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代表性科研成果

发布者:admins  发布时间:2011-09-23  访问次数:次  【字体:  】【背景色

    一、脉冲功率技术

           实验室立足于强脉冲功率系统中的关键性、基础性技术,集中研究与高电磁参数相关的关键问题。重点围绕高密度储能技术、高功率脉冲成形与传输技术、高压大电流开关技术、脉冲电源小型化集成技术等四个方向开展了基础理论与应用研究工作。

           研究了储能电容器绝缘介质在高场强下的击穿特性,提出了金属化电容器自愈能量控制技术,实现了电容器高安全性和长寿命,研制出储能密度达1.7kJ/L、寿命达1000次以上的电容器,居国内领先水平,已应用于高能激光、新概念武器等国防项目。

           研究了气体开关、反向导通(RSD)半导体开关、真空开关等多种形式的等高电压强流开关,提出了基于电场均布原理的同轴式开关结构,研制的570kA高通荷能力的两电极气体间隙开关,在320kA/1650发次的满负荷寿命试验后运行状况依然良好,与国际同类开关的最高水平相当,现已应用于神光III主机工程,已成为打破国外封锁、替代进口的关键组件。

           通过三维电磁场动态数值分析,解决了紧凑型脉冲电源系统内部强电磁、热等应力集中的问题,基于宏概念设计的监控技术实现了强干扰下的电磁兼容,研制的脉冲成形网络储能1.5MJ,储能密度为0.6MJ/m3,波形灵活可调,可输出幅值达1.5MA的电流;最新研制的脉冲成形网络整体储能密度已达到0.9MJ/m3,居国内领先、国际先进水平;上述脉冲电源系统已用于军口863试验装置。研制的10余套模块化、紧凑型脉冲功率电源集成系统(每套输出电流达180kA),已在“神光III”原型装置稳定运行近8年。     

    二、复杂电磁场分析方法及虚拟样机技术

           以电磁场分析为中心的多物理场耦合分析是复杂电磁装置研究的理论基础和设计依据,也是电磁场理论研究的最重要课题。作为国内电磁场数值分析研究的开拓单位之一,实验室在电磁场分析新理论、新方法方面进行了长期、系统而深入的研究,取得系列研究成果,在国内外具有重要影响。

           对电磁场边界元法的发展做出了开拓性贡献,提出了基于二阶矢量位的多连域三维边界元法和非线性迭代边界元法,解决了多连通导体区域涡流问题的计算困难,并将边界元法解题范围拓展到非线性问题。国际计算电磁学会主席A. Kost等多次高度评价本成果并将其引入专著中。获教育部高校自然科学一等奖。

           在国内最早系统研究、总结基于双标量位的电磁场积分方程法,该方法计算量小而精度高,成为计算三维磁场最有效的方法。基于该算法开发的电磁场计算软件包DE2D/DE3D,直接应用于我国30MeV 强流质子回旋加速器的设计,性能达到国际先进水平。

           电磁场无单元方法研究取得突破性进展,解释了无单元法数值振荡的本质原因,提出了正交基无单元法和瞬态电磁场边界型无单元方法。美国无损检测中心著名学者J. Bowler 教授将本成果作为代表性成就加以引用。获2009年全国百篇优秀博士学位论文奖。

           首次提出低能回旋加速器虚拟样机技术,为加速器的优化设计研究建立了一条新途径。所开发的虚拟样机集成设计系统在中国原子能科学研究院100MeV 强流回旋加速器建造过程中帮助确立了整体型磁铁结构方案,起到了重要的技术支撑作用。研究成果在ICEMS 08国际会议上做大会特邀报告。本研究获得国家自然科学基金重点项目和国防基础研究项目的重要支持,获湖北省科技进步一等奖。

    三、高维电磁系统控制与保护

           实验室针对复杂电磁系统日益呈现的超高维数、非线性、刚性强等新特点,研究了高维复杂电磁系统的控制、保护等关键问题,取得系列突出成果。

           研究了复杂电力系统的稳定、功率振荡和故障特征等问题,在电力系统智能控制领域所提出的发电机励磁自适应控制理论被学术界广泛引用,受到国际自适应控制大师瑞典皇家科学院院士Wintternmark教授、英国皇家科学院院士Hoog教授等本领域权威的高度评价,并被ABB公司应用于其生产的发电机励磁控制系统;研制的大型汽轮发电机组机电耦合轴系扭振诊断专家系统成功应用于30万千瓦等大型汽轮发电机组,大大减少了机组故障停机时间。基于上述成果研制的复杂电力系统系列稳定控制装置已应用于三峡电站、葛洲坝电站、亚洲第一世界第三的江厦潮汐电站等国家重点工程。

