氦

氦（符号 He，原子序数 2）是一种化学元素，也是最轻的稀有气体。在标准条件下，它是一种无色、无味的单原子气体，化学反应活性极低。氦的原子原子核中有两个质子，通常还有两个中子，两个电子填充在最内层的电子壳层中。氦的沸点是所有元素中最低的，在常压下直至绝对零度都保持液态，这使它成为低温物理研究的核心。

氦是宇宙中第二丰富的元素，主要形成于大爆炸以及恒星内部的核聚变过程，但在地球上却十分稀有。地球上的氦来自重元素的放射性衰变，主要作为天然气的副产品被提取。氦的用途包括冷却磁共振成像（MRI）扫描仪的超导磁体、半导体制造、检漏以及科研仪器等。由于在许多用途中氦难以被替代，供应中断会对下游产业产生重大影响。

本词条涵盖氦的原子结构与物理性质、发现历程、有限的化学性质、其两种稳定同位素的超流行为、它在宇宙和地壳中的起源、提取与分布、应用、供应与短缺，以及安全问题和研究前沿。

原子结构与基本性质

一个氦原子的原子核含有两个质子，核外有两个电子，基态电子组态为 1s²。根据泡利不相容原理，第一壳层最多容纳两个电子，因此该壳层已被完全填满。闭合壳层使原子几乎没有得失电子的倾向，这解释了氦的化学惰性。氦的第一电离能约为 2372 kJ/mol，是所有元素中最高的。氦的电子亲和能实际上为零，因此它也几乎不会接受额外的电子。氦位于元素周期表第 18 族之首，属于稀有气体。

氦有两种稳定的同位素。常见的氦-4 含有两个中子和两个质子，质量数为 4；较稀有的氦-3 只含一个中子。氦-4 约占天然氦的 99.999%，氦-3 仅约占 0.0001%。两者的质量差异很小，但它们遵循不同的量子统计规律。氦-4 原子核的总自旋为零，遵循玻色—爱因斯坦统计，属于玻色子，因此许多原子可以占据同一量子态。氦-3 的自旋为半整数，是费米子，与电子一样服从泡利原理。这一差异在低温下变得决定性，两种同位素会在截然不同的温度下凝聚成超流相。

在宏观上，氦是一种无色、无味、无嗅的单原子气体，在常温常压下未知有毒。其常温密度约为 0.18 g/L，是仅次于氢的第二轻气体，密度约为空气的七分之一。常压下其沸点为 4.22 K（−268.93 °C），是所有元素中最低的，其临界温度仅约为 5.2 K。液态氦-4 在沸点时的密度约为 125 g/L，约为水的八分之一。就气体而言，氦的导热性也较好：室温下其热导率约为 0.15 W/(m·K)，在气体中仅次于氢。这些性质源于氦原子之间极其微弱的相互作用。其作用力属于范德华力，在常压下太弱，无法使原子保持固定的排列方式。

最不寻常的性质是即使在绝对零度附近也无法凝固，这源于量子力学。受限的粒子始终保有一定的零点能，且粒子越轻、束缚越紧，该能量越大。对于氦而言，每个原子的零点运动幅度都大于原子之间弱吸引势阱的深度。因此，在零压强下原子无法形成晶格，该物质在温度趋近 0 K 时仍保持液态。要使氦在约 1 K 时固化，需要施加约 25 bar 的外部压强。氦-3 的原子核更轻，表现出更强的量子效应，同样保持液态。由于这种液体受量子效应而非经典热运动支配，它被归类为量子流体。它的性质与理想气体或常规的低温技术中的液体有显著不同，这一差异正是后文讨论的超流现象的基础。

发现与命名

氦最早是在太阳上发现的，而不是在地球上。1868年8月18日，法国天文学家皮埃尔·让森前往印度的贡图尔观测日全食，他透过棱镜观察到太阳色球层发出的光中有一条明亮的黄色谱线。关于氦的最早证据，正是1868年8月18日由法国天文学家儒勒·让森获得的。让森在印度贡图尔透过棱镜观测日食时，发现这条谱线与任何已知元素都不吻合。由于它靠近钠的D线，让森起初以为它来自钠，但他后来在没有日食的情况下重现了这条谱线，并确认它既不是钠，也不是其他已知元素。

