氦工業形勢與發展

|作者：胡忠軍

(中國科學院理化技術研究所）

本文選自《物理》2026年第4期

摘要氦作為不可再生的稀缺資源，對其氣藏特征、資源分布、回收的研究具有重要的學術價值和工程意義。又因其具有獨特的低溫物理特性，氦在航天、半導體制造、超導技術、醫療成像等高新技術領域具有不可替代的支撐作用。文章梳理氦氣的基礎屬性與資源價值，分析全球氦氣資源的分布特征、儲量格局與供需現狀、應用場景及發展水平?；谑澜绾すI的發展歷程與技術突破，還探討了當前世界范圍內氦產業面臨的供需缺口擴大、低豐度提氦能耗高等亟待突破的瓶頸問題。結合氦資源的不可替代性與戰略重要性，簡要介紹了加大低品位資源開發、推廣氦氣回收再利用、強化資源勘探、建立戰略儲備體系等未來發展方向，為支撐科學研究與高新技術產業可持續發展提供參考。

關鍵詞氦工業，提氦技術，低溫制冷，可持續發展

01

引 言

氦具有獨特的物理性質：極低的沸點、超流態特性、高導熱性、化學惰性等，使其成為現代科技發展不可或缺的關鍵材料。全球傳統富氦氣田逐漸枯竭，產量逐年遞減，而高新技術產業的快速發展導致氦氣需求持續增長，供需缺口不斷擴大，氦資源已成為影響高新技術產業穩定發展的重要因素。

基于此，本文全面介紹氦資源的基礎屬性、資源分布、產業格局、技術進展及發展挑戰等核心信息，系統分析全球氦工業發展趨勢，旨在為氦資源的高效開發與可持續利用提供理論支撐和實踐參考。

02

氦氣工業發展

2.1 美國等其他國家的氦工業

美國氦生產是全球氦工業發展的代表。1914年，德國化學家奧斯特瓦爾德強調了用氦氣代替氫氣填充氣球的優勢，從而引發了對氦資源的探索和利用。美國于1915年在德克薩斯州的彼得羅利亞建造了世界上第一座氦提取工廠[1，2]。

20世紀30年代，氦開始被用于科學和商業用途，例如深海潛水呼吸氣體和新興的醫療領域[3]。隨著氦應用范圍的擴大，為滿足未來氦氣的可用性，美國于1962年建成了位于德克薩斯州阿馬里洛附近的布什穹頂(Bush Dome)氦儲存庫[4]。世界其他一些地區也有小規模的儲存設施，例如法國液化空氣公司在德國格羅瑙-埃佩(Gronau-Epe)的站點，可儲存超過一年的歐洲氦需求[3]。

目前，長期以來作為全球氦主要來源的德克薩斯州、俄克拉荷馬州、堪薩斯州及其周邊地區的天然氣田，如今已開始枯竭，產量正以每年10%至15%的速度下降[5，6]。歷史上，美國生產了超過90%的商用氦，胡果頓氣田(Hugoton)等5個氣田供應了全球氦需求的大約80%[7]。為緩解氦供應短缺問題，20世紀90年代，阿爾及利亞的一家新工廠開始運營，滿足了歐洲現有的氦氣需求。加拿大、俄羅斯、波蘭和東歐也陸續發現了含氦氣田。法國液化空氣集團于2013年在卡塔爾拉斯拉凡成立了世界上最大的氦氣液化工廠，該廠年產能3800萬立方米，有助于緩解氦短缺。俄羅斯天然氣工業股份公司于2023年9月啟動兩條阿穆爾氦生產線，也有望緩解第四輪氦供應短缺[8]。

2.2 我國的氦工業

我國的氦液化早于氦氣的工業生產。1959年，中國科學院物理研究所成功實現氦液化，采用液氫預冷方式，液化率為5 L/h，并研制成了中國首臺林德型氦液化器。由于當時無法獲得充足的氦氣，這項氦液化研究工作推遲了幾年。最后洪朝生等人利用從北京市氧氣廠得到的含氦氣混合尾氣，再通過研發的氦氖分離和純化裝置得到了高純氦。

1958年，原石油工業部四川天然氣研究室開展了含氦豐富的天然氣氣源勘探工作，并完成了我國第一部《天然氣中氦資源普查報告》。1960年4月，在重慶江北南橋寺建起了我國第一個天然氣液化提氦半工業試驗裝置，開展氣體低溫分離提氦研究。最終采用“帶氦預冷的簡單林德循環加液甲烷補冷和氧化銅脫氫”工藝，于1965年2月實驗獲得99.995%—99.9975%的高純氦氣[9]。

新世紀以來，由洪朝生創立的新一代低溫研究團隊，研制出國內工業級300 L/h的氦液化器，在國內首個規模提氦工程中實現示范應用，貫通了“國產氣源、國產裝備、國產液氦”全提氦工業鏈。“大型低溫制冷機及提氦工程示范”項目獲得2024年中國科學院杰出科技成就獎。

03

氦的基礎屬性與價值

氦的產品有氣態和液體兩種形式，廣泛應用于航天、核工業、半導體制造、超導實驗、磁共振成像(MRI)等領域，是高新技術產業不可或缺的材料，部分場合目前尚無直接可替代品。如圖1所示，世界氦消費結構大致為：科學研究和工程應用(22%)、浮空升力氣體(18%)、MRI(17%)、光纖生產和半導體制造(15%)、焊接氣體(8%)、航天應用(7%)、泄漏檢測等其他(13%)[10]。同位素氦-3(3He)憑借更低的超流轉變溫度(約2.6 mK，遠低于氦-4(4He)的2.17 K)這一獨特特性，主要應用于毫開級溫區極低溫制冷、量子科技研發，同時也是未來可控核聚變的理想候選材料。

圖1 氦的消費結構(引自美國地質調查局(USGS)2024年礦物商品概要——氦)

以圖2為例，僅氦氣的輝光放電效應，就有很多重要的應用。氦氣輝光放電是低氣壓下稀薄氦氣受電場激發產生的冷等離子體發光現象，具有等離子體溫度低、發光譜線豐富穩定、氦氣惰性強等特點，這使氦在分析檢測、半導體微加工、光源制造、科學研究等領域形成了獨特且不可替代的應用。

地球上氦的來源主要有三類：一是地殼中鈾、釷等放射性元素衰變產生的殼源氦，以4He為主，多伴生于天然氣田中，占工業利用總量的絕大部分；二是宇宙演化初期形成的原始氦，即地幔氦，以3He為特征；三是宇宙射線與物質相互作用產生的散裂成因氦，實際應用占比極低[11，12]。人工方法也可以合成出氦，采用氘氚可控核聚變反應生成4He，實驗室中還可通過氘氘聚變生成3He[10，13]。

圖2 稀薄氦的輝光放電現象——氦原子結構特征光譜(氦輝光放電主要應用于半導體微加工、真空鍍膜、材料表面改性等)

04

氦的生產與供應格局

氦主要產自伴生的天然氣中，工業可采閾值為氦含量≥0.1%，富氦氣田標準一般≥0.3%[4，14]。根據2023年美國地質調查局數據，全球可采氦資源總量約484億立方米，主要分布于美國(占總儲量的35%—40%)、卡塔爾(占21%)、阿爾及利亞(占17%)、俄羅斯(占14%)；中國資源量約11億立方米(占2.3%)[15]。美國核心氦資源分布于跨堪薩斯州、俄克拉荷馬州和得克薩斯州的潘漢德爾-胡果頓(Panhandle-Hugoton)氣田(天然氣中的氦含量0.25%—2.5%)等[16]?？ㄋ柕暮ぶ饕a自北部氣田，天然氣中的氦含量僅0.04%，但依托液化天然氣(LNG)尾氣(閃蒸汽即BOG)提氦技術成為全球第二大產氦國[17]。俄羅斯的氦集中于東西伯利亞恰揚達(Chayandinskoye)和科維克塔(Kovyktinskoye)氣田(天然氣氦含量0.2%—0.8%)，阿穆爾天然氣處理廠為核心生產基地[18]。阿爾及利亞有兩座商業化氦提取工廠，均為天然氣加工的副產品，約占全球產量的6%—8%，約90%的氦產品定向出口歐洲。

我國的氦氣藏主要分布在中西部疊合盆地、裂谷、斷裂帶等區域。優質氦氣藏需具備“富氦源巖+高效運移通道+載體氣藏+有效蓋層”四大地質條件，如四川盆地威遠氣田(氦含量0.2%—0.36%，首個商業化氣田)、塔里木盆地和田河富氦氣田(氦含量0.26%—0.53%，儲量1.9591×108 m3)、鄂爾多斯盆地北部氣田(少數區域氦含量超0.1%)[19]。從全球氦資源供需格局與應用特性來看，供需失衡與供應脆弱性并存是氦資源面臨的世界性難題[20]。

氦的產能存在明顯瓶頸，2023年全球氦年產量僅約1.7×108 m3，而年需求量超2.2×108 m3，供需矛盾持續擴大。美國傳統富氦氣田已進入開采中后期，俄羅斯阿穆爾提氦項目、坦桑尼亞魯夸(Rukwa)盆地等新產能雖在推進，但受技術等影響，投產周期普遍延遲[20]。

氦的產量不僅取決于儲量和氦豐度等資源稟賦，也與提氦生產的技術工藝密切相關。提氦的工藝主要分為兩類：一是富氦天然氣直接提氦(氦含量≥0.1%)；二是LNG尾氣提氦(氦含量≥0.04%即可經濟開采)，卡塔爾、澳大利亞等國以第二種模式為主[17，21]。

世界上可用的氦資源正在減少。1921年至2021年間氦生產國的數據表明，氦資源預計在短期內是充足的，氦產量預計在2060—2075年或2090—2100年間保持穩定，表明在不久的將來面臨嚴重氦短缺的可能性較低[22，23]。劍橋大學等使用系統動力學方法進行的研究得出結論，至少在2060年之前不會出現供應問題，預計氦氣消費可能在2030年左右達到峰值，長期將達到每年2.8億立方米[22—24]。不過，雖然理論上氦資源至少可以滿足到2060年的生產需求，甚至可能直到2090年，但由于各種原因，例如氣藏位置偏遠和地質條件具有挑戰性，并非所有可用的氦資源都可以被開采[22，23]。隨著對氦需求的增加，為減少對氦的依賴，尋找可行的氦的替代品至關重要。氦的保存、回收和循環利用也應得到更多關注。

05

氦產業瓶頸與發展趨勢

5.1 產業瓶頸

氦產業存在突出的技術瓶頸。例如：(1)低豐度提氦能耗高，對于氦含量小于0.05%的低豐度氦氣，提取過程能耗較高，經濟性不佳[20]；(2)氦氣回收再利用效率不足，目前僅在光纖、MRI生產等領域實現規模化回收，其他應用領域的氦氣回收再利用仍處于較低水平，且部分常見應用由于氦消耗具有分散性，對大規?；厥栈蛟傺h提出了挑戰[20，25]；(3)資源勘探基礎薄弱，氦氣藏成藏機理研究不充分，有效氦源巖評價標準缺失，制約了氦資源的進一步開拓[19，26]。

5.2 不可替代性

從全球氦應用特性來看，其在低溫應用領域基本不可替代，這是由氦的物理特性所決定的。氦的沸點低(-268.93℃，4.2 K)，是自然界唯一能在常壓下達到“超流態”的物質(圖3)，這一特性是氫(沸點-252.87℃)、氖(沸點-246.04℃)等其他低溫介質無法取代的。

圖3 超流氦的噴泉效應(引自Alfred Leitner科普影片“Liquid Helium, Superfluid”)

低溫領域氦替代面臨成本高等諸多問題。例如，醫療領域中，全球3.6萬臺磁共振成像儀(MRI)設備每年消耗約0.60×108 m3液氦，若改用其他小型制冷機技術(如斯特林制冷機等)，單臺設備改造費用超500萬元，且冷卻穩定性差，會導致成像精度下降30%以上，目前僅少數低場強的MRI嘗試替代，高場強MRI仍完全依賴氦。在半導體晶圓刻蝕過程中，需用液氦冷卻硅片以控制尺寸精度；深空探測衛星的紅外探測器需要氦制冷以降低背景噪聲，這些場景如果放棄氦，將可能導致技術指標的衰減[9]。未來需要長期探索替代氦的技術，例如：研發高溫超導材料的應用，降低超導設備對液氦的依賴。但即使高溫超導技術成熟，在超低溫科研(如量子計算)、深空探測等領域，氦的不可替代性仍將長期存在。

值得注意的是，液氦是探索科技創新的重要資源，除支持超導性外，還為許多基礎科學發現做出了貢獻。目前和未來，與氦供應相關的挑戰預計將持續存在，氦危機繼續影響科學界。在美國國家科學院(NAS)等的報告中均強調了液氦的重要性，液氦在當前和未來的科技發展中起著不可或缺的作用，建議全世界關注氦資源的保護和有效利用。美國物理學會分析了液氦危機，指出液氦的短缺可能會阻礙美國在醫學、國家安全和基礎科學領域實現重大突破的能力[27，28]。

為緩解氦氣危機，減少氦氣消耗和實施回收非常重要，以確保科技界不會失去超低溫實驗的機會。例如：為在低溫科學研究中節約氦，可采用閉環低溫恒溫器或“干”系統(即利用吉福德—麥克馬洪(GM)制冷機等代替液氦做冷源)，顯著減少或完全消除對液氦的需求。氦回收系統包括現場收集和再液化部分或全部氦，在較大的系統中，氣體可被回收和凈化，而較小的系統可直接將氣體收集之后集成到低溫恒溫器中，無需單獨的系統。工程實踐證明，氦回收設施可以減少每年的氦消耗量。例如：在大型科研設施中回收和再液化氦，以及純化和再液化氣態氦，都是非常有效的回收方法。

5.3 發展趨勢

目前氦工業發展呈現出以下趨勢：(1)加大低品位資源開發力度，重點發展LNG尾氣(氦含量0.04%—0.1%)提氦技術，降低對高濃度氦氣田的依賴[20]；(2)推廣氦氣回收再利用，擴大范圍，提升回收效率，如在MRI制造領域可以采用磁共振閃蒸氣回收技術，在光纖行業氦氣回收率最高可達95%[20，27]；(3)強化資源勘探工作，深入研究氦氣藏成藏機理，建立有效氦源巖評價標準，加大勘探力度，尋找新的富氦氣藏[19，28]；(4)建立戰略儲備體系，發展地下鹽穴、枯竭油氣藏等儲存方式，建立一定規模的氦資源儲備，以應對氦供應不足帶來的困擾[3，20]。

06

結 論

氦氣作為不可再生稀缺戰略資源，因低沸點、超流態等獨特物理特性，在航天、半導體等高新技術領域具有不可替代作用，是現代高新技術產業發展和科學研究的關鍵支撐。氦主要源于地殼放射性元素衰變，人工合成無經濟性。

氦僅伴生于少數特定地質條件下的天然氣田，造成了世界氦工業格局為少數區域高度集中。氦產品的供需不平衡與供應鏈的脆弱性已成為全球性難題。傳統富氦氣田枯竭導致產量遞減，新產能投產延遲，供需缺口持續擴大，疊加低豐度提氦能耗高、回收效率不足、勘探基礎薄弱等技術瓶頸，構成氦產業面臨的主要挑戰。

短期內氦供應無重大危機(理論可滿足至2060年需求)，但長期仍需考慮加大LNG尾氣提氦技術創新、推廣全領域氦氣回收再利用、強化氣藏成藏機理研究與勘探力度、建立地下氦資源儲備體系。

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