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液氦为什么是理想的超低温冷却剂?

液氦为什么是理想的超低温冷却剂? 中科富海
2022-11-07
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氦被称为最不活泼的元素,通常情况下以气体的形态存在,是一种色、无味的气体。氦气是气体中极难液化的,是不可能在标准大气压下固化的物质。但因为其特殊的物理性质,液氦已经被作为一种冷却剂应用在许多行业。
一、反映堆冷却剂
核反应堆的冷却剂是指用来冷却核反应堆堆芯,并将堆芯所释放的热量载带出核反应堆的工作介质,也称载热剂。通俗的讲,冷却剂就是将高温物体的热能导出,从而使这个物体降温的物质。
对于此类冷却剂,不仅需要满足一般的热工、水力学性能外,还需要其热中子吸收截面小、感生放射性弱、辐照稳定性好,且能够与反应堆结构材料有一个很好的相容性。
常用的冷却剂有轻水、重水、二氧化碳 、氦气等。
二、液氦的冷却特性
液氦是一种最主要的低温源,被用作超级冷却剂。是因为,氦气具有极低的熔点和沸点,在常压下没有三相点,并且氦气是唯一在大气压和0 K下不会固化的物质。但通过反复冷却加压得到液化后的氦,其表面张力很小、导热性很强、黏度极低,甚至液化后的氦可达到接近绝对零度的低温(约为-273.15℃),这一特性,在任何低温冷源中都没有能够替代氦气作为超级冷却剂。
此外,氦的化学性质稳定,几乎不与其他任何元素化合。也就是说,作为制冷剂的氦不会与冷却目标反应,改变它的任何特性,这样也不会产生多余的损耗。
三、氦的冷却应用
液氦的超低温冷却技术在超导技术等领域有较广泛的应用。目前所有的超导材料需要在-130℃以下的低温中才能表现出超导特性。但是,大多数情况下只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。低温超导技术在电池相关的领域应用广泛,如交通行业的磁悬浮列车、医疗领域的核磁共振成像设备等,都需要用到液氦。
目前,我国的重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”早已通过验收及成果鉴定。还有众多领域的技术分析和应用,不论是液氦还是超流氦温区大型低温制冷设备,都是氦资源开采、航天工程、氢能利用、以及大科学装置运行不可替代的基础支撑装备。
随着社会经济的高速发展,我国已成为大型低温制冷设备的使用大国。液氦作为一种制造超低温的“神器”,相信未来的市场也将无比广阔。

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