不怕美国封锁和讹诈中国军用氦气资源有保障

  发布日期:  2019-11-27 13:15:29    

军事技术(微信账号:兵工科技)

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注:“东风”-5b液体推进洲际弹道火箭,很少有人知道它还需要大量氦。

2018年2月16日,美国总统特朗普签署了第13817号法令,要求美国内政和国防部公布对美国利益至关重要的35种关键矿物的清单,包括氦。同样,2019年4月,澳大利亚联邦政府发布了《2019年澳大利亚主要矿产战略》,列出了对国防、空间、能源和先进制造业具有重要意义的24种主要矿产,包括氦。最近,由于美国对中国发动贸易战,并在半导体领域对中国实施单边制裁和封锁,中国指出,不允许美国利用中国的稀土资源(制造的半导体元件)对中国实施制裁,这被世界各国广泛解释为企图利用稀土作为武器来对抗美国实施的野蛮和不合理的单边制裁。美国的“鹰派”也表示,他们打算使用氦这一重要的工业资源作为武器,通过禁运制裁和攻击中国的工业和国防发展。

那么为什么氦能受到极大关注,成为未来科技的“宠儿”?它是从哪里来的?有哪些应用程序?中国的年需求和产出是多少?中国权威氦地质学专家李玉红教授及其研究团队告诉我们:中国的军用氦资源是有保障的,不怕美国的封锁和讹诈!

1868年,法国天文学家皮埃尔·詹森(pierre janssen)和英国天文学家洛克耶(lockyer)在观测日全食时,第一次用分光计分别发现了太阳光谱中氦的黄线,这被称为太阳元素,但当时他们并没有确定它是哪个元素。直到1895年,英国化学家威廉·拉姆齐在研究铀酰亚胺时发现了这种气体,当时的英国分光镜和物理学家威廉·克鲁克斯证明了铀酰亚胺是氦。这样氦被正式发现并命名为氦,希腊文意思是太阳。

注:氦的重要发现者之一,英国化学家威廉·拉姆齐

氦是一种惰性气体和非金属元素。元素周期表属于零族元素。空气中氦的含量仅为0.000524%,但它在整个宇宙中的含量仅次于氢。常温下无色、无味、无嗅,在水中的溶解度很低。它是除氢以外密度最低的气体(0.1786g/l),也是已知熔点和沸点最低的元素。其液化温度接近于绝对零度,液化后的热导率非常高。由于液氦的低温,一些被液氦冷却的金属或金属化合物的电阻将完全消失。这种现象叫做超导,这个温度叫做临界温度。氦在化学性质上是惰性的,基本上不形成化合物。氦在自然界中有两种稳定的同位素3he和4he。他主要是元素合成过程中形成的一种核素,它来自地幔脱气,随熔体和火山活动上升到地壳和空气中。他主要来自矿物中铀、钍和其他元素的放射性衰变,主要来自地壳。

因为空气中氦的含量极低,所以从空气中净化氦的成本很高,并且没有经济效益。研究发现,沉积盆地中某些天然气储层的氦浓度远高于空气,包括烃类天然气储层、氮气储层和二氧化碳储层。这些气藏中氦的浓度可达10%以上,而氦的浓度达到0.1%具有工业价值。研究表明,在含古富铀和钍花岗岩的盆地中更容易发现富氦天然气藏。氦进入天然气藏的过程如下:①首先矿物中的铀和钍元素通过放射性衰变产生氦,然后氦通过矿物的扩散或重结晶从矿物中逸出,进入岩石的孔隙和裂隙。我们可以称之为氦的初次迁移;(2)氦原子进入孔隙水后,通过在孔隙水中的扩散而迁移到地壳的浅层,但迁移过程非常缓慢。(3)当气泡通过孔隙水时,氦迅速进入气相,孔隙水中氦的浓度迅速降低,气相中氦的浓度不断增加。最后,这些氦与其他气体一起快速向上移动,并聚集在高结构位置,形成天然气储层。(4)富氦天然气储层形成后,在气水界面附近继续发生溶解和交换,氦继续在储层中富集,最终形成富氦天然气储层。地质学家通过勘探发现富氦天然气储层,通过钻井和开发将富氦天然气开发到地表,然后通过膜分离、冷却等方法从天然气中分离纯化氦,最后液化、储存和销售。

