一种看不见、摸不到的珍贵气体，目前每克的价格超过了15000美元，大约是黄金价格的200倍左右。它在在月球上的储藏量很高，而地球上的总量仅有约 0.5 吨，它既是获得核聚变上亿度超高温的燃料，也是超导量子计算中获得接近绝对零度超低温的制冷剂。目前全球只有两个国家拥有可商业化提取它的能力，而中国恰好不在其中。

 

它就是氦的同位素气体：氦-3。

 

通常情况下，氦原子核由两个质子和两个中子构成，即氦-4（4He），而它的同位素氦-3（3He），只有一个中子和两个质子。

 

 

氦-3在地球上非常稀少，自然界每 1000 万个氦原子中，才有一个较轻的氦-3原子。尽管氦-3性格沉稳，化学性质极其不活泼，但它在多个领域都有非常关键的应用。

 

它是核聚变的能源。氦-3是一种目前已被世界公认的高效、安全、清洁、价廉的核聚变发电燃料。氦-3可以和氢的同位素氚发生核聚变反应，但与一般核聚变反应不同的是，氦-3在聚变过程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，环保又不失安全。

 

它也是超导量子计算的超低温制冷剂。氦-3是实现极低温环境的关键制冷剂。氦-3与氦-4以一定比例混合后，通过稀释制冷技术可将目标温度降至接近绝对零度，可做到仅比绝对零度高出千分之一度。与其他各种超低温制冷技术相比，稀释制冷机成本较低，能连续制冷并得到持续稳定的低温。特别是它无需大的磁体，不受磁环境的影响，这一点对需要避开磁影响的超导量子计算等科研实验尤为可贵。

 

它还是医疗诊断工具。氦-3还在医学成像方面（如核磁共振）发挥着重要作用，可用于肺部磁共振成像（MRI）等非侵入性诊断工具，如今核磁共振断层检验已经发展成为医疗诊断的常规手段。

 

氦-3是怎么制冷的

 

众所周知，制造一台实用的量子计算机绝非易事。来自外界的微小扰动，或者仅仅是被我们称为“热量”的分子振动，都会导致其中的叠加态量子比特发生“退相干”，正如股市的每次震荡都会导致部分股民碎掉一样，而“退相干”给量子计算造成了极大阻碍。为了延缓“退相干”的发生时间，让量子比特尽可能长的保持叠加态，以超导、离子阱为代表的量子计算机必须被冷却到接近绝对零度（-273℃）的温度，而这就需要使用到稀有的氦-3。使用氦-3和氦-4的稀释制冷机的发明，是制冷技术的一项重大突破，使人们能够非常方便地得到绝对零度以上千分之几度的低温。

 

提起超导量子计算机的形状，很多人会想到一个词：大吊灯。这台金灿灿的“吊灯”，主体就是一台稀释制冷机，此外还有超导量子芯片、超低温控制线路与电缆、测量与控制系统、保护量子比特免受电磁干扰的屏蔽层等模块构成。

 

其中，用于制冷的吊灯状的稀释制冷机，包含多个冷却级别，从上到下温度逐步降低，最底部的量子比特芯片处于接近绝对零度的环境中。

 

 

稀释制冷的原理与我们熟悉的蒸发制冷有一些类似，但二者物理机制有所不同。稀释制冷机是利用氦-3、氦-4在极低温下的混合物的超流体特性实现制冷。

 

1996 年，三位物理学家共享了当年的诺贝尔物理学奖，因为他们发现了氦-3的“超流”现象。“超流”是一种宏观的量子力学效应，液氦是最常见的超流体，特点是零粘性，能够无阻力的流动。由于没有摩擦力，超流体能够无止尽的流动，不仅能够流过狭窄的毛细通道，甚至还能够“爬出”容器的内壁。

 

我们已经知道，氦有两种同位素，即氦-3和氦-4。常温常压下，氦是气体，当温度降低，氦会从气体变成液体，如果温度继续降低到 2.17K（即 -270.98℃），液体氦-4会率先转变为超流体，而液体氦-3需要更低的温度 2.72 K才会转变成超流体。稀释制冷机利用两种同位素再低温下的性质差异实现制冷，而再某些特定应用中，“超流”特性被用来提高稀释制冷机的性能。

 

