コンテンツ
- ヘリウムとは何ですか？
- ヘリウムはどこから来たのですか？
- いくつかの天然ガスにヘリウムが含まれているのはなぜですか？
- ヘリウムが豊富な天然ガスはどこにありますか？
- ヘリウムの使用
- 磁気共鳴画像
- リフティングガス
- パージガス
- 制御された雰囲気製造
- 漏れ検知
- 呼吸混合物
- 溶接ガス
- ヘリウム：再生不可能なリソース
- ヘリウムグラウトとヘリウム不足
ヘリウム飛行船： ほとんどの人は、ヘリウムがウェザーバルーン、飛行船、パーティーバルーンのリフティングガスとして使用されていることを聞いています。これらはヘリウムのごくわずかな用途です。他のどのヘリウムよりも多くのヘリウムを消費する用途は、医療施設のMRI（磁気共鳴画像）装置の磁石を冷却することです。デレクジェンセンによるグッドイヤー飛行船写真。
ヘリウムとは何ですか？
ヘリウムは化学元素であり、無色、無臭、無味の不活性ガスです。原子の原子半径が最も小さく、原子量が2番目に小さい。空気よりも軽いです。
ほとんどの人は、ヘリウムが飛行船やパーティーバルーンのリフティングガスとして使用されることを知っていますが、ヘリウムが使用される別の方法に名前を付けることはできません。ヘリウムの最大の用途は、医療施設で使用される磁気共鳴画像（MRI）マシンの冷却ガスとしてです。ヘリウムのその他の重要な用途には、溶接用の保護ガス、雰囲気制御製造用の不活性ガス、漏れ検出に使用される一過性ガス、および加圧呼吸混合物用の低粘度ガスが含まれます。
ヘリウムはどこから来たのですか？
地球の大気にはほとんどヘリウムが存在しません。それは地球の重力がそれを保持できないほど軽い要素です。地球の表面に存在するとき、閉じ込められていないヘリウムは、惑星から逃げるまですぐに上昇し始めます。パーティーバルーンが上昇する理由です！
商業的に生産されるヘリウムは地面から得られます。いくつかの天然ガス田には、経済的なコストで抽出できるほど十分なヘリウムがガスと混ざっています。米国のいくつかのフィールドには、体積で7％を超えるヘリウムが含まれています。これらの地域で天然ガスを掘削する企業は、天然ガスを生成、処理し、副産物としてヘリウムを除去します。
ヘリウムを含む天然ガス鉱床： 米国のヘリウム含有天然ガス田の鉱床モデル。ヘリウムは、花崗岩の基盤岩におけるウランとトリウムの崩壊によって生成されます。解放されたヘリウムは浮力があり、地下の断層に関連する多孔性で表面に向かって移動します。その後、ヘリウムは、硬石膏または塩の層の下に天然ガスが閉じ込められるまで、多孔質の堆積物のカバーを上向きに移動します。これらは、小さな浮力のあるヘリウム原子を閉じ込めて閉じ込めることができる、唯一の横方向に永続的な岩の種類です。この地質学的状況は、世界の少数の場所でのみ発生し、豊富なヘリウムの蓄積がまれな理由です。
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いくつかの天然ガスにヘリウムが含まれているのはなぜですか？
天然ガスから除去されるヘリウムの大部分は、地球の大陸地殻の花崗岩質岩中のウランとトリウムの放射性崩壊から形成されると考えられています。非常に軽いガスであるため、浮力があり、形成されるとすぐに上方に移動しようとします。最も豊富なヘリウムの蓄積は、3つの条件が存在する場合に見られます。1）花崗岩の基盤岩にはウランとトリウムが豊富です。 2）基盤岩は割れており、ヘリウムに逃げ道を提供するために断層があります。そして、3）地下断層上の多孔質堆積岩は、岩塩または硬石膏の不浸透性のシールによって覆われています。これら3つの条件がすべて満たされると、ヘリウムが多孔質堆積岩層に蓄積する可能性があります。
ヘリウムの原子半径は、元素の中で最も小さく、約0.2ナノメートルです。したがって、それが形成されて上方に移動し始めると、岩の中の非常に小さな孔隙を通り抜けることができます。ヘイライトと硬石膏は、ヘリウム原子の上方移動をブロックできる唯一の堆積岩です。豊富な有機材料（ケロジェン）で塞がれた細孔空間を持つ頁岩は、効果の低い障壁として役立つことがあります。
