為何液氦是理想的超低溫冷卻劑

氦元素被稱為最最不活躍的元素之一，通常存在于氣態(tài)形態(tài)中，無色無味。它在氣體狀態(tài)下非常難液化，并且不可能以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓固化。由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)，液態(tài)氦已成為許多行業(yè)中的冷卻劑。

一、反應(yīng)堆冷卻劑的情況

冷卻劑是用于冷卻核反應(yīng)堆堆芯，并將堆芯釋放的熱量帶出核反應(yīng)堆的介質(zhì)，也被稱為載熱劑。簡(jiǎn)單來說，冷卻劑是一種能夠?qū)С龈邷匚矬w熱能，并使物體降溫的物質(zhì)。

針對(duì)這種類型的冷卻劑，除了需要具備一般的熱工和水力學(xué)性能外，還要求其具有小的熱中子吸收截面、弱的感生放射性、良好的輻照穩(wěn)定性，并且與反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料能夠有良好的相容性。

常見的散熱介質(zhì)包括輕水、重水、二氧化碳和氦氣等。

二、液氦冷卻的性質(zhì)

液態(tài)氦是一種主要用作低溫源的物質(zhì)，它被用作超級(jí)冷卻劑。原因在于氦具有非常低的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，常溫下沒有三相點(diǎn)，而且是唯一一種在大氣壓和0K下不會(huì)固化的物質(zhì)。經(jīng)過重復(fù)的冷卻和加壓處理后，液態(tài)氦的表面張力很小，導(dǎo)熱性很強(qiáng)，黏度極低，甚至可以達(dá)到接近絕對(duì)零度的低溫（約為~273.15℃）。這個(gè)特性使得氦成為沒有其他低溫冷源可以代替的超級(jí)冷卻劑。

此外，氦的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，幾乎不與其他任何元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。換句話說，氦作為制冷劑時(shí)不會(huì)與被冷卻的物體產(chǎn)生反應(yīng)，也不會(huì)改變其任何特性，因此也不會(huì)造成額外的損耗。

三、液氦的冷卻應(yīng)用廣泛。

液氦的低溫冷卻技術(shù)在領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，比如超導(dǎo)技術(shù)。目前所有超導(dǎo)材料都需要在~130℃以下的低溫環(huán)境下才能展現(xiàn)出超導(dǎo)特性。然而，大多數(shù)情況下，只有液氦能夠相對(duì)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)如此極低的溫度。低溫超導(dǎo)技術(shù)在電池相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，比如交通行業(yè)的磁懸浮列車，以及醫(yī)療領(lǐng)域的核磁共振成像設(shè)備等，都需要使用液氦。

我國(guó)已經(jīng)成功通過驗(yàn)收和成果鑒定，并已經(jīng)完成了重要的科研裝備項(xiàng)目——“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”。這個(gè)項(xiàng)目在技術(shù)分析和應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。無論是液氦還是超流氦溫區(qū)大型低溫制冷設(shè)備，都是氦資源開采、航天工程、氫能利用和大型科學(xué)裝置運(yùn)行所必需的基礎(chǔ)設(shè)施。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國(guó)已成為大型低溫制冷設(shè)備的大規(guī)模使用國(guó)家。液氦作為制造超低溫的“神奇工具”，預(yù)計(jì)未來市場(chǎng)潛力巨大。