Где применяется гелий кратко

Обновлено: 05.07.2024

В современном мире гелий (Не) – один из важнейших технических газов и непременный атрибут многих высоких технологий. Потребление гелия – один из ключевых индикаторов уровня технологического развития страны.

Стратегическое значение гелия объясняется его уникальными физико-химическими свойствами – инертностью и устойчивостью к ионизирующим излучениям, возможностью достижения с его помощью критически высоких и критически низких температур, обеспечение сверхпроводимости и сверхмощных магнитных полей.

По состоянию на конец XX в. в космонавтике и ракетной технике использовалось около 20 % потребляемого гелия (без учета использования в дыхательных смесях), для приготовления дыхательных смесей, в том числе для атмосферы обитаемых космических аппаратов – 3-4 %, в низкотемпературной энергетике – 11-12 %, в машиностроении (сварка и пр.) – около 18 %, в металлургии, медицине и воздухоплавании – по 5 %, в остальных областях – по 1-2 %.

Сегодня гелий задействован в самых высокотехнологичных областях: производство оптического волокна, полупроводников и жидкокристаллических экранов, в ракетной и вакуумной технике, в дефектоскопии, в хроматографии, в лазерных технологиях, в качестве теплоносителя в высокотемпературных ядерных реакторах, в медицинских магнито-резонансных томографах, для сверхпроводящих кабелей в магнитных системах ускорителей, синхрофазотронах, коллайдерах, ТОКОМАКах, МГД-генераторах, криотурбогенераторах.

В России по осторожным прогнозам ежегодный рост потребности в гелии составит 15-20%, и уже в 2015 г. cпрос вплотную может приблизиться к 4 млн.м3.

Гелий – самый легкий после водорода газ, но в отличие от последнего не горит и не взрывается, поэтому почти четверть производимого в мире гелия используется в рекламе и развлечениях – для наполнения воздушных шариков. Он также незаменим для наполнения оболочек метеорологических зондов и воздухоплавательных судов (дирижаблей). Невоспламеняемость и большая теплопроводность гелия дают возможность применять его как гаситель пламени и защитное средство в хранилищах огнеопасных веществ (бензина, газолина и пр.).

Высокая теплопроводность, химическая инертность и малая способность вступать в ядерную реакцию с нейтронами позволяют использовать гелий для охлаждения атомных реакторов. В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных жидким гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) ядерных реакторов. В ракетостроении химически нейтральный гелий используют для замещения горючего и окислителя в топливных баках.

Гелий формирует защитную атмосферу при резке и дуговой сварке чувствительных к воздействию воздуха металлов (титан, медь, алюминий, сплавы магния). Гелий менее электропроводен, чем аргон, вследствие чего электрическая дуга в гелий-аргоновой атмосфере дает более высокую температуру и значительно повышает скорость дуговой сварки тугоплавких сплавов, а отсутствие окисления сохраняет поверхность обработанного металла чистой и блестящей.

Гелий находит применение как рафинирующий реагент при плавке и литье цветных металлов, в частности алюминия и его сплавов. Продувка жидкого металла струей гелия извлекает растворенные в металле газы и удаляет в виде шлака неметаллические примеси Al2O3. Защитная среда из гелия при литье магниевых сплавов уменьшает до нуля угар, обычный при литье на воздухе.

Низкий коэффициент преломления делает гелий оптимальным для заполнения межлинзового пространства телескопов, что уменьшает уровень искажений, обусловленных вариациями температуры.

Наличие нескольких спектральных линий в диапазоне видимого света позволяет использовать гелий для заполнения газоразрядных трубок и как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах.

Как одноатомный газ, гелий обладает высокой проникающей способностью, благодаря чему гелиевые течеискатели лучше других обнаруживают тончайшие трещины и поры при проверке герметичности технологических установок. Исключительно высокая скорость диффузии гелия делает его незаменимым средством для выявления малейших утечек в атомных реакторах, холодильном оборудовании, системах кондиционирования и других устройствах, находящихся под давлением или вакуумом.

