氦氣的回收與利用

*理研---日本理化日本理化學研究所

氦對於回旋加速器的冷卻、NMR（核磁共振）設備中超導電磁體的冷卻劑以及凝聚態物理的實驗和發展等各種研究都是必不可少的，然而由於全球供應短缺，近年來變得難以獲得。

日本理化學研究所院內到處都是巨大的銀色圓筒。是儲存極低溫液化氦的儲罐。在理研現場參與廢氦氣收集和液化的技術專家段冢知志的照片。

對氦氣的需求上升和價格飛漲

氦是僅次於氫的第二輕元素，是一種與一個原子穩定的“單原子分子”，因此具有極強的惰性，在元素中沸點最低為-269℃。它以氣體和液體兩種狀態存在，在工業界，氣體在製造半導體和光纖時被廣泛用作氣體，液體在醫學核磁共振和核磁共振中被廣泛用作超導電磁鐵的冷卻劑。

另外，在理研等研究機構和大學，在接近絕對零度(-273.15℃)的極低溫下出現的超導和超流動現象的低溫工學領域，氦作為高性能的冷卻材料是不可或缺的。近年來，量子計算機也被用於量子計算機的研究開發，需求量越來越大。但是以中國和東南亞為中心，半導體等高科技產業迅速擴大再加上醫療用MRI的普及，世界範圍內的消費量正在增加。但是由於產量不增加，2019年以後價格持續高漲。

氦在太空中含量豐富，但在地球上極為罕見，大氣中僅存在 0.0005% (5ppm)。因此，地下的氦氣是從天然氣中提取的，但含氦量高的天然氣田卻是有限的。2020年，美國將佔全球產量的約52%，而卡塔爾將佔約32%，僅這兩個國家就佔80%以上。俄羅斯也在進行生產項目，但因俄羅斯烏克蘭戰爭而中斷。

日本氦氣消耗示意圖

日本氦氣的使用（2021 年）。消耗氣體6660000m3 ，消耗液體2667000m3，共計9327000m3。低溫工程（高校和科研院所）僅使用氦氣和液氦46.6萬立方米，僅佔總量的5%左右，但由於回收再液化，實際使用量是這個數字的8 ~ 9倍，約佔總量的30% 。

另外，在理研等研究機構和大學，在接近絕對零度(-273.15℃)的極低溫下出現的超導和超流動現象的低溫工學領域，氦作為高性能的冷卻材料是不可或缺的。近年來，量子計算機也被用於量子計算機的研究開發，需求量越來越大。但是以中國和東南亞為中心，半導體等高科技產業迅速擴大再加上醫療用MRI的普及，世界範圍內的消費量正在增加。但是由於產量不增加，2019年以後價格持續高漲。

氦在太空中含量豐富，但在地球上極為罕見，大氣中僅存在 0.0005% (5ppm)。因此，地下的氦氣是從天然氣中提取的，但含氦量高的天然氣田卻是有限的。2020年，美國將佔全球產量的約52%，而卡塔爾將佔約32%，僅這兩個國家就佔80%以上。俄羅斯也在進行生產項目，但因俄羅斯烏克蘭戰爭中斷。

段冢自2007年入理研以來，一直負責和光地區氦液化設備的運用和管理。因為會從微小的孔洞中不斷泄漏出來，光是儲存起來就非常困難。為了回收實驗室等使用過的氦氣，在和光地區內鋪設了總長2公里的地下管線。在通過管線的過程中也會一點點減少。“由於裝置老化，從2016年到2020年補充量增加，推進了各裝置的整修和增設。另外，由於實驗室對氦的使用情況進行檢查以及使用者意識的提高，回收率一直在上升，現在已經達到了95%以上。”

約 60 年來一直致力於回收利用

理研只購買實驗中或保管中泄露、無法回收而減少的部分作為氦氣。也就是說，回收率的提高直接關係到氦氣購買費用的削減。2022年購買氦氣的價格與10年前相比上漲了約5倍。“研究人員的辛苦是無法估量的。為了儘可能減少購買量，今後我們計划進一步提高回收率。”

想要推廣的回收風潮

在儲罐中分成小塊的液體氦再次被送到實驗室。擁有特殊執照的段冢技師親自駕駛搭載小型起重機的卡車和帶有動力門的小型卡車。“現在光是供應理研內部就已經夠了，今後發生緊急事態的時候，物理上可以使用這個專用卡車向外部迅速供應液體氦。總有一天，我想把循環利用的風潮推廣到理研以外的地方。”

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