从氦气到底气，中国科技真“争气”！

说到被卡脖子的高科技，大家的第一想法可能是这样的：

 光刻机 来源：AI生成

或者是这样的：

 晶圆 来源：AI生成

但我说，更可以是这样的：

氦3气瓶 来源：笔者

上图中看似平平无奇的小瓶里装的就是被誉为”气体芯片“的氦气。它是稀有气体家族的老大哥，元素周期表里的黑龙江，超流现象的开创者，最后的永久气体，也是因制裁而被禁运的重要商品。那么气球中常用的氦气，为什么会被美国如此重视，以至于要实施禁运呢？请听我慢慢道来。

氦4与氦3

氦（Helium），化学符号 He，是一种无色、无味的惰性稀有气体，在地球上储量很少，但在宇宙中含量仅次于氢。氦最早在1868年由天文学家在太阳光谱中发现，其名源自希腊语“Helios”，意为太阳。直到1895年，人类才在铀矿石中分离出它的踪迹。氦有⁴He和³He两种同位素。⁴He原子由两个质子、两个中子和两个电子组成，化学性质极其稳定，几乎不和任何物质发生化学反应。

可见光光谱 来源：AI生成

氦气有很多优良特性，比如其惰性和高导热率使其在冶金工业中成为理想的保护气体，沸点低因此可置换火箭中的液氧和液氢，密度低且在空气中含量低使其成为真空系统中广泛使用的检漏气体，常见的气球也是用氦气充气。尤其当液氦冷却到 2.17 K 以下时，会转变为一种无黏滞的神奇液体——超流体，能沿壁上爬、永不停息地流动，展示出宏观量子世界的奇迹。

气球 来源：stocksnap

氦气的应用

氦确实具备很多优良特质，那么为什么它会被称为气体芯片呢？因为芯片是现代高科技产业的核心基础，而氦是低温、半导体、航天等产业的底层支撑气体。氦同时具有惰性、低沸点、热导率、超流等特性，是降温到4K以下的唯一介质，具有不可替代性。芯片生产依赖极高纯度的硅和光刻工艺，而氦提取、纯化、回收也依赖低温分离和高纯控制的工艺。

氦与晶圆 来源：AI生成

此外，在等离子刻蚀中，氦气作为载气和冷却气，被用于维持晶圆温度稳定。在光刻机中，氦也被用作镜面和光源系统的冷却保护气体，可以说没有氦就没有芯片产业。氦不仅是一种气体，更是支撑科技底层运行的战略性资源，因此被誉为“气体芯片”。

对我们科研人员来说，氦更是至关重要，因为它是获取4K以下低温环境不可或缺的原材料，正是基于液氦提供的低温环境作为前级保护，我们才能获得更低的温度。

³He气瓶 来源：笔者

和⁴He相比，³He的存在感似乎要低很多，它的价格也和日常生活不沾边。每升⁴He气的价格不过数元。但³He的价格却高达25000元/升，是同等重量黄金价格的千倍以上。

如此昂贵的物质当然有其重要用途。几乎所有的³He都用于安全领域。具体来说，³He比⁴He少一个中子，具备较强的吸收中子的能力，因此最主要的用途是中子探测器。基础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在医疗领域也有重要用途，如核磁共振中，吸入³He可以获得高质量三维肺组织图像。

³He的主要用途占比统计^[3]  来源：参考文献

³He更是低温和量子领域的基石。目前唯一能稳定提供10mK以下环境的稀释制冷机就依赖于⁴He与³He的相分离现象。刚刚摘得2025年诺贝尔物理学奖的超导量子计算则需要20mK以下的环境来抑制热激发。没有³He，就没有稀释制冷机，超导量子计算也就无从谈起。此外，³He的超流态中还有很多可以挖掘的科学现象（paper）。

自研稀释制冷机模型 来源：笔者

氦气从哪里来

既然氦这么重要，该如何保证氦的稳定供应呢？实不相瞒，本文的标题原本应该是《国内氦气提取技术研究与产业发展趋势分析》投综述然后被拒稿，但被物理所公众号主编从回收站里翻出来得以重见天日谢谢主编......

咳咳扯远了，前面关于氦气的介绍确实比较老生常谈，但⁴He和³He分别从哪里来其实是一个很关键的问题：如此重要的资源怎么避免被”卡脖子“？

先说⁴He。⁴He目前主要从天然气中分离获取，因此是不可再生的战略资源。世界氦气资源相对集中，主要分布在美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯等少数国家，其资源量占世界氦气总资源量的约90%，其中美国占比约40%，是世界上氦资源最丰富的国家，而我国是一个贫氦国，但需求量占全球总消耗量的约20%（2023年数据）。因此，我国对氦气的供应问题做出了充足的预案。

