氦短缺下理研的氦再利用

*理研---日本理化日本理化学研究所

氦对于回旋加速器的冷却、NMR（核磁共振）设备中超导电磁体的冷却剂以及凝聚态物理的实验和发展等各种研究都是必不可少的，然而由于全球供应短缺，近年来变得难以获得。

对氦气的需求上升和价格飞涨

氦是仅次于氢的第二轻元素，是一种与一个原子稳定的“单原子分子”，因此具有极强的惰性，在元素中沸点最低为-269℃。它以气体和液体两种状态存在，在工业界，气体在制造半导体和光纤时被广泛用作气体，液体在医学核磁共振和核磁共振中被广泛用作超导电磁铁的冷却剂。

日本氦气的使用（2021 年）。消耗气体6660000m3 ，消耗液体2667000m3，共计9327000m3。低温工程（高校和科研院所）仅使用氦气和液氦46.6万立方米，仅占总量的5%左右，但由于回收再液化，实际使用量是这个数字的8 ~ 9倍，约占总量的30% 。

另外，在理研等研究机构和大学，在接近绝对零度(-273.15℃)的极低温下出现的超导和超流动现象的低温工学领域，氦作为高性能的冷却材料是不可或缺的。近年来，量子计算机也被用于量子计算机的研究开发，需求量越来越大。但是以中国和东南亚为中心，半导体等高科技产业迅速扩大再加上医疗用MRI的普及，世界范围内的消费量正在增加。但是由于产量不增加，2019年以后价格持续高涨。

氦在太空中含量丰富，但在地球上极为罕见，大气中仅存在 0.0005% (5ppm)。因此，地下的氦气是从天然气中提取的，但含氦量高的天然气田却是有限的。2020年，美国将占全球产量的约52%，而卡塔尔将占约32%，仅这两个国家就占80%以上。俄罗斯也在进行生产项目，但因俄罗斯乌克兰战争而中断。

约 60 年来一直致力于回收利用

理研从1964年开始将氦用于实验，从一开始就致力于将用于实验时无论如何都会蒸发泄漏的珍贵的氦，作为氦气回收并液化后再利用。最大的特点是，开发并导入了能够了解各实验室使用状况的系统，能够迅速计算出各实验室的回收率。2021年度实现平均回收率98.5%，供应13万升以上。从液化设备的规模来看还有富余，拥有年生产18万升以上的实绩。

具体的回收流程如下。首先，从使用氦的各个研究大楼，通过地下管道回收使用后的氦气。由于回收的氦气中含有氧、氮等杂质，所以要将其去除并进行提炼。将精制的氦气等温压缩，与液氮和绝热膨胀的氦气进行热交换后，经过焦耳-汤姆逊膨胀这一过程使其液化。在这种情况下，将氦气变为液体氦，体积将减少约700分之一。最后将液化氦分成小块放入罐中，就完成了回收利用的准备工作。

段冢自2007年入理研以来，一直负责和光地区氦液化设备的运用和管理。因为会从微小的孔洞中不断泄漏出来，光是储存起来就非常困难。为了回收实验室等使用过的氦气，在和光地区内铺设了总长2公里的地下管线。在通过管线的过程中也会一点点减少。“由于装置老化，从2016年到2020年补充量增加，推进了各装置的整修和增设。另外，由于实验室对氦的使用情况进行检查以及使用者意识的提高，回收率一直在上升，现在已经达到了95%以上。”

理研只购买实验中或保管中泄露、无法回收而减少的部分作为氦气。也就是说，回收率的提高直接关系到氦气购买费用的削减。2022年购买氦气的价格与10年前相比上涨了约5倍。“研究人员的辛苦是无法估量的。为了尽可能减少购买量，今后我们计划进一步提高回收率。”

想要推广的回收风潮

在储罐中分成小块的液体氦再次被送到实验室。拥有特殊执照的段冢技师亲自驾驶搭载小型起重机的卡车和带有动力门的小型卡车。“现在光是供应理研内部就已经够了，今后发生紧急事态的时候，物理上可以使用这个专用卡车向外部迅速供应液体氦。总有一天，我想把循环利用的风潮推广到理研以外的地方。”