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低温制冷:突破-253℃封锁线

发布时间:2018-06-06 来源:富汇创投       

 

 

在企业林立的河北廊坊开发区,中国科学院理化技术研究所的几座实验楼乍看并不起眼。

但推门进去,却别有洞天。一台高约3米、长约6米、重达15吨的巨大科研设备横卧在厂房里,天蓝色的外壳显得格外清凉。

这套名为“10kW/20K卧式高真空绝热冷箱”的设备全国仅此一台。429日,由中科院理化所承担的国家重大科研装备“大型低温制冷设备研制”项目在这里通过验收,这意味着,中国终于有了自主研发的第一台万瓦级液氢温区低温制冷设备。

一个低温专家的尴尬

西安交通大学教授厉彦忠是这次项目验收组的专家之一,他告诉《中国科学报》记者,这些年来国内低温制冷项目的招标很多,但国内单位却几乎从来没有中过标。“液氢温区低温制冷设备一直被瑞士和法国两家公司垄断着,我国使用的几乎全部是进口产品。国内没有成型的设备,业主们谁都不愿意做第一个吃螃蟹的人。”

作为国内知名的低温制冷专家,其实厉彦忠本人曾中过一个设计标,但业主最后却没有用他的方案,还是去买了国外的产品。

而这个让厉彦忠“如鲠在喉”的问题,已经成为制约中国前沿科技研究、航空航天、高技术应用等行业的一个“瓶颈”。在《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》确定的16个重大专项中,有8项与低温设备相关,特别是低温运载火箭所需的万瓦级低温制冷技术,是发达国家对我国实行限制输出的技术。

为打破长期受制于人的被动局面,掌握相关领域高技术发展的主动权,国家财政部及时部署了这一重大装备研制任务。201110月,国家重大科研装备研制项目“大型低温制冷设备研制”(I期)立项,以期突破关键技术,尽快实现大型低温制冷设备自主的设计与制造,满足国内急需。

“降温比升温难得多”

而这一切谈何容易。虽然中科院理化所研究员、“大型低温制冷设备研制”项目首席科学家李青开玩笑说自己是个“做冰棍的”,但建成这台拥有自主知识产权的“大冰箱”,却花了他们4年多时间。

“和高温不同,低温是有极限的。宇宙的最低温度是绝对零度,也就是零下273.16℃。”李青说,“因此在一定程度上讲,降温比升温要困难得多。”

但这件事却又非做不可。例如我国要发展的新一代运载火箭,传统燃料已经满足不了大运载量的需求,必须使用液氢作为燃料。

氢气是世界上最轻的物质之一,要将其降温到20K-253℃)并液化,用中科院理化所副研究员胡忠军的话说,“需要付出极大的代价”。

科研人员选择了液化温度更低的氦来给氢降温。“降温的原理并不新,但要做到设备性能稳定可靠,却很不易。”李青说,“尤其是低温设备应用的场合都是航空航天、大科学工程等最尖端的技术,更是马虎不得。”

科研人员在几十年低温技术积累基础上,突破了高速氦气体轴承透平膨胀机稳定性技术、超低漏率板翅式低温换热器设计和制造技术、高精密油分离技术、气动低温调节阀制造技术以及系统集成调控技术5大关键技术,建成了这台技术指标为10kW/20K、氦透平膨胀机绝热效率≥70%的大型低温制冷设备,综合性能达到国际先进水平。

“这是一个零的突破。”厉彦忠说。专家一致认为,该项目打破了发达国家对液氢温区大型低温制冷技术的垄断,奠定了自主开发系列化产品的基础,是自主研发大型关键基础装备的成功范例。

向更“高冷”处迈进

事实上,在项目研制过程中,该所的低温设备就已经“热”得发烫。目前,中科院内已有56家科研单位与该所签订了战略合作框架协议,准备将低温设备应用到各自的科研工作中。

验收会当天,中科院启动了大型低温制冷设备的二期研制工作,将进行更低温区(液氦/超流氦)的大型低温设备研制,推动大型低温制冷技术的持续发展。

中科院兰州近代物理研究所党委书记、研究员赵红卫就是专程赶来参加验收会的用户之一,他对二期研制工程充满了期待。

“当前对核废料的处理主要采取的是深埋的方式,但核废料的放射性周期很长,其间一旦封装材料遭到破坏,就会给环境带来严重污染。”赵红卫说,“我们现在要利用加速器反应堆将核废料转化成短寿命的同位素,但这种新技术的前提,就是低温,确切地说是4.2K以下的低温。”

二期工程要将温度降至4.2K~2K,在这个温度下,氦气也将变成液体和超流态,基本覆盖了所有物理研究所需要的温度。

“更低温度,更高水平。”李青和他背后的中国低温团队,还将向更“高冷”迈进。


【来源:科研中那些人和事】

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