中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制的液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷裝備。 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所供圖
習(xí)近平總書記指出，“科技創(chuàng)新是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的核心要素”“要在以科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新方面下更大功夫”。
發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，必須以科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，及時(shí)將科技創(chuàng)新成果應(yīng)用到具體產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈上。近年來，科研機(jī)構(gòu)、高等院校和企業(yè)不斷加強(qiáng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新深度融合，加快科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，越來越多創(chuàng)新鏈上的“好技術(shù)”變成產(chǎn)業(yè)鏈上的“大應(yīng)用”，實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的同頻共振。
即日起，科技版推出“以科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”系列報(bào)道，通過記者在科研、生產(chǎn)一線的觀察，帶您感受創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展的強(qiáng)勁脈動(dòng)和科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新所釋放的澎湃動(dòng)能。
——編 者
創(chuàng)造一個(gè)超大深冷“冰箱”，提供20K（開爾文，20K即零下253攝氏度）以下甚至2K（零下271攝氏度）的超低溫環(huán)境，并保證百瓦級(jí)到萬瓦級(jí)連續(xù)穩(wěn)定工作——大型低溫制冷裝備憑借這一能力，被稱作“超級(jí)低溫工廠”。
科學(xué)上把20K稱為液氫溫區(qū)，2K為超流氦溫區(qū)。液氫至超流氦溫區(qū)的大型制冷裝備，在航天工程、氫能源儲(chǔ)運(yùn)、氦資源開發(fā)和許多大科學(xué)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)揮著重要的支撐作用。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)用的大型低溫制冷裝備幾乎全部依賴進(jìn)口。
中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱“中國科學(xué)院理化所”）科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過10多年持續(xù)攻關(guān)，攻克一系列關(guān)鍵核心技術(shù)，研制出20K到2K、百瓦到千瓦級(jí)（kW）的系列化大型低溫制冷裝備，讓“超級(jí)低溫工廠”實(shí)現(xiàn)了中國造，形成了從技術(shù)研發(fā)、工程示范到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整鏈條。
啃下自主研制大型低溫制冷裝備這塊“硬骨頭”
“大型低溫制冷裝備不在‘臺(tái)前’，但許多重要工作離不開它?！背Ｄ陱氖碌蜏卦O(shè)備研究，中國科學(xué)院理化所研究員胡忠軍對(duì)此體會(huì)深刻。
來到中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心大樓，站在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)介紹展板前，胡忠軍解釋：“氦氣在零下269攝氏度會(huì)成為液體，到零下271攝氏度就變成超流氦。為北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)這類粒子加速器中高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)磁體進(jìn)行冷卻的，正是大型低溫制冷裝備產(chǎn)生的液氦或者超流氦?！?/p>
不只是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，上海光源、高能同步輻射光源等大科學(xué)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)也離不開大型低溫制冷裝備。
“解決氫的大規(guī)模儲(chǔ)存與運(yùn)輸難題，大型低溫制冷裝備同樣關(guān)鍵?！焙臆娬f，氫氣密度遠(yuǎn)小于空氣，在常溫常壓下運(yùn)輸，體積非常龐大。如果用低溫大型制冷機(jī)將氫氣液化，體積可以減少至約1/800，極大降低運(yùn)輸成本。
據(jù)專家介紹，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國對(duì)大型低溫技術(shù)和裝備的需求日益迫切。但是，自主研制大型低溫制冷裝備，其難度超出預(yù)想。
