說(shuō)到被卡脖子的高科技，大家的第一想法可能是這樣的：

光刻機(jī) 來(lái)源：AI生成

或者是這樣的：

晶圓 來(lái)源：AI生成

但我說(shuō)，更可以是這樣的：

氦3氣瓶 來(lái)源：筆者

上圖中看似平平無(wú)奇的小瓶里裝的就是被譽(yù)為”氣體芯片“的氦氣。它是稀有氣體家族的老大哥，元素周期表里的黑龍江，超流現(xiàn)象的開(kāi)創(chuàng)者，最后的永久氣體，也是因制裁而被禁運(yùn)的重要商品。那么氣球中常用的氦氣，為什么會(huì)被美國(guó)如此重視，以至于要實(shí)施禁運(yùn)呢？請(qǐng)聽(tīng)我慢慢道來(lái)。

氦4與氦3

氦（Helium），化學(xué)符號(hào) He，是一種無(wú)色、無(wú)味的惰性稀有氣體，在地球上儲(chǔ)量很少，但在宇宙中含量?jī)H次于氫。氦最早在1868年由天文學(xué)家在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)，其名源自希臘語(yǔ)“Helios”，意為太陽(yáng)。直到1895年，人類才在鈾礦石中分離出它的蹤跡。氦有4He和3He兩種同位素。4He原子由兩個(gè)質(zhì)子、兩個(gè)中子和兩個(gè)電子組成，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

可見(jiàn)光光譜 來(lái)源：AI生成

氦氣有很多優(yōu)良特性，比如其惰性和高導(dǎo)熱率使其在冶金工業(yè)中成為理想的保護(hù)氣體，沸點(diǎn)低因此可置換火箭中的液氧和液氫，密度低且在空氣中含量低使其成為真空系統(tǒng)中廣泛使用的檢漏氣體，常見(jiàn)的氣球也是用氦氣充氣。尤其當(dāng)液氦冷卻到 2.17 K 以下時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N無(wú)黏滯的神奇液體——超流體，能沿壁上爬、永不停息地流動(dòng)，展示出宏觀量子世界的奇跡。

氣球 來(lái)源：stocksnap

氦氣的應(yīng)用

氦確實(shí)具備很多優(yōu)良特質(zhì)，那么為什么它會(huì)被稱為氣體芯片呢？因?yàn)樾酒乾F(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)，而氦是低溫、半導(dǎo)體、航天等產(chǎn)業(yè)的底層支撐氣體。氦同時(shí)具有惰性、低沸點(diǎn)、熱導(dǎo)率、超流等特性，是降溫到4K以下的唯一介質(zhì)，具有不可替代性。芯片生產(chǎn)依賴極高純度的硅和光刻工藝，而氦提取、純化、回收也依賴低溫分離和高純控制的工藝。

氦與晶圓 來(lái)源：AI生成

此外，在等離子刻蝕中，氦氣作為載氣和冷卻氣，被用于維持晶圓溫度穩(wěn)定。在光刻機(jī)中，氦也被用作鏡面和光源系統(tǒng)的冷卻保護(hù)氣體，可以說(shuō)沒(méi)有氦就沒(méi)有芯片產(chǎn)業(yè)。氦不僅是一種氣體，更是支撐科技底層運(yùn)行的戰(zhàn)略性資源，因此被譽(yù)為“氣體芯片”。

對(duì)我們科研人員來(lái)說(shuō)，氦更是至關(guān)重要，因?yàn)?strong>它是獲取4K以下低溫環(huán)境不可或缺的原材料，正是基于液氦提供的低溫環(huán)境作為前級(jí)保護(hù)，我們才能獲得更低的溫度。

3He氣瓶 來(lái)源：筆者

和4He相比，3He的存在感似乎要低很多，它的價(jià)格也和日常生活不沾邊。每升4He氣的價(jià)格不過(guò)數(shù)元。但3He的價(jià)格卻高達(dá)25000元/升，是同等重量黃金價(jià)格的千倍以上。

如此昂貴的物質(zhì)當(dāng)然有其重要用途。幾乎所有的3He都用于安全領(lǐng)域。具體來(lái)說(shuō)，3He比4He少一個(gè)中子，具備較強(qiáng)的吸收中子的能力，因此最主要的用途是中子探測(cè)器。基礎(chǔ)物理中要研究基本粒子的相互作用，以及石油勘探也需要用到3He。3He在醫(yī)療領(lǐng)域也有重要用途，如核磁共振中，吸入3He可以獲得高質(zhì)量三維肺組織圖像。

3He的主要用途占比統(tǒng)計(jì)[3] 來(lái)源：參考文獻(xiàn)

