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银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?
2021/3/28 18:05:27 | 浏览:111 | 评论:0

银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?

氦气越来越金贵,不少国家早早打起了氦气的主意,试图打破美国的垄断。

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正解局出品

正解局原创文章,转载请联系微信:zjjms2020

正解局ID:zhengjieclub

最近,有读者在后台留言,问有没有靠谱的渠道直接进口氦气,还有人在寻找投资氦气的机会。

氦气之所以引发关注,是因为过去三四年里价格翻了一倍。

今天,我们就来聊聊被称为“黄金气体”的氦气。

银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?

氦(Helium,He)在元素周期表里排第二,是第一个惰性气体元素,是仅次于氢气最轻的气体。

根据初中化学的知识,不少人都知道,要是拿氦气充气球,那可比容易爆炸的氢气安全多了。

银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?

2分子的氦元素示意图

充个气球,对氦气来说,简直是大材小用。

氦气还有哪些更重要的用途呢?

第一,超导环境。

很多高精尖设备需要极大的电流,比如对撞机部分组件需要的电流高达1.2万安培(220V下,一匹空调的工作电流一般是3-4安培)。

在这么大的电流下,电线发热会很严重,必须使用超导体。

而超导体目前只能在超低温下才具有超导特性,所以电线必须泡在液氦中。

因为液氦沸点为零下268.95度(4.125K),是人类能制造的最低温度。

可能有人说,世界上对撞机的数量太少了,一般人用不着。

那咱就说点一般人用得上的。

现在,去医院做个核磁已经是常规检测手段,MRI磁共振医学扫描仪中需要很强的磁体。

这块磁体是电磁体电流越大,磁场越强。

电流越大,放热也越严重,还是需要超导体,那就依然离不开液氦。

银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?

医用核磁共振仪

第二,深潜作业。

深潜要背氧气瓶,氧气瓶里不是纯氧,氧气含量超过40%,就会造成中枢神经系统氧中毒;压缩空气也不行,因为水下气压大,空气中的氮气大量融入血液,造成氮麻醉。

这时候就需要氦气了。

氦气在血液中的溶解度极低,很快就达到饱和,只要压力不变(一般就是水深不变),时间再久,血液里的气体含量也不会改变,能够保护深潜人员长时间作业。

第三,航空航天。

正如汽车好坏看发动机一样,火箭的好坏也看发动机。

无论液氧煤油发动机还是液氢液氧发动机,输送燃料和氧化剂的系统都离不开氦。

液体发动机是火箭的核心部件,增压系统是关键技术。

在换热器中氦气升温到400多度,压力大增后输送回燃料和氧化剂的存储箱,为其增压。

增压后的燃料和氧化剂进入涡轮泵,在每分钟1.2万的转速下,泵入燃烧室,喷出完美的雾化液滴,进行充分燃烧,产生巨大推力。

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RD-180火箭发动机管路图,He代表氦

第四,高端加工。

做芯片需要单晶硅。

单晶硅是指在晶体结构上没有错位的“完美的”硅晶体。

制作时,先把高纯多晶硅放在石英坩埚中,外面用围绕着的石墨加热器不断加热,保证温度维持在1400度左右。

这么高的温度,容易发生各种化学反应,这就需要氦气来保护了。

当然,氦气的用途还远不止这些,比如管道泄漏检查、高端检测设备载气、金属焊接保护气等领域还都用得到。

很多人觉得,氦气离我们很远,其实就在我们身边。

很多电子元器件中都有敏感介质,都是需要保护气的,有些大存储硬盘里都填充着氦气。

千万不要小瞧了氦气,要是没了它,很多行业都玩不转。

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虽然放眼整个宇宙,氦是仅次于氢的元素,而且比第三位的氧多很多很多很多……但在地球上,氦的资源非常稀缺。

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银河系中最丰富的十种元素

氦气非常轻,地球的引力抓不住,地球形成之初那些氦气早就跑到宇宙中去了。

地球上现在的氦气,都是由地壳中的放射性元素,经过自然的α衰变产生的,非常稀少,且不可再生。

在氦气资源上,美国的运气是真的好。

1903年,美国堪萨斯州一座大型油气田开采出一种点不着的天然气。

科学家发现,原来是因为这里面有氦气。

直到今天,以含有氦气的天然气为原料,经过多次液化分馏,然后用活性炭吸附提纯,依旧是工业上制造纯氦气的主要方法。

美国就此长期掌握了全球几乎所有的氦气资源。

那时没有超导,没有火箭,没有高端制造,美国的氦气完全以军事用途为目的。

在现代航空发展的初期,有一段飞艇时代,最早的飞艇使用氢气,后来使用更为安全的氦气。

银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?

