打破壁障，我國(guó)自主研發(fā)大型超流氦低溫制冷設(shè)備

每個(gè)人都對(duì)溫度有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。例如，人類的正常體溫約為36.5℃，而水結(jié)冰的溫度僅為0℃。一般來說，世界上沒有最高和最低的溫度，因?yàn)槿祟惖恼J(rèn)知是有限的，不能保證測(cè)量的溫度必須是一定的極限。

然而，科學(xué)家們?cè)跓崃W(xué)領(lǐng)域提出了一個(gè)絕對(duì)零度的概念，即熱力學(xué)中的最低溫度。絕對(duì)溫度值為零下273.15℃，這是目前人類給出的最低溫度理論極限值，但由于它只是一個(gè)下限值，因此無法真正實(shí)現(xiàn)。

|絕對(duì)零度

從熱力學(xué)的角度來看，絕對(duì)零度的定義是當(dāng)粒子動(dòng)能低于量子力學(xué)的最低點(diǎn)時(shí)，物質(zhì)的溫度，但這個(gè)最低點(diǎn)并不存在。因此，對(duì)于科學(xué)家來說，絕對(duì)零度只能作為參考標(biāo)準(zhǔn)。雖然它有一個(gè)特定的值（-273.15℃），但它是一個(gè)不可能的下限，無法計(jì)算。

那為什么要定義絕對(duì)零度呢？因?yàn)榻^對(duì)零度標(biāo)準(zhǔn)往往可以在一些極其關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域提供重要的幫助。它是科學(xué)家對(duì)技術(shù)研發(fā)的理論支持，也是一些系統(tǒng)的核心組成部分。例如，在低溫制冷系統(tǒng)中，絕對(duì)零度的概念起著關(guān)鍵作用。制冷系統(tǒng)越接近絕對(duì)零度，效果越好，作用范圍越大，在軍事、生物制藥、宇宙探索等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。低溫制冷系統(tǒng)對(duì)技術(shù)要求很高，堪比芯片制造過程中的光刻機(jī)，其重要性也比芯片制造過程中的光刻機(jī)重要。

|我國(guó)在低溫領(lǐng)域的成就

目前，我國(guó)自主開發(fā)了超流氦（-271℃）大型低溫制冷系統(tǒng)，全面突破了大型低溫制冷設(shè)備的核心技術(shù)，使大型液氦到超流氦溫區(qū)的低溫制冷技術(shù)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。

氦是一種氣體，在-269℃會(huì)變成液體，在-271℃會(huì)變成超流氦，流阻變?yōu)榱悖瑫?huì)沿著杯壁流到杯外。要獲得液氦或超流氦，需要低溫制冷機(jī)。在實(shí)驗(yàn)室使用液氦或?qū)囟冉档偷浇^對(duì)零度并制備超流氦并不是一個(gè)大問題，但制備液氦或超流氦作為能源、資源或大規(guī)模使用并不容易。

研究大型、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的制冷設(shè)備是一個(gè)世界性的問題。這種大型低溫制冷系統(tǒng)就像一個(gè)大冰箱。這種“大冰箱”應(yīng)將溫度降低到-271℃，并確保千瓦級(jí)和百瓦級(jí)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)溫度達(dá)到-269℃時(shí)，每降低1℃或功率增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，難度將增加指數(shù)級(jí)，相關(guān)系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件也需要升級(jí)。

目前，我國(guó)可在液氦溫度（-269℃）下提供數(shù)千瓦制冷量，在超流氦溫度（-271℃）下提供數(shù)百瓦制冷量，項(xiàng)目整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中高穩(wěn)定性離心式冷壓縮機(jī)技術(shù)和兆瓦級(jí)氦氣噴射螺桿壓縮機(jī)技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。更重要的是，項(xiàng)目的成功實(shí)施，培育了20多家優(yōu)秀的配套企業(yè)，推動(dòng)了我國(guó)高端氦螺桿壓縮機(jī)、低溫?zé)峤粨Q器、低溫閥等行業(yè)的快速發(fā)展，提高了一批高科技制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，使相關(guān)技術(shù)從零開始，從低端到高端，初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)集團(tuán)。

