헬륨

1. 개요[편집]

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원자번호 2번, 주기율표에서 1주기 18족에 속하는 물질. 대기압 상온에서 기체 상태다.

그리스의 티탄족 태양신 헬리오스[1]의 이름을 따왔다. 태양신의 이름을 따온 이유는 1868년 프랑스 천문학자 피에르 장센이 태양 일식에서 그 존재를 발견했기 때문이다.[2] 지구 상에서는 1905년 캔자스 대학교 화학과에서 최초로 추출하는 데 성공했다.

금속이 아닌 원소임에도 금속 원소의 명명 방법인 '-ium'으로 끝나는 이름을 가지고 있는데, 이는 당시 헬륨의 자세한 특성이 밝혀지지 않은 상태에서 금속일 것이라 생각하고 명명한 탓에 이러한 이름이 붙여진 것이다.

2. 화학적 특성[편집]

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2.1. 동위원소 별 구성[편집]

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헬륨3, ³He

• (양성자2, 중성자1, 전자2)으로 구성요소가 홀수이므로 페르미온[3]
  스핀의 합이 반정수(정수+1/2)꼴.
  이다.
• 트랄퓸(Tralphium)이란 독립적인 이름이 있다. 하지만 경수소(H)-중수소(D)-삼중수소(T)처럼 독립 기호를 얻진 못 했다.
• 동위원소 중 유일하게 중성자 수가 더 적다.[4]
  경수소를 제외하면. 양성자 붕괴를 언급하는 사람에게 설명하자면, 사실 아직 발견되지도 않은 것이고, 경수소에만 적용하기 어렵다.
  또한 동위원소면서도 안정적이다.
• 일반 헬륨보다 가벼워서 지구를 더 쉽게 빠져나감은 물론 핵붕괴로도 거의 생성되지 않아서 지구상 천연 헬륨에서 차지하는 비중은 2 ppm (0.0002%)에 불과하다.

헬륨4, ⁴He

• (양성자2, 중성자2, 전자2)으로 구성요소가 짝수이므로 보손.
• 가장 가벼운 매직넘버 핵종으로, 핵자간의 결합력이 주변 동위원소들에 비해 강하다. 이 때문인지 무거운 원소들이 붕괴할 때도 헬륨-4 원자핵(알파 입자)가 방출되는 경우가 흔하다.

헬륨3과 헬륨4의 물리적 성질은 매우 다르다. 대학 3~4학년의 양자역학 및 통계역학의 지식이 필요하니 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 어쨌든 이를 100K 이하의 극저온에서 비열이 다른 점으로 이용하기도 한다. 화학적 성질 역시 뚜렷이 다르긴 하지만, 기본적으로 둘 다 화학적으로 극히 안정적인 단원자 물질이기 때문에 공학적으로는 의미가 없다.

원자 번호가 2밖에 안 됨에도 수소와는 달리 원자 모형이 아직도 만들어지지 않은 물질이다. 이 녀석의 원자 내부 상호작용이 다름아닌 삼체문제[5]인데, 이 문제의 일반해를 구하려고 뭇 과학자들이 애를 썼으나 결국 앙리 푸앵카레[6]가 없다고 증명을 해 버린 마당이니...

2.2. 비활성 기체[편집]

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비활성 기체의 첫 번째 원소다. 다른 원소와 거의 결합하지 않고 화합물로 존재하지 않는 단원자 분자다.

이상 기체에 제일 근접한 모습을 보여 주는 현실 기체.

18족의 대표주자로서, 화학적 활성은 거의 없다. 화학결합을 원자가 전자들이 퍼즐의 틈처럼 끼워맞춰지는 것이라 볼 때, 18족은 그 '틈'이 없기 때문이다.[7] 그리고 핵과 최외각전자의 거리도 가장 가까워 핵과 전자간의 인력이 가장 크기에 비활성기체 중에서도 가장 활성이 어렵다. 또한 수소 다음으로 작은 분자량은 이 기체를 화학적으로 불안정한, 그래서 위험한 수소의 대체재로 사용할 수 있게 해준다.

