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「ued提现规则」不怕美国封锁和讹诈中国军用氦气资源有保障

发布时间:2020-01-11 18:12:30 人气:2855

「ued提现规则」不怕美国封锁和讹诈中国军用氦气资源有保障

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图注:“东风”-5b液体推进洲际弹道火箭,很少有人知道它也要用到大量的氦气

2018年2月16日,美国总统特朗普签署第13817号令,要求美国内政部和国防部公布一份对美国利益至关重要的35种关键矿产目录,其中氦气赫然在列。无独有偶,2019年4月,澳大利亚联邦政府发布《澳大利亚关键矿产战略2019》,列举了对国防、太空、能源和先进制造非常重要的24种关键矿产,其中也包括了氦气。近期,由于美国对中国发动贸易战,并在半导体领域对中国进行单边制裁和封锁,我国指出,不允许美国使用中国的稀土资源(制造的半导体元器件)对中国进行制裁,被世界各国广泛解读为要以稀土为武器反击美国粗暴无理的单边制裁。而美国国内的“鹰派”也发出声音,打算以氦气这一重要的工业资源作为武器,通过禁运来制裁和打击中国的工业和国防发展。

那么氦气为何能获得极大关注并成为未来科技的“宠儿”?它从何而来?有哪些应用?我国年需求与年产量又有多少?我国权威氦气地质专家李玉宏教授和他的研究团队告诉我们:中国军用氦气资源有保障,不怕美国封锁和讹诈!

1868年法国天文学家皮埃尔·让森(pierre·janssen)和英国天文学家洛克耶(lockyer·josephnorman)各自在观测日全食时,用光谱仪首次在太阳光谱中发现了属于氦的黄线,称之为太阳的元素,但当时并未识别出它是哪种元素。直到1895年,英国化学家威廉·拉姆赛(william·ramsay)在研究钇铀矿时也发现了这种气体,并由当时英国光谱学家和物理学家威廉·克鲁克斯(william·crookes)证明其是氦。这样氦正式被发现,并被命名为helium,在希腊语中为太阳的意思。

图注:氦气的重要发现者之一,英国化学家威廉拉姆塞

氦是一种惰性气体、非金属元素,元素周期表属于零族元素。氦在空气中的含量仅为0.000524%,但其在整个宇宙中含量仅次于氢元素。它在常温下无色、无味、无臭,在水中的溶解度很低,是除氢气以外密度(0.1786g/l)最小的气体,也是已知熔点、沸点最低的元素,液化温度接近绝对零度,当其液化后导热性很强。由于液氦温度低,用液氦冷却某些金属或金属化合物其电阻会完全消失,这种现象称为超导电性,此温度称为临界温度。氦的化学性质不活泼,基本不形成化合物。氦在自然界中有两种稳定同位素3he和4he,3he主要为元素合成时形成的核素,来源于地幔脱气,随着熔体和火山活动上升到地壳和空气中。 4he主要来源于矿物中铀、钍等元素的放射性衰变,主要产自地壳。

由于空气中氦气含量极低,因此从空气中提纯氦气成本巨大,并不具有经济效益。研究发现,一些储存于沉积盆地内的天然气藏中氦气浓度远高于空气,包括烃类天然气藏、氮气藏和二氧化碳气藏,这些气藏中氦气浓度最高可达10%以上,而氦气浓度达到0.1%就具有工业利用价值。研究表明,那些基底具有古老富铀、钍含花岗岩的盆地内更容易找到富氦天然气藏,氦气进入天然气藏的过程为:①首先矿物中铀、钍元素通过放射性衰变产生氦,然后氦通过扩散作用或者矿物重结晶逃离矿物进入岩石孔隙、裂隙,我们可以称之为氦的初次运移;②氦原子进入孔隙水后,其在孔隙水中以扩散的方式向地壳浅部进行二次运移,但这个运移过程非常缓慢;③当孔隙水中通过气泡时,氦迅速进入气相,孔隙水中的氦浓度迅速降低,气相中氦浓度不断升高,最终,这些氦气伴随其他气体快速向上运移并在构造高部位聚集形成天然气藏。④形成富氦天然气藏后在气水界面附近继续发生溶解交换,氦气持续在气藏中富集,最终形成富氦天然气藏。地质学家通过勘探发现富氦天然气藏后,通过钻探开发将富氦天然气开发到地表,然后利用氦气低沸点的性质,通过膜分离、冷却法等方法将氦气从天然气中分离提纯,最终液化后储运出售。