Жидкий гелий используют для охлаждения сверхпроводящих магнитов в медицине (современные ЯМР-томографы). Хотя магниторезонансная томография была разработана только в середине 1970-х годов, сегодня она потребляет пятую часть гелия в мире. По другим оценкам, здравоохранение потребляет чуть меньше 30% мирового потребления гелия для эксплуатации ЯМР-томографов.

Жидкий гелий незаменим в экспериментальной физике – при изучении электрической сверхпроводимости. В Большом адронном коллайдере ускорителе элементарных частиц) в ЦЕРНе используется 96 тонн жидкого гелия для поддержания температуры 1,9 K. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения – при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.

Смесь 20% кислорода и 80% гелия по своим химическим свойствам не отличается от воздуха, но имеет перед ним ряд преимуществ. Гелиокислородные дыхательные смеси (HeliOx) стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Применение смесей HeliOx, в которых азот заменен менее растворимым в тканях организма гелием, позволяет увеличивать глубину погружения водолазов с 40-60 до 100 и более метров и удлинять время их пребывания на глубине.

Гелий — это химический элемент, который представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса. Впервые был замечен при спектроскопии света (расщеплении света на лучи разного цвета), источаемого солнцем во время затмения. В 1868 году французский астроном Пьер Жюль Жансен вместе с английским коллегой Джозефом Норманом Локьером смогли наблюдать новую светло-желтую линию, до этого неизвестную науке. Как выяснилось, так отобразился ранее не известный элемент, который позже назвали гелием.

По распространению во вселенной гелий находится на втором месте после водорода, но на нашей планете этого газа не много. Лишь в 1895 году химик из Шотландии Уильям Рамзай выделил гелий из минерала клевеита.

Классификация месторождений

Гелий в природе

Земной гелий чаще всего образуется при распаде урана-235, тория и урана-238, а также нестабильных продуктов их распада. Газ медленно накапливается в земной коре. За миллионы лет одна тонна гранита, в которой содержится 10 г тория и 2 г урана, вырабатывает всего 0,5 см3 (или 0,09 мг) элемента. Лишь немногие минералы, богатые торием и ураном, могут похвастаться высоким содержанием гелия. Кроме того, большая часть минералов подвергается выветриванию, перекристаллизации и другим процессам, в результате которых гелий уходит. Высвободившиеся пузырьки могут раствориться в подземных водах или выйти в атмосферу через трещины и поры в минералах.

Производство гелия

На нашей планете всего насчитывается до 41 млрд кубометров гелия. Большое количество месторождений расположено в Китае, США, России, Алжире. Всего в мире человечеством добывается приблизительно 175 млн кубометров гелия в год, из которых в России производится не более 5 млн м³. Вызвано это тем, что самые богатые месторождения данного газа находятся в Сибири и на Дальнем Востоке, где производство пока что не налажено.

Как добывается гелий из природного газа

Добыча гелия из природного газа состоит из двух этапов. Вследствие проведения низкотемпературной конденсации можно получить гелиевый концентрат, в котором необходимого вещества уже имеется 80 %. Далее необходимо очисть полученный концентрат от примесей (методы зависят от элементов): водорода, аргона, неона, азота, метана.

Сферы применения гелия

Гелий имеет много полезных свойств, среди которых электропроводимость и теплопроводность. Во многих сферах требуются именно эти свойства. Газ часто применяется в авиации, ракетостроении, атомной и электронной промышленности, в медицине.

Впервые гелий применили в Германии в 1915 году, им стали наполнять дирижабли. Очень быстро этот легкий и негорючий газ стал незаменимым наполнителем для воздухоплавательных аппаратов. В 30-х годах интерес к дирижаблестроению спал, что повлекло за собой сокращение объемов производства гелия, правда лишь на короткое время, так как на элемент начали обращать внимание химики, металлурги и машиностроители.

Гелий очень легкий, что позволяет применять его при погружении в воду или для воздухоплавания (воздушные шары , дирижабли).

Данный газ не токсичен, его можно вдыхать без вреда для здоровья. Именно по этой причине из него часто изготовляют различные дыхательные смеси.

Это могут быть составы для проведения кессонных работ или подводного плавания с аквалангами. Такая сфера применения газа связана с его низкой реактивностью и растворимостью в воде и крови.