“拿其中一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備透平膨脹機(jī)來說，它由氣體軸承支撐，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓周線速度極快，且軸承之間僅隔著厚度為頭發(fā)絲直徑1/5的氣膜?！焙臆娊榻B，怎么設(shè)計(jì)氣體軸承、如何保障轉(zhuǎn)子高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，都考驗(yàn)著科研人員的智慧。
像透平膨脹機(jī)這樣的挑戰(zhàn)，在大型低溫制冷裝備研制中還有很多?！按笮偷蜏刂评溲b備與大家常見的空調(diào)、冰箱不同，涉及多級(jí)壓力、溫度與制冷級(jí)，系統(tǒng)十分復(fù)雜?！敝袊茖W(xué)院理化所研究員劉立強(qiáng)說。他將攻堅(jiān)難點(diǎn)概括為“兩機(jī)一箱一集成”，即透平膨脹機(jī)、冷壓縮機(jī)，冷箱集成技術(shù)，以及整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制和調(diào)試。
“再難，也要啃下這塊‘硬骨頭’?！?009年，中國科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“低溫氦透平制冷機(jī)樣機(jī)研制”專項(xiàng)，作為項(xiàng)目承接單位，中國科學(xué)院理化所牽頭開展大型低溫制冷系統(tǒng)核心部件攻關(guān)和樣機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)研究。他們研制的國內(nèi)首臺(tái)制冷量為“2kW@20K”的氦透平制冷機(jī)，經(jīng)受住了連續(xù)運(yùn)行考驗(yàn)和測(cè)試，由此證明我國具備自主研制大型低溫制冷裝備的能力。
從2010年起，該所承擔(dān)財(cái)政部國家重大科研裝備研制專項(xiàng)任務(wù)，一場(chǎng)向更先進(jìn)大型低溫制冷裝備發(fā)起的沖刺開始了。
探索出一整套行之有效的工程化管理模式
從液氫溫區(qū)到液氦溫區(qū)再到超流氦溫區(qū)，溫度每下降1攝氏度或功率每增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，相關(guān)系統(tǒng)都需要重新設(shè)計(jì)，關(guān)鍵部件也要升級(jí)，研發(fā)難度隨之指數(shù)級(jí)增加。
走進(jìn)中國科學(xué)院理化所低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用中心，科研人員正盯著軸心軌跡試驗(yàn)平臺(tái)，查看、記錄高速轉(zhuǎn)子運(yùn)行參數(shù)。中國科學(xué)院理化所研究員彭楠告訴記者，團(tuán)隊(duì)正在研究新一代氣浮軸承，轉(zhuǎn)子速度有望達(dá)到每分鐘30萬轉(zhuǎn)。
制冷溫度越低，對(duì)透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的要求就越高。彭楠回憶，為研制高效且穩(wěn)定的軸承，他和同事夜以繼日地在實(shí)驗(yàn)室埋頭工作，一直持續(xù)了一年多。
氦氣螺桿壓縮機(jī)是氦氣低溫系統(tǒng)的動(dòng)力源，決定著低溫系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。胡忠軍介紹，科研人員大膽創(chuàng)新，一遍又一遍摸索，最終開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氦氣螺桿壓縮機(jī)。為了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成壓縮機(jī)測(cè)試等任務(wù)，團(tuán)隊(duì)與配套企業(yè)合作，加班加點(diǎn)，僅用1個(gè)月就完成了原本需要3個(gè)月的工作。
2010年10月至2014年12月，中國科學(xué)院理化所完成了國家財(cái)政專項(xiàng)Ⅰ期項(xiàng)目任務(wù)，研制出國內(nèi)首套液氫溫區(qū)萬瓦級(jí)大型低溫制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“10kW@20K”的既定目標(biāo)。
2015年4月，國家財(cái)政專項(xiàng)Ⅱ期“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”項(xiàng)目啟動(dòng)。5年多日夜奮戰(zhàn)，科研人員在原有成果基礎(chǔ)上，不僅自主研制出了技術(shù)指標(biāo)為“2500W@4.5K”和“500W@2K”的大型氦制冷機(jī)，還實(shí)現(xiàn)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)等在內(nèi)的技術(shù)突破。在大型液氦到超流氦溫區(qū)制冷技術(shù)上，我國自此跨入國際先進(jìn)行列。
通過承擔(dān)專項(xiàng)任務(wù)，中國科學(xué)院理化所探索出一整套行之有效的工程化管理模式。
攻關(guān)涉及領(lǐng)域廣、人員多，如何形成合力？“做好重大任務(wù)，必須組織好大團(tuán)隊(duì)?！敝袊茖W(xué)院理化所所長(zhǎng)王雪松介紹，他們成立了研究開發(fā)、系統(tǒng)集成和工程應(yīng)用3個(gè)課題組，組建低溫工程與系統(tǒng)應(yīng)用中心，形成了首席科學(xué)家領(lǐng)銜、科研骨干和技術(shù)支撐人員聯(lián)合攻關(guān)的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)模式。
