4月15日，國家重大科研裝備研制項(xiàng)目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”通過驗(yàn)收及成果鑒定，意味著我國自主研發(fā)成功超流氦溫度（-271℃）大型低溫制冷裝備。以中國科學(xué)院院士甘子釗為組長的驗(yàn)收專家組認(rèn)為，這一設(shè)備“全面突破了大型氦低溫制冷裝備核心技術(shù)”，“使我國大型液氦到超流氦溫區(qū)低溫制冷技術(shù)進(jìn)入國際先進(jìn)行列”。
這項(xiàng)由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所完成的成果，不僅突破了“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)，更順利實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，帶動了上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群，為產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系的建立提供了一個模板。
突破“卡脖子”技術(shù)，我國自主研發(fā)出超流氦大型低溫制冷裝備
氦是一種氣體，在-269℃會成為液體，到-271℃就會成為超流氦，流阻變?yōu)榱?，出現(xiàn)沿著杯壁流到杯外等奇特現(xiàn)象。
中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所副書記、項(xiàng)目總指揮劉新建介紹：“液氦和超流氦在現(xiàn)代工業(yè)、能源、科學(xué)研究中有非常重要的作用，例如電子對撞機(jī)等大型科研設(shè)備的關(guān)鍵部件需要'泡’在其中使用，而我們要開發(fā)氦氣資源，也必須將其液化?！?/p>
要想得到液氦或超流氦，就需要低溫制冷機(jī)。在實(shí)驗(yàn)室中使用液氦或把溫度降低到接近絕對零度并制備超流氦不算是太大的難題，但要制備作為能源、資源或能夠大規(guī)模使用的液氦或超流氦卻并不容易——“我們可以把這個大型低溫制冷系統(tǒng)想象成一個大冰箱，這個'大冰箱’要把溫度降低到-271℃，還要保證千瓦級、白瓦級的連續(xù)穩(wěn)定工作?！表?xiàng)目首席科學(xué)家李青說，大型、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，這是一個世界性難題，“到-269℃之后，溫度每下降1℃或功率每增加一個數(shù)量級，難度都將指數(shù)級地增加，相關(guān)系統(tǒng)都需要重新設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件也要升級換型”。
隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技實(shí)力的增長，對大型低溫制冷設(shè)備的需求也變得更為迫切。國際上主要有兩家國際企業(yè)能做這個溫區(qū)的大型低溫制冷機(jī)，我國大型低溫制冷裝備多年來全部依賴進(jìn)口。劉新建說：“其中很多關(guān)鍵核心部件和用于特殊領(lǐng)域的專用制冷設(shè)備都在發(fā)達(dá)國家的禁運(yùn)、禁售的名單上，能賣給我們的，不僅價(jià)格昂貴，而且還有諸多限制，是名副其實(shí)的'卡脖子’技術(shù)?！?/p>
中科院理化所在低溫技術(shù)領(lǐng)域有深厚的積累技術(shù)積累和人才儲備，經(jīng)過5年多拼搏奮斗，在液氫溫度20K（-253℃）制冷機(jī)的基礎(chǔ)上，自主研制出了技術(shù)指標(biāo)為2500W@4.5K和500W@2K的大型氦制冷機(jī)。項(xiàng)目首席科學(xué)家劉立強(qiáng)說：“這意味著在液氦溫度4.2K，即-269℃能夠提供數(shù)千瓦制冷量，在超流氦溫度2K，即-271℃能夠提供數(shù)百瓦制冷量的大型低溫制冷機(jī)?！背晒b定專家組認(rèn)為，該項(xiàng)目整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中高穩(wěn)定性離心式冷壓縮機(jī)技術(shù)和兆瓦級氦氣噴油式螺桿壓縮機(jī)技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