           研究了大型电磁装备及复杂电力系统的保护技术,在国际上首次提出距离保护自适应特性的概念,自适应发电机保护、母线保护和线路保护等在三峡电站、我国第一条1000kV特高压输电线路等国家重点工程得到广泛应用;基于复杂电力系统保护分析理论开发的“大型电网继电保护整定计算自动化系统”、“大型联合电力系统运行模拟软件”等系列软件,解决了大型复杂电力系统保护整定与规划的海量计算和关键参数信息缺失问题,获得国家电网公司、南方电网公司等全国200多家电力公司的广泛应用,产生直接经济效益超过5亿元。

           开展了利用储能技术提高复杂电力系统安全稳定性的研究工作。研制出我国第一套用于电力系统稳定控制的35kJ/7kW直接冷却高温超导磁储能装置,磁体的临界电流为150A(20K)、中心场强4.5T、临界储能容量84kJ,已成功进行了电力系统现场试验;提出了基于磁悬浮飞轮储能的柔性功率调节器,并将其应用于提高复杂电力系统的动态稳定性,该研究被列入国家科技部“十二五”863重大项目指南。获得多项国家发明专利,为提高复杂电力系统的安全稳定水平提供了重要技术储备。

           提出了基于模块化大电流并联技术的新型超大开断容量高压开关理论和实现方案,获得国家发明专利,牵头成功申报了国家科技部支撑计划项目,可望为我国大型发电装备及巨型电力系统中超大短路电流的切除与保护提供具有自主知识产权的解决方案,从而解决现有高压保护断路器因系统短路电流过大而无法开断的国际性难题。

           对舰船用电源变换装置可靠性和电磁兼容等问题进行了系统研究,在国内最早解决了电源变换装置应用于舰船的可靠性和电磁兼容问题,研制成功三十多种应用于我国战斗舰艇的新型电源变换与控制装置,使本实验室成为我国舰船电源变换与控制装置重要的研制基地。

           本研究获得国家科技进步二等奖3项,省部级科技成果一等奖6项、二等奖10项、全国百优博士学位论文提名奖1篇。5年来,承担了国家973计划、国家863计划、国家自然科学基金(重点)、国防装备研究等多项重大科研任务,研究经费达到1.4亿元。

    四、高参数磁体技术

           高参数磁体在带电粒子约束、中子散射、X射线衍射、电子回旋共振、生物结构谱分析以及电磁成形、磁分离、大型永磁设备整体后充磁等方面都有着重要应用。实验室针对高电压、大电流、强磁场、极低温、高应力等极端条件下高参数磁体应力与温升两大难点,研究了高参数磁体电磁场-温度场-应力场多场耦合的分析与设计理论,通过材料匹配、能量分配、强制冷却等技术,实现了对磁体应力和温升的优化与控制;研究了大型电磁线圈高品质设计、加工、测试技术,以及超强磁场在多种复杂电磁装置中的综合应用技术。

           提出了电磁线圈中多场耦合分析的理论模型;在国际上首次定量研究了纤维复合材料各向异性对磁体内应力分布的影响,解决了长期以来高参数脉冲磁体中力学理论分析与实验结果不吻合的问题;提出了去耦线圈技术方案,实现了在电容器与电池联合供电下高稳定度平顶脉冲磁场方案中内外线圈回路的电磁解耦;建立了磁场动态过程、应力的反复施加/卸载等因素与磁体性能、使用寿命关系的分析模型;提出了用于大型永磁设备整体后充磁、金属材料电磁成形以及脉冲磁制冷等装置的电磁理论分析与设计方法。

           基于上述研究,实验室连续刷新国内脉冲强磁场记录,实现的磁场从2004年50T、2009年73T到2010年75T,并创造了世界上软铜材料实现的最高场强。实验室开发的脉冲磁体设计工具PMDS得到国内外同行一致认可,包括荷兰Nijmegen强磁场实验室、法国国家强磁场实验室、英国牛津大学强磁场实验室、欧洲强磁场联合项目“DeNUF”、日本东北大学国家材料研究所以及美国橡树岭国家实验室等均采用PMDS进行磁体设计。英国牛津大学Harry Jones教授课题组称赞PMDS是“目前唯一能对各向异性复合材料应力做出准确分析的软件”,其指导的Holger Witte博士在其论文中对PMDS分析结果的引用多达30余处;荷兰Nijmegen强磁场实验室利用PMDS成功设计直流与脉冲双模式供电的双线圈平顶波磁体;法国国家强磁场实验室利用PMDS为欧洲同步辐射装置设计X射线散射实验磁体。