氦广泛用于国防工业,是确保国家安全的非燃料矿物和原材料。

(1)火箭、航天器、液体燃料导弹。氦广泛用于火箭、宇宙飞船、洲际导弹等领域。主要用于液体燃料火箭系统的液氢罐和管道系统的清洗和加压。液体火箭发动机的优点是:发动机本身质量小,特别是对于推力大、工作时间长的发动机,有可能获得高比推力;其次,可以启动、关闭和调整推力几次。此外,它还具有发动机工作时间更长、推进剂本身成本更低的特点。因此,液体燃料火箭被用于主流国际运载火箭、航天器和一些洲际弹道导弹。液体燃料火箭的缺点是推进剂输送、储存和输送系统复杂,不便于长期储存和维护。因此,燃料在发射前就被填满了。上述领域使用的液体燃料火箭技术大多使用氢作为重要燃料,但由于液体氢的特殊物理性质,如低温、易燃、易爆等,给火箭和导弹的发射带来了不确定性。氦被用来清洗和加压液态氢罐和管道系统,因为它的液化温度比氢低得多,而且在化学上是惰性的。任何其他惰性气体,如氮气或氩气,都会冻结并与液态氢混合,堵塞管道和阀门。氦的低溶解度、低沸点和化学惰性使得清洁和密封火箭和航天器的液态氢燃料系统非常有效和安全。氦是低温环境中唯一的惰性物质。氦在这种应用中是不可替代的。这非常重要,因为液态氢是火箭燃料,大部分氦在使用过程中无法回收。此外,大多数火箭使用泵送液体推进剂或固体推进剂发动机。在液体燃料火箭中,氦用于对低温储罐的液面上部空间加压,以提供直接输送液态氢和液氧的压力,或者仅向输液泵提供净正吸入压力。尽管压力供给液体推进剂火箭通常比泵供给火箭重,但压力供给液体推进剂火箭稳定性更可靠,能够很好地适应多次停止和起动发动机的任务。因此,它们广泛应用于火箭和导弹的轨道机动系统和姿态控制系统,并且稳定可靠。它用于星际航天器和卫星,用于轨道校正、轨道插入和其他必须可靠执行的重要功能。航天火箭和航天飞机的氦气消耗量巨大,每次发射需要20万立方米(720万立方英尺)的氦气。

目前,我国大多数运载火箭基本上使用液体燃料火箭发动机,因此氦的应用至关重要。中国“东风”-5系列(“东风”-5A /a和“东风”-5B /b)弹道导弹是中国人民解放军火箭军装备的陆基液体燃料远程弹道导弹,是中国第一代地对地洲际战略导弹。为了提高战略导弹的机动生存能力,目前洲际导弹主要采用固体燃料系统。然而,如果战时液体燃料火箭的生产能力很大,核弹头可以直接安装在液体燃料火箭上使用。

注:氦同位素可用作核聚变反应的燃料。图为托卡马克聚变核反应堆。

(2)潜艇和饱和潜水应用。在陆地上,我们呼吸的空气主要由大约21%的氧气和78%的氮气组成。为了确保深海中的正常呼吸,氧气必须保持在这个比例。然而,如果我们呼吸与深海陆地相同的空气,高压下氮在人体内的溶解度会增加,导致氮中毒,使船员瘫痪。因此,溶解度较小的氦将被用来代替氮。然而,问题又出现了。氦的热导率是氮的6倍。导热系数越大,人体内的热量损失越快,机组人员会感到极度寒冷。所以潜艇内部的温度保持在70度。这个温度不会对船员造成任何伤害。潜艇感觉好像在陆地上超过20度。天气既不冷也不热,以确保潜艇船员的舒适。

除了潜艇,氦在海军饱和潜水领域也有重要用途。潜水员也经常需要混合氦和氧的人工空气。这是因为氮气在高压水下环境下会溶解在血液中。当潜水员上浮时,压力下降,血液中的氮气一个接一个地逸出,形成气泡堵塞血管,导致潜水员患上致命的“减压病”。氦作为惰性气体,即使在高压下也很难溶于水,所以用氦代替氮可以解决这个问题。氦氧混合气体使潜水员能够在深水中停留更长时间,并获得更大的安全性。自1912年以来,美国海军首次在潜水中测试氦作为氮的替代品。它最大的成功之一是在1939年,当时美国海军在243英尺深海饱和潜水作业中使用混合气体打捞沉船。