2013년, 미국 연구팀이 헬륨과 나트륨을 반응시켜 화합물을 만들긴 했다. # 하지만 이는 113GPa(약 113만 기압)이라는 특별한 환경에서 진행되었을 뿐이다. 그리고 다른 원소와 반응하는 제논, 아르곤 등도 비활성 기체라 부른다.

2.3. 헬륨의 액화와 응고[편집]

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액화헬륨[8]냉각재로 활용되는데, 작은 분자량과 동시에 극단적 비활성으로 인해, 매우 약한 분자 간 인력이 온도하강의 한계인 액화점을 낮게 만들기 때문이다.

액화헬륨은 보스-아인슈타인 응축이라는 특징(쉽게 말해 '초유동')을 띤다. 컵에 담으면 컵 벽면을 따라 위로 흘러나오고, 밀폐된 방 안에 뿌리면 아무런 힘을 주지 않아도 고르게 방 전체를 코팅한다. 보스-아인슈타인 응축은 보손에만 성립하므로 ³He에서는 나타나지 않아야 하는데 나타나는 경우가 있다. 이 경우엔 1972년 노벨물리학상을 받은 BCS theory에 의하면 ³He 2개가 쿠퍼쌍을 이루어 보손처럼 행동하기 때문으로 알려져있다. 이 발견은 1996년 노벨 물리학상을 받는다. 자세한 내용은 초유동체에 서술되어 있다.

한때, 기술로는 액화가 안 되던 헬륨이 최후의 영구기체로 여겨졌으나, 기술이 발전함에 따라 헬륨도 액화가 가능하다는 사실이 밝혀지면서 영구기체의 개념이 재정의 되었다.

1기압에서는 절대영도(−273.15°C)까지 내리더라도 고체헬륨을 만들 수 없다. 녹는점이 25기압일 때 절대영도에 가까운 -272도라서 그렇다. 즉, 극저온이라도 압력을 높여야만 고체 헬륨이 형성되는 것. 목성의 중심부 등 아주 특이한 환경을 제외하면 고체 헬륨을 실험실 밖에서 볼 수는 없다.

3. 산업적 이용[편집]

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3.1. 생산[편집]

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3.1.1. 희소성과 경제성[편집]

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우주에서는 수소에 이어 두번째로 흔한 원소지만 지구에선 헬륨이 희귀하다. 헬륨 자체의 단원자로 존재하기 때문에 매우 가벼워서 지구 중력으로 잡을 수 없어 서서히 우주 공간으로 빠져나가기 때문이다.
다만 지구의 중력이 지구형 행성 기준 상당히 센 편이고 지구자기장도 있어서, 빠져나가는 속도는 느린 편이다. 대기 중 누출된 헬륨이 대류권을 벗어나는 데에만 평균 210만년이 걸리고, 이후에도 성층권, 중간권, 열권 등을 천천히 빠져나간다.

