張 玙 王國平 胡忠軍 王美芬 李少鵬

(1中國科學院高能物理研究所 北京 100049)(2東莞中子科學中心 東莞 523803)(3中國科學院理化技術(shù)研究所低溫工程學重點實驗室 北京 100190)

大科學工程建設(shè)低溫工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前沿科學技術(shù)問題

張 玙1,2王國平1,2胡忠軍3王美芬1李少鵬1

(1中國科學院高能物理研究所 北京 100049)(2東莞中子科學中心 東莞 523803)(3中國科學院理化技術(shù)研究所低溫工程學重點實驗室 北京 100190)

針對大科學工程中低溫系統(tǒng)的應(yīng)用開展研究，重點討論了國內(nèi)外典型的大科學工程中低溫系統(tǒng)的應(yīng)用情況，分析了各自的特點，總結(jié)提煉了低溫工程技術(shù)發(fā)展相關(guān)的關(guān)鍵科學技術(shù)前沿問題，為大型低溫系統(tǒng)的科學技術(shù)研究和應(yīng)用提出了發(fā)展方向。

大科學工程 大型低溫系統(tǒng) 制冷循環(huán)流程 冷壓縮機

1 引 言

大科學工程是由國家統(tǒng)籌規(guī)劃，財政撥款建設(shè)，用于基礎(chǔ)科學研究的大型科研裝置、設(shè)施或系統(tǒng)。大科學工程集合基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)開發(fā)等任務(wù)于一體，涉及多學科、多領(lǐng)域的科學問題，并且需要聚集大量的科技資源和科學研究力量的復(fù)雜工程。大科學工程的設(shè)計、建設(shè)及應(yīng)用，是推動國家科學事業(yè)發(fā)展的重要手段，也是國家科技發(fā)展水平和國家綜合國力的體現(xiàn)。

目前，國際上在建和已建成運行的大科學工程中，以高能粒子加速器為代表的工程設(shè)施占有重要的一席之地。國際上一些主要的高能粒子加速器中，超導磁體和超導射頻腔都被廣泛應(yīng)用于引導或加速粒子束流。維持這些超導設(shè)備的正常運行通常需要應(yīng)用到低溫系統(tǒng)。據(jù)報道，當前國際合作大科學工程裝置中50%以上、美國中長期大科學工程中80%以上、中國大科學裝置中60%以上都使用大型低溫制冷設(shè)備[1]。為了應(yīng)對隨著大科學工程以及日益增多的大型低溫制冷設(shè)備的需求，國外的大型低溫制冷設(shè)備相關(guān)的技術(shù)得到快速發(fā)展，并且形成了專門生產(chǎn)大型低溫制冷設(shè)備的跨國公司，如瑞士的林德公司、法國法液空公司等。近年來，隨著中國低溫超導技術(shù)的發(fā)展以及基礎(chǔ)科學研究對大型低溫制冷技術(shù)需求的增加，國內(nèi)一大批大科學裝置都配備了針對自身需要的低溫制冷系統(tǒng)[1-3]。

本研究將針對大科學工程中低溫系統(tǒng)的應(yīng)用展開討論，重點闡述國內(nèi)外典型的大科學工程中低溫系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提煉其中的關(guān)鍵科學技術(shù)前沿問題，為大型低溫系統(tǒng)的科學技術(shù)發(fā)展提出方向。

2 大科學工程低溫系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

將結(jié)合典型的范例，介紹國內(nèi)外已建成、在建或規(guī)劃中的大科學裝置的低溫系統(tǒng)。

2.1 北京正負電子對撞機重大改造項目低溫系統(tǒng)

