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HĂ©lium

L’hĂ©lium est l'Ă©lĂ©ment chimique de numĂ©ro atomique 2, de symbole He. C'est un gaz noble (ou gaz rare), pratiquement inerte, le premier de la famille des gaz nobles dans le tableau pĂ©riodique des Ă©lĂ©ments. Son point d'Ă©bullition est le plus bas parmi les corps connus, et il n'existe sous forme solide que s'il est soumis Ă  une pression supĂ©rieure Ă  25 atmosphĂšres.

HĂ©lium
Image illustrative de l’article HĂ©lium
HĂ©lium liquide superfluide (T ≀ 2 K).
Position dans le tableau périodique
Symbole He
Nom HĂ©lium
Numéro atomique 2
Groupe 18
Période 1e période
Bloc Bloc s
Famille d'éléments Gaz noble
Configuration Ă©lectronique 1s2
Électrons par niveau d’énergie 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 4,002 602 Â± 0,000 002 u[1]
Rayon atomique (calc) 128 pm (31 pm)
Rayon de covalence 28 pm[2]
Rayon de van der Waals 140 pm
État d’oxydation 0
Oxyde inconnu
Énergies d’ionisation[3]
1re : 24,587 387 eV 2e : 54,417 760 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN PĂ©riode MD Ed PD
MeV
3He0,000 137 %stable avec 1 neutron
4He99,999 863 %stable avec 2 neutrons
6He{syn.}0,806 92 sÎČ–
ÎČ–,d[n 1]
3,56Li
4He
8He{syn.}0,119 5 sÎČ–
ÎČ–,n
ÎČ–,t[n 2]
10,08Li
7Li
5He
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire Gaz
Masse volumique 0,178 6 kg/m3 (0 °C, 1 atm);

0,125 g/cm3 (liquide, −268,93 °C)[1]

SystĂšme cristallin Hexagonal compact
Couleur Incolore
Point de fusion 0,95 K (26 atm)
Point d’ébullition −268,93 °C[1]
Énergie de fusion 5,23 kJ/mol
Énergie de vaporisation 0,08 kJ/mol (1 atm, −268,93 °C)[1]
TempĂ©rature critique −267,96 °C[1]
Pression critique 2,26 atm[5]
Volume molaire 22,414 Ă— 10−3 m3/mol
Pression de vapeur
Vitesse du son 972 m/s
Chaleur massique Cp 20,79 J mol−1 K−1[5]
ConductivitĂ© thermique 152,0 mW m-1 K-1 (26,85 °C)[5]
Divers
No CAS 7440-59-7[6]
No ECHA 100.028.334
No CE 231-168-5
Précautions
SGH[7]
SGH04 : Gaz sous pression
Attention
H280 et P410+P403
SIMDUT[8]
A : Gaz comprimé
A,
Transport[7]
;

Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

L'hélium possÚde deux isotopes stables : l'hélium 4 (4He), le plus abondant, et l'hélium 3 (3He). Ces deux isotopes, contrairement à ceux de la plupart des éléments chimiques, diffÚrent sensiblement dans leurs propriétés, car le rapport de leurs masses atomiques est important. D'autre part, les effets quantiques, sensibles à basse énergie, leur donnent des propriétés trÚs différentes. Le présent article traite essentiellement de l'hélium 4 (4He). L'article Hélium 3 compile les propriétés spécifiques de l'isotope 3He.

Le mot hĂ©lium a Ă©tĂ© construit Ă  partir du grec Helios (ጭλÎčÎżÏ‚ / Háșżlios, « le Soleil »), cet Ă©lĂ©ment ayant Ă©tĂ© observĂ© pour la premiĂšre fois dans le spectre solaire le , au cours d'une Ă©clipse totale de Soleil, par l'astronome Jules Janssen[9].