(3)航空、航天、导弹和军舰材料的焊接和制造。航空、航天、导弹和舰船的焊接和制造领域要求高的焊接和制造效果,氦被广泛使用。氦在这种应用中经常被用作保护气体。当一些金属被加热或熔化时,必须使用惰性气体来防止它们与大气中的氧气和氮气发生反应。金属焊接消耗大量氦。在惰性气体保护钨极电弧焊(tig)中,非熔化钨电极、热金属填充物和焊接区域应使用连续氦气或氦气-氩气混合物进行保护。根据焊接工艺、焊丝和待焊接的母材,混合气体的成分可能不同。一般来说,氦氩混合物中的氦含量为15% ~ 70%。氦也广泛用于航空合金制造。氦和其他气体的混合物可用作等离子弧装置中的工作介质,产生50000k以上的等离子射流,用于切割金属和喷涂难熔合金和陶瓷。在一些特殊的金属熔炼工艺中,氦被用作运载气体以将产品输送到反应区和从反应区输送出来,并被用作惰性稀释气体以改变反应速率。

以液体火箭壳体(也称贮箱)的结构材料为例,因为所用的推进剂不同,所以也不同。例如,液氢和液氧等推进剂的沸点分别为-253℃和-183℃。在如此低的温度下,普通钢变成玻璃,在撞击时会破碎,不能用作结构材料。因此,液态氢和液氧罐的材料在低温下必须具有足够的塑性。为了防止液体泄漏,保证密封性,储罐必须焊接成型,材料必须具有良好的焊接性,即焊接区域必须保证良好的焊接质量,不会产生裂纹、气孔等缺陷。大火箭箱的尺寸非常大(箱子直径高达10米,甚至超过10米)。通常,不希望在焊接和成形后进行热处理,以便不使用大型热处理设备。因此,对于使用液氢和液氧作为推进剂的大型火箭来说,材料的主要矛盾在于它们在低温下不会变脆,可以焊接,并且可以保证材料的强度而无需热处理过程。在克服这些矛盾的基础上,必须尽可能选用强度和刚度高、焊接可靠的材料。目前,可焊铝合金和一些钛合金基本上可以满足这些要求。大型液体火箭贮箱主要由可焊接铝合金或可焊接钛合金制成,焊接过程需要氦气或氦气和其他气体的混合物进行保护。同时,氦的高电离和高声速使其成为弧焊的空间介质,保证了电弧电离、电弧稳定性和功率转换,保证了焊接的均匀性和质量稳定性。

(4)导航和导航。氦是一种重要的激光气体,广泛用于导航和激光制导武器。氦氖激光陀螺仪广泛应用于军用飞机、舰艇、导弹、大型民用飞机、高端无人机、高速铁路等领域。美国早在20世纪60年代就开始研究激光陀螺仪,并在20世纪70年代将其用于制导武器。中国花了43年时间研制出全腔绿色氦氖激光器,使中国成为继美国、俄罗斯和法国之后世界上第四个独立研制激光陀螺仪的国家。激光陀螺仪精度高、稳定性好,在高端领域很难替代。目前,除飞机外,我国对短程地对地导弹、中程空对空导弹、远程空对空导弹、地对空导弹、舰空导弹、反舰导弹、巡航导弹、鱼雷武器等战术导弹武器的激光陀螺仪也有较大需求。

(5)高超音速风洞气体。风洞是空气动力学的研究工具,用于研究空气流过物体时产生的空气动力学效应。主要应用于飞机、导弹(尤其是巡航导弹、空对空导弹等)的设计。)以及热和压缩测试。在常规高超音速风洞和超音速风洞实验中,实验段气流的静态温度随着马赫数的增加而降低,导致实验段气流液化。因此,必须加热实验气体。氦因其高热导率、低沸点和高雷诺系数,常被用作高超音速风洞的实验气体。冷凝温度极低(4k)的氦用作实验气体,室温下马赫数可达25,加热至100万k时马赫数可达42。

(6)在第四代核反应堆中,反应堆被设计成使用高达790℃的气体制冷剂温度。在此温度下,只有氦(4he)具有必要的化学稳定性、惰性、高传热率、低动压损失和低中子有效截面。一方面,氦是不可替代的,将是未来氦需求增长的主要驱动力。

(7)氦同位素3he可用作核燃料。他能与氢同位素氘产生核聚变反应,氘产生巨大的能量。与前两代核聚变相比,核聚变反应具有聚变过程不产生中子、反应过程易于控制、环保安全的优点。因此,它被科学家认为是一种高效、清洁、安全和廉价的核聚变发电燃料。虽然氦同位素在地球上主要是4he,但对月球土壤的初步研究表明,在月球地壳表面已经发现了数百万吨的3he,足以供地球使用数万年。目前,各国科学家正在对3he在地球和月球上的储存、提取、纯化、运输和环境保护进行相关研究。也许在不久的将来,他将成为一种传统的新能源。

