هلیوم یک عنصر شیمیایی با نماد He و عدد اتمی ۲ است. این گاز جوی کمیاب، بی‌رنگ، بی‌مزه، بی‌مزه، غیرسمی، غیرقابل اشتعال و تنها به مقدار کمی در آب محلول است. غلظت هلیوم در جو ۵.۲۴ x ۱۰-۴ بر حسب درصد حجمی است. این عنصر کمترین نقطه جوش و ذوب را در بین تمام عناصر دارد و فقط به صورت گاز وجود دارد، مگر در شرایط بسیار سرد.

هلیوم عمدتاً به صورت گاز یا هلیوم مایع حمل می‌شود و در راکتورهای هسته‌ای، نیمه‌رساناها، لیزرها، لامپ‌ها، ابررسانایی، ابزار دقیق، نیمه‌رساناها و فیبر نوری، کرایوژنیک، MRI و تحقیقات آزمایشگاهی تحقیق و توسعه استفاده می‌شود.

منبع سرد با دمای پایین

هلیوم به عنوان یک خنک‌کننده برودتی برای منابع خنک‌کننده برودتی استفاده می‌شود، مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)، طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR)، شتاب‌دهنده ذرات کوانتومی ابررسانا، برخورددهنده بزرگ هادرونی، تداخل‌سنج (SQUID)، رزونانس اسپین الکترون (ESR) و ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES)، ژنراتورهای ابررسانای MHD، حسگر ابررسانا، انتقال قدرت، حمل و نقل مغناطیسی مغناطیسی، طیف‌سنج جرمی، آهنربای ابررسانا، جداکننده‌های میدان مغناطیسی قوی، آهنرباهای ابررسانای میدان حلقوی برای راکتورهای همجوشی و سایر تحقیقات برودتی. هلیوم مواد ابررسانا و آهنرباهای برودتی را تا نزدیکی صفر مطلق خنک می‌کند، که در آن نقطه مقاومت ابررسانا ناگهان به صفر می‌رسد. مقاومت بسیار پایین یک ابررسانا، میدان مغناطیسی قوی‌تری ایجاد می‌کند. در مورد تجهیزات MRI مورد استفاده در بیمارستان‌ها، میدان‌های مغناطیسی قوی‌تر جزئیات بیشتری را در تصاویر رادیوگرافی ایجاد می‌کنند.

هلیوم به عنوان یک ابرخنک‌کننده استفاده می‌شود زیرا هلیوم پایین‌ترین نقاط ذوب و جوش را دارد، در فشار اتمسفر و صفر کلوین جامد نمی‌شود و از نظر شیمیایی بی‌اثر است و واکنش آن با سایر مواد تقریباً غیرممکن است. علاوه بر این، هلیوم در دمای زیر ۲.۲ کلوین به ابرشاره تبدیل می‌شود. تاکنون، این قابلیت فوق‌العاده منحصر به فرد در هیچ کاربرد صنعتی مورد استفاده قرار نگرفته است. در دماهای زیر ۱۷ کلوین، هیچ جایگزینی برای هلیوم به عنوان مبرد در منبع کرایوژنیک وجود ندارد.

هوانوردی و فضانوردی

هلیوم همچنین در بالن‌ها و کشتی‌های هوایی استفاده می‌شود. از آنجا که هلیوم از هوا سبک‌تر است، کشتی‌های هوایی و بالن‌ها با هلیوم پر می‌شوند. هلیوم این مزیت را دارد که غیرقابل اشتعال است، اگرچه هیدروژن شناورتر است و سرعت فرار کمتری از غشاء دارد. یکی دیگر از کاربردهای ثانویه آن در فناوری موشک است، جایی که هلیوم به عنوان یک واسطه اتلاف برای جابجایی سوخت و اکسیدکننده در مخازن ذخیره‌سازی و متراکم کردن هیدروژن و اکسیژن برای تولید سوخت موشک استفاده می‌شود. همچنین می‌تواند برای حذف سوخت و اکسیدکننده از تجهیزات پشتیبانی زمینی قبل از پرتاب استفاده شود و می‌تواند هیدروژن مایع را در فضاپیما از قبل خنک کند. در موشک ساترن ۵ که در برنامه آپولو استفاده شد، حدود ۳۷۰،۰۰۰ متر مکعب (۱۳ میلیون فوت مکعب) هلیوم برای پرتاب مورد نیاز بود.