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。氦气在火箭、宇宙飞船、洲际导弹等领域应用广泛,主要应用于清洗和增压液体燃料火箭系统的液氢罐和管道系统。液体火箭发动机的优点是:发动机本身的质量较小,特别是对于大推力、长时间工作的发动机,有获得高比推力的可能性;其次具有多次启动、关机及调节推力的可能性;此外,还具有发动机工作时间较长,推进剂本身的造价较低等特点。因此,国际主流的运载火箭、宇宙飞船和部分洲际弹道导弹采用液体燃料火箭。液体燃料火箭的缺点为推进剂输送、贮送系统复杂,不便于长期贮存,不便于维护使用等,因此,燃料都在发射前加注。上述领域使用的液体燃料火箭技术,大部分燃料中都使用氢气作为重要燃料,但是由于液氢低温、易燃易爆的特殊物理性质,给火箭和导弹的发射带来不确定性。由于氦的液化温度远低于氢且化学惰性,所以氦被用于清洗和增压液氢罐和管道系统。任何其他惰性气体,如氮气或氩,都会冻结,并与液态氢混合,堵塞管道和阀门。氦的低溶解度、低沸点以及其化学惰性,使其清洗和密封火箭、宇宙飞船的液体氢燃料系统十分有效和安全。在低温环境中,氦是唯一一种惰性物质,对于这个应用来说,氦是无法替代的。这是非常重要的,因为液态氢是火箭燃料,使用过程中大部分的氦也都无法回收。另外,大多数火箭都使用泵式液体推进剂或固体推进剂发动机。在液体燃料火箭中,氦气用于加压低温贮槽液面上部空间,以提供直接输送液体氢和液体氧的压力或者仅给输液泵提供净吸入正压。虽然压力输送液体推进剂火箭通常比泵式输送火箭重,但压力输送液体推进火箭稳定性更加可靠,能很好地适应任务要求多次停止和启动引擎,因此在火箭和导弹的轨道机动系统、姿态控制系统应用广泛,且稳定可靠。在星际飞船、卫星中用于轨道修正、轨道插入以及其他必须可靠执行的重要功能中。航天火箭和航天飞机中的氦气消耗是巨大的,每次发射需要20万立方米(720万立方英尺)氦。

目前,我国的大部分运载火箭基本都采用液体燃料火箭发动机,所以氦气的应用必不可少。我国的“东风”-5系列(“东风”-5甲/a型和“东风”-5乙/b型)弹道导弹是中国人民解放军火箭军装备的一型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,目前的洲际导弹已经主要采用固体燃料系统,但是,如果在战时液体燃料火箭产能规模较大,可以在液体燃料火箭上直接加装核弹头使用。

图注:氦的同位素可以作为聚变核反应的燃料,图为托卡马克聚变核反应堆

(2)潜艇和饱和潜水领域的应用。在陆地上,我们呼吸的空气主要是由约21%的氧气和78%的氮气构成的,在深海中为了保障正常的呼吸也必须要求氧气保持在这个比例,但是如果在深海中还呼吸和陆地上一样的空气的话,氮气在高压下在人体内的溶解度会增大,从而产生氮中毒,船员精神上会因此麻痹,所以用溶解度较小的氦气替换氮气,可这时问题又出来了,氦气的导热性是氮气的6倍,导热性越大,人体内热量散失的也越快,船员就会感到极端的寒冷。所以潜艇内的温度保持在70度。这个温度并不会对舰员造成伤害,潜艇里感觉就好象是我们陆地上感觉到的二十几度一样,不是很冷也不是很热,保证潜艇乘员的舒适度。

