大型氦低温制冷系统研究进展

叶 斌 马 斌 侯 予

(1西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 西安 710049)

(2西安交通大学制冷与低温工程研究所 西安 710049)

大型氦低温制冷系统研究进展

叶 斌1，2马 斌1，2侯 予1，2

(1西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 西安 710049)

(2西安交通大学制冷与低温工程研究所 西安 710049)

低温超导技术在基础科学研究中的广泛应用，极大地带动了低温工程的发展。大型强子对撞机(LHC)、国际热核聚变实验堆(ITER)、先进实验超导托卡马克(EAST)、北京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，分别作为国际与国内最大的低温装置，代表了当今低温技术的最高水平。介绍了这4个典型低温系统的流程、性能指标以及运行情况，以及其它具有代表性的氦低温系统及其应用。

低温系统 超导 氦制冷

1 引言

1911年，荷兰莱顿大学的H K Onnes意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，Onnes称之为超导态。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地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 Magnetic Resonance Spectroscopy)、医学(MRI)、运输系统(磁悬浮列车)、超导电力传输方面的应用等，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、高能加速器等大型科学工程方面的应用，氦低温制冷系统的稳定性和效率将直接影响超导体以及整个科学装置的正常运行，已成为装置功能实现的关键。正是由于这些大科学装置的推动，低温与超导技术得到了快速发展，一批大型低温系统相继建立。大型强子对撞机(LHC)、国际热核聚变实验堆(ITER)、先进实验超导托卡马克(EAST)、北京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，分别作为国际与国内最大的低温装置，代表了当今低温技术的最高水平。

2 LHC低温系统

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。为了获得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制冷和分配系统，总的氦制冷量达到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47 000吨。氦气贮存量约120吨，其中2/3以液态填充在超导磁体中，尚需10 000吨液氮。LHC环分成8个扇区，每个扇区长3.3 km，分别由一台18 kW、4.5 K的氦制冷机及一台2.4 kW/1.8 K的氦制冷单元提供冷量［1］。图1和图2分别为法液空和林德为LHC制造的18 kW/4.5 K氦制冷机流程简图。

图1 具有8台透平膨胀机的法液空18 kW/4.5 K氦制冷机流程简图［2］Fig.1 Air liquid process including eight turbines

在2008年9月19日，LHC第三与第四段之间两段超导电缆的接合处温度突然升高到超导温度以上，使电缆成为一个电阻，8.7千安培的电流使其迅速熔化，使得电流流过附近低温制冷系统，在低温真空容器上熔化的洞口释放了数吨的液氦。2008年10月20日，强子对撞机的所有8个组成部分被冷却到1.9 K操作温度。2010年3月20日，该中心的离子加速器成功地让两束质子流对撞，并获得7万亿电子伏特的能量。LHC的下一个目标将是两年内使质子流在总共14万亿电子伏特的能量下相撞。

图2 具有10台透平膨胀机的林德18 kW/4.5 K氦制冷机流程简图［2］Fig.2 Linde process with ten cryogenic turbines

3 ITER低温系统

国际热核聚变实验堆(ITER)计划是当今世界最大的大科学工程国际科技合作计划之一，也是迄今中国参加的规模最大的国际科技合作计划。ITER计划吸引了包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国等世界主要核国家和科技强国共同参与。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吨的低温管道和磁铁降温到4.3 K。ITER中的等离子体高达几亿度，需要用高强度磁场来约束等离子体。常规大型低温装置一般工作在稳定的工况下，而在ITER中由于磁体系统中磁场的变化热核反应生成中子等，产生了非常大的脉冲热负荷。低温下的制冷量和瞬时需要的LHe量的变化很大，为了消除脉冲热负荷，维持系统在一个很大的范围内稳定的运行，运用标准化的部件来减少投资费用，以上就是ITER低温系统设计的主要指导方针［3］。ITER低温系统主要包括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(其中13 kW用于热负荷脉冲);(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。