تشخیص نشتی خط لوله و تحلیل تشخیص

یکی دیگر از کاربردهای صنعتی هلیوم، تشخیص نشتی است. تشخیص نشتی برای تشخیص نشتی در سیستم‌های حاوی مایعات و گازها استفاده می‌شود. از آنجا که هلیوم سه برابر سریع‌تر از هوا از جامدات عبور می‌کند، به عنوان گاز ردیاب برای تشخیص نشتی در تجهیزات خلاء بالا (مانند مخازن کرایوژنیک) و مخازن تحت فشار بالا استفاده می‌شود. جسم در یک محفظه قرار می‌گیرد که سپس تخلیه شده و با هلیوم پر می‌شود. حتی در نرخ نشتی کم مانند 10-9 میلی بار • لیتر بر ثانیه (10-10 پاسکال • متر مکعب بر ثانیه)، هلیوم خارج شده از نشتی را می‌توان توسط یک دستگاه حساس (طیف‌سنج جرمی هلیوم) تشخیص داد. روش اندازه‌گیری معمولاً خودکار است و تست ادغام هلیوم نامیده می‌شود. روش ساده‌تر دیگر، پر کردن جسم مورد نظر با هلیوم و جستجوی دستی نشتی‌ها با استفاده از یک دستگاه دستی است.

هلیوم برای تشخیص نشتی استفاده می‌شود زیرا کوچکترین مولکول است و یک مولکول تک اتمی است، بنابراین هلیوم به راحتی نشت می‌کند. گاز هلیوم در حین تشخیص نشتی درون جسم پر می‌شود و در صورت بروز نشتی، طیف‌سنج جرمی هلیوم قادر به تشخیص محل نشتی خواهد بود. هلیوم می‌تواند برای تشخیص نشتی در موشک‌ها، مخازن سوخت، مبدل‌های حرارتی، خطوط گاز، الکترونیک، لامپ‌های تلویزیون و سایر اجزای تولیدی استفاده شود. تشخیص نشتی با استفاده از هلیوم برای اولین بار در طول پروژه منهتن برای تشخیص نشتی در کارخانه‌های غنی‌سازی اورانیوم مورد استفاده قرار گرفت. تشخیص نشتی هلیوم را می‌توان با هیدروژن، نیتروژن یا مخلوطی از هیدروژن و نیتروژن جایگزین کرد.

جوشکاری و فلزکاری

گاز هلیوم به دلیل انرژی پتانسیل یونیزاسیون بالاتر نسبت به سایر اتم‌ها، به عنوان گاز محافظ در جوشکاری قوسی و جوشکاری قوسی پلاسما استفاده می‌شود. گاز هلیوم در اطراف جوش از اکسید شدن فلز در حالت مذاب جلوگیری می‌کند. انرژی پتانسیل یونیزاسیون بالای هلیوم امکان جوشکاری قوسی پلاسمای فلزات غیرمشابه مورد استفاده در ساخت و ساز، کشتی‌سازی و هوافضا، مانند تیتانیوم، زیرکونیوم، منیزیم و آلیاژهای آلومینیوم را فراهم می‌کند. اگرچه هلیوم موجود در گاز محافظ را می‌توان با آرگون یا هیدروژن جایگزین کرد، اما برخی از مواد (مانند تیتانیوم هلیوم) را نمی‌توان برای جوشکاری قوسی پلاسما جایگزین کرد. زیرا هلیوم تنها گازی است که در دماهای بالا ایمن است.

یکی از فعال‌ترین حوزه‌های توسعه، جوشکاری فولاد ضد زنگ است. هلیوم یک گاز بی‌اثر است، به این معنی که در معرض مواد دیگر هیچ واکنش شیمیایی انجام نمی‌دهد. این ویژگی به ویژه در گازهای محافظ جوشکاری اهمیت دارد.

