福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して物性研WS「ヘリウム危機の現状と今後の課題」2019年11月6日 (公開用)

1. はじめに (海外のヘリウム事情)

東京大学

2. 米国のヘリウム戦略

大学院理学系研究科
低温センター福山寛3. BLMヘリウム備蓄施設の訪問
4. ヘリウム危機への対策私案

大越慎一 センター長

5. ヘリウム・ゼロロスキャンパス・プロジェクト(東大低温センターの取り組み)1

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

ヘリウムの国内需要と利用分野 (2018年)(社) 日本産業・医療ガス協会のデータを参考に作成

ヘリウムガス

7,850千m3

全ヘリウム 10,380千m3(ガス換算)

液体ヘリウム2,530千m3(ガス換算)

我々はマイナー・カスタマー※ ガス1 m3 は 液1.27 L に相当

2

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

世界の大学研究室のヘリウム事情
D. Kramer, Physics Today, April 2019, p.26

P. Kornbluth, Gasworld USEdition, March 2019, p.26

世界全体の供給不足量は約10%で、この1年で大学の購入価格は3〜5割増しになったと推測される
ただし、状況は契約内容やベンダーによって大きく異なる
オーストリア米国

・まったく入手できない。隣国の大学の助力を受けている

・9→19$/Lに値上がった。
・19→27$/Lに値上がった (小口ユーザー)

ドイツ

カナダ

・この半年〜1年で10〜15€/m3から18〜25€/m3に値上がったが、量はまずまず確保できている

・今のところ問題はない。13.5 CND/Lで液購入している

・2019年5月までは8€/m3だったが、10〜12€/m3に値上がった。量は確保できている

フィンランド2019年8〜9月時点の情報

・今のところ問題はない。業者とは特別な契約をしている3

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

世界のヘリウムガス生産量 (2018年)

56.3%
90

29.2%

MCS, US Geological Survey, Jan. 2019Ø 天然ガスとともに地中から産し (a崩壊)、空気中にはほとんど含有されない。
Ø 日本は100%輸入に頼る稀少天然資源
Ø うち75％を米国から、25％をカタールから輸入(2017年 財務省貿易統計)

全生産量

1億6千万m3(ガス換算)
4

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

米国のヘリウム戦略 (Federal Helium Program)
第一次世界大戦の前後から、軍事目的でヘリウムの重要性が認識される

1925─ ヘリウム法 (Helium Act of 1925)
全てのヘリウム事業を国有化して米国鉱山局 (U.S. Bureau of Mines) が所轄。国防、国家備蓄 (Federal Helium Reserve) が始まる

1927─ 同法の改正 (Amendments to the Helium Act of 1925)
民間へのヘリウム販売を開始

1960─ 同法の改正 (Amendments to the Helium Act of 1925)
カンザス・オクラホマ・テキサスの3州にまたがる民間のガス田から粗ヘリウムを長期に定額で(1972年まで)買い上げ、テキサス州アマリロ市のクリフサイドガス田までパイプラインで導いて、直下のブッシュドームに大規模な国家備蓄を始める

1996─ ヘリウム民営化法 (Helium Privatization Act of 1996)
パイプラインやクリフサイド施設などに投下した税金を回収するため、2015年までに国家備蓄の粗ヘリウムガスを民間に売却することが決定。鉱山局に変わって内務省のBLM (Bureau of land management) が事業を継承

2013─ ヘリウム管理法 (Helium Stewardship Act of 2013)
ガス売却の最終段階を4つのフェーズに分け、軍需・宇宙のために残す30億ft3になるまで競売を併用しつつ売却し、その後、残ヘリウムと共に設備を民間に払い下げる

2018─ BLMからの最後の粗ヘリウムガス競売
5

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

ヘリウム管理法の実施 (Helium Stewardship Act of 2013)
MMcm (百万m 3 )MMcm

フェーズA 2013年10月2日〜2014年9月30日
ヘリウム民営化法のまま

これ以降は予測

フェーズB 2014年10月1日〜備蓄が30億ft3(83百万m3：米国需要の約2年分) に達する時まで(実際には2018年9月30日まで5年間実施)

オークション売却とその平均落札値での売却を組み合わせて、前者の割合を増やしながら、毎年備蓄を民間会社に売却する

9月30日まで
備蓄ガスは連邦ユーザーのみに売却 (基本的にNASAと軍事関係のみ)

