자원 가격 급등으로 ‘위기’가 찾아왔지만, ‘헬륨’ 순환 메커니즘이 전국에 퍼지고 있다

[お持て成し]

가격 급등으로 ‘위기’가 찾아왔지만, ‘헬륨’ 순환 메커니즘이 전국에 퍼지고 있다 / 2월 19일(목) / 뉴스스위치

학술기관은 기화된 헬륨을 회수·재활용할 수 있는 시스템을 구축해 왔다(오사카대 제공)

이화학연구소가 액체 헬륨 재활용 사업을 시작했다. 액체 헬륨은 저온 연구와 자기공명단층촬영(MRI)에 없어서는 안 될 냉매이다. 다만 공급국은 제한적이며, 2019년에는 가격이 급등해 ‘헬륨 위기’로 인식되었다. 일본에서는 국가 투자로 액화 설비가 구축되고, 연구기관이 민간과 함께 사용하는 체계가 있다. 경제 안보 측면에서도 유효한 산학 협력 모델이라고 할 수 있다. 오카야마 대학이 재활용 사업을 시작하는 등, 순환 구조가 전국으로 확대되고 있다. (코데라 타카유키) 

“헬륨 위기는 지나갔지만, 엔화 약세 등으로 가격이 내려가지 않는 상황. 연구자들은 여전히 위기 상황에 처해 있다. RIKEN(이리칸) 니시카 가속기 과학 연구센터의 오쿠노 히로키 팀 리더는 헬륨을 둘러싼 상황을 이렇게 설명한다.

헬륨은 천연가스의 부산물로 분리·정제된다. 함유량은 1% 이하로 적으며, 생산되는 가스전은 제한적이다. 2000년대에 반도체 제조에 사용되기 시작하면서 소비량이 급격히 확대되었다. 일본은 전량을 수입하고 있지만, 미국으로부터의 공급량이 감소하면서 가격이 급등하고. 구매력이 작은 학계는 2019년에 긴급 성명을 발표해 헬륨 비축 및 재활용을 제안했다. 헬륨 수입 가격은 현재도 2010년 대비 약 8배 높은 수준을 유지하고 있다. 

학술 기관은 기화된 헬륨을 회수해 냉각·액화하여 재활용하는 시스템을 구축해 왔다. 리켄의 회수율은 98.5%이며, 연간 13만 리터를 공급하고 있다. 설비 용량은 18만 리터. 이 남는 능력을 활용해 버려진 헬륨을 회수하려는 재활용 사업을 시작했다. 

민간에서는 액체 헬륨이 핵자기공명장치(NMR)와 의료용 MRI의 초전도 자석을 냉각 매체로 사용한다. 하지만 MRI를 폐기할 때 액체 헬륨은 대기 중으로 방출된다. MRI만으로도 저온공학 분야에서 사용되는 양의 1.8배가 버려지고 있다고 리켄은 추산한다. 이는 폐기 시점과 다른 MRI에 헬륨을 충전하는 시점이 맞지 않기 때문이다.

그곳에서 사용된 MRI를 리켄에 가져가 회수하고 액화한다. 사업자 입장에서는 리켄에 헬륨을 맡겨 버퍼로 활용할 수 있다. 리켄은 회수된 금액의 25%를 보상으로 받는 구조다. 단즈카 토시 기술자는 “5~6톤 규모의 MRI를 수용하려면 크레인 등 설비가 필요하다. 설치 비용이 수십만 엔이 들지만, 리켄 설비를 사용하면 사업자의 부담 없이 회수할 수 있다”고 설명했다. 

원래 학계에서는 중규모 대학 간의 연계가 활발히 이루어지고 있었다. 류큐대학은 오키나와 과학기술 대학원 등과 협력해 지역 내 헬륨을 공급하고 있다. 전기통신대학과 도쿄농공대학의 협력은 2004년에 시작돼 20년 이상 실적을 보유하고 있다. 

교내 수요가 큰 도쿄대도 연구용 장비를 활용해 헬륨 가스 재액화 사업을 진행하고 있다. 2019년 헬륨 위기를 계기로 교외 활용을 시작했으며, 현재는 민간 사업자의 액화도 맡고 있다. 2024 회계연도에는 42,500리터를 액화했다. 다만 사업자의 사정으로 작업량이 크게 변동해 2025 회계연도의 의뢰는 전혀 없었다. 사기산 레이코 기술 전문 직원은 “교사들조차도 이 사업이 수익을 낼 수 있는지 물어보지만, 안정적인 수입을 기대하기는 어렵다”고 단언한다. 