除了潜艇,在海军的饱和潜水领域,氦气也有重要的用途。潜水员也常常需要使用氦气和氧气混合而成的人造空气,这是因为在水下的高压环境下,氮气会溶解在血液中,当潜水员上浮时压力减小,血中的氮气便纷纷逸出,形成气泡阻塞血管,使潜水员患上致命的“减压病”。同为惰性气体,氦气即便在高压下也难溶于水,所以用它来代替氮气就可以解决这个问题,氦氧混合气体使潜水员能够更长时间停留在深水中,并获得更大的安全。从1912年起,美国海军首次试验了潜水中氦作为氮的替代气体使用。它的一次巨大的成功应用是在1939年,当时美国海军在深度243英尺(约74米)的深海中的饱和潜水行动中应用该混合气体,打捞起被击沉的潜艇。

(3)航空、航天、导弹、舰艇材料焊接制造领域。航空、航天、导弹、舰艇材料焊接制造领域对焊接制造效果要求较高,氦气应用广泛。这一应用中氦气常被用作保护气。当一些金属在加热或熔化时,为了阻止其和大气中的氧和氮反应,必须用惰性气体保护。金属焊接加工中消耗了大量的氦。在惰性气体保护的钨电弧焊(tig)中,不熔化的钨电极、灼热的金属填充物和焊接区域要用连续的氦或氦-氩混合进行保护。根据焊接工艺、焊丝和被焊的母材的不同,混合气的组成可以不同。通常,氦-氩混合气中氦的含量为15%~70%。在航空合金制造方面,氦气应用也极为广泛,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,用来切割金属和喷镀耐熔的合金及陶瓷。在某些特殊金属冶炼过程中,用氦作载气输送产品到反应区和从反应区输出产品,并作为惰性稀释气以改变反应速率。

以液体火箭壳体(也叫贮箱)的结构材料为例,因所用的推进剂不同,也各不相同。例如,推进剂如为液氢和液氧,沸点分别为-253℃和-183℃,普通钢材在这样低的温度下,变成玻璃一样,一碰就碎,不能用作结构材料。所以液氢和液氧贮箱材料,必须在低温下具有足够的塑性。为了防止液体渗漏,保证密封性,贮箱常须用焊接方法成型,材料又必须具备良好的焊接性,也就是在焊缝区域必须保证有良好的焊接质量,不能产生裂纹、气孔等缺陷。大型火箭箱体的尺寸又很大(箱体直径大到10米,甚至10米以上),一般不希望焊接成型以后再进行热处理,以免使用庞大的热处理设备。所以,对于使用液氢和液氧作推进剂的大型火箭来说,能在低温下不变脆、能焊接、不用热处理工艺而又能保证材料的强度,就成为材料的主要矛盾了。那就必须在克服这些矛盾的基础上,尽可能地选用强度和刚度大、焊接可靠的材料。目前,可焊铝合金和部分钛合金能基本上满足这些要求,大型液体火箭贮箱多用可焊铝合金或可焊钛合金制成,焊接过程需要采用氦气或氦气与其他气体的混合气体进行保护。同时氦气的高电离作用和高声波速度使其可以成为电弧焊接的空间介质,保证电弧电离、电弧稳定及功率变换,保证焊接的均一性和质量稳定性。

(4)制导与导航。氦气是重要的激光气体,广泛应用于导航和激光制导武器。氦氖激光陀螺仪在军用飞机、舰艇、导弹、民用大飞机、高端无人机、高铁等领域应用较广。美国早在上世纪60年代就开始了对激光陀螺仪的研究,并于70年代将其用于制导武器上。我国历时43年,研制出了全内腔绿色氦氖激光器,使得中国成了美、俄、法之后,世界上第四个可独立研制激光陀螺仪的国家。由于激光陀螺仪产品精度更高、稳定性更好,因此在高端领域激光陀螺仪很难被替代。目前,我国除飞机外,近程地地导弹、中程空空导弹、远程空空导弹、地空导弹、舰空导弹、反舰导弹、巡航导弹、鱼雷武器等多种战术导弹武器对激光陀螺仪需求也相对较大。