几周后，英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶在伦敦也发现了同一条黄线。同年10月20日，天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶无需日食，独立观测到太阳色球层中同样的黄色谱线。洛克耶断定该谱线来自太阳中的一种未知元素，并提议以希腊语中表示太阳的词 hēlios 为其命名。关于命名的功劳归属，各种说法不一。只有洛克耶提出该谱线源于一种新元素，并以太阳为其命名。另一些说法则认为，他与同胞化学家爱德华·弗兰克兰共同将这种元素命名为氦。两位天文学家的信件几乎同时抵达法国科学院，两人之间并无优先权之争，在法国，两位科学家都获得了共同的功劳。

这一发现并未立即被接受。接下来的几年里，人们对洛克耶的发现仍然多有怀疑，甚至加以嘲笑。弗兰克兰后来公开撤回了他对这项工作的参与。门捷列夫在1869年发表的元素周期表中也没有列入该元素。那些不相信地球上可能存在这种元素的科学家中，就包括门捷列夫，他在1869年发表的著名元素周期表中将其遗漏了。

在地球上发现氦是在1895年。苏格兰化学家威廉·拉姆齐在寻找氩的过程中，用酸处理了含铀矿物克莱沃石。苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士在寻找氩时，用无机酸处理克莱沃石样品，成功分离出了氦。用硫酸处理该元素后，他注意到了同样的D3吸收线。拉姆齐将气体样品寄给了威廉·克鲁克斯爵士和诺曼·洛克耶爵士，两人证实它就是氦。同年，瑞典乌普萨拉的化学家佩尔·特奥多尔·克莱夫和亚伯拉罕·朗莱特能够精确测定其原子量。更早的报道来自路易吉·帕尔米耶里，他在1882年分析维苏威火山当年喷发的熔岩时，在地球上探测到了氦。1895年的工作通常被视为氦在地球上被分离出来的标志。

这一发现与放射性密切相关。克莱沃石含有铀，从该矿物中释放出的氦把这种元素与放射性过程联系了起来。在同一研究脉络中，欧内斯特·卢瑟福和托马斯·罗伊兹于1908年证明，α粒子就是氦原子核，这使氦直接与阿尔法衰变联系起来，并将其纳入核物理学的范畴。因此，这段历史可分为两个阶段：首先，对太阳的光谱分析通过其光线鉴定出了这种元素；随后，实验室中的化学和放射性研究将其分离出来，并解释了它在地球上的来源。两个阶段相互依存，这种结合正是该发现在科学史上不同寻常的原因之一。

化学性质与化合物

氦的化学性质源于其电子结构。研究人员将其惰性归因于闭壳层电子构型，以及几乎为零的电子亲和能和所有元素中最高的电离能（约24.59 eV）。因此，在常温常压下，除少数包合物外，氦未知能形成热力学稳定的化合物。在常压下含有氦的固体物种是范德华化合物，例如NeHe2，它们仅靠微弱的范德华力结合，而非依靠化学键。

离子与高压化合物

最广为人知的含氦分子物种是离子 $\mathrm{HeH}^+$。它的重要性体现在早期宇宙中：中性氦原子通过与质子的辐射结合，在氦氢离子中形成了宇宙中的第一个分子键。在实验室中，该离子的发现要早得多，早在1925年就已被发现。其电荷分布不对称，因为该离子中氦原子核周围的电子密度高于氢原子一侧；这种不对称性也是其光谱比相关的H₂⁺离子更容易表征的原因之一。

在极高压力下，氦可以形成化学键。2015年，一项计算搜索预测在300 GPa下存在稳定的钠–氦化合物。随后，金刚石对顶砧实验合成出了化合物Na₂He，它在高于113 GPa的压力下稳定。报道的结构是一种电子化合物（electride），其中充当阴离子的电子位于由带正电的原子实构成的晶体中。氦的存在使该材料呈绝缘性，并导致强烈的电子局域化。同一研究还预测了Na₂HeO，它应在高于15 GPa的压力下以类似结构存在，但当时尚未制得。

富勒烯笼内的氦

氦原子也可以置于中空碳笼内，且不与笼形成键。早期工作采用碰撞法：在早期质谱实验中，加速的C60或C70离子与氦气碰撞，使单个氦原子被困在笼内。在高温高压下强行压入氦的效率则低得多，据报道，对于C60中的稀有气体，插入率约为0.1%。Saunders及其同事于1994年报道了³He@C60，但氦原子的包封率很低，仅为0.15–0.4%。