(8)氦球也是氦的重要军事应用领域。由于氦是惰性气体,它的化学性质是惰性的,密度比空气低得多。它的相对空气密度只有0.138,所以如果氦气充入气球和飞艇,气球和飞艇将在冉冉上升。以前曾尝试用密度更小、重量更轻的氢气制造气球和飞艇,但安全性极低,因为氢气和空气混合后会爆炸。相反,氦气球和氦气飞艇非常安全,用途广泛。目前氦气球和飞艇主要用于偏远地区的气象观测或被军方作为侦察平台。

注:氦目前是气球和飞艇的主要气体来源。它比氢安全得多。

此外,氦是第四次工业革命的重要工业原料,这与高技术产业的发展有关。这些新技术和产品也广泛应用于军事领域。

(1)氦在电子工业中起着重要的作用。在半导体、液晶面板和光纤的制造过程中,氦可以控制传热速率,同时实现零件的快速冷却,提高生产效率,减少缺陷。此外,氦气也用作硅片生产中的保护气体,以隔离空气并防止元素硅和氧反应。在电子支付领域,由氦氖混合物制成的氦氖激光器廉价高效,能耗低,广泛应用于条形码识别、二维码支付等领域。

(2)在核磁共振成像领域,已知超导材料只能在-130℃以下的低温下显示特性,只有液氦才能更有效地实现这种稳定的超低温。核磁共振成像仪器的核心也是超导磁体。没有液氦,它不能稳定运行,也不能保证高分辨率成像。

(3)氦在精密分析中用作大气气体。由于其化学惰性,在使用过程中不会与被检测成分发生任何化学反应,从而保证了检测的准确性。此外,氦的相对分子质量和物理性质与大多数待分析的物质非常不同。基于热传导系数、声速和密度的变化,使用氦气作为载气可以实现探测器的最高探测灵敏度。

(4)氦在量子计算机中有广阔的应用前景。最近,ibm开发了世界上第一台商用量子计算机。为了保持量子位的温度在绝对零度左右,这台量子计算机被液氦冷却。没有氦,量子计算机就不能稳定运行。因此,氦资源将影响未来信息产业的发展。

氦在一些高端工业领域也有重要应用。例如,对于真空系统和其他气密装置,氦泄漏检测器通常用于识别瞬时泄漏位置。氦的低大气背景能产生极高的检漏灵敏度,其化学惰性能保证检漏过程的安全。此外,氦的高扩散率和低吸附能力有利于快速响应。氦广泛用于泄漏检测,在航空航天、半导体、核能、低温真空、制冷、食品和汽车工业中有非常重要的应用。

注:氦的主要应用领域

世界氦资源短缺且相对集中,供需矛盾突出。世界氦资源分布相对集中,世界氦资源519亿立方米,美国206亿立方米,占世界氦资源的40%。其他国家在卡塔尔有101亿立方米的资源,在阿尔及利亚有82亿立方米,在俄罗斯有68亿立方米,在加拿大有20亿立方米,在中国有11亿立方米,在波兰有3亿立方米,在其他国家有28亿立方米。在过去的20年里,氦的实际产量一直在稳步增长。2017年,美国氦产量约为9100万立方米,卡塔尔4500万立方米,阿尔及利亚1400万立方米,俄罗斯0300万立方米,波兰0200万立方米。其他国家和地区生产大约0500万立方米的氦。美国氦资源和生产在世界市场占据主导地位。它一直控制着全球市场价格,导致氦市场价格只涨不跌的局面。2018年9月,美国土地管理局的粗氦拍卖量从2017年的14.16亿立方米下降到2018年的5.95亿立方米。拍卖价格从2017年的4.29美元/立方米升至10.1美元/立方米,同比上涨135%。随着全球氦气需求的不断增加,美国氦气储量和产量大幅下降,供需矛盾突出,氦气价格大幅波动,给中国国防安全和高技术产业带来很大的不确定性。

受国际政治、贸易摩擦和地区安全形势影响,世界氦气供应链异常脆弱。自1963年以来,美国氦气战略储备量一直大于全球氦气的产量,因此,美国在全球氦市场拥有绝对的话语权。近期,受中美贸易战影响,自美国进口氦气关税上涨5%,且美国氦气市场投放量急剧下降,导致我国氦气市场价格暴涨,随着中美贸易摩擦升级和国际政治局势恶化,可以预见未来氦气价格还将持续上涨。地区安全形势也对氦气供应构成威胁,2017年6月,中东局势恶化,卡塔尔断交事件导致全球氦气供应紧张,中国氦气市场价格大幅上涨。2018年4月,卡塔尔氦气工厂检修,出口量减少,同时美航天局大量囤积氦气,价格又随

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