大科学工程建设低温工程技术发展现状及前沿科学技术问题

张 玙 王国平 胡忠军 王美芬 李少鹏

(1中国科学院高能物理研究所 北京 100049)(2东莞中子科学中心 东莞 523803)(3中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室 北京 100190)

大科学工程建设低温工程技术发展现状及前沿科学技术问题

张 玙1,2王国平1,2胡忠军3王美芬1李少鹏1

(1中国科学院高能物理研究所 北京 100049)(2东莞中子科学中心 东莞 523803)(3中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室 北京 100190)

针对大科学工程中低温系统的应用开展研究，重点讨论了国内外典型的大科学工程中低温系统的应用情况，分析了各自的特点，总结提炼了低温工程技术发展相关的关键科学技术前沿问题，为大型低温系统的科学技术研究和应用提出了发展方向。

大科学工程 大型低温系统 制冷循环流程 冷压缩机

1 引 言

大科学工程是由国家统筹规划，财政拨款建设，用于基础科学研究的大型科研装置、设施或系统。大科学工程集合基础研究、应用研究、技术开发等任务于一体，涉及多学科、多领域的科学问题，并且需要聚集大量的科技资源和科学研究力量的复杂工程。大科学工程的设计、建设及应用，是推动国家科学事业发展的重要手段，也是国家科技发展水平和国家综合国力的体现。

目前，国际上在建和已建成运行的大科学工程中，以高能粒子加速器为代表的工程设施占有重要的一席之地。国际上一些主要的高能粒子加速器中，超导磁体和超导射频腔都被广泛应用于引导或加速粒子束流。维持这些超导设备的正常运行通常需要应用到低温系统。据报道，当前国际合作大科学工程装置中50%以上、美国中长期大科学工程中80%以上、中国大科学装置中60%以上都使用大型低温制冷设备[1]。为了应对随着大科学工程以及日益增多的大型低温制冷设备的需求，国外的大型低温制冷设备相关的技术得到快速发展，并且形成了专门生产大型低温制冷设备的跨国公司，如瑞士的林德公司、法国法液空公司等。近年来，随着中国低温超导技术的发展以及基础科学研究对大型低温制冷技术需求的增加，国内一大批大科学装置都配备了针对自身需要的低温制冷系统[1-3]。

本研究将针对大科学工程中低温系统的应用展开讨论，重点阐述国内外典型的大科学工程中低温系统的发展现状，并提炼其中的关键科学技术前沿问题，为大型低温系统的科学技术发展提出方向。

2 大科学工程低温系统发展现状

将结合典型的范例，介绍国内外已建成、在建或规划中的大科学装置的低温系统。

2.1 北京正负电子对撞机重大改造项目低温系统

北京正负电子对撞机(BEPC)始建于1984年，是中国探索和研究微观粒子的最大型的实验装置。随着高能物理和同步辐射研究对更高机器性能的要求，2004年BEPC进行二期工程重大改造BEPC II，改造后将表征对撞机性能的亮度指标提高100倍。BEPC II于2008年7月完成建设任务，2009年7月通过国家验收。BEPC II采用了先进的低温超导技术，包括两台超导腔(SRFC)，两台超导插入四极磁体(SCQ)和一台超导探测器磁体(SSM)。为此，BEPC II配备了大型低温制冷系统，由两台制冷能力为500 W@4.5 K的制冷机分别为磁体和超导腔提供冷量，总配电容量约800 kW，要求每年10个月不间断稳定运行。两套低温制冷机分别为用户提供冷量，但共用纯化、回收和贮存系统，目的是最大程度减少用户之间的互相干扰，便于系统维护，保证用户能够长期稳定运行。

图1所示为BEPC II低温系统的流程简图[2]。

图1 BEPC II低温系统流程简图(上图为超导磁体侧，下图为超导腔侧)Fig.1 Flow chart of BEPC II cryogenic system (Above: cryogenic system for superconducting magnet, below: cryogenic system for superconducting cavity)