后来，所谓的分子手术方法提高了产率。该方法中，先打开笼子，再插入氦，然后重新封闭笼子，占据率可达30%。进一步富集后，已制得包封率为95%的⁴He@C60样品。光谱研究表明，被包裹的原子并非简单地孤立存在：实验和计算研究都证明了内部氦与外部富勒烯笼之间存在弱相互作用。笼的电子结构也会影响氦原子核。在六价阴离子中，被包裹的³He的屏蔽作用可由整个笼上存在的长程屏蔽锥来解释，这源于其球形芳香性。甚至可以包裹两个氦原子，因为已合成出He2@C60，其[He@C60]与[He2@C60]的比例为200:1。

惰性与实际应用

氦的低反应性有其实用的一面。由于它很少参与化学反应，可用作分析分离中的载气，也可用作半导体加工中的保护气氛，因为它不会改变被处理的材料。Na₂He和$\mathrm{HeH}^+$的结果形成对比，表明这种惰性是氦在常规条件下的性质，而在极高压力下或电离后，这种惰性可能发生改变。

低温物理与超流动性

1908年的液化

氦是最后一种被液化的常见气体，因为它的临界温度仅比绝对零度高出几开尔文。1908年7月10日，海克·卡末林·昂内斯在莱顿的实验室中首次制得液氦。他先用液氢对装置进行预冷，而液氢本身是由液态空气制得的，所得液体在4.2 K时沸腾。随后，他通过焦耳—汤姆逊效应使气体膨胀，将温度进一步降至约0.9 K，这是当时地球上达到的最低温度。保持样品纯净是主要难点之一，他的实验室多年来是唯一能够制取液氦的地方。进入这一温度范围使昂内斯不久后开展的超导实验成为可能，这也是为什么1908年的这一成果通常被视为整个低温物理学的基础。

氦-4的超流动性

在标准大气压下，氦-4的沸点为4.2 K，其性质在约2.17 K的λ点附近发生急剧变化。在该温度下，热容出现不连续突变，液体的密度变化趋势也随之改变，因为部分液体进入了零黏度的超流相。昂内斯在20世纪20年代就已注意到2 K附近一个无法解释的密度极大值，但超流态本身直到1938年的实验中才被确认。超流氦-4几乎无阻力地穿过极细的通道，能沿容器壁向上爬，还能从容器边缘溢出。它的热传导也很特别：热量以波的形式在超流体中传播，这种现象称为第二声，而不是通过普通的热传导进行。列夫·朗道用双流体模型解释了其中的大部分现象，该模型认为液体是正常分量与超流分量的混合物；之后理查德·费曼的工作又拓展了他的理论。

氦-3的超流动性

氦-3的中子比氦-4少一个，这使其原子成为费米子而非玻色子。费米子遵循泡利不相容原理，不能全部占据同一状态。因此，氦-3的超流转变需要原子两两配对，这在某种程度上类似于常规超导体中的电子对。20世纪70年代初，康奈尔大学的戴维·李、道格拉斯·奥谢罗夫和罗伯特·理查森发现，液态氦-3在约2.7 mK时变为超流体，并且在约3 mK以下会经历几个不同的超流相。这些相具有磁性且各向异性，这种组合产生了氦-4中从未见过的宏观量子行为。这一发现使三位物理学家获得了1996年的诺贝尔物理学奖。此后不久，人们便发展出了对这些相的理论理解，如今氦-3超流体被认为是凝聚态物理中理解最为透彻的体系之一。

与玻色—爱因斯坦物理及量子流体的联系

氦-4原子是玻色子，其超流转变通常与玻色—爱因斯坦统计以及玻色—爱因斯坦凝聚态的概念相关联。液氦-4中原子间的相互作用很强，因此只有一部分原子占据最低量子态，液体远非理想气体图像所能描述。正因如此，氦-4一直是检验凝聚态理论的试验场。氦-3的超流相同样被描述为一种特殊的凝聚态，其中配对的原子以玻色子的方式集体行为。对这些量子液体的研究为其他体系的理论提供了启发，包括有序介质的流体力学以及超导现象的模型；康奈尔小组的后续工作也被引用于超导现象以及早期宇宙物理学的相关研究中。

宇宙中的氦

氦是宇宙中含量第二多的元素，其中大部分是在大爆炸后最初的几分钟内生成的。这种原初氦形成于大爆炸核合成过程，该过程大约发生在大爆炸后三到十五分钟之间。在那个阶段，中子与质子的比例由弱相互作用决定，因此预测的氦产额主要取决于这些反应进行的速度。目前的预测给出氦-4的质量分数约为 0.247，而用于约束重子密度的宇宙微波背景测量结果与这一数值高度吻合。按质量计算，氦-4约占普通物质的四分之一；但由于每个氦核包含四个核子，在所有原子核中，氦-4所占的比例不到十二分之一。