為什么是氦氣？

氦被稱為最不活潑的元素，通常以氣體的形式存在，是一種無色無味的氣體。氦具有極低的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。液化氦（-269℃）通過反復(fù)冷卻和壓力獲得，表面張力小，導(dǎo)熱性強(qiáng)，粘度低，甚至液化氦也能達(dá)到接近絕對(duì)零度的低溫。液化后的氦粘度在-271℃消失，它在任何東西上流動(dòng)都沒有阻力，甚至可以垂直爬上容器壁，其傳熱系數(shù)優(yōu)于銅。科學(xué)家稱這種無阻力的流動(dòng)為超流。這些已知特性導(dǎo)致沒有低溫冷源可以代替氦作為超級(jí)冷卻劑。

|液氦和液氮有什么區(qū)別？

在低溫技術(shù)領(lǐng)域，液氦和液氮是應(yīng)用最廣泛的冷卻劑和制冷劑。這兩種液相氣體都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是低溫制冷，但實(shí)際上有很多區(qū)別。

1、液氦與液氮最低溫差明顯

液氦可達(dá)到接近絕對(duì)零度的低溫，其最低溫度可達(dá)-271℃。盡管液氮的低溫性能也很好，但其最低溫度僅為-196.56℃。

2、液氦和液氮的化學(xué)性質(zhì)非常不同

它們不作為產(chǎn)品制造的原料，只作為冷卻液，因此只冷卻而不與原料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也是先決條件之一。氦是最不活潑的元素，幾乎不與任何其他元素混合。液氦作為制冷劑，不會(huì)與冷卻目標(biāo)發(fā)生反應(yīng)，改變目標(biāo)的特性，不會(huì)造成額外的損失。

與液氦相比，液氮的性質(zhì)要活躍得多，因此液氮是一種常見的實(shí)驗(yàn)室超低溫冷卻方法。在一些量子物理實(shí)驗(yàn)室中，冷卻液實(shí)際上被廣泛用于研究凝聚態(tài)，即液氮。

說到冷卻液的活性，有一種氣體必須提到，那就是液氫。理論上，它可以用作冷卻液，其性能可能優(yōu)于液氮。畢竟，液氫可以將溫度降低到-252.8℃，這與液氦的水平非常接近。但需要注意的是，液氫蒸發(fā)出氫氣，這是一種極易爆炸的危險(xiǎn)氣體。

3、液氦和液氮的價(jià)格相差甚遠(yuǎn)

氦作為一種稀有氣體，具有較高的獲取成本。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)95%的氦依賴于進(jìn)口，因此價(jià)格比黃金高出一個(gè)障礙。氮是不同的，因?yàn)榭諝庵泻孔罡叩臍怏w是氮，簡(jiǎn)單方便，數(shù)量多，所以價(jià)格是氦的幾倍。

|液氦的應(yīng)用

1、反映堆冷卻劑

核反應(yīng)堆的冷卻劑是指用于冷卻核反應(yīng)堆的堆芯，并將堆芯釋放的熱量載出核反應(yīng)堆的工作介質(zhì)，又稱載熱劑。對(duì)于這種冷卻劑，不僅需要滿足一般的熱工和水力學(xué)性能，還需要其熱中子吸收截面小，感應(yīng)放射性弱，輻照穩(wěn)定性好，與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料相容性好。常用的冷卻劑有輕水、重水、二氧化碳、氦氣等。目前，我國(guó)大型低溫冷卻系統(tǒng)已出口并應(yīng)用于韓國(guó)核聚變大型科學(xué)裝置（KSTAR）等項(xiàng)目。

2、應(yīng)用于超導(dǎo)領(lǐng)域

液氦超低溫冷卻技術(shù)廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)技術(shù)等領(lǐng)域。目前，所有超導(dǎo)材料都需要在-130℃以下的低溫下表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。然而，在大多數(shù)情況下，只有液氦才能相對(duì)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)如此極低的溫度。低溫超導(dǎo)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電池相關(guān)領(lǐng)域，如交通行業(yè)的磁懸浮列車、醫(yī)療領(lǐng)域的核磁共振成像設(shè)備等。

同時(shí)，液氦和超流氦溫區(qū)的大型低溫制冷設(shè)備也是氦資源開采、航天工程、氫利用和大型科學(xué)設(shè)備運(yùn)行不可替代的基本支撐設(shè)備。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)已成為大型低溫制冷設(shè)備的主要使用國(guó)。

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