◇ 재액화 사업 ‘안전망’에

재사용 등으로 헬륨 구매량이 지나치게 감소하면 가스 공급업체와의 가격 협상에서 단가가 상승하게 된다. 헬륨 절약이 반드시 비용 절감으로 이어지는 것은 아니다. 그럼에도 불구하고 도쿄대가 재액화 사업을 지속하는 것은 안전망 역할을 수행하기 위해서다. 

액체 헬륨의 최종 사용자는 병원이 된다. MRI가 작동하지 않아 수술 전 검사를 할 수 없게 되면 생명에 위협이 된다. 무엇보다 저온 연구 예산이 늘어나지 않아 연구자들의 헬륨 사용료를 올리는 것도 어려운 상황이다. 도쿄대의 토야마 미츠루 기술 전문 직원은 “수익을 내려고 하면 사업이 유지되지 않는다”고 밝혔다. 

오사카 대학은 가스 회사와 협력해 판매 시 탱크에 남은 액체 헬륨을 보관하는 사업을 진행하고 있다. 가스 회사는 액화기를 보유하지 않고, 액체 헬륨을 수입해 보관하며, 기화된 헬륨 가스와 액체 헬륨을 판매하고 있다. 가스 수요가 크기 때문에 평소에는 기화시키기만 하지만, 수급 균형이 무너질 때는 한대의 액화기가 유용하다. 

오사카대는 맡은 헬륨이 일정량 쌓이면 액화시켜 사업자에게 유상으로 전달한다. 수백만 엔에 달하는 잡수입이 되는 해도 있다. 다케우치 토루야 교수는 “적자가 나는 해도 있고 흑자가 나는 해도 있지만, 학내 수요가 인재와 인프라를 지탱하고 있다”고 설명한다. 

문제점은 각 대학에 설비 운영 노하우가 흩어져 있다는 점이다. 이토 요히로 기술 직원은 “설비 운영 노하우가 개인마다 축적돼 있어 일반화되지 않았다”고 지적한다. 예를 들어 공급 헬륨의 순도가 낮아지면 배관별로 순도를 측정해 누수를 찾아야 한다. 이러한 트러블 대응은 대학이나 시설마다 다르다. 

또한 액화기는 수입품으로 장비의 핵심 부분이 블랙박스 형태이다. 따라서 기술 직원 간의 정보 교환은 활발히 이루어진다. 오사카대는 류큐대에게 재활용을 배워왔다. 헬륨 가스를 저렴한 물통으로 운반해 보는 등 현장의 지혜와 아이디어가 공유되고 있다. 

◇ ‘GOCO’로 위험 감소

민간이 액화기를 보유하지 않는 이유는 장비가 비싸기 때문이다. 헬륨을 재활용하면 전기료 등과의 차액으로 운영비를 충당할 수 있지만, 액화 장치를 구입해 감가상각할 정도의 이익은 나오지 않는다. 헬륨 시장의 전망도 불투명하다. 헬륨 공급은 러시아가, 수요는 중국의 영향력이 크다. 지정학적 요인과 경제적 요인에 따라 시장 가격이 변동한다. 

이처럼 예측할 수 없는 경제 안보상의 중요한 물자에 대해서는 정부 소유·민간 운영(GOCO) 방식의 확대가 검토되어 왔다. 정부가 설비 등을 투자하고 민간이 운영하는 모델이다. 

다만, 민간은 흑자라도 수익이 나지 않는 사업을 꺼린다. 헬륨 재활용은 국가가 설비 투자를 하고 대학이 운영하며, 민간은 필요할 때만 활용할 수 있는 GOCO에 가까운 운영 모델이다. 인재 양성 및 인건비를 대학이 지원하는 만큼, GOCO보다 민간이 짊어지는 위험은 적다고 할 수 있다. 민간에서는 유지될 수 없는 인프라도 지원될 가능성이 있다. 

그리고 전국의 잉여 능력을 공유하면, 필요할 때 필요한 장소에서 액체 헬륨을 공급할 수도 있다. 액체 헬륨 사업자의 과제는 사고 발생 시 신속히 대응할 수 있는 체계를 구축하는 것이었다. MRI에서 액체 헬륨이 새어나오면 즉시 달려가 충전하고, MRI 정지 시간을 단축해야 한다. 지방 병원에서 문제가 발생하면 가까운 대학에서 지원을 받을 수 있으면 이상적이다. 저장량의 여유와 적절한 대가, 융통량을 정산하는 시스템을 갖추면 현재 설비로도 시작할 수 있다. 