           本研究获得国家杰出青年基金、国家自然科学基金及中国-比利时政府间合作项目的资助。承担了国家重大科技基础设施“强磁场实验装置(脉冲)”的建设任务,这是教育部高校承担的首个国家重大科技基础设施项目。其中,项目的一个重要目标是实现80T超强脉冲磁场,并在超长脉宽、高稳定度平顶等高性能磁场方面赶超世界最高水平。

    五、磁约束核聚变

           磁约束聚变中的磁流体不稳定性与带电粒子输运直接关系到聚变反应堆的设计参数与工作效率,是ITER计划及未来聚变反应堆实现设计目标所需解决的关键问题。

           实验室针对磁流体不稳定性、带电粒子输运等问题,率先研究了电流驱动导致的非麦氏分布对高精度电子温度测量所带来的影响,首次引入双麦氏分布模型进行了该类问题的数值模拟并在实验中得到验证;首次提出了利用微波幅度衰减量和相移量进行托卡马克偏滤区中性气体密度诊断的理论方法;统计了等离子体破裂情况下不同充气条件、不同外加磁场、不同加热条件下的等离子体电流、等离子体磁场位形等电磁参数,并以此为依据建立了可资其它磁约束聚变装置参考的J-TEXT特征数据库。

           通过中美磁约束聚变合作计划,建成了国内高校唯一、全国四套之一的中型托卡马克J-TEXT装置,获得了等离子体电流为200kA,密度为3´1019/m3,平顶时间为400ms的等离子体;放电数据库被美国普林斯顿大学等离子体物理实验室(PPPL)、美国德克萨斯大学聚变研究中心(FRC)所关注;23届国际原子能委员会(IAEA)聚变能大会特别邀请实验室提交年度工作综述,并将在磁约束聚变研究领域顶级杂志“Nuclear Fusion”上发表;部分研究成果如非麦氏分布对高精度电子温度测量的影响被国际聚变实验堆设计文件“ITER物理基础”所引用;利用微波幅度衰减量和相移量进行托卡马克偏滤区中性气体密度诊断的理论方法被IEEE海洋工程杂志副主编、大地测量及遥感专家M.Heron教授直接应用于森林火灾的预防和检测。

           本研究获得国家ITER计划专项、国家973项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金、高校专项资金等的资助,总经费达6000余万元。

    六、大气等离子体

           实验室针对在大气中如何产生稳定的高密度辉光放电等离子体这一世界难题,研究了大气等离子体的形成机理,通过电极材料、电源频率、腔体结构的优化与控制,成功获得了常温等离子体射流及稳定辉光放电等离子体。长射流、大面积、高密度大气等离子体在等离子体隐身、纳米材料制备、材料表面改性(包括生物兼容材料)、医学消毒灭菌、有害废物处理等方面有着重要应用。

           采用纳秒级脉冲电源技术,研制成功世界上射流最长的稳定非平衡常温等离子体射流喷枪,射流达11cm。该成果被国际权威的应用物理期刊“Applied Physics Letter”选为封面,并被物理类的主要网站如PhysicsWeb.org, Nature.com, PhysOrg.com, PhysNews.com及其它上百个主流网站所报道;发现了大气压介质阻挡放电中具有高电离度的第三种放电模式,该放电模式产生的等离子体的电子密度高达1013cm-3,比常规放电的电子密度提高2个量级,这一发现给困扰科学家们多年的大气压均匀介质阻挡放电机理研究提供了重要的实验基础;首次采用水电极产生了电子密度可高达1012/cm3的大面积常压辉光放电等离子体,论文发表在Plasma Sources Sci. & Technol. 上,并被评为当年度的最具特色论文。

           对声致发光、激波、大气等离子体与波相互作用等重要现象与问题进行了原创性的理论分析。首次发现球对称内爆激波面中存在的强电场结构,给出了与实验相吻合的光谱结构和时间特征,被英国著名化学家、声化学中心主任T. J. Mason教授出版的专著《Advances in sonochemistry》及美国教授L. Frommhold在J. Modern Optics的专题评论性文章中引用;率先建立了二维柱形等离子体激波载流模型并获得了激波的二维剖面电磁结构;提出了大气等离子体吸收雷达波的物理机制,建立了雷达波与等离子体作用的全波解模型。这些研究成果对模拟惯性核聚变内爆过程、飞行器减阻、等离子体隐身技术的参数优化等均有重要的指导意义。

           本研究获得多项国家自然科学基金重大项目、国防973项目等的资助。获全国百篇优秀博士学位论文提名奖1篇。