前言：氦元素在元素周期表中的原子序数为2，在大众认知里，氦气常被等同于填充气球的气体。但实际上，早在2023年，氦气就已被我国纳入《战略性矿产资源目录》，成为与稀土、锂地位相当的战略性资源。然而，这种对大国经济发展与国家安全至关重要的核心资源，我国几乎100%需要从海外进口，且进口来源主要集中在全球储量最丰富的美国。就在我国限制美国使用国产稀土之际，美国也计划通过氦气禁运的方式，对中国的工业生产与国防建设造成冲击，不过幸运的是，我国早已对此做好了应对准备。
一：氦气的应用价值
1895年，英国化学家威廉・拉姆赛在对钇铀矿展开研究的过程中，发现了一种特殊气体。随后，英国光谱学家兼物理学家威廉・克鲁克斯将其命名为Helium，该元素在元素周期表中归属于零族，属于惰性气体范畴。在常温环境下，氦气呈现为无色无味的状态，在水中的溶解度极低，其密度仅为空气的0.138倍，是目前已知元素中熔点与沸点最低的物质。氦气的化学性质十分稳定，基本不会与其他物质形成化合物；液化后的氦气温度接近-268.9℃，且具备极强的导热性，经其冷却后的金属会完全失去电阻。凭借极端低温特性与绝对化学惰性，氦气被广泛用作工业生产的原材料，从半导体工厂光刻机的冷却系统、核磁共振成像设备、量子计算机，到运载火箭发射，氦气都发挥着不可或缺的作用，还被美国列为对国家利益至关重要的35种关键矿产之一。
氦气较为常见的用途是清洗液体火箭发动机的液氢储罐与输送管道。运载火箭大多采用液体火箭发动机作为动力源，但液体火箭发动机所使用的液氢推进剂温度极低，需要对低温贮槽液面上方的空间进行加压，以此提供直接输送所需的压力。若使用其他气体对液氢储罐与管道系统进行清洗和增压，这些气体极易冻结，进而堵塞管道与阀门；而氦气的液化温度远低于氢气，可有效避免这一问题。此外，火箭壳体的结构材料会根据推进剂的不同而有所差异，普通钢材在接触到-183℃的液氧时，脆性会堪比玻璃，因此壳体材料必须具备足够的塑性；为防止推进剂渗漏，材料的焊接质量要求极高，且火箭壳体尺寸庞大，焊接成型后无法再进行热处理工艺。
要解决这些技术难题，焊接过程中就需要氦气提供保护。氦气具备高电离性与高声波速度，这使其能够作为电弧焊接的介质，保障电弧电离效果、电弧稳定性以及功率转换效率，从而确保焊接的均匀性与质量稳定性。在航空、航天、导弹、舰艇等对焊接精度要求较高的领域，氦气的应用十分广泛，主要作用是在金属熔化时，阻止其与空气中的氧气、氮气发生反应。钨电弧焊作业中，需使用氦氩混合气进行保护；在等离子体电弧装置里，氦气可作为工作介质产生等离子体射流，用于切割航空合金材料；在金属冶炼过程中，氦气还能作为载气输送产品，同时作为惰性气体调节反应速率。除此之外，氦气还是氦氖激光陀螺仪的核心激光气体，可用于飞机、舰艇、导弹的导航与制导系统；氦气也是高超音速风洞实验的关键气体，当温度加热至1000K时，风洞实验速度可达到42马赫。
从全球氦气消费情况来看，2007年的年消费量为1.62亿立方米，截至目前已增至3.2亿立方米。随着我国半导体、医疗、航天制造等产业的快速发展，对氦气的需求持续攀升：2016年，我国氦气进口量为1765万立方米；2017年进口量达到2006万立方米，同比增长13.5%；2018年进口量进一步升至2290万立方米，增幅达23%；预计到2025年，进口量将高达3000万立方米。其中，半导体制造领域对氦气的需求占比达到28%，一座晶圆厂每年需消耗超过100万立方米纯度为99.9999%的超纯氦气，用于保护气与冷却剂；一台核磁共振设备每年需消耗1000升氦气作为超导磁体的制冷剂，全国6万台核磁共振设备的年氦气总消费量可达900万立方米；发射一次运载火箭需要20万立方米氦气，空间站每年的氦气消耗量为50万立方米；一座100万千瓦的核聚变电站每年需消耗1000万立方米氦气，量子计算机每年消耗2000立方米氦气，且消耗量以每年15%的速度增长；光纤制造领域的氦气年消耗量增速也达到14%。在此背景下，我国氦气进口占比曾一度超过95%。