오카야마 대학은 중·시코쿠·하리마 지역에서 헬륨 재활용 사업을 시작한다. 리켄과 한대 등으로부터 운영 노하우를 배우고, 대학 및 고등전문학교 등 약 8개 기관의 연계 체계를 구축한다. 문부과학성이 약 10억 엔을 투자해 오카야마대의 액화 능력이 시간당 120리터로 두 배가 된다. 2027 회계연도에는 장치를 가동해 지역 헬륨 순환을 지원할 계획이다. 

문부과학성은 “헬륨 공급뿐만 아니라 연구자와 기술 직원 간 협력이 확대되는 파급 효과를 기대하고 있다”고 설명했다.

価格高騰で〝危機〟も、「ヘリウム」循環の仕組みが全国に広がっている

価格高騰で〝危機〟も、「ヘリウム」循環の仕組みが全国に広がっている（ニュースイッチ） -

価格高騰で〝危機〟も、「ヘリウム」循環の仕組みが全国に広がっている / 2/19(木) / ニュースイッチ

学術機関は気化したヘリウムを回収・再利用する仕組みを整えてきた（阪大提供）

理化学研究所が液体ヘリウムのリサイクル事業を始めた。液体ヘリウムは低温研究や磁気共鳴断層撮影装置（MRI）に欠かせない冷媒だ。ただ供給国は限られ、2019年には価格が高騰して“ヘリウム危機”として認識された。日本では国の投資で液化設備が整備され、研究機関が民間と共に使う仕組みがある。経済安全保障上も有効な産学連携モデルと言える。岡山大学がリサイクル事業を始めるなど、循環の仕組みが全国に広がってきている。（小寺貴之）

【図解】大学・研究機関による一般企業向けヘリウム事業

「ヘリウム危機は抜けたが、円安などで価格が下がらない状況。研究者は依然として危機的状況にある」。理研の仁科加速器科学研究センターの奥野広樹チームリーダーは、ヘリウムをめぐる状況をこう説明する。

ヘリウムは天然ガスの副産物として分離・精製される。含有量は1％以下と少なく、産出するガス田は限られる。00年代に半導体製造で使われるようになり、消費量が急拡大した。日本は全量を輸入しているが、米国からの供給量が減り価格が高騰。購買力の小さなアカデミアは19年に緊急声明を出し、ヘリウムの備蓄やリサイクルを提言した。ヘリウムの輸入価格は現在も10年に比べて約8倍の高値で推移している。

学術機関は気化したヘリウムを回収し、冷却・液化して再利用する仕組みを整えてきた。理研の回収率は98・5％で、年間13万リットルの供給量がある。設備能力は18万リットル。この余剰能力を使い、捨てられているヘリウムを回収しようとリサイクル事業を始めた。

民間では液体ヘリウムが核磁気共鳴装置（NMR）や医療用MRIの超電導磁石を冷やす冷媒として使われる。だがMRIの廃棄時に液体ヘリウムは大気へと放出されている。MRIだけで低温工学分野での使用量の1・8倍が捨てられていると理研は試算する。これは廃棄のタイミングと、他のMRIにヘリウムを充填するタイミングが合わないためだ。

そこで使用済みMRIを理研に持ち込み、回収して液化する。事業者にとっては理研にヘリウムを預けバッファーとして活用できる。理研は回収分の25％を報酬としてもらう仕組みだ。段塚知志技師は「5―6トンあるMRIを受け入れるにはクレーンなどの設備が必要。手配すると数十万円かかるが、理研の設備を使えば事業者の負担なく回収できる」と説明する。

もともと学術界では中規模大学の連携が進んでいた。琉球大学は沖縄科学技術大学院大学などと協力して域内のヘリウムをまかなっている。電気通信大学と東京農工大学の連携は04年に始まり、20年以上の実績がある。

学内需要の大きい東京大学も研究用設備を用いてヘリウムガスの再液化事業を進めている。19年のヘリウム危機を受けて学外利用を始め、現在は民間事業者の液化も請け負う。24年度は4万2500リットルを液化した。ただ事業者の事情で仕事量は大きく変動し、25年度の依頼はゼロになった。鷺山玲子技術専門職員は「教員からも儲かる事業にならないかと問われるが、安定した収入にはならない」と断言する。

再液化事業「安全網」に
再利用などでヘリウムの購入量が減り過ぎるとガス供給会社との価格交渉で単価が上がってしまう。ヘリウムの節約は必ずしも経費削減につながらない。それでも東大が再液化事業を続けているのは、セーフティーネットとしての役割を果たすためだ。