L'hĂ©lium est, aprĂšs l'hydrogĂšne, l'Ă©lĂ©ment le plus abondant dans l'Univers. L'essentiel de cet hĂ©lium a Ă©tĂ© produit lors de la nuclĂ©osynthĂšse primordiale mais d'autres processus en produisent, notamment la radioactivitĂ© α (cf. sous-section Abondance naturelle). Sur la Terre, selon une estimation du Bureau of Land Management des États-Unis de 2006, les ressources d'hĂ©lium totalisent 52 milliards de mĂštres cubes[10].

L'hélium a divers usages en forte croissance, alors que la production industrielle a diminué pour des raisons conjoncturelles : sa raréfaction devient inquiétante[11]. Cependant, le marché de l'hélium est calme en 2016, et il est récemment passé de la pénurie au surplus[10].

Isotopes et propriétés nucléaires

On connait huit isotopes de l'hĂ©lium. L'hĂ©lium 3 (deux protons et un neutron) et l'hĂ©lium 4 (deux protons et deux neutrons) sont stables, les autres sont extrĂȘmement instables, certains n'existant virtuellement que lors de leur formation. Dans l'atmosphĂšre terrestre, il n'y a qu'un atome d'hĂ©lium 3 pour environ un million d'atomes d'hĂ©lium 4[12]. Contrairement Ă  la plupart des Ă©lĂ©ments, l'abondance isotopique de l'hĂ©lium varie considĂ©rablement selon son origine, en raison des processus de formation diffĂ©rents. L'isotope le plus abondant, l'hĂ©lium 4, est produit sur Terre par la radioactivitĂ© α d'Ă©lĂ©ments lourds : les particules α qui y sont produites sont des noyaux d'hĂ©lium 4 complĂštement ionisĂ©s. L'hĂ©lium 4 est un noyau Ă  la stabilitĂ© inhabituelle, parce que ses nuclĂ©ons sont arrangĂ©s en couches complĂštes.

À l'Ă©chelle de l'Univers, la grande partie de l'hĂ©lium prĂ©sent a Ă©tĂ© formĂ© (en quantitĂ©s Ă©normes, environ 25 % de toute la matiĂšre) lors de la nuclĂ©osynthĂšse primordiale[13]. Quasiment tout le reste de l'hĂ©lium produit dans l'Univers l'est (ou l'a Ă©tĂ©) lors de la nuclĂ©osynthĂšse stellaire.

L'hĂ©lium 3 n'est prĂ©sent sur Terre qu'Ă  l'Ă©tat de traces ; la plupart date de la formation de la Terre, bien qu'un peu tombe encore dessus, piĂ©gĂ© dans la poussiĂšre interstellaire[14]. Des traces sont aussi produites encore par la radioactivitĂ© ÎČ du tritium[15]. Les roches de la croĂ»te terrestre ont des rapports isotopiques variant jusqu'Ă  un facteur 10 et ces rapports peuvent ĂȘtre utilisĂ©s pour la dĂ©termination de l'origine des roches et la composition du manteau terrestre[14]. L'hĂ©lium 3 est bien plus abondant dans les Ă©toiles, mais bien qu'il soit produit lors de la fusion nuclĂ©aire, les Ă©toiles n'en relĂąchent que trĂšs peu (comme le deutĂ©rium et le lithium, ou le bore) car il n'apparait que dans une chaine intermĂ©diaire menant Ă  l'hĂ©lium 4 : il est « consommĂ© » au fur et Ă  mesure de sa production dans les Ă©toiles. Par suite, dans le milieu interstellaire, le rapport isotopique est environ 100 fois plus Ă©levĂ© que sur Terre[16]. Les matĂ©riaux extraplanĂ©taires, comme le rĂ©golithe de la Lune ou des astĂ©roĂŻdes, ont des traces d'hĂ©lium 3 provenant du vent solaire. La surface de la Lune en contient une concentration de l'ordre de 10-8[17] - [18]. Certains auteurs, dont Gerald Kulcinski en 1986[19], ont proposĂ© d'explorer la Lune, d'extraire l'hĂ©lium 3 du rĂ©golithe et de l'utiliser pour produire de l'Ă©nergie par fusion nuclĂ©aire.