• 1868년, 존재를 알게 되었으나, 연료로 활용할 수 없었기 때문에 쓸모없는 가스라고 여겨 발견되면 그 아래에 유전이 있다는 암시만 해주는 기체로만 여기고는 전부 공기 중으로 날려버렸다. 어째 백금이랑 취급의 변화가 비슷하다 풍선이나 비행선을 날리거나 목소리 변조 놀이 따위로 낭비했다.
• 2001년, 9.11 테러 이후 주 공급처인 미국이 고갈 직전의 헬륨을 전략물자로 취급하기 시작하며 헬륨 공급이 매우 줄었다. 액화헬륨 100리터에 200~300만 원에서 400만 원 이상으로 값이 상승했다.
• 2008년 기준 확인된 헬륨 매장량은 미국=알제리 > 러시아 > 캐나다 > 중국 > 폴란드 등이다. #
• 2010년, 헬륨 부족 사태로 각국의 첨단연구가 올스탑 걸릴 위기가 논의되었다. #
• 2012년, 각국의 헬륨 플랜트가 노후화를 이유로 가동을 중지하면서 생산량이 급감, 지구 상의 헬륨이 30년 내 고갈 위기가 논의되었다. #1, #2
• 2012년, 로버드 리처드슨 노벨상 수상자이자 헬륨 전문 물리학자는 헬륨의 적정가격은 1만배는 올라야 한다고 주장했다. 매장 헬륨이 고갈되면 이후 대기에서 헬륨을 추출해야 하는데, 대기로부터 헬륨을 추출할 경우 생산비용이 현재 생산비용의 일만 배이므로 값을 그리 매겨야 한다는 의견을 표명한 것이다. 물론 액체질소를 넘어 액체헬륨을 다루는 실험실에서는 대부분 헬륨을 재포집하여 냉각하는 시스템을 갖추고 있다. 하지만 조금씩은 손실이 생기는 법이고, 이 정도 손실도 작은 대학, 작은 연구실일수록 엄청난 부담으로 다가온다. 그나마도 ⁴He의 이야기. ³He의 경우 지구상에 자연적으로 존재하는 헬륨에는 2ppm정도밖에 존재하지 않고, 대부분 삼중수소로부터 얻어지기에 그램당 3000달러로 매우 고가이다.
• 2016년, 탄자니아에서 새로운 대규모 헬륨가스전이 발견되면서 2050년까지는 더 캘 수 있을 전망이다. #
• 2021년, 러시아가 아무르 GPP 1단계 공사를 완료하고 가동식을 했는데 이 플랜트에서 대규모 헬륨 생산 계획이 잡았다. (#1, #2) 하지만 우크라이나 전쟁 발발과 함께 행해진 서방의 제재들로 인해 러시아산 헬륨은 세계 시장에 공급이 저해된다. #

다만 헬륨 고갈 위기는 시장을 독점한 미국과 카타르가 과장하고 있으며[9], 전문가들은 숨겨둔 매장량이 더 있다는것이 기정사실로 받아들이고 있다.

3.1.2. 유전에서 생산[편집]

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대기에 있는 헬륨은 토륨, 우라늄의 알파붕괴의 산물이며 땅속에 갈라진 틈이나 모래의 틈에서 서서히 빠져나와 대기를 형성한다. 보통 핵분열로 인해 발생하는 α선에 의해 만들어진다.

대기에서는 농도가 매우 낮아 주로 천연가스에서 추출하는 데 단가는 높은 편. 우라늄이나 토륨 등의 핵분열로 생성된 알파선이 천연가스에 모이고 이것을 이용하는 것이다. 헬륨은 가벼워서 대기권에 노출되면 느린 시간에 걸쳐 빠져나가지만 원자의 부피가 크기 때문에 천연가스 구처럼 땅 속에 갇혀 있는 경우엔 대기에 노출되기 전까지는 계속 땅 속에 갇혀 있게 된다. 유전에 따라서는 상당히 많은 양의 헬륨이 포함된 곳도 있다.

천연가스와 같이 채취할 수 있는 헬륨의 매장량 중 경제성 있는 헬륨의 매장량은 대략 현재 170만 톤이고 비경제적이지만 그래도 충분히 추출할 수 있는 양은 500만 톤에 근접한다. 하지만 연간 3만 톤씩 추출하고 있으므로 대략 60년 후면 고갈 위기. 또한 매년 2~5%씩 헬륨 사용량이 증가하고 있어 실제로는 30년 내로 고갈될 수 있다. 핵융합 발전이 상용화된다 해도 사정은 크게 변하지 않는다. 핵융합 발전소에서 수소 기체를 1만 톤 단위로 소모하지는 않기 때문. 게다가 핵융합 발전에 필요한 초전도체의 유지를 위해 자체적으로 소모되는 분량이 있으므로 핵융합 발전이 이루어진다 해도 이 문제가 손쉽게 해결되기는 어렵다. 핵융합 문서 참조.

