核聚变反应，与工业气体密切相关，比如氦气在实现技术方面具有关键作用；并且当技术商业化时，未来氦气需求中断的风险也很大。

国际热核聚变实验堆（ITER）计划是人类为开发和利用核聚变能源而在全球范围内开展规模最大、影响最深远的国际科研合作项目。中国自2009年确定选用氦冷固态增殖剂实验包层模块概念参与ITER计划TBM项目，即选用高温高压氦气作为冷却剂、Li4SiO4陶瓷球床作为氚增殖剂。实验包层模块主要由TBM-set、氦气冷却系统、氚提取系统、氚测量系统、冷却剂净化系统、中子活化系统和测试与控制系统等构成。

 

第一个是技术。在设计、材料和性能完美结合的突破性发现之前，融合研究将继续是一个引人注目但难以捉摸的科学实验。当这一突破发生时，核聚变似乎已准备好取代化石燃料。

 

第二个障碍将是氦气的可持续供应。全球氦气供应，当前已经受到需求增长的压力，并受到供应中断和定量供应的影响。如果将核聚变添加到氦气的消耗中，仅计算替代燃煤发电这一项，估计每年需要近四倍的氦供应。

 

 

氦气是一种惰性气体，由法国天文学家朱尔斯让森在1868年8月18日的全日食期间发现。当时人们尚未在地球上发现过这种元素，因此让森用太阳为其命名，称其为氦。氦早在宇宙形成之初、宇宙大爆炸须臾之后便已经诞生，至今已有数十亿年的历史。它是宇宙中第二轻、也是第二常见的元素，仅次于氢气。但地球上的氦并不多，含量仅为百万分之几。问题在于，氦原子核太轻，不足以被地球引力所牵制。一旦氦气进入大气，就会逃逸到宇宙中，在太阳风的“吹拂”下随风而去。

 

 

大多数氦都是在宇宙大爆炸时形成的。铀和钍等放射性元素，可衰变成更小的碎片或粒子，其中也包括α粒子。这些粒子便是失去电子后的高能氦原子。在这种衰变过程中，放射性元素分裂成若干碎片，同时释放出能量，因此名为裂变。放射性元素的衰变可以弥补通过大气损失的氦。裂变生成的氦主要储存于多种矿石中，在天然形成的大型蓄气池中大量聚积，如位于美国得克萨斯州的国家氦气池。但这种天然过程需经历成千上万年。产出有一定规模的氦气田才能达到商业提取价值。

 

 

氦原子核质量只有4，仅由两个质子和两个中子构成，是一种非常稳定的元素。氦最重要的特性包括：极难发生化学反应、不具有放射性、不可燃烧、无毒，最关键的一点是，它的沸点低至4.2开尔文即零下268℃，十分接近宇宙中的温度下限——绝对零度。其他元素在该温度下都不可能保持液体状态。氦气是目前唯一一种具有这些特性、且能够为我们所用的物质。

 

氦的价格相对来说并不贵。但很多工业应用根本找不到除氦之外更合适的替代品。对航天、国防科技、高科技制造业、火箭引擎测试、焊接、商业潜水、粒子加速器磁铁、光纤、半导体芯片、以及娱乐气球而言，氦气的作用都不可或缺。

 

 

 

氦气还有一个重要的用途，是医学成像，尤其是磁共振成像技术（MRI），以及利用高强度磁场的核磁共振技术（NMR）。若不是因为氦气沸点极低，这些技术都不可能诞生。

 

超导体材料是磁共振和核磁共振设备的关键，而这些材料在4.2开尔文的温度下才能保持稳定。电子从材料中流过、产生电流时，大多数材料都会产生电阻，这对磁装置而言是一大问题。我们使用的每一样电子设备以及运输电力的所有基础设施都会因为电阻损失能量。由于电阻的存在，很难用高强度电流产生高强磁场。然而超导体却不会阻碍电子的流动，因此能产生极强的磁场，可以进行高分辨率医学成像。但超导体材料要想发挥正常功能，就必须被放置在超低温环境中。这也正是液氦不可或缺的原因。

　　
氦与超导体

 

把一圈导线缠绕在特制的超导材料上，再将其放置在液氦中，冷却至4.2开尔文、甚至更低，便可达到超导体所需的特殊温度条件，再向线圈中通入高强度电流。目前最大的稳定磁场位于美国佛罗里达大学国家高强磁场实验室，由一块超导磁铁产生，磁场强度足足高达地球磁场的150万倍。

 

科学家们会利用核磁共振技术分析实验室中发现的新材料的物理特性。有些材料后来被研发成了药品，如能够解决全球健康问题的新型抗生素；有些则被研发成了能够回收利用的绿色建筑材料。能源领域也取得了不少进步，研发出了更小、更便携、能量更高的电池，或可减少我们对碳燃料的依赖。但核磁共振技术目前仍需要大量液氦，这点在短时间内暂时无法改变。

 

 

中美贸易战，中兴事件、华为事件…引发了各行各业的思考，来自美国的“禁令”对中国来说其实也并不完全是坏消息，它起码让中国各企业明白了一点，不能再完全依赖国外进口，也不存在真正的市场经济，需要实行“养狼计划”了。

 

我国的“氦气资源”也一直是我国的“心病”，从古至今对宇宙的探索和宇航科技的发展一直是大国实力的象征。而在宇宙及航空航天的科技发展中氦气是不可或缺的重要资源。中国本土的氦气资源一直很少，虽然渭河盆地、塔里木和田河气田，发现了含氦量很高的天然气田，但是对于到底有多少氦、每年能生产多少，目前还没有得到统一的认识和结论。美国拥有全世界40%的氦气资源，中国所使用的氦气也主要是从美国进口。而美国限制氦产量，实施定额配给以后，中国遭受的影响非常大！但相信在高利润的带动下，中国氦气量产指日可待。

 

 

据消息称，卡塔尔三期氦气提纯项目或将于2021年投产，其产能约为1200万立方米/年，生产氦气资源全部由空气化工销售。另外，坦桑尼亚的氦气生产商Helium One（氦壹）公司也在2018年进行了融资及钻井勘探，其预计产能为10亿标准立方英尺，约2800万立方米/年，或将于2021年前后投产。俄罗斯的阿穆尔天然气加工厂也计划与2021年投入使用。若进展顺利，则2021年世界氦气产能将增长11000万立方米/年，或将改变目前供不应求局面。

 

去年，坦桑尼亚发现了“世界级”的巨量氦气田。这一发现或可改变游戏规则。从技术讲，氦气的高效生产对设备和技术的要求较高，坦桑尼亚要想大规模生产氦气，必须依靠外资负责的生产设施的建设和使用维护。中国与坦桑尼亚的关系历来较好，中国有必要在坦桑尼亚建立中资氦气生产企业。但是美国也是坦桑尼亚最大的债权国和投资国，因此在氦气出口方面，中国仍有可能面临美国的阻扰。

 

幸运的是，我们已经知道了如何更好地保护剩下的氦储备，并且在不断发现新的氦气池。我们明白了如何在氦逃逸到太空中之前予以回收利用，也开始研究能够在更高温度下运行的超导体。这些工作都费时费力、成本高昂，而且回收氦还需要大量化石能源提供的能量。

与此同时，我们还要寻找更多的氦气来源，并找到更好的回收途径。我们可以从少买几个氦气球这样的小事做起。下次放飞氦气球之前，不妨三思而后行。