3He更是低溫和量子領(lǐng)域的基石。目前唯一能穩(wěn)定提供10mK以下環(huán)境的稀釋制冷機(jī)就依賴于4He與3He的相分離現(xiàn)象。剛剛摘得2025年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的超導(dǎo)量子計(jì)算則需要20mK以下的環(huán)境來(lái)抑制熱激發(fā)。沒(méi)有3He，就沒(méi)有稀釋制冷機(jī)，超導(dǎo)量子計(jì)算也就無(wú)從談起。此外，3He的超流態(tài)中還有很多可以挖掘的科學(xué)現(xiàn)象（paper）。

自研稀釋制冷機(jī)模型 來(lái)源：筆者

氦氣從哪里來(lái)

既然氦這么重要，該如何保證氦的穩(wěn)定供應(yīng)呢？實(shí)不相瞞，本文的標(biāo)題原本應(yīng)該是《國(guó)內(nèi)氦氣提取技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析》投綜述然后被拒稿，但被物理所公眾號(hào)主編從回收站里翻出來(lái)得以重見(jiàn)天日謝謝主編......

咳咳扯遠(yuǎn)了，前面關(guān)于氦氣的介紹確實(shí)比較老生常談，但4He和3He分別從哪里來(lái)其實(shí)是一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題：如此重要的資源怎么避免被”卡脖子“？

先說(shuō)4He。4He目前主要從天然氣中分離獲取，因此是不可再生的戰(zhàn)略資源。世界氦氣資源相對(duì)集中，主要分布在美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯等少數(shù)國(guó)家，其資源量占世界氦氣總資源量的約90%，其中美國(guó)占比約40%，是世界上氦資源最豐富的國(guó)家，而我國(guó)是一個(gè)貧氦國(guó)，但需求量占全球總消耗量的約20%（2023年數(shù)據(jù)）。因此，我國(guó)對(duì)氦氣的供應(yīng)問(wèn)題做出了充足的預(yù)案。

近年來(lái)世界氦氣年需求量2億立方米左右，其中亞太地區(qū)占 47%、北美地區(qū)占24%、歐洲占20%、其他地區(qū)占9%。亞太地區(qū)氦氣資源供應(yīng)缺口最大，其中，我國(guó)2023年氣消費(fèi)量2565萬(wàn)立方米，在亞洲氦氣需求中所占份額最大(約42%)[1]。來(lái)源：隆眾資訊

2020-2024年 中國(guó)氦氣進(jìn)口情況統(tǒng)計(jì)。據(jù)相關(guān)資料顯示，2025年我國(guó)氦氣需求量將達(dá)2900萬(wàn)立方米左右，2030年將達(dá)3700萬(wàn)立方米左右[1]。來(lái)源：隆眾資訊

首先是提高產(chǎn)量，改進(jìn)技術(shù)。2020年前，我國(guó)從天然氣中分離氦氣的產(chǎn)業(yè)尚不成熟，純度也較低，6N（99.9999%）以上的高純氦完全依賴進(jìn)口，4He的對(duì)外依存度長(zhǎng)期處于 98%左右[1]。但隨著我國(guó)氦氣分離技術(shù)的成熟，相關(guān)產(chǎn)線投產(chǎn)后，國(guó)內(nèi)的氦氣產(chǎn)量逐年提升（如下表所示），純度指標(biāo)也捷報(bào)頻傳。2025年8月，國(guó)內(nèi)首套從天然氣中提取超純氦氣的裝置通過(guò)驗(yàn)收[6]，該裝置產(chǎn)出氦氣純度達(dá)到99.99997%（6N9級(jí)），標(biāo)志著高純氦領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化突破。

據(jù)相關(guān)從業(yè)人員估算，截至目前國(guó)內(nèi)氦氣產(chǎn)量已能覆蓋約20%的需求。

我國(guó)氦氣供應(yīng)情況統(tǒng)計(jì)[5] 來(lái)源：參考文獻(xiàn)

然后是調(diào)整進(jìn)口結(jié)構(gòu)。截至目前，我國(guó)已基本停止從美國(guó)，改從俄羅斯和卡塔爾進(jìn)口氦氣，讓氦氣的來(lái)源更加穩(wěn)定可控。

發(fā)貨地

卡塔爾

俄羅斯

數(shù)量（千克）

金額（美元）

2025年9月中國(guó)4He進(jìn)口數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中卡塔爾占64%，俄羅斯36%，美國(guó)僅占0.01% 來(lái)源：隆眾資訊

