ヘリウムの貯蔵と保存

ヘリウムの貯蔵と保全は、ヘリウムの供給を維持し、無駄な損失を防ぐプロセスです。

ヘリウムは天然ガス採掘の副産物として商業的に生産されています。1990 年代半ばまで、米国鉱山局はヘリウムに対する政府の要求を満たすために大規模なヘリウム貯蔵施設を運営していました。

1996 年のヘリウム民営化法とそれに続くヘリウム需要の増加により、市場は不安定になり、重要な新規生産者が参入しました。断続的な不足や価格上昇により、ヘリウム ユーザーはヘリウム消費を節約する新しい方法を探すようになりました。ヘリウムの供給不足は、研究者やヘリウムの産業ユーザーに影響を及ぼし、研究材料や機器の損失につながる可能性があります。

1982年には早くも、ヘリウム不足の可能性についてさまざまな観点から議論されていました。^{[1] [2] [3]}そのような議論の1つは、経済的観点から米国におけるヘリウム貯蔵の有用性を検証することでした。^{[1] [2] [3]}この学派の人々の焦点は、この有限の天然資源から得られる福祉の最大化でした。^{[1] [2] [3]}この経済的アプローチは、現在価値基準によって表されます。この基準によると、資源は、理想的には、利益と複利の合計が近い将来のどの時点よりも高くなると予想される時点で売却され、最大の経済的価値が保証されます。^[3]一方、現在価値基準は資源の使用を急速化し、将来の世代のニーズへの考慮が不十分になると信じて、より保全的なアプローチを主張する人々もいました。^[3]一部の科学者は、ヘリウムはエネルギー的に理想的である限り多くの源から分離されるべきであると示唆した。^[3]

議論は続いている。2006年から2007年にかけて世界的にヘリウムが不足したことにより、こうした懸念はより切迫したものとなった。この不足により価格が急騰し、一部の購入希望者への供給が完全に途絶えた。十分なヘリウム供給がないと、一部の機器は役に立たなくなったり、永久に損傷したりする可能性がある。例えば、液体ヘリウムの絶え間ない供給は、膨大な数の大学の研究者、病院、製薬会社、ハイテク産業にとって必要不可欠である。 ^[4]液体ヘリウムがなければ、すべての磁気共鳴画像診断装置は動作不能となり、現在のところ、これに代わる同等の診断技術はない。 ^[4]結果として、ヘリウム不足は特定のグループにとって非常に深刻な問題となっている。しかし、ヘリウムの用途ははるかに広範囲に及ぶ。^[3]他の研究室、軽航空機、ロケット、不活性条件下での溶接、深海潜水用の呼吸用混合物の製造、呼吸療法、極低温工学にも使用されている。^[3]実験室での用途や極低温技術を除けば、これらの用途の全てがヘリウムのユニークな特性を利用しているわけではなく、そのためヘリウムは代替可能である。^[3]

ヘリウム不足への懸念から生まれた結果の1つが、生産量の向上の試みである。天然ガス製造業者にとって、0.3%以上のヘリウムを含む源からヘリウムを回収することは利益を生む。^[4]米国エネルギー省が科学局原子核物理学局内の同位体先端製造局を通じて現在実施している2013年ヘリウム管理法の戦略の一部は、生産プロセスで使用される膜技術を進歩させることで、その閾値を超えるヘリウムの回収の経済性を改善することであった。^[4]

2013年の北米における液体ヘリウムの平均価格は1リットルあたり約6ドルで、価格帯の下限を示しています。ヨーロッパでは1リットルあたり約10ドルで中間ですが、ラテンアメリカとアジアでは1リットルあたり13～15ドルと最も高い価格帯となっています。^[5]

