气体小科普 | 未来科技的宠儿“氦”
中科富海
氦气不仅广泛应用于航空航天、核工业、新兴材料制造焊接等国防科技领域，而且在半导体制造、高端医疗器械、精密分析仪器、超导、光电子产品制造、量子计算机等高新技术产业中不可替代。美国长期拥有全球氦气供应绝对话语权，我国氦气长期依赖进口，对外依存度近乎100%，资源安全形势严峻。近年来，受国际政治格局快速变化、氦气主要出口国地区安全恶化、中美贸易争端升级、第四次工业革命竞争加剧等因素影响，氦气将成美国制衡中国的有利武器，也必将成为未来科技的“宠儿”。
1.氦气广泛应用于国防工业，是保障国家安全的非燃料矿产和原材料
（1）火箭、宇宙飞船、液体燃料导弹等在加注燃料之前，必须使用氦清洗增压液氢罐和管道系统。因为在液氢的低温环境中，任何其他惰性气体，如氮气或氩气都会冻结并与液氢混合堵塞管道和阀门，而氦是唯一液化温度远低于氢的惰性物质，在这个应用上氦是无法替代的。
（2）第四代核反应堆中，反应堆设计采用高达790℃的气体冷媒温度，在此温度下，只有氦（4He）具有必需的化学稳定性、惰性、高传热速率、低动力学压力损失和低中子有效截面。这一方面，氦气也是是无法替代的，并且将是未来氦气需求增长的主要动力。
（3）在航空航天金属加工领域，氦气也不可或缺。在金属焊接和冶炼时，为了阻止其与大气中的氧和氮反应，必须用惰性气体保护。在合金制造方面，氦与其他气体的混合物在等离子体电弧装置中作为工作介质，可生产50000K以上的等离子体射流，来切割金属和喷镶耐熔的合金。
（4）氦的另一个重要的应用是氦的同位素3He可用作核燃料。3He能与氢的同位素氘可发生核聚变反应，产生巨大能量。这个核聚变反应相比于前两代核聚变，优点在于聚变过程中不产生中子、反应过程易于控制，既环保又安全。因此被科学家公认为高效、清洁、安全、廉价的核聚变发电燃料。虽然在地球上氦同位素以4He为主，但对月球土壤的初步研究表明，在月球地壳表层发现了上百万吨3He，足够地球使用上万年。目前各国科学家正围绕地球和月球上3He的储量、采掘、提纯、运输及环境保护等问题开展相关研究，也许不久后的未来，3He将会成为常规可用的新能源。
2.氦气关系高新技术产业发展，是第四次工业革命必不可少的工业原料
（1）氦在电子工业领域发挥重要作用。在半导体、液晶面板和光纤制造过程中，氦气在实现零部件快速冷却同时还能控制热传递速率，改善了生产效率并减少了缺陷。此外，氦气在硅晶片生产中也用作保护气，隔绝空气，避免单质硅和氧气发生反应。在电子支付领域，氦氖混合制成的氦氖激光器便宜高效且能耗低，广泛应用于条形码识别、二维码支付等。
（2）核磁共振成像领域，已知的超导材料都要在-130℃以下的低温中才能表现出特性，只有液氦能比较高效的实现这样稳定的超低温。核磁共振成像仪的核心也是超导磁体，没有液氦就不能稳定运行, 不能保证高分辨率的成像。
（3）精密分析中氦气作为氛围气，由于它的化学情性，在使用过程中不会和被检测组分发生任何化学反应，保证了检测的准确性。此外氦气的相对分子质量和物理性质与大部分要分析的物质差别很大，利用氦气做载气，对基于热导系数、声速和密度等变化的检测器来说，均可以实现最高的检测灵敏度。
（4）氦在量子计算机中的应用前景广阔。最近，美国IBM公司研制出了世界上首台商用量子计算机，为使量子比特的温度保持在绝对零度左右，这台量子计算机采用了液氦冷却。离开了氦，量子计算机将无法稳定运行。因此，氦气资源将左右未来信息产业的发展。
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