ヘリウムのリサイクルシステムの構築
理化学研究所
仁科加速器科学研究センター
奥野広樹、段塚知志
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ヘリウムの特性と用途
特性• 極低温沸点（－269℃ ）• 完全不活性（安定性・不燃性）• 原子半径が小さい• 高熱伝導率• 密度小（軽い・高拡散性）

用途
高性能な冷却材 超伝導電磁石（NMR、MRI）
リークテストガスクロマトグラフ
雰囲気ガス（光ファイバー、半導体）
飛行船・風船医療、工業、学術研究に幅広く利用（特に、半導体、先端的研究開発、医療等では、代替えが利かない不可欠なガス）・希少であり、貯蔵が難しい
・天然ガスの井戸の一部に 0.5～1.0％含有（天然ガス田からの副産物が流通。産出国が、米国、カタール、アルジェ、ロシア、等に限られる）

・日本は100％輸入

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ヘリウム危機到来 !!
日本

生産,医療,研究活動に支障が生じる！

・Heが入手困難に・価格が高騰＜背景・要因＞(1) 最大の供給国である米国からの供給減

・天然ガスからシェールガス田へのシフトで副産物であるHe生産が減少
・米国政府が備蓄しているHeの民間への放出を制限

世界(2) 中東等の新たな生産プロジェクトが無い、カタールでの新規プロジェクトが事故で遅れ。
(3) 4番目の供給国：ロシアからの供給が不透明
ウクライナ紛争の長期化(4) 中国、インド等アジアの需要が急増
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国内ヘリウムの消費状況

日本国内におけるヘリウムの用途（2021年）。

気体は666.0万m3、液体は266.7万m3、合計932.7万m3が消費されている。
低温工学（大学・研究機関）はヘリウムガスと液体ヘリウムを合計しても46.6万m3で全体の5%程度しかないが、回収して再液化しているため、実際の使用量はこの8～9倍（約400万m3）になり、全体の30％程度を占める。
出典：一般社団法人日本産業・医療ガス協会※液体ヘリウムの数字は小数点以下切り捨てのため合計が100となっていません。

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社会的課題＜He危機の課題＞（１）Heの使用量を減らす（２）Heの備蓄（緊急用)（３）Heの代替え材料や代替え手段への変更（４）Heの代替えが難しいケースの対応
・半導体、光ファイバー等の工業生産分野
・半導体、光ファイバー等の工業生産分野
・MRI等の医療分野
・大学等の学術研究用、分析用“He弱者”

社会貢献度とヘリウム使用量は比例しない

・・・各ユーザー・・・大量備蓄は国の政策・・・溶接、リークテスト、他
・・・大量使用 （各ユーザー対応）
・・・自前では回収設備が持てない・・・大量使用・・・多拠点、各少量ずつ使用

希少な“Heのリサイクル”の推進
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Heリサイクル推進のための課題
リサイクルプロセス

様々な利用現場
１：回収配管の接続利用

２：大気開放（溶接、MRI等）
He

回収配管装置He
純度：高回収しやすいHe利用

装置

純度：低
不純物：空気、水等

利用

精製と液化

回収と前精製

昇圧と輸送回収しにくいHe利用

３：除害装置（スクラバー）の利用（半導体等）
様々な利用形態に応じた回収精製技術が必要
装置

スクラバー
毒物

純度：かなり低
不純物：空気、水、等

・低純度Heの回収・精製技術

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Heリサイクル推進の実施
A：推進センター機能の構築「Heリサイクル推進センター」(コンソーシアム)を設立

B：技術開発（１）低純度ヘリウム回収精製技術の開発（２）回収ヘリウムの移動手段の開発

C：事業化（１）国研・大学にある液化設備の活用（２）ロードマップ（タイムライン）（３）運営体制（４）資金計画、リサイクルコスト（５）マネージメント方針（６）出口戦略7

Heリサイクル推進のためのセンター機能の構築
高純度Heの流れ

Heガス供給会社
液体/ガスの等価交換運搬

He利用者（企業、大学、研究機関等）
回収、粗精製Heリサイクル推進センター
調整・技術支援

液化ヘリウム製造設備保有の大学、国研
ヘリウム精製液化

回収Heの流れHeガス運搬業者
昇圧、運搬8技術開発 (1)低純度ヘリウム回収精製技術の開発
過剰な吸引は不純物を増やすのみ

分離膜の穴径と分子原子の大きさ

吸引

ゼオライト膜貯蔵（ガスバック）

代替案：遠心分離法

He純度計
傘He

ヘリウムの挙動のシミュレーション(Heの比重は空気の1/8)