(5)高超声速风洞气体。风洞是空气动力学的研究工具,用于研究空气流经物体产生的气动效应,主要应用于飞行器、导弹(尤其是巡航导弹、空对空飞弹等)设计和耐热与抗压试验等。在常规高超声速风洞与超声速风洞实验中,实验段气流静温随马赫数增加而降低,以致实验段气流会出现液化,因此要给实验气体进行加热。由于氦气的高热导率、低沸点、高雷诺系数,经常将氦气用于高超音速风洞实验气体,采用凝结温度极低(4k)的氦气作实验气体,在室温下马赫数可达到25,当氦气加热到1000k时,马赫数可达到42。

(6)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。

(7)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。

(8)氦气球也是氦气的一个重要军事应用领域。由于氦气作为惰性气体化学性质不活泼,密度又比空气要小得多,其相对空气密度仅为0.138,所以如果往气球和飞艇里充入氦气,气球和飞艇就会冉冉升起。此前人们尝试过用密度更小、更轻的氢气来制造气球和飞艇,但由于氢气和空气混合后会爆炸,因此安全性极低。反倒是氦气球和氦气飞艇非常安全,得到广泛使用。目前氦气球和飞艇主要用于偏远地区的气象观测,或者由军方作为侦察平台使用。

图注:氦气目前是气球和飞艇的主要气源,它比氢气要安全得多

除此之外,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,而这些新技术新产品也广泛应用于军事领域。

(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,由于它的化学惰性,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。

在一些高端工业领域,氦气也有重要的应用。比如对于真空系统和其他气密装置,常用氦检漏仪来判明瞬间泄露位置。氦气的低大气背景可产生极高的检漏灵敏度,它的化学惰性又可保证检漏过程安全进行。另外,氦气的高扩散率和低吸附量特性则有利于快速响应。氦在检漏领域的应用极其广泛,在航空航天、半导体、核能、低温真空、制冷、食品和汽车行业都有非常重要的应用。

图注:氦气主要应用领域

世界氦气资源量短缺且分布相对集中,供需矛盾突出。世界氦气资源分布较为集中,全世界氦气资源量519亿立方米,美国资源量估计在206亿立方米,占全世界氦资源量的40%。其他国家资源量依次为卡塔尔101亿立方米、阿尔及利亚82亿立方米、俄罗斯68亿立方米、加拿大20亿立方米、中国11亿立方米、波兰3亿立方米,其他国家28亿立方米。二十年来实际氦气产量处于稳步增长状态,2017年,美国氦气产量约0.91亿立方米,卡塔尔0.45亿立方米,阿尔及利亚0.14亿立方米,俄罗斯0.03亿立方米,波兰0.02亿立方米。其他国家和地区氦气产量约0.05亿立方米。美国氦气资源、生产在世界市场中均占主导地位,一直以来控制全球市场价格,致使出现氦气市场价格只涨不跌的局面。2018年9月美国土地管理局粗氦拍拍卖量由2017年的14.16亿立方米降至2018年的5.95亿立方米,拍卖价由2017年的4.29美元/立方米上涨到10.1美元/立方米,同比上涨135%。随着全球氦气需求不断上涨,美国氦气储量与产量急剧下降,供需矛盾突出,氦气价格波动巨大,给我国国防安全和高新技术产业带来巨大不确定性。

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,价格又随之上涨。

图注:2018年前三季度我国氦气进口来源国及占比

我国氦气需求增长强劲、对外依存度高、进口结构单一,严重危机国防及高新技术产业发展。由于我国经济转型与高端制造业快速发展和国内氦气资源勘查开发程度极低,氦气需求量逐年增长,致使我国氦气长期严重依赖进口,对外依存度近乎100%,且进口量逐年上升。2017年,我国氦气进口量2006万立方米,较上年的1765万立方米,增长13.5%;2018年进口量2290万立方米,较2017年增长23%;预计2019年进口量和消费量将进一步增长,估计消费量达2800万立方米。我国氦气进口来源较为集中,2018年前三季度氦气进口总量1796万立方米,其中来自卡塔尔的氦气952万立方米,占比53%,来自美国的氦气611万立方米,占比34%,来自澳大利亚的氦气216万立方米,占比12%,其他17万立方米,占比1%。

20世纪70年代,西方国家曾经把氦气列入对华禁运物资之一,当前,美国仍要求在对华出口合同上注明氦气必须用于非军事目的。可以说,包括美国在内的一些西方国家,始终将氦气资源作为制裁和压制中国发展进步的“撒手锏”武器,这已经成为悬在我们头顶的一把“达摩克利斯之剑”,严重威胁着我国的经济发展和国防安全。

虽然我国的氦气矿藏储量小于美国,同时近年来氦气主要依赖于从卡塔尔、美国、澳大利亚等国进口。但近年来通过我国地质行业的努力研究和调查等,明确我国有能力满足和保障本国的氦气需求。

通过对我国主要含油气盆地含氦显示的调查,发现我国含氦天然气分布广泛,层位众多,研究程度低(作为资源研究更少),认识不够,家底不清。通过对含氦天然气分布的大地构造背景分析,发现西部大型叠合盆地、东部郯庐断裂带两侧的中新生代断陷盆地具有氦气资源前景。渭河、四川、塔里木、柴达木、松辽、渤海湾、苏北、海拉尔、民和等9个盆地均有含氦天然气显示发现,并在三水盆地、大别山区等地区均有氦气显示。

图注:中国主要含氦天然气显示盆地示意图

渭河盆地是目前我国开展氦气资源调查研究的热点地区之一。新生界地热井中伴生壳源氦气显示十分普遍,统计的77口井的气体样品中氦含量大于1%的有38口,最高达 9.226%(工业品位为 0.1%),居世界前列。地热水资源在渭河盆地非常丰富,目前勘查深度内,与水溶氦相关的新近系、古近系孔隙裂隙地热水资源量达14781.20×108立方米,按目前资料,取气水比1:10,气体中氦气体积分数以1.5%计,渭河盆地水溶氦气资源量可达14.78×108立方米,资源量可观。根据渭河盆地南缘花岗岩体和盆地内部隐伏磁性体(氦源岩),计算断陷盆地形成以来潜在氦源岩排氦量可达33.82×108立方米。现有研究结果分析表明,渭河盆地除水溶氦之外,还存在游离态富氦天然气藏,表明渭河盆地氦气资源前景良好,有望取得氦气资源突破。

目前,我国应该深化氦气勘探开发技术研究。由政府主导,以开放平台广泛吸纳国内外相关科研院所及企业单位,强强联合,充分发挥各自优势,加快省部级氦气研究创新中心建设,打造世界一流的氦气资源研究机构,重点针对氦气成藏理论、找矿模式等关键地质问题和地球物理探测方法、测井、解释模型等勘查技术手段进行攻关,开展专业化氦气勘探开发理论与技术研究,服务我国氦气资源调查评价工作,进行伴生氦气低成本的提取/提浓/提纯工艺及设备研发,完善氦气勘探与开发技术体系,为我国氦气资源规模化、产业化发展保驾护航。

除了加大氦气资源的调查、开采和生产力度,提高氦气资源的自主供应水平外,我们还可以通过国际合作,与卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯等友好国家加强合作,保证氦气资源的稳定进口,不断扩大进口多元化程度,最大限度减少对美国、澳大利亚等国氦气资源的依赖,避免在关键时刻被人家“卡脖子”因而造成工业特别是国防工业领域的重大损失。

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