大型氦低溫制冷系統(tǒng)研究進(jìn)展

葉 斌 馬 斌 侯 予

(1西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049)

(2西安交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 西安 710049)

大型氦低溫制冷系統(tǒng)研究進(jìn)展

葉 斌1，2馬 斌1，2侯 予1，2

(1西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049)

(2西安交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 西安 710049)

低溫超導(dǎo)技術(shù)在基礎(chǔ)科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用，極大地帶動了低溫工程的發(fā)展。大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)、國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST)、北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造項(xiàng)目(BEPC-II)所配套的大型氦低溫系統(tǒng)，分別作為國際與國內(nèi)最大的低溫裝置，代表了當(dāng)今低溫技術(shù)的最高水平。介紹了這4個(gè)典型低溫系統(tǒng)的流程、性能指標(biāo)以及運(yùn)行情況，以及其它具有代表性的氦低溫系統(tǒng)及其應(yīng)用。

低溫系統(tǒng) 超導(dǎo) 氦制冷

1 引言

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的H K Onnes意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃時(shí)，汞的電阻突然消失;后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，Onnes稱之為超導(dǎo)態(tài)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，因此可以形成強(qiáng)大的磁場，這是超導(dǎo)體最典型的特性之一。近年來，超導(dǎo)技術(shù)在科研和工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，如在核聚變實(shí)驗(yàn)裝置、高能粒子加速器、超導(dǎo)磁體儲能系統(tǒng)、磁流體(MHD)、強(qiáng)磁場研究、化學(xué)分析(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)、醫(yī)學(xué)(MRI)、運(yùn)輸系統(tǒng)(磁懸浮列車)、超導(dǎo)電力傳輸方面的應(yīng)用等，已發(fā)展成為有一定規(guī)模且極具前景的一門實(shí)用技術(shù)。在研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大型對撞機(jī)中，需要把質(zhì)子或電子加速到一定速度后進(jìn)行碰撞，強(qiáng)磁場就可以大幅提升質(zhì)子、電子的速度，達(dá)到理想的碰撞效果;在受控?zé)岷司圩兊耐锌R克裝置中，強(qiáng)磁場則是約束高溫等離子體的必要條件。

目前常用的超導(dǎo)材料有NbTi、Nb3Sn等，NbTi的超導(dǎo)臨界溫度為9.6 K，Nb3Sn的超導(dǎo)臨界溫度為18 K，因此需要低溫系統(tǒng)生產(chǎn)液氦(超流氦)為超導(dǎo)材料提供冷量。特別是超導(dǎo)磁體在核聚變裝置、高能加速器等大型科學(xué)工程方面的應(yīng)用，氦低溫制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率將直接影響超導(dǎo)體以及整個(gè)科學(xué)裝置的正常運(yùn)行，已成為裝置功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。正是由于這些大科學(xué)裝置的推動，低溫與超導(dǎo)技術(shù)得到了快速發(fā)展，一批大型低溫系統(tǒng)相繼建立。大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)、國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)、先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST)、北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造項(xiàng)目(BEPC-II)所配套的大型氦低溫系統(tǒng)，分別作為國際與國內(nèi)最大的低溫裝置，代表了當(dāng)今低溫技術(shù)的最高水平。

2 LHC低溫系統(tǒng)

歐洲核子中心(CERN)的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)作為目前世界最高能量的強(qiáng)子對撞機(jī)，配備了性能強(qiáng)大的低溫系統(tǒng)。在周長為26.7 km的LEP隧道環(huán)上分布著約1 800個(gè)各種超導(dǎo)磁體，總共需要約7 000 km的NbTi超導(dǎo)電纜。為了獲得8.3 T的磁場，需要將超導(dǎo)磁體冷卻到1.9 K。為此建造了世界上最大的低溫系統(tǒng)，包括最大的1.8 K制冷和分配系統(tǒng)，總的氦制冷量達(dá)到144 kW/4.5 K加上20 kW/1.9 K。在1.9 K的超導(dǎo)磁體的總質(zhì)量為47 000噸。氦氣貯存量約120噸，其中2/3以液態(tài)填充在超導(dǎo)磁體中，尚需10 000噸液氮。LHC環(huán)分成8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)長3.3 km，分別由一臺18 kW、4.5 K的氦制冷機(jī)及一臺2.4 kW/1.8 K的氦制冷單元提供冷量［1］。圖1和圖2分別為法液空和林德為LHC制造的18 kW/4.5 K氦制冷機(jī)流程簡圖。

圖1 具有8臺透平膨脹機(jī)的法液空18 kW/4.5 K氦制冷機(jī)流程簡圖［2］Fig.1 Air liquid process including eight turbines