氦-3和氦-4在接近绝对零度的温度下并不完全混溶。当温度高于 0.87K 时，氦-3和氦-4两种溶液能够以任意比例互溶；当温度低于 0.87K 时，在氦-3和氦-4的混合液中，氦-3会自发地从“浓缩相”转移到“稀释相”。

 

某种视角来看，这种转移相当于氦-3蒸发，如同酒精挥发，只不过它没有进入气相，而是进入了呈超流态的液相氦-4中，这个转移过程会带走热量，最终实现降低系统温度的目的。换句话说，降温实际上就是氦-3不断被稀释的过程，故而将这种制冷方式称为稀释制冷。

 

 

在稀释制冷机中，稀释制冷过程发生在混合室中，这里是整个装置温度最低的部分，富氦-3液体和富氦-4液体在这里分层，一根管道连接混合室下部与蒸发器（内有富氦-4液体）。在 0.6K 的蒸发器温度下，氦-3的蒸汽压远高于氦-4的蒸汽压，所以在真空泵的作用下，基本只有氦-3被抽走。蒸发器中泵出的氦-3蒸汽，经过换热——加压——换热后，再次凝结为液体回到混合室，完成整个循环。

 

要想稀释制冷机长时间实现制冷，上述循环便要周而复始。在实际应用中，氦-3的用量取决于制冷机的设计、容量和所需的最低温度，从几克到几千克不等。

 

值得一提的是，上述稀释制冷过程是一个非常缓慢的降温过程，并非速冻，这也是为什么超导量子计算机在执行计算之前，要经历数天乃至数周降温时间的原因。

 

美国能源部的费米国家加速器实验室，正在建造全球最大的稀释制冷机 Colossus，希望借助 Colossus 卓越的冷却能力，以应对超导量子计算机的退相干挑战。超导是当前通用量子计算机竞赛中的一员猛将，目前，超导量子计算机深受量子比特数规模和保真度的困扰，而当规模实现百万量子比特之后，通过纠错技术提升保真度就更容易实现，届时超导量子计算机距离迈入实用化阶段就不再遥远。

 

建造中的Colossus超大型稀释制冷机 图片来源：美国费米国家加速器实验室

 

氦-3为什么这么贵

 

稀释制冷机之于量子计算机领域，如同光刻机之于半导体行业，地位重要性无需多言。它最明显的两个标签，一个是价格昂贵，另一个是对中国“卡脖子”。稀释制冷技术发展至今已超半个世纪，虽说制造颇有挑战，但最多称作“瓶颈”，真正“卡脖子”的其实并非技术，而是里面的氦-3。

 

氦-3在地球上的储量很少，目前人类已知地壳中易获得的氦-3，全球仅有 0.5 吨左右。目前，氦-3的来源主要有二：1、自然界提取；2、拆除核武器后的副产物。虽然地心存在大量的氦-3，但人类的开采技术对此无能为力。

 

由于氦-3是拆除核武器的副产物，全球唯二拥有商业化提取氦-3能力的国家是美国和俄罗斯。但目前美国已经全面禁止向中国供应氦-3，自力更生、未雨绸缪是我们必须有的姿态。

 

由于供需严重失衡，氦-3的价格居高不下，2020 年每升价格已飙升至 2750 美元以上，换算成重量就是每克15414美元，且稀释制冷机设备需要足够的空间，所以目前的超导量子计算机的运行价格极其高昂、占地面积也较大。

 

据新思界产业研究中心发布的《2024-2029年中国氦3（3He）行业市场深度调研及发展前景预测报告》显示，2023年全球氦-3市场规模约为 912 万美元；预计到2029年全球氦-3市场将高速增长，年复合增长率达到 34.2%； 到2029 年全球氦-3市场规模将达到 5326 万美元。

 

全球氦-3的核心厂商是 Rosatom 和 Chemgas，占据了全球约 93% 的份额。根据纯度的不同，氦-3市场细分为高纯度(≥99%)、超高纯度（≥99.999%）两种。受磁共振成像（MRI）机器、半导体制造和光纤生产、稀释制冷机等对杂质极为敏感场景需求的持续刺激，超高纯度氦-3在 2022 年占据了全球氦-3市场的最大收入份额。

 

还能从哪获得氦-3

 

