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“超级低温工厂”实现中国造

来源:人民日报2024-04-15 09:24

  中国科学院理化技术研究所研制的液氦到超流氦温区大型低温制冷装备。中国科学院理化技术研究所供图

  创造一个超大深冷“冰箱”,提供20K(开尔文,20K即零下253摄氏度)以下甚至2K(零下271摄氏度)的超低温环境,并保证百瓦级到万瓦级连续稳定工作——大型低温制冷装备凭借这一能力,被称作“超级低温工厂”。

  科学上把20K称为液氢温区,2K为超流氦温区。液氢至超流氦温区的大型制冷装备,在航天工程、氢能源储运、氦资源开发和许多大科学装置运转中发挥着重要的支撑作用。长期以来,国内用的大型低温制冷装备几乎全部依赖进口。

  中国科学院理化技术研究所(以下简称“中国科学院理化所”)科研团队经过10多年持续攻关,攻克一系列关键核心技术,研制出20K到2K、百瓦到千瓦级(kW)的系列化大型低温制冷装备,让“超级低温工厂”实现了中国造,形成了从技术研发、工程示范到产业应用的完整链条。

  啃下自主研制大型低温制冷装备这块“硬骨头”

  “大型低温制冷装备不在‘台前’,但许多重要工作离不开它。”常年从事低温设备研究,中国科学院理化所研究员胡忠军对此体会深刻。

  来到中国科学院文献情报中心大楼,站在北京正负电子对撞机介绍展板前,胡忠军解释:“氦气在零下269摄氏度会成为液体,到零下271摄氏度就变成超流氦。为北京正负电子对撞机这类粒子加速器中高场强超导磁体进行冷却的,正是大型低温制冷装备产生的液氦或者超流氦。”

  不只是北京正负电子对撞机,上海光源、高能同步辐射光源等大科学装置的运转也离不开大型低温制冷装备。

  “解决氢的大规模储存与运输难题,大型低温制冷装备同样关键。”胡忠军说,氢气密度远小于空气,在常温常压下运输,体积非常庞大。如果用低温大型制冷机将氢气液化,体积可以减少至约1/800,极大降低运输成本。

  据专家介绍,随着经济社会的快速发展,我国对大型低温技术和装备的需求日益迫切。但是,自主研制大型低温制冷装备,其难度超出预想。

  “拿其中一个关键设备透平膨胀机来说,它由气体轴承支撑,叶轮旋转时,圆周线速度极快,且轴承之间仅隔着厚度为头发丝直径1/5的气膜。”胡忠军介绍,怎么设计气体轴承、如何保障转子高效稳定运转,都考验着科研人员的智慧。

  像透平膨胀机这样的挑战,在大型低温制冷装备研制中还有很多。“大型低温制冷装备与大家常见的空调、冰箱不同,涉及多级压力、温度与制冷级,系统十分复杂。”中国科学院理化所研究员刘立强说。他将攻坚难点概括为“两机一箱一集成”,即透平膨胀机、冷压缩机,冷箱集成技术,以及整个系统的设计、控制和调试。

  “再难,也要啃下这块‘硬骨头’。”2009年,中国科学院启动“低温氦透平制冷机样机研制”专项,作为项目承接单位,中国科学院理化所牵头开展大型低温制冷系统核心部件攻关和样机系统集成技术研究。他们研制的国内首台制冷量为“2kW@20K”的氦透平制冷机,经受住了连续运行考验和测试,由此证明我国具备自主研制大型低温制冷装备的能力。

  从2010年起,该所承担财政部国家重大科研装备研制专项任务,一场向更先进大型低温制冷装备发起的冲刺开始了。

  探索出一整套行之有效的工程化管理模式

  从液氢温区到液氦温区再到超流氦温区,温度每下降1摄氏度或功率每增加一个数量级,相关系统都需要重新设计,关键部件也要升级,研发难度随之指数级增加。

  走进中国科学院理化所低温工程与系统应用中心,科研人员正盯着轴心轨迹试验平台,查看、记录高速转子运行参数。中国科学院理化所研究员彭楠告诉记者,团队正在研究新一代气浮轴承,转子速度有望达到每分钟30万转。

  制冷温度越低,对透平膨胀机转速的要求就越高。彭楠回忆,为研制高效且稳定的轴承,他和同事夜以继日地在实验室埋头工作,一直持续了一年多。

  氦气螺杆压缩机是氦气低温系统的动力源,决定着低温系统运行的稳定性。胡忠军介绍,科研人员大胆创新,一遍又一遍摸索,最终开发出具有自主知识产权的氦气螺杆压缩机。为了在规定时间内完成压缩机测试等任务,团队与配套企业合作,加班加点,仅用1个月就完成了原本需要3个月的工作。