在2008年9月19日，LHC第三與第四段之間兩段超導(dǎo)電纜的接合處溫度突然升高到超導(dǎo)溫度以上，使電纜成為一個(gè)電阻，8.7千安培的電流使其迅速熔化，使得電流流過附近低溫制冷系統(tǒng)，在低溫真空容器上熔化的洞口釋放了數(shù)噸的液氦。2008年10月20日，強(qiáng)子對撞機(jī)的所有8個(gè)組成部分被冷卻到1.9 K操作溫度。2010年3月20日，該中心的離子加速器成功地讓兩束質(zhì)子流對撞，并獲得7萬億電子伏特的能量。LHC的下一個(gè)目標(biāo)將是兩年內(nèi)使質(zhì)子流在總共14萬億電子伏特的能量下相撞。

圖2 具有10臺透平膨脹機(jī)的林德18 kW/4.5 K氦制冷機(jī)流程簡圖［2］Fig.2 Linde process with ten cryogenic turbines

3 ITER低溫系統(tǒng)

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃是當(dāng)今世界最大的大科學(xué)工程國際科技合作計(jì)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(jì)劃。ITER計(jì)劃吸引了包括中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國等世界主要核國家和科技強(qiáng)國共同參與。作為世界上最大的托卡馬克裝置，磁場強(qiáng)度達(dá)到5.3 T，最大電流達(dá)到17 MA，需要把9 400噸的低溫管道和磁鐵降溫到4.3 K。ITER中的等離子體高達(dá)幾億度，需要用高強(qiáng)度磁場來約束等離子體。常規(guī)大型低溫裝置一般工作在穩(wěn)定的工況下，而在ITER中由于磁體系統(tǒng)中磁場的變化熱核反應(yīng)生成中子等，產(chǎn)生了非常大的脈沖熱負(fù)荷。低溫下的制冷量和瞬時(shí)需要的LHe量的變化很大，為了消除脈沖熱負(fù)荷，維持系統(tǒng)在一個(gè)很大的范圍內(nèi)穩(wěn)定的運(yùn)行，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化的部件來減少投資費(fèi)用，以上就是ITER低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要指導(dǎo)方針［3］。ITER低溫系統(tǒng)主要包括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(dǎo)磁鐵系統(tǒng)-31 kW@4.5 K(其中13 kW用于熱負(fù)荷脈沖);(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。

1 300 kW@80 K液氮制冷機(jī)主要有以下用途:(1)液氮冷屏830 kW@80 K;(2)液氦制冷機(jī)的預(yù)冷工質(zhì)-280 kW@80 K;(3)作為高溫超導(dǎo)的備用冷量-300 kW@80 K［4］。

圖3為ITER低溫系統(tǒng)流程簡圖，包括了液氦模塊、液氮模塊和80 K氦循環(huán)模塊，總共使用了24噸氦氣。其中液氦模塊高壓側(cè)為2 MPa，低壓側(cè)為0.4 MPa，由于系統(tǒng)熱負(fù)荷變化特別大，因此就要求ITER液氦制冷機(jī)需要在一個(gè)多變的工況下運(yùn)行，必須具備高適應(yīng)性與穩(wěn)定性。主要任務(wù)是要在500 MW聚變功率下運(yùn)行400 s;在400 MW聚變功率下運(yùn)行1 000到3 000 s;在700 MW功率下運(yùn)行100 s到200 s。液氦制冷機(jī)在聯(lián)合制冷-液化模式中有4.2 K和4.5 K兩個(gè)運(yùn)行溫度，最終氦氣螺桿壓縮機(jī)消耗的電力不超過16 MW。整個(gè)低溫系統(tǒng)的冷屏由80 K的氦氣和液氮制冷機(jī)提供。80 K氦氣循環(huán)的進(jìn)口壓力和出口壓力分別為1.8 MPa和1.6 MPa，80 K氦氣循環(huán)和液氮制冷機(jī)需要的電力大約為10 MW［5］。2009年，由于ITER核聚變所產(chǎn)生的超過10億攝氏度的高溫等離子對反應(yīng)堆內(nèi)壁的破壞作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎當(dāng)初想象，需要改變反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此這一大型國際科研合作計(jì)劃正式開始核聚變試驗(yàn)的時(shí)間至少要推遲到2026年，而且該計(jì)劃的費(fèi)用預(yù)算可能要超過100億歐元［6］。

