本文來(lái)自微信公眾號(hào)：地球知識(shí)局 （ID：diqiuzhishiju），文字：無(wú)刺王冠龍，校稿：辜漢膺 / 編輯：板栗
1869 年，俄國(guó)科學(xué)大佬門捷列夫發(fā)表了這張早期的元素周期表，格式和現(xiàn)在不太一樣，我們順著背一下，“氫 氦 鋰 鈹 硼”，會(huì)發(fā)現(xiàn)這里面少了一個(gè)“氦”，這是一種在地球大氣中極其稀有的元素，當(dāng)時(shí)還不在表上。
現(xiàn)藏于圣彼得堡門捷列夫博物館的
元素周期表原始手稿
（圖：wiki）▼
門捷列夫在他的第一版化學(xué)教科書《化學(xué)原理》中
首次發(fā)表了元素周期表
（《化學(xué)原理》中的元素周期表 圖：aip.org）▼
在 1869 年的前一年，法國(guó)和英國(guó)的天文學(xué)家在觀察太陽(yáng)色球的發(fā)射光譜時(shí)，才發(fā)現(xiàn)這種來(lái)自太陽(yáng)的新元素，并將其命名為“氦”（英語(yǔ)：Helium，希臘語(yǔ)：?λιο?），在希臘語(yǔ)中就是赫利俄斯（helios，太陽(yáng)，太陽(yáng)神），太陽(yáng)的意思。
氦氣的光譜線（圖：wiki）▼
1881 年，意大利物理學(xué)家路易吉?帕爾米耶里在分析維蘇威火山的巖漿時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了地球上的“氦”。
1895 年，蘇格蘭化學(xué)家威廉?拉姆齊從釔鈾礦里首次分離出“氦”。人類才終于可以直接觀察研究這一稀有元素。
地球上的大多數(shù)氦氣是放射性衰變的結(jié)果
因此氦大量存在于鈾和釷礦物中
（威廉?拉姆齊和純化氦氣的克萊維石 圖：wiki）▼
一直到今天，地球上發(fā)現(xiàn)的氦資源也只有 484 億 m3，而中國(guó)，正是一個(gè)非常缺氦的國(guó)家。
氦氣的廣泛用途
在元素周期表里，氦是僅次于氫的原子量第二小的元素。也是氫元素?zé)岷司圩兊闹苯赢a(chǎn)物，所以太陽(yáng)上完全不缺氦，在晚年還會(huì)有“氦閃”的可能。
而且氦元素還位于周期表最右邊一列，和“氖 氬 氪 氙 氡”同屬惰性氣體。由于本身密度很低，又不能像氫一樣形成水等各種化合物，氦作為單質(zhì)氣體非常容易逸出到大氣層之外，長(zhǎng)年累月，地球上的氦就越來(lái)越少了。
氦氣在空氣中的含量很低，還容易逃逸
全球可開采的氦氣資源又主要來(lái)源于天然氣
所以氦氣是一種稀缺的非再生資源
（部分稀有氣體放電的顏色和光譜圖：wiki）▼
氦除了密度和惰性的特點(diǎn)，還是已知熔點(diǎn)和沸點(diǎn)最低的元素，并且具有低溶解度、高導(dǎo)熱率這些獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)。
這些屬性讓氦氣在工業(yè)各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
由于氦氣是很輕的惰性氣體，不像氫氣那樣易燃易爆，所以很適合填充氣球和飛艇。也常用來(lái)檢測(cè)管道、容器、設(shè)備內(nèi)是否有氣體泄漏。
氦氣的用途還遠(yuǎn)不止這些
（雙室氦檢漏機(jī) 圖：wiki）▼
在一些特殊的焊接應(yīng)用里，惰性的氦氣用作保護(hù)氣體，防止熔融金屬和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，被稱為氦氣保護(hù)焊。
鎢極惰性氣體保護(hù)焊
（圖：wiki）▼
氦氣熔點(diǎn)超低的特點(diǎn)，讓它可以在極低溫度下保持液態(tài)，所以液氦是一種重要的冷卻介質(zhì)，廣泛用于冷卻超導(dǎo)磁體、核磁共振儀器和激光設(shè)備這些高精密儀器。
在先進(jìn)制造領(lǐng)域，氦還會(huì)用于液體燃料火箭、載人深潛、第四代核反應(yīng)堆、半導(dǎo)體制造、量子計(jì)算機(jī)、精密分析儀器、核磁共振。
基于如此廣泛的用途
氦氣其實(shí)是一種關(guān)系國(guó)家安全、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的
戰(zhàn)略性稀有氣體，被稱為“黃金氣體”