恒星也会增加这一储量。在恒星核心中，恒星通过核聚变将氢转化为氦，这一过程提供了恒星在主序阶段辐射的大部分能量。恒星产生的氦会随着恒星抛射外层或爆发而返回星际介质，因此星系中的氦含量会随宇宙时间逐渐上升。恒星演化的后期阶段还会进一步推进这一过程：当恒星核心变得足够炽热、致密时，氦核会通过一系列被称为三氦过程的反应聚变为碳和氧。随后，更重的元素通过连续的聚变步骤逐步形成，其中质量最大的恒星和超新星产生了许多比铁更重的元素。从实际角度看，恒星对氦的贡献小于原初氦，但正是这部分贡献，使得观测到的氦丰度可以超过原初值。

氦最早是在太阳中而非地球上被发现的。1868 年 8 月 18 日，在印度贡蒂尔可见的一次日全食期间，光谱观测显示，在日珥和色球层的光谱中出现了一条位于约 587.5 纳米处的明亮黄线，它与任何已知元素都不相符。皮埃尔·让森在日食期间记录了这条谱线，同年秋天，诺曼·洛克耶在英国独立观测到了同一条谱线。让森还证明，无需日食也能研究这条谱线，只需在太阳边缘调整仪器即可。随后，洛克耶与化学家爱德华·弗兰克兰提出，这条谱线来自一种新元素，并以希腊语中“太阳”一词为其命名。这一发现常被描述为日冕的贡献，但真正揭示氦存在的光谱来自色球层和日珥，而非日冕。

对氦丰度的测量也是对理论的检验。对近邻星系中电离气体云的光谱研究，以及在遥远类星体背景下观测到的星际气体吸收特征，都能独立估算原初氦的质量分数。这些估算需要外推到零金属丰度，即扣除恒星产生的氦的修正；目前，这一外推过程中的系统误差在总误差中占主导地位。由于预测的原初氦丰度取决于中微子的种类数和重子密度，观测值既对早期宇宙物理提出了限制，也对恒星演化模型提出了约束。

地球上的天然存在

大气中的痕量存在

氦只是空气中的微量成分。1981 年采用同位素稀释质谱法进行的测量得出，氦的体积含量为 5.222 ± 0.017 ppm，这与 20 世纪 30 年代测量得出的初步估计值非常接近。该浓度极低，从空气中回收氦在经济上不划算。将大气中的氦提纯至高纯度级别需要每摩尔 30 kJ 的能量，因此空气并不是经济可行的长期氦源。

这种气体不断地逸失到太空中。氦原子足够轻，受热时，高层大气中的一部分氦原子会达到地球的逃逸速度。这种热（金斯）逃逸是氦的主要损失机制，该过程在大气逃逸中有更详细的描述。因此，空气中氦的稳定浓度反映了两者之间的平衡：一方面是从地壳中向上渗出的氦，另一方面是在大气层顶部泄漏出去的氦。

地壳来源：地质时间尺度上的α衰变

地球上几乎所有的氦都是放射成因的。它是地壳中的重放射性核素发射α粒子时形成的。主要来源是铀-238、铀-235和钍-232的衰变链，每条衰变链每个母体原子产生的氦-4原子数不同：一个 238U 原子产生 8 个 4He 原子，一个 235U 原子产生 7 个 4He 原子，一个 232Th 原子产生 6 个 4He 原子。α粒子就是氦原子核，一旦俘获两个电子，它就变成中性氦原子。这一过程非常缓慢。一项地壳物质平衡估算显示，铀和钍衰变每年产生约 8.0 × 10^12 cm^3 的 4He，而从洋中脊处地幔释放出的 4He 约为 2.2 × 10^12 cm^3。

时间尺度是氦稀少的主要原因。母体同位素的半衰期长达数十亿年，因此需要数百万年才能积累足以充满大型储层的氦。形成后若未被及时圈闭，氦会持续迁移，因此今天存在的储层是长期生成与缓慢运移的结果。

天然气作为富集载体

氦只有在天然气中得到富集时才具有显著的经济意义。气田中的氦含量通常很低，但可在 0.01% 至 7% 之间变化。商业开采的临界值并非固定不变。一篇关于中国气田的综述指出，含氦量高于 500–1000 ppm 的储层即可商业回收氦，而一家行业机构则将实际可行的门槛定为 0.3%。这些数字存在差异，部分原因在于回收成本取决于气田的规模和位置。