近年来世界氦气年需求量2亿立方米左右，其中亚太地区占 47%、北美地区占24%、欧洲占20%、其他地区占9%。亚太地区氦气资源供应缺口最大，其中，我国2023年气消费量2565万立方米，在亚洲氦气需求中所占份额最大(约42%)^[1]。来源：隆众资讯

2020-2024年 中国氦气进口情况统计。据相关资料显示，2025年我国氦气需求量将达2900万立方米左右，2030年将达3700万立方米左右^[1]。来源：隆众资讯

首先是提高产量，改进技术。2020年前，我国从天然气中分离氦气的产业尚不成熟，纯度也较低，6N（99.9999%）以上的高纯氦完全依赖进口，⁴He的对外依存度长期处于 98%左右^[1]。但随着我国氦气分离技术的成熟，相关产线投产后，国内的氦气产量逐年提升（如下表所示），纯度指标也捷报频传。2025年8月，国内首套从天然气中提取超纯氦气的装置通过验收^[6]，该装置产出氦气纯度达到99.99997%（6N9级），标志着高纯氦领域的国产化突破。

据相关从业人员估算，截至目前国内氦气产量已能覆盖约20%的需求。

我国氦气供应情况统计^[5] 来源：参考文献

然后是调整进口结构。截至目前，我国已基本停止从美国，改从俄罗斯和卡塔尔进口氦气，让氦气的来源更加稳定可控。

2025年9月中国⁴He进口数据统计，其中卡塔尔占64%，俄罗斯36%，美国仅占0.01%  来源：隆众资讯

最后，虽然普遍认为我国是一个贫氦国家，但我国或许并不缺氦。虽然氦是天然气开采的副产品，但目前还没有天然气和氦的形成之间存在直接联系的证据。地壳相比地幔很薄，地幔和地核处的重元素裂变产生的氦应该是地球上氦的主要来源，并且现在的地壳其实就是早期岩浆海冷却后形成的。当氦产生后，在地壳处沿大型山脉往高处流动。简单来说就是水往低处流，海往高处走。因此，青藏高原可能藏有大量的氦资源^[2]。

而³He的情况就要严峻的多。前面已经介绍过³He的高昂价格，究其原因，是因为³He是一种地球上天然几乎不存在的物质。全球每年³He的总产量约为15万升，2021年全球市场中³He短缺约为5.5万升^[3]，国内市场上的³He全部从俄罗斯进口。目前可行的获取-3的方式有三种：

第一是从⁴He中提取。目前从天然气中提取到的⁴He中存在天然丰度约为1.37ppm的³He，如能全部提取则有约20万升，可完全满足全球对³He的需求，目前国内有数家机构在攻关这项技术。但目前ppm量级的同位素分离在技术上尚未取得突破，且需要在极低温下分离，成本可能较高。

第二是利用核反应。氚是唯一的工业³He来源^[4]，目前能稳定获取³He，基本都来自核武器或反应堆的衰变，只有美国和俄罗斯向外出口。因此，目前国内市场上的³He全部从俄罗斯进口。但我国并非不能自产³He，而是由于核相关并不出售流通，³He的产量相关信息也均为机密。

中国第一颗原子弹爆炸成功 来源：中国军网

第三，虽然地球上没有³He，但月球上有啊！月壤中含有极其丰富的³He资源，据2007年嫦娥一号遥感估算储量达66万吨，等同于取之不尽用之不竭，因此，从月球提取并带回³He是目前最有潜力的获取方式。2024年，嫦娥六号就已经成功从月球背面带回近2kg月壤样品，证明将月球的³He带回地球并非遥不可及。这充分体现了国家在能源与科技布局上的高瞻远瞩。

来源：央视网

结语

氦在航天航空、国防、医疗等领域中有广泛应用，是现在芯片、低温、量子领域的基石，和国家乃至每个人的命运都息息相关。比如小编我，没有氦我们整个组就会原地倒闭（真的）。所幸随着国内氦气产业的发展，氦-4的来源都有切实的保障，氦-3虽然仍完全依赖进口，但其获取已经有了可行的发展方向。我们科研人员有着足够的底气为祖国“争气”！

读到这里，相信你对氦气的应用和产业都有了很深入的了解，最后出一个小题目考考聪明的读者。第一个答对且有正确过程的留言将获得小编送出的明信片一张！

请听题

根据文中数据估算常温常压下1g ³He气的价格。

特别致谢：感谢中国科学院理化技术研究所戴巍研究员和北京理工大学黄元教授对本文提供的帮助。

参考文献：

[1]国内外氦气发展现状  中国气体协会

[2]黄元,黄泽平,张全震,等.寻找氦资源的新思路及初步实践[J].科学通报,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]Bulubașa 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]龚硕锴.我国氦气提取技术及市场发展分析[J].低温与特气,2025,43(03):4-7.DOI:CNKI:SUN:DWTQ.0.2025-03-002.

[6]新装置从天然气中提取氦气纯度达99.99997% 新华网