（液氦用于冷卻現(xiàn)代 MRI 掃描儀中的超導(dǎo)磁體 圖：wiki）▼
可以說(shuō)，氦已經(jīng)是一種不可或缺的新興戰(zhàn)略資源。2021 年全球?qū)獾男枨蟠蟾攀?2.04 億ｍ３（2.04×10８ｍ３），而且保持著約５％的年增長(zhǎng)速度。
儲(chǔ)量與產(chǎn)能高度集中
雖然按照最新的勘探結(jié)果，全球氦氣資源的挖掘潛力很大，但這其實(shí)是一個(gè)細(xì)分且技術(shù)門檻很高的市場(chǎng)，資源開發(fā)嚴(yán)重不足，整體上仍然是供不應(yīng)求。
在許多高精尖研究中都需要液氦的冷卻
但全球能生產(chǎn)氦氣的國(guó)家卻很少
（圖：news.harvard.edu）▼
而且這有限的氦氣，還是高度集中于少數(shù)國(guó)家。
目前，全球的工業(yè)用氦氣基本是從含氦的天然氣里提取出來(lái)的，所以氦的生產(chǎn)和天然氣高度相關(guān)。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，截至 2021 年底，全球氦氣總資源量約 484 億 m3（484×108m3），其中美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯四國(guó)合計(jì)占了 87％。
氦氣資源量多的國(guó)家基本也是天然氣巨頭 ▼
氦氣的生產(chǎn)格局也基本是這樣，美國(guó)、卡塔爾產(chǎn)量占全球的 80％，阿爾及利亞、俄羅斯占 14％，還有少量來(lái)自澳大利亞和波蘭。和他們相比，亞太地區(qū)的氦氣產(chǎn)量幾乎可以忽略不計(jì)。
！橫屏-全球氦氣藏分布與產(chǎn)能格局示意圖（2022 年）▼
這里面，美國(guó)無(wú)論是資源量還是產(chǎn)量，都是無(wú)可爭(zhēng)議的第一，美國(guó)從上世紀(jì)初就開始開發(fā)利用氦氣。到 2012 年之前，美國(guó)的氦氣供應(yīng)量一直接近全球的 80％。
但老美產(chǎn)得多，用得更多，畢竟這種氣體多用于高端制造，美國(guó)企業(yè)本來(lái)就是用氦大戶，以至于美國(guó)的氦氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備都快被用光了。2012-2020 年，美國(guó)氦氣供應(yīng)量從 1.33 億 m3 減至 0.83 億 m3，減少了四成。到 2021 年，美國(guó)氦氣供應(yīng)量進(jìn)一步降至 0.77 億 m3。
此消彼長(zhǎng)，卡塔爾的氦氣產(chǎn)量在十年間快速增長(zhǎng)，2021 年達(dá)到了 5100 萬(wàn) m3（0.51×108m3），和第二梯隊(duì)的阿爾及利亞 1400 萬(wàn) m3、俄羅斯 900 萬(wàn) m3 相比，可謂遙遙領(lǐng)先。
卡塔爾本就是天然氣大戶，又有美國(guó)設(shè)備的支持
在生產(chǎn)氦氣這件事上有著天然的優(yōu)勢(shì) ▼
在這四大巨頭之外的國(guó)家，一方面受制于探明儲(chǔ)量不足，一方面也受限于技術(shù)，因?yàn)楹馓峒兊碾y度非常高，涉及一系列復(fù)雜技術(shù)，這還不包括儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用所需的設(shè)備和規(guī)范。
由于可開采的氦氣通常和天然氣混雜在一起，需要通過(guò)質(zhì)量分離等技術(shù)，先把“粗氦”從天然氣里提取出來(lái)，再對(duì)粗氦進(jìn)行精制，以美國(guó) AMGAS 在堪薩斯州 Lenexa 的氣田為例，其 2022 年 8 月以來(lái)的天然氣日產(chǎn)量大約 2832m3，從里面可以提取出 14.16m3 的氦氣。
堪薩斯大學(xué)的兩位教授在氣體間歇泉樣本中
首次發(fā)現(xiàn)了天然氣中的氦
（圖：wiki）▼
目前人類提取氦氣主要有兩條技術(shù)路線：天然氣直接提氦和液化天然氣閃蒸汽提氦 (LNG-BOG)。后者的效率更高，發(fā)展?jié)摿薮?，但是?duì)原料氣的規(guī)模和提取技術(shù)有很高要求，而“天然氣直接提氦”，才是目前唯一的工業(yè)化獲取氦的方法，。