液体ヘリウムのエンドユーザーは病院になる。MRIが動かず、手術前の検査ができないとなれば生命に関わる。何より低温研究の予算総額が増えていないため、研究者のヘリウム利用料を上げることも難しい。東大の土屋光技術専門職員は「儲けようとすると事業が成り立たなくなる」と明かす。

大阪大学はガス会社と連携し、販売時にタンクに残った液体ヘリウムを預かる事業を行っている。ガス会社は液化機を持たず、液体ヘリウムを輸入して保管し、気化したヘリウムガスと液体ヘリウムを販売している。ガスの需要が大きいため普段は気化させるだけだが、需給バランスが崩れた際に阪大の液化機が役に立つ。

阪大は預かったヘリウムが一定量たまると液化して事業者に有償で受け渡す。数百万円の雑収入になる年もある。竹内徹也教授は「赤字になる年も黒字の年もあるが、学内需要が人材とインフラを支えている」と説明する。

課題は各大学に設備の運用ノウハウが散在している点だ。伊藤義浩技術職員は「設備の運用ノウハウが個々に蓄えられており、一般化されていない」と指摘する。例えば供給ヘリウムの純度が下がると配管ごとに純度を測り、漏れを探していくことになる。こうしたトラブル対応は大学や設備ごとに異なる。

また液化機は輸入品で装置の核心部分がブラックボックスになっている。そのため技術職員間の情報交換は密に行われる。阪大は琉球大からリサイクルを教わってきた。ヘリウムガスを安価な水バッグで運んでみるなど、現場の知恵と工夫が共有されている。

「GOCO」でリスク減
民間が液化機を持たないのは装置が高価なためだ。ヘリウムをリサイクルすれば電気代などとの差額でランニングコストはまかなえるが、液化装置を買って減価償却するほどの利益は出ない。ヘリウム市場の先行きも不透明だ。ヘリウムの供給はロシア、需要は中国の影響力が大きい。地政学要因と経済要因によって市場価格が変動する。

こうした予見性のない経済安全保障上の重要物資に関しては、政府所有・民間運営（GOCO）方式の拡大が検討されてきた。政府が設備などを投資し、民間が操業するモデルだ。

ただ、民間は黒字であっても儲からない事業を嫌がる。ヘリウムリサイクルは国が設備投資をして大学が運用し、民間は必要な時だけ活用できるGOCOに近い運営モデルだ。人材育成や人件費を大学が支える分、GOCOよりも民間が背負うリスクは小さいと言える。民間では成り立たないインフラも支えられる可能性がある。

そして全国の余剰能力を共有すれば、必要な時に必要な場所から液体ヘリウムを供給することも可能だ。液体ヘリウム事業者の課題はトラブル発生時に迅速に対応する体制の構築だった。MRIから液体ヘリウムが漏れたら、すぐに駆けつけて充填し、MRIの停止時間を短くする必要がある。地方病院でトラブルが発生したら近くの大学から供給できると理想的だ。貯蔵量の余裕と適切な対価、融通量を精算する仕組みを整えれば現在の設備でも始められる。

岡山大は中四国・播磨地域でのヘリウムリサイクル事業を始める。理研や阪大などから運営ノウハウを学び、大学や高等専門学校など約8機関の連携体制を整える。文部科学省が約10億円を投資し、岡山大の液化能力は1時間当たり120リットルと2倍になる。27年度には装置を稼働させ、地域のヘリウム循環を支える計画だ。

文科省は「ヘリウムの供給だけでなく、研究者や技術職員の連携が広がる波及効果を期待している」と説明する。大学では分析装置を扱う技術職員の優先順位が高く、液体ヘリウム施設のようなプラント系の人材配置は後手になりがちだ。これは前者は研究室で一緒に働いているため姿が見え、後者は裏方で動いているためと考えられる。大きな研究機関であっても液化機に精通した人材は限られ、実質的に1、2人の技術者が切り盛りしている例もある。

岡山大の畑中耕治機関連携部門長は「地域の資源循環と併せて極低温媒体を扱える人材を育てていきたい」と意気込む。人材育成プログラムを整え、学生や若手に技術を教える。今後、脱炭素に向けて液化天然ガスや液化水素などの極低温媒体を扱う人材の需要は増えると見込まれる。特に量子コンピューター産業は膨大な液体ヘリウムを扱う。希少なヘリウムを持続的に使うだけでなく、脱炭素への人材を支えていくことが期待される。