即使在同一盆地内，含量也差异很大。在科罗拉多高原的四角地区，氦浓度介于 0.01% 至 7.9% 之间，同时伴有不等量的烃类、氮气和二氧化碳。在塔里木盆地的和田河气田，气田中氦浓度介于 0.27% 至 0.42% 之间。也有少见的高浓度发现。一项 2024 年的钻探计划报告氦浓度高达 14.5%，该公司自称这是北美行业记录到的最高值。关于美国数据的评论指出，美国只有约六分之一的天然气储层氦含量高于 0.3%。

有些高氦储层不能仅用储层内的衰变来解释。四角地区的研究发现，要产生储层中现有的氦，所需岩石的体积明显大于气田正下方现今的储层体积，这表明氦是从储层外部引入的。

地质因素对回收的控制

氦能否真正被回收，取决于它如何运移以及在何处被保存。基底岩石中生成的氦会向上穿过地层运移，并被不透水的屏障圈闭。因此，岩石渗透率、有效盖层的存在以及伴生气的成分，共同决定了氦的聚集量及其能否被开采。氦往往伴随合适的载气一起存在，这也是它主要见于烃类储层中的原因之一。基底岩石富含铀和钍时，生成量最大。花岗岩就是典型例子，基底岩石中铀和钍含量高的地方，氦的浓度往往也高。由于氦生成缓慢且易于运移，源岩和储层的年代也很重要。例如在和田河气田，产层为奥陶纪和石炭纪，这些储层的古老年代意味着，尽管当今的铀和钍含量很低，所生成的氦通量仍不可忽略。

提取、提纯与储存

商用氦几乎全部从天然气中回收，而天然气中氦的含量很低。气田中氦的浓度通常仅为0.2%至4%，因此生产商必须处理极大体积的天然气，才能获得有用的产量。氦化学性质稳定，在常规天然气加工过程中不会被除去。因此，氦会在加工环节中逐渐积累，循环气流和吹扫气流中的氦体积分数可达2%或更高。

主要的分离方法是低温蒸馏，它利用了这样一个事实：在其他组分凝结的温度下，氦仍保持气态。典型的工厂首先脱除水、二氧化碳和硫化氢，然后在中等偏低的温度下分离天然气液，最后将气流冷却，使烃类和氮气液化，而氦仍为气体。采用低温条件的粗氦分离步骤可产出一股气流，随后再进一步提纯。所得产物称为粗氦，通常含有约50%至70%的氦和30%至50%的氮。要达到大多数市场所要求的纯度（约99.995%），还需要额外的提纯步骤。这一步可将部分冷凝与吸附相结合，生成氦含量超过99%的纯氦气流。

氦也作为其他天然气加工作业的副产品获得。在液化天然气生产和脱氮过程中，甲烷被冷凝分离出来，而较轻的氦则可以很容易地以气体形式回收。若缺少此类加工环节，提取成本则更高。低温蒸馏具有良好的规模经济性，但成本高、能耗大，因此人们一直在研究基于膜分离和吸附的替代方法。

提纯后的氦随后会被液化或压缩。液化是大宗供应的方式，因为氦的沸点约为4.2 K，必须保存在绝热低温容器中。对于小型用户，氦气则储存在高压钢瓶中。例如，售给实验室的回收设备中，中压系统会将气体压缩至最高400 PSIG（27.58 bar），高压选项则压缩至更高的压力；单个中压钢瓶可容纳约16升液态氦。

氦的分子质量极低，能够穿过细小的缝隙和密封件扩散，因此储存和输送系统必须密封，并进行检漏。损耗会提高每次转运的成本，这也是运输通常围绕能最大限度减少蒸发损失的容器来规划的原因之一。

如今，回收与循环利用已成为运行磁体和低温恒温器的实验室和医院的标准做法。典型的流程是：先将氦气导入常压氦回收袋，再由回收压缩机压缩，转入储气钢瓶，最后经提纯后返回液化机。回收效率取决于具体装置。一家供应商给出的数据是：直接回收约70%，中压系统约95%，高压系统约99%；另有一所大学的设施报告称，其核磁共振磁体和低温恒温器所用氦气的90%得到了回收。供应商将循环利用宣传为一种对冲手段，称其可以防范氦价格波动和供应短缺。随着供应日趋紧张，这也解释了循环利用为何正被越来越广泛地采用。

