高功率脉冲技术：开启能源宝库的金钥匙

张永民

高功率脉冲技术是指通过短时间内以脉冲形式释放高能量获得高功率的技术。我国863计划的提出者、中国科学院院士王淦昌指出:高功率脉冲技术是当代高科技的主要基础学科之一。当前,高功率脉冲技术在国民经济中有着广泛的应用前景;脉冲功率科学和技术在民用领域的应用已引起全球越来越多国家的重视。

推动人类生产力进步的“引擎”

回顾人类的生产能力的进步,高能量密度技术和高功率技术就是人类生产力进步的支撑技术。无论钻木取火、还是拉弓射箭,再到铜铁炉中翻火焰,都是把人有限的体能,聚集在木棍顶端、弓杆和弓弦以及铜铁炉有限的空间上;然后借助于钻木的速度实现摩擦生热、弓杆和弓弦弹性势能释放的速度打猎;在铜铁炉中的高温环境中冶炼金属。

当代最大的高功率脉冲技术成果就是核武器。它可在100纳秒内释放出100万吨TNT炸药的能量。在核技术研究的需求牵引下,高功率电技术得到了飞速的发展,通过各种大型设备,可以将大量电能压缩到纳秒量级快速释放,比闪电的速度还快。

比如,邱爱慈院士团队在实验室中研究出100纳秒内产生1MA电子束流的“闪光二号”加速器应用于尖端科研实验。高功率电脉冲技术还用于高功率微波、纳秒强激光与惯性约束核聚变、电磁轨道炮、粒子加速器等技术研究。

攻克第三代可控冲击波技术

可控冲击波技术是基于高功率脉冲驱动源在水中快速、大电流释放电能,通过水介质间隙击穿、金属丝电爆炸等机理在水中激起强大的冲击波,以40MPa/μs的超高加载率作用到各种介质中。

可控冲击波技术具有应力加载速率高,能透射到介质的内部的特点;可控冲击波设备可以重复运行、重复加载。其作用、做功机理是在目标介质内部的弱面、裂隙和孔隙的尖端以剪切拉伸机理损伤、甚至破坏介质结构,具有极强的精准作业性;多次重复作用的模式,以疲劳效应获得所需要的效果,克服了单次大能量模式(炸药)的安全和环保难题。

针对各种应用的的需求,我们团队在脉冲功率技术基础上研发出高压击穿型、金属丝电爆炸型和等离子体辐射驱动含能材料等三代可控冲击波技术。我们将三代可控冲击波技术应用于各种油气的储层,在一定范围内制造微米级裂缝网络,如同为油藏铺设了三维网状的“毛细血管”。这种技术犹如一把叩开地球能源宝库的金钥匙,在能源开发领域掀起一场静悄悄的革命。

在能源开发领域大放异彩

我国的石油资源以低产低渗为主,约60%的原油因岩层渗透率低和地层压力不足而难以开采。在水力压裂的主通道中,通过可控冲击波创造的微裂隙系,可恢复或提高石油储层的渗透性;或者在水力压裂前首先以冲击波作用近井地创造出多方位的裂隙并弱化其力学强度,可降低水力压裂的破裂压力、增大压裂规模。某油田的现场试验显示,单井作业可使油井日产量提升3倍,且效果持续超过300天;可控冲击波预处理高压难压储层后,可降低水力压裂的破裂压力30~60%,扩大水力压裂规模一倍以上。

在松软煤层高瓦斯矿井中,瓦斯事故是煤炭生产的拦路虎,占煤矿安全事故的60%。以幅值冲量可控的冲击波在松软煤层增透方面有独到之处,能够在钻孔中全孔段、均衡增透煤层而不破坏煤层结构。冲击波作业有效增透半径达到20米,促进解析区域半径可达40米以上,百米钻孔瓦斯抽采流量提高 11 倍以上,瓦斯治理效率提高了 61%,减少了瓦斯直接排放引起的环境污染。

目前,常规石油、天然气、煤层气的采出动力来源于地层的压力梯度,可采资源量愈来愈少。中低成熟度页岩油、煤基油气资源(富油煤)是未来的主要接替资源,也是我国油气供给安全的主要保障渠道。这些资源需要在原位加热改质才能产生油气。可控冲击波可以应用于这些储层的预裂,如同“储层雕刻师”一样在原位创造一定范围的微裂隙系,创新对流式加热改质工艺。目前已经在富油煤原位改质提油的探索性现场实验中,将加热改质周期缩短到1个月,并产出了全球第一桶原位改质煤焦油。

