在人类目前可观测的宇宙中,氦的分子量仅次于氢,占23%,太阳中的氦含量为24.85%,某些老年恒星中的氦气甚至可以达到总质量的40%,可见氦在宇宙中的含量之丰富。
但是在地球上,氦气却是相当稀缺的。原因是氦气的密度极小,地球的引力不足以牢固的束缚它,所以氦气如果进入大气中,会慢慢逃逸到太空中。因此氦在空气中的含量,仅有百万分之4.6,属于稀有气体。不仅如此,氦气的化学性质很不活泼,一般不与其他元素发生反应,几乎没有固态或者液态化合物形态,所以在地球上也找不到氦气矿。
地球形成时含有的氦,在经历数十亿年的漫长历史后,绝大部分已经散逸到太空中了。现在地球上的氦气,基本都是由地球内部的放射性元素比如铀、镭、钍等α衰变产生的。氦气产生后,一部分会顺着岩石缝隙进入大气并且逃逸到太空;一部分被困在不透水的岩层中;还有一些和岩层中的天然气混合在一起。现在人类使用的氦气,绝大部分就是从富含氦气的天然气中分离出来的。此外,还可以从大气中分离、提取出氦气,但是成本非常高,难以进行商业应用。
并非所有地区的天然气都富含氦气。美国的氦气资源量占全世界的40%,其次是卡塔尔,约占16%,然后是阿尔及利亚、俄罗斯、波兰、加拿大等国。中国已发现的氦气资源量只占全世界的2%,与国内庞大的氦气消费量对比,中国是氦气资源严重缺乏的国家。
氦气具有独特性质,极轻、不易燃、溶解度低,是所有气体中最难被液化的,也是唯一在标准大气压下无法固化的气体。液化后如果继续降温,会形成超流体,其比热、表面张力、压缩性都是反常的。根据它的特性,氦气在很多领域都有广泛用途:利用液态氦气的超低温,氦气可以用来制作超导磁体,比如欧洲强子对撞机就用了大约吨液氦将其中的超导磁体冷却到零下.3℃,医院里的核磁共振成像仪器也需要大量的液态氦气;氦气可以作为火箭液体燃料的压送剂和增压剂,用于导弹、宇宙飞船和超音速飞机上;工业上冶炼和焊接金属时,氦气常用来隔绝氧气;氦气作为保护性气体,常被填充到核反应堆、加速器、激光器等设备中;利用氦气的高渗透性,还可以用于某些高精尖设备的检测,比如火箭、核电站管道等;可以用来填充霓虹灯管、气球和飞艇等;潜水员可以用氦气和氧气混合,避免出现“氮醉”现象;超市用的条形码扫描器,也是用了氦氖激光器进行识别;显微镜、光谱仪、低温温度计等设备,也需要用到氦气。
大型强子对撞机年,中国共进口氦气吨,进口价格约76.5美元/公斤。卡塔尔、美国、澳大利亚是我国进口氦气的主要来源地。预计年,我国需要吨氦气。庞大的需求之下,是我国氦气储量和产量不足,我国的氦气有95%以上都需要进口,年的氦气自给率仅为2.3%.
美国不仅拥有世界最多的氦气储量,其勘探、开采、提取技术也是非常成熟,美国早在年就颁布了《氦气保护法》,年又定为战略储备资源。就连其他国家的氦气生产,也可能受到美国的制约,比如卡塔尔生产氦气就需要进口美国的设备。
对于氦气这种严重依赖进口的不可再生资源,我们一定要加以重视,开源节流,避免国际局势有变动的时候被某些国家卡脖子。否则,可能会严重影响到我国的科学研究、工业生产和人民生活。