L'hĂ©lium 4 peut ĂȘtre refroidi jusqu'Ă  environ 1 K par Ă©vaporation. L'hĂ©lium 3, qui a un point d'Ă©bullition infĂ©rieur, peut ĂȘtre refroidi jusqu'Ă  0,2 K par la mĂȘme mĂ©thode. Des mĂ©langes Ă  parts Ă©gales d'hĂ©lium 3 et 4 se sĂ©parent, au-dessous de 0,8 K, car ils ne sont plus miscibles, en raison de leurs diffĂ©rences (l'atome d'hĂ©lium 4 Ă©tant un boson tandis que l'atome d'hĂ©lium 3 est un fermion, ils suivent deux statistiques quantiques diffĂ©rentes[n 3]). Les rĂ©frigĂ©rateurs Ă  dilution utilisent cette propriĂ©tĂ© pour atteindre quelques millikelvins.

On peut produire par des rĂ©actions nuclĂ©aires d'autres isotopes de l'hĂ©lium, qui sont instables et se dĂ©sintĂšgrent rapidement en d'autres noyaux. L'isotope dont la demi-vie est la plus courte est l'hĂ©lium 2 (2 protons, sans aucun neutron : le diproton, qui se dĂ©sintĂšgre en deux protons en 3 Ă— 10−27 s). L'hĂ©lium 5 et l'hĂ©lium 7 se dĂ©sintĂšgrent par Ă©mission d'un neutron, avec une demi-vie de 7,6 Ă— 10−23 s et 2,9 Ă— 10−21 s, respectivement. L'hĂ©lium 6 et l'hĂ©lium 8 se dĂ©sintĂšgrent par radioactivitĂ© ÎČ, avec une demi-vie de 0,8 s et 0,119 s, respectivement. Les isotopes 6 et 8 ont une structure lĂąche, dans laquelle des neutrons orbitent loin du cƓur, ce que l'on appelle halo nuclĂ©aire.

Le corps simple hélium

L'hélium est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est pratiquement inerte chimiquement, monoatomique en toute circonstance. Dans un vaste domaine de températures et de pressions, il se comporte expérimentalement comme un gaz parfait, ce qui en fait une substance privilégiée pour l'expérimentation des théories physico-chimiques. Les deux isotopes stables de l'hélium sont les seuls composés chimiques à ne pas posséder de point triple[20].

Gaz

La conductivitĂ© thermique de l'hĂ©lium gazeux est supĂ©rieure Ă  celle de tous les gaz, sauf l'hydrogĂšne, et sa chaleur spĂ©cifique est exceptionnellement Ă©levĂ©e. Son coefficient de Joule-Thomson est nĂ©gatif Ă  tempĂ©rature ambiante, ce qui signifie que, contrairement Ă  la plupart des gaz, il se rĂ©chauffe lorsqu'il peut se dĂ©tendre librement. La tempĂ©rature d'inversion de Joule-Thomson est d'environ 40 K, soit −233,15 °C Ă  la pression d'1 atm[21]. Une fois refroidi en dessous de cette tempĂ©rature, l'hĂ©lium peut ĂȘtre liquĂ©fiĂ© par le refroidissement dĂ» Ă  sa dĂ©tente.

L'hélium est aussi le gaz le moins hydrosoluble de tous les gaz connus[22]. En raison de la petite taille de ses atomes, sa vitesse de diffusion à travers les solides est égale à trois fois celle de l'air et environ 65 % celle de l'hydrogÚne.

L'indice de réfraction de l'hélium est plus proche de l'unité que celui de n'importe quel autre gaz[23]. La vitesse du son dans l'hélium est supérieure à celle dans tout autre gaz, sauf l'hydrogÚne[24].

Contrairement au plasma, le gaz est un excellent isolant Ă©lectrique.

Plasma

Une lampe à décharge fonctionnant à l'hélium.