北京正負電子對撞機(BEPC)始建于1984年，是中國探索和研究微觀粒子的最大型的實驗裝置。隨著高能物理和同步輻射研究對更高機器性能的要求，2004年BEPC進行二期工程重大改造BEPC II，改造后將表征對撞機性能的亮度指標提高100倍。BEPC II于2008年7月完成建設(shè)任務(wù)，2009年7月通過國家驗收。BEPC II采用了先進的低溫超導技術(shù)，包括兩臺超導腔(SRFC)，兩臺超導插入四極磁體(SCQ)和一臺超導探測器磁體(SSM)。為此，BEPC II配備了大型低溫制冷系統(tǒng)，由兩臺制冷能力為500 W@4.5 K的制冷機分別為磁體和超導腔提供冷量，總配電容量約800 kW，要求每年10個月不間斷穩(wěn)定運行。兩套低溫制冷機分別為用戶提供冷量，但共用純化、回收和貯存系統(tǒng)，目的是最大程度減少用戶之間的互相干擾，便于系統(tǒng)維護，保證用戶能夠長期穩(wěn)定運行。

圖1所示為BEPC II低溫系統(tǒng)的流程簡圖[2]。

圖1 BEPC II低溫系統(tǒng)流程簡圖(上圖為超導磁體側(cè)，下圖為超導腔側(cè))Fig.1 Flow chart of BEPC II cryogenic system (Above: cryogenic system for superconducting magnet, below: cryogenic system for superconducting cavity)

其中，超導磁體低溫系統(tǒng)包括SCQ和SSM超導磁體、一臺500 W@4.5 K制冷機和一個1 000 L控制杜瓦和閥箱。SSM磁體屬于大型薄壁超導螺線管磁體，采用氣液兩相氦間接冷卻方式；SCQ磁體冷卻通道十分緊湊，為防止磁體局部過熱導致失超，采用單相氦流冷卻。超導腔低溫系統(tǒng)主要由一個超導腔測試站，兩臺運行位置超導腔，一臺2 000 L杜瓦、一臺500 W@4.5 K制冷機，以及公用的控制和分配低溫流體的超導腔閥箱組成。超導腔放置在有真空隔絕的液氦容器中，采用液氦浸泡冷卻，外面設(shè)置液氮冷卻的80 K冷屏。

BEPC II低溫系統(tǒng)的特點是用戶多且用戶需求不同，因而導致低溫系統(tǒng)流程接口復(fù)雜。BEPC II低溫系統(tǒng)從工程設(shè)計開始到建設(shè)完成投入運行，總歷時4年多，于2007年6月完成建設(shè)。

2.2 先進實驗超導托卡馬克低溫系統(tǒng)

中國科學院等離子體所建造的先進實驗超導托卡馬克(EAST)是中國自行設(shè)計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置：具有會改善等離子體約束狀況的大拉長非圓截面的等離子體位形，它的建成使中國磁約束核聚變研究進入世界前沿。EAST裝置中的縱場和極向場均采用NbTi超導材料制造的超導磁體，為維持磁體的超導狀態(tài)，建造了配套的低溫系統(tǒng)，分別為工作在3.8 K溫度下的超導磁鐵、冷端工作溫度為4.5 K的支撐和電流引線以及工作溫度為80 K的杜瓦和冷屏提供冷量。EAST裝置低溫系統(tǒng)由壓縮機站、氦制冷機和低溫分配系統(tǒng)組成[3]。氦制冷機的設(shè)計制冷量為1 050 W@3.5 K+200 W@4.5 K+13 g/s LHe+13 kW@80 K總當量制冷量為2 kW@4.5 K。圖2為EAST裝置低溫系統(tǒng)簡圖。

圖2 EAST裝置低溫系統(tǒng)簡圖Fig.2 Flow chart of EAST cryogenic system

2.3 中國散裂中子源低溫系統(tǒng)

