打破壁障，我國自主研發(fā)出大型超流氦低溫制冷設(shè)備

對于溫度，大家都有一個(gè)比較清楚的認(rèn)知，比如說人類的正常體溫大約是在36.5℃，而水結(jié)冰的溫度剛好是0℃。一般來講，這個(gè)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，不能保證所測出的溫度就一定是某個(gè)極限。 不過，科學(xué)家們在熱力學(xué)領(lǐng)域提出了一個(gè)絕對零度的概念，指的就是熱力學(xué)中的最低溫度。絕對溫度的數(shù)值是零下273.15℃，這是目前人類給出的最小溫度理論極限值，但是卻無法真正地達(dá)到，因?yàn)樗皇且粋€(gè)下限值。
| 絕對零度 從熱力學(xué)的角度講，絕對零度的定義是粒子動(dòng)能低到量子力學(xué)最低點(diǎn)時(shí)物質(zhì)的溫度，只是這個(gè)最低點(diǎn)并不存在。所以對于科學(xué)家們而言，絕對零度只能作為一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)，它雖然有具體的數(shù)值（-273.15℃），但卻是一個(gè)不可能達(dá)到的下限，也無法進(jìn)行測算。
那么為什么還要定義絕對零度呢？因?yàn)樵谀承O為關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域，絕對零度的標(biāo)準(zhǔn)往往能提供重要的幫助。它是科學(xué)家們進(jìn)行技術(shù)研發(fā)的理論支持，也是一些系統(tǒng)的核心組成部分。比如說在低溫制冷系統(tǒng)方面，絕對零度的概念就扮演了一個(gè)關(guān)鍵性的角色，越是接近絕對零度的制冷系統(tǒng)，其效果就越好，而且作用范圍也越大，在軍工、生物制藥以及宇宙探索等領(lǐng)域，都能發(fā)揮出重要的作用。低溫制冷系統(tǒng)對技術(shù)的要求非常高，堪比芯片制造過程中的光刻機(jī)，而且其重要性有過之而無不及。
| 我國在低溫領(lǐng)域的成就 目前，我國已自主研制出超流氦（-271℃）大型低溫制冷系統(tǒng)，這一系統(tǒng)全面突破了大型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。
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)榱悖瑫霈F(xiàn)沿著杯壁流到杯外等奇特現(xiàn)象。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。
研究出大型、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的制冷設(shè)備是一個(gè)世界性難題。這個(gè)大型低溫制冷系統(tǒng)就像一個(gè)大冰箱，這個(gè)“大冰箱”要把溫度降低到-271℃，還要保證千瓦級、百瓦級的連續(xù)穩(wěn)定工作。當(dāng)溫度達(dá)到到-269℃之后，每下降1℃或功率每增加一個(gè)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。
目前我國能在液氦溫度（-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。更重要的是，項(xiàng)目的成功實(shí)施，培育了20余家優(yōu)秀配套企業(yè)，帶動(dòng)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，初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群。

| 為什么是氦氣 氦被稱為最不活潑的元素，通常情況下以氣體的形態(tài)存在，是一種無色、無味的氣體。氦氣具有極低的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，通過反復(fù)冷卻加壓得到液化后的氦（-269℃），其表面張力很小、導(dǎo)熱性很強(qiáng)、黏度極低，甚至液化后的氦可達(dá)到接近絕對零度的低溫。在-271℃時(shí)液化后的氦粘性會消失，它在任何東西上流動(dòng)都沒有阻力，甚至可以垂直的爬上容器的壁，其傳熱系數(shù)比銅還好。科學(xué)家把這種沒有阻力的流動(dòng)叫作超流。這些已知特性導(dǎo)致沒有任何低溫冷源能夠替代氦氣作為超級冷卻劑。

| 液氦和液氮有什么不同 在低溫技術(shù)領(lǐng)域，液氦和液氮是運(yùn)用最廣泛的冷卻劑和制冷劑。這兩種液相氣體，他們都擁有一個(gè)共同點(diǎn)那便是低溫制冷，但其實(shí)不同之處也有許多。
1、液氦和液氮最低溫度差距明顯
液氦可達(dá)到接近絕對零度的低溫，它的最低溫度可以達(dá)到-271℃。雖說液氮的低溫表現(xiàn)也是非常優(yōu)秀了，但它的最低溫度僅只有-196.56℃。 2、液氦和液氮的化學(xué)性質(zhì)大不相同
它們不作為產(chǎn)品制造的原材料，只作為冷卻液體，那么只降溫而不與原材料發(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，幾乎不與其他任何元素化合。作為制冷劑的液氦不會與冷卻目標(biāo)反應(yīng)，改變目標(biāo)的特性，這樣也不會產(chǎn)生多余的損耗。 液氮的性質(zhì)相較于液氦活潑很多，所以液氮是一種是普遍的實(shí)驗(yàn)室超低溫降溫方式，在一些量子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室中研究凝聚態(tài)的時(shí)候廣泛用到的降溫液體其實(shí)也就是液氮。
談到降溫液體的活潑性，有種氣體不得不提一下，那便是液氫。這東西理論上是可以作為降溫液體用的，而且性能可能比液氮還要好，畢竟液氫可以將溫度降低到-252.8℃，已經(jīng)十分接近于液氦的水平了。只不過要注意的一點(diǎn)是，液氫蒸發(fā)出來的就是氫氣，是極容易爆炸的危險(xiǎn)氣體。
3、液氦和液氮價(jià)格相差甚遠(yuǎn)
氦氣作為稀有氣體，它的獲取成本高，國內(nèi)市場95%的氦氣都依賴于進(jìn)口，所以價(jià)格坎比黃金。氮?dú)饩筒煌耍驗(yàn)榭諝庵泻孔疃嗟臍怏w就是氮?dú)?，獲取起來簡單方便，量還多，所以價(jià)格和氦氣就相差了好幾倍。
| 液氦的應(yīng)用 1、反映堆冷卻劑
核反應(yīng)堆的冷卻劑是指用來冷卻核反應(yīng)堆堆芯，并將堆芯所釋放的熱量載帶出核反應(yīng)堆的工作介質(zhì)，也稱載熱劑。對于此類冷卻劑，不僅需要滿足一般的熱工、水力學(xué)性能，還需要其熱中子吸收截面小、感生放射性弱、輻照穩(wěn)定性好，且能夠與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料有一個(gè)很好的相容性。常用的冷卻劑有輕水、重水、二氧化碳、氦氣等。目前我國的大型低溫冷卻系統(tǒng)已經(jīng)出口應(yīng)用于韓國核聚變大科學(xué)裝置（KSTAR）等項(xiàng)目。 2、超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用
液氦的超低溫冷卻技術(shù)在超導(dǎo)技術(shù)等領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。目前所有的超導(dǎo)材料需要在-130℃以下的低溫中才能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。但是，大多數(shù)情況下只有液氦能比較簡便地實(shí)現(xiàn)這樣的極低溫。低溫超導(dǎo)技術(shù)在電池相關(guān)的領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，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，都需要用到液氦。 同時(shí)，液氦以及超流氦溫區(qū)大型低溫制冷設(shè)備也是氦資源開采、航天工程、氫能利用、以及大科學(xué)裝置運(yùn)行不可替代的基礎(chǔ)支撐裝備。隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國已成為大型低溫制冷設(shè)備的使用大國。

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