你家冰箱最多能冻到零下二三十度,那能达到零下 271℃的超冷装置,到底是咋造出来的?很多人以为和冰箱原理差不多,其实差了十万八千里。
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超冷装置的核心流程和冰箱类似,靠压缩和膨胀实现制冷。压缩机先把氦气等制冷剂压缩成高温高压气体,再通过透平膨胀机预冷到转化温度以下,高压气体被送到节流装置,经过节流减压降温产生液体,最后制冷剂复温,重新返回压缩机,形成闭环。这个过程听起来简单,但真正的难点藏在细节里。
咱们日常用的冰箱,靠氟利昂制冷,但这种常规制冷剂有个致命缺陷。普通氟利昂零下 160℃就会凝固成固体,一旦温度低于这个值,就没法循环流动,根本没法实现超级低温制冷。
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要造超冷装置,必须换制冷剂。科学家挑了凝固点在 - 259.16℃的氢气,还有常压下永不凝固的氦气,但这两种制冷剂,给整套装置带来了前所未有的挑战。
第一道关是氦气提纯。要让氦气作为制冷剂,纯度必须达到 99.9999% 以上,只要有微量杂质比如氮气、水,在超低温下就会凝固成颗粒,堵塞微米级流道,甚至崩伤透平膨胀机的叶片。想要达到这么高的纯度,技术难度极大。
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我国科研人员经过几代人的接力攻关,完成了多个从无到有的突破。2021 年,我们成功造出 500 瓦零下 271℃的超流氦制冷机,拥有了真正的超级低温工厂,低温技术正式步入世界先进行列。
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现在这套技术已经有了实际应用,首套万瓦级大型氦制冷机,已经用在了我国加速器驱动的嬗变装置上,有望大幅缩减核废料的衰变期。除此之外,量子计算、氢能存储、氦资源提取等领域,都需要大型低温装备,低温制冷技术的应用潜力无穷。
从打破国外垄断,到领跑全球超低温技术,我国科研人员用智慧和汗水,啃下了这块极寒领域的硬骨头。这条路不是坦途,但每一步突破,都让我们在科技赛道上更进一步。
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