大型超流氦低温冷却系统的研究进展

何超峰，郁欢强，孙兴中，陈耀锋，武义锋，周家屹，张华标

（1.中国电子科技集团公司第十六研究所，合肥230043；2.安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥230088）

大型超流氦低温冷却系统的研究进展

何超峰1，2，郁欢强2，孙兴中2，陈耀锋2，武义锋1，2，周家屹1，2，张华标1，2

（1.中国电子科技集团公司第十六研究所，合肥230043；2.安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥230088）

低温超导技术在基础科学研究中的广泛应用，极大的带动了低温工程的技术发展。通过介绍超流氦在大型低温系统中的应用优势，国内外几个典型超流氦低温冷却系统的流程、性能指标以及运行情况。分析了大型超流氦低温冷却系统的主要设备构成、热力循环方案以及关键设备、关键技术突破方向。

超流氦；低温系统；超导

0　引言

1911年，荷兰莱顿大学的Onnes意外的发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来又发现许多金属和合金都具有与汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于其特殊导电性能，Onnes称之为超导态。导体没有了电阻，电流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力的在导线中形成强大的电流，因此可以形成强大的磁场，这是超导体最典型的特性之一。近年来，超导技术在科研和工业中的应用越来越广泛，如在核聚变实验装置、高能粒子加速器、超导磁体储能系统、磁流体（MHD）、强磁场研究、化学分析（Nuclear MagneticResonance Spectroscopy）、医学（MRI）、运输系统（磁悬浮列车）、超导电力传输、超导电机[1]方面的应用等，已发展成为有一定规模且极具前景的一门实用技术。在研究物质内部结构的大型对撞机中，需要把质子或电子加速到一定速度后进行碰撞，强磁场就可以大幅提升质子、电子的速度，达到理想的碰撞效果；在受控热核聚变的托卡马克装置中，强磁场则是约束高温等离子体的必要条件。

目前常用的超导材料有NbTi、Nb3Sn等，NbTi的超导临界温度为9.6 K，Nb3Sn的超导临界温度为18 K，因此需要低温系统生产液氦（超流氦）为超导材料提供冷量。特别是超导磁体在核聚变装置、高能加速器等大型工程方面的应用，氦低温冷却系统的稳定性和效率将直接影响超导体以及整个装置的正常运行，已成为装置功能实现的关键。推动了低温与超导技术得到了快速发展，相继建立了一批大型低温系统。大型强子对撞机（LHC）、热核聚变实验堆（ITER）、先进实验超导托卡马克（EAST）、正负电子对撞机重大改造项目（BEPC.II）所配套的大型氦低温系统等，代表了当今低温技术的最高水平。

1　超流氦在低温系统中的应用

氦冷却技术按照氦工质状态可以分为正常态氦（HeI）冷却和超流态氦（HeII）冷却[2]。早期利用HeI冷却超导设备的物理性能已经能够满足当时科学研究的需要。目前世界上很大一部分超导磁体和超导腔系统都还是采用HeI冷却，欧洲粒子物理中心的电子对撞机LEP，每台氦冷却机提供10 kW/ 4.5 K的冷量和13 g/s LHe及6.7 kW的50～70 K冷屏用冷氦气，每台冷却机的等效冷量为12 kW/ 4.5 K［3］。日本的国家高能物理研究所1994年动工建造的正负电子对撞机KEKB有4个单壳509 MHz超导腔的冷却，采用4.4 K饱和液氦冷却，该冷却系统能产生冷却超导磁体的25 g/s的过冷液氦［4］。

随着高能物理等领域的深入研究对其物理环境提出了更高的要求，需要更高的磁场和能量等，利用HeI冷却已不能满足高实验环境条件的要求，超流氦冷却方式也就应用而生，目前利用HeII冷却的超导磁体磁场强度最大可达到30 T，射频腔加速梯度可达25 MV/m。

超流氦是一种理想的低温冷剂，其物理特性表现为：HeII导热过程的温度梯度几乎无穷小，其热导率是金属铜的1 000倍；HeII能在非常窄小的通道中流动而不存在可以检测的流阻，其动力黏度仅有10－6Pa·s；过冷态超流氦（HeIIP）的临界热流密度约为饱和超流氦（HeIIS）的2倍，约为常规液氦（HeI）的20倍［5］。

超流氦冷却可分为饱和态超流氦和过冷态超流氦（也称为加压超流氦）冷却方式。两种冷却方式的优缺点如表1所列。

超流氦冷却超导磁体，尤其是冷却高场强超导磁体的优点有：增加超导磁体的温度余量和线圈临界电流密度，能够提高超导磁体抗热扰动能力和磁体的稳定性裕度；其高导热率，低流阻特性可以充分填充于磁体内部，使磁体内部冷却温度均匀，且增加超导磁体的冷却面积；对于超导磁体来说，采用过冷态超流氦（HeIIP）迫流冷却，没有空气泄漏风险。

表1　超流氦冷却方式特点

降低超导磁体运行温度，也可相应减少运行成本和能量消耗。高场强超导磁体，如加速器，其主要由超导腔和超导磁体组成。超导材料，如NbTi合金的临界电流密度大小，决定了在相同磁场强度下超导腔和超导磁体的数量。基于此运行于1.9 K左右的加速器装置能够将超导体的数量要求到最小化，从而降低了装置建设和运行成本。图1为特定能量下强子对撞机的成本优化曲线，对于工作在相同磁场强度下，磁体工作于1.9 K的投资运行费用低于4.5 K的运行环境［6］。

图1　特定能量下强子对撞机的成本优化曲线图

2　国内外大型超流氦低温冷却系统应用

1977年，在欧洲原子能共同体的“溶解计划”中，首次提出将1.8 K HeII作为一种冷却剂应用于NbTi超导设备的基本框架。这种思路可以实现大气压力下非强制流的高效冷却，同时还将导体工作磁场提高到9 T。经过欧洲专家的讨论，1981年，Tore Supra（TS）项目作为优先支持项目被提上日程。TS是第一个应用1.8 K低温系统的物理设备，也证明了这种理论的技术可行性。该项目完工于1987年，第一次低温试车圆满完成[7]。刚建成时，是世界同类系统中最大的一个，并采用了很多突破性的技术。主要特点[8]包括：低温下对氦的压缩、操作模式的多样化、一整套的自动控制系统等。系统在45 T的螺旋管形磁场下运行，等离子体轴线由18个NbTi超导线圈围绕而成，每个线圈由两个圆饼形状组合而成，圆饼则用绝缘螺栓隔离。整个线圈由薄壁箱围起来，周围充满了l.8 K、0.12 MPa的超流氦。在旁边有1个绝缘的厚壁不锈钢箱，这个箱体处于4.5 K左右温度，用来为以上集成设备提供必要的机械强度，同时也承担超导磁场的角色。整个系统中，要求维持在1.8 K的质量为50 000 kg，4.5 K部分则重约120 000 kg，在螺线管周围有大约20 000 kg的物体作为冷屏，要求达到80 K的温度。图2为TS冷却流程示意图[9]。各个温度的冷却量需求分别为：80 K/11 000～32 000 W；4.0 K（80 kPa）/970W；1.75 K（1.3 kPa）/320 W；80 L/h液氦。

图2　Tore Supra流程图

美国杰弗逊国家实验室的连续电子束加速设备CEBAF（Continuous Electron Beam Accelerator Fa⁃cility）项目是第一个将这种2 K技术应用于超导腔冷却。CEBAF低温系统包含3个冷却部分，低温测试装置（Cryogenic Test Facility，CTF）、氦液化核心系统（Central Helium Liquefier，CHL）以及终端冷却设备（End Station Refrigerator，ESR）。CHL是CEBAF的主要冷却系统，包括4.8 kW/2.0 K的冷却机和传输管路系统（TL），同时提供12 kW/50 K的冷屏冷量，用来维持直线加速器腔体及ESR所需的10 g/s液化量。CEBAF中用到了冷压机（Cold Compressor，CC），入口温度为3 K，应用了磁轴承，这样消除了空气泄漏到负压氦的隐患，避免了可能会引起的二次纯化，冷却模块如图3所示。2 K冷箱包括1个四级的冷压机和1个小换热器，用来将来流温度由4.5 K冷却到2.3 K。每一级冷压机都由可变频率的电动机驱动，电动机由液氮冷却。CEBAF采2.0 K的超流氦进行冷却，冷却量达2 kW。

图3　CEBAF冷却模块图

欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）作为目前世界最高能量的强子对撞机，配备了性能强大的低温系统。在周长为26.7 km的LEP隧道环上分布着约1 800个各种超导磁体，总共需要约7 000 km的NbTi超导电缆。为获得8.3 T的磁场，需要将超导磁体冷却到1.9 K。为此建造了世界上最大的低温系统，包括最大的1.8 K冷却和分配系统，总的氦冷却量达到144 kW/4.5 K加上20 kW/ 1.9 K。在1.9 K的超导磁体的总质量为4.7×107kg。氦气贮存量约1.2×105kg，其中2/3以液态填充在超导磁体中，需1.0×107kg液氮。LHC环分成8个扇区，每个扇区长3.3 km，分别由1台18 kW/4.5 K的氦冷却机及1台2.4 kW/1.8 K的氦冷却单元提供冷量[10]。

国内目前拥有的大型氦低温系统，中国科学院合肥等离子体物理研究所采用引进的两套俄制氦冷却机（500 W/4.5 K，单机氦液化能力为140 L/h）系统为超导托卡马克装置HT-7改造的低温系统[11]，北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）等[12]，工作温度均在4.5 K左右，尚未达到1.8～2 K的低温。

北京大学射频超导实验室已建成基于超导加速器的THz实验平台，其中1.3 GHz超导注入器与加速器的核心部件必须运行在2 K温度下，为此北京大学组建了国内第1套大型2 K低温液氦系统，可在2 K温度下为超导腔提供57.5 W的冷却功率。在完成低温液氦系统安装和调试后，北京大学独立完成了2 K低温液氦系统与超导注入器的联调，达到了2 K氦气压力波动小于±10 Pa，液氦面波动小于±1 L的设计指标。在超导注入器的2 K稳定载束运行和THz辐射实验过程中，2 K系统的稳定性得到了进一步的提高。北京大学2 K低温液氦系统的成功运行不仅为THz实验平台提供了保障，也为我国同类射频超导加速器的2 K运行积累了经验，基本流程如图4所示。

系统主要由氦液化系统和2 K低温维持系统两部分组成，氦液化系统主要包括氦气储气罐、压缩机、油分离器、纯化器、液化器、液氦储存杜瓦、常温及低温传输管线、液氮及压缩空气等辅助设备，相关控制系统等。其中核心部件液化器，采用Linde公司成熟的L140液化器，液化速率在没有液氮预冷的情况下为70 L/h，有液氮预冷的情况下液化速率可以达到120 L/h，液氦储存在2 000 L液氦杜瓦中，以备连接超导加速器的2 K低温维持系统使用。

2 K低温维持系统主要由2 K冷箱、连接加速器的2 K传输线、加速器的低温恒温器、2 K减压降温泵组以及配套的辅助系统和控制系统等部分组成，可在2 K温度下为超导腔提供57.5 W的冷却功率，2 K氦气压力稳定度优于±10 Pa，液氦面波动小于±1 L。

中科院高能物理研究所承担的ADS注入器I低温系统的建设和主加速器所需超导腔的预研任务，根据对超导腔主要材料铌的特性研究，工作在2 K温区的超导腔具有更高的品质因素和更好的加速梯度，且工作2 K超流氦的负压条件下，超导腔的性能也能更加稳定可靠。经过5年多的攻坚克难和不懈努力，中科院高能所加速器驱动的次临界系统—ADS先导专项团队于2016年在ADS强流质子加速器I上获得了能量10.1 MeV、峰值流强10.03 mA的脉冲质子束流，实现ADS注入器I的先导专项目标。

3　大型超流氦低温冷却系统分析

3.1大型超流氦低温冷却系统主要设备构成

2 K超流氦低温冷却设备包括1套4.2 K氦液化/氦冷却机系统和1套把4.2 K液氦转化为2 K超流氦低温冷却子系统（通过对液氦减压蒸发液氦进行降温）。主要子系统包括4.2 K氦液化器、2 K压缩机系统、负压超流氦换热器、节流阀、低温传输管线、超导设备低温恒温器等构成。

2 K超流氦冷却系统一般采用三种方式为负压氦气增压：（1）采用常温压缩机增压；（2）采用低温压缩机增压；（3）常温和低温压缩机共同增压。三种不同方式决定了不同的流程循环，如图5所示。

3.2热力循环方案比较

根据目前已经运行或在建的超流氦冷却的超导加速器装置主要有两种：饱和超流氦冷却（工作温度通常为2 K）和加压超流氦冷却（工作温度通常为1.8～1.9 K）。饱和超流氦冷却时，过冷液氦经过JT阀后，成为饱和超流氦，直接注入超导设备恒温器进行冷却，气化后的氦则通过抽气管道回收，与过冷液氦有1个热交换过程。这个换热过程可以降低节流前温度，提高节流效率。加压超流氦冷却时，过冷液氦经过JT阀，得到饱和超流氦后，不直接注入超导设备，而是通过1个换热器，与超导设备恒温器中的加压超流氦进行热交换，饱和超流氦被气化。由抽气管道回收，与过冷液氦交换热量。一般来讲，超导腔的冷却采用饱和超流氦冷却方式。

3.3关键技术及设备的研究

离心式负压低温压缩机是2 K超流氦低温系统的关键部件［13］。在低温下对工质气体进行压缩，可以大大减低工质的体积流量，压缩机和负压换热器的尺寸将大大减小。离心式压缩机适合大流量系统，但是通常每级压比限制为2～3.5。根据工作温度（2 K或1.8 K），低温压缩循环至少需要4或5级串联，才能实现所需要的总压比45～80。压缩后的氦气可以直接返回4.5 K氦冷却设备冷箱的进气口。工作在低温下的负压压缩机的技术难点是设备可靠性以及由于漏热造成的效率下降，具体有四个方面：

（1）真空防泄漏结构，由于系统的压力低于常压，如果外界不纯气体进入冷却机，将会极大影响冷却机甚至会损坏关键设备。所以必须设计特殊结构防止环境杂质气体的进入；

（2）磁轴承技术，气体轴承和磁轴承可以满足系统无油的要求，但是由于低温压缩机的进口压力很低，气体密度小，大流量压缩机的转子较重，需要更高的负载支撑能力，实际上只有磁轴承能够满足要求，而磁轴承的动态特性以及高速测控系统是十分复杂的；

（3）高速电机技术，离心式低温压缩机需要对工作气体实现几十倍的增压，超高速的旋转叶轮驱动，可以实现在尽可能少的压缩机中对稀薄工作气体的增压，超高速的高效电机是不可或缺的关键技术之一；