中國散裂中子源(CSNS)是采用加速后的質(zhì)子束流打擊重金屬靶體材料產(chǎn)生快中子，快中子在慢化器中與慢化劑發(fā)生碰撞，速度減小能量降低，變成所需要的冷中子。CSNS的一期工程質(zhì)子束流設(shè)計功率是100 kW，靶站采用了退耦合水慢化器，耦合氫慢化器和窄化退耦合氫慢化器3種慢化器。CSNS低溫系統(tǒng)的任務(wù)是為散裂中子源靶站提供20 K的低溫環(huán)境，通過氫循環(huán)系統(tǒng)為慢化器提供液氫，帶走中子慢化器中產(chǎn)生的熱量，從而保證中子慢化器內(nèi)的溫度恒定。CSNS低溫系統(tǒng)流程簡圖如圖3所示，主要包括氦制冷系統(tǒng)、氫循環(huán)系統(tǒng)以及氫安全系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計要求，氦制冷機冷量設(shè)計為2 200 W@20 K。

圖3 CSNS低溫系統(tǒng)流程簡圖Fig.3 Flow chart of CSNS cryogenic system

CSNS工程于2011年開工，目前正在積極建設(shè)中，低溫系統(tǒng)已經(jīng)完成了氦制冷機的采購以及氫循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的研制，即將進行設(shè)備調(diào)試及系統(tǒng)整體調(diào)試。

2.4 大型環(huán)形正負電子對撞機低溫系統(tǒng)

在2012年“第二屆中國高能物理加速器物理戰(zhàn)略發(fā)展研討會”上，中國科學家提出建造周長在50—70 km加速器的建議。該項目一期工程是質(zhì)心能量為240 GeV的高能正負電子撞機(CEPC)，作為Higgs工程，對Higgs的物理性質(zhì)進行精細的研究。CEPC初步概念設(shè)計中提出，CEPC全環(huán)54 km，CEPC大型粒子探測器的內(nèi)部共有640只超導腔：增強器環(huán)上采用256只1.3GHz 9-cell超導腔，每8只超導腔共用一臺12 m長的低溫恒溫器，共有32臺這樣的超導腔恒溫器；在主環(huán)采用384只650 MHz 5-cell超導腔，每4只超導腔共用一個10 m長的低溫恒溫器，共有96臺這樣的超導腔恒溫器。根據(jù)初步概念設(shè)計，CEPC低溫系統(tǒng)4.5 K下等效總體制冷量為78.6 kW，共設(shè)置有8個低溫站點。每個低溫站點將建有一套獨立的制冷機系統(tǒng)，每套制冷機的制冷能力將達到12 kW@4.5 K。CEPC所有超導腔都設(shè)計工作在2 K溫區(qū)，由制冷機提供的4.5 K液氦輸送到超導設(shè)備后，經(jīng)過一個相分離器和逆流換熱器后4.5 K液氦與返回的2 K冷氦氣進行熱交換，溫度進一步降低，然后經(jīng)過JT閥節(jié)流和減壓降溫后獲得3 100 Pa的2 K超流氦。超導腔浸泡在2 K飽和液氦中，蒸發(fā)的低壓氦蒸氣通過回氣管線被抽走并回到制冷機系統(tǒng)內(nèi)。CEPC低溫系統(tǒng)設(shè)計目標為長期全自動運行，因此設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性是設(shè)計的關(guān)鍵所在。

2.5 歐洲核子中心的大型強子對撞機低溫系統(tǒng)

歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)是目前世界上最高能量的強子對撞機，配備了性能強大的低溫系統(tǒng)，包括1.8 K制冷和分配系統(tǒng)，總的氦制冷量為144 kW@4.5 K+20 kW@1.9 K。LHC環(huán)分為8個扇形區(qū)域，每個扇形區(qū)域長約3.3 km，分別由一臺18 kW@4.5 K的氦制冷機以及一臺2.4 kW@1.8 K的氦制冷機提供冷量。圖4及圖5所示為Air Liquide公司分別為LHC低溫系統(tǒng)設(shè)計制造的4.5 K制冷機以及1.8 K制冷裝置的流程簡圖，可以看到，4.5 K低溫系統(tǒng)由于冷量需求巨大，共采用了8臺透平[4]。超導磁體浸泡在4.5 K的飽和液氦中，通過進一步降壓至14.5×102Pa使得飽和氦降溫至1.8 K[5]。在1.8 K的低溫系統(tǒng)中使用了3臺串聯(lián)的冷壓縮機以及兩臺并聯(lián)的螺桿式壓縮機，最終使得氦氣恢復(fù)到3.2×105Pa@300 K的狀態(tài)。LHC低溫系統(tǒng)熱負荷大，用戶分散分布，系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備較多，流程復(fù)雜。LHC低溫系統(tǒng)于2006年完成了建設(shè)，總制冷量為8×18 kW@4.5 K以及8×2.4 kW@1.8 K，2007年開始降溫達到1.8 K。

