福州科技力量闪耀全国：中科院理化所突破超流氦温区大型低温装备“卡脖子”技术

由中国科学院理化技术研究所牵头攻关、具有完全自主知识产权的液氦至超流氦温区（2K—20K）大型低温制冷系统，已在福州及全国多个重大科技基础设施中实现规模化应用。

中国科学院理化技术研究所供图

习近平总书记强调：“科技创新是发展新质生产力的核心要素”“要在以科技创新引领产业创新方面下更大功夫”。这一重要论断，在福建乃至全国低温科技产业化实践中得到生动印证。

作为国家新质生产力布局的关键一环，低温装备研发正加速从实验室走向产线。近年来，依托福州、北京等地协同创新机制，高校、科研院所与企业深度联动，推动一批“硬核技术”快速落地——中国科学院理化所研制的系列化大型低温制冷装备，正是其中典型代表。

即日起，科技版推出“以科技创新引领产业创新”系列报道，聚焦一线科研攻坚与产业转化实效，展现福建参与国家重大科技工程的扎实作为。

——编者

它不是普通冰箱，而是一座可连续输出百瓦至万瓦级冷量的“超级深冷工厂”：能在零下253℃（20K）至零下271℃（2K）极端低温下稳定运行，为前沿科学装置与战略性新兴产业提供核心冷源支撑。

科学界将20K定义为液氢温区，2K则对应超流氦温区。该温区大型制冷系统，是航天器地面试验、可控核聚变、先进光源、超导加速器等国家重大科技基础设施不可或缺的“底层支撑”。过去，这类装备长期被国外垄断，国产化率几近为零。

历经十余年持续攻关，中国科学院理化技术研究所科研团队成功突破透平膨胀机、氦气螺杆压缩机、冷箱集成与智能控制系统等关键技术瓶颈，研制出覆盖20K—2K温区、功率等级从百瓦级到千瓦级的全系列国产大型低温制冷装备。该成果已在福州参与共建的国家大科学装置配套项目中完成验证，并形成技术研发—工程示范—产业应用的完整闭环。

攻克“看不见却离不开”的关键冷源系统

“大型低温装备不显山不露水，却是许多‘国之重器’运转的幕后支柱。”中国科学院理化所研究员胡忠军指出，其重要性恰如福州数字中国建设峰会所强调的“基础软硬件要自主可控”，低温系统亦属国家战略科技基础设施的“冷端底座”。

在北京正负电子对撞机展厅前，胡忠军详解原理：“氦气在-269℃液化，-271℃进入超流态；正是这套国产低温系统，为超导磁体提供持续稳定的液氦与超流氦冷却。”上海光源、高能同步辐射光源等装置同样依赖此类装备——而今，福建企业在配套低温阀门、换热器等环节也逐步融入这一全国协作网络。

氢能产业亦亟需低温支撑。胡忠军介绍，常温常压下氢气运输效率极低，液化后体积缩减至约1/800；大型低温制冷装备正是实现大规模氢储运降本增效的核心环节。福州正加快布局氢能产业园，相关低温技术本地化适配已提上日程。

专家指出，我国低温装备自主化难度远超预期。以透平膨胀机为例：其气体轴承间隙仅为人发直径的1/5，叶轮边缘线速度超音速，设计与工艺精度要求极高。“这不是单点突破，而是多学科、跨产业链的系统工程。”理化所研究员刘立强说，攻关难点集中于“两机一箱一集成”——即透平膨胀机、冷压缩机、冷箱集成及整机智能调控。

2009年，中科院启动“低温氦透平制冷机样机研制”专项，理化所牵头组建联合攻关团队。首台“2kW@20K”氦透平制冷机成功通过连续运行考核，标志着我国具备大型低温装备自主研发能力。

2010年起，依托财政部国家重大科研装备研制专项，理化所开启向更低温、更大功率的跃升：Ⅰ期实现“10kW@20K”液氢温区万瓦级系统；Ⅱ期聚焦液氦至超流氦温区，于2020年前后交付“2500W@4.5K”和“500W@2K”两型装备，关键指标达国际先进水平，填补国内空白。

构建高效协同的工程化创新范式

温度每降1K、功率每升一级，系统复杂度呈指数增长。在理化所低温工程与系统应用中心，科研人员正通过轴心轨迹试验平台优化新一代气浮轴承——目标转速达30万转/分钟，为未来万瓦级液氦制冷机奠定基础。

彭楠研究员回忆，为攻克高速转子稳定性难题，团队在实验室连续奋战一年多；胡忠军团队则联合无锡锡压、冰轮环境等企业，仅用1个月完成氦气螺杆压缩机测试，较常规周期压缩三分之二。

面对跨学科、长周期、高协同的研制特点，理化所探索出“行政+技术”双线推进、“研发+集成+应用”三组联动的工程化管理模式。所长王雪松介绍，中心整合首席科学家、骨干工程师与产业工程师，形成贯穿基础研究、技术攻关到工程落地的全链条创新组织形态。

这项成果，凝聚着洪朝生、周远等老一辈低温科学家在福州等地奠基的学术血脉。“没有上世纪50年代打下的低温物理与工程基础，就没有今天的技术跨越。”刘立强表示。

产学研深度融合催生产业新生态

破解“卡脖子”，不止于造出样机，更在于打通产业化路径。理化所摒弃传统“实验室—中试—量产”线性模式，首创“边研究、边应用、边转化”机制——科研指标直指工程可靠性、运维成本与生命周期管理。

2016年，理化所联合社会资本在福州及京津冀区域推动成立北京中科富海低温科技有限公司，加速成果落地。董事长张彦奇表示：“科研机构强在原理突破，企业长于工程放大，二者融合显著缩短转化周期。”

目前，我国已形成涵盖高端压缩机、低温换热器、特种阀门的区域性低温制造集群，部分配套企业技术能力达国际水准。中科富海开发的成套氢氦液化装备，不仅服务合肥、兰州、东莞等地大科学装置，更出口应用于海外聚变实验堆等项目，福州作为东南区域协同节点，正积极参与标准制定与技术服务输出。

面向量子计算、氦资源战略提取、空间低温试验等新需求，中科院已于2020年部署万瓦级液氦温区制冷技术攻关，2021年启动“大型低温制冷机及提氦工程示范”先导专项。王雪松表示：“响应国家所需，立足福州科创高地优势，理化所将持续强化低温领域战略科技力量。”

《 人民日报 》（ 2024年04月15日 19 版）

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