其中，超导磁体低温系统包括SCQ和SSM超导磁体、一台500 W@4.5 K制冷机和一个1 000 L控制杜瓦和阀箱。SSM磁体属于大型薄壁超导螺线管磁体，采用气液两相氦间接冷却方式；SCQ磁体冷却通道十分紧凑，为防止磁体局部过热导致失超，采用单相氦流冷却。超导腔低温系统主要由一个超导腔测试站，两台运行位置超导腔，一台2 000 L杜瓦、一台500 W@4.5 K制冷机，以及公用的控制和分配低温流体的超导腔阀箱组成。超导腔放置在有真空隔绝的液氦容器中，采用液氦浸泡冷却，外面设置液氮冷却的80 K冷屏。

BEPC II低温系统的特点是用户多且用户需求不同，因而导致低温系统流程接口复杂。BEPC II低温系统从工程设计开始到建设完成投入运行，总历时4年多，于2007年6月完成建设。

2.2 先进实验超导托卡马克低温系统

中国科学院等离子体所建造的先进实验超导托卡马克(EAST)是中国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置：具有会改善等离子体约束状况的大拉长非圆截面的等离子体位形，它的建成使中国磁约束核聚变研究进入世界前沿。EAST装置中的纵场和极向场均采用NbTi超导材料制造的超导磁体，为维持磁体的超导状态，建造了配套的低温系统，分别为工作在3.8 K温度下的超导磁铁、冷端工作温度为4.5 K的支撑和电流引线以及工作温度为80 K的杜瓦和冷屏提供冷量。EAST装置低温系统由压缩机站、氦制冷机和低温分配系统组成[3]。氦制冷机的设计制冷量为1 050 W@3.5 K+200 W@4.5 K+13 g/s LHe+13 kW@80 K总当量制冷量为2 kW@4.5 K。图2为EAST装置低温系统简图。

图2 EAST装置低温系统简图Fig.2 Flow chart of EAST cryogenic system

2.3 中国散裂中子源低温系统

中国散裂中子源(CSNS)是采用加速后的质子束流打击重金属靶体材料产生快中子，快中子在慢化器中与慢化剂发生碰撞，速度减小能量降低，变成所需要的冷中子。CSNS的一期工程质子束流设计功率是100 kW，靶站采用了退耦合水慢化器，耦合氢慢化器和窄化退耦合氢慢化器3种慢化器。CSNS低温系统的任务是为散裂中子源靶站提供20 K的低温环境，通过氢循环系统为慢化器提供液氢，带走中子慢化器中产生的热量，从而保证中子慢化器内的温度恒定。CSNS低温系统流程简图如图3所示，主要包括氦制冷系统、氢循环系统以及氢安全系统，根据设计要求，氦制冷机冷量设计为2 200 W@20 K。

图3 CSNS低温系统流程简图Fig.3 Flow chart of CSNS cryogenic system

CSNS工程于2011年开工，目前正在积极建设中，低温系统已经完成了氦制冷机的采购以及氢循环系统关键设备的研制，即将进行设备调试及系统整体调试。

2.4 大型环形正负电子对撞机低温系统

在2012年“第二届中国高能物理加速器物理战略发展研讨会”上，中国科学家提出建造周长在50—70 km加速器的建议。该项目一期工程是质心能量为240 GeV的高能正负电子撞机(CEPC)，作为Higgs工程，对Higgs的物理性质进行精细的研究。CEPC初步概念设计中提出，CEPC全环54 km，CEPC大型粒子探测器的内部共有640只超导腔：增强器环上采用256只1.3GHz 9-cell超导腔，每8只超导腔共用一台12 m长的低温恒温器，共有32台这样的超导腔恒温器；在主环采用384只650 MHz 5-cell超导腔，每4只超导腔共用一个10 m长的低温恒温器，共有96台这样的超导腔恒温器。根据初步概念设计，CEPC低温系统4.5 K下等效总体制冷量为78.6 kW，共设置有8个低温站点。每个低温站点将建有一套独立的制冷机系统，每套制冷机的制冷能力将达到12 kW@4.5 K。CEPC所有超导腔都设计工作在2 K温区，由制冷机提供的4.5 K液氦输送到超导设备后，经过一个相分离器和逆流换热器后4.5 K液氦与返回的2 K冷氦气进行热交换，温度进一步降低，然后经过JT阀节流和减压降温后获得3 100 Pa的2 K超流氦。超导腔浸泡在2 K饱和液氦中，蒸发的低压氦蒸气通过回气管线被抽走并回到制冷机系统内。CEPC低温系统设计目标为长期全自动运行，因此设备和系统的可靠性和稳定性是设计的关键所在。

