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宇宙第二多的气体氦气,中国95%靠进口,不怕被美国“卡脖子”?

2022/6/16 21:32:29

2021年上半年,我国的资源进口可谓是遭受了国际的大肆“抬价”,铁矿石、石油等等。

而其中有一项不太起眼的气体资源,名叫氦气它在航天、军事、医学等高科技领域都有着广泛的运用,而且可代替性极小,堪称气体界的“稀土”。每年,我国都有95%的比例需要依靠外国的进口。

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He,氦

这样的资源结构能长久吗?我们国家的氦气,该如何摆脱“卡脖子”,实现自立行走?

氦气是什么?

说起氦气,大多数人可能并不熟悉,但如果说到“氢气球”就不一样了,其实氢气球的正确名称应该叫作“氦气球”,内部填充的也是氦气,人们至今将它称作“氢气球”只是出于一种习惯。

这意味着,氦气和氢气具有颇多的类似之处,最显著的特点就是——轻。

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氦是宇宙中第二轻的元素,同时,它也是宇宙中含量第二高的元素,在宇宙大爆炸时期大量产生,占了全宇宙元素质量的约1/5,超过其他原子总和的12倍。

但是,地球却似乎没能得到氦的“眷顾”,含量十分稀少,氦气也被叫作稀有气体,虽然在空气当中就有,但其体积仅占空气体积的0.0005%左右,而且氦气由于轻,很容易逃逸到大气当中去,人类无法再利用,因此它也被归类为不可再生资源

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除此以外,氦气还是一种惰性气体,化学性质非常稳定,它既不易溶于水,也几乎不会和其他元素发生反应。试想生活中,我们常常听到“氢化物”的说法,但却从来没有“氦化物”的说法。它的稳定,赋予了它很多氢气做不到的用途。

氦气用途有多广?

  • 减压剂

氦气也被用来加入氧气罐中充当减压剂。潜水员在海中承受的压力比在陆地上大得多,很容易出现晕眩、耳鸣、呼吸困难的症状,这时候如果从氧气瓶中吸入密度压强大的氧气,会给人体带来很大的危险。

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而氦气可以和氧气混合,减少氧气罐内部压强,制造一个适宜的气密度,让潜水员可以轻松吸入氧气,规避“减压病”的发生。

除此之外,氦气还是沸点最低的气体,达到了零下-268.93℃,在极度接近绝对零度(零下273.15℃)的情况下才变为液态,不会凝固,这让它在制冷方面有着卓越的发挥。

  • 核磁共振

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医用的核磁共振就需要用到氦气的制冷功能。核磁共振里面需要用到超导体造影,我们都知道超导体,它需要在超低的温度下才能实现电阻为0的条件。简单来说,需要用制冷的液氦环绕着超导体,让电流得以在超导体中通过,产生强磁场,才能够获取内脏器官的高分辨率图像。

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超导体产生磁场原理

  • 火箭发射

氦气制冷的另一大作用领域就是航天

氦气可以对精准焊接的原材料进行冷却、吹除和封存,防止焊接处发生氧化反应;

在火箭上,也可以用氦气操纵各类气动阀门和部件,尤其是液氢低温阀门;

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在航空器飞行或着陆的时候,也需要用氦气来做液态系统的气密剂。

有数据统计,NASA(美国国家航空航天局)每年要用掉上亿立方英尺的氦气。

  • 核反应堆

氦气也被用在第三、第四代核电当中,它的热导率是二氧化碳的4.5倍,输送热量时消耗的功率远远低于除氢气外的其他气体,因此可以在发电时提高热能利用效率,还能用于空气冷却,减少热污染,在冷却水源不足的地方形成了替代作用。

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高温气冷堆

值得一提的是,氦气的惰性还能用来防腐,毛泽东主席水晶棺内所充的防腐气体,就是氦气。

美国氦气为何能够实现垄断?