과거 천연가스가 생성될 때 우라늄과 토륨이 농축된 광석 주위에서 생성된 천연가스가 헬륨을 포함할 확률이 높다. 그냥 일반적인 지하에서 생성된 천연가스는 헬륨이 극소량으로 차라리 없다고 하는 게 낫다.[10] 즉, 천연가스의 매장량은 많지만 헬륨을 포함한 천연가스의 구를 계산한 매장량은 그보다 적다. 물론 좋은 구가 발견되면 헬륨 매장량은 더 늘어날 수 있다. 아주아주 농축된 천연가스 구에서는 하나의 구에서 헬륨이 10만 톤까지 나온 경우도 있으며 어떤 구에서는 천연가스 대 헬륨 부피가 7~15%까지 농축된 경우도 있다.[11]

3.1.3. 중성자선으로 생산[편집]

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핵탄두시설 및 중수로에서 극소량이 생산된다. 연간생산량은 2.3kg 정도로, 중수로나 수소폭탄의 삼중수소가 자연붕괴를 일으킬 때 부산물로 생기는 헬륨3을 포집하는 방식이다. 그나마 현재에는 그 생산량이 점점 줄어드는 실정.

중수로에서 2H에 열중성자를 충돌시키면 ³H가 형성되며 시간이 지남에 따라 붕괴되는데 기다리면 된다. 이런 식으로 채취하니 엄청나게 비싸다. 이 때문에 연구용이나 중성자 검출기 용도로 쓰인다.[12][13]

3.1.4. 달 기지 및 소행성에서 채굴[편집]

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우주에선 수소(75%) 다음으로 헬륨(24%)이 물질을 기준으로 흔하다. 가장 간단한 조합이기 때문. 각 별들의 내부에서 핵융합 반응으로 계속 생기고 있기도 하다. 가깝게로는 달 및 소행성에 태양풍으로 날아와 쌓인 헬륨3가 비교적 풍부하다고 알려져 있다. 일메나이트(티탄철석)에 주로 붙어 있다. #

2017년, 미국을 중심으로 루나 게이트웨이 및 달 기지 등을 포함하는 아르테미스 계획을 세워 달에서의 헬륨3 채굴 계획을 세우기 시작한다. 헬륨3가 21세기 우주 탐사를 재개한 원동력인 것. #

다만 토양에서 헬륨3를 분리하는 정제비용[14], 운송비용이 너무 비싸서 매장량이 아무리 많아봐야 현대 우주 기술 수준으로는 상업성이 전혀 없다는 지적이 있다. 아예 달에 발전소를 짓고 무선으로 전기를 지구에 보내자는 의견도 있지만 무선 송전 기술도 현재 수준으로는 효율이 너무 떨어진다.

달의 표토의 헬륨 함유량이 50ppb(Parts per billion)으로 바다의 15ppb보다 높다지만 이것도 사실 그렇게 많지 않다. 헬륨3 1톤을 달에서 채취하기 위해 달 표토 1.5억톤을 정제해야 하기 때문.

3.2. 활용[편집]

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2019년 9월 기준, 세계의 헬륨은 30%가 자기공명영상(MRI), 17%가 부력, 9%가 용접 공정, 5%가 반도체 공정에 쓰인다. 그 외 중성자 검출도 있다.

3.2.1. 핵융합 발전[편집]

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핵융합 발전 문서가 다루듯, 2020년대 시점까지는 중수소-삼중수소 반응이 주로 연구되나, 헬륨3을 이용한 핵융합 반응 또한 연구되고 있다.

헬륨3을 이용한 핵융합 지지 측은 중성자 발생이 적어 방사능 폐기물 생성이 적다는 점을 주목한다. 기존 중수소-삼중수소 대비 중수소-헬륨3만 해도 중성자 발생이 급격히 적고, 헬륨3-헬륨3은 이론상 중성자가 안 나온다.

헬륨3을 이용한 핵융합발전 비판 측은 삼중수소나 헬륨3이나 둘 다 희소하고 비싸지만 헬륨3은 '정말 없어서' 비싼 반면, 삼중수소는 각국 중수로에 있지만 '정치안보적 이유로 금지되어' 비싸다고 지적한다. 또한 이미 중수소-삼중수소 반응이 기술적으로 더 쉬우며, 헬륨3 핵융합은 더 고온 고압이 필요해 경제성-에너지효율성이 낮을 수 있다고 지적한다.