2.5 欧洲核子中心的大型强子对撞机低温系统

欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)是目前世界上最高能量的强子对撞机，配备了性能强大的低温系统，包括1.8 K制冷和分配系统，总的氦制冷量为144 kW@4.5 K+20 kW@1.9 K。LHC环分为8个扇形区域，每个扇形区域长约3.3 km，分别由一台18 kW@4.5 K的氦制冷机以及一台2.4 kW@1.8 K的氦制冷机提供冷量。图4及图5所示为Air Liquide公司分别为LHC低温系统设计制造的4.5 K制冷机以及1.8 K制冷装置的流程简图，可以看到，4.5 K低温系统由于冷量需求巨大，共采用了8台透平[4]。超导磁体浸泡在4.5 K的饱和液氦中，通过进一步降压至14.5×102Pa使得饱和氦降温至1.8 K[5]。在1.8 K的低温系统中使用了3台串联的冷压缩机以及两台并联的螺杆式压缩机，最终使得氦气恢复到3.2×105Pa@300 K的状态。LHC低温系统热负荷大，用户分散分布，系统关键设备较多，流程复杂。LHC低温系统于2006年完成了建设，总制冷量为8×18 kW@4.5 K以及8×2.4 kW@1.8 K，2007年开始降温达到1.8 K。

图4 Air Liquide为LHC设计制造的4.5 K低温系统Fig.4 Flow chart of LHC cryogenic system at 4.5 K (Design by Air Liquide)

图5 Air Liquide为LHC设计制造的1.8 K低温系统Fig.5 Flow chart of LHC cryogenic system at 1.8 K (Design by Air Liquide)

2.6 国际热核聚变实验堆低温系统

建造在法国南部的国际热核聚变实验反应堆(ITER)，是世界上最大的大科学工程国际合作计划之一，也是迄今中国参加的规模最大的国际科技合作计划。作为世界上最大的托卡马克装置，磁场强度达到5.3 T，最大电流达到17 MA，需要把9 400 t的低温管道和磁铁降温到4.3 K。因此，ITER低温系统主要是为超导磁铁、电流引线、液氮冷屏提供冷量，包括65 kW@4.5 K和1 300 kW@80 K两套低温系统。其中65 kW@ 4.5 K氦低温制冷系统的冷量分配如下：(1)冷却超导磁铁系统：31 kW@4.5 K；(2)冷却电流引线：150 g/ s的液氦流量；(3)冷却低温泵，并且经常再生：4 kW@4.5 K与60 g/s的液氦流量；(4)其它用途：2 kW@4.5 kW。另外，1 300 kW@ 80K液氮制冷机主要有以下用途：(1)液氮冷屏：830 kW@80 K；(2)液氦制冷机的预冷工质：280 kW@80 K；(3)作为高温超导的备用冷量：300 kW@80 K[6]。

图6 ITER低温系统流程简图Fig.6 Flow chart of ITER cryogenic system

3 大科学工程低温系统前沿科学技术问题

各项大科学工程中，通常需要应用大型低温系统来产生低温超导强磁场的条件，低温领域的科学技术也随着其应用而日益发展和面临新的挑战，以满足不断发展的科学研究的需求。为此，将针对大科学工程低温系统的前沿科学研究展开讨论，探索低温工程技术发展的新方向。

首先，大型低温系统流程复杂，涉及的设备多，接口复杂，通常要求具备多种运行模式如降温、升温、实验、待机等等，可靠性要求高。因此，在综合考虑用户冷量需求、设备体积、可靠性和经济性等因素的条件下，合理的简化优化流程，是当前大型低温系统流程设计的重点研究方向。采用计算机辅助设计、低温循环流程建模、优化和创新，能够实现系统过程的动态模拟，使得低温系统在一定程度上提高效率，是大型低温系统流程发展的新趋势[7]。

