打破壁障，我國自主研發大型超流氦低溫制冷設備

每個人都對溫度有一個清晰的認識。例如，人類的正常體溫約為36.5℃，而水結冰的溫度僅為0℃。一般來說，世界上沒有最高和最低的溫度，因為人類的認知是有限的，不能保證測量的溫度必須是一定的極限。

然而，科學家們在熱力學領域提出了一個絕對零度的概念，即熱力學中的最低溫度。絕對溫度值為零下273.15℃，這是目前人類給出的最低溫度理論極限值，但由于它只是一個下限值，因此無法真正實現。

|絕對零度

從熱力學的角度來看，絕對零度的定義是當粒子動能低于量子力學的最低點時，物質的溫度，但這個最低點并不存在。因此，對于科學家來說，絕對零度只能作為參考標準。雖然它有一個特定的值（-273.15℃），但它是一個不可能的下限，無法計算。

那為什么要定義絕對零度呢？因為絕對零度標準往往可以在一些極其關鍵的技術領域提供重要的幫助。它是科學家對技術研發的理論支持，也是一些系統的核心組成部分。例如，在低溫制冷系統中，絕對零度的概念起著關鍵作用。制冷系統越接近絕對零度，效果越好，作用范圍越大，在軍事、生物制藥、宇宙探索等領域發揮著重要作用。低溫制冷系統對技術要求很高，堪比芯片制造過程中的光刻機，其重要性也比芯片制造過程中的光刻機重要。

|我國在低溫領域的成就

目前，我國自主開發了超流氦（-271℃）大型低溫制冷系統，全面突破了大型低溫制冷設備的核心技術，使大型液氦到超流氦溫區的低溫制冷技術進入國際先進行列。

氦是一種氣體，在-269℃會變成液體，在-271℃會變成超流氦，流阻變為零，會沿著杯壁流到杯外。要獲得液氦或超流氦，需要低溫制冷機。在實驗室使用液氦或將溫度降低到絕對零度并制備超流氦并不是一個大問題，但制備液氦或超流氦作為能源、資源或大規模使用并不容易。

研究大型、連續、穩定運行的制冷設備是一個世界性的問題。這種大型低溫制冷系統就像一個大冰箱。這種“大冰箱”應將溫度降低到-271℃，并確保千瓦級和百瓦級的連續穩定運行。當溫度達到-269℃時，每降低1℃或功率增加一個數量級，難度將增加指數級，相關系統需要重新設計，關鍵部件也需要升級。

目前，我國可在液氦溫度（-269℃）下提供數千瓦制冷量，在超流氦溫度（-271℃）下提供數百瓦制冷量，項目整體技術達到國際先進水平，其中高穩定性離心式冷壓縮機技術和兆瓦級氦氣噴射螺桿壓縮機技術達到國際領先水平。更重要的是，項目的成功實施，培育了20多家優秀的配套企業，推動了我國高端氦螺桿壓縮機、低溫熱交換器、低溫閥等行業的快速發展，提高了一批高科技制造企業的核心競爭力，使相關技術從零開始，從低端到高端，初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產業集團。

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。氦具有極低的熔點和沸點。液化氦（-269℃）通過反復冷卻和壓力獲得，表面張力小，導熱性強，粘度低，甚至液化氦也能達到接近絕對零度的低溫。液化后的氦粘度在-271℃消失，它在任何東西上流動都沒有阻力，甚至可以垂直爬上容器壁，其傳熱系數優于銅。科學家稱這種無阻力的流動為超流。這些已知特性導致沒有低溫冷源可以代替氦作為超級冷卻劑。

|液氦和液氮有什么區別？

在低溫技術領域，液氦和液氮是應用最廣泛的冷卻劑和制冷劑。這兩種液相氣體都有一個共同點，那就是低溫制冷，但實際上有很多區別。

1、液氦與液氮最低溫差明顯

液氦可達到接近絕對零度的低溫，其最低溫度可達-271℃。盡管液氮的低溫性能也很好，但其最低溫度僅為-196.56℃。

2、液氦和液氮的化學性質非常不同

它們不作為產品制造的原料，只作為冷卻液，因此只冷卻而不與原料發生化學反應也是先決條件之一。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，不會與冷卻目標發生反應，改變目標的特性，不會造成額外的損失。

與液氦相比，液氮的性質要活躍得多，因此液氮是一種常見的實驗室超低溫冷卻方法。在一些量子物理實驗室中，冷卻液實際上被廣泛用于研究凝聚態，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，液氫蒸發出氫氣，這是一種極易爆炸的危險氣體。

3、液氦和液氮的價格相差甚遠

氦作為一種稀有氣體，具有較高的獲取成本。國內市場95%的氦依賴于進口，因此價格比黃金高出一個障礙。氮是不同的，因為空氣中含量最高的氣體是氮，簡單方便，數量多，所以價格是氦的幾倍。

|液氦的應用

1、反映堆冷卻劑

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

2、應用于超導領域

液氦超低溫冷卻技術廣泛應用于超導技術等領域。目前，所有超導材料都需要在-130℃以下的低溫下表現出超導特性。然而，在大多數情況下，只有液氦才能相對簡單地實現如此極低的溫度。低溫超導技術廣泛應用于電池相關領域，如交通行業的磁懸浮列車、醫療領域的核磁共振成像設備等。

同時，液氦和超流氦溫區的大型低溫制冷設備也是氦資源開采、航天工程、氫利用和大型科學設備運行不可替代的基本支撐設備。隨著社會經濟的快速發展，中國已成為大型低溫制冷設備的主要使用國。

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