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液氦應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，市場需求不斷增加

發(fā)布時間：

2023-10-27

由于氦氣具有不易液化穩(wěn)定性好、擴散性強、溶解度低等特殊性質(zhì)，也被廣泛應(yīng)用于科研、軍工、半導(dǎo)體、尖端科技領(lǐng)域。

1986年一個平凡的下午，對美國克利夫蘭人來說是一個從驚喜到驚嚇的特殊日子，旨在為貧困家庭和貧困兒童募款，慈善組織決定以氣球節(jié)的形式募款，同時向天空釋放140萬只氦氣球，高達三層樓，百萬只五彩斑斕的氦氣球瞬間騰空而起，遮天蔽日，無數(shù)人被吸引駐足觀看，但氣球卻沒如預(yù)想般的飄向高空爆炸解體而是墜落，幾小時內(nèi)機場、船舶、公路等交通瀕臨癱瘓，甚至間接導(dǎo)致了兩位漁民失蹤喪生，這次氦氣球災(zāi)難帶來了總計超數(shù)百萬美元的經(jīng)濟損失。

此次事件之后，世界各國便紛紛發(fā)布禁令，禁止氦氣球的大規(guī)模模釋放，作為當(dāng)今的氣體資源黃金和工業(yè)血液，在這起事件中被浪費掉的巨量氦氣放在今天也是極為夸張的，放在咱們國家更是不敢想象。

作為質(zhì)量占整個宇宙23%的物質(zhì)氦，從宇宙大爆炸中大量產(chǎn)生是其它原子質(zhì)量總和的12倍以上，但實際上地球上的氦氣盡管廣泛存在于空氣中，它卻只占空氣體積的0.0005%，且因其易揮發(fā)的特性而極難提取。一千克鈾礦物在經(jīng)過至少一年的衰變后，才僅能產(chǎn)生大概0.1立方毫米的氦，且其不可再生性也讓它日趨珍貴。我們?nèi)祟惍?dāng)今的發(fā)展階段已然在不斷探索和開發(fā)有關(guān)氦氣的應(yīng)用。

由于氦氣具有不易液化穩(wěn)定性好、擴散性強、溶解度低等特殊性質(zhì)，也被廣泛應(yīng)用于科研、軍工、半導(dǎo)體、尖端科技領(lǐng)域，甚至被用在了人類黑科技結(jié)晶大型強子對撞擊中。而氦氣的液化體液氦也具有非常多的實用特性，液氦不僅可以獲得mK級的超低溫，更是最主要的低溫源，它具有超流體特性，爬行膜現(xiàn)象和超導(dǎo)熱性，粘滯系數(shù)接近于0。在沸點以下支持絕對零度液，液氦是唯一仍保持液態(tài)的物質(zhì)，在常壓下永遠不會凝成固體。

當(dāng)前已知的所有超導(dǎo)材料都需要在極低的溫度中才能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，比如應(yīng)用很廣泛的超導(dǎo)材料鈮三錫，就需要比液氫沸點還低的轉(zhuǎn)變溫度，因而液氦也被廣泛應(yīng)用在軍工、科技、食品、醫(yī)療和冷卻設(shè)施等很多方面。站在宏觀層面氦氣是人類重要的氣體資源，而當(dāng)?shù)貓D拉近在一條條縱橫交錯的國界線之下，氦氣就是國家間科技軍事等競爭的重要戰(zhàn)略儲備物資，地球上絕大部分的氦氣資源被牢牢掌握在三個國家手中，他們分別是美國、卡塔爾、阿爾及利亞。根據(jù)2020年美國地質(zhì)調(diào)查研究顯示，全球氦氣資源儲量約為520億立方米，其中美國就占據(jù)了206億立方米，而作為典型的貧氦國，我國的氦氣資源僅占全球的2%，且氦含量較低。

盡管中國第一個特大型富氦氣田塔里木盆地的和田汽田資源也不錯，但是和西方國家長期研究相比，我們無論是在提取層面，還是在氦氣液化儲存等技術(shù)方面都存在較大的差距，因此我國氦氣基本上都還是需要向國外購買，進口依賴度高達97.5%，而國家級戰(zhàn)略資源的壟斷要遠比我們熟知的傳統(tǒng)市場經(jīng)濟壟斷來得更加殘酷。

盡管我國氦氣儲備和生產(chǎn)能力都比較薄弱，但是隨著醫(yī)療軍工等科技進程的高速發(fā)展，我國氦氣的消費量卻在逐年攀升，而掌握地球稀缺資源渠道的集體，自然是很難放過這個可以肆無忌憚獅子大張口的良機，于是為了眾多領(lǐng)域事業(yè)的持續(xù)推進，我們只能頂著高昂的價格壓力，一次又一次的進口液氦。