供应、政策与短缺

氦的供应集中在少数生产国和少数大型综合设施中。美国长期以来是最大的生产国，美国地质调查局（USGS）最近的矿产概要估计其年产量为8100万立方米（29亿立方英尺），估值约9.7亿美元。卡塔尔是另一个主导性来源：据USGS称，其产量约占全球氦供应的30%。在美国以外，已知储量以卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯为首，其中USGS资源估计卡塔尔为101亿立方米。与工厂数量相比，集中程度在国家和具体场址层面（例如拉斯拉凡综合体）更为明显。由于氦是天然气生产的副产品，通过深冷蒸馏分离出来，因此其产量取决于天然气生产决策以及处理天然气的工厂运行状况。

美国还设有一个政府战略储备，即联邦氦储备，其历史可追溯到1925年，当时国会认识到需要确保氦能够满足国防需求。随后，2013年的立法要求土地管理局（BLM）出售该储备系统。竞标于2024年1月进行，土地管理局接受了Messer LLC的两份投标，总额为423,350,000美元。交易于2024年6月完成，土地管理局随后将出售所得的4.6亿美元转交美国财政部。此次变化还调整了数据工作：土地管理局将收集和报告氦生产与消费统计数据的职责交还给USGS。批评者对此次出售的条款存在争议。有人认为，此前以低于市场价的价格出售的做法，打击了私营企业扩大自身氦业务的积极性。一个众议院委员会还要求提供有关买方与一家有中国背景的企业之间关系的信息，而这一问题在现有记录中并未得到解决。

最严重的干扰始于2026年。2026年3月18日和19日，伊朗导弹袭击了拉斯拉凡，损坏了液化天然气生产线，使卡塔尔约17%的液化天然气出口能力中断。由于天然气是与氦一同加工的，生产线停止运行时，氦的产量也随之停止。出口还面临第二重障碍：霍尔木兹海峡是卡塔尔氦唯一的海运通道，而该海峡实际上已对商业航运关闭。到2026年8月，卡塔尔能源公司已将其Helium2工厂部分重启，产能约为正常水平的25%。行业消息人士称，此次短缺是有记录以来最严重的，一项展望估计完全恢复需要三到五年。俄罗斯自2026年4月14日起生效的出口管制，又去掉了另一个可能的供应来源。

市场影响的报道幅度各不相同。一项分析称，自冲突开始以来，氦的现货价格已经翻了一番；另一份报告则称，现货氦价格已超过每Mcf 1000美元。IndexBox的一项供应估算显示，市场每月缺口为520万立方米，现货价格上涨70%至100%。分析人士还预计，若中断持续，合同价格可能上涨40%至60%，涨幅慢于现货价格。对大型买家的影响同样存在争议：美国银行的分析师认为，由于供应来源多元化和库存储备，大型工业气体生产商受直接供应中断的影响相对有限。

各来源对卡塔尔所占份额的说法也不一致。行业评论称其约占全球供应的三分之一，另一说法为约30%至35%，而美联社引用的基于USGS的数据则为30%。恢复预测同样各不相同：一位行业专家预计，卡塔尔产量恢复正常后，氦供应将回到此前的水平。由于统计数据总是滞后于事件，这些说法很难用官方数据加以核实。例如，USGS《2023年矿产年鉴》的相关章节于2026年1月以提前发布的形式公开。因此，对于2026年的损失，读者应将行业估算与USGS持续更新的《矿产商品概要》进行比对，并将早期的市场数字视为暂定结果。

应用

氦在工业和研究中的价值源于多种性质的结合：它化学性质惰性，沸点是所有物质中最低的，并且是第二轻的元素。其最大的单一用途是作制冷剂。磁共振成像扫描仪和核磁共振谱仪中的超导磁体由铌钛合金线绕制而成，必须保持在4 K左右；液氦在标准大气压下沸点约为4.2 K，是维持这些磁体超导状态的标准冷却剂。低温工程师在许多其他场合也运用同样的原理。现代扫描仪越来越多地采用密封磁体，并借助小型低温制冷机回收其中的氦，从而减少所需液氦的用量，但冷却剂在设计中仍然不可或缺。

在半导体制造中，氦被用于多种依赖其惰性和热学特性的场合。加工过程中，常将氦气通入硅片底部，使热量能均匀分布于整个晶圆表面，因为氦的导热性远优于大多数气体，同时不会对晶圆产生化学影响。氦还用作吹扫气体，用于冲洗腔室和传输管路；在集成电路制造过程中，它也作为保护气氛，使活性污染物远离敏感的膜层。这些用途不如磁共振成像那样引人注目，但在先进制造工厂中却消耗了相当大比例的氦气。