フェーズD 2018年10月1日〜遅くとも2021年9

Bcm(10億m3 )1.5

1

ヘリウム法改正

0.5

民営化法
B. A. Glowacki et al., IEEE Trans. Appl.
Supercond. 23 , No.3 (2013)より一部修正の上転載

BLM備蓄量

月30日まで備蓄ガスの管理も含めてBLMの施設を全て民間に売却する

みずほ情報総研「H26ヘリウムの世界需給に関する調査」より転載

BLM備蓄の年増減量フェーズC 2018年10月1日〜遅くとも2021年

83百万m 306

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

NRC, “Selling the Nation's Helium Reserve” (Natl. Acad. Press, 2010)

米国BLMのヘリウム国家備蓄基地
Cliffside Field near Amarillo, TX, USA operated by
Bureau of Land Management (BLM)
ワイオミング州

Federal Helium Pipeline(約720 km)17の生産/精製プラントとCliffside Field を直結する

ユタ州

アリゾナ州

コロラド州

カンザス州

クリフサイドフィールド

ニュー
メキシコ州

オクラホマ州
アマリロ市
2015 Minerals Yearbook, USGS

テキサス州

7

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

Cliffside Field 地下の巨大天然ヘリウム貯槽“Bush Dome Reservoir”
古いヘリウムガス田を利用

粗ヘリウム圧入(純度75〜80%)

ガス/水接触北・東側のキャップ(南・西側は地層の空孔率の違いでキャップ)

Anhydrite：
硬石膏 (CaSO4)

ヘリウムを閉じ込めるキャップ層

Brown Dolomite：
苦灰石 (CaMg(CO3)2) の一種

石灰質層
NRC, “Selling the Nation's Helium Reserve” (Natl. Acad. Press, 2010)

ヘリウムを溜め込む地層(空孔率10%)

貯蔵されたヘリウム

地中の天然ガスと混合

数億年にわたって地中の放射性物質がアルファして生成したヘリウムが、特別な地層に蓄えられたのがヘリウムガス田
半減期：45億年#$%U → )He + #$)Th"##"-⋯ → #-3Pb (8 4He)

半減期：140億年#$#Th → )He + ##%Ra"#%%⋯ → #-%Pb (6 4He)
8

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

Bush Domeの維持管理
ブッシュドームのスケール：
幅： 〜1,100 m
深さ： 〜90 m
最大貯蔵能力： 12億m3(世界需要の8年分)

Aatlayer L-05

ガス田の状況を各種の物理化学データを取得して常時モニタリングし、それらと整合するよう3次元モデルを常に更新しつつシミュレーションし(Edge Geoscience Inc)、維持管理している。

BROWN DOLOMITEPANHANDLEGEOLOGICAL
UNITS

DCE

F
B

Opportunity Index XY plane

SIMULATION LAYERINGLAYERSSURFACES

1P-05 AND P-06

2P-06 AND P-07

3P-07 AND L-01

4L-01 AND L-02

5L-02 AND L-03

6L-03 AND L-04

7L-04 AND L-05

8L-05 AND L-06

9L-06 AND L-07

10L-07 AND L-08

11L-08 AND L-09

12

L-09 AND L-10

AB

Cross sections A-B

https://www.blm.gov/sites/blm.gov/files/ctools/2019-07-18%20Annual̲Report̲EGI̲ver3.pptx より一部修正の上転載

9福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

米国の科学コミュニティのヘリウム危機対応
物理学会 ＋ 材料科学会 ＋ アメリカ化学会
A SCIENCE POLICY REPORT ISSUED BY American Physical Society,
Material Research Society, American Chemical Society, (2016)

Nov. 2016

回収・再液化の推奨
・30,000 L/年以上の組織へは20‒50L/h液化機
・それ以下の組織には冷凍機ベースの小規模液化機←NSFグラント (6件、計約1億円/年)10福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

全国の大学・研究所のヘリウムリサイクル施設

日本のアカデミアでは1952年以来、一貫してヘリウムリサイクル施設を維持・拡充してきた (世界最先端)

ヘリウム危機のいま、リサイ
クル技術・ノウハウを社会に還元できるはず (社会貢献)
ADL社製コリンズ液化機(1952-1970)
東北大学金属材料研究所
http://ltsd.imr.tohoku.ac.jp/liquefier̲history.html
より転載