  2010年10月至2014年12月,中国科学院理化所完成了国家财政专项Ⅰ期项目任务,研制出国内首套液氢温区万瓦级大型低温制冷系统,实现“10kW@20K”的既定目标。

  2015年4月,国家财政专项Ⅱ期“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”项目启动。5年多日夜奋战,科研人员在原有成果基础上,不仅自主研制出了技术指标为“2500W@4.5K”和“500W@2K”的大型氦制冷机,还实现了包括大型低温制冷系统整机设计体系构建及控制技术、系列化气体轴承氦透平膨胀机技术等在内的技术突破。在大型液氦到超流氦温区制冷技术上,我国自此跨入国际先进行列。

  通过承担专项任务,中国科学院理化所探索出一整套行之有效的工程化管理模式。

  攻关涉及领域广、人员多,如何形成合力?“做好重大任务,必须组织好大团队。”中国科学院理化所所长王雪松介绍,他们成立了研究开发、系统集成和工程应用3个课题组,组建低温工程与系统应用中心,形成了首席科学家领衔、科研骨干和技术支撑人员联合攻关的创新团队模式。

  项目难度大、系统集成复杂,如何确保研制进度?王雪松说,所里采取行政、技术两条线并行推进模式,行政线抓管理、技术线抓节点,统筹把握各类任务实施进度。

  大型低温制冷装备研制走到今天,是中国科学院理化所几代科研工作者接力传承的结果。刘立强说,从20世纪50年代开始,包括洪朝生院士、周远院士在内的老一辈科学家,为研究所低温研究事业打下了扎实的基础,“没有前人的工作,就不会有今天的成就。”

  联合研制单位也有不少贡献。以氦气螺杆压缩机研制为例,无锡锡压压缩机有限公司总工程师陆龙胜基于丰富的经验,琢磨出了一套精巧的压力调节装置,解决了因吸气压力过高引起的停机难题;冰轮环境技术股份有限公司暂停生产任务、为科研让路,保障氦气螺杆压缩机顺利测试……

  “没有强大的制造能力和相关单位协同攻关,科学家再好的想法也实现不了。”刘立强说。

  形成从技术研发、工程示范到产业应用的完整链条

  解决大型低温制冷装备“卡脖子”问题,单做出样机不行,还需实现产业化,带动上下游产业的发展,进而不断提升我国低温产业自主创新实力。

  针对大型低温制冷装备应用性强、产业需求迫切的特点,不同于以往先实验室突破、再中试、再产业化的成果转化路径,中国科学院理化所在该装备研制过程中创造性地探索出“边研究、边应用、边转化”的发展模式。

  “我们关注的不是低温或大功率的指标能‘刷’到多高,而是考虑是否满足产业化需求。”刘立强说,产品能不能长期稳定运行、成本如何、后续好不好维护等,都是科研人员关心的问题。

  这种模式下,产出科研成果之日,就是产品下线之时。2016年,中国科学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。

  这样做有何好处?“科研机构长于技术开发,企业长于工程转化,两者优势互补,缩短了成果转化周期,提升了我国低温产业的水平。”中科富海董事长张彦奇说,大型低温制冷装备项目的实施,推动我国在该领域形成了从技术研发、工程示范到产业应用的完整链条。

  在项目配套过程中,高端氦气螺杆压缩机、低温换热器和低温阀门等相关制造企业的创新能力显著提升,我国初步形成了功能齐全、分工明确的低温产业群。

  张彦奇介绍,有科学家团队做技术后盾,中科富海得以保持战略定力,坚持高标准做产品。通过产学研合作,公司迅速成长为低温行业的领军企业。中科富海首次在国内开发了系列化、多规格成套深冷区大型氢氦制冷装备及液化装置,让中国在全球低温大型制冷设备制造领域拥有一席之地。

  超导加速器、航天器地面试验、先进光源、聚变实验堆……今天,越来越多的国家重大工程用上了我国自主研制的大型低温制冷装备。值得一提的是,我国百瓦级氦制冷机和氢液化器还走出国门,在国外大科学工程中得到应用。

  低温制冷技术研究没有终点。量子科技、氦资源提取以及航天工程的快速发展,都对大型超流氦低温装备提出了更高要求。前瞻布局,中国科学院2020年部署万瓦级液氦温度大型制冷机核心技术攻关,2021年启动“大型低温制冷机及提氦工程示范”先导专项。

  “国家的需求就是我们努力的方向。中国科学院理化所将接力攻关,继续打好大型低温制冷装备攻坚战,积极抢占低温科研高地。”王雪松语气坚定。喻思南

[ 责编:肖春芳 ]
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