其次，超流氦冷却方式在超导磁体和超导加速腔的冷却中的应用越来越广泛。从国外超流氦的使用时间和规模上看，2 K超流氦低温系统在核聚变实验装置、高能粒子加速器、超导磁体储能系统、磁流体和强磁场研究等大科学工程方面的应用将会越来越广泛。Linde AG公司和Air Liquid目前均能生产制造大型的超流氦制冷机。但由于需要投入大量人力和财力等众多原因导致中国在该方向上刚刚起步，对于超流氦制冷循环研究和应用也远落后于国外。因此，针对超流氦冷却循环的设计研究对于推动国内的超流氦制冷技术的发展，缩小与国外的差距有着重要意义。

再次，低温系统关键设备性能的好坏，直接影响着整个低温系统的效率及其稳定性。低温关键设备包括螺杆式压缩机、透平膨胀机、节流阀、冷压缩机、低温液体循环泵、低温换热器等，这些设备在实现传热传质的同时，又具有复杂的机械运动过程。以冷压缩机为例，其关键技术难点之一在于冷压缩机的稳定性：一方面是冷压缩机稳定工作区域，另一方面是气体轴承的稳定性。由于目前对冷压缩机的喘振、堵塞等现象的机理还掌握得不够，从理论上比较正确地计算出性能曲线及喘振工况点还比较困难，必须通过理论及试验研究确认冷压缩机稳定工作区的范围。此外，冷压缩机电机和轴承放置在常温端所带来的漏热会降低冷压缩机的压缩效率。如何通过合理的结构设计，使得冷压缩机在保证压缩效率的同时尽可能的减少漏热，也是当前的重点研究方向。

大型低温系统建设过程中涉及到的科学问题诸多，在探索冷却方式创新的同时，设计并优化低温制冷装置流程，解决低温流体传输过程中的流动和传热问题，提高流程和设备的可靠性。

4 小 结

随着大科学工程的不断建设发展，低温技术在大型超导磁体中的应用将得到进一步的促进和推动。国内外科学装置上，低温系统的规模尚存在很大的差距。国产低温系统的规模、热力学效率、设备的可靠性还有待于进一步提高，依托中国国内科研力量开创自主创新，推动低温技术国产化、低温设备产业化发展。

1 邱一男, 罗叶欣, 张 宁, 等. 大型氦低温制冷系统在大科学装置中的应用[J]. 真空与低温, 2011, 增刊1: 264-268.

QiuYinan, Luo Yexin, Zhang Ning, et al. Application of large cryogenic helium system in large scientific facilities[J]. Vacuum & Cryogenics, 2011, supplement 1: 264-268.

2 李少鹏, 何 昆, 葛 锐, 等. BEPC II低温系统建设[C]. 第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会,北京. 2007: 157-165.

Li Shaopeng, He Kun, Ge Rui, et al. Construction of BEPC II cryogenic system[C]. The 8th National Conference on Cryogenic Engineering & China Aerospace of Cryogenic Information Network Conference. Beijing， 2007:157-165.

3 庄 明, 胡良兵, 冯汉升, 等. EAST装置低温系统运行状况分析[J]. 中国核科学技术进展报告(第一卷), 2009(1): 43-47.

Zhuang Ming, Hu Liangbing, Feng Hansheng, et al. Analysis of low-temperature EAST system operation unit[J]. Progress Report on China Nuclear Science & Technology, 2009( 1): 43-47.

4 Claudet S. Design, construction, installation and first commissioning results of the LHC cryogenic system[C]. Proceedings of EPAC. Edinburgh, Scotland， 2006: 3626-3630.

5 Bradu B, Gayet P, Niculescu S I. Dynamic simulation of a 1.8K refrigeration unit for the LHC[C]. Proceedings of ICEC22-ICMC, Seoul, Korea， 2008: 5525-530.

6 Kalinin V, Tada E, Millet E, et al. ITER cryogenic system[J]. Fusion Engineering and Design, 2006, 81(23-24): 2589-2595.

7 吕 翠, 伍继浩, 李 青. 动态仿真在大型低温氦制冷系统中的应用[J]. 低温与超导, 2015, 43(7): 7-13.

Lv Cui, Wu Jihao, Li Qing. Application of dynamic simulation in large scale helium cryogenic systems[J]. Cryogenics & Superconductivity,2015, 43(7): 7-13.

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

中国科学院低温工程学重点实验室开放课题资助(CRYO201407)。

张 玙，女，30岁，工程师。

TB65,TB66

A

1000-6516(2016)03-0017-06