百瓦級，零下271℃！我國大型低溫制冷技術(shù)如何打破國外壟斷

baoyisheng143 2021-04-18

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◎ 科技日報記者陸成寬

地球南北極的最低溫度都沒低于零下100℃，你能想象置身于零下271℃的環(huán)境里是什么感受嗎？

4月16日，記者從中國科學院理化技術(shù)研究所獲悉，國家重大科研裝備研制項目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”通過驗收及成果鑒定，這標志著我國具備了研制液氦溫度（零下269℃）千瓦級和超流氦溫度（零下271℃）百瓦級大型低溫制冷裝備的能力，打破了發(fā)達國家的技術(shù)壟斷。

項目成果鑒定專家組認為，該項目整體技術(shù)達到國際先進水平，其中高穩(wěn)定性離心式冷壓縮機技術(shù)和兆瓦級氦氣噴油式螺桿壓縮機技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。

五年攻關(guān)的背后是幾十年的技術(shù)積累

正如某些材料在特定溫度下，會出現(xiàn)電阻為零的超導現(xiàn)象一樣，一些材料在特定溫度下，也會出現(xiàn)流阻為零的超流現(xiàn)象。

當溫度低到零下271℃時，液氦就會變成超流氦?！按藭r，流阻變?yōu)榱?，而且還會出現(xiàn)杯子內(nèi)的液氦能夠沿著杯子壁流到杯子外面等奇特現(xiàn)象。”項目首席科學家、中科院理化所研究員李青說。

液氦是制造超低溫的“神器”。液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷設(shè)備是氦資源開采、航天工程、氫能利用、以及大科學裝置運行不可替代的基礎(chǔ)支撐裝備。隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國已成為大型低溫制冷設(shè)備的使用大國。

“然而，由于缺乏大型低溫制冷系統(tǒng)、關(guān)鍵子設(shè)備及集成技術(shù)，我國大型低溫制冷裝備長期被國外壟斷，幾乎全部依賴進口。”中科院理化所黨委副書記劉新建坦言。

為突破國外對我國大型氦低溫制冷技術(shù)封鎖，解決大型氦低溫制冷技術(shù)的瓶頸，攻克大型低溫制冷關(guān)鍵核心技術(shù)，2015年12月，中科院理化所開始啟動液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷設(shè)備的研制工作。

“從中國科學院院士洪朝生，到中國科學院院士周遠，在幾十年低溫技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，我們堅持走自主創(chuàng)新道路，經(jīng)過五年多的拼搏奮斗，在液氫溫度（零下253度）制冷機的基礎(chǔ)上，今天終于自主研制出了技術(shù)指標為2500W@4.5K和500W@2K的大型氦制冷機。”李青說。

“該裝備的研制成功，不僅可以滿足大科學工程、航天工程、氦資源開發(fā)等國家戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展的迫切需要，而且可以促進相關(guān)領(lǐng)域先進技術(shù)的發(fā)展?！眲⑿陆ㄗ院赖卣f。

項目打造了“邊研究、邊應(yīng)用、邊轉(zhuǎn)化”發(fā)展模式

李青介紹，大型低溫制冷裝備研制過程中，先后取得了一系列核心技術(shù)突破，包括大型低溫制冷系統(tǒng)整機設(shè)計體系構(gòu)建及控制技術(shù)、系列化氦氣體軸承氦透平膨脹機技術(shù)、超流氦負壓換熱器技術(shù)、大型高效氦氣噴油螺桿壓縮機技術(shù)、高穩(wěn)定性離心式冷壓縮機技術(shù)以及大型復(fù)雜低溫制冷系統(tǒng)集成與調(diào)試技術(shù)等。

與此同時，該項目在應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化方面也獲得重要進展，打造了“邊研究、邊應(yīng)用、邊轉(zhuǎn)化”的發(fā)展模式。2016年，依托于該重大科研裝備研制項目產(chǎn)生的核心技術(shù)，中科院理化所聯(lián)合社會資本共同創(chuàng)立科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)——北京中科富海低溫科技有限公司。

百瓦級大型制冷機實現(xiàn)了成功應(yīng)用，包括用于寧夏鹽池液化天然氣閃蒸汽提氦項目，初步打通了我國氦資源開發(fā)的技術(shù)鏈條；應(yīng)用于國內(nèi)直線加速器；出口應(yīng)用于韓國核聚變大科學裝置（KSTAR）等。得到用戶廣泛認可，支撐了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

更重要的是，項目的成功實施，培育了20余家優(yōu)秀配套企業(yè)，通過與配套企業(yè)開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，增強了企業(yè)的制造和創(chuàng)新能力，提升了企業(yè)工藝工程化水平，帶動了我國高端氦螺桿壓縮機、低溫換熱器和低溫閥門等行業(yè)的快速發(fā)展，提高了一批高科技制造企業(yè)的核心競爭力，使相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了從無到有、從低端到高端的提升，在我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群。

“未來，我們將繼續(xù)開展萬瓦級制冷機和液化器技術(shù)攻關(guān)和裝備研制，為滿足量子科技發(fā)展和應(yīng)用，布局mK級大冷量制冷機的研究?！眲⑿陆ㄕf道。