会爆炸，就是充电过程在里面产生了气体，这些气体没有办法看到，只能用中子散射，看看在什么样的条件下才会产生气体，再看怎样能够避免产生气体。”陈和生说。“这也是后续我们要做的重要工作之一。”作者| 李晓慧受访专家| 陈和生 中国散裂中子源工程总指挥、中国科学院院士，本文发布前亲自审阅把关编辑| 曾丹文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”