不過(guò)中國(guó)的天然氣田含氦量很低
直接提取成本極高
要實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)暫時(shí)還得靠 LNG-BOG
這條技術(shù)路線，又可以分為“深冷法”和“非低溫法”。
深冷法最為經(jīng)濟(jì)有效，同時(shí)也是氦氣液化和運(yùn)輸?shù)淖罴逊桨?，主要原理是將凈化合格的天然氣通過(guò)制冷，低溫精餾獲得一次粗氦（這里的“一”發(fā) 1 聲），經(jīng)過(guò)進(jìn)一步提濃獲得濃度 30%-80% 的粗氦。再使用低溫吸附或低溫冷凝、冷凍法，在低壓低溫的環(huán)境下去除粗氦中的雜質(zhì)氣體，再通過(guò)氦液化器把高純度的氦氣液化。
天然氣氦回收過(guò)程示意圖 ▼
深冷法也叫低溫精餾法
是通過(guò)不同氣體的沸點(diǎn)的不同來(lái)分離氣體 ▼
這個(gè)深冷法看似容易，搞起來(lái)其實(shí)也很難。從原理上來(lái)說(shuō)，只要把溫度降到足夠低，氦氣就以被液化，但是前面也說(shuō)了，氦是液化溫度最低的元素，所以它的液化方法非常特殊，必須進(jìn)行復(fù)雜的多級(jí)液化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是自己冷卻自己。對(duì)技術(shù)設(shè)備的要求很高。
近幾年，“非低溫法”，也就是“常溫法”提氦，已經(jīng)研發(fā)成功，這就要用到膜法了！操作方式主要是多級(jí)膜法、多級(jí)變壓吸附、或者膜法＋多級(jí)變壓吸附。但這套操作的功耗太高、工藝復(fù)雜，還不適合大規(guī)模提氦。
天然氣提氦氣的膜技術(shù)
（圖：uq.edu.au）▼
綜上所述，氦氣在現(xiàn)代工業(yè)中用途廣泛，但是儲(chǔ)量與產(chǎn)能卻高度集中，提純、液化的技術(shù)門檻也很高，這就必然導(dǎo)致供不應(yīng)求。
中國(guó)缺氦，怎么辦？
而供需矛盾最緊張的就是咱們國(guó)家了。目前我國(guó)已經(jīng)是世界上最大的氦氣消費(fèi)國(guó)之一，但是嚴(yán)重依賴進(jìn)口，近年來(lái)對(duì)外依存度高達(dá) 95％以上。
而且隨著我國(guó)科學(xué)研究、醫(yī)療技術(shù)和高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)高純度氦氣的需求越來(lái)越大。
2017 年以來(lái)，中國(guó)的氦氣進(jìn)口量長(zhǎng)期保持在 2000 萬(wàn) m3 以上（2000×104m3），2018 年進(jìn)口量高達(dá) 2311 萬(wàn) m3（2311×104m3），約占全球氦氣產(chǎn)量的 14.4％，對(duì)外依存度 98.51％。(2018 年全球產(chǎn)量 1.6 億立方米)
2014-2021 年中國(guó)氦氣產(chǎn)量與進(jìn)口量走勢(shì)圖 ▼
由于全球的產(chǎn)氦大國(guó)就那么幾家，所以中國(guó)進(jìn)口也沒啥選擇余地，主要來(lái)自卡塔爾、美國(guó)和澳大利亞，少量來(lái)自俄羅斯。
在企業(yè)層面，我們進(jìn)口的氦氣主要來(lái)自“六大”外資，包括林德、液化空氣、空氣化工、巖谷產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社、大陽(yáng)日酸株式會(huì)社和吳江梅塞爾，這六家占了總進(jìn)口量的 82％。
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2020 年以后，由于產(chǎn)量、船運(yùn)、關(guān)稅等原因，來(lái)自美國(guó)的進(jìn)口快速減少，直接制約了中國(guó)的氦氣進(jìn)口量。
作為替代，來(lái)自卡塔爾的氦氣彌補(bǔ)了美國(guó)的缺口，2021 年，卡塔爾對(duì)我國(guó)出口了 1684 萬(wàn)ｍ３氦氣，占了 82％。
中國(guó)對(duì)卡塔爾氦氣依賴可以說(shuō)是很嚴(yán)重了 ▼
但卡塔爾的氦氣價(jià)格偏高，技術(shù)與設(shè)備其實(shí)都來(lái)自美國(guó)，美國(guó)如果想的話，也一樣能卡住卡塔爾這條路。