低溫超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)簡稱MRI，作為醫(yī)生的火眼金睛在臨床中發(fā)揮著極為重要的作用，它不僅在臨床醫(yī)學(xué)診斷和基礎(chǔ)生命科學(xué)研究中是最基本和最重要的影像學(xué)工具，也是在巴金森是病、阿爾茨海默病、癌癥等疾病的診斷方面發(fā)揮著無可比擬的作用。而因其核心技術(shù)的不同共分為兩大類，第一類稱之為永磁，不過因其磁材消耗巨大，現(xiàn)在已逐步被淘汰，而另一類超導(dǎo)磁共振也正是如今醫(yī)學(xué)市場的主流，是我國的核磁主力，液態(tài)因其特殊的物理特性是超導(dǎo)磁共振的理想冷凍氣體，磁共振的超導(dǎo)線圈浸泡在液態(tài)中液氦可迅速帶走超導(dǎo)線圈中的熱量，使其穩(wěn)定在超導(dǎo)狀態(tài)。

當(dāng)前我國磁共振保有量在1-2萬臺間，如果想達到或接近發(fā)達國家的人均保有量則仍需要增加5-6萬臺磁共振機器，但即便現(xiàn)在將全世界已知的全部氦資源利用起來，這個數(shù)字仍充滿著巨大的挑戰(zhàn)，若沒有新的技術(shù)突破，我們可能永遠沒法趕超發(fā)達國家的磁共振水平，我們也永遠享受不到相似的醫(yī)療服務(wù)，更何況液氦的缺失，本就完全沒法指望通過進口渠道來彌補。在這種極為窘迫的情況下，中國數(shù)代核磁人便開始了艱難的技術(shù)探索與壁壘突破之路，第一代產(chǎn)品也就是我國最早的超導(dǎo)磁共振，依然對液氦有著強依賴。

隨著第二代技術(shù)的革新，在原有的基礎(chǔ)上大大降低了液氦的揮發(fā)性。第三代產(chǎn)品通過制冷機進行結(jié)構(gòu)的再次調(diào)整和無數(shù)次實驗，終于利用進化后的4K制冷機和單冷屏結(jié)構(gòu)解決了液氦揮發(fā)的問題，一次消費后卻需要時時購買補充的問題也迎刃而解，但是是對于液氦的依賴卻沒辦法從根本上攻克。第四代，通過技術(shù)調(diào)整和不斷替換嘗試，我們終于完成了從必有液氦到少有依賴的巨大突破，對業(yè)態(tài)的依賴明顯減少。而以美國為首的資源供給方顯然也敏感的嗅到了這個問題，于是又一輪價格的飛速躍升，步步緊逼，巨大壓力的背后可謂是分秒必爭，這是一個沒有硝煙的戰(zhàn)場，論殘酷卻不比傳統(tǒng)戰(zhàn)場弱一分一毫，我們需要實現(xiàn)的是徹底無業(yè)態(tài)氦的零的突破，中國行業(yè)紛紛攜手進行最后的技術(shù)攻堅與沖刺。

一次次技術(shù)的更新和問世，一次次實驗的開始和失敗，一點點拓展技術(shù)的破壁機遇。一路上得到的是更多科技術(shù)的點量升級，F(xiàn)reecool超低溫傳導(dǎo)技術(shù)，高效低溫介質(zhì)技術(shù)、超高真空技術(shù)、超絕熱技術(shù)和航天級碳纖維技術(shù)紛紛實現(xiàn)開發(fā)和順利應(yīng)用。而在眾多黑科技的加持之下，終于在萬東醫(yī)療團隊研發(fā)的無液氦超導(dǎo)磁共振正式獲得國家藥監(jiān)局批準的醫(yī)療器械注冊證，打破了我國超導(dǎo)磁共振對于液氦的長期依賴，成為全球首臺實現(xiàn)百分百無液氦的超導(dǎo)磁共振，機器在全球范圍內(nèi)開啟了磁共振無液氦新時代。

不僅如此，無液氦也讓磁共振不再拘泥于單一的場景，無論是移動磁共振，車載磁共振都為未來影像醫(yī)療提供了廣闊的應(yīng)用空間。隨著這項技術(shù)的問世推廣和發(fā)展，磁共振檢查將會越來越普及，估計在未來，無液氦磁共振會全面取代現(xiàn)有的超導(dǎo)磁共振，從而掀起一場真正顛覆醫(yī)療行業(yè)的無液氦革命。

醫(yī)療領(lǐng)域百分百無液氦超導(dǎo)，磁共振的突破是中國氦氣自立行走中極為重要的里程碑，而氦氣產(chǎn)業(yè)的翻盤仍在路上，卻已然可以看到曙光。2020年起，中國第一家大型氦氣廠在寧夏鹽池縣正式投產(chǎn)，利用天然氣廢料生產(chǎn)氦氣，盡管年產(chǎn)12萬升液氦的產(chǎn)量還暫時無法供給全國幾千噸的目標，但是未來的積極建設(shè)與分發(fā)復(fù)制后的體量仍然不容小覷。

中國科學(xué)院物理研究所也成功研發(fā)出10mk極低溫?zé)o液氦稀釋制冷機，該所自主研發(fā)的無液氦制冷機成功實現(xiàn)10mk以上的極低溫運行，標志著我國在高端極低溫儀器研制上取得了突破性的進展，而不斷積極探索并在全球處于領(lǐng)先地位的中國航天領(lǐng)域，我們也在不斷努力嘗試資源的開發(fā)與應(yīng)用，未來也將有機會在月球上開發(fā)氦資源，氦氣的自力更生指日可待。

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