1 300 kW@80 K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［4］。

图3为ITER低温系统流程简图，包括了液氦模块、液氮模块和80 K氦循环模块，总共使用了24吨氦气。其中液氦模块高压侧为2 MPa，低压侧为0.4 MPa，由于系统热负荷变化特别大，因此就要求ITER液氦制冷机需要在一个多变的工况下运行，必须具备高适应性与稳定性。主要任务是要在500 MW聚变功率下运行400 s;在400 MW聚变功率下运行1 000到3 000 s;在700 MW功率下运行100 s到200 s。液氦制冷机在联合制冷-液化模式中有4.2 K和4.5 K两个运行温度，最终氦气螺杆压缩机消耗的电力不超过16 MW。整个低温系统的冷屏由80 K的氦气和液氮制冷机提供。80 K氦气循环的进口压力和出口压力分别为1.8 MPa和1.6 MPa，80 K氦气循环和液氮制冷机需要的电力大约为10 MW［5］。2009年，由于ITER核聚变所产生的超过10亿摄氏度的高温等离子对反应堆内壁的破坏作用远远超乎当初想象，需要改变反应堆内部结构设计，因此这一大型国际科研合作计划正式开始核聚变试验的时间至少要推迟到2026年，而且该计划的费用预算可能要超过100亿欧元［6］。

图3 ITER低温系统流程简图［5］Fig.3 Process of ITER cryogenic system

4 EAST低温系统

先进实验超导托卡马克(EAST)是全超导的可控核聚变实验装置，由中国科学院等离子研究所建造。EAST低温系统主要为1套2 kW@4.5 K的低温系统，系统包括有1个冷箱、1个制冷机阀箱和1个分配阀箱，主要目的是提供足够的制冷量和液氦，用于保证超导磁铁处于低温超导状态，以及冷却超导传输线、电流引线以及冷屏。EAST低温系统需要提供3个不同的温度用于冷却不同的部件。超导磁体的工作温度为3.8 K，使用超临界氦冷却，为了保证这个冷却过程都处于超临界状态，因此要求出口压力必须为3×105Pa以上。支撑和电流引线的冷端工作温度为4.5 K;杜瓦及其它设备的冷屏工作温度为80 K，使用经膨胀机T4膨胀后的80 K的冷氦气冷却，工作压力为5×105Pa左右。EAST低温系统的设计制冷量为1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/sLHe+(13—25)kW/80 K，当量制冷量为2 kW/4 K，这些冷量主要由4台氦气透平膨胀机提供，其中3台透平的产冷主要用于生产液氦和获得4.5 K冷量，另外一台透平的产冷主要用于冷却冷屏［7-8］。

图4为EAST低温系统简图，高压氦气从压缩机出来后，在经过EX1，到达EX2前被液氮预冷至80 K，再经过EX2后部份气体进入透平膨胀机T1，再经过EX4冷却后继续经过膨胀机T2膨胀至低压，作为返流气体冷却 EX5、EX4、EX3、EX2和 EX1。另一路氦气再经过 EX6后，经过膨胀机 T3膨胀后通过EX7，最后节流为液氦。EAST低温系统从第一轮运行开始到2008年的第5轮实验，总体运行情况良好，不过4台俄制氦透平都陆续出现过故障，主要是因为透平启动时，进口温度高，氦气比焓值较高，没有达到透平设计额定值［9］。

图4 EAST低温系统简图［9］Fig.4 Process of EAST cryogenic system

5 BEPCII低温系统

北京正负电子对撞机重大改造项目(BEPC-II)2004年1月正式开工建设，总投资6.4亿元，也是目前中国重大科学工程中最具挑战性和创新性的项目之一，其配套的制冷系统需为对撞机提供4.5 K下800 W的冷量和60 L/h的液氦。BEPC-II低温系统采用两套500 W/4.5K氦制冷机系统分别冷却超导腔(SRF)、超导螺线管磁体(SSM)和超导插入四极磁体(SCQ)，配电容量约为700 kW。其中1台为超导探测器磁体和超导四极磁体提供冷量，另1台为两个超导纯妮腔提供冷量，两套低温制冷机共用纯化、回收和贮存系统。SSM、SCQ、SRF都有不同的冷却方式与热负荷。SSM磁体采用气液氦间接冷却方式，热负荷为120 W+0.3 g/sLHe;SCQ磁体由于通道紧凑，采用超临界单相氦流冷却以防止磁体局部过热以至失超，其热负荷大约为106 W+0.3 g/sLHe;SRF直接放置在液氦容器里，由液氦浸泡冷却，液氦容器真空隔热并且设置80 K液氮冷屏，其热负荷为338.4 W+0.266 g/sLHe［10］。