而且除了氦氣的氣源，氦氣液化器和液氦罐箱的制造商也基本是美國(guó)企業(yè)，為了便于壟斷氣源，再加上自身產(chǎn)能不足，他們就長(zhǎng)期限制對(duì)中國(guó)供貨。這些因素，都導(dǎo)致中國(guó)在氦氣方面很容易被“卡脖子”。
在今年 5 月我國(guó)自主研發(fā)液氦罐箱首次進(jìn)入批量生產(chǎn) ▼
為了應(yīng)對(duì)缺氦難題，中國(guó)正在加強(qiáng)勘探工作和技術(shù)攻關(guān)，以提高氦氣的產(chǎn)量和提取效率。
自 2003 年以來(lái)，自然資源部下屬的地質(zhì)調(diào)查機(jī)構(gòu)就已經(jīng)在各地調(diào)查氦氣資源。
中西部的大型疊合盆地和陸內(nèi)裂谷盆地，是中國(guó)氦資源的主要富集區(qū)。根據(jù)初步預(yù)測(cè)，四川、鄂爾多斯、塔里木、柴達(dá)木、汾渭五大盆地的氦氣遠(yuǎn)景資源量，可達(dá) 80 億 m3 以上（80×108m3）。這些就是我國(guó)快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的主力勘探區(qū)。
中國(guó)的氦氣多為油氣同源氦，存在深層藏氣
使得中國(guó)氦氣資源的開采難度和成本較高
（中國(guó)含油氣盆地氦氣分布圖）▼
在技術(shù)方面，目前我們從天然氣中提取粗氦、粗氦精制、氣氦儲(chǔ)運(yùn)的技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是大型氦氣液化和液氦儲(chǔ)存的技術(shù)還在攻關(guān)階段。
國(guó)產(chǎn)的氦氣液化器雖然已經(jīng)研制成功，但性能和可靠性尚有提升空間。而且液氦儲(chǔ)罐還沒有國(guó)產(chǎn)化，卡在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕熱材料上，要完全自主生產(chǎn)還要時(shí)間。
液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)
在 2021 年研制成功，實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)全國(guó)產(chǎn)
（80L / h 氦液化器 圖：ipc.cas.cn）▼
緩解缺氦問(wèn)題，除了開源，還可以節(jié)流。說(shuō)白了就是省著用，提高回收和再利用率，減少浪費(fèi)，或者研發(fā)氦氣的替代品，也能減少對(duì)氦的需求，把對(duì)外依存度降一點(diǎn)兒是一點(diǎn)兒。
至于在海外尋找更多的氦氣來(lái)源，鑒于資源和技術(shù)的雙重集中，努力是要努力的，但主要取決于別國(guó)的產(chǎn)能和態(tài)度。
中國(guó)的氦氣暫時(shí)還無(wú)法自給自足
尋求多渠道進(jìn)口氦氣也是一種保障氦資源安全的解決方法
（黑龍江駁船上生產(chǎn)氦氣的天然氣深加工技術(shù)裝置）
當(dāng)然，有的人可能想著太陽(yáng)上不全是氦么，能不能搞一點(diǎn)兒下來(lái)，這在技術(shù)難度上應(yīng)該不亞于可控核聚變了，有這能力，基本上也不缺啥了。
中國(guó)的缺氦問(wèn)題雖然很嚴(yán)峻，但辦法總比困難多，從 2018 開始，對(duì)外依存度一直在降，實(shí)現(xiàn)氦氣的穩(wěn)定可持續(xù)供應(yīng)，應(yīng)該是可以期望的。
參考資料：
1. "China's Helium Shortage: Causes and Implications" - Teng et al., Energy Policy, 2018.
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.
5. 唐金榮，張宇軒，周俊林等.全球氦氣產(chǎn)業(yè)鏈分析與中國(guó)應(yīng)對(duì)策略 [J] . 地質(zhì)通報(bào)，2023，42（1）：1-13
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