上帝关了一扇门，总会开一扇窗，只不过这次把窗开在了月球上。

氦-3的产生需要极端的压力和热量，而太阳在核聚变过程中会产生大量的氦-3，经过太阳风的吹拂，这些氦-3会持续落在周围的行星中，而地球表面被厚厚的大气层覆盖，太阳风无法直达，这才稀缺。历经漫长岁月，根据人类的初步探测结果表明，月球地壳的浅层就含有上百万吨氦-3。

 

 

氦-3在医疗、能源、低温制冷领域的潜力被陆续发掘，人们相信开发利用月球土壤中的氦-3，将是解决人类能源危机、推动科技进步极具潜力的一种途径。20 世纪 90 年代开始，全球掀起了新一轮的探月高潮，氦-3成为各国的共同目标。

 

中国月球探测工程首席科学家欧阳自远院士表示，月球上的氦-3 含量非常丰富，“至少可以解决人类未来 1 万年左右的能源需求”。在谈到月球的铁等金属储量时，欧阳自远特别提到了氦-3，称其为“核聚变发电、下一代核能的理想燃料”。

 

美国行星地质研究所地球与行星科学部主任劳伦斯·泰勒也表示：“与地球相比，月球有着储量惊人的氦-3。一艘航天飞机即可运载25 吨氦-3，它足够提供美国 1 年的电量。”

 

由美国蓝色起源（Blue Origin）前高管创办的初创公司 Interlune，就打算成为首个在月球上开采氦-3的商业公司。据今年 3 月官方发布的信息称，Interlune 已经筹集到 1800 万美元的种子资金，勘探任务最早将于 2026 年启动，商业化运营或将在 2030 年开始。

 

上个月，Interlune 还获得了来自 NASA 的 34.8 万美元赠款，用于在一系列低重力飞行中测试其处理月壤的系统，这意味着 Interlune 向登月开采氦-3的目标迈出了一小步。

 

在抛物线飞行中测试土壤处理硬件的早期原型

 

Interlune 的联合创始人、蓝色起源前总裁 Meyerson 表示，该公司的核心技术与从月壤中挖掘、提取和分离氦-3相关。“我们技术所需的功率，比 NASA 推广的通用技术少一个数量级。”

 

氦-3的价格增长趋势更增强了 Meyerson 的信心。“氦-3是唯一一种价格够高、可支撑前往月球获取并将其带回地球的资源。”Meyerson 在接受采访时难掩兴奋：“今天就有客户想买它。”

 

在探月的征途上，我国也正在大步赶上。2020 年 12 月 17 日，我国嫦娥五号首次登陆月球正面并成功采集 1731 克月壤样本，2023 年嫦娥六号更是创下纪录，在月背留下首个“中国脚印”。经过 3 年多对嫦娥五号样本的研究，首次成功获得月壤中氦-3含量及提取条件。

 

从月球上获取氦-3是一个长期的过程，在开发、提取和输送等环节都存在挑战，尽管美、欧、日、印等多个国家都在积极规划探月，但短期内恐难有实质进展。

 

在未来较长一段时间内，核反应堆或核武器副产品仍将是氦-3的主流供应渠道，包括超导量子计算机在内的诸多科技进步，仍将面临受到氦气供应制约的局面。

 

参考文章：

Traces of Earth's Core Were Found In the Arctic and Scientists Don't Know Why

https://upworthyscience.com/shoot-for-the-moon-its-surface-contains-a-pot-of-gold/particle-1https://finance.yahoo.com/news/helium-3-market-size-worth-124400105.html?guccounter=2

https://www.geekwire.com/2024/interlune-helium-3-fusion-fuel-moon/https://english.elpais.com/science-tech/2024-05-12/helium-3-mining-the-fuel-of-the-future-on-the-moon.html

https://www.geekwire.com/2024/nasa-interlune-348k-processing-moon-soil/

全球氦3（3He）供应紧张 中子探测器是最大下游市场_新思界-行业研究及投资分析报告综合提供商

(newsijie.com)

It’s colossal: Creating the world’s largest dilution refrigerator

用1克月壤找到氦-3提取的“秘密” (baidu.com)《通往绝对零度的道路：趣味低温科学技术史》

https://www.cpsjournals.cn/index/news/detail/46260

 

