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氦元素,在元素周期表中排在第二位,化学符号为He,常见的氦4原子量为4.,它有两种天然同位素:氦3和氦4。

氦元素存在于整个宇宙之中,且总量极为丰富,其总质量仅次于氢元素,是第二多的元素。但氦在地球上的含量却极为稀少,在空气中的含量约为52/1,,(一百万分之五十二),这主要和它的物理化学性质有很大的关系。氦在通常情况下为无色、无味气体;其熔点为-.2℃(25个标准大气压),沸点为-.9℃;在1个标准大气压,0℃时,氦气的密度为0.克/升,空气的密度为1.克/升。氦气是一种单原子分子气体,也是一种惰性气体,它不可燃,也没有毒性,化学性质非常稳定和不活跃,几乎不与任何物质发生化学反应。正因如此,氦气很难长期驻留在地球表面。氦气一旦进入空气中,在浮力的作用下,它非常容易外溢到大气层以外的宇宙空间。可见,氦在地球上是一种正宗的、珍贵的不可再生资源。确切的讲,在可控核聚变得到大规模应用之前,氦资源都无法再生。

这么珍贵的不可再生资源,到底都有什么用呢?说到这一点,可能很多人第一反应就是迪士尼的氦气球。由于氦气特殊的物理化学性质,其非常适合做气球的填充气体,它比氢气更安全。

但受到全球氦气供应不足、气体供货商提价等因素影响,东京迪士尼已于年10月起只能限量出售氦气球,仅依照每月所购得的氦气存量限量供应。而随后几周,迪士尼就已停止出售氦气球。

如果把氦气这么珍贵的资源仅仅用来庆祝节日灌充气球,那就真的太浪费了。充气球的确是氦气最早也是最著名的用途,并且占了不小的比重,不过氦气充的“气球”不光只有玩具,气象气球和飞艇也位列其中。19世纪末20世纪初,人们上天主要还是依靠充气的热气球和飞艇。氦气作为一种惰性气体,其安全性比一点就爆炸的氢气不知高了多少倍。因此,氦气很快就被视为一种重要的军事资源。

在进行航天发射时,由于火箭燃料十分易燃,只能由氦来帮助运输这些燃料,以防在运输过程中出现意外。氦气作为火箭液体燃料的压送剂和增压剂,清洗净化燃料仓和装填液体燃料,大量用于导弹、宇宙飞船和超音速飞机上。

在焊接切割领域,氦气可作为电弧焊机气态的安全毯,也可以与高纯二氧化碳和高纯氮气一起用作二氧化碳激光切割机的激光气体。电弧熔化焊丝和母材形成的熔池及焊接区域在惰性气体的保护下,可以有效地阻止周围环境空气在高温下对金属材料的氧化和氮化,氦可以作为在进行铝、不锈钢、铜和镁合金等高导热性材料焊接时的保护气。这在造船以及飞机、火箭、武器制造等精密焊接领域非常有用。

由于氦气有着优良的渗透性,常被用于火箭、核反应堆的一些管道及电子和电气装置等的检漏。而现在用量最高的则是低温领域,由于氦气是具有理想气体性质的气体,且沸点极低,因此,它是极低温度下蒸气压温度计的理想用气。氦气可实现-.3℃的深冷温度而不发生相变,它是作为磁共振和核磁共振超导磁体的理想冷冻气体,从而通过超导效应产生极强的磁场,有效获取内脏器官和组织等的高分辨率图像。

由于氦气是惰性气体的一种,它在血液中的溶解度较氮气低,因而其麻醉性低于氮气,因此经常将氦气与医用氧气混合,作为潜水员的呼吸用气体。

在超市中,收银员使用的扫码器内部通常用的是氦-氖激光器,激光器中气体混合物大部分是氦气。通过氦原子被激发,进一步与氖原子碰撞,产生激光。氦气的使用使得激光器能量消耗更低,效果也更好。

氦气在半导体芯片中可以实现零部件的快速冷却,从而提高生产率,还能控制热传递速率,以改善生产效率并减少缺陷。

作为一种不可再生资源,用处又如此广泛的氦气,其战略地位极高。自从年堪萨斯州发现了氦气丰度较高的天然气田,美国就成为了一直垄断世界氦气生产的大户。年,美国立法禁止了向外国和非政府机构出售氦气,直到年,法令才开始有所松动,不过基本上还是以政府和军用为主。到了冷战时期,由于氦气在太空竞赛里找到了新的用处,美国政府预测十年后氦气会变得越来越重要,便又一次签署了法令,以高价购买天然气公司分离出的氦气,并放到一个废弃气矿里储存起来。氦气年产量在之后的十年里,从几千吨一跃增加到两万多吨,但是绝大多数都被储存了起来。然而,预想的太空时代没有到来,美国一个星球大战计划居然把实诚的苏联人忽悠瘸了。愚蠢的戈尔巴乔夫和“苏奸”叶林钦携手结束了苏联的时代,和美国冷战的对手一下子变没了,世界陷入寂静,氦气的战略地位好像也没那么重要了。

