百瓦级,零下271℃!我国大型低温制冷技术如何打破国外垄断

科技日报 2021-04-17 22:14

科技日报记者 陆成宽

地球南北极的最低温度都没低于零下100℃,你能想象置身于零下271℃的环境里是什么感受吗?

4月16日,记者从中国科学院理化技术研究所获悉,国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”通过验收及成果鉴定,这标志着我国具备了研制液氦温度(零下269℃)千瓦级和超流氦温度(零下271℃)百瓦级大型低温制冷装备的能力,打破了发达国家的技术垄断。

项目成果鉴定专家组认为,该项目整体技术达到国际先进水平,其中高稳定性离心式冷压缩机技术和兆瓦级氦气喷油式螺杆压缩机技术达到国际领先水平。

五年攻关的背后是几十年的技术积累

正如某些材料在特定温度下,会出现电阻为零的超导现象一样,一些材料在特定温度下,也会出现流阻为零的超流现象。

当温度低到零下271℃时,液氦就会变成超流氦。“此时,流阻变为零,而且还会出现杯子内的液氦能够沿着杯子壁流到杯子外面等奇特现象。”项目首席科学家、中科院理化所研究员李青说。

液氦是制造超低温的“神器”。液氦到超流氦温区大型低温制冷设备是氦资源开采、航天工程、氢能利用、以及大科学装置运行不可替代的基础支撑装备。随着社会经济的高速发展,我国已成为大型低温制冷设备的使用大国。

“然而,由于缺乏大型低温制冷系统、关键子设备及集成技术,我国大型低温制冷装备长期被国外垄断,几乎全部依赖进口。”中科院理化所党委副书记刘新建坦言。

为突破国外对我国大型氦低温制冷技术封锁,解决大型氦低温制冷技术的瓶颈,攻克大型低温制冷关键核心技术,2015年12月,中科院理化所开始启动液氦到超流氦温区大型低温制冷设备的研制工作。

“从中国科学院院士洪朝生,到中国科学院院士周远,在几十年低温技术积累的基础上,我们坚持走自主创新道路,经过五年多的拼搏奋斗,在液氢温度(零下253度)制冷机的基础上,今天终于自主研制出了技术指标为2500W@4.5K和500W@2K的大型氦制冷机。”李青说。

“该装备的研制成功,不仅可以满足大科学工程、航天工程、氦资源开发等国家战略高技术发展的迫切需要,而且可以促进相关领域先进技术的发展。”刘新建自豪地说。

项目打造了“边研究、边应用、边转化”发展模式

李青介绍,大型低温制冷装备研制过程中,先后取得了一系列核心技术突破,包括大型低温制冷系统整机设计体系构建及控制技术、系列化氦气体轴承氦透平膨胀机技术、超流氦负压换热器技术、大型高效氦气喷油螺杆压缩机技术、高稳定性离心式冷压缩机技术以及大型复杂低温制冷系统集成与调试技术等。

与此同时,该项目在应用和成果转化方面也获得重要进展,打造了“边研究、边应用、边转化”的发展模式。2016年,依托于该重大科研装备研制项目产生的核心技术,中科院理化所联合社会资本共同创立科技成果转化企业——北京中科富海低温科技有限公司。

百瓦级大型制冷机实现了成功应用,包括用于宁夏盐池液化天然气闪蒸汽提氦项目,初步打通了我国氦资源开发的技术链条;应用于国内直线加速器;出口应用于韩国核聚变大科学装置(KSTAR)等。得到用户广泛认可,支撑了相关行业的发展。

更重要的是,项目的成功实施,培育了20余家优秀配套企业,通过与配套企业开展关键核心技术攻关,增强了企业的制造和创新能力,提升了企业工艺工程化水平,带动了我国高端氦螺杆压缩机、低温换热器和低温阀门等行业的快速发展,提高了一批高科技制造企业的核心竞争力,使相关技术实现了从无到有、从低端到高端的提升,在我国初步形成了功能齐全、分工明确的低温产业群。

“未来,我们将继续开展万瓦级制冷机和液化器技术攻关和装备研制,为满足量子科技发展和应用,布局mK级大冷量制冷机的研究。”刘新建说道。



来源:科技日报 文中图片均由作者提供


编辑:黄磊

审核:岳靓

终审:何屹