 

一种看不见、摸不到的珍贵气体，目前每克的价格超过了15000美元，大约是黄金价格的200倍左右。它在在月球上的储藏量很高，而地球上的总量仅有约 0.5 吨，它既是获得核聚变上亿度超高温的燃料，也是超导量子计算中获得接近绝对零度超低温的制冷剂。目前全球只有两个国家拥有可商业化提取它的能力，而中国恰好不在其中。

 

它就是氦的同位素气体：氦-3。

 

通常情况下，氦原子核由两个质子和两个中子构成，即氦-4（4He），而它的同位素氦-3（3He），只有一个中子和两个质子。

 

 

氦-3在地球上非常稀少，自然界每 1000 万个氦原子中，才有一个较轻的氦-3原子。尽管氦-3性格沉稳，化学性质极其不活泼，但它在多个领域都有非常关键的应用。

 

它是核聚变的能源。氦-3是一种目前已被世界公认的高效、安全、清洁、价廉的核聚变发电燃料。氦-3可以和氢的同位素氚发生核聚变反应，但与一般核聚变反应不同的是，氦-3在聚变过程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，环保又不失安全。

 

它也是超导量子计算的超低温制冷剂。氦-3是实现极低温环境的关键制冷剂。氦-3与氦-4以一定比例混合后，通过稀释制冷技术可将目标温度降至接近绝对零度，可做到仅比绝对零度高出千分之一度。与其他各种超低温制冷技术相比，稀释制冷机成本较低，能连续制冷并得到持续稳定的低温。特别是它无需大的磁体，不受磁环境的影响，这一点对需要避开磁影响的超导量子计算等科研实验尤为可贵。

 

它还是医疗诊断工具。氦-3还在医学成像方面（如核磁共振）发挥着重要作用，可用于肺部磁共振成像（MRI）等非侵入性诊断工具，如今核磁共振断层检验已经发展成为医疗诊断的常规手段。

 

氦-3是怎么制冷的

 

众所周知，制造一台实用的量子计算机绝非易事。来自外界的微小扰动，或者仅仅是被我们称为“热量”的分子振动，都会导致其中的叠加态量子比特发生“退相干”，正如股市的每次震荡都会导致部分股民碎掉一样，而“退相干”给量子计算造成了极大阻碍。为了延缓“退相干”的发生时间，让量子比特尽可能长的保持叠加态，以超导、离子阱为代表的量子计算机必须被冷却到接近绝对零度（-273℃）的温度，而这就需要使用到稀有的氦-3。使用氦-3和氦-4的稀释制冷机的发明，是制冷技术的一项重大突破，使人们能够非常方便地得到绝对零度以上千分之几度的低温。

 

提起超导量子计算机的形状，很多人会想到一个词：大吊灯。这台金灿灿的“吊灯”，主体就是一台稀释制冷机，此外还有超导量子芯片、超低温控制线路与电缆、测量与控制系统、保护量子比特免受电磁干扰的屏蔽层等模块构成。

 

其中，用于制冷的吊灯状的稀释制冷机，包含多个冷却级别，从上到下温度逐步降低，最底部的量子比特芯片处于接近绝对零度的环境中。

 

 

稀释制冷的原理与我们熟悉的蒸发制冷有一些类似，但二者物理机制有所不同。稀释制冷机是利用氦-3、氦-4在极低温下的混合物的超流体特性实现制冷。

 

1996 年，三位物理学家共享了当年的诺贝尔物理学奖，因为他们发现了氦-3的“超流”现象。“超流”是一种宏观的量子力学效应，液氦是最常见的超流体，特点是零粘性，能够无阻力的流动。由于没有摩擦力，超流体能够无止尽的流动，不仅能够流过狭窄的毛细通道，甚至还能够“爬出”容器的内壁。

 

我们已经知道，氦有两种同位素，即氦-3和氦-4。常温常压下，氦是气体，当温度降低，氦会从气体变成液体，如果温度继续降低到 2.17K（即 -270.98℃），液体氦-4会率先转变为超流体，而液体氦-3需要更低的温度 2.72 K才会转变成超流体。稀释制冷机利用两种同位素再低温下的性质差异实现制冷，而再某些特定应用中，“超流”特性被用来提高稀释制冷机的性能。

 

