低温制冷：突破-253℃*线

■记者丁佳

在企业众多的河北省廊坊开发区，中科院理化所的几栋实验楼乍一看并不明显。

然而，当你推门进去时，你会有不同的看法。厂房内水平放置着一个巨大的科研设备，高约3米，长约6米，重15吨。天蓝色的贝壳看起来清凉。

这套设备名为“10kW/20K卧式高真空绝热冷箱”，是国内唯一的一套。4月29日，中国科学院物理化学研究所承担的国家重大科研设备“大型低温制冷设备研发”在这里通过验收，这意味着中国终于拥有了首台自主研发的万瓦液氢温区低温制冷设备。

低温专家的尴尬

Xi交通大学的李延忠教授是项目验收组的专家之一。他对《中国科学报》记者表示，近年来，国内低温制冷项目招标很多，但国内单位几乎从未中标。“液氢温区的低温制冷设备已经被瑞士和法国的两家公司垄断。我国使用的产品几乎都是进口产品。中国没有成型设备，业主不愿意第一个吃螃蟹。”

作为中国著名的低温制冷专家，李延忠本人实际上赢得了设计投标，但业主最终没有使用他的计划，购买了外国产品。

然而，李延忠的“卡住喉咙”问题已经成为制约中国前沿科技研究、航空航天、高科技应用等产业的“瓶颈”。在《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030)》确定的16个重大项目中，有8个与低温设备有关，特别是低温运载火箭所需的1万瓦低温制冷技术，这是一项发达国家对中国实施出口限制的技术。

为了打破长期被他人控制的被动局面，抢占相关领域高科技发展的先机，财政部及时部署了这项重大装备研制任务。2011年10月，国家重大研究设备开发项目“大型低温制冷设备开发”(一期)启动，旨在突破关键技术，尽快实现大型低温制冷设备的自主设计和制造，满足国内的迫切需求。

“冷却比加热难多了”

所有这些都不容易。中国科学院物理与化学研究所研究员、“大型低温制冷设备开发”项目首席科学家李庆开玩笑说自己是“冰棒制造商”，但他们花了四年多时间才建成了拥有自主知识产权的“大型冰箱”。

“与高温不同，低温有其局限性。宇宙中的最低温度是绝对零度，也就是零下273.16摄氏度。”李庆说，“所以在某种程度上，冷却比加热困难得多。”

但这是必须的。例如，对于我国即将开发的新一代运载火箭，传统燃料不能满足大容量的需求，必须使用液态氢作为燃料。

氢是世界上最轻的物质之一。中国科学院物理与化学研究所的副研究员胡说，要把它冷却到20K(-253℃)并液化，“这将花费很大”

研究人员选择液化温度较低的氦来冷却氢。“冷却的原理并不新颖，但要实现稳定可靠的设备性能并不容易。”李庆说:“特别是当低温设备被应用时，它是最先进的技术，如航空航天、大型科学工程等。它甚至更加粗心。”

在几十年低温技术积累的基础上，研究人员突破了高速氦气轴承透平膨胀机稳定技术、超低泄漏率板翅式低温换热器设计制造技术、高精度油分离技术、气动低温调节阀制造技术和系统集成控制技术五大关键技术，建成了技术指标10kW/20K、氦气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。

“这是一个零突破。”李延忠说。专家一致认为，该项目打破了发达国家在液氢温区大规模低温制冷技术上的垄断，为自主开发系列产品奠定了基础，是自主开发大型关键基础设备的成功范例。

走向一个“更冷”的地方

事实上，在项目开发期间，该研究所的低温设备已经“热”了。目前，中国科学院内有五六个科研机构与该研究所签署了战略合作框架协议，旨在将低温设备应用于各自的科研工作。

在验收会议的同一天，中国科学院启动了大型低温制冷设备的第二阶段开发。开展低温区域大型低温设备(液氦/超流氦)的开发，促进大型低温制冷技术的可持续发展。

中国科学院兰州现代物理研究所党委书记、研究员赵宏伟是来参加验收会的用户之一。他对发展项目的第二阶段充满期待。

“目前，核废料的处理主要采用深埋方式，但是核废料的放射性期很长，一旦包装材料被破坏，将会给环境带来严重的污染。”赵宏伟说，“我们现在将使用加速器反应堆将核废料转化为短寿命同位素，但是这种新技术的前提是低温，特别是低于4.2K。”

项目的第二阶段将把温度降低到4.2K~2K。在这个温度下，氦也会变成液体和超流体，基本上覆盖了所有物理研究所需要的温度。

“温度越低，水平越高。”李青和他身后的中国低温团队也将朝着更高的低温水平迈进。