我国低温制冷技术突破-253℃封锁线

　　在河北省廊坊市经济开发区，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。

　　4月29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，标志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。这套名为“10kW/20K卧式高真空绝热冷箱”的设备全国仅此一台。

　　一个低温专家的尴尬

　　西安交通大学教授厉彦忠介绍：“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。2011年10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5至6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：中国科学报