1921年美国制造的人类第一艘氦气飞艇

当时美国刚打赢一战,正有着制霸全球的野望,于是开足马力疯狂制造氦气,准备靠飞艇的空中打击称霸。

没想到飞机技术迎头赶上,把飞艇完全淘汰掉,美国储存的氦气一下子失去军事用途,只能作为一般的惰性保护气体使用。

好在随着科技发展,越来越多的领域开始意识到氦气的特性,加以善用,美国的氦气这才找到销路。

1960年美国修改了氦气法案,鼓励私人天然气矿拥有者自行从天然气中提取氦气,并强制要求对于那些氦气丰度达到工业利用指标的气田,油气公司必须回收氦气。

所有的氦气只能卖给国家,实施敞开收购。

市场无法消化的部分,美国政府收购后直接注入克利夫赛德气田(CliffsideGas Field),作为战略物资储备。

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克利夫赛德气田(摄于60年代)

但因为之前储存的太多,又有更多新生产的氦气补充进来,氦气一直是以“清仓甩卖”的方式贱卖。

这就导致很多地方明明在天然气井中发现氦气,但开采成本仍然太高,不少国家的氦气项目就这么白白放弃了。

2018年前后,美国氦气库存清仓完毕,国际氦气价格应声而涨。

到今天,价格已经是从前的四倍多。

美国Matheson生产的液氮40美元100升,液氦则要1000美元100升,而且还在持续上涨。

氦气越来越金贵,不少国家早早打起了氦气的主意,试图打破美国的垄断。

天然气资源丰富的北非和中东地区目前已经是氦气的出口大国,卡塔尔已经是世界第二大氦气生产国,产能可以满足全球四分之一的需求。

此外,阿尔及利亚、澳大利亚、波兰、俄罗斯也都占有一定份额。

当然,美国依然是全球最大的氦气生产国,产能占比将近六成。

虽然老储井资源枯竭,氦气开采有所下降,但由于技术成熟,所以美国氦气一直是中国进口氦气的主要来源。

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全球氦气产量分布

中国号称地大物博,但在氦气资源方面是个十足的穷国,资源占比仅有2%。我国每年的氦气需求高达4000多吨,95%以上都要进口。

2019年,中美贸易战。氦气关税从5.5%提高到10.5%,中国只能加大在卡塔尔的氦气采购。

氦气价格波动,影响到日本的货源,高端制造大受打击。

东芝的闪存、索尼的CMOS形象传感器等,原本都是日本打算增产的半导体产品,但受限于氦气供应,只能减产。

银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?

中美关系近几年持续紧张,中国也调整了氦气的进口来源。

现在中国进口的氦气有六成来自卡塔尔,四分之一来自美国,还有一成来自澳大利亚。

这个进口结构仍旧存在很大风险,容易被“卡脖子”。

银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?

中国氦气进口来源地

首先,从卡塔尔进口氦气的价格比美国还贵,比如2019年卡塔尔氦气的进口价为53到60美元一公斤,而美国的进口价则只有47到56美元一公斤。

其次,卡塔尔资源确实丰富,但没有自主的技术,严重依赖美国。

再次,美国跟澳大利亚从来穿一条裤子,两国联手就能控制我国超过三分之一的氦气,形势不容乐观。

第四,卡塔尔位于中东,政治风险一直存在,比如2017年,卡塔尔就搞出个外交危机,被周围的阿拉伯国家封锁,氦气运输受阻。

中国要想自己安全,就得开源节流,保障氦气的供应。

短期来看,氦气仍旧依赖进口,可以在贸易端想想办法。

去年,广钢气体公司收购全球特种气体大佬林德集团剥离出的氦气业务,每年能供应约425吨氦气。

光开源还不够,因为氦气毕竟是不可再生资源,还得节流。

节流没啥好办法,能用其他气体替代的,那就替代;不能替代的,就只能开发新技术。

比如医疗方面,飞利浦最新研制的无液氦007核磁共振仪,就把7升液氦一次性封装,排除氦气散失的可能,使用中再也无需添加液氦;工业生产中,消耗掉的氦气可以用加装的回收系统进行循环利用。

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光纤制造的氦气循环专利

长期来看,还得靠自己。

去年,中国在宁夏盐池县开设了首座大型氦气厂,实现了零的突破。

这座氦气工厂的产能还比较小,年产量只有20吨,但好在造价低,适合推广。

另外,中国在渭北盆地的水溶气田和柴达木盆地、塔里木盆地的部分天然气田中也发现了有工业价值的富氦天然气,因为储量和技术的问题,目前还在评估阶段。

所以,储量是一方面,开采技术的提高则是另一不可忽略的方面。

银河系第二多的物质氦气,中国却95%靠进口:如何不被卡脖子?

宁夏盐池县的氦气提取厂

当然,有人在想,中国这么大,没准儿哪天突然发现个富氦天然气田,就能把氦气严重依赖进口的问题一次性解决。

这种可能性不是没有。

无论如何,还是要未雨绸缪,否则,万一被断供,就麻烦了。

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