厲氦呀！別再拿戰略資源、氣體稀土——氦氣吹氣球了

氦元素，在元素周期表中排在第二位，化學符號為He，常見的氦4原子量為4.002602，它有兩種天然同位素：氦3和氦4。

氦元素存在於整個宇宙之中，且總量極為豐富，其總質量僅次於氫元素，是第二多的元素。但氦在地球上的含量卻極為稀少，在空氣中的含量約為52/1,000,000（一百萬分之五十二），這主要和它的物理化學性質有很大的關係。氦在通常情況下為無色、無味氣體；其熔點為-272.2℃（25個標準大氣壓），沸點為-268.9℃；在1個標準大氣壓，0℃時，氦氣的密度為0.1785克/升，空氣的密度為1.289克/升。氦氣是一種單原子分子氣體，也是一種惰性氣體，它不可燃，也沒有毒性，化學性質非常穩定和不活躍，幾乎不與任何物質發生化學反應。正因如此，氦氣很難長期駐留在地球表面。氦氣一旦進入空氣中，在浮力的作用下，它非常容易外溢到大氣層以外的宇宙空間 。可見，氦在地球上是一種正宗的、珍貴的不可再生資源。確切的講，在可控核聚變得到大規模應用之前，氦資源都無法再生。

這麼珍貴的不可再生資源，到底都有什麼用呢？說到這一點，可能很多人第一反應就是迪士尼的氦氣球。由於氦氣特殊的物理化學性質，其非常適合做氣球的填充氣體，它比氫氣更安全。

但受到全球氦氣供應不足、氣體供貨商提價等因素影響，東京迪士尼已於2019年10月起只能限量出售氦氣球，僅依照每月所購得的氦氣存量限量供應。而隨後幾周，迪士尼就已停止出售氦氣球。

如果把氦氣這麼珍貴的資源僅僅用來慶祝節日灌充氣球，那就真的太浪費了。充氣球的確是氦氣最早也是最著名的用途，並且佔了不小的比重，不過氦氣充的「氣球」不光只有玩具，氣象氣球和飛艇也位列其中。19世紀末20世紀初，人們上天主要還是依靠充氣的熱氣球和飛艇。氦氣作為一種惰性氣體，其安全性比一點就爆炸的氫氣不知高了多少倍。因此，氦氣很快就被視為一種重要的軍事資源。

在進行航天發射時，由於火箭燃料十分易燃，只能由氦來幫助運輸這些燃料，以防在運輸過程中出現意外。氦氣作為火箭液體燃料的壓送劑和增壓劑，清洗淨化燃料倉和裝填液體燃料，大量用於飛彈、宇宙飛船和超音速飛機上。

在焊接切割領域，氦氣可作為電弧焊機氣態的安全毯，也可以與高純二氧化碳和高純氮氣一起用作二氧化碳雷射切割機的雷射氣體。電弧熔化焊絲和母材形成的熔池及焊接區域在惰性氣體的保護下，可以有效地阻止周圍環境空氣在高溫下對金屬材料的氧化和氮化，氦可以作為在進行鋁、不鏽鋼、銅和鎂合金等高導熱性材料焊接時的保護氣。這在造船以及飛機、火箭、武器製造等精密焊接領域非常有用。

由於氦氣有著優良的滲透性，常被用於火箭、核反應堆的一些管道及電子和電氣裝置等的檢漏。而現在用量最高的則是低溫領域，由於氦氣是具有理想氣體性質的氣體，且沸點極低，因此，它是極低溫度下蒸氣壓溫度計的理想用氣。氦氣可實現-263.3℃的深冷溫度而不發生相變，它是作為磁共振和核磁共振超導磁體的理想冷凍氣體，從而通過超導效應產生極強的磁場，有效獲取內臟器官和組織等的高解析度圖像。

由於氦氣是惰性氣體的一種，它在血液中的溶解度較氮氣低，因而其麻醉性低於氮氣，因此經常將氦氣與醫用氧氣混合，作為潛水員的呼吸用氣體。

在超市中，收銀員使用的掃碼器內部通常用的是氦-氖雷射器，雷射器中氣體混合物大部分是氦氣。通過氦原子被激發，進一步與氖原子碰撞，產生雷射。氦氣的使用使得雷射器能量消耗更低，效果也更好。

氦氣在半導體晶片中可以實現零部件的快速冷卻，從而提高生產率，還能控制熱傳遞速率，以改善生產效率並減少缺陷。

作為一種不可再生資源，用處又如此廣泛的氦氣，其戰略地位極高。自從1903年堪薩斯州發現了氦氣豐度較高的天然氣田，美國就成為了一直壟斷世界氦氣生產的大戶。1925年，美國立法禁止了向外國和非政府機構出售氦氣，直到1937年，法令才開始有所鬆動，不過基本上還是以政府和軍用為主。到了冷戰時期，由於氦氣在太空競賽裡找到了新的用處，美國政府預測十年後氦氣會變得越來越重要，便又一次籤署了法令，以高價購買天然氣公司分離出的氦氣，並放到一個廢棄氣礦裡儲存起來。氦氣年產量在之後的十年裡，從幾千噸一躍增加到兩萬多噸，但是絕大多數都被儲存了起來。然而，預想的太空時代沒有到來，美國一個星球大戰計劃居然把實誠的蘇聯人忽悠瘸了。愚蠢的戈巴契夫和「蘇奸」葉林欽攜手結束了蘇聯的時代，和美國冷戰的對手一下子變沒了，世界陷入寂靜，氦氣的戰略地位好像也沒那麼重要了。