هلیوم همچنین گرما را به خوبی هدایت می‌کند. به همین دلیل است که معمولاً در جوشکاری‌هایی که برای بهبود ترشوندگی جوش به ورودی گرمای بیشتری نیاز است، استفاده می‌شود. هلیوم همچنین برای افزایش سرعت مفید است.

هلیوم معمولاً در مخلوط گاز محافظ با مقادیر مختلف آرگون مخلوط می‌شود تا از خواص خوب هر دو گاز به طور کامل بهره برده شود. به عنوان مثال، هلیوم به عنوان یک گاز محافظ عمل می‌کند تا به ایجاد حالت‌های نفوذ وسیع‌تر و کم‌عمق‌تر در حین جوشکاری کمک کند. اما هلیوم تمیزکنندگی آرگون را ندارد.

در نتیجه، تولیدکنندگان فلز اغلب مخلوط کردن آرگون با هلیوم را به عنوان بخشی از فرآیند کاری خود در نظر می‌گیرند. برای جوشکاری قوسی فلزی با محافظ گاز، هلیوم ممکن است 25 تا 75 درصد از مخلوط گاز را در مخلوط هلیوم/آرگون تشکیل دهد. با تنظیم ترکیب مخلوط گاز محافظ، جوشکار می‌تواند بر توزیع حرارت جوش تأثیر بگذارد که به نوبه خود بر شکل سطح مقطع فلز جوش و سرعت جوشکاری تأثیر می‌گذارد.

صنعت نیمه هادی الکترونیکی

هلیوم به عنوان یک گاز بی‌اثر، آنقدر پایدار است که به سختی با هیچ عنصر دیگری واکنش می‌دهد. این ویژگی باعث می‌شود که از آن به عنوان سپر در جوشکاری قوس الکتریکی (برای جلوگیری از آلودگی اکسیژن موجود در هوا) استفاده شود. هلیوم همچنین کاربردهای حیاتی دیگری مانند نیمه‌رساناها و ساخت فیبر نوری دارد. علاوه بر این، می‌تواند جایگزین نیتروژن در غواصی عمیق شود تا از تشکیل حباب‌های نیتروژن در جریان خون جلوگیری کند و در نتیجه از بیماری غواصی جلوگیری کند.

حجم فروش جهانی هلیوم (2016-2027)

بازار جهانی هلیوم در سال ۲۰۲۰ به ۱۸۲۵.۳۷ میلیون دلار رسید و انتظار می‌رود در سال ۲۰۲۷ به ۲۷۴۲.۰۴ میلیون دلار آمریکا برسد، با نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) ۵.۶۵٪ (۲۰۲۱-۲۰۲۷). این صنعت در سال‌های آینده با عدم قطعیت زیادی روبرو است. داده‌های پیش‌بینی برای سال‌های ۲۰۲۱-۲۰۲۷ در این مقاله بر اساس توسعه تاریخی چند سال گذشته، نظرات کارشناسان صنعت و نظرات تحلیلگران در این مقاله است.

صنعت هلیوم بسیار متمرکز است، از منابع طبیعی تأمین می‌شود و تولیدکنندگان جهانی محدودی دارد که عمدتاً در ایالات متحده، روسیه، قطر و الجزایر هستند. در جهان، بخش مصرف‌کننده در ایالات متحده، چین و اروپا و غیره متمرکز است. ایالات متحده سابقه طولانی و جایگاه تزلزل‌ناپذیری در این صنعت دارد.

بسیاری از شرکت‌ها چندین کارخانه دارند، اما معمولاً به بازارهای مصرف هدف خود نزدیک نیستند. بنابراین، هزینه حمل و نقل محصول بالا است.

از پنج سال اول، تولید بسیار کند رشد کرده است. هلیوم یک منبع انرژی تجدیدناپذیر است و سیاست‌هایی در کشورهای تولیدکننده برای تضمین استفاده مداوم از آن در حال اجرا است. برخی پیش‌بینی می‌کنند که هلیوم در آینده تمام خواهد شد.

این صنعت سهم بالایی از واردات و صادرات را به خود اختصاص داده است. تقریباً همه کشورها از هلیوم استفاده می‌کنند، اما تنها تعداد کمی از آنها ذخایر هلیوم دارند.