氦-3和氦-4在接近绝对零度的温度下并不完全混溶。当温度高于 0.87K 时，氦-3和氦-4两种溶液能够以任意比例互溶；当温度低于 0.87K 时，在氦-3和氦-4的混合液中，氦-3会自发地从“浓缩相”转移到“稀释相”。

 

某种视角来看，这种转移相当于氦-3蒸发，如同酒精挥发，只不过它没有进入气相，而是进入了呈超流态的液相氦-4中，这个转移过程会带走热量，最终实现降低系统温度的目的。换句话说，降温实际上就是氦-3不断被稀释的过程，故而将这种制冷方式称为稀释制冷。

 

 

在稀释制冷机中，稀释制冷过程发生在混合室中，这里是整个装置温度最低的部分，富氦-3液体和富氦-4液体在这里分层，一根管道连接混合室下部与蒸发器（内有富氦-4液体）。在 0.6K 的蒸发器温度下，氦-3的蒸汽压远高于氦-4的蒸汽压，所以在真空泵的作用下，基本只有氦-3被抽走。蒸发器中泵出的氦-3蒸汽，经过换热——加压——换热后，再次凝结为液体回到混合室，完成整个循环。

 

要想稀释制冷机长时间实现制冷，上述循环便要周而复始。在实际应用中，氦-3的用量取决于制冷机的设计、容量和所需的最低温度，从几克到几千克不等。

 

值得一提的是，上述稀释制冷过程是一个非常缓慢的降温过程，并非速冻，这也是为什么超导量子计算机在执行计算之前，要经历数天乃至数周降温时间的原因。

 

美国能源部的费米国家加速器实验室，正在建造全球最大的稀释制冷机 Colossus，希望借助 Colossus 卓越的冷却能力，以应对超导量子计算机的退相干挑战。超导是当前通用量子计算机竞赛中的一员猛将，目前，超导量子计算机深受量子比特数规模和保真度的困扰，而当规模实现百万量子比特之后，通过纠错技术提升保真度就更容易实现，届时超导量子计算机距离迈入实用化阶段就不再遥远。

 

建造中的Colossus超大型稀释制冷机 图片来源：美国费米国家加速器实验室

 

氦-3为什么这么贵

 

稀释制冷机之于量子计算机领域，如同光刻机之于半导体行业，地位重要性无需多言。它最明显的两个标签，一个是价格昂贵，另一个是对中国“卡脖子”。稀释制冷技术发展至今已超半个世纪，虽说制造颇有挑战，但最多称作“瓶颈”，真正“卡脖子”的其实并非技术，而是里面的氦-3。

 

氦-3在地球上的储量很少，目前人类已知地壳中易获得的氦-3，全球仅有 0.5 吨左右。目前，氦-3的来源主要有二：1、自然界提取；2、拆除核武器后的副产物。虽然地心存在大量的氦-3，但人类的开采技术对此无能为力。

 

由于氦-3是拆除核武器的副产物，全球唯二拥有商业化提取氦-3能力的国家是美国和俄罗斯。但目前美国已经全面禁止向中国供应氦-3，自力更生、未雨绸缪是我们必须有的姿态。

 

由于供需严重失衡，氦-3的价格居高不下，2020 年每升价格已飙升至 2750 美元以上，换算成重量就是每克15414美元，且稀释制冷机设备需要足够的空间，所以目前的超导量子计算机的运行价格极其高昂、占地面积也较大。

 

据新思界产业研究中心发布的《2024-2029年中国氦3（3He）行业市场深度调研及发展前景预测报告》显示，2023年全球氦-3市场规模约为 912 万美元；预计到2029年全球氦-3市场将高速增长，年复合增长率达到 34.2%； 到2029 年全球氦-3市场规模将达到 5326 万美元。

 

全球氦-3的核心厂商是 Rosatom 和 Chemgas，占据了全球约 93% 的份额。根据纯度的不同，氦-3市场细分为高纯度(≥99%)、超高纯度（≥99.999%）两种。受磁共振成像（MRI）机器、半导体制造和光纤生产、稀释制冷机等对杂质极为敏感场景需求的持续刺激，超高纯度氦-3在 2022 年占据了全球氦-3市场的最大收入份额。

 

还能从哪获得氦-3

 