20世紀90年代，隨著電子技術和核磁共振的發展，私人部門對氦氣的需求也在逐漸提高。美國政府當年可是花大價錢儲存了幾十萬噸氦氣，這批氦氣看起來似乎已經失去了其戰略價值，不如把它賣了換點外快和財政收入。於是，1996年他們決定將這批氦氣賣掉，但是有關法令卻有點嘚兒：二十年內每年銷售二十分之一的儲備，價格是購買儲存氦氣所花掉的錢除以儲藏量。根據相關數據，以2005年為例，氦氣的銷售量有2.3萬噸，而生產量只有1.4萬噸。其餘的部分都是來源於美國拋售的氦氣儲備，其價格又並非由市場決定，而是更接近三十年前美國購買這批氦氣的價格。這2B政府辛辛苦苦儲備氦氣幾十年，最後居然連通脹都沒跑贏。如此大量廉價的氦氣貨源也對正常的市場產生了巨大衝擊。一方面，氦氣的價格遠比應有的價格低，醫療、科研、日常娛樂等領域用上了便宜的氦氣；另一方面，因為便宜，人們在使用氦氣上也就不是那麼在意，且新氦氣礦的開發和氦氣的回收再利用研究進程也變得慢了下來。美國政府當年這批氦氣儲備已於2018年耗盡，儲藏氦氣的礦井預計也將於2021年廢棄。在供需逆轉之下，氦氣價格近年來迅速上升。隨著價格上漲，卡達、俄羅斯等國家也都開始採掘氦氣，人們也開始有意識地節省氦氣或是將氦氣回收再利用。

地球上的氦主要來源於鈾、釷放射性衰變和地幔脫氣。由於其在空氣中含量實在太低，從空氣中提取根本就不划算。目前具有工業價值的氦（>0.1%）主要提取自天然氣，個別儲量豐富的天然氣田含量甚至最高可達7.5%。無論是在空氣分離，還是在天然氣中提取氦氣，其氣體分離核心技術原理都是類似的，利用不同氣體的沸點不同，進行低溫精餾。氣體分離過程大概是這樣的，先將氣體壓縮再進行冷卻，然後將壓縮氣體通過絕熱節流和膨脹做功等方式進行降溫，從而使得氣體液化，再在經六塔中經過多次部分蒸發和部分冷凝，從而實現將各組分離。一個典型的空氣分離系統構成是這樣的：

在氦氣礦藏資源分布方面，根據美國地質調查局數據，全球氦氣總資源量僅為519億立方米，且全球分布極不均勻，主要集中在美國、卡達、阿爾及利亞、俄羅斯和加拿大等國家。其中，美國有206億立方米，佔全球的40%。中國的資源量僅為11億立方米，佔比約2%。

儘管我國氦資源相對貧乏，但隨著經濟的快速發展，國內氦氣需求總量卻在日益擴大，年均增長率高達16%，其驅動力主要來自氦在科學儀器與裝置（特別是超導磁體）中的應用，其中核磁共振成像儀與核磁共振譜儀的氦消耗最多，佔總量的30%以上，原子能反應堆、粒子加速器對氦的消耗量也很大。這些科學儀器與裝置，不僅對於我國基礎研究、技術創新領域具有十分重要意義，且在相關的工業生產、醫療衛生領域也不可替代，這決定了我國對氦資源需求的剛性與巨大潛力。

目前，我國氦氣主要依賴進口，主要來源於卡達、美國和澳大利亞3個國家，年需求量3922 噸（2200 萬立方米），實際供應量僅2939 噸（1600 萬立方米），差額達983 噸（540 萬立方米）。由於美國將氦資源列為戰略儲備資源而限制粗氦產量，其國內液氦設備大規模停產，未來氦氣進口不容樂觀。2017 年液氦批量進口均價為45.5 美元/千克，折氦氣55.8 元/立方米，價格昂貴，並且持續提高。預計2020 年我國氦氣年需求量將增至4400 噸（2240 萬立方米），而供應量將繼續維持在3000 噸（1630 萬立方米），供需差額將進一步拉大至1400 噸（610 萬立方米）。

當前昂貴的氦價格以及美國近期開始實行的定額配給供應措施，已經對我國大量用氦的以核磁共振成像儀、核磁共振譜儀、粒子加速器為代表的科學儀器裝置，以核聚變等離子體強磁場約束、低溫超導技術、極低溫量子科學研究為代表的科研項目，以光纖製造、矽與鍺晶體生長、真空系統檢漏為代表的生產行業產生了重大影響。考慮到當前美國寧可自己不吃飯都要掐死中國的態度，如果美國進一步收緊液氦出口，甚至對中國實施禁運，那我國未來氦資源進口將更加受制於人。如果美國禁運，難道能指望卡達嗎？這種阿拉伯世界的國家，有幾個不是看美國老大臉色做事的？屆時可能會因為無氦供應而使我國現有的許多涉及氦氣和液氦的科學儀器與裝置無法運行，導致相關的科研項目和工程無法實施。

不過，最近我國卻傳來一個好消息：2020年7月28日，我國在寧夏鹽池縣開設了中國首座大型氦氣工廠，並投入使用，這是中國首個可以生產和運營氦氣的商業化設施。該項目採用中科富海（中科院理化技術研究所控股）研發的LNG-BOG低溫提氦裝置，從液化天然氣（LNG）閃蒸汽中提取出高純氦氣。由於原料來自LNG工廠的廢料，其成本與進口相比「很有競爭力」，且可廣泛進行推廣。儘管該工廠預計每年只能生產約20噸的液態氦，這個量在巨大的需求面前只是杯水車薪，但它卻開啟了捍衛國家氦氣戰略安全的大幕。