ヘリウムを含む天然ガス鉱床： 米国のヘリウムの重要な供給源として機能する天然ガス田を示す地図。これらのフィールドから生成される天然ガスには、0.3％から7％以上のヘリウムが含まれています。ヘリウムは商業販売のためにガスから除去されます。米国地質調査所の位置データを使用した画像。
ヘリウムが豊富な天然ガスはどこにありますか？
ほとんどの未処理の天然ガスには、少なくとも微量のヘリウムが含まれています。ヘリウム回収プロセスを正当化するのに十分な量の天然ガス田はほとんどありません。天然ガス源には、潜在的なヘリウム源と見なされるために少なくとも0.3％のヘリウムが含まれている必要があります。
2010年に、米国でヘリウム用に処理されたすべての天然ガスは、コロラド州、カンザス州、オクラホマ州、テキサス州、ユタ州、ワイオミング州のフィールドから来ました。オクラホマ、カンザス、テキサスのヒューゴトンフィールド。カンザス州のパノマフィールド。オクラホマ州のキーズフィールド。テキサス州のパンハンドルウェストとクリフサイドフィールド、ワイオミング州のライリーリッジフィールドは、米国のヘリウム生産の大部分を占めています。
2010年、米国は1億2800万立方メートルのヘリウムを生産しました。このうち、5300万立方メートルのヘリウムが天然ガスから抽出され、7500万立方メートルが国立ヘリウム保護区から回収されました。生産量がわかっている他の国は、アルジェリア（18 mcm）、カタール（13 mcm）、ロシア（6 mcm）、およびポーランド（3 mcm）です。カナダと中国は少量だが報告されていない量のヘリウムを生産した。
MRI装置のヘリウム： ヘリウムの最大の用途は、医療施設で病気や怪我を診断するために使用されるMRI（磁気共鳴画像）装置の磁石を冷却することです。
ヘリウムの新しい用途： ヘリウムは、2013年に最初のヘリウムで密封されたハードドライブを生産しました。ヘリウムを使用すると、標準のハードドライブよりも少ないエネルギー、熱、ノイズ、スペース、データを保持し、振動を減らすことができます。 もっと詳しく知る.
ヘリウムの使用
ヘリウムには、特定の用途に非常に適した多くの特性があります。これらの用途のいくつかでは、ヘリウムが使用に最適なガスであり、いくつかのヘリウムの代わりに適切なものはありません。ヘリウムのいくつかの用途と、その用途に適した特性について以下に説明します。
磁気共鳴画像
ヘリウムの第一の用途は、医療施設で使用される磁気共鳴画像装置であり、負傷を評価し、病気を診断します。これらの機械は、超伝導磁石によって生成される磁場を利用します。これらの磁石は大量の熱を発生します。液体ヘリウムは、これらの磁石の温度を調整するための最適な冷却物質です。ヘリウムは、ガスの中で2番目に低い比熱と、元素の最も低い沸点/融点を持つため、この非常に重要な用途には、ヘリウムに代わるものはありません。
リフティングガス
ヘリウムの原子量は、元素の中で2番目に低くなっています。原子量が小さいのは水素だけです。空気より軽いガスとして、ヘリウムは飛行船と気球の「揚力ガス」として使用されています。飛行船、飛行船、ツェッペリン、対空気球、気象気球、およびその他の軽航空機は、すべてヘリウムをリフティングガスとして使用しています。可燃性ではないため、水素よりもはるかに安全です。これは、第二次世界大戦の終わりまでヘリウム使用の最も重要なカテゴリーでした。現在、はるかに少ない量のヘリウムがリフティングガスとして使用されています。
パージガス： ヘリウムは、ロケットエンジンの燃料タンクと燃料供給システムから液体酸素と液体水素をパージするために、NASAと国防総省によって使用されています。ヘリウムは不活性であり、凍結温度が非常に低いため、パージプロセス中は気体のままです。これらのシステムへのヘリウムの流れは、緊急時に火災を消火するために使用されています。 NASAによる画像。
ヘリウム呼吸混合物： ヘリウムは、深海ダイビング用の呼吸ガス混合物の調製に使用されます。ヘリウムは不活性であり、加圧下では低粘度であるため呼吸がしやすくなります。 NOAAによる画像。
パージガス
