文 ／編譯梁采蘩
AI浪潮帶動晶圓需求 「理想冷卻劑」產量稀少、價格翻倍
在密西西比州大的核磁共振實驗室內，三塊強力磁鐵讓科學家得以窺探原子如何形成鍵結，藉此設計新型聚合物，研究細菌如何附著表面。為了讓儀器設備發揮作用，他們需要一種常見卻長期供不應求的元素：氦（helium）。
密西西比州大每12周就要花5000至6000美元來補充液態氦，以確保強力磁鐵的超導線圈能達超低溫-269℃。「這是我們目前最大一筆開銷。」負責人菲茨基（Nicholas Fitzkee）說，「過去一年左右，液態氮價格幾乎翻倍」。
麻省理工科技評論（MIT Technology Review）報導，氦的導熱性極佳。多數物質逼近絕對零度時都會凝固，氦卻能保持液態，因此被視為理想的冷凍劑，對任何會用到超導磁鐵的科技都至關重要。半導體製造廠也用氣體型態的氦來冷卻矽晶圓，避免損壞。
英國氦資源顧問克拉克（Richard Clarke）指出：「這是未來的關鍵元素。事實上歐盟已將氦列入2023年關鍵原料清單，加拿大也列入關鍵礦物清單。」
但目前世上氦氣供應主要仰賴3個國家：美國、卡達與阿爾及利亞；全球僅不到15家公司從事這行業。由於來源極少，若一家工廠停產或戰爭爆發，就可能突然供應不足，使得氦氣市場容易波動。
氦資源顧問柯恩布魯斯（Phil Kornbluth）說，自2006年以來，全球氦氣市場經歷了4次短缺。美國地質調查局資料顯示，自2020年來，氦氣價格幾乎翻倍，從每立方公尺7.57美元漲到2023年歷史最高價14美元。
加拿大滑鐵盧大學永續管理學博士生西丹坦卡（Ankesh Siddhantakar）表示：「現在的情況是氦愈來愈貴，廉價氦氣時代可能已一去不返。」
氦是化學周期表上的第二個元素。原子結構簡單，非常穩定，不易與其他物質發生反應，因此很容易被納入工業或化學過程。多數用途中，氦都沒有很好的替代品，而氦氣又比液態氦難回收。隨著AI熱潮帶動運算需求成長，美國政府正大力投資興建半導體製造廠，未來對氦氣的需求勢必增加。
柯恩布魯斯說：「毫無疑問，晶片製造就算現在還不是，未來幾年也將是氦的最大應用領域。」
克拉克預測，在這種大趨勢下，舉凡醫療、學術機構都得讓位，多數行業最終將逐步淘汰氦的非必要用途，主要把氦用於低溫冷卻，包括量子電腦、火箭、光纖電纜、半導體製造、粒子加速器與核融合反應爐。
鑑於氦對許多產業的重要性，西丹坦卡認為，戰略資源的管理者應該將它列為更優先考量。在最近一項分析中，他發現氦、鋰和鎂的全球供應鏈都面臨類似的風險。
●閱報秘書／放射性物質分解形成 濃度逾3% 才會分離
氦是由數百萬年前的放射性物質分解形成，與天然氣一同埋藏於地底，開採後再分離出來。若氦氣的濃度愈低，這樣做的成本就愈高。
一般而言，氦氣濃度必須至少達到0.3%，天然氣公司才會費功夫分離，只有美國、阿爾及利亞、加拿大和南非等少數國家的天然氣有達到這個濃度。濃度較低的卡達，則是用充足的天然氣產量來壓低分離的成本。
使用前就已流失50％ 戰爭衝突讓交貨雪上加霜
氦氣短缺並非因為匱乏，而是這幾國的生產商無法及時將貨送到各地客戶手中。出現這種情況的原因有很多。柯恩布魯斯說：「這是非常全球化的業務，任何時間地點爆發戰爭或衝突，都會影響到氦氣業務。」
另一個難題是，氦原子非常輕，無法被地球重力留住，氣體型態的氦容易散逸，甚至逃出專門設計的容器。根據西丹坦卡2月在「材料臨界性國際圓桌會議」發表的最新分析報告，我們提煉出來的氦在使用前就已流失多達50%。
需要大量氦氣的國家──加拿大、中國、巴西、德國、法國、日本、墨西哥、南韓和英國等進口量最大的國家，都在努力確保可靠的供應來源，並開始投入生產。去年，加拿大有4家氦氣工廠開業，南非也有1家。俄羅斯即將開設一家大型新工廠，不久後將向中國供應氦氣，從而取代阿爾及利亞成為世界第三大氦氣生產國。
科恩布魯斯說：「俄國最快會在2025年成為世界第三大生產國，未來5年內，他們將占世界供應量的四分之一。」卡達天然氣公司（Qatargas）也正開設第四家工廠，加上俄國的新工廠，未來幾年全球氦氣供應量將增加約50%。
美國是最大的氦氣消費國之一，同時也是主要生產國。1961年起，美國政府就在德州儲藏氦氣供軍事用途，數十年來，全球氦氣市場便與美國緊密相連。如今美國則在慢慢出清這些庫存，最後剩餘的拍賣將在未來數月進行。
世界各地的客戶主要仍依賴美國與卡達，這兩國生產的氦氣目前占全球總用量的75%以上。但美國地質調查局稱，過去10年美國的氦氣出口與產量大幅減少，而美國消費者的需求量卻增加了40%。
早在1975年，西屋工程師豪蘭（H. Richard Howland）就提醒應「明智地保護可耗竭資源」，將氦氣市場形容是「起步失誤、低效率和經濟陷阱的其中一例，必須避免」。當時他預測，美國已知的氦儲量將在世紀之交時耗盡。
不過根據美國地質調查局最近一項分析，蘊藏在美國天然氣中的氦氣仍足以再維持150年。西丹坦卡說：「這與許多其他事情一樣，重點在於該項資源的永續管理。」
原文出自《好讀周報》783期