データ出典
・琉球大学 極低温センター資料「各地の低温施設・液化機のある(あった)施設」http://www.ltc.u-ryukyu.ac.jp/teion.html
・Google MAP / 編集：熊本大学 パルスパワー研究所 極低温液化室 全国「ヘリウム液化装置」MAP

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福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

国全体でヘリウム危機を緩和するには希少天然資源かつ戦略物質のヘリウムを100%輸入に頼る日本は、国ぐるみで一定量の備蓄と回収・再利用の促進に取り組むべき具体的にどうするか？
1. ヘリウムガス田のない日本では、地下貯蔵は不可能
2. 高圧ガス貯蔵は、密度が十分でなく、大量貯蔵には不向き

海外から大型コンテナで液体で輸入するのだから、コンテナによる液化貯蔵が最適 … 天然ガスと同じ (LNG)

液体ヘリウムコンテナ (40千L)

ヘリウム高圧ガスボンベ(3千m3)

体積は常温常圧の気体の 1/750

液体ヘリウムコンテナに比べて、5倍の体積、2倍の初期投資が必要

Praxair社

Gardner Cryogenics社

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福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

日本の石油・石油天然(LP)ガスの備蓄 (参考)
経産省・資源エネルギー庁およびJOGMEC資料より

石油備蓄 (約200日分)(独)石油天然ガス・金属鉱物資源機構(JOGMEC) 前身：石油公団、金属鉱業事業団

国家備蓄 (約5,000万L)
民間備蓄 (約3,000万L)

石油備蓄法 (1975)

産油国共同備蓄 (約150万L)

日本政府の支援の元で国内の民間原油タンクを産油国の国営石油会社に貸与し、東アジア向けの中継・備蓄基地として利用させる (非常時は国向けに優先供給)

第一次オイル第二次オイルショックショック

13福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

天然ガス(メタン等)の例は参考になる
ガス田と直結するパイプラインが普及する欧米では、枯渇油・ガス田、帯水層、岩塩層を利用した地下貯蔵が主流
一方、ほぼ全量を液化天然ガス(LNG：密度600倍)として輸入(98%)する日本では、液化貯蔵が主流

天然ガスはヘリウムと事情が似ている
ただし、液化温度が110 Kと低く、それよりはるかに備蓄しやすい石油 (備蓄200日分)や室温加圧 (0.2 MPa) で液化するLPガス (備蓄90日分) があるので、備蓄量は20日にとどまる。

(株)東京ガス資料より

10〜年

4〜10年

1〜4年〜1年

この点もヘリウムと事情が似ている
代替が利かないヘリウムの事情はより深刻

万トン
スポット契約天然ガスでは10年以上の長期契約が主流→ ヘリウムも複数年契約なら安定調達できるはずだが、現状の大学会計ルールはそれを許さない

10年以上の長期契約
公正取引委員会資料より

提案① ヘリウム調達の複数年契約ができるようルール改正が必要

ヘリウムにおける大学の立場はここ

供給が10%減れば真っ先に調達困難に！
14

福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

日本は戦略的に液体ヘリウムを備蓄すべき(注) このページは、講演時のものから内容修正しました

提案② 国内総販売量17,000千L/年 (液換算) の3ヶ月分 (4,200千L)を備蓄するための液体ヘリウムコンテナ数を増強すべき
・40千Lコンテナを5年間で100基増強する (現状は国内200基？)
・投資額 (容器購入) は、ヘリウム販売価格を10%値上げすれば、5年で回収可能
・「戦略的備蓄」の実現は民間だけでは難しい。国が容器購入に助成金を交付したり制度作りを主導する必要がある。その場合、販売価格の値上げ幅はもっと縮む

国産液体ヘリウム用コンテナ (37千L) の例
・40日間無損失保持 (液体窒素シールド)・液ヘリへの熱流入はわずか7.5 W
大陽日酸

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福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)5. ヘリウム・ゼロロスキャンパス・プロジェクト
東大低温センターの取り組み

16福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

ヘリウム危機が続くと、液化機を保有する大学に非サステナ
寺岡 他「ウェットかドライか？ 低温センター
ブルな構造変化が起きかねないのTSCP活動 」低温センター年報2015, p.120
年間液体ヘリウム使用量 