La plupart de l'hĂ©lium extraterrestre se trouve dans l'Ă©tat de plasma, dont les propriĂ©tĂ©s diffĂšrent notablement de celles de l'hĂ©lium atomique. Dans le plasma, les Ă©lectrons de l'hĂ©lium ne sont pas liĂ©s au noyau, ce qui conduit Ă  une trĂšs grande conductivitĂ© Ă©lectrique, mĂȘme quand l'ionisation est partielle. Les particules chargĂ©es sont trĂšs sensibles aux champs Ă©lectrique et magnĂ©tique. Par exemple, dans le vent solaire, l'hĂ©lium et l'hydrogĂšne ionisĂ©s interagissent avec la magnĂ©tosphĂšre terrestre, donnant lieu aux phĂ©nomĂšnes de courants de Birkeland et aux aurores polaires[25].

Comme les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui lui permettent de rester excité dans une décharge électrique dont la tension est inférieure à son potentiel d'ionisation. Ceci permet son utilisation dans les lampes à décharge.

Liquide

Contrairement aux autres éléments, l'hélium reste liquide jusqu'au zéro absolu, à des pressions inférieures à 25 atm. Ceci est une conséquence directe de la mécanique quantique : plus précisément l'énergie des atomes dans l'état fondamental du systÚme est trop élevée pour permettre la solidification (voir sous-chapitre #Solide).

Au-dessous du point d'Ă©bullition Ă  4,22 K et au-dessus du point lambda Ă  2,176 8 K, l'hĂ©lium 4 existe sous forme d'un liquide normal incolore, appelĂ© hĂ©lium I[21]. Comme les autres liquides cryogĂ©niques, il bout quand il est chauffĂ© et se contracte quand sa tempĂ©rature est abaissĂ©e. L'hĂ©lium I a un indice de rĂ©fraction voisin de celui des gaz : 1,026 ; ce qui rend sa surface tellement difficile Ă  apercevoir que l'on utilise souvent des flotteurs de mousse de polystyrĂšne pour voir son niveau[26]. Ce liquide incolore a une viscositĂ© trĂšs faible et une densitĂ© de 0,125 = 1/8, ce qui n'est qu'un quart de la valeur prĂ©vue par la physique classique[26]. Il faut recourir Ă  la mĂ©canique quantique pour expliquer cette propriĂ©tĂ© et donc l'hĂ©lium liquide sous ses diverses formes est appelĂ© fluide quantique, pour signifier que les effets de la mĂ©canique quantique, normalement sensibles seulement Ă  l'Ă©chelle microscopique, se manifestent Ă  l'Ă©chelle macroscopique car l'atome d'hĂ©lium 4 est un boson. Ceci s'interprĂšte comme une consĂ©quence du fait que le point d'Ă©bullition est si rapprochĂ© du zĂ©ro absolu que les mouvements thermiques alĂ©atoires ne peuvent plus masquer les propriĂ©tĂ©s atomiques[26].

Superfluide

Diagramme de phase de l'hélium à basse température.

L'hélium liquide en dessous du point lambda commence à présenter des caractÚres tout à fait inhabituels, dans un état appelé hélium II.

À la transition de l'hĂ©lium I vers l'hĂ©lium II au point lambda, l'hĂ©lium se dilate. Quand la tempĂ©rature baisse, l'hĂ©lium II continue Ă  se dilater, jusqu'Ă  environ 1 K, oĂč il recommence Ă  se contracter comme la plupart des corps.

L'hélium II peut s'écouler à travers des capillaires de 10-7 à 10-8 m, sans viscosité mesurable[12]. Cependant quand on mesure la viscosité entre deux disques tournant l'un par rapport à l'autre, on trouve une viscosité comparable à celle de l'hélium gazeux. La théorie actuelle explique ce fait en utilisant un modÚle à deux fluides de Låszló Tisza (en) pour l'hélium II. Dans ce modÚle, l'hélium liquide, au-dessous du point lambda, consiste en un mélange d'atomes d'hélium dans l'état fondamental et d'atomes dans des états excités, qui se comportent davantage comme un fluide ordinaire[27].

