ヘリウム：特性、生産、世界の供給

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背景

ヘリウムは周期表で第2軽量元素、最も化学的に不活性な気体の一つです。低密度と不燃性により、飛行船・気球の浮揚から溶接用安全雰囲気、半導体製造における結晶成長まで、航空宇宙用途で不可欠。液体ヘリウムは絶対零度近くの温度を要する研究（超伝導実験等）でも重要です。

宇宙では豊富ですが、地球大気中には微量のみ含有。ヘリウムは1868年、天文学者ピエール・ジャンセンとジョセフ・ノーマン・ロッキアー卿が日食時に未知の黄色スペクトル線を観測し発見。ロッキアーがギリシャ語「ヘリオス」（太陽）から「ヘリウム」と命名。

1895年、ウィリアム・ラムゼー卿がウラン鉱物クレバイトからヘリウム抽出、地球上での存在を確認。数年後、カンザス州デクスター近郊の天然ガス井で最大2%濃度を検出。世界調査で様々な濃度が判明、米国が一般的に最も豊富な埋蔵量を持つことが判明。

20世紀初頭の軽航空機は可燃性にもかかわらず水素にほぼ専念。米国は第一次世界大戦でヘリウムの戦略的優位性を認識、重要戦略物資に指定し輸出制限。1925年ヘリウム保全法で非政府用途禁止。1937年ヒンデンブルク号災害後規制緩和、商業飛行船で水素に代わってヘリウム採用。

第二次世界大戦でもヘリウムは不可欠；長距離爆撃機のタイヤに充填し機体重量軽減と航続距離延長。戦後需要急増で1960年ヘリウム法改正により国家備蓄プログラム設立。1971年生産頭打ちで一時停止も後に再開。1993年政府備蓄は約350億立方フィート（10億立方メートル）に達しました。

今日、ヘリウム含有天然ガス田の大部分は米国に所在、カナダとポーランドにも著名な埋蔵量あり。

原材料

ヘリウムは地下で、ウランやトリウム等重元素の放射性崩壊生成物であるアルファ粒子がヘリウム核を形成することで生成。一部ヘリウムは地表へ拡散し宇宙へ逃散、残りは不透水岩層下に閉じ込められ天然ガス貯留層と混合。ヘリウム濃度は無視できるレベルから体積比4%まで変動、商業採算ラインは0.4%以上。

ヘリウムは極低温空気分離でも抽出可能だが、コスト高で回収率極めて低く、大規模生産には非現実的。

製造プロセス

ヘリウムは主に天然ガス処理の副産物として回収。天然ガスはメタン等炭化水素を含み天然ガスのエネルギー源。市場エネルギー仕様を満たすため、不純物（窒素、水蒸気、二酸化炭素、ヘリウム）をアップグレード工程で除去。

ガスストリームに約0.4%以上ヘリウム含有時、極低温蒸留でヘリウム分離。得られた粗ヘリウムをさらに精製し、商業純度99.99%以上を達成。

前処理

下流の極低温カラムが極めて低温で動作するため、固化する成分（水蒸気、CO₂、重質炭化水素）を事前除去し配管閉塞防止。

• 1. 天然ガスを約800psi（5.5MPa）に加圧、モノエタノールアミンスクラバーでCO₂吸収。
• 2. 分子ふるいユニットで水蒸気分離、小分子のみ通過、水を逆洗除去。
• 3. 活性炭床で重質炭化水素捕捉。ガスストリームは主にメタン、窒素、微量ヘリウム、水素、ネオンに。

分離

分留（窒素除去とも呼ばれる）で主要成分（メタンと窒素）を分離、ヘリウム豊富ストリームを極低温処理へ送る。手順は以下図解通り。

天然ガスから極低温配管で固化・閉塞する可能性のある全不純物を前処理で除去。前処理後、天然ガス成分を分留プロセスで分離。

• 4. フィンプレート熱交換器で流入ストリーム冷却、極低温メタン/窒素の対向流でガス加温。
• 5. ガスを膨張弁で膨張、圧力を約145〜360psi（1.0〜2.5MPa）に低下。急速膨張で混合物冷却、メタン液化開始。
• 6. 部分液化ガスが高圧カラムへ；上昇につれメタンが底部で液化継続、窒素が頂部へ上昇。
• 7. 液体メタン（粗メタン）を抽出、過冷却、第2膨張弁で約22psiへ減圧し低圧カラムへ。ここで大部分窒素除去、窒素≤4%のメタン豊富液体を得る。液体を加温気化し天然ガスへアップグレード、窒素は放出またはリサイクル。
• 8. 高圧カラムからのガスを凝縮器で冷却；窒素が凝縮し蒸気化、残留ガス（粗ヘリウム）はヘリウム50〜70%、未液化メタン1〜3%、少量水素・ネオン、残部窒素を含有。

精製

粗ヘリウムを多段階精製し商業純度へ。

• 9. −315°F（−193℃）冷却で窒素とメタン凝縮、約90%ヘリウム残留。
• 10. 空気添加で酸素導入；ガス予熱後、触媒通過で水素と酸素反応させ水蒸気生成、凝縮除去。
• 11. 圧力スイング吸着（PSA）ユニットで残留不純物捕捉。数千ミクロン孔粒子が窒素、メタン、残留水吸着。後続減圧で吸着ガス放出、約99.99%純度ヘリウム獲得。

流通

ヘリウムは常温ガスまたは極低温液体で出荷。ガスヘリウムは鍛造鋼またはアルミ合金シリンダーに900〜6,000psi（6〜41MPa）で貯蔵。バルク液体ヘリウムは断熱容器で最大約14,800ガロン（56,000L）輸送。

• 12. 液体または超高純度ヘリウム用、極低温吸着器で−423°F（−253℃）で残留ネオンと微量不純物除去、≥99.999%純度達成。
• 13. ガスを熱交換器と膨張機通し液化器へ、−452°F（−269℃）で液化。
• 14. 大量液体ヘリウム輸送は二重殻真空断熱トレーラー/コンテナ。内殻にヘリウム、外殻が断熱、海外輸送では液体窒素充填の第2外殻が熱吸収し気化しながら保温。

品質管理

高圧ガス協会が不純物含有量でヘリウムをグレード分け。商業グレードはM（99.995%純度）から始まりN、P、G（99.9999%純度）へ進行。定期サンプリング分析で規格適合確認。

将来

1996年、米国政府が国家資金によるヘリウム備蓄プログラム終了を提案、科学者らに懸念拡大。ヘリウムは本質的に天然ガス処理の副産物；備蓄なしでは大半が大気放出され失われる。一部専門家はプログラム停止で世界埋蔵量が2015年までに枯渇すると警告。