【He・元素#2】ヘリウムの科学と産業を見ていく

元素は実験室だけでなく、社会や産業の現場で日々使われています．本記事ではヘリウムの基礎的な性質から、製造・輸送、用途、そして市場の動向までを一望します．研究室時代に実際に元素を扱った際の感想つき．

原子番号２番、ヘリウム（He）
主な製法
輸送・貯蔵
利用
関連企業
固体科学的イメージ
実際に元素を扱った際の感想
参考文献

リンク

原子番号２番、ヘリウム（He）

ヘリウムは常温で無色、無臭、無味、無毒な気体です．希ガスに属し、不燃性で化学的な反応性に乏しく安定という特徴があります．密度は空気の約1/7で、水素などの可燃性ガスに比べて安全に空に浮かばせることができるため、気球や飛行船のガスとしても知られます．

特筆すべきはその極低温特性で、液体ヘリウムは沸点が4.2 K（約−269℃）と全元素中で最も低く、さらに2.17 K以下では超流動状態となり、粘性ゼロで流動する不思議な性質を示します．このため、超伝導磁石の冷媒や極低温実験で主に使われます．

地球上ではヘリウムの濃度は空気中でわずか0.0005%程度と低く、空気分離で取り出すの経済的ではありません．主な供給源は、天然ガスやCO₂ガス田に含まれる高濃度ヘリウムを副産物として回収する方法です．ガスを低温分離して粗ヘリウム（50〜80%）を取り出し、その後精製して純度99.997%以上のグレードAヘリウムとし、必要に応じて液化します．

2024年の世界生産量は約1億8千万m³で、米国（約45%）、カタール（約36%）、ロシア（約9%）、アルジェリア（約6%）が主要な生産国です．米国ワイオミング州のLaBargeガス田やカタールのRas Laffan Heliumプラント群が世界供給の大きな割合を担います．

（ヘリウムの密度の小ささと安全性）

標準状態（0 ℃・1 atm）における気体の密度と空気比
気体	密度（キログラム毎立方メートル）	空気との比
空気	1.29	1
ヘリウム	0.178	約 1/7
水素	0.0899	約 1/14
二酸化炭素	1.98	約 1.53 倍

※ 値は代表値．温度・圧力・乾湿条件により変動．

水素はヘリウムよりさらに軽く、浮力も大きいですが、極めて可燃性が高いため、1937年のヒンデンブルク号爆発事故以来、輸送や有人飛行での利用は大きく減りました．ヘリウムは不燃性で安全性が高く、万一漏れても燃えることがないため、気球や飛行船、遊園地の風船に広く利用されています．

主な製法

商業的なヘリウムの多くは、天然ガス処理工程から回収されます．まず、原料となる天然ガスやCO₂ガス流を選定する必要がありますが、ヘリウム濃度が0.3%以上でないと経済的な回収は難しいとされています．高濃度の産地では7〜8%に達する例もあります．

原料ガスは低温分離によってメタンや炭化水素を凝縮・除去し、残ったガス中にヘリウムを濃縮します．その後、酸素、窒素、ネオンなどの不純物を取り除き、純度99.997%以上の「Grade-A」ヘリウムに精製します．さらに需要に応じて4.2 Kまで冷却し、液体ヘリウムとして供給されます．

液化には0.1〜0.15 kWh/Nm³程度のエネルギーが必要なので、LNGプラントに併設された設備での効率化が必要です．資源的に希少なため、使用済みヘリウムを回収・再液化するリサイクル技術の導入も進んでいます．

（ヘリウムの回収・リサイクルの流れ）

原料ガスの採取・給気：天然ガスや回収ヘリウムを原料として供給．ヘリウム濃度は非常に広範囲（ppm〜数％）．

前処理（不純物除去）：水やCO₂を除去．

メタン等の主成分分離（＝粗ヘリウム回収）：低温処理でメタンなどの不純物を液化・分離し、残った気相を濃縮して粗ヘリウム（主にHe + N₂ が主体）を得る．

粗ヘリウムの高純度化：粗ヘリウム（約50–70% He）から不純物（N₂、Ar、残留CH₄、H₂など）を除き、用途に応じた高純度まで精製．

充填または液化・保管・出荷：用途によって液化してタンクで輸送・供給．高純度ガスは高圧ガス容器で供給．

副生成物の処理：分離で出る窒素・メタンなどは再利用や燃料として燃焼、または処理設備で処理．

輸送・貯蔵

常温常圧で気体であるヘリウムは、そのままでは取り扱いが難しいため、輸送や貯蔵では工夫が必要です．

高圧ガス：150〜200 barに圧縮し、鋼製ボンベやチューブトレーラーで輸送．半導体や研究用途の少量供給に適します．
液体ヘリウム（LHe）：4.2 Kで液化し、真空断熱構造のデュワー瓶（60〜500 L）や大型ISOコンテナ（約41,000 L）に充填．大型需要や長距離輸送に向きます．
パイプライン輸送：米国には全長約684 kmの専用パイプラインがあり、ガス田・備蓄施設と複数の精製拠点を結んでいます．

極低温による凍傷や酸素欠乏症の危険があり、輸送容器は真空断熱構造、安全弁、国際規格（UN1963等）に準拠．

利用

ヘリウムは医療から産業、研究まで幅広い分野で利用されています．

最大の用途はMRI装置の超伝導磁石冷却で、従来は1台あたり1,000〜1,500 Lの液体ヘリウムを消費していました．しかしPhilips「BlueSeal」やSiemens「Free.Max」など、ほぼ補充不要のゼロボイルオフ型装置が普及し、消費量は減少傾向にあります．

半導体や光ファイバー製造分野でも重要です．プラズマプロセスや単結晶成長の雰囲気ガス、光ファイバー引き延ばし工程の冷却など、高純度・安定供給が求められる工程で欠かせません．また、ガスクロマトグラフのキャリアガス、極低温物理実験、粒子加速器や核融合実験装置の冷却など、分析・研究用途でも広く使われます．

さらに、リーク検査やロケットの燃料系統の加圧・パージ、アルミやチタン溶接の保護ガス、深海ダイビング用混合ガス、気球や飛行船の浮揚ガスなど、多彩な用途があります．

固体科学的イメージ

ヘリウムは非常に安定なため、化学反応に参加するイメージはありません．専ら、不活性雰囲気を作り出す用途か、極低温を作り出す冷媒としての用途が主です．

一方で全く反応しないというわけではなく数十万気圧レベルの超高圧条件ではヘリウムはがアルカリ金属などと反応して化合物を作り出す例もあるようです．

実際に元素を扱った際の感想

ヘリウムは当然ながら常温で無味無臭無色の気体です．とはいえ常温で扱うことはほとんどなく、MPMSなどの装置で低温実験を行うための冷媒として主に使用しました．使用したヘリウムは全て施設に回収されました．ご存じの通り高価なので、回収度が悪いと怒られます．

また、熱重量測定を外注した際にバックグラウンドの気体として使用されていました．この際のヘリウムは垂れ流しであり、死ぬ気でヘリウムを回収してたのは何だったのかと思いました．

参考文献

ヘリウムを知る | 日本ヘリウム株式会社 | エア・ウォーターグループ

Labarge: Helium explained | ExxonMobil

Helium Solutions | A Linde Company

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はじめよう固体の科学

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