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。
想象中的太阳氦闪（图：novaspace.com）
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（宁夏盐池BOG提氦装置区 图：cigia.org.cn）
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，氦气就容易被液化，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％。
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，他们就长期限制对外供货。这些因素，都导致我们在氦气方面很容易被“卡脖子”。
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，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。
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年开始，对外依存度一直在降，实现氦气的稳定可持续供应，应该是可以期待一下的。
参考资料：
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
本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），作者：无刺王冠龙