Une illustration de cette thĂ©orie est donnĂ©e par l’effet fontaine. Dans cette expĂ©rience, un tube vertical, prĂ©sentant un petit ajutage Ă  son extrĂ©mitĂ© supĂ©rieure, est plongĂ© par son extrĂ©mitĂ© infĂ©rieure dans un bain d'hĂ©lium II. Il y est bouchĂ© par un disque frittĂ©, au travers duquel seul le fluide sans viscositĂ© peut circuler. Si l'on chauffe le tube, en l'Ă©clairant par exemple, on va y transformer la partie superfluide en fluide ordinaire. Pour rĂ©tablir l'Ă©quilibre des deux fluides avec le bain, du superfluide va pĂ©nĂ©trer Ă  travers le bouchon frittĂ©, et pour conserver le volume, une partie du contenu du tube sera Ă©jectĂ© par l'ajutage supĂ©rieur, formant un jet, que l'on peut interrompre en cessant de chauffer[n 4].

La conductivitĂ© thermique de l'hĂ©lium II est supĂ©rieure Ă  celle de tout autre corps connu. Ceci empĂȘche l'hĂ©lium II de bouillir, car tout apport de chaleur se transporte immĂ©diatement Ă  la surface, oĂč il provoque tout simplement l'Ă©vaporation en gaz. Cette conductivitĂ© est un million de fois supĂ©rieure Ă  celle de l'hĂ©lium I, et plusieurs centaines de fois celle du cuivre[21]. Ceci est dĂ» au fait que la conduction de la chaleur se fait par un mĂ©canisme quantique exceptionnel. La plupart des matĂ©riaux bons conducteurs de la chaleur ont une bande de valence d'Ă©lectrons libres qui servent Ă  conduire la chaleur. L'hĂ©lium II n'a pas de telle bande et pourtant conduit bien la chaleur. Le flux de chaleur obĂ©it Ă  des Ă©quations semblables aux Ă©quations d'onde de la propagation du son dans l'air. Quand de la chaleur est introduite, elle se dĂ©place Ă  20 m s−1 Ă  1,8 K dans l'hĂ©lium II. On appelle ces ondes deuxiĂšme son[28].

L'hélium II rampe sur les surfaces de façon à rétablir l'équilibre hydrostatique.

Contrairement aux liquides ordinaires, l'hĂ©lium II rampe le long des surfaces, mĂȘme, apparemment, contre la gravitĂ©. Il s'Ă©chappera d'un rĂ©cipient non fermĂ© en rampant sur les cĂŽtĂ©s, Ă  moins qu'il ne rencontre un endroit moins froid oĂč il s'Ă©vapore. Quelle que soit la surface, il se dĂ©place en un film de quelque 30 nm. Ce film est appelĂ© film de Rollin, en souvenir du physicien qui l'a caractĂ©risĂ© le premier, Bernard V. Rollin[28] - [29] - [30]. À la suite de cet effet et de la capacitĂ© de l'hĂ©lium II de passer rapidement Ă  travers de petites ouvertures, il est difficile de confiner l'hĂ©lium liquide. À moins que le rĂ©cipient ne soit astucieusement construit, l'hĂ©lium II escaladera les parois et passera Ă  travers les vannes jusqu'Ă  ce qu'il atteigne une rĂ©gion plus chaude oĂč il s'Ă©vaporera. Les ondes qui se propagent le long d'un film de Rollin obĂ©issent aux mĂȘmes Ă©quations que les vagues en eau peu profonde, mais la force de rappel est ici la force de van der Waals Ă  la place de la gravitĂ©[31]. Ces ondes sont connues sous le nom de troisiĂšme son[32].