（4）超极绝热技术，外部环境的漏热影响压缩机的性能，需要特殊的材料与结构防止低温叶轮与环境之间的漏热。重点需要解决低温压缩机减小轴热传导的绝热结构。

4　总结

国外大型氦低温系统已普遍使用超流氦冷却，而国内超流氦目前尚未广泛应用。在低温系统规模上，尚存在很大的差距，如LHC低温氦冷却系统的总冷量已经达到144 kW/4.5 K+20 kW/1.9 K，而国内的冷量仅为2 kW/4 K。另外，在热力学完善度方面，CERN LEP系统已达到Cannot效率的28.8%，而国产系统的效率与可靠性还有待于进一步提高。随着氦低温冷却系统在大型工程装置的广泛应用，近年来加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Sub-critical System，ADS）、强流重离子加速器装置（High Intensity Heavy-ion Accelerator，HIAF）、上海光源线站工程（二期工程）、北方先进光源（High En⁃ergy Photon Source，HEPS）等重大工程建设项目的实施，低温工程科技人员将会积累丰富的经验，国产化装备和技术也日趋成熟，大型超流氦低温冷却系统有望得到长足发展。

[1]何超峰.低温制冷机冷头换热器设计与分析[J].真空与低温，2013，19（3）：27-30．

[2]张鹏，黄永华，陈国邦.氦-4和氦-3及其应用[M].北京：国防工业出版社，2006．

[3]Claudet S，Erdt W，Frandsen P K，et al.Four 12 kW/4.5 K cryoplantsatCERN[J].Cryogenics，1994，34：99-102.

[4]Tsuchiya K.Helium Crygenic Systems for the Superconduct⁃ing Insertion Quadrupole Magnets of the TRISTAN Storage Ring[J].Advances in Cryogenic Engineering，1992（37A）：667-672.

[5]王如竹.过冷态超流氦的获得及操作控制[J].低温工程，1991（6）：14-21．

[6]Tavian L.Large cryogenics systema at 1.8 K[C]//7th European Particle AcceleratorConference，Vienna：2000：36-30．

[7]Pamela J.Ten years ofoperation and developments on Tore Su⁃pra[J].Fusion engineeringand design，1999，46（2）：313-322.

[8]Gistau G M，Mardion G B，Ferlin G，et al.Operational experi⁃ence with the 1.75 K Tore Supra refrigerator[M]//Advances in Cryogenic Engineering.SpringerUS，1990，35：261-268.

[9]Gistau G M，Pecoud Y，Ravex A E.The 300 W-1.75 K Tore Supra Refrigerator Cold Centrifugal Compressors Report[M]// Advancesin Cryogenic Engineering.SpringerUS，1988：675-681.

[10]Lebrun P.Large cryogenic Helium refrigeration system forthe LHC Geneva：European Laboratory for Particle Physics[R]. LHCProjectReport629，2003.

[11]顾摘，合肥超导装置首次低温调试成功[J].深冷技术，1996，2：50

[12]方守贤.我国粒子加速器的现状和发展[J].物理，1999，9：557-56.

[13]Lebrun P.Cryogenics for the large hadron collider[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2000，10（1）：1500-1506.

DEVELOPMENT OF LARGE SCALE CRYOGENIC SUPERFLUID HELIUM REFRIGERATION SYSTEM

HE Chao-feng1，2，YU Huan-qiang2，SUN Xing-zhong2，CHEN Yao-feng2，WU Yi-feng1，2，ZHOU Jia-yi1，2，ZHANG Hua-biao1，2
（1.The16th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230043，China；2.Anhui Vacree Technologies Co.，Ltd，Hefei 230088，China）

While the applications of low temperature superconducting technology in basic scientific research spread widely，the development of cryogenic engineering was greatly accelerated，and lots of large helium cryogenic systems were established successively.The processes，performances and operating conditions of several typical superfluid helium cryogenic systems were described in detail.The advantages of the application of the super flow helium in the large-scale cryogenic system are introduced and the main equipment composition，the thermodynamic cycle scheme and the key equipment，the key technology breakthrough direction are analyzed in this paper.

superfluid helium；cryogenic system；superconduct

TB657

A

1006-7086（2016）05-0260-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.003

2016-06-02

何超峰（1984-），男，安徽萧县人，工程师，主要从事真空与低温的系统设计。E-mail15155513776@163.com。