圖3 ITER低溫系統(tǒng)流程簡圖［5］Fig.3 Process of ITER cryogenic system

4 EAST低溫系統(tǒng)

先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克(EAST)是全超導(dǎo)的可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，由中國科學(xué)院等離子研究所建造。EAST低溫系統(tǒng)主要為1套2 kW@4.5 K的低溫系統(tǒng)，系統(tǒng)包括有1個(gè)冷箱、1個(gè)制冷機(jī)閥箱和1個(gè)分配閥箱，主要目的是提供足夠的制冷量和液氦，用于保證超導(dǎo)磁鐵處于低溫超導(dǎo)狀態(tài)，以及冷卻超導(dǎo)傳輸線、電流引線以及冷屏。EAST低溫系統(tǒng)需要提供3個(gè)不同的溫度用于冷卻不同的部件。超導(dǎo)磁體的工作溫度為3.8 K，使用超臨界氦冷卻，為了保證這個(gè)冷卻過程都處于超臨界狀態(tài)，因此要求出口壓力必須為3×105Pa以上。支撐和電流引線的冷端工作溫度為4.5 K;杜瓦及其它設(shè)備的冷屏工作溫度為80 K，使用經(jīng)膨脹機(jī)T4膨脹后的80 K的冷氦氣冷卻，工作壓力為5×105Pa左右。EAST低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制冷量為1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/sLHe+(13—25)kW/80 K，當(dāng)量制冷量為2 kW/4 K，這些冷量主要由4臺氦氣透平膨脹機(jī)提供，其中3臺透平的產(chǎn)冷主要用于生產(chǎn)液氦和獲得4.5 K冷量，另外一臺透平的產(chǎn)冷主要用于冷卻冷屏［7-8］。

圖4為EAST低溫系統(tǒng)簡圖，高壓氦氣從壓縮機(jī)出來后，在經(jīng)過EX1，到達(dá)EX2前被液氮預(yù)冷至80 K，再經(jīng)過EX2后部份氣體進(jìn)入透平膨脹機(jī)T1，再經(jīng)過EX4冷卻后繼續(xù)經(jīng)過膨脹機(jī)T2膨脹至低壓，作為返流氣體冷卻 EX5、EX4、EX3、EX2和 EX1。另一路氦氣再經(jīng)過 EX6后，經(jīng)過膨脹機(jī) T3膨脹后通過EX7，最后節(jié)流為液氦。EAST低溫系統(tǒng)從第一輪運(yùn)行開始到2008年的第5輪實(shí)驗(yàn)，總體運(yùn)行情況良好，不過4臺俄制氦透平都陸續(xù)出現(xiàn)過故障，主要是因?yàn)橥钙絾訒r(shí)，進(jìn)口溫度高，氦氣比焓值較高，沒有達(dá)到透平設(shè)計(jì)額定值［9］。

圖4 EAST低溫系統(tǒng)簡圖［9］Fig.4 Process of EAST cryogenic system

5 BEPCII低溫系統(tǒng)

北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造項(xiàng)目(BEPC-II)2004年1月正式開工建設(shè)，總投資6.4億元，也是目前中國重大科學(xué)工程中最具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的項(xiàng)目之一，其配套的制冷系統(tǒng)需為對撞機(jī)提供4.5 K下800 W的冷量和60 L/h的液氦。BEPC-II低溫系統(tǒng)采用兩套500 W/4.5K氦制冷機(jī)系統(tǒng)分別冷卻超導(dǎo)腔(SRF)、超導(dǎo)螺線管磁體(SSM)和超導(dǎo)插入四極磁體(SCQ)，配電容量約為700 kW。其中1臺為超導(dǎo)探測器磁體和超導(dǎo)四極磁體提供冷量，另1臺為兩個(gè)超導(dǎo)純妮腔提供冷量，兩套低溫制冷機(jī)共用純化、回收和貯存系統(tǒng)。SSM、SCQ、SRF都有不同的冷卻方式與熱負(fù)荷。SSM磁體采用氣液氦間接冷卻方式，熱負(fù)荷為120 W+0.3 g/sLHe;SCQ磁體由于通道緊湊，采用超臨界單相氦流冷卻以防止磁體局部過熱以至失超，其熱負(fù)荷大約為106 W+0.3 g/sLHe;SRF直接放置在液氦容器里，由液氦浸泡冷卻，液氦容器真空隔熱并且設(shè)置80 K液氮冷屏，其熱負(fù)荷為338.4 W+0.266 g/sLHe［10］。

圖5為BEPCII磁鐵冷卻簡圖，其中壓縮機(jī)出口壓力為1.3 MPa，經(jīng)過節(jié)流后為0.27 MPa/5K。從不同路徑返流的氦流在分配閥箱回合，然后回到1 000 L杜瓦，杜瓦此時(shí)作為氣液分相器，液相通過換熱器、漏熱、加熱器后，變?yōu)闅鈶B(tài)，返回至冷箱A的低壓側(cè)維持系統(tǒng)循環(huán)。超臨界氦存放在一個(gè)位于閥箱里電流引線底部的小容器里，冷卻SCQ磁鐵，部份氦氣用于冷卻電流引線，之后流經(jīng)磁鐵的管道帶走系統(tǒng)漏熱。當(dāng)制冷機(jī)暫停時(shí)，為了能正常運(yùn)行，并且減少冷卻SSM的氦流質(zhì)量，一個(gè)60 L的杜瓦配備了一個(gè)換熱器用于預(yù)冷氦流。冷卻磁鐵的兩相氦流為0.135 MPa，在返回60 L杜瓦前，也會流經(jīng)電流引線冷卻。2008年7月，BEPC-II完成各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)。2009年5月，對撞機(jī)的主要性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。經(jīng)過長達(dá)一年的不間斷運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。