图5为BEPCII磁铁冷却简图，其中压缩机出口压力为1.3 MPa，经过节流后为0.27 MPa/5K。从不同路径返流的氦流在分配阀箱回合，然后回到1 000 L杜瓦，杜瓦此时作为气液分相器，液相通过换热器、漏热、加热器后，变为气态，返回至冷箱A的低压侧维持系统循环。超临界氦存放在一个位于阀箱里电流引线底部的小容器里，冷却SCQ磁铁，部份氦气用于冷却电流引线，之后流经磁铁的管道带走系统漏热。当制冷机暂停时，为了能正常运行，并且减少冷却SSM的氦流质量，一个60 L的杜瓦配备了一个换热器用于预冷氦流。冷却磁铁的两相氦流为0.135 MPa，在返回60 L杜瓦前，也会流经电流引线冷却。2008年7月，BEPC-II完成各项建设任务。2009年5月，对撞机的主要性能参数达到设计指标。经过长达一年的不间断运行，运行情况良好。

图5 BEPCII磁铁冷却简图［10］Fig.5 Process of BEPCII cryogenic system

6 其它低温系统

日本国家聚变科学研究所LHD(Large Helical Device)低温系统:氦制冷机的制冷量为5.65 kW/4.4 K+650 L/hLHe+20.6 kW/80 K，设计制冷量留了相当大的余量，其热负荷2 051 W/4.4 K+650 L/hLHe+13 kW/80 K，该低温系统使用了7台透平膨胀机，氦气流量为 960 g/s［11］。

其它氦低温制冷系统如:

日本JAERI ITER CSMC测试的低温系统:该低温系统的实际制冷量为5 kW/4.5 K或920 L/h LHe。两台透平膨胀机串联，两级节流的Claude制冷循环，He 流量为 320 g/s［13］。

德国Karlsruhe研究中心TOSKA低温系统:其制冷机的基本容量700 W/3.3 K+400 W/4.4 K+1 kW/70 K+4 g/s LHe，使用了3台透平膨胀机，He流量为 200 g/s［14］。

俄罗斯Kurchatov研究所T-15改造后的低温系统:氦液化率为800 L/h，制冷模式时制冷量为2.7 kW，氮屏的负荷60 kW—150 kW，He流量为236 g/s［15］。

法国TORE SUPRA低温系统:氦制冷机的制冷量为300 W/1.75 K+745 W/4.5 K+5.6g/sLHe+11 kW/80 K，主要由3台透平膨胀机和一台两相活塞膨胀机提供［16］。

印度等离子体研究所超导托卡马克装置SST-1低温系统:其氦制冷机的制冷量为650 W+200 L/h LHe。He为流量320 g/s，其中有20 g/s提供给超导母排［17-18］。

7 结论

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。其次，在低温系统规模上，尚存在很大的差距，如LHC低温氦制冷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。随着中国氦低温制冷系统在大科学装置的广泛应用，及近年来强磁场实验装置和上海光源装置等中国重大科学工程建设项目的实施，中国低温工程科技人员积累了丰富的经验，国产化装备和技术也日趋成熟，中国大型氦低温制冷系统有望得到长足发展。

图6 LHD低温系统流程图［12］Fig.6 Process of LHD cryogenic system

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18 B Sarkar，C P Dhard，Y C Saxena，et al.1kW class helium refrigerator/liquefier for SST-1［C］.The 18th International Cryogenic Engineering Conference，India:2000.

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

国家自然学基金资助项目(50976082)，高等学校博士学科点专项科研基金项目(20090201110006)。

叶 斌，男，24岁，硕士研究生。