最后，雖然普遍認(rèn)為我國(guó)是一個(gè)貧氦國(guó)家，但我國(guó)或許并不缺氦。雖然氦是天然氣開(kāi)采的副產(chǎn)品，但目前還沒(méi)有天然氣和氦的形成之間存在直接聯(lián)系的證據(jù)。地殼相比地幔很薄，地幔和地核處的重元素裂變產(chǎn)生的氦應(yīng)該是地球上氦的主要來(lái)源，并且現(xiàn)在的地殼其實(shí)就是早期巖漿海冷卻后形成的。當(dāng)氦產(chǎn)生后，在地殼處沿大型山脈往高處流動(dòng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是水往低處流，海往高處走。因此，青藏高原可能藏有大量的氦資源[2]。

而3He的情況就要嚴(yán)峻的多。前面已經(jīng)介紹過(guò)3He的高昂價(jià)格，究其原因，是因?yàn)?strong>3He是一種地球上天然幾乎不存在的物質(zhì)。全球每年3He的總產(chǎn)量約為15萬(wàn)升，2021年全球市場(chǎng)中3He短缺約為5.5萬(wàn)升[3]，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的3He全部從俄羅斯進(jìn)口。目前可行的獲取-3的方式有三種：

第一是從4He中提取。目前從天然氣中提取到的4He中存在天然豐度約為1.37ppm的3He，如能全部提取則有約20萬(wàn)升，可完全滿足全球?qū)?He的需求，目前國(guó)內(nèi)有數(shù)家機(jī)構(gòu)在攻關(guān)這項(xiàng)技術(shù)。但目前ppm量級(jí)的同位素分離在技術(shù)上尚未取得突破，且需要在極低溫下分離，成本可能較高。

第二是利用核反應(yīng)。氚是唯一的工業(yè)3He來(lái)源[4]，目前能穩(wěn)定獲取3He，基本都來(lái)自核武器或反應(yīng)堆的衰變，只有美國(guó)和俄羅斯向外出口。因此，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的3He全部從俄羅斯進(jìn)口。但我國(guó)并非不能自產(chǎn)3He，而是由于核相關(guān)并不出售流通，3He的產(chǎn)量相關(guān)信息也均為機(jī)密。

中國(guó)第一顆原子彈爆炸成功 來(lái)源：中國(guó)軍網(wǎng)

第三，雖然地球上沒(méi)有3He，但月球上有??！月壤中含有極其豐富的3He資源，據(jù)2007年嫦娥一號(hào)遙感估算儲(chǔ)量達(dá)66萬(wàn)噸，等同于取之不盡用之不竭，因此，從月球提取并帶回3He是目前最有潛力的獲取方式。2024年，嫦娥六號(hào)就已經(jīng)成功從月球背面帶回近2kg月壤樣品，證明將月球的3He帶回地球并非遙不可及。這充分體現(xiàn)了國(guó)家在能源與科技布局上的高瞻遠(yuǎn)矚。

來(lái)源：央視網(wǎng)

結(jié)語(yǔ)

氦在航天航空、國(guó)防、醫(yī)療等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)在芯片、低溫、量子領(lǐng)域的基石，和國(guó)家乃至每個(gè)人的命運(yùn)都息息相關(guān)。比如小編我，沒(méi)有氦我們整個(gè)組就會(huì)原地倒閉（真的）。所幸隨著國(guó)內(nèi)氦氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，氦-4的來(lái)源都有切實(shí)的保障，氦-3雖然仍完全依賴進(jìn)口，但其獲取已經(jīng)有了可行的發(fā)展方向。我們科研人員有著足夠的底氣為祖國(guó)“爭(zhēng)氣”！

讀到這里，相信你對(duì)氦氣的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)都有了很深入的了解，最后出一個(gè)小題目考考聰明的讀者。第一個(gè)答對(duì)且有正確過(guò)程的留言將獲得小編送出的明信片一張！

請(qǐng)聽(tīng)題

根據(jù)文中數(shù)據(jù)估算常溫常壓下1g 3He氣的價(jià)格。

特別致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所戴巍研究員和北京理工大學(xué)黃元教授對(duì)本文提供的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)氣體協(xié)會(huì)

[2]黃元,黃澤平,張全震,等.尋找氦資源的新思路及初步實(shí)踐[J].科學(xué)通報(bào),2021,66(33):4212-4217.

[3]Verkhovniy A I, Bondarenko V L, Kutsko A G, et al. Sources for helium-3 isotope extraction and prospects of its development[J]. Chemical and Petroleum Engineering, 2022, 57(11): 940-951.

[4]Buluba?a G, Cristescu I, Bornea A, et al. Studies on helium-3 separation at Cernavoda nuclear power plant[J]. Fusion Engineering and Design, 2019, 146: 398-401

[5]龔碩鍇.我國(guó)氦氣提取技術(shù)及市場(chǎng)發(fā)展分析[J].低溫與特氣,2025,43(03):4-7.DOI:CNKI:SUN:DWTQ.0.2025-03-002.

[6] 新華網(wǎng)

編輯：黃水機(jī)