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超重力离心模拟与实验装置CHIEF可行性

2020-02-29

超重力离心模拟与实验装置CHIEF可行性研究报告获批

浙江大学建筑工程学院陈云敏院士牵头的国家重大科技基础设施项目——超重力离心模拟与实验装置(CHIEF),就是一个构建从瞬态到万年时间尺度、从原子级到千米级空间尺度、从常温常压到高温高压等多相介质运动的实验环境的“大家伙”。

这个总投入超20亿元人民币的设施,是“十三五”时期优先启动建设的10项国家重大科技基础设施项目之一,也是在浙江省建设的首个国家重大科技基础设施项目。

近日,国家发展和改革委员会批复了这个大科学装置的可行性研究报告。

从被牛顿关注的那个苹果落地开始,人类对重力的研究就没有停止过。科学家们把地球上重力场叫常重力场(1g≈9.8m/s2),大于1g的叫作超重力。

神舟十一号航天员陈冬这样描述超重力体验:“飞船上升时重力加速度在5.5个g,返回时在4个g左右,我们训练时要达到8个g。像我70公斤,就是8个70公斤压在我身上。普通成年人承受8个g,会无法呼吸。”

在超重力环境下,会发生平常看不到的神奇效应。比如超重力增大了物质的体积力,能产生缩尺作用。举个例子,100层楼高的房子对地基影响,只需造一层楼模型,在100个g的超重力作用下,就能模拟100层楼的效果。

陈云敏介绍,营造超重力场模拟常重力多相介质的物质运动过程,具有时空压缩、能量强化和加速相分离三种基本科学效应,能够提升人类观测常重力大时空尺度多相介质运动过程能力,并且提供加速多相介质相间分离的极端物理条件。

正是因为功能强大,超重力离心机被誉为地球上营造超重力环境的“革命性工具”。目前,世界上离心机最大容量为1200g·t。

此次浙江大学牵头建设的CHIEF,是综合集成超重力离心机与力学激励、高压、高温等机载装置,将超重力场与极端环境叠加一体的大型复杂科学实验设施。

陈云敏介绍,科学目标达成的第一步就是要在地球上产生一个超重力场。有了超重力场,科学家就能在里面开展各类实验了,而具体的实验场所就是CHIEF的6座超重力实验舱及18台机载装置。其中,有6台属于世界首创、12台技术指标国际领先。

据了解,设施主要建设内容包括超重力离心机主机、超重力实验舱、超重力试验保障系统和配套设施。其中,两台超重力离心机主机,最大容量1900g·t,最大离心加速度1500g,最大负载32t;另外还有边坡与高坝、岩土地震工程、深海工程、深地工程与环境、地质过程、材料制备共6座超重力实验舱。

根据设计,科学家们可以全过程观测超重力环境下岩土体、地球深部物质、合金熔体等多相介质的物质运动;揭示岩土体大时空演变与成灾、地质过程演变与成岩成矿、合金熔体超重力凝固的机制,为重大基础设施建设、深地深海资源开发、高性能材料研发等提供基础支撑。

总体而言,CHIEF将超重力离心机能力从国内400g·t级、国际最大1200g·t突破至1900g·t,具备单次实验再现岩土体千米尺度演变与灾变、污染物万年历时迁移及获取千种材料成分的实验能力。

“整个项目建设周期为5年,建成后,将填补我国超大容量超重力装置的空白,成为世界领先、应用范围最广的超重力多学科综合实验平台。”陈云敏说道。

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