いくつかの研究組織がヘリウムの希少性と保全について声明を発表している。^{[6] [4]}これらの中には、約53,000人の会員を擁するアメリカ物理学会、16,000人の会員を擁する国際組織である材料研究学会、約158,000人の会員を擁する世界最大の科学団体であるアメリカ化学会がある。 ^[4]これらの組織は、ヘリウムの供給には自然な限界があり、その元素の特異な性質から、1995年には早くも、2016年には遅くにも、米国政府にヘリウムの備蓄と保全を促す政策勧告を発表した。^{[6] [4]}研究者にとって、ヘリウムは超低温を生み出すために不可欠であるため、かけがえのないものである。^[4]近年では、価格高騰への懸念と2006～2007年に発生したヘリウム不足も、ヘリウムの保全と研究者向けのヘリウム価格を下げる対策を求める声に拍車をかけている。^[4]研究者は価格水準だけでなく、価格の変動性も苦難を強いられる。研究者は基本的に固定予算で研究することが多いため、ヘリウム価格の急騰は研究プロジェクトのための十分な資金の不足につながる。^{[4] [7]}米国の例は、研究者の予算への影響を明確に示している。2000年代半ばには、国立科学財団の材料研究部門からの個々の研究者への助成金は年間約13万ドルで、典型的な低温研究者は助成金の最大1万5千ドルを液体ヘリウムに費やしていたが、2015年には個々の研究者に対する材料研究部門の典型的な助成金は年間14万ドルにわずかに増加しただけであるのに対し、研究者は現在、助成金の4分の1以上にあたる4万ドル以上を液体ヘリウムに費やさなければならない。^[4]現在、液体ヘリウムは、一部の低温研究プロジェクトのコストの30％以上を占めることがある。^[4]

これに対応して、研究機関は研究目的の小規模液化装置に助成金を割り当てている。材料研究部門の推定によると、そのようなシステムを購入することが経済的に実行可能であるにもかかわらず、必要な資金がない研究グループは数百ある可能性があるが、そのような助成金プログラムで支援されるのはほんの一部に過ぎない。^[4]

価格の高騰により、研究機関は米国政府と研究者の両方に、消費量を減らしてヘリウムを節約する方法に関する勧告を出しました。^[4]価格の高騰を受けて、ヘリウムの消費量を減らすためにガス回収システムに投資する研究者が増えています。^[7]このようなシステムは3年以内に投資を回収できます。^[4]

米国の研究者へのヘリウム供給を確保するために講じられたもう一つの対策は、米国物理学会と米国化学会が国防総省の防衛補給局と提携して液体ヘリウム購入プログラムを立ち上げ、プログラムのメンバーに手頃な価格で信頼性の高い液体ヘリウムを提供することです。顧客のニーズを組み合わせることで、防衛補給局は契約や価格の交渉時に購買力を大幅に高めます。このプログラムは複数の液体ヘリウム供給業者とも提携しており、顧客が単一の業者に縛られることはありません。プログラム参加者はより信頼性の高い配送と平均15パーセントの節約を達成しました。^[4]

これらの研究機関によると、ヘリウムの高価格が研究に与える悪影響はすでに現れ始めている。科学者は液体ヘリウムを必要とする研究分野を放棄し、教授は大学院生の雇用を削減しなければならなくなり、研究機関は液体ヘリウムの使用を必要とする研究分野での新規教員の雇用をやめつつある。^[4]

1914年、イギリスとアメリカでは、防空砲や航空機の水素の代替としてヘリウムの使用が検討された。^[8]

ヘリウム生産における最初の大きな進歩は、1925年3月3日のヘリウム保存法でした。この法律は、中央機関である米国鉱山局の管理下での生産および販売プログラムを確立しました。^[1] この頃、ヘリウムを使用するとダイバーが水中に長く留まり、より短時間で浮上できることが発見され、ヘリウムの新たな用途が生まれました。ヘリウム源の枯渇に対応して、1927年3月3日のヘリウム法が制定され、外国へのヘリウムの販売と政府以外の国内での使用が禁止されました。^[8]

1937年までに、いくつかの要因が重なり、米国政府はヘリウム政策を見直し、1937年9月1日にヘリウム法を制定した。ヘリウムの新しい用途が出現し、米国陸軍と海軍は国内生産量のほとんどを必要としなかった。最終的な推進力となったのはヒンデンブルク号の事故であるが、ドイツがヘリウムを入手していれば防げたかもしれない。^[8]この法律は、米国政府が必要としないヘリウムガスの販売を認可した。鉱山局は民間企業にもヘリウムを供給していたため、最終的には多くの科学産業や商業産業でヘリウムの使用が拡大した。この法律の可決により、非敵対的な外国政府も自国の商業目的でヘリウムを購入できるようになった。ナチスドイツが公共飛行船の輸送用に1800万立方フィートのヘリウムを申請したとき、米国で議論が巻き起こり、拒否された。^[8]

第二次世界大戦中、政府の需要は依然として民間の使用を大幅に上回っており、供給は政府の需要を満たすのに十分でした（1942年には2億3000万立方フィート）。^[8]戦争の終わりまでにヘリウムの需要は急激に減少し、ほとんどの生産工場の操業が停止しました。これにより、鉱山局は1945年1月に余剰ヘリウムをクリフサイドガス田に注入するヘリウム保全プログラムを開始しました。^[8]