ヘリウムは、ガスの中で最も低い融点と沸点を持っています。絶対零度に近い温度で溶けて沸騰します。非常に低い温度でもガスのままであるため、液体水素や液体酸素などの非常に冷たい液体で満たされた燃料タンクや燃料供給システムのパージガスとして使用できます。不活性であり、凍結温度が低いため、凍結することなくこれらの燃料を安全に置換できます。 NASAと国防総省は、ロケット推進システムのパージに大量のヘリウムを使用しています。
制御された雰囲気製造
ヘリウムは不活性ガスです。より低い反応性を持つ唯一のガスはネオンです。この低い反応性により、ヘリウムは、不活性雰囲気が必要な製造および修理プロセスで使用する貴重なガスになります。ヘリウムはまた、非常に高い熱伝導率とともに、ガスの中で2番目に低い密度を持っています。ヘリウムガスのこれらの特性により、多くの冶金プロセス、化学蒸気での完全な結晶の成長、光ファイバーの製造などの用途に最適な雰囲気になります。
漏れ検知
ヘリウムの粘度は非常に低く、拡散係数が高く、あらゆる元素の最小原子です。これらの特性により、ヘリウムの含有が非常に困難になります。システムに漏れがある場合、ヘリウムが漏れます。したがって、ヘリウムガスは、高真空システム、燃料システム、およびその他の格納容器の漏れをテストするために使用されます。
呼吸混合物
ヘリウムおよびその他の不活性ガスは、深海ダイビングおよび医療処置用の呼吸混合物の調製に使用されます。ヘリウムは、不活性であり、粘度が非常に低く、他のガスよりも加圧された状態で呼吸しやすいため、ここで使用されます。
溶接ガス
ヘリウムは、溶接時に保護雰囲気として使用されます。不活性ガス雰囲気は、高温で急速に発生する可能性のある酸化やその他の反応から熱い金属を保護します。
ヘリウムの使用： 2011年に米国でさまざまな用途で消費されたヘリウムの相対量。USGSのデータを使用してグラフ化します。
ヘリウム：再生不可能なリソース
ヘリウムは、ありそうもない状況の偶然が起こる場所でのみ見つかるガスです。地球の地殻での放射性鉱物の崩壊によって絶えず生産されていますが、その自然生産と蓄積の速度は非常に遅いため、再生不可能な資源と見なす必要があります。
ヘリウムグラウトとヘリウム不足
1925年、米国は飛行船での使用やその他の防衛目的でヘリウムを戦略的に供給するための国立ヘリウム保護区を設立しました。その時、国は消費されているよりもはるかに多くのヘリウムを生産していました。第二次世界大戦後、リフティングガスとして使用されるヘリウムの量は減少しましたが、ロケットエンジンの燃料補給時のパージガスおよび核兵器施設の冷却剤としてのヘリウムの需要は急増しました。それでも、消費されるよりも多くのヘリウムが生産されていました。
1995年に議会は、国立ヘリウム保護区は必須ではないと決定し、1996年のヘリウム民営化法の一環としてヘリウムを販売するプログラムを開始しました。ほぼ20年間、議会はヘリウムを自由市場への大幅な割引で販売することを許可しました価格。世界のヘリウム需要の最大1/2は、国立ヘリウム保護区からの販売によって満たされていました。数年のうちに、国内で消費されたよりも多くのヘリウムが米国から他の国に輸出されました。政府からヘリウムを購入した人は素晴らしい取引を獲得し、自由市場でヘリウムを購入した人ははるかに高い価格を支払った。
国立ヘリウム備蓄在庫の市場への投棄は、ヘリウムの価格を大幅に押し下げたため、ヘリウムはアルゴンや供給がはるかに少ない他のガスの安価な代替品として使用されていました。
商業ヘリウムの生産は報償も大量利用もされていなかったため、2014年に国立ヘリウム保護区の販売がオークションシステムに置き換えられたとき、市場は供給不足に陥りました。前年の市場価格の2倍以上。オークションの後、さらに10億立方フィートが同じ2人の入札者に販売されました。
最初のオークション以来、ヘリウムの価格は上昇し続けました。これは、新しいヘリウムの生産量が消費量に満たないためです。価格の上昇により、新しいヘリウム処理プラントへの投資がトリガーされました。ただし、ヘリウムは、天然ガス田からトラップロックとして塩または無水物を使用してのみ生産できます。これらは世界のいくつかの地域でのみ発生します。
現在の法律では、2021年までに国立ヘリウム保護区は売り切れになります。ヘリウム回収プラントへの投資の増加は、ヘリウムの重要な供給源がなくなったときに、ヘリウム消費者のニーズを満たすのに十分です。