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氣體小科普 | 未來科技的寵兒“氦”

氦氣不僅廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、新興材料制造焊接等國防科技領(lǐng)域，而且在半導(dǎo)體制造、高端醫(yī)療器械、精密分析儀器、超導(dǎo)、光電子產(chǎn)品制造、量子計算機(jī)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中不可替代。美國長期擁有全球氦氣供應(yīng)絕對話語權(quán)，我國氦氣長期依賴進(jìn)口，對外依存度近乎100%，資源安全形勢嚴(yán)峻。近年來，受國際政治格局快速變化、氦氣主要出口國地區(qū)安全惡化、中美貿(mào)易爭端升級、第四次工業(yè)革命競爭加劇等因素影響，氦氣將成美國制衡中國的有利武器，也必將成為未來科技的“寵兒”。

1.氦氣廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)，是保障國家安全的非燃料礦產(chǎn)和原材料

（1）火箭、宇宙飛船、液體燃料導(dǎo)彈等在加注燃料之前，必須使用氦清洗增壓液氫罐和管道系統(tǒng)。因為在液氫的低溫環(huán)境中，任何其他惰性氣體，如氮氣或氬氣都會凍結(jié)并與液氫混合堵塞管道和閥門，而氦是唯一液化溫度遠(yuǎn)低于氫的惰性物質(zhì)，在這個應(yīng)用上氦是無法替代的。

（2）第四代核反應(yīng)堆中，反應(yīng)堆設(shè)計采用高達(dá)790℃的氣體冷媒溫度，在此溫度下，只有氦（4He）具有必需的化學(xué)穩(wěn)定性、惰性、高傳熱速率、低動力學(xué)壓力損失和低中子有效截面。這一方面，氦氣也是是無法替代的，并且將是未來氦氣需求增長的主要動力。

（3）在航空航天金屬加工領(lǐng)域，氦氣也不可或缺。在金屬焊接和冶煉時，為了阻止其與大氣中的氧和氮反應(yīng)，必須用惰性氣體保護(hù)。在合金制造方面，氦與其他氣體的混合物在等離子體電弧裝置中作為工作介質(zhì)，可生產(chǎn)50000K以上的等離子體射流，來切割金屬和噴鑲耐熔的合金。

（4）氦的另一個重要的應(yīng)用是氦的同位素3He可用作核燃料。3He能與氫的同位素氘可發(fā)生核聚變反應(yīng)，產(chǎn)生巨大能量。這個核聚變反應(yīng)相比于前兩代核聚變，優(yōu)點在于聚變過程中不產(chǎn)生中子、反應(yīng)過程易于控制，既環(huán)保又安全。因此被科學(xué)家公認(rèn)為高效、清潔、安全、廉價的核聚變發(fā)電燃料。雖然在地球上氦同位素以4He為主，但對月球土壤的初步研究表明，在月球地殼表層發(fā)現(xiàn)了上百萬噸3He，足夠地球使用上萬年。目前各國科學(xué)家正圍繞地球和月球上3He的儲量、采掘、提純、運(yùn)輸及環(huán)境保護(hù)等問題開展相關(guān)研究，也許不久后的未來，3He將會成為常規(guī)可用的新能源。

2.氦氣關(guān)系高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是第四次工業(yè)革命必不可少的工業(yè)原料

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