В последнее время гелий стали часто применять в атомной промышленности: из данного вещества получается неплохой теплоноситель для атомных реакторов. Нашел свою нишу газ и в металлургии: из гелия можно создать защитную среду при сварке металлов.

Благодаря низкой плотности газ используется в качестве наполнителя для шаров, которые применяют как для декора, так и в исследовательских целях. Например, в метеорологии гелиевые шары нужны для того, чтобы поднять измерительные приборы на нужную высоту.

Хватит ли нам гелия?

Вас могут заинтересовать статьи

Данный газ получают, в основном, из широко распространенного природного или нефтяного газа. Впервые как химический элемент его идентифицировали в третьей четверти девятнадцатого века.

Гелий легче воздуха, а подъёмная сила шариков среднего размера составляет 1,5 грамма. Это значит, что 50 шаров смогут поднять шоколадку весом 100 г или небольшой подарок.

Гелий — это средство для лечения астмы, защитная среда для сварки, часть искусственного воздуха, подаваемого водолазам.

БАК или Большой Адронный коллайдер известен во всем мире как LHC (Large Hadron Collider). Его размер действительно огромен, т.к. в периметре это кольцо составляет около 27 километров.

Что такое гелий и где его применяют? Когда-то Господь применил гелий и водород для создания Вселенной, иначе как объяснить, что именно эти элементы таблицы Менделеева – водород и гелий (23%)– самые распространенные в космосе?! Хотя на Земле гелий – редкий и очень ценный элемент. Но для многих из нас гелий – это всего лишь легкий газ, которым накачивают воздушные шарики, чтобы они летали.

Но при всей распространенности гелия во Вселенной, на Земле это редкий элемент, среднее содержание гелия в земном веществе — 0,003 мг/кг или 0,003 г/т, и наиболее всего он концентрируется в минералах, содержащих уран, торий и самарий. В воздухе тоже содержится 0,0005% гелия. Первым на земле в 1895 году гелий выделил из радиоактивного минерала клевеита шотландский химик Уильям Рамзай.

Основная часть мировых запасов гелия около 41 млрд./куб . Из них 65% сосредоточена в России и США, но если гелиевый потенциал США год от года падает, то в России, наоборот, прирастает за счет нефтегазоносных месторождений Восточной Сибири. Также месторождения этого газа имеются в Китае, Алжире и Катаре. В год в России потребляется более 5 миллионов кубометров этого газа.

В России в настоящее время гелий добывают из природного газа путем охлаждения, вследствие чего выделяется конденсат гелия, состоящий на 80% из этого химического элемента. Потом от конденсата отделяют водород, метан, азот и аргон, и получают чистый гелий.

Гелий является одним из благородных газов. Обладает очень низкой температурой кипения (-268,94 С0), высокой тепло проводимостью и электропроводимостью. Поэтому, гелий применяют в различных сферах жизнедеятельности человека, в таких как:

1. Медицина. Гелий применяется для лечения и помощи органов дыхания, например, бронхиальной астмы. Из гелия делают дыхательные смеси.

2. Металлургическая промышленность – для создания защитного слоя при сварке.

Для кого-то гелий – это просто элемент в периодической таблице Менделеева, который изучают на уроках химии. Кто-то вспомнит, что им наполняют воздушные шары. А если вдохнуть гелий ртом, получается смешной голос. Но это лишь верхушка айсберга. Гелий является ценным ресурсом, который используют в медицине, науке и ряде других областей.

Гелий. Открытие и свойства элемента

Среди других известных веществ гелий выделяет самая низкая температура кипения 4,2 К (-268,95 °С), поэтому при нормальных значениях атмосферного давления он не застывает даже при абсолютном нуле. Кроме того, это инертный одноатомный газ без запаха, цвета и вкуса, что делает его востребованным во многих сферах.

Как добывают гелий

Во Вселенной гелий – второй по частоте распространения элемент, однако Земля имеет небольшие его запасы, поэтому на данный момент его выделяют из природного газа, добываемого из недр земной коры.