1917年から1962年まで、鉱山局はヘリウムの主な生産者であり、1963年までヘリウムの唯一の精製業者であり続けました。^{[1] [2]} 1960年代初頭にかけて、米国ではヘリウムに対する政府の需要が急速に増加しました。それは軍事、特に防衛や宇宙探査用の液体燃料ロケットなどの航空宇宙用途によって供給されました。 ^{[1] [3] [2]} 1962年以前は貯蔵されたヘリウムの量は非常に少なく、利用可能なヘリウムの量は基本的に市場の力ではなく、副産物として分離される天然ガスの生産によって決定されていました。 ^{[2] [4]}

この状況は、1960年代初頭に米国国立ヘリウム備蓄の創設により変化した。^[3]このとき、鉱山局は大量のヘリウムを購入し貯蔵するために初めて民間企業4社と長期契約を交渉し、テキサス州アマリロ近郊のクリフサイドフィールドに地下貯蔵庫を設立した。^{[1] [2] [3]}この備蓄の本来の目的は、1960年代にヘリウムを貯蔵し、1970年代に政府が使用することであった。^[3]将来の販売収入でコストを償却できるようにするため、内務長官は高純度ヘリウムの価格を1000立方フィートあたり12ドルから35ドルに引き上げた。^{[1] [4]}この価格高騰は、民間企業が市場に参入し、より安い価格でヘリウムを販売するインセンティブとなった。^{[1] [3] [4]} 1970年までには、政府の需要が予想されていた増加は起こらず、クリフサイド・フィールドに貯蔵されているヘリウムは何十年も持たないことが明らかになった。予想よりも低い需要と民間の競争の組み合わせにより、国立ヘリウム備蓄は継続的な損失を被った。その対応として、政府は1973年に契約を解除した。^{[1] [3]}結果として、ヘリウム生産の産業設備稼働率は1966年の104%から1974年には41.7%に低下した。この事業に関与したヘリウム会社は、契約違反で米国政府を訴えた。副産物としてヘリウムが分離された天然ガスを含む土地の所有者は、第三者にヘリウムを販売できないため、政府を相手取ってヘリウムの価値を求めて訴訟を起こした。^[3] 1970年代に鉱山局は政策を変更し、民間企業がクリフサイド・フィールドにヘリウムを貯蔵できるようにした。これは業界に多大な影響を及ぼした。この決定以前は、年間およそ20億立方フィートのヘリウムが天然ガスから分離され、6億立方フィートが販売されていた。決定から3年後、8億8千万立方フィートが販売され、5億4千万立方フィートが貯蔵され、9億8千万立方フィートが分離され、放出された。同時に、およそ47億4千万立方フィートは天然ガスから分離されなかった。^[3]

1990年代には、電子機器や磁気共鳴画像産業の発展により、需要が急速に増加した。この成長は、2008～2009年を除き、2010年代まで緩やかなペースで続いた。^{[4] [8]}国立ヘリウム備蓄の売却は、価格と供給の両方の変動をもたらした。^[4]このような状況で、1996年に米国でヘリウム民営化法が可決された。土地管理局は、国立ヘリウム備蓄の運営責任を負い、粗ヘリウムを民間業者に販売することで納税者の投資を回収する責任を負った。 ^{[8] [4]}ヘリウム市場の完全民営化を目指す最近の法律では、土地管理局が今後数年間で備蓄の大部分を売却し、2021年までに運用を停止することが求められている。^[4] 2012～2013年にヘリウム供給に問題が発生した後、米国議会は備蓄の寿命を延長する措置を講じた。^{[8] [7]}

以前はヘリウム生産技術の大半は米国にあったが、徐々に新たな生産国が登場し、カタール、カナダ、アルジェリア、ロシアがガスの生産国となっている。^{[9] [7] [4] [8]} 2015年には、この新たな生産により供給が需要を上回った。^[4]歴史的にヘリウムの輸出国であった米国は、間もなく史上初の輸入国となる。^[8] 2013年以降、世界最大のヘリウム拠点は米国ではなくカタールにあり、単一のプロジェクトから年間13億立方フィートのヘリウムを生産し、世界の需要の25％を満たしている。 [ ^8]新たなヘリウム源を市場に投入することに関する課題の1つは、通常、ベンチャーキャピタルからの資金調達が必要になることである。^[8]もう1つの課題は、米国のクリフサイドヘリウムの現在の販売価格が低すぎるため、より多くの新規生産者がこの分野に参入できないことである。^[8]