3.2.2. 부력 (비행선, 기구, 풍선)[편집]

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공기보다 가볍기 때문에 비행선이나 풍선 안에 채워넣는 기체로 사용된다. 대략 1 세제곱미터 부피의 헬륨은 해수면 높이에서 1.114 kg을 띄울 수 있다. 수소는 1 세제곱미터 부피로 1.202 kg을 띄운다. 수소가 더 가볍고 싸긴 하나, 화기와 접촉 시 폭발과 화재의 위험이 있기 때문에 수소보단 무겁지만 안전한 헬륨을 사용하는 것이다. 수소의 부력이 헬륨보다 겨우 8% 정도 더 큰 것[16]도 한 가지 원인. 독일의 유명한 비행선인 힌덴부르크 참사도 수소가스를 사용한 것이 큰 원인이었다. 원래 힌덴부르크호는 헬륨가스를 쓰도록 설계했는데 당시 최대의 헬륨공급처인 미국과 독일의 관계가 악화되던 중이라 미국에서 헬륨을 수출하지 않아서 그냥 수소로 채우고 갔다가 이러한 참사가 발생한 것이다. 표면의 알루미늄이 테르밋으로 작용한 이유도 있지만, 애초에 헬륨만을 썼더라면 폭발 및 그로 인한 대화재는 결코 없었을 것이다.

하지만 갈수록 희소해져가는 물질이므로 풍선, 비행선 용도는 규제해야 한다는 목소리가 점점 커지고 있다. 또한 헬륨은 재료를 투과하는 성질이 있어서 설령 기낭안에 아무리 단단하게 밀봉한다 하더라도 언젠가는 빠져나가서 손실되어 버린다. 헬륨 비행선을 한번 만들었다고 그걸로 끝이 아니라 비행선에서 서서히 빠져나가는 헬륨을 정기적으로 추가 보충해줘야 하는데다가 헬륨 자체의 가격도 만만치가 않아서 유지비도 많이 드는 것은 물론이고 헬륨을 낭비하는 꼴까지 된다. 이 때문에 21세기 들어서 비행선은 수소를 넣되 무인기로 만들어 설령 사고가 일어나도 인명피해가 없도록 하는 방향으로 만들어지고 있다.

3.2.3. 호흡용 기체, 목소리 변조[편집]

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인체와 일체의 반응을 하지 않는 기체이기 때문에, 산소와 함께 혼합하여 호흡용 기체로도 사용된다. 의료용으로는 낮은 밀도로 인해 호흡 시 기도의 저항을 감소시키는 효과가 있어 천식 등의 호흡기 질환 환자에게 이용되는 경우가 있으며, 폐 용적이나 확산능 검사에서는 질소와 대비할 목적으로 흡입에 이용한다. 그 밖에도 낮은 용해도와 높은 열전도도 등의 특성을 활용해 의료용으로 연구되는 분야가 여럿 존재한다.[17]. 이외에 많이 사용되는 곳은 심해 같은 고압의 환경에서 진행하는 스쿠버다이빙으로, 고압에서 기체의 분압이 높아져도 질소에 비해 혈액에 용해되는 정도가 매우 낮기 때문에 압력을 낮출 때 생길 수 있는 잠수병을 막을 수 있다. 물론 헬륨의 가격은 질소와는 비교할 수 없을 정도로 비싸기 때문에 깊은 수심까지 잠수할 경우에만 사용한다.(트라이믹스,헬리옥스) 다만 단점 또한 있는데, 후술할 목소리 변조 효과로 소통이 어려워지는 것과 함께 공기보다 6배 가까이 열 전도율이 높아 저온의 심해 잠수에서 쉽게 저체온증이 찾아올 수 있는 위험이 있다.

매질의 밀도에 따라 소리의 높낮이가 변화하는 현상은 모든 기체에서 공통적으로 발생하지만, 일반에서 접하기 쉬운 기체 중 인체에 무해하고 인식 가능할 정도의 음성 변화를 만들어낼 수 있는 사실상 유일한 기체이기 때문에 헬륨이 음성변조 가스의 대명사로 인식되고 있다.