圖4 Air Liquide為LHC設(shè)計制造的4.5 K低溫系統(tǒng)Fig.4 Flow chart of LHC cryogenic system at 4.5 K (Design by Air Liquide)

圖5 Air Liquide為LHC設(shè)計制造的1.8 K低溫系統(tǒng)Fig.5 Flow chart of LHC cryogenic system at 1.8 K (Design by Air Liquide)

2.6 國際熱核聚變實驗堆低溫系統(tǒng)

建造在法國南部的國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆(ITER)，是世界上最大的大科學工程國際合作計劃之一，也是迄今中國參加的規(guī)模最大的國際科技合作計劃。作為世界上最大的托卡馬克裝置，磁場強度達到5.3 T，最大電流達到17 MA，需要把9 400 t的低溫管道和磁鐵降溫到4.3 K。因此，ITER低溫系統(tǒng)主要是為超導磁鐵、電流引線、液氮冷屏提供冷量，包括65 kW@4.5 K和1 300 kW@80 K兩套低溫系統(tǒng)。其中65 kW@ 4.5 K氦低溫制冷系統(tǒng)的冷量分配如下：(1)冷卻超導磁鐵系統(tǒng)：31 kW@4.5 K；(2)冷卻電流引線：150 g/ s的液氦流量；(3)冷卻低溫泵，并且經(jīng)常再生：4 kW@4.5 K與60 g/s的液氦流量；(4)其它用途：2 kW@4.5 kW。另外，1 300 kW@ 80K液氮制冷機主要有以下用途：(1)液氮冷屏：830 kW@80 K；(2)液氦制冷機的預(yù)冷工質(zhì)：280 kW@80 K；(3)作為高溫超導的備用冷量：300 kW@80 K[6]。

圖6 ITER低溫系統(tǒng)流程簡圖Fig.6 Flow chart of ITER cryogenic system

3 大科學工程低溫系統(tǒng)前沿科學技術(shù)問題

各項大科學工程中，通常需要應(yīng)用大型低溫系統(tǒng)來產(chǎn)生低溫超導強磁場的條件，低溫領(lǐng)域的科學技術(shù)也隨著其應(yīng)用而日益發(fā)展和面臨新的挑戰(zhàn)，以滿足不斷發(fā)展的科學研究的需求。為此，將針對大科學工程低溫系統(tǒng)的前沿科學研究展開討論，探索低溫工程技術(shù)發(fā)展的新方向。

首先，大型低溫系統(tǒng)流程復(fù)雜，涉及的設(shè)備多，接口復(fù)雜，通常要求具備多種運行模式如降溫、升溫、實驗、待機等等，可靠性要求高。因此，在綜合考慮用戶冷量需求、設(shè)備體積、可靠性和經(jīng)濟性等因素的條件下，合理的簡化優(yōu)化流程，是當前大型低溫系統(tǒng)流程設(shè)計的重點研究方向。采用計算機輔助設(shè)計、低溫循環(huán)流程建模、優(yōu)化和創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)過程的動態(tài)模擬，使得低溫系統(tǒng)在一定程度上提高效率，是大型低溫系統(tǒng)流程發(fā)展的新趨勢[7]。