هلیوم کاربردهای گسترده‌ای دارد و در زمینه‌های بیشتری در دسترس خواهد بود. با توجه به کمبود منابع طبیعی، تقاضا برای هلیوم احتمالاً در آینده افزایش خواهد یافت و نیاز به جایگزین‌های مناسب را ایجاب می‌کند. انتظار می‌رود قیمت هلیوم از سال ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۶ به افزایش خود ادامه دهد و از ۱۳.۵۳ دلار در هر متر مکعب (۲۰۲۰) به ۱۹.۰۹ دلار در هر متر مکعب (۲۰۲۷) برسد.

این صنعت تحت تأثیر اقتصاد و سیاست قرار دارد. با بهبود اقتصاد جهانی، نگرانی‌های فزاینده‌ای در مورد بهبود استانداردهای زیست‌محیطی، به‌ویژه در مناطق توسعه‌نیافته با جمعیت زیاد و رشد اقتصادی سریع، ایجاد می‌شود و تقاضا برای هلیوم افزایش خواهد یافت.

در حال حاضر، تولیدکنندگان بزرگ جهانی شامل Rasgas، Linde Group، Air Chemical، ExxonMobil، Air Liquide (Dz) و Gazprom (Ru) و غیره هستند. در سال 2020، سهم فروش 6 تولیدکننده برتر از 74 درصد فراتر خواهد رفت. انتظار می‌رود رقابت در این صنعت در چند سال آینده شدیدتر شود.

تجهیزات برودتی HL

با توجه به کمبود منابع هلیوم مایع و افزایش قیمت آن، کاهش اتلاف و بازیابی هلیوم مایع در فرآیند استفاده و حمل و نقل آن بسیار مهم است.

تجهیزات برودتی HL که در سال ۱۹۹۲ تأسیس شد، برندی وابسته به شرکت تجهیزات برودتی HL با نام تجاری Cryogenic Equipment Co.,Ltd است. HL Cryogenic Equipment متعهد به طراحی و ساخت سیستم لوله‌کشی برودتی عایق‌بندی شده با خلاء بالا و تجهیزات پشتیبانی مرتبط برای برآوردن نیازهای مختلف مشتریان است. لوله و شیلنگ انعطاف‌پذیر عایق‌بندی شده با خلاء بالا و چند لایه از مواد عایق مخصوص چند صفحه‌ای ساخته شده‌اند و از مجموعه‌ای از عملیات فنی بسیار دقیق و عملیات خلاء بالا عبور می‌کنند که برای انتقال اکسیژن مایع، نیتروژن مایع، آرگون مایع، هیدروژن مایع، هلیوم مایع، گاز اتیلن مایع LEG و گاز طبیعی مایع LNG استفاده می‌شود.

سری محصولات لوله با روکش خلاء، شیلنگ با روکش خلاء، شیر با روکش خلاء و جداکننده فاز در شرکت تجهیزات برودتی HL که از یک سری عملیات فنی بسیار دقیق عبور کرده‌اند، برای انتقال اکسیژن مایع، نیتروژن مایع، آرگون مایع، هیدروژن مایع، هلیوم مایع، LEG و LNG استفاده می‌شوند و این محصولات برای تجهیزات برودتی (مانند مخازن برودتی، محفظه‌های انجماد و جعبه‌های سرد و غیره) در صنایع جداسازی هوا، گازها، هوانوردی، الکترونیک، ابررساناها، تراشه‌ها، مونتاژ اتوماسیون، مواد غذایی و آشامیدنی، داروسازی، بیمارستان، بیوبانک، لاستیک، تولید مواد جدید، مهندسی شیمی، آهن و فولاد و تحقیقات علمی و غیره سرویس می‌شوند.

شرکت تجهیزات برودتی HL به تأمین‌کننده/فروشنده واجد شرایط Linde، Air Liquide، Air Products (AP)، Praxair، Messer، BOC، Iwatani و گروه کارخانه اکسیژن Hangzhou (Hangyang) و غیره تبدیل شده است.