이때 헬륨만을 단기간에 연속해서 흡입할 경우 잠시 저산소증 상태에 빠질 수 있어 여러번에 걸쳐 음성변조 효과를 내려 한다면 중간에 휴식시간을 두어 산소를 마셔줄 필요가 있는데, 헬륨가스 흡입의 안전에 관한 보도에서는 이 점이 과대포장되어 단순히 장난으로 풍선의 헬륨을 흡입하는 상황에서도 질식 등으로 심각한 상해가 발생할 수 있는 듯이 전달하는 일이 상당히 잦다. 특히 2022년 인천의 중학생이 헬륨을 이용해 극단적 선택을 한 사건이 목소리 변조를 하려다 사망한 사건으로 오인된 채 보도되어버리며 '장난으로 헬륨가스를 마시다간 사망할 수 있다'는 엉터리 안전 주의보가 속출해 다른 방면에서 심각한 부작용을 불러오고 있는데, 목소리 변조를 위한 헬륨 흡입에서의 안전에 관한 자세한 내용은 도날드 덕 효과 문서 참조.

3.2.4. 전자장비 마찰 저감[편집]

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최근에는 8TB 이상의 대용량 하드디스크에도 헬륨이 충전된다. 플래터를 추가해서 용량을 늘리다 보면 공기와 플래터의 마찰, 즉 공기저항과 이에 따른 발열 또한 증가하게 되고 이게 심해지면 마찰이 진동으로 전달되어 헤드가 진동하다가 플래터를 긁어버리거나 과열이 일어나서 데이터가 손상되는 일까지 일어날 수 있으나 헬륨은 공기보다 가볍고 밀도도 낮기 때문에 플래터의 갯수를 늘리면서도 저항이 매우 적어지고 발열도 현저히 줄어들며 모터의 출력도 낮출 수 있게 되어 소비전력까지 절감할 수 있다.

고농도의 헬륨기체는 가끔 스마트폰 같은 전자기기나 정밀기기를 일시적으로 고장을 내기도 한다. 기체 수소와 함께 분자 크기가 매우 작아서 다른 기체들은 통과하지 못하는 전자부품의 플라스틱 등 봉지재에 스며들수 있는데 이때문에 고도의 진공이 유지되어야 하는 MEMS 등 기계-전자부품이나 정밀장비에 스며들어 오동작을 일으킨다. 수리하는 법은 그냥 공기중에 며칠 방치하면 다시 스며나와 저절로 정상화 된다.

3.2.5. 초전도체 냉각[편집]

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거시적인 스케일[18]로 확보할 수 있는 가장 낮은 온도는 액화헬륨을 이용하는 것. 초전도체가 대개 극도로 낮은 온도를 필요로 하다보니 액화헬륨과의 궁합이 좋다. 관련 제품들은 해당 문서 참고. 대표적인 예가 LHC, MRI, 자기부상열차 등이 있다.

여담으로 자기부상열차 연구는 '비싼 액화헬륨을 부으며 나아가야 하느냐'는 논란에 발전이 저해되어 왔으나, 2019년 6월 한국철도기술연구원은 고체질소를 초전도체에 붙여 4시간 연속 운전에 성공한 바 있다.

4. 여담[편집]

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풍선, 비행선, 초전도체, 달 기지 관련 여담, 픽션은 해당 문서 참고.

• 이지 이 - 헬륨 가스 마신 목소리로 랩을 한다.
• 건담 시리즈 - 1979년 이후 일본 만화 시리즈. 당시엔 달의 헬륨3 양을 몰랐기에 목성에서 채취한다는 설정이다.
• 은하영웅전설 - 1982년 이후 일본 만화 시리즈. 레그니처 상공 조우전에서 대기가 수소와 헬륨인 행성에서 전투가 벌어진다.

• 더 문 - 2009년 미국 영화. 헬륨3을 주인공이 달에서 채취한다.
• Helium-3 Game - 2009년 미국 게임. 일종의 땅따먹기다. #
• 아이언 스카이 - 2012년 핀란드 영화. 헬륨3을 두고 국가들이 달 독점 경쟁을 벌인다.
• 문명: 비욘드 어스 - 2013년 미국 게임. 게임 자원 '이산화규소'의 설명에 초유체 헬륨3의 원료라고 나온다.
• Deliver Us The Moon - 2019년 미국 게임. 헬륨3을 채취하는 달 기지로 주인공이 찾아간다.