其次，超流氦冷卻方式在超導磁體和超導加速腔的冷卻中的應(yīng)用越來越廣泛。從國外超流氦的使用時間和規(guī)模上看，2 K超流氦低溫系統(tǒng)在核聚變實驗裝置、高能粒子加速器、超導磁體儲能系統(tǒng)、磁流體和強磁場研究等大科學工程方面的應(yīng)用將會越來越廣泛。Linde AG公司和Air Liquid目前均能生產(chǎn)制造大型的超流氦制冷機。但由于需要投入大量人力和財力等眾多原因?qū)е轮袊谠摲较蛏蟿倓偲鸩?，對于超流氦制冷循環(huán)研究和應(yīng)用也遠落后于國外。因此，針對超流氦冷卻循環(huán)的設(shè)計研究對于推動國內(nèi)的超流氦制冷技術(shù)的發(fā)展，縮小與國外的差距有著重要意義。

再次，低溫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備性能的好壞，直接影響著整個低溫系統(tǒng)的效率及其穩(wěn)定性。低溫關(guān)鍵設(shè)備包括螺桿式壓縮機、透平膨脹機、節(jié)流閥、冷壓縮機、低溫液體循環(huán)泵、低溫換熱器等，這些設(shè)備在實現(xiàn)傳熱傳質(zhì)的同時，又具有復(fù)雜的機械運動過程。以冷壓縮機為例，其關(guān)鍵技術(shù)難點之一在于冷壓縮機的穩(wěn)定性：一方面是冷壓縮機穩(wěn)定工作區(qū)域，另一方面是氣體軸承的穩(wěn)定性。由于目前對冷壓縮機的喘振、堵塞等現(xiàn)象的機理還掌握得不夠，從理論上比較正確地計算出性能曲線及喘振工況點還比較困難，必須通過理論及試驗研究確認冷壓縮機穩(wěn)定工作區(qū)的范圍。此外，冷壓縮機電機和軸承放置在常溫端所帶來的漏熱會降低冷壓縮機的壓縮效率。如何通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得冷壓縮機在保證壓縮效率的同時盡可能的減少漏熱，也是當前的重點研究方向。

大型低溫系統(tǒng)建設(shè)過程中涉及到的科學問題諸多，在探索冷卻方式創(chuàng)新的同時，設(shè)計并優(yōu)化低溫制冷裝置流程，解決低溫流體傳輸過程中的流動和傳熱問題，提高流程和設(shè)備的可靠性。

4 小 結(jié)

隨著大科學工程的不斷建設(shè)發(fā)展，低溫技術(shù)在大型超導磁體中的應(yīng)用將得到進一步的促進和推動。國內(nèi)外科學裝置上，低溫系統(tǒng)的規(guī)模尚存在很大的差距。國產(chǎn)低溫系統(tǒng)的規(guī)模、熱力學效率、設(shè)備的可靠性還有待于進一步提高，依托中國國內(nèi)科研力量開創(chuàng)自主創(chuàng)新，推動低溫技術(shù)國產(chǎn)化、低溫設(shè)備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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Review of cryogenic development and advance research in large scientific projects

Zhang Yu1,2Wang Guoping1,2Hu Zhongjun3Wang Meifeng1Li Shaopeng1

(1Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences (CAS)，Beijing 100049, China )(2Dongguan Neutron Science Center, Dongguan 523803, China)(3Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Science, Beijing 100190,China)

Typical cryogenic system in large science project was studied, and emphasis was focused on its own characteristic and application. Relevant science problems were extracted and future development directions were proposed based on the development of cryogenic engineering and technologies.

large scientific projects;large cryogenic system;cryogenic circulation system;cold compressor

2016-04-11；

2016-06-05

中國科學院低溫工程學重點實驗室開放課題資助(CRYO201407)。

張 玙，女，30歲，工程師。

TB65,TB66

A

1000-6516(2016)03-0017-06