氦也是检漏的标准示踪气体。氦原子非常小，而且在大多数材料中以及空气中含量都很低（按体积计约为百万分之五），因此可以先向部件内充入氦气，再用与质谱仪相连、调谐至氦的探针在外部检测，从而定位密封系统中的泄漏。这种方法用于检测真空腔体、制冷回路、航空航天硬件、燃气管路和密封包装等，其灵敏度远高于气泡法或压降法所能达到的水平。氦在这一角色中的应用，是检漏技术在质量控制中成为标准做法的一个例子。

氦还有若干规模较小但已确立的用途。在焊接中，它可作为钨极氩弧焊等电弧工艺的保护气体，保护熔融金属免受空气中氧气和氮气的侵害。由于氦导热性好，它产生的电弧温度比氩气更高，这在焊接厚铝板或厚铜件时可能成为优势。在分析实验室中，氦被广泛用作气相色谱的载气，在不与样品分子发生反应、也不干扰检测的前提下将样品分子带过色谱柱。在航天发射领域，氦用于给火箭推进剂箱增压和吹扫，包括盛装液氢和液氧的低温箱体，这是因为氦在极低温度下仍为气态，且不与推进剂发生反应。氦还曾用于充填飞艇、气球及其他轻于空气的飞行器；由于氦不可燃，二十世纪早期之后，它在大多数此类应用中取代了氢气，尽管其升力较低。

综合来看，这些应用说明了为何尽管氦的用量相对较小，却被视为具有战略重要性。上述许多用途都难以找到易于替代的方案，尤其是超导磁体的低温冷却，因此需求对价格变化相对不敏感。使氦具有用途的同一些性质（惰性和低沸点），也使其难以捕集、储存和回收，这一点将这些应用与本词条其他部分讨论的供应限制联系起来。

安全与健康影响

氦化学性质惰性且无毒。它不会与人体组织发生反应，也不会干扰新陈代谢，因此其危害主要是物理性的，而非毒性。最严重的危险是窒息。气体供应商将氦归类为单纯窒息性气体：虽然无毒，但在密闭空间中它会取代氧气，从而造成窒息风险。工业安全指南通常将体积分数19.5%的氧气浓度视为人员在不使用呼吸装置的情况下仍可工作的最低水平。由于氦无色、无味，且不会引起刺激，泄漏时气体可能在不被察觉的情况下积聚。最初的症状是头晕和判断力下降；当氧气浓度降到足够低时，可能在数秒内无预兆地失去意识并死亡。因此，常规预防措施是通风并监测氧气浓度，救援人员进入充满氦气的空间时通常需要佩戴独立式呼吸设备。

装在高压钢瓶中的气体还带来机械性危险。直接从高压气源吸入气体可能损伤肺部，气体还可能以气泡形式进入血液，堵塞血管。高压可引起气体栓塞（血液中的气泡可能阻塞血管），甚至撕裂肺组织。来自钢瓶的风险远大于低压的派对气球。吸入氦后声音音调发生的常见变化，源于氦的低密度以及其中声速较高，这改变了声道的共鸣。总之，偶尔接触时这一效应无害。然而，反复或刻意吸入则会带来上述窒息风险。

氦的物理性质在深潜中也很重要。氮很容易溶解在脂肪组织中，在深水压力下它会抑制中枢神经系统，产生被称为氮麻醉的状态。氦的溶解度低得多，与氧气混合后，在通常使用的深度下可避免这种效应。由于溶解度降低，高压下进入细胞膜的氦很少，因此氦不像氮那样具有麻醉作用，同时还能降低减压过程中形成气泡的风险。因此，氦氧混合气（即heliox）已成为深海商业和军事潜水的标准配比。不过，在更大深度下，这一优势也伴随着代价。在海水中超过约150米后，进行氦氧潜水时会出现高压神经综合征（HPNS），潜水深度超过150米海水深度（msw）时即会发生，其特征为中枢神经系统过度兴奋，表现为震颤、肌阵挛和脑电图变化。其症状还包括恶心、头晕和震颤。放慢加压速度，并加入少量氮以形成三元混合气（trimix），可以减轻这些影响，这一点在潜水文献中已有论述。

液氦沸点约为4 K（约−269 °C），是另一种独立的危险。液氦造成伤害的原因在于其使周围空气迅速而剧烈降温，从而导致局部冷损伤和细胞破坏。接触液体，或接触未绝热的管道和容器，可能造成类似热烧伤的冻伤，受影响的组织可能因神经功能受损而麻木。有报告称，在将液氦从储存杜瓦罐转移至磁体系统时发生泄漏，导致手部冻伤。手套只能提供有限保护，因为液体可能渗过缝隙，而冰冷表面即使未接触液体也可能伤害皮肤。冷损伤的急救通常是将伤处置于约体温的温水中缓慢复温，不得摩擦，也不得使用干热源。此外，液氦升温时体积会急剧膨胀，约膨胀750倍，因此密闭容器需要配备泄压阀和受控排气装置，以防破裂。

研究前沿与未解问题

氦研究中的若干未解问题都与氦-3 有关。氦-3 是一种较为稀有的同位素，却是使最低温实验设备得以工作的关键。它的稀缺如今同时制约着当前的实验和拟议中的大规模应用。

最成熟的应用是稀释制冷机，它依赖氦-3 与氦-4 的混合物。在约 872 mK 以下，氦-3 含量约为 67% 的混合物会分离成富含氦-3 的相和富含氦-4 的相。将氦-3 从浓相转移到稀相时会吸收热量，与蒸发的情形相似。该装置可以持续冷却至约 2 mK，且其低温部分没有任何运动部件。这一过程中氦-3 并不被消耗，而是在密闭回路中循环，因此主要需求来自为每台新设备充注，以及维护时的损耗。稀释制冷机是为接近 10 mK 工作的量子计算机（例如许多基于超导量子比特的设计）最成熟的平台。其他架构所需的冷却温度要高得多。例如，光子系统可以在 1–4 K 下读出其状态，只需液氦-4 即可。

供应是主要制约因素。天然氦中氦-3 的含量仅约 2 ppm，从天然气中提取氦-3 在商业规模上并不现实。大部分供应来自氚的衰变。氚是一种放射性氢同位素，在反应堆中产生，并曾为核武器而储备。氚衰变生成氦-3。几十年来，美国和苏联一直出售其储备中积累的氦-3。冷战结束后，两国都削减了氚库存，残余的供应则与政府决策和核安全问题紧密相关。一篇来自 NASA 的 ASCEND 论文估计，当时地球上能够随时获取的氦-3 仅约 100 千克。

价格大幅上涨，而各方给出的数字并不一致。《科学》（Science）的一篇报道描述了 2008 年一次订购期间价格从每升约 100 美元涨至 3,000 美元，并称当前价格区间为每升 1,000 至 20,000 美元，视补贴和折扣而定。2025 年的一份行业指南给出的批量价格约为每升 1,900 至 2,600 美元，并指出用于稀释制冷机的高纯度产品价格可超过每升 10,000 美元。规格、采购量，以及政府是否以补贴价出售，共同解释了大部分差异。《科学》所引用的一份早期美国能源部研究预测，需求将超过每年 65,000 升，而供应仅为 10,000 至 20,000 升。但此类预测已经过时，且依赖于对未来设备的假设。因此，研究人员正在探索替代的冷却方案。绝热去磁制冷机完全不使用氦-3，不过该过程是一次性的，且可能产生杂散磁场。采用脉冲管预冷的"干式"稀释系统减少了液氦用量，但其冷却级仍依赖氦-3。

开采月球氦-3 的提议是这场争论中最具推测性的部分。太阳风已将氦-3 注入月壤。支持者认为，氘-氦-3 聚变产生的中子远少于氘-氚聚变，从而可以减少活化和放射性废物。资源估算差异很大：2007 年的一项估算认为月球总储量约为 6.5×10^8 千克，但月壤中的浓度极低，任何回收都需要处理极大体积的物质。批评者指出，目前尚无聚变反应堆实现净能量增益；氘-氦-3 反应比氘-氚路线需要更高的温度和更好的等离子体约束；运输成本以及月球资源的法律问题也仍未解决。因此，公司及宣传网站发布的商业时间表最好被视为一种愿景，而非既定的预测。

围绕这一更宏观的问题，多个方向的工作仍在推进。这些方向包括改进实验室中的回收与循环利用、发展不用或少用氦的低温系统，以及更精确地绘制地质氦储量图。每种途径都将减少对氦-3 的需求，或为判断新供应来源是否现实提供更充分的依据。

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