上帝关了一扇门，总会开一扇窗，只不过这次把窗开在了月球上。

氦-3的产生需要极端的压力和热量，而太阳在核聚变过程中会产生大量的氦-3，经过太阳风的吹拂，这些氦-3会持续落在周围的行星中，而地球表面被厚厚的大气层覆盖，太阳风无法直达，这才稀缺。历经漫长岁月，根据人类的初步探测结果表明，月球地壳的浅层就含有上百万吨氦-3。

 

 

氦-3在医疗、能源、低温制冷领域的潜力被陆续发掘，人们相信开发利用月球土壤中的氦-3，将是解决人类能源危机、推动科技进步极具潜力的一种途径。20 世纪 90 年代开始，全球掀起了新一轮的探月高潮，氦-3成为各国的共同目标。

 

中国月球探测工程首席科学家欧阳自远院士表示，月球上的氦-3 含量非常丰富，“至少可以解决人类未来 1 万年左右的能源需求”。在谈到月球的铁等金属储量时，欧阳自远特别提到了氦-3，称其为“核聚变发电、下一代核能的理想燃料”。

 

美国行星地质研究所地球与行星科学部主任劳伦斯·泰勒也表示：“与地球相比，月球有着储量惊人的氦-3。一艘航天飞机即可运载25 吨氦-3，它足够提供美国 1 年的电量。”

 

由美国蓝色起源（Blue Origin）前高管创办的初创公司 Interlune，就打算成为首个在月球上开采氦-3的商业公司。据今年 3 月官方发布的信息称，Interlune 已经筹集到 1800 万美元的种子资金，勘探任务最早将于 2026 年启动，商业化运营或将在 2030 年开始。

 

上个月，Interlune 还获得了来自 NASA 的 34.8 万美元赠款，用于在一系列低重力飞行中测试其处理月壤的系统，这意味着 Interlune 向登月开采氦-3的目标迈出了一小步。

 

在抛物线飞行中测试土壤处理硬件的早期原型

 

Interlune 的联合创始人、蓝色起源前总裁 Meyerson 表示，该公司的核心技术与从月壤中挖掘、提取和分离氦-3相关。“我们技术所需的功率，比 NASA 推广的通用技术少一个数量级。”

 

氦-3的价格增长趋势更增强了 Meyerson 的信心。“氦-3是唯一一种价格够高、可支撑前往月球获取并将其带回地球的资源。”Meyerson 在接受采访时难掩兴奋：“今天就有客户想买它。”

 

在探月的征途上，我国也正在大步赶上。2020 年 12 月 17 日，我国嫦娥五号首次登陆月球正面并成功采集 1731 克月壤样本，2023 年嫦娥六号更是创下纪录，在月背留下首个“中国脚印”。经过 3 年多对嫦娥五号样本的研究，首次成功获得月壤中氦-3含量及提取条件。

 

从月球上获取氦-3是一个长期的过程，在开发、提取和输送等环节都存在挑战，尽管美、欧、日、印等多个国家都在积极规划探月，但短期内恐难有实质进展。

 

在未来较长一段时间内，核反应堆或核武器副产品仍将是氦-3的主流供应渠道，包括超导量子计算机在内的诸多科技进步，仍将面临受到氦气供应制约的局面。

 

参考文章：

Traces of Earth's Core Were Found In the Arctic and Scientists Don't Know Why

https://upworthyscience.com/shoot-for-the-moon-its-surface-contains-a-pot-of-gold/particle-1https://finance.yahoo.com/news/helium-3-market-size-worth-124400105.html?guccounter=2

https://www.geekwire.com/2024/interlune-helium-3-fusion-fuel-moon/https://english.elpais.com/science-tech/2024-05-12/helium-3-mining-the-fuel-of-the-future-on-the-moon.html

https://www.geekwire.com/2024/nasa-interlune-348k-processing-moon-soil/

全球氦3（3He）供应紧张 中子探测器是最大下游市场_新思界-行业研究及投资分析报告综合提供商

(newsijie.com)

It’s colossal: Creating the world’s largest dilution refrigerator

用1克月壤找到氦-3提取的“秘密” (baidu.com)《通往绝对零度的道路：趣味低温科学技术史》

https://www.cpsjournals.cn/index/news/detail/46260