Solide

L'hĂ©lium ne se solidifie que sous l'effet de fortes pressions. Le solide pratiquement invisible et incolore qui en rĂ©sulte est fortement compressible ; une compression en laboratoire peut rĂ©duire son volume de plus de 30 %[33]. Avec un module d'Ă©lasticitĂ© cubique de l'ordre de 5 Ă— 107 Pa, il est cinquante fois plus compressible que l'eau. Dans des conditions normales de pression, et Ă  l'inverse des autres Ă©lĂ©ments, l'hĂ©lium ne se solidifie pas et reste liquide jusqu'au zĂ©ro absolu. L'hĂ©lium solide nĂ©cessite une pression minimale d'environ 26 atm. Il est souvent assez difficile de distinguer l'hĂ©lium solide de l'hĂ©lium liquide, leurs indices de rĂ©fraction Ă©tant presque identiques. Le solide a une chaleur latente (chaleur de fusion) Ă©levĂ©e et une structure cristalline hexagonale, comme celle de l'eau.

Propriétés chimiques

Comme tous les gaz nobles, l'hélium a sa couche de valence complÚte ce qui implique une trÚs faible réactivité chimique. Comme il n'a pas de sous-couches capables de réagir, c'est (avec le néon) le moins réactif de tous les corps simples[33].

L'hĂ©lium peut nĂ©anmoins former des composĂ©s instables (excimĂšres) avec le tungstĂšne, l'iode, le fluor, le soufre et le phosphore en phase plasma, par dĂ©charge ou d'une autre maniĂšre. HeNe, HgHe10, WHe2 et les ions molĂ©culaires He2+, He2++, HeH+, HeD+ ont Ă©tĂ© crĂ©Ă©s de cette maniĂšre. Cette technique a aussi permis la production de la molĂ©cule neutre He2, qui possĂšde un plus grand nombre de systĂšmes de bandes, et HgHe, dont la cohĂ©sion ne semble reposer que sur des forces de polarisation. ThĂ©oriquement, d'autres composants comme le fluorohydrure d'hĂ©lium (HHeF) sont Ă©galement possibles. En 2013 on a pu former l'hĂ©liure de lithium LiHe Ă  l'Ă©tat gazeux par ablation laser Ă  trĂšs basse tempĂ©rature (1 Ă  5 K)[34].

Les premiers composĂ©s stables de l'hĂ©lium prouvĂ©s sont des complexes endoĂ©driques de fullerĂšnes, comme He@C60, oĂč un atome d'hĂ©lium est emprisonnĂ© dans une cage de fullerĂšne C60. Depuis, il a Ă©tĂ© montrĂ© qu'Ă  trĂšs haute pression (supĂ©rieure Ă  113 GPa) il est possible de former un composĂ© stable de l'hĂ©lium et du sodium, Na2He[35] - [36]. De telles molĂ©cules pourraient Ă©galement se trouver dans les planĂštes gĂ©antes Ă  la pression Ă©levĂ©e comme Jupiter et Saturne[37].

De l'intérieur de la Terre se dégage (dans les laves et les gaz volcaniques) de l'hélium riche en hélium 3, que l'on pense primordial (c'est-à-dire acquis lors de la formation de la Terre, il y a prÚs de 4,6 milliards d'années). S'il était à l'état gazeux ou dissous dans les minéraux du manteau inférieur il aurait eu largement le temps de dégazer quasi complÚtement, vu sa volatilité et les températures à l'intérieur de la Terre. Il faut donc qu'il soit stocké sous la forme d'un minéral stable dans les conditions du manteau inférieur, or on n'en connaßt aucun. Le calcul en 2018 de l'enthalpie libre d'un millier de composés de l'hélium hypothétiques mais plausibles[38] a prédit un (et un seul) composé d'enthalpie libre suffisamment faible pour piéger l'hélium dans le manteau au lieu de le laisser libre, le dioxyde de fer et d'hélium FeO2He[39] - [40] - [38].

Propriétés biologiques

L'hélium, neutre, dans les conditions standard, est non-toxique, ne joue aucun rÎle biologique et on en trouve à l'état de traces dans le sang humain. Si l'on en inhale assez pour que le dioxygÚne nécessaire à une respiration normale soit déplacé, l'asphyxie devient possible.