項(xiàng)目難度大、系統(tǒng)集成復(fù)雜，如何確保研制進(jìn)度？王雪松說，所里采取行政、技術(shù)兩條線并行推進(jìn)模式，行政線抓管理、技術(shù)線抓節(jié)點(diǎn)，統(tǒng)籌把握各類任務(wù)實(shí)施進(jìn)度。
大型低溫制冷裝備研制走到今天，是中國科學(xué)院理化所幾代科研工作者接力傳承的結(jié)果。劉立強(qiáng)說，從20世紀(jì)50年代開始，包括洪朝生院士、周遠(yuǎn)院士在內(nèi)的老一輩科學(xué)家，為研究所低溫研究事業(yè)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)，“沒有前人的工作，就不會(huì)有今天的成就?！?/p>
聯(lián)合研制單位也有不少貢獻(xiàn)。以氦氣螺桿壓縮機(jī)研制為例，無錫錫壓壓縮機(jī)有限公司總工程師陸龍勝基于豐富的經(jīng)驗(yàn)，琢磨出了一套精巧的壓力調(diào)節(jié)裝置，解決了因吸氣壓力過高引起的停機(jī)難題；冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司暫停生產(chǎn)任務(wù)、為科研讓路，保障氦氣螺桿壓縮機(jī)順利測(cè)試……
“沒有強(qiáng)大的制造能力和相關(guān)單位協(xié)同攻關(guān)，科學(xué)家再好的想法也實(shí)現(xiàn)不了?！眲⒘?qiáng)說。
形成從技術(shù)研發(fā)、工程示范到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整鏈條
解決大型低溫制冷裝備“卡脖子”問題，單做出樣機(jī)不行，還需實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而不斷提升我國低溫產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新實(shí)力。
針對(duì)大型低溫制冷裝備應(yīng)用性強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)需求迫切的特點(diǎn)，不同于以往先實(shí)驗(yàn)室突破、再中試、再產(chǎn)業(yè)化的成果轉(zhuǎn)化路徑，中國科學(xué)院理化所在該裝備研制過程中創(chuàng)造性地探索出“邊研究、邊應(yīng)用、邊轉(zhuǎn)化”的發(fā)展模式。
“我們關(guān)注的不是低溫或大功率的指標(biāo)能‘刷’到多高，而是考慮是否滿足產(chǎn)業(yè)化需求?！眲⒘?qiáng)說，產(chǎn)品能不能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、成本如何、后續(xù)好不好維護(hù)等，都是科研人員關(guān)心的問題。
這種模式下，產(chǎn)出科研成果之日，就是產(chǎn)品下線之時(shí)。2016年，中國科學(xué)院理化所聯(lián)合社會(huì)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。
這樣做有何好處？“科研機(jī)構(gòu)長(zhǎng)于技術(shù)開發(fā)，企業(yè)長(zhǎng)于工程轉(zhuǎn)化，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，縮短了成果轉(zhuǎn)化周期，提升了我國低溫產(chǎn)業(yè)的水平?！敝锌聘缓６麻L(zhǎng)張彥奇說，大型低溫制冷裝備項(xiàng)目的實(shí)施，推動(dòng)我國在該領(lǐng)域形成了從技術(shù)研發(fā)、工程示范到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整鏈條。
在項(xiàng)目配套過程中，高端氦氣螺桿壓縮機(jī)、低溫?fù)Q熱器和低溫閥門等相關(guān)制造企業(yè)的創(chuàng)新能力顯著提升，我國初步形成了功能齊全、分工明確的低溫產(chǎn)業(yè)群。
張彥奇介紹，有科學(xué)家團(tuán)隊(duì)做技術(shù)后盾，中科富海得以保持戰(zhàn)略定力，堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)做產(chǎn)品。通過產(chǎn)學(xué)研合作，公司迅速成長(zhǎng)為低溫行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)。中科富海首次在國內(nèi)開發(fā)了系列化、多規(guī)格成套深冷區(qū)大型氫氦制冷裝備及液化裝置，讓中國在全球低溫大型制冷設(shè)備制造領(lǐng)域擁有一席之地。
超導(dǎo)加速器、航天器地面試驗(yàn)、先進(jìn)光源、聚變實(shí)驗(yàn)堆……今天，越來越多的國家重大工程用上了我國自主研制的大型低溫制冷裝備。值得一提的是，我國百瓦級(jí)氦制冷機(jī)和氫液化器還走出國門，在國外大科學(xué)工程中得到應(yīng)用。
低溫制冷技術(shù)研究沒有終點(diǎn)。量子科技、氦資源提取以及航天工程的快速發(fā)展，都對(duì)大型超流氦低溫裝備提出了更高要求。前瞻布局，中國科學(xué)院2020年部署萬瓦級(jí)液氦溫度大型制冷機(jī)核心技術(shù)攻關(guān)，2021年啟動(dòng)“大型低溫制冷機(jī)及提氦工程示范”先導(dǎo)專項(xiàng)。
“國家的需求就是我們努力的方向。中國科學(xué)院理化所將接力攻關(guān)，繼續(xù)打好大型低溫制冷裝備攻堅(jiān)戰(zhàn)，積極搶占低溫科研高地?！蓖跹┧烧Z氣堅(jiān)定。（喻思南）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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