技术创新引领世界矿业革新

更令人期待的是技术延展性。针对矿产行业百年未有突破的机械碎磨矿能耗高、过粉碎、矿物难解离的难题,我们将在地下原位致裂岩层的可控冲击波技术移植到在地面舱体中作用于已采出的矿石。可控冲击波透射进入矿石内部,对矿石进行预弱化、预富集,并促进解离和避免过粉碎。国际上,德国科学家正在探索用类似原理开发矿石碎磨技术。加拿大艾芬豪是国际最大的铜矿公司之一,于2023年投入7600万美元,与必和必拓共同研制高压电脉冲破碎设备,并在世界第三大铜矿卡莫阿卡库拉铜矿进行试验。2024,力拓、纽芒特、纽克雷斯特、赛吉满等资助JK中心开发电脉冲预富集技术。我国在高压放电碎矿方面的研究远不及国外,但是,可控冲击波技术从2021年介入矿业领域后,由于采用了正确的碎矿机理,目前,经过冲击波作业后,实验室矿石样品碎磨功耗可降低20%,回收率提高5%。冲击波碎磨矿新技术是对传统机械碎磨技术的彻底颠覆,还将带动矿物分选技术与工艺的创新与升级,引领世界矿业技术革新。

学科融合拓展全新应用领域

始于国防实验室的“超级脉冲”冲击波的以非接触、高效、精确和可重复性高等特点,适用于复杂环境和敏感目标。高功率脉冲技术和可控冲击波技术可以应用于各行各业的关键节点上,发挥关键作用并提高生产效率。

可以预见的是:高功率脉冲技术和可控冲击波技术将与材料科学、环境科学、生物医学和信息技术等多学科深度融合,拓展应用领域和提升应用效果。

高功率脉冲技术和可控冲击波技术的发展正在书写一个颇具启示的科技寓言:最尖端的科技成果,终将以最接地气的方式造福人类。当科学家学会用“温柔的力量”、以多次重复作业的方式叩击地球,人们收获的不仅是能源、资源,更是与自然和谐共处的智慧密钥。

作者简介:

1978年,国防科技大学物理系学习;

1982年,西北核技术研究所助理工程师;

1987年,西北核技术研究所工程师;

1993年,西北核技术研究所高级工程师;

2003年,西北核技术研究所研究员

2007年,获国务院政府贴别津贴

2008年,获得清华大学博士学位;

2011年,兼任西安交通大学教授;

2019年,任西安交通大学研究员。

张永民,西安交通大学、西北核技术研究院研究员。四十多年来一直从事高功率脉冲技术及其应用等的研究。主持了“低能强流脉冲相对论电子束加速器(闪光二号)”的低阻抗、高能注量负载的研究和研制,成功应用于多项国防科研试验中,获得国家科技进步二等奖两项(1、低能强流脉冲相对论电子束加速器(闪光二号)/1995年;2、核爆脉冲辐射模拟源系统/2008年);获国家发明二等奖一项/2024年,部委级科技进步一等奖三项、二等奖一项,2007年享受国务院特殊津贴。

作为邱爱慈院士团队的骨干成员,近十余年来,致力于将高功率脉冲技术拓展到能源、资源开发领域,通过多学科、多行业的技术交叉,开发出基于脉冲功率技术的可控冲击波储层改造新技术。“十二五”以来,主持了863计划、973计划、国家自然科学基金、国家科技支撑计划、国家科技重大专项、国家重点研发计划项目和国企的科研项目。可控冲击波技术在煤炭瓦斯治理中的应用获得2020年煤炭协会科技进步一等奖,所研发的电磁脉冲辐射驱动可控冲击波技术与装备2024年获的国家发明二等奖。目前主持国家“变革性技术关键科学问题”重点专项“页岩油开发可控冲击波压裂技术的基础研究”项目和可控冲击波在富油煤开发中的应用,近期联合中国矿业大学、福州大学、广西华锡集团和陕西有色集团等开展金属矿石可控冲击波预处理产业化研究,在预富集、预弱化、促进解离等方面取得良好效果。

等多项新方向。近五年来发表论文11篇、获授权发明专利9项。