Inhalation

Fichier audio
Texte lu à l'hélium
Si besoin, utilisez la touche page précédente du navigateur en fin d'audition. (en) Helium is a colorless, odorless, tasteless, non-toxic, inert monatomic chemical element, that heads the noble gas series in the periodic table and whose atomic number is 2. Its boiling and melting points are the lowest among the elements and it exists only as a gas except in extreme conditions.
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La voix d'un individu qui a inhalĂ© de l'hĂ©lium change temporairement de timbre vers les harmoniques Ă©levĂ©s — l'hĂ©lium Ă©tant trois fois moins dense que l'air, la vitesse du son devient ainsi plus Ă©levĂ©e — et comme la frĂ©quence fondamentale d'une cavitĂ© remplie de gaz est proportionnelle Ă  la vitesse du son, l'inhalation d'hĂ©lium correspondra Ă  une augmentation des frĂ©quences de rĂ©sonance de l'appareil phonatoire qui modulent la frĂ©quence fondamentale donnĂ©e par les cordes vocales[12] - [41] - [42]. Un effet opposĂ©, de baisse de timbre, peut ĂȘtre obtenu en inhalant un gaz plus dense, comme l'hexafluorure de soufre.

L'inhalation d'hĂ©lium pur Ă  faible dose est normalement sans danger car il s'agit d'un gaz inerte. Cependant l'utilisation d'hĂ©lium vendu en commerce, comme celui utilisĂ© pour gonfler des ballons, peut ĂȘtre dangereuse en raison des nombreux contaminants qu'il peut contenir, traces d'autres gaz, ou aĂ©rosols d'huile lubrifiante[43].

L'inhalation d'hĂ©lium en excĂšs peut ĂȘtre dangereuse, puisque l'hĂ©lium est simplement un asphyxiant, qui remplace le dioxygĂšne nĂ©cessaire Ă  une respiration normale[12] - [44]. La respiration d'hĂ©lium pur provoque l'asphyxie en quelques minutes. L'inhalation de l'hĂ©lium directement Ă  partir de cylindres sous pression est extrĂȘmement dangereuse, en raison du fort dĂ©bit, qui peut produire un barotraumatisme qui dĂ©chire le tissu pulmonaire et peut ĂȘtre fatal[44] - [45]. Cependant, cet accident est assez rare, puisqu'on ne compte que deux dĂ©cĂšs entre 2000 et 2004 aux États-Unis[45].

À haute pression (plus de 20 atm ou 2 MPa), un mĂ©lange d'hĂ©lium et de dioxygĂšne (hĂ©liox) peut conduire Ă  un syndrome nerveux des hautes pressions, une espĂšce d'effet contre-anesthĂ©sique. En ajoutant un peu de diazote au mĂ©lange, on peut Ă©viter le problĂšme[46] - [47]. NĂ©anmoins, en plongĂ©e subaquatique, le syndrome nerveux des hautes pressions ne peut ĂȘtre contrecarrĂ© que par l'adjonction d'hydrogĂšne, l'ajout de diazote Ă©tant hautement narcotique dĂšs que la pression totale atteint 5 bars.

Utilisation thérapeutique

L'hélium est administré dans des mélanges contenant un minimum de 20 % de dioxygÚne, à des patients aux prises avec une obstruction des voies respiratoires supérieures ou inférieures. La faible viscosité de l'hélium permet ainsi de diminuer le travail de respiration.

Sécurité

En ce qui concerne l'hĂ©lium cryogĂ©nique, les mesures de sĂ©curitĂ© sont semblables Ă  celles nĂ©cessaires pour l'azote liquide ; sa tempĂ©rature extrĂȘmement basse peut causer des brĂ»lures par le froid.

Une inhalation d'une grande quantité en une seule prise, produit une légÚre asphyxie, conduisant à une courte mais dangereuse perte de conscience. On dénombre également certains cