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美国收紧液氦出口中国科研项目受影响

2018-11-26 10:21:16

一旦美国收紧液氦的出口,中国现有许多使用氦气和液氦的科研项目和医疗项目将受到影响

张海刚忙着联系外面的液氦供应商,因为理化所的液氦不知道什么时候才能重新送过来。实验是不能停的,现在的文章还不够明年毕业的要求。看着身边忙碌的同学,他心里很着急。

张海刚在中国科学院物理研究所读博士,他所进行的分子动力学性质的研究需要在超低温环境进行,这种低至4.2K的低温是通过液氦来实现的。

实验室“断粮”

物理所的液氦主要来源于兄弟院所——中科院理化所。

理化所研究员刘立强说:“所里的氦液化器每两天工作一次,每次工作8个小时,一个星期大概能出1000升液氦。”但是,近几天所里的氦液化器出现了故障。据刘立强介绍,上世纪80年代,该所氦液化器产出的液氦能够供应整个华北地区,但现在,80%的液氦都要先满足物理所的实验需要。

为了应对这个随时可能“罢工”的仪器,物理所在2008年耗资六七十万元人民币买了自己的氦液化器。物理所一位实验人员告诉《科学新闻》:“要等到明年(2010)初,液化器才能真正投入使用,即便是这样也只能够自给自足。”

在中科院,像物理所这样拥有国家超导重点实验室的液氦消耗“大户”并不,经历过“断粮”之苦的电工所中科院应用超导重点实验室的科研人员对此深有体会。为了研究带材的超导性能和维持超导磁体运行,液氦必不可少,而与物理所不同,电工所的液氦是直接从国内的液氦分销商手中购买,通常来说,这比从中科院其他研究所购买要便宜。

但就在2007年下半年,超导实验室的超导实验停了长达两个多月。彼时由于美国将氦资源列为战略储备资源而限制粗氦产量,美国国内液氦设备大规模停产,这不仅导致了美国自身在日本长岛军事基地的需氦设备被迫关闭,而且累及到中国的液氦进口,液氦的价格更是一度飙升到300元/升。

医院面临问题

回忆起2007年下半年的液氦断货情形,一家液氦供应商的负责人王国强记忆犹新:“不断有人打听什么时候能买到液氦。每天都要向顾客解释不是为了抬价,确实是美国那边没有液氦运过来了。”

更严重的是,液氦的消费群体还不在科研机构,而是在医院的核磁共振设备。中科院电工所的李晓航副研究员介绍说:“现在医院的核磁共振成像仪的核心大都是超导磁体,只有在液氦的低温下才能稳定运行从而产生稳定的磁场,这样才能保证高分辨率的成像。”

液氦供应商王国强也证实了这个观点。他表示,越是精密的低温超导成像设备往往消耗的液氦越多:“北京天坛医院的脑磁图仪每星期都要注两次液氦,用量达上百升。”核磁共振成像仪的诸多优点让其成为医院不可或缺的诊断工具,然而在2007年,由于“伴侣商品”液氦的短缺,一些医院不得不让它们停止运行。

汽车加了汽油马上就可以重新上路,但“医院的核磁共振成像设备一旦停下来,再启动就不是件很容易的事”。李晓航说,“首先要注入几十升的液氦预冷设备,而且很有可能需要重新匀场,超导磁体退磁后重新充磁也要10到15天。等到设备完全正常差不多要等一个月。”

而且对于仪器来说,超导磁体的反复退磁对仪器本身是有损害的。

随着医疗体系的逐步完善,医院核磁共振成像设备也越来越多,据上海一家液氦供应公司透露:中国的液氦分销商已经达到260多家。

一种用途宽泛的稀缺资源

氦气是一种非常“懒惰”的气体,不易与别的化学物质发生反应。同时,氦气也是一种稀缺资源。

不过,美国是幸运的,地球上80%以上的氦资源分布于此,美国的天然气中氦气的含量高达7.5%。

由于氦气在飞船发射、导弹武器工业、低温超导研究、半导体生产等方面具有重要用途,中国近年来对氦气的需求量越来越大。但是受制于氦气资源匮乏、提取氦气的成本较高,中国在需求上一直依赖进口。

“中国四川自贡倒是有一些氦气含量相对较高的天然气,从中提取出的氦基本就用于潜艇。”中科院理化所的刘立强研究员说。他解释道:“在水下的高压环境下,空气中的氮气会溶解在潜水员的血液中,在潜水员上浮的过程中随着压力的变小,血液中的氮气便会逸出,形成气泡阻塞血管,而用到极难溶于水的氦气与氧气混合形成的人造空气,由于氦气本身的化学惰性,可以让潜水员较为舒适地在水面和水下之间往返。”

同时由于氦气非常“懒惰”,不易与别的化学物质发生反应,它常常被用作电焊和单晶硅生产中的保护气,避免金属或者硅被空气中的氧气所氧化形成讨厌的氧化物。像美国这样的氦资源富有国家,据统计在其2000年消耗的所有氦气中,18%用在了焊接上,而16%用作工业的保护气。

此外,氦气还被用于飞艇的载气,在火箭发射中也离不开它的身影。

未来氦气进口的情况依然不容乐观。一旦美国收紧液氦的出口,中国现有的许多使用氦气和液氦的科研项目和医疗项目将受到影响。

三种途径解除氦危机

对于美国这样的“富氦”国家,在相当长的一段时期内似乎不需要考虑“氦资源危机”的问题,但事实上不管是科研工作者还是医疗工作者都在考虑如何面对这一危机。

直接的办法就是节流。王国强告诉《科学新闻》:“现在医院的核磁共振仪很多自身带有密闭性很好、防止蒸发的液氦装置,大大减少了液氦的需求量̷̷先前的一些耗费液氦量大的仪器已经逐渐被淘汰。”

更多的科学家尝试用其他的制冷方式来代替液氦制冷。刘立强便是其中的一位,他希望用无液氦的制冷机来达到超导磁体的工作温度。“相对于液氦制冷,制冷机的氦需求量很低(用作制冷机的制冷气体),制冷机主要通过冷桥与磁体相连,采用的是热传导的制冷方式,而液氦主要是将磁体浸泡其中,对流制冷起很大作用。”刘立强说。

然而这种方法目前还没有真正用于医用核磁共振仪。有专家表示,液氦制冷的优势现在比较明显:制冷效果稳定,对于成像要求条件苛刻的医用设备,这点很重要。制冷机的稳定性不如液氦,容易受到扰动影响,这对精确成像是不利的。但他也表示,随着技术的进一步发展、成熟,制冷机代替液氦制冷也并非不可能。

发展高温超导材料也是另一个可能的途径。2009年10月18日在合肥举行的国际磁体技术会议上,高温超导成为与会专家的热议话题。寻找优质的高温超导材料,让超导磁体能够在液氮甚至更高的温度下稳定工作,是核磁共振成像仪摆脱液氦的又一希望所在。

氦的发现

1868年8月18日,法国天文学家彼埃尔·让桑(Pierre Janssen)在印度南部观测日全食时,意外发现太阳光谱里面有一条陌生的明亮黄线,英国天文学家约瑟夫·洛基尔(Joseph Lockyer)也独立地发现了这条黄线,并把这种元素命名为“氦”,它的英语为helium(来自希腊语“太阳”)一词首音节的音译。1895年英国化学家威廉·拉姆塞(William Ramsay)从一种含铀矿物中分离到氦的时候,让人们认识到地球上也有氦的分布。而且氦是一种惰性气体,几乎不能和其他任何元素化合,而且极难液化。

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