那么重要的氦气,用来让气球浮空是不是倒还显得大材小用了?毕竟它在全球都是最受青睐的气体之一,美国甚至将氦气归类在了国家安全材料的名单中。

不得不说,美国真是一个非常受到氦气“眷顾”的国家,1903年,美国首次从大型油气田中开采出一种“点不燃”的天然气,后来经过科学家的分析,发现点不燃的原因是里面有很高含量的氦气。

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之后,美国研制出氦气分离的技术,成为了世界上首个掌握工业制纯氦的国家,自此掌握了全球几乎所有的氦气资源和技术。

2020年,美国的氦气产量达到了21.5亿立方公尺(6100万立方米),约占全球产量的44%,位居世界第一,这让美国不仅不会因为“氦气荒”而困扰,甚至在国际的氦气市场上都掌握有话语权,可以通过限制进出口,卡其他国家的“脖子”。

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我们中国就是深受其影响的国家之一,中国的氦气资源仅占世界的2%左右,根据国内需求计算,每年都有大约95%的氦气需要进口。

我们的对美国氦气的进口量虽然仅有26%左右,但美国氦气的价格是比较便宜的,如果这条线被切断,不仅进口的平均成本会增加,也会对我国的需求氦气的各行各业造成阻碍。

目前,中国进口的氦气量仍在连年增加,平均涨幅达到15%左右,与此同时,氦气的进口价格也在不断提高,2018年上半年的氦气均价为48.9美元/公斤,到了2019年同期增长到了56.9美元/公斤,年涨幅达到16.36%;在2020年,氦气的平均进口价格更是达到了82.2美元/公斤,年涨幅达到44%

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这虽然和2020年的疫情有一定关系,但背后无疑也有着美国的人为提价。更甚的是,我们不仅在进口价格上被牵制,就连氦气制备的技术都受影响。

德国就在上个世纪被美国氦气“卡脖子”,不得不将氦气飞艇改为氢气飞艇,最终却引发了爆炸事故,也直接造成了飞艇产业的衰落。试想一下,如果我国在半导体、航天行业上遭到“氦气”制裁,后果比起德国又有多严重?

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相比美国,中国没有这样的好运气,那么,我们能不能通过人为努力,突破美国氦气垄断,摆脱危险的资源结构呢?

如何实现“自立行走”?

我国天然气中的氦气含量很少,这样的先天缺陷很难改变;但从2020起,中国科学院理化技术研究所的一个小组发现,中国可以从天然气的废料当中提取氦气,这一旦成功,能够成为我国氦气产业的“翻盘”,同年7月,中国首座大型氦气厂在宁夏盐池县正式运营。

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从废料中能生产的氦气有多少呢?不多,年产量仅仅只有20吨左右,和每年4300多吨的需求量存在很大差距。

但这仅仅是一座工厂的产量,如果中国可以建立几百座类似的工厂,我们想要实现“自力更生”并非难事。

除此之外,生产氦气的是“天然气废料”,材料成本几乎等于0,而一座工厂的建设成本预计在3000万~5000万人民币之间,并不算特别昂贵,而且可以长期使用,性价比来说和进口氦气“有的一拼”,随着时间越来越长,还能收回越来越多的成本。

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飞艇运输也离不开氦气的支撑

不仅如此,中国在探月领域也走在全球前沿,在未来,中国将有机会开采月球上的氦资源。而月球上的氦含量远远高于地球,预计有100万吨氦-3附着在月球表层。

氦-3虽然和氦气有所不同,但也是一种非常突出的未来新能源,而且比现在常用的核电材料要安全,月球上氦-3的总储量,足够支持人类使用700年。

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当然,这只是一个美好的愿想,现阶段最重要的还是打好现有氦资源的基础设施,实现最大效率的利用,至少要在我国的高、精、尖领域,摆脱“卡脖子”,中国发展才能迈出强健的一步。

至于美国,如果要和中国打资源战争,握有全球一半稀土资源的中国,也会让他们犹豫三分。在国际上、在资源领域,唯有合作共赢才是硬道理!


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