葉 斌 馬 斌 侯 予

(1西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室 西安 710049)

(2西安交通大學制冷與低溫工程研究所 西安 710049)

大型氦低溫制冷系統(tǒng)研究進展

葉 斌1，2馬 斌1，2侯 予1，2

(1西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室 西安 710049)

(2西安交通大學制冷與低溫工程研究所 西安 710049)

低溫超導技術在基礎科學研究中的廣泛應用，極大地帶動了低溫工程的發(fā)展。大型強子對撞機(LHC)、國際熱核聚變實驗堆(ITER)、先進實驗超導托卡馬克(EAST)、北京正負電子對撞機重大改造項目(BEPC-II)所配套的大型氦低溫系統(tǒng)，分別作為國際與國內最大的低溫裝置，代表了當今低溫技術的最高水平。介紹了這4個典型低溫系統(tǒng)的流程、性能指標以及運行情況，以及其它具有代表性的氦低溫系統(tǒng)及其應用。

低溫系統(tǒng) 超導 氦制冷

1 引言

1911年，荷蘭萊頓大學的H K Onnes意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃時，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，由于它的特殊導電性能，Onnes稱之為超導態(tài)。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，因此可以形成強大的磁場，這是超導體最典型的特性之一。近年來，超導技術在科研和工業(yè)中的應用越來越廣泛，如在核聚變實驗裝置、高能粒子加速器、超導磁體儲能系統(tǒng)、磁流體(MHD)、強磁場研究、化學分析(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy)、醫(yī)學(MRI)、運輸系統(tǒng)(磁懸浮列車)、超導電力傳輸方面的應用等，已發(fā)展成為有一定規(guī)模且極具前景的一門實用技術。在研究物質內部結構的大型對撞機中，需要把質子或電子加速到一定速度后進行碰撞，強磁場就可以大幅提升質子、電子的速度，達到理想的碰撞效果;在受控熱核聚變的托卡馬克裝置中，強磁場則是約束高溫等離子體的必要條件。

目前常用的超導材料有NbTi、Nb3Sn等，NbTi的超導臨界溫度為9.6 K，Nb3Sn的超導臨界溫度為18 K，因此需要低溫系統(tǒng)生產液氦(超流氦)為超導材料提供冷量。特別是超導磁體在核聚變裝置、高能加速器等大型科學工程方面的應用，氦低溫制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率將直接影響超導體以及整個科學裝置的正常運行，已成為裝置功能實現(xiàn)的關鍵。正是由于這些大科學裝置的推動，低溫與超導技術得到了快速發(fā)展，一批大型低溫系統(tǒng)相繼建立。大型強子對撞機(LHC)、國際熱核聚變實驗堆(ITER)、先進實驗超導托卡馬克(EAST)、北京正負電子對撞機重大改造項目(BEPC-II)所配套的大型氦低溫系統(tǒng)，分別作為國際與國內最大的低溫裝置，代表了當今低溫技術的最高水平。

2 LHC低溫系統(tǒng)

歐洲核子中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)作為目前世界最高能量的強子對撞機，配備了性能強大的低溫系統(tǒng)。在周長為26.7 km的LEP隧道環(huán)上分布著約1 800個各種超導磁體，總共需要約7 000 km的NbTi超導電纜。為了獲得8.3 T的磁場，需要將超導磁體冷卻到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)，總的氦制冷量達到144 kW/4.5 K加上20 kW/1.9 K。在1.9 K的超導磁體的總質量為47 000噸。氦氣貯存量約120噸，其中2/3以液態(tài)填充在超導磁體中，尚需10 000噸液氮。LHC環(huán)分成8個扇區(qū)，每個扇區(qū)長3.3 km，分別由一臺18 kW、4.5 K的氦制冷機及一臺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氦制冷機流程簡圖。

圖1 具有8臺透平膨脹機的法液空18 kW/4.5 K氦制冷機流程簡圖［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電纜的接合處溫度突然升高到超導溫度以上，使電纜成為一個電阻，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，強子對撞機的所有8個組成部分被冷卻到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子流對撞，并獲得7萬億電子伏特的能量。LHC的下一個目標將是兩年內使質子流在總共14萬億電子伏特的能量下相撞。