2000




1500


1000




500
0

D-wet
wet D
D-dry
dry D

B
87,871 L



C-wet
wet C
dry C
C-dryC
78,916 L

2500



DA








7,264 L

3000

B-wet
wet B
B-dry
dry B

9,222 L



A-wet
wet A
A-drydry A

(装置1台あたり) []
[])浸漬方式と冷凍機方式の年間維持費の比較

年間2億円の経費節減と800万kWhの節電効果 (圧倒的にウェットが経済的でサステナブル) 東大本郷地区キャンパスでの試算
17福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

ヘリウム回収率向上キャンペーン
提案③ ヘリウム損失率がゼロに近づけば、供給不足は深刻な問題
ではなくなるので、回収率を上げる地道な努力が必要

ヘリウムガスの回収率を上げよう !!
2019年6月14日

ガスを全く逃がさない場合

96%

100%

561
401
目標回収率95%

241

回収率

92%
2024年までの2019年度 単価 (円/L)
2018年度 単価 (円/L)

247

214

181

液体ヘリウム単価 (円/L)

市場価格の高騰のため、ガスを逃がすと液体ヘリウム使用料金が従来になく高額になります !
従来の平均回収率

従来の平均回収率

継手・ホースの劣化はないか？

バルブの操作は正確に !

ガスを全く逃がさない場合

800
携帯型リークディテク
600ター3台を貸出中

400
200
0859095

100

回収率 (%)

回収率を上げるため、以下の点を再確認下さい !
容器ブタの閉め忘れや安全弁の故障はないか？

東京大学低温センター（問い合わせ先：内線22853）

回収メータに漏れはないか？

トランスファー時の大気放出を最小限にする
トランスファー
チューブ予冷時のガスも回収する

冷たいガスを流すとゴム膜が破れガスが流出する

圧力が十分下がってからチューブを抜く

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福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

新しい貯蔵・運搬技術の開発
ヘリウム・ゼロロスキャンパス・プロジェクト (2019〜2024)○ 高密度で軽量高価な液化設備△ 高圧圧縮設備
低密度で重量大

高圧ガス

ガス圧縮より大きな密度比をもち、可搬性にも優れた新しいヘリウム貯蔵技術の開発(常温・15MPa)

ガスバッグ(常温・常圧)

液化ヘリウム(4.2 K・常圧)
https://cmwelding.com/
media-gallery/detail/98/167(株)日本ヘリウムHPより転載

https://www.eddlesgas.co.z
a/industrial-gas-cylinders/(株)ダイゾー
HPより転載0100200300(株)岩谷産業資料より転載400500600

700800

常温常圧ガスとの密度比19福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)東大附属病院におけるMRI機種更新時のヘリウム回収計画
ヘリウム・ゼロロスキャンパス
プロジェクト (2019〜2024)

脳磁計(1台)運転時の蒸発ヘリウムガス(年間4千m3)と、MRI (8台)の機種更新や保守時のヘリウムガス(年間約15千m3) を配管経由で回収・再液化貯蔵新技術と組み合わせて、国内7千台のMRIから大気放出している膨大なヘリウムの再利用に発展する可能性 (ヘリウム都市鉱山)

ヘリウム
大気放出

2

0m

100m

低温センター

1

附属病院

3
安田講堂
配管網へ接続済の建物
低温サブセンター
部局回収設備正門赤門
20福山 寛「国家戦略としてのヘリウム備蓄 〜 BLMを訪問して」(Nov., 2019)

まとめ
米国は、世界のヘリウム利用の促進と維持という役割を終えんとしている
提言① 大学における基礎研究や教育を支えるヘリウムを安定調達するには、長期契約ができるよう制度の柔軟化が必要
提言② 日本にはBLMのような地下貯蔵の適地はないので、国として液体ヘリウムコンテナを使った戦略的な備蓄が必要
提言③ ヘリウムは限りある天然資源なので、回収率向上の学内努力や大学間協力に加え、産学連携も必要
参考文献[1] National Research Council. “The Impact of Selling the Federal
Helium Reserve”, (National Academies Press, 2000)[2] National Research Council, “Selling the Nation's HeliumReserve” (National Academies Press, 2010)

謝辞(株) 岩谷産業 (BLM視察協力)
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