圖5 BEPCII磁鐵冷卻簡圖［10］Fig.5 Process of BEPCII cryogenic system

6 其它低溫系統(tǒng)

日本國家聚變科學(xué)研究所LHD(Large Helical Device)低溫系統(tǒng):氦制冷機(jī)的制冷量為5.65 kW/4.4 K+650 L/hLHe+20.6 kW/80 K，設(shè)計(jì)制冷量留了相當(dāng)大的余量，其熱負(fù)荷2 051 W/4.4 K+650 L/hLHe+13 kW/80 K，該低溫系統(tǒng)使用了7臺透平膨脹機(jī)，氦氣流量為 960 g/s［11］。

其它氦低溫制冷系統(tǒng)如:

日本JAERI ITER CSMC測試的低溫系統(tǒng):該低溫系統(tǒng)的實(shí)際制冷量為5 kW/4.5 K或920 L/h LHe。兩臺透平膨脹機(jī)串聯(lián)，兩級節(jié)流的Claude制冷循環(huán)，He 流量為 320 g/s［13］。

德國Karlsruhe研究中心TOSKA低溫系統(tǒng):其制冷機(jī)的基本容量700 W/3.3 K+400 W/4.4 K+1 kW/70 K+4 g/s LHe，使用了3臺透平膨脹機(jī)，He流量為 200 g/s［14］。

俄羅斯Kurchatov研究所T-15改造后的低溫系統(tǒng):氦液化率為800 L/h，制冷模式時(shí)制冷量為2.7 kW，氮屏的負(fù)荷60 kW—150 kW，He流量為236 g/s［15］。

法國TORE SUPRA低溫系統(tǒng):氦制冷機(jī)的制冷量為300 W/1.75 K+745 W/4.5 K+5.6g/sLHe+11 kW/80 K，主要由3臺透平膨脹機(jī)和一臺兩相活塞膨脹機(jī)提供［16］。

印度等離子體研究所超導(dǎo)托卡馬克裝置SST-1低溫系統(tǒng):其氦制冷機(jī)的制冷量為650 W+200 L/h LHe。He為流量320 g/s，其中有20 g/s提供給超導(dǎo)母排［17-18］。

7 結(jié)論

國外大型氦低溫系統(tǒng)已普遍使用超流氦冷卻，而國內(nèi)超流氦目前尚未廣泛應(yīng)用。其次，在低溫系統(tǒng)規(guī)模上，尚存在很大的差距，如LHC低溫氦制冷系統(tǒng)的總冷量已經(jīng)達(dá)到144 kW/4.5 K+20 kW/1.9 K，而國內(nèi)的冷量僅為2 kW/4 K。另外，在熱力學(xué)完善度方面，CERN LEP系統(tǒng)已達(dá)到Cannot效率的28.8%，而國產(chǎn)系統(tǒng)的效率與可靠性還有待于進(jìn)一步提高。隨著中國氦低溫制冷系統(tǒng)在大科學(xué)裝置的廣泛應(yīng)用，及近年來強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置和上海光源裝置等中國重大科學(xué)工程建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，中國低溫工程科技人員積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，國產(chǎn)化裝備和技術(shù)也日趨成熟，中國大型氦低溫制冷系統(tǒng)有望得到長足發(fā)展。

圖6 LHD低溫系統(tǒng)流程圖［12］Fig.6 Process of LHD cryogenic system

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Development of large helium cryogenic system

Ye Bin1，2Ma Bin1，2Hou Yu1，2

(1State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)
(2School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，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.As the largest cryogenic devices in China，the helium cryogenic systems of the Experimental Advanced Superconducting Tokamak(EAST)and the Beijing E-lectron Positron Collider Upgrade Project(BEPC-II)represent the current highest level of cryogenic technology of China.And the largest international cryogenic devices，the helium cryogenic systems of the Large Hadron Collider(LHC)and the International Thermonuclear Experimental Reactor(ITER)show the highest level of the world.The processes，performances and operating conditions of these four typical cryogenic systems were described in detail.And some other representative helium cryogenic systems were introduced，too.

cryogenic system;superconducting;helium refrigeration

TB661

A

1000-6516(2010)04-0018-06

2010-05-14;

2010-07-10

國家自然學(xué)基金資助項(xiàng)目(50976082)，高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20090201110006)。

葉 斌，男，24歲，碩士研究生。