ヘリウムのみを通せる膜を使う

Heの利用

吹き出し時の空気の巻き込みを抑制するノズル形状を最適化

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技術開発 (2)回収ヘリウムの移動手段の開発• 従来型輸送手段• 低圧輸送手段（要開発）

移動式高圧ガス製造設備
回収用ガスカードルと圧縮機を積んだトラックで回収
回収圧縮機

比重差を用いた分離

ヘ リ ウ ム回収用ボンベ

He＋不純物

小型圧縮機

長さ:7.54m, 幅：2.04m, 高さ：3.24m=50m3

He
不純物

ボンベ圧：200気圧、輸送ガス：300m3

He圧：6気圧、輸送ガス：300m3

許認可の壁:
移動式高圧ガス製造設備という取り扱いになり、使用するたびに県庁に申請して許可を得る必要あり。

・ヘリウムの圧力を10気圧以下とし、高圧ガス設備の対象外とする。
・容器はアルミ合金やペット材を使い軽重量かつ気密性の良いものを開発
・比重差でHe分離できる可能性（高圧の場合は拡散が勝るため分離は困難）
10事業化 (1)国研・大学のヘリウム液化設備の活用• 液化ヘリウム製造設備は主に国立の研究所や大学に存在する。
• 液化機の精製・液化によって高純度のヘリウムを得ることができる。
• 全国に存在する液化設備の空いている時間を活用。
日本国内の液化ヘリウム製造設備のマップ（全て網羅はしてはいない）

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事業化 (2)ロードマップ
He弱者ゼロへ

He供給量
100,000L/年

拠点数10以上

10,000L/年

回収精製技術の開発

輸送手段の開発

1,000L/年

拠点数４

小口産業利用

MRI

拠点数１

学際研究

市場調査
液化拠点開拓

2022年

2023年

2024年

2025年

2026年

2027年

2028年

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事業化 (3)推進・運営体制
コンソーシアム
技術開発部門

プルーム回収、精製設計評価（理研、利用者）

事業化部門
需要調査
ガス輸送調整ガス分離会社

ガス供給会社PM
分離膜会社

軽量輸送容器製作

ユーザー（MRI, 医療、研究、半導体等）

液化ヘリウム製造設備への協力要請

液体ヘリウム製造設備（理研、各大学）

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事業化 (4)出口戦略
1つの液化拠点につながる
ヘリウム利用者（小口）・利用者が回収したヘリウムガスが必ず液体ヘリウム（高純度ヘリウムガス）になって戻ってくるシステム

全国展開「ヘリウム弱者」ゼロの社会を実現させ、日本のヘリウムを用いた医療、科学技術のアクティビティを維持する。

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まとめ
Heの危機

Heリサイクル推進センターの構築(1)最大供給国である米国からの供給減(2)中東等の新たな生産プロジェクトが無い。
(3)アジア諸国の需要の急増(4)ロシアからの供給が不透明(5)価格高騰
大口ユーザーであっても、価格が高騰
小口ユーザーにヘリウムが行っていない（ヘリウム弱者）

He弱者ゼロの社会・半導体等の大企業は自前で回収設備を持っている。
・小口ユーザはリサイクルして、欲しい時にヘリウムが使用できる。

対象は、自前でリサイクル施設を持てない利用者。
自前でできるところは、３R（Reduce, Reuse,Recycle)をしっかりやる。

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ご参考／理研内のヘリウムリサイクル
ヘリウム液化設備棟
ヘリウム圧縮機

ヘリウム液化機（内部精製器付き）

ヘリウム小分け

理研内のヘリウムユーザー
液体ヘリウム

精製補充

大気放出

液化窒素
CEタンク

純ガスカードル

ヘリウムガス不純ガスカードル

回収圧縮機

回収ガスバッグ

16ご参考／理研内の液体ヘリウム供給の推移
供給量（L）（年度）

17ご参考／理研内のヘリウムガス回収率(2007-2019)
回収率(％)

回収率アップのための試み

95

平均回収率90

85

80

75

70

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

（年度）

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本技術に関する知的財産権
・出願番号
・出願人
・発明者

特願2024-066577(未公開)
理化学研究所段塚知志、奥野広樹

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お問い合せ先株式会社理研鼎業（りけんていぎょう）

新技術説明会事務局
Email:senryaku@innovation-riken.jp20