Лидерами по добыче гелия являются США, Катар, Алжир, Россия. По последним подсчетам по всему миру в год добывается около 175 млн кубических метров этого газа, из них 5 млн кубометров приходится на Россию.

Не только для воздушных шариков, или где используется гелий

Гелий используют в оборонном производстве, атомной промышленности, медицине, науке, металлургии, в пищевой промышленности и даже в развлекательной сфере. И это далеко не полный список.

Такой большой разброс отраслей объясняется свойствами этого элемента. Гелий не вступает в реакции с другими веществами, он нетоксичен и безопасен для здоровья человека.

В металлургии гелий используют во время сварочных процессов. Он помогает вести работы без риска окисления металла и образования шлаковых включений. Кроме того, гелий не несет вред здоровью рабочих.

Гелий легче воздуха, и это свойство элемента нашло полезное применение в воздухоплавании, подводных погружениях, метеорологии. Кроме того, именно гелий используют для заправки воздушных шаров.

Гелий входит в состав дыхательных смесей, так как он нетоксичен.

Аномально высокая текучесть гелия позволяет использовать его в качестве индикатора утечек в атомных реакторах, а также в системах высокого и низкого давления.

Кроме того, жидкий гелий нашел своё применение и в МРТ-диагностике.

Примечательно, что четверть гелия, добываемого по всему миру, используется в качестве хладагента в МРТ-аппаратах.

Цены на гелий

На протяжении последних десятилетий стоимость гелия заметно возросла. Это связано не только с естественной инфляцией, но и с постоянно растущим спросом на этот довольно редкий элемент. Также к факторам, влияющим на формирование цены, можно отнести политическую ситуацию в регионе, в котором происходит добыча сырья. Например, в середине 2017 года во время дипломатического кризиса в Катаре возникли проблемы с поставками гелия, что вызвало рост цен на мировом рынке.

Это отразилось практически на всех областях применения гелия, в том числе, на медицине и науке. Как считает ректор СПбПУ Андрей Рудской, сложившаяся ситуация в конечном итоге повлияет на рост цен на услуги МРТ, а невозможность научных лабораторий обслуживать дорогостоящее оборудование приведет к приостановке целого ряда исследований.

В статье Заправка томографа мы уже рассказывали о том, как важно поддерживать уровень жидкого гелия в МРТ-аппарате на определенном уровне. В противном случае неизбежны квенч и выход оборудования из строя. Таким образом, владельцы МР-томографов не могут отложить заправку на неопределенный срок и вынуждены закупать гелий по тем ценам, которые сейчас существуют на рынке.

Перспективы использования гелия

Гелий является редким и невозобновляемым ресурсом. Несколько лет назад в западных СМИ появлялась информация о том, что подтвержденных запасов гелия хватит примерно на 25-30 лет.

На данный момент прогнозы экспертов чуть более оптимистичны. В России реализуются многообещающие проекты по добыче гелия. На нашу страну приходится большая часть (около 34%) мировых ресурсов гелия, а также ведутся поиски новых месторождений. По словам Лолы Огрель, руководителя отдела аналитики компании CREON Energy, в России потенциальными источниками гелия могут быть свыше 170 месторождений природного газа из числа разведанных.

Одной из самых перспективных разработок в этой области является Амурский газоперерабатывающий завод, строительство которого должно завершиться к 2025 году, а ввод в эксплуатацию первых двух технологических линий ожидается уже в 2021 году. К 2022 году планируется перерабатывать до 42 млрд кубометров природного газа в год, а к 2025 году этот завод должен стать самым крупным производителем гелия в мире.

В любом случае, запасы гелия не бесконечны, а высокий спрос на него и дальше будет вызывать рост цены. В развитых странах уже не первый год рассматриваются более эффективные способы использования данного природного ресурса, а также альтернативные ему варианты. Например, не так давно в медицине стали использоваться сверхпроводящие магниты с нулевой технологией испарения гелия, которые не требуют регулярной заправки. Несмотря на то, что такие магниты значительно дороже как в приобретении, так и в сервисном обслуживании, экономия на регулярных заправках гелия может сделать данный вид оборудования наиболее популярным через пару десятков лет.

Читайте также: