本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），文字：无刺王冠龙，校稿：辜汉膺 / 编辑：板栗
1869 年，俄国科学大佬门捷列夫发表了这张早期的元素周期表，格式和现在不太一样，我们顺着背一下，“氢 氦 锂 铍 硼”，会发现这里面少了一个“氦”，这是一种在地球大气中极其稀有的元素，当时还不在表上。
现藏于圣彼得堡门捷列夫博物馆的
元素周期表原始手稿
（图：wiki）▼
门捷列夫在他的第一版化学教科书《化学原理》中
首次发表了元素周期表
（《化学原理》中的元素周期表 图：aip.org）▼
在 1869 年的前一年，法国和英国的天文学家在观察太阳色球的发射光谱时，才发现这种来自太阳的新元素，并将其命名为“氦”（英语：Helium，希腊语：ἥλιος），在希腊语中就是赫利俄斯（helios，太阳，太阳神），太阳的意思。
氦气的光谱线（图：wiki）▼
1881 年，意大利物理学家路易吉・帕尔米耶里在分析维苏威火山的岩浆时首次发现了地球上的“氦”。
1895 年，苏格兰化学家威廉・拉姆齐从钇铀矿里首次分离出“氦”。人类才终于可以直接观察研究这一稀有元素。
地球上的大多数氦气是放射性衰变的结果
因此氦大量存在于铀和钍矿物中
（威廉・拉姆齐和纯化氦气的克莱维石 图：wiki）▼
一直到今天，地球上发现的氦资源也只有 484 亿 m3，而中国，正是一个非常缺氦的国家。
氦气的广泛用途
在元素周期表里，氦是仅次于氢的原子量第二小的元素。也是氢元素热核聚变的直接产物，所以太阳上完全不缺氦，在晚年还会有“氦闪”的可能。
而且氦元素还位于周期表最右边一列，和“氖 氩 氪 氙 氡”同属惰性气体。由于本身密度很低，又不能像氢一样形成水等各种化合物，氦作为单质气体非常容易逸出到大气层之外，长年累月，地球上的氦就越来越少了。
氦气在空气中的含量很低，还容易逃逸
全球可开采的氦气资源又主要来源于天然气
所以氦气是一种稀缺的非再生资源
（部分稀有气体放电的颜色和光谱图：wiki）▼
氦除了密度和惰性的特点，还是已知熔点和沸点最低的元素，并且具有低溶解度、高导热率这些独特的物理、化学性质。
这些属性让氦气在工业各领域应用广泛。
由于氦气是很轻的惰性气体，不像氢气那样易燃易爆，所以很适合填充气球和飞艇。也常用来检测管道、容器、设备内是否有气体泄漏。
氦气的用途还远不止这些
（双室氦检漏机 图：wiki）▼
在一些特殊的焊接应用里，惰性的氦气用作保护气体，防止熔融金属和空气中的氧气发生反应，被称为氦气保护焊。
钨极惰性气体保护焊
（图：wiki）▼
氦气熔点超低的特点，让它可以在极低温度下保持液态，所以液氦是一种重要的冷却介质，广泛用于冷却超导磁体、核磁共振仪器和激光设备这些高精密仪器。
在先进制造领域，氦还会用于液体燃料火箭、载人深潜、第四代核反应堆、半导体制造、量子计算机、精密分析仪器、核磁共振。
基于如此广泛的用途
氦气其实是一种关系国家安全、高新技术产业发展的
战略性稀有气体，被称为“黄金气体”
（液氦用于冷却现代 MRI 扫描仪中的超导磁体 图：wiki）▼
可以说，氦已经是一种不可或缺的新兴战略资源。2021 年全球对氦气的需求大概是 2.04 亿ｍ３（2.04×10８ｍ３），而且保持着约５％的年增长速度。
储量与产能高度集中
虽然按照最新的勘探结果，全球氦气资源的挖掘潜力很大，但这其实是一个细分且技术门槛很高的市场，资源开发严重不足，整体上仍然是供不应求。
在许多高精尖研究中都需要液氦的冷却
但全球能生产氦气的国家却很少
（图：news.harvard.edu）▼
而且这有限的氦气，还是高度集中于少数国家。
目前，全球的工业用氦气基本是从含氦的天然气里提取出来的，所以氦的生产和天然气高度相关。据美国地质调查局的数据，截至 2021 年底，全球氦气总资源量约 484 亿 m3（484×108m3），其中美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯四国合计占了 87％。
氦气资源量多的国家基本也是天然气巨头 ▼
氦气的生产格局也基本是这样，美国、卡塔尔产量占全球的 80％，阿尔及利亚、俄罗斯占 14％，还有少量来自澳大利亚和波兰。和他们相比，亚太地区的氦气产量几乎可以忽略不计。
！横屏-全球氦气藏分布与产能格局示意图（2022 年）▼
这里面，美国无论是资源量还是产量，都是无可争议的第一，美国从上世纪初就开始开发利用氦气。到 2012 年之前，美国的氦气供应量一直接近全球的 80％。
但老美产得多，用得更多，毕竟这种气体多用于高端制造，美国企业本来就是用氦大户，以至于美国的氦气战略储备都快被用光了。2012-2020 年，美国氦气供应量从 1.33 亿 m3 减至 0.83 亿 m3，减少了四成。到 2021 年，美国氦气供应量进一步降至 0.77 亿 m3。
此消彼长，卡塔尔的氦气产量在十年间快速增长，2021 年达到了 5100 万 m3（0.51×108m3），和第二梯队的阿尔及利亚 1400 万 m3、俄罗斯 900 万 m3 相比，可谓遥遥领先。
卡塔尔本就是天然气大户，又有美国设备的支持
在生产氦气这件事上有着天然的优势 ▼
在这四大巨头之外的国家，一方面受制于探明储量不足，一方面也受限于技术，因为氦气提纯的难度非常高，涉及一系列复杂技术，这还不包括储存、运输、使用所需的设备和规范。
由于可开采的氦气通常和天然气混杂在一起，需要通过质量分离等技术，先把“粗氦”从天然气里提取出来，再对粗氦进行精制，以美国 AMGAS 在堪萨斯州 Lenexa 的气田为例，其 2022 年 8 月以来的天然气日产量大约 2832m3，从里面可以提取出 14.16m3 的氦气。
堪萨斯大学的两位教授在气体间歇泉样本中
首次发现了天然气中的氦
（图：wiki）▼
目前人类提取氦气主要有两条技术路线：天然气直接提氦和液化天然气闪蒸汽提氦 (LNG-BOG)。后者的效率更高，发展潜力巨大，但是对原料气的规模和提取技术有很高要求，而“天然气直接提氦”，才是目前唯一的工业化获取氦的方法，。
不过中国的天然气田含氦量很低
直接提取成本极高
要实现自主生产暂时还得靠 LNG-BOG
这条技术路线，又可以分为“深冷法”和“非低温法”。
深冷法最为经济有效，同时也是氦气液化和运输的最佳方案，主要原理是将净化合格的天然气通过制冷，低温精馏获得一次粗氦（这里的“一”发 1 声），经过进一步提浓获得浓度 30%-80% 的粗氦。再使用低温吸附或低温冷凝、冷冻法，在低压低温的环境下去除粗氦中的杂质气体，再通过氦液化器把高纯度的氦气液化。
天然气氦回收过程示意图 ▼
深冷法也叫低温精馏法
是通过不同气体的沸点的不同来分离气体 ▼
这个深冷法看似容易，搞起来其实也很难。从原理上来说，只要把温度降到足够低，氦气就以被液化，但是前面也说了，氦是液化温度最低的元素，所以它的液化方法非常特殊，必须进行复杂的多级液化，简单来说就是自己冷却自己。对技术设备的要求很高。
近几年，“非低温法”，也就是“常温法”提氦，已经研发成功，这就要用到膜法了！操作方式主要是多级膜法、多级变压吸附、或者膜法＋多级变压吸附。但这套操作的功耗太高、工艺复杂，还不适合大规模提氦。
天然气提氦气的膜技术
（图：uq.edu.au）▼
综上所述，氦气在现代工业中用途广泛，但是储量与产能却高度集中，提纯、液化的技术门槛也很高，这就必然导致供不应求。
中国缺氦，怎么办？
而供需矛盾最紧张的就是咱们国家了。目前我国已经是世界上最大的氦气消费国之一，但是严重依赖进口，近年来对外依存度高达 95％以上。
而且随着我国科学研究、医疗技术和高科技产业的发展，对高纯度氦气的需求越来越大。
2017 年以来，中国的氦气进口量长期保持在 2000 万 m3 以上（2000×104m3），2018 年进口量高达 2311 万 m3（2311×104m3），约占全球氦气产量的 14.4％，对外依存度 98.51％。(2018 年全球产量 1.6 亿立方米)
2014-2021 年中国氦气产量与进口量走势图 ▼
由于全球的产氦大国就那么几家，所以中国进口也没啥选择余地，主要来自卡塔尔、美国和澳大利亚，少量来自俄罗斯。
在企业层面，我们进口的氦气主要来自“六大”外资，包括林德、液化空气、空气化工、岩谷产业株式会社、大阳日酸株式会社和吴江梅塞尔，这六家占了总进口量的 82％。
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2020 年以后，由于产量、船运、关税等原因，来自美国的进口快速减少，直接制约了中国的氦气进口量。
作为替代，来自卡塔尔的氦气弥补了美国的缺口，2021 年，卡塔尔对我国出口了 1684 万ｍ３氦气，占了 82％。
中国对卡塔尔氦气依赖可以说是很严重了 ▼
但卡塔尔的氦气价格偏高，技术与设备其实都来自美国，美国如果想的话，也一样能卡住卡塔尔这条路。
而且除了氦气的气源，氦气液化器和液氦罐箱的制造商也基本是美国企业，为了便于垄断气源，再加上自身产能不足，他们就长期限制对中国供货。这些因素，都导致中国在氦气方面很容易被“卡脖子”。
在今年 5 月我国自主研发液氦罐箱首次进入批量生产 ▼
为了应对缺氦难题，中国正在加强勘探工作和技术攻关，以提高氦气的产量和提取效率。
自 2003 年以来，自然资源部下属的地质调查机构就已经在各地调查氦气资源。
中西部的大型叠合盆地和陆内裂谷盆地，是中国氦资源的主要富集区。根据初步预测，四川、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、汾渭五大盆地的氦气远景资源量，可达 80 亿 m3 以上（80×108m3）。这些就是我国快速实现产能的主力勘探区。
中国的氦气多为油气同源氦，存在深层藏气
使得中国氦气资源的开采难度和成本较高
（中国含油气盆地氦气分布图）▼
在技术方面，目前我们从天然气中提取粗氦、粗氦精制、气氦储运的技术已经比较成熟。但是大型氦气液化和液氦储存的技术还在攻关阶段。
国产的氦气液化器虽然已经研制成功，但性能和可靠性尚有提升空间。而且液氦储罐还没有国产化，卡在结构设计和绝热材料上，要完全自主生产还要时间。
液氦到超流氦温区大型低温制冷系统
在 2021 年研制成功，实现整机系统全国产
（80L / h 氦液化器 图：ipc.cas.cn）▼
缓解缺氦问题，除了开源，还可以节流。说白了就是省着用，提高回收和再利用率，减少浪费，或者研发氦气的替代品，也能减少对氦的需求，把对外依存度降一点儿是一点儿。
至于在海外寻找更多的氦气来源，鉴于资源和技术的双重集中，努力是要努力的，但主要取决于别国的产能和态度。
中国的氦气暂时还无法自给自足
寻求多渠道进口氦气也是一种保障氦资源安全的解决方法
（黑龙江驳船上生产氦气的天然气深加工技术装置）
当然，有的人可能想着太阳上不全是氦么，能不能搞一点儿下来，这在技术难度上应该不亚于可控核聚变了，有这能力，基本上也不缺啥了。
中国的缺氦问题虽然很严峻，但办法总比困难多，从 2018 开始，对外依存度一直在降，实现氦气的稳定可持续供应，应该是可以期望的。
参考资料：
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1. “China’s Helium Shortage: Causes and Implications” – Teng et al., Energy Policy, 2018.
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2. “Helium: A Squeaky Voice for China’s Development” – Liu, S., Energy Science & Technology, 2019.
-
3. “Analysis of China’s Helium Supply and Demand Situation” – Zhang et al., Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2020.
-
4. “China’s Helium Shortage and Strategies for Sustainable Supply” – Li et al., Resources, Conservation and Recycling, 2021.
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5. 唐金荣，张宇轩，周俊林等.全球氦气产业链分析与中国应对策略 [J] . 地质通报，2023，42（1）：1-13
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