20世纪90年代,随着电子技术和核磁共振的发展,私人部门对氦气的需求也在逐渐提高。美国政府当年可是花大价钱储存了几十万吨氦气,这批氦气看起来似乎已经失去了其战略价值,不如把它卖了换点外快和财政收入。于是,年他们决定将这批氦气卖掉,但是有关法令却有点嘚儿:二十年内每年销售二十分之一的储备,价格是购买储存氦气所花掉的钱除以储藏量。根据相关数据,以年为例,氦气的销售量有2.3万吨,而生产量只有1.4万吨。其余的部分都是来源于美国抛售的氦气储备,其价格又并非由市场决定,而是更接近三十年前美国购买这批氦气的价格。这2B政府辛辛苦苦储备氦气几十年,最后居然连通胀都没跑赢。如此大量廉价的氦气货源也对正常的市场产生了巨大冲击。一方面,氦气的价格远比应有的价格低,医疗、科研、日常娱乐等领域用上了便宜的氦气;另一方面,因为便宜,人们在使用氦气上也就不是那么在意,且新氦气矿的开发和氦气的回收再利用研究进程也变得慢了下来。美国政府当年这批氦气储备已于年耗尽,储藏氦气的矿井预计也将于年废弃。在供需逆转之下,氦气价格近年来迅速上升。随着价格上涨,卡塔尔、俄罗斯等国家也都开始采掘氦气,人们也开始有意识地节省氦气或是将氦气回收再利用。

地球上的氦主要来源于铀、钍放射性衰变和地幔脱气。由于其在空气中含量实在太低,从空气中提取根本就不划算。目前具有工业价值的氦(0.1%)主要提取自天然气,个别储量丰富的天然气田含量甚至最高可达7.5%。无论是在空气分离,还是在天然气中提取氦气,其气体分离核心技术原理都是类似的,利用不同气体的沸点不同,进行低温精馏。气体分离过程大概是这样的,先将气体压缩再进行冷却,然后将压缩气体通过绝热节流和膨胀做功等方式进行降温,从而使得气体液化,再在经六塔中经过多次部分蒸发和部分冷凝,从而实现将各组分离。一个典型的空气分离系统构成是这样的:

在氦气矿藏资源分布方面,根据美国地质调查局数据,全球氦气总资源量仅为亿立方米,且全球分布极不均匀,主要集中在美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯和加拿大等国家。其中,美国有亿立方米,占全球的40%。中国的资源量仅为11亿立方米,占比约2%。

尽管我国氦资源相对贫乏,但随着经济的快速发展,国内氦气需求总量却在日益扩大,年均增长率高达16%,其驱动力主要来自氦在科学仪器与装置(特别是超导磁体)中的应用,其中核磁共振成像仪与核磁共振谱仪的氦消耗最多,占总量的30%以上,原子能反应堆、粒子加速器对氦的消耗量也很大。这些科学仪器与装置,不仅对于我国基础研究、技术创新领域具有十分重要意义,且在相关的工业生产、医疗卫生领域也不可替代,这决定了我国对氦资源需求的刚性与巨大潜力。

目前,我国氦气主要依赖进口,主要来源于卡塔尔、美国和澳大利亚3个国家,年需求量吨(万立方米),实际供应量仅吨(万立方米),差额达吨(万立方米)。由于美国将氦资源列为战略储备资源而限制粗氦产量,其国内液氦设备大规模停产,未来氦气进口不容乐观。年液氦批量进口均价为45.5美元/千克,折氦气55.8元/立方米,价格昂贵,并且持续提高。预计年我国氦气年需求量将增至吨(万立方米),而供应量将继续维持在3吨(万立方米),供需差额将进一步拉大至吨(万立方米)。

当前昂贵的氦价格以及美国近期开始实行的定额配给供应措施,已经对我国大量用氦的以核磁共振成像仪、核磁共振谱仪、粒子加速器为代表的科学仪器装置,以核聚变等离子体强磁场约束、低温超导技术、极低温量子科学研究为代表的科研项目,以光纤制造、硅与锗晶体生长、真空系统检漏为代表的生产行业产生了重大影响。考虑到当前美国宁可自己不吃饭都要掐死中国的态度,如果美国进一步收紧液氦出口,甚至对中国实施禁运,那我国未来氦资源进口将更加受制于人。如果美国禁运,难道能指望卡塔尔吗?这种阿拉伯世界的国家,有几个不是看美国老大脸色做事的?届时可能会因为无氦供应而使我国现有的许多涉及氦气和液氦的科学仪器与装置无法运行,导致相关的科研项目和工程无法实施。

不过,最近我国却传来一个好消息:年7月28日,我国在宁夏盐池县开设了中国首座大型氦气工厂,并投入使用,这是中国首个可以生产和运营氦气的商业化设施。该项目采用中科富海(中科院理化技术研究所控股)研发的LNG-BOG低温提氦装置,从液化天然气(LNG)闪蒸汽中提取出高纯氦气。由于原料来自LNG工厂的废料,其成本与进口相比“很有竞争力”,且可广泛进行推广。尽管该工厂预计每年只能生产约20吨的液态氦,这个量在巨大的需求面前只是杯水车薪,但它却开启了捍卫国家氦气战略安全的大幕。

(注:以上内容完全基于个人理解,仅供参考,不作为投资买卖依据。金融市场套路深,充满风险,交易风险自担,盈亏自负)



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