二：中国氦气资源的短板问题
尽管氦气在宇宙中的储量极为丰富，但在地球上，它却是一种不可再生的稀缺资源，其形成过程与地壳深处放射性元素的α衰变密切相关。在地球上，氦气的获取主要有两个途径：一是从大气中提取，但由于氦气在空气中的含量仅为百万分之5.2，提取成本极高，经济可行性极低；二是从天然气中提纯，其具体过程为：地壳矿物中的铀、钍元素通过放射性衰变产生氦气，随后氦气通过扩散作用或矿物重结晶进入岩石孔隙；当孔隙水中产生气泡时，氦气便会融入气相，导致水中氦浓度快速下降，而气相中氦浓度不断升高；之后，氦气随着熔体活动与火山运动扩散至地壳上部，在气水界面处溶解，最终形成富氦天然气。这一形成过程极为缓慢，需要经过上亿年的积累，才能达到0.1%的可开采浓度；在含有古老富铀、钍成分的花岗岩沉积盆地中，天然气中的氦浓度最高可超过10%。
由于氦气成矿条件极为特殊，导致全球氦气资源分布格局高度集中。目前，全世界氦气资源总储量为519亿立方米，按现有消费水平可开采160年。其中，美国的氦气储量达206亿立方米，占全球总储量的40%，年产量约为0.91亿立方米，长期稳居全球氦气资源储量首位；卡塔尔紧随其后，储量为101亿立方米，占全球储量的22%，年产量约0.45亿立方米；阿尔及利亚拥有82亿立方米氦气储量，年产量约0.14亿立方米；俄罗斯的氦气储量为68亿立方米，年产量约0.03亿立方米；加拿大的氦气储量为20亿立方米；我国氦气储量仅为11亿立方米，仅占全球总储量的2%，且资源分布极为分散，主要集中在塔里木盆地与柴达木盆地，氦气浓度仅为0.04%-0.1%；而美国与卡塔尔的天然气中，氦气浓度普遍在0.3%-2%之间，最高可达7%。
对富氦天然气的加工流程为：先通过钻探开采获得原料气，再采用醇胺法去除其中的杂质，将原料气纯度提升至99.5%；随后利用氦气与甲烷、乙烷的沸点差异，通过低温精馏工艺进行分离——将原料气降温至-160℃，使甲烷、乙烷液化，剩余含氦量70%-90%的气体即为粗氦；之后去除粗氦中的氮气、氢气等杂质，得到纯度为99.999%的高纯液化氦，进一步提纯后纯度可达到99.9999%。通过上述工艺，我国在2023年生产了350万立方米氦气，仅能满足国内10%的需求，其余83%的氦气均需依赖进口；2024年，我国氦气进口量为2400万立方米，进口占比达82%。其中，6N级超纯氦的进口占比为45%，全部来自美国空气产品公司与卡塔尔拉斯拉凡工业公司；5N级氦气的进口占比为35%；工业级氦气的进口占比为20%。
过去，美国一直是我国氦气的最大进口来源国，进口占比长期超过50%。自1963年起，美国就在全球氦气市场中掌握着绝对话语权，其对华出口氦气时，要求在合同中明确标注“仅用于非军事目的”。此外，美国还会随意减少氦气供应量，导致全球氦气价格大幅波动：1990年以来，美国政府多次通过垄断或调控手段干预氦气的供需平衡；2018年，美国将粗氦拍卖量从2017年的14.16亿立方米缩减至5.95亿立方米，氦气价格随即从4.29美元/立方米飙升至10.1美元/立方米，涨幅高达135%；2022年俄乌冲突爆发后，氦气价格再次上涨30%。在我国高端制造业对氦气需求逐年增长的背景下，美国国内的“鹰派”势力也计划对我国实施氦气禁运。
美国陆军国防采购大学出版的《国防采购技术与后勤》杂志，曾刊登一篇题为《上升与离去：氦气市场》的文章，作者约翰・G.费拉里担任美国陆军试验和鉴定司令部白沙导弹靶场司令，此前还在美国陆军参谋部负责资源相关工作。该文章指出，氦气的独特性质使其在电子装备、医疗设备、工业应用、航天系统及防务系统中具有不可替代性，但氦气储量有限，全球总储量仅约390亿立方米，而全球对氦气的需求正以每年8%的速度增长，因此氦气资源面临较高的政治风险，未来可能会成为政治战或经济战的博弈工具。基于此，费拉里建议美国政府为维护本国国家利益，应收购国内多余的氦气，扩大氦气战略储备规模，而非将氦气对外出售。