產(chǎn)學(xué)研深度融合，我國正在成為低溫大型制冷設(shè)備制造的“第三極”
大型低溫制冷系統(tǒng)是應(yīng)用性很強(qiáng)的設(shè)備，以往科研成果轉(zhuǎn)化的先實(shí)驗(yàn)室突破、再中試、再產(chǎn)業(yè)化的路徑難以滿足需求。中科院理化所在這一系統(tǒng)的研制過程中，創(chuàng)造性地采取了“邊研究、邊應(yīng)用、邊轉(zhuǎn)化”的發(fā)展模式。
研究人員攻克關(guān)鍵核心技術(shù)的過程中，就加入“能否產(chǎn)業(yè)化”這個指標(biāo)，關(guān)注的不是低溫或大功率的指標(biāo)能“刷”到多高，而是能否實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行。劉立強(qiáng)說：“幾乎每一項(xiàng)技術(shù)或部件，都要在測試平臺上'跑’，不管實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)有多好，只要不能通過測試，那就不能視為成功?！?/p>
在這樣的模式指導(dǎo)下，產(chǎn)出科研成果時(shí)，就是產(chǎn)品下線時(shí)?！拔覀冞@個項(xiàng)目啟動于2015年。2016年研究所就聯(lián)合社會資本共同創(chuàng)立科技成果轉(zhuǎn)化企業(yè)——北京中科富海低溫科技有限公司?！眲⑿陆ń榻B，如今，百瓦級大型制冷機(jī)已經(jīng)用于寧夏鹽池液化天然氣閃蒸汽提氦項(xiàng)目，初步打通了我國氦資源開發(fā)的技術(shù)鏈條，還出口到韓國，應(yīng)用于韓國核聚變大科學(xué)裝置（KSTAR）等。
驗(yàn)收專家組認(rèn)為，項(xiàng)目取得了包括大型低溫制冷系統(tǒng)整機(jī)設(shè)計(jì)體系構(gòu)建及控制技術(shù)、系列化氣體軸承氦透平膨脹機(jī)技術(shù)等一系列核心技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、高效、自動控制的運(yùn)行系統(tǒng)，形成了大型氦低溫制冷系統(tǒng)集成與調(diào)試的工藝包。
這一項(xiàng)目的成功實(shí)施，還帶動了我國高端氦螺桿壓縮機(jī)、低溫?fù)Q熱器和低溫閥門等行業(yè)的快速發(fā)展，提高了一批高科技制造企業(yè)的核心競爭力，使相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從無到有、從低端到高端的提升，在我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群。
項(xiàng)目常務(wù)副總指揮龔領(lǐng)會說：“我們不可能自己生產(chǎn)所有部件，一個產(chǎn)業(yè)需要完善的上下游鏈條?！钡汉さ匠骱貐^(qū)大型制冷設(shè)備對相關(guān)配件的要求比較高，很多關(guān)鍵部件根本買不到。中科院理化所與20多家企業(yè)聯(lián)合，通過合作研發(fā)、專利授權(quán)等方式，解決了關(guān)鍵部件的生產(chǎn)問題。“目前，百瓦級大型制冷機(jī)設(shè)備的國產(chǎn)化率能達(dá)到90%以上?！奔夹g(shù)的更新?lián)Q代也提升了企業(yè)的制造和創(chuàng)新能力，提高了企業(yè)的工藝工程化水平，讓企業(yè)在國際高端制造市場也能占據(jù)一席之地。
“目前，千瓦級的大型氦制冷機(jī)生產(chǎn)廠房已經(jīng)在廣東中山破土動工；科研上，我們布局了萬瓦級制冷機(jī)和液化器技術(shù)攻關(guān)和裝備研制，以及為了滿足量子科技發(fā)展和應(yīng)用的mK級大冷量制冷機(jī)的研究?！眲⑿陆ń榻B：“中國成為國際低溫大型制冷設(shè)備制造的'第三極’的目標(biāo)，未來可期！”
（光明日報(bào)記者 齊 芳）
《光明日報(bào)》（ 2021年04月28日 09版）
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