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

3 ITER低溫系統(tǒng)

國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是當今世界最大的大科學工程國際科技合作計劃之一，也是迄今中國參加的規(guī)模最大的國際科技合作計劃。ITER計劃吸引了包括中國、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國共同參與。作為世界上最大的托卡馬克裝置，磁場強度達到5.3 T，最大電流達到17 MA，需要把9 400噸的低溫管道和磁鐵降溫到4.3 K。ITER中的等離子體高達幾億度，需要用高強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生成中子等，產生了非常大的脈沖熱負荷。低溫下的制冷量和瞬時需要的LHe量的變化很大，為了消除脈沖熱負荷，維持系統(tǒng)在一個很大的范圍內穩(wěn)定的運行，運用標準化的部件來減少投資費用，以上就是ITER低溫系統(tǒng)設計的主要指導方針［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)冷卻超導磁鐵系統(tǒng)-31 kW@4.5 K(其中13 kW用于熱負荷脈沖);(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液氮制冷機主要有以下用途:(1)液氮冷屏830 kW@80 K;(2)液氦制冷機的預冷工質-280 kW@80 K;(3)作為高溫超導的備用冷量-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為2 MPa，低壓側為0.4 MPa，由于系統(tǒng)熱負荷變化特別大，因此就要求ITER液氦制冷機需要在一個多變的工況下運行，必須具備高適應性與穩(wěn)定性。主要任務是要在500 MW聚變功率下運行400 s;在400 MW聚變功率下運行1 000到3 000 s;在700 MW功率下運行100 s到200 s。液氦制冷機在聯(lián)合制冷-液化模式中有4.2 K和4.5 K兩個運行溫度，最終氦氣螺桿壓縮機消耗的電力不超過16 MW。整個低溫系統(tǒng)的冷屏由80 K的氦氣和液氮制冷機提供。80 K氦氣循環(huán)的進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)和液氮制冷機需要的電力大約為10 MW［5］。2009年，由于ITER核聚變所產生的超過10億攝氏度的高溫等離子對反應堆內壁的破壞作用遠遠超乎當初想象，需要改變反應堆內部結構設計，因此這一大型國際科研合作計劃正式開始核聚變試驗的時間至少要推遲到2026年，而且該計劃的費用預算可能要超過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)

先進實驗超導托卡馬克(EAST)是全超導的可控核聚變實驗裝置，由中國科學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個冷箱、1個制冷機閥箱和1個分配閥箱，主要目的是提供足夠的制冷量和液氦，用于保證超導磁鐵處于低溫超導狀態(tài)，以及冷卻超導傳輸線、電流引線以及冷屏。EAST低溫系統(tǒng)需要提供3個不同的溫度用于冷卻不同的部件。超導磁體的工作溫度為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;杜瓦及其它設備的冷屏工作溫度為80 K，使用經膨脹機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)的設計制冷量為1 050 W/3.5 K+200 W/4.5 K+13 g/sLHe+(13—25)kW/80 K，當量制冷量為2 kW/4 K，這些冷量主要由4臺氦氣透平膨脹機提供，其中3臺透平的產冷主要用于生產液氦和獲得4.5 K冷量，另外一臺透平的產冷主要用于冷卻冷屏［7-8］。

圖4為EAST低溫系統(tǒng)簡圖，高壓氦氣從壓縮機出來后，在經過EX1，到達EX2前被液氮預冷至80 K，再經過EX2后部份氣體進入透平膨脹機T1，再經過EX4冷卻后繼續(xù)經過膨脹機T2膨脹至低壓，作為返流氣體冷卻 EX5、EX4、EX3、EX2和 EX1。另一路氦氣再經過 EX6后，經過膨脹機 T3膨脹后通過EX7，最后節(jié)流為液氦。EAST低溫系統(tǒng)從第一輪運行開始到2008年的第5輪實驗，總體運行情況良好，不過4臺俄制氦透平都陸續(xù)出現(xiàn)過故障，主要是因為透平啟動時，進口溫度高，氦氣比焓值較高，沒有達到透平設計額定值［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)

北京正負電子對撞機重大改造項目(BEPC-II)2004年1月正式開工建設，總投資6.4億元，也是目前中國重大科學工程中最具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的項目之一，其配套的制冷系統(tǒng)需為對撞機提供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氦制冷機系統(tǒng)分別冷卻超導腔(SRF)、超導螺線管磁體(SSM)和超導插入四極磁體(SCQ)，配電容量約為700 kW。其中1臺為超導探測器磁體和超導四極磁體提供冷量，另1臺為兩個超導純妮腔提供冷量，兩套低溫制冷機共用純化、回收和貯存系統(tǒng)。SSM、SCQ、SRF都有不同的冷卻方式與熱負荷。SSM磁體采用氣液氦間接冷卻方式，熱負荷為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置80 K液氮冷屏，其熱負荷為338.4 W+0.266 g/sLHe［10］。