三：中国氦气的自主化突破
中国在氦气供应风险应对上早有布局，2024年从美国进口的氦气占比锐减至5%，卡塔尔与俄罗斯则成为核心进口来源国，占比分别达到53%和43%。尽管进口渠道的多元化有效稀释了供应风险，但中国依赖海外进口氦气的整体格局并未发生根本改变。受战争局势紧张影响，卡塔尔与俄罗斯曾出现氦气出口中断情况，直接引发全球氦气供应短缺，价格波动也逐渐成为行业常态。2025年中东局势升级期间，卡塔尔曾暂停氦气出口15天，仅单家晶圆厂因此新增的年度运营成本就超过1亿元。此外，氦气提纯本身属于技术难度极高的领域，全球80%的氦气提纯技术长期被美国与卡塔尔垄断；而氦气提纯所需的低温制冷机组、透平膨胀机等关键设备，完全由美国泰莱华顿公司独家掌控，该企业始终拒绝向中国出口此类核心设备。目前国内自主生产的7N级超纯氦提纯设备与大型氦液化器，其关键零部件仍需依赖进口。
在中国现有的50家氦气生产企业中，仅有5家企业的年产能突破100万立方米；其余中小型企业因技术实力薄弱，仅能开展低端工业级氦气的生产。为打破氦气供应受制于人的局面，中国在过去十年大幅加大氦气相关地质勘探投入，并于2023年在陕西渭南发现国内首个独立氦气藏，该气藏氦气浓度高达0.5%-0.8%，但可开采储量仅为1.2亿立方米。在四川盆地、鄂尔多斯盆地等五大盆地的页岩气资源中，已探明的氦气储量达80亿立方米，然而其开采成本比天然气高出40%以上。当前新疆塔里木盆地是中国最大的氦气生产基地，年产能达150万立方米；陕西渭南氦气年产量为100万立方米；青海柴达木盆地与四川盆地正推进页岩气提氦项目；此外，在煤层气资源开发中，采用碳分子筛-沸石复合膜技术也可实现氦气提取。
除此之外，中国还采用“以投资换资源”的合作模式，在阿尔及利亚、莫桑比克、坦桑尼亚三国布局氦气优先采购权益。其中在坦桑尼亚援建的姆贝亚氦气提纯厂已正式投产，年产能达300万立方米；阿尔及利亚的哈西鲁迈勒气田计划于2026年投产，预计年产能为200万立方米。2024年国内氦气产能较前一年增长近40%，6N级超纯氦产能从2020年的零产量，逐步提升至2025年的150万立方米。按照规划，到2030年中国氦气年产量有望达到5000万立方米，其中超纯氦产量将达1000万立方米，自给率将提升至35%；同时通过海外投资，中国还将掌控全球10%以上的氦气产能。此外，中国已在天津、宁波、青岛三座城市建立氦气战略储备基地，储备量可支撑6个月的使用需求。
在氦气提取技术领域，中国于2020年成功搭建首套提氦装置，可产出5N级纯氦气。南开大学研发团队开发的碳分子筛-沸石复合膜技术，将氦气回收率从75%提升至92%；而膜分离与低温精馏耦合技术的应用，使提氦成本降低30%，能耗同步下降40%。2025年中国又研发出“低温精制及脱氖装置”，可产出6N9级超纯氦气；自主研发的低温制冷机组、透平膨胀机已达成规模化生产，目前大部分提氦设备国产化率达100%，7N级超纯氦提纯设备与大型氦液化器的国产化率，已从2020年的20%提升至75%。与此同时，中国还建立了氦气回收利用体系，回收率超90%，在半导体生产领域这一比例甚至达到98%，相当于新增千万立方米级氦气供应。此外，成本仅为氦气1/5的液氢，已开始在焊接、制冷领域替代氦气，可减少20%的氦气需求。
四：结语
2020年之前，中国氦气需求增长势头强劲，但国内氦气资源开发程度极低，不仅对外依存度高，且进口结构单一、来源集中。凭借中国政府的前瞻性部署，短短几年内便补齐了氦气产业的短板，为高端制造业与前沿科技发展提供了稳定保障；若非如此，如今中国在氦气供应上大概率会遭遇美国的报复性禁运。反观美国，十几年前就频繁宣称稀土供应可能被“卡脖子”，但过去十几年间未采取任何实质性举措，如今面对中国的稀土禁运，陷入束手无策的境地。只要能延缓美国相关领域发展进程数年，中国在半导体、AI技术、先进武器数量等领域就有望实现对美国的超越。这便是短视决策的代价，而这一现象本质上是中美两国政府治理能力差异的集中体现。