圖5為BEPCII磁鐵冷卻簡圖，其中壓縮機出口壓力為1.3 MPa，經過節(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的低壓側維持系統(tǒng)循環(huán)。超臨界氦存放在一個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，之后流經磁鐵的管道帶走系統(tǒng)漏熱。當制冷機暫停時，為了能正常運行，并且減少冷卻SSM的氦流質量，一個60 L的杜瓦配備了一個換熱器用于預冷氦流。冷卻磁鐵的兩相氦流為0.135 MPa，在返回60 L杜瓦前，也會流經電流引線冷卻。2008年7月，BEPC-II完成各項建設任務。2009年5月，對撞機的主要性能參數(shù)達到設計指標。經過長達一年的不間斷運行，運行情況良好。

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)

日本國家聚變科學研究所LHD(Large Helical Device)低溫系統(tǒng):氦制冷機的制冷量為5.65 kW/4.4 K+650 L/hLHe+20.6 kW/80 K，設計制冷量留了相當大的余量，其熱負荷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，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)的實際制冷量為5 kW/4.5 K或920 L/h LHe。兩臺透平膨脹機串聯(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，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，制冷模式時制冷量為2.7 kW，氮屏的負荷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臺透平膨脹機和一臺兩相活塞膨脹機提供［16］。

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

7 結論

國外大型氦低溫系統(tǒng)已普遍使用超流氦冷卻，而國內超流氦目前尚未廣泛應用。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)的總冷量已經達到144 kW/4.5 K+20 kW/1.9 K，而國內的冷量僅為2 kW/4 K。另外，在熱力學完善度方面，CERN LEP系統(tǒng)已達到Cannot效率的28.8%，而國產系統(tǒng)的效率與可靠性還有待于進一步提高。隨著中國氦低溫制冷系統(tǒng)在大科學裝置的廣泛應用，及近年來強磁場實驗裝置和上海光源裝置等中國重大科學工程建設項目的實施，中國低溫工程科技人員積累了豐富的經驗，國產化裝備和技術也日趨成熟，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

1 Ph.Lebrun.Large cryogenic helium refrigeration system for the LHC［C］.The third international conference on cryogenics＆refrigeration(ICCR’2003)，Hangzhou:2003.

2 H Gruehagen，U Wagner.Measured performance of four new 18kW@4.5K helium refrigerators for the LHC cryogenic system［C］.The 20th International Cryogenic Engineering Conference，Beijing:2004.

3 D Henry，M Chalifour，A Forgeas，et al.Process flow and functional analysis of the ITER cryogenic system［C］.The Cryogenic Engineering Conference，USA:2010.

4 L SERIO.The ITER cryogenic system［R］.France:ITER Organization，2007.

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

6 顧 鋼.ITER因設計缺陷被迫將試驗時間推遲到2026年［N］.科技日報，2009-08-03(2).

7 白紅宇.HT-7U超導托卡馬克氦制冷系統(tǒng)熱力學分析及設計研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2002年.

8 付 豹，白紅宇，朱 平.EAST裝置2kW/4.5K氦制冷機透平膨脹機的測試［J］.低溫工程，2007(1):32-37，49.

9 邱立龍，白紅宇，莊 明，等.EAST氦低溫系統(tǒng)透平故障分析［J］.低溫工程，2009(3):41-45.

10 湯洪明.BEPCII SCQ、SSM超導磁鐵系統(tǒng)低溫工作特性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2006:4-5.

11 T Mito，S Satoh，R Maekawa，et al.Development of a cryogenic system for the Large Helical Device［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1998，43:589.

12 Ryuji，Maekawa，Kouki Ooba，et al.Dynamic simulation of the helium refrigerator/liquefier for LHD［J］.Cryogenics，2005，45:199-211.

13 Takashi Kato，Kazuya Hamada，Katsumi Kawano，et al.Performance study of the cryogenic system for ITER CS model coil［C］.The 16th International Cryogenic Engineering Conference and International Cryogenic Materials Conference，Japan:199.

14 F Spath，R Heil，J Lesser，et al.A 2kW He refrigerator for SC magnet tests down to 3.3 K［J］.Cryogenics，1992，32:56.

15 V E Duzhev，V F Zhulkin，et al.TOKAMAK-15 modernization and an analysis of cryogenic system operation for the period from 1988 to 1994［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1996，41:745.

16 G Claudet，G Bon Mardion，B Jager，et all.Design of the cryogenic system for the Tore Supra tokamak［J］.Cryogenics，1986，26:443-449.

17 Yogesh C Saxena.Steady state superconducting tokamak SST-1:Magnets＆Cryogenics［C］.The 18th International Cryogenic Engineering Conference，India:2000.

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

國家自然學基金資助項目(50976082)，高等學校博士學科點專項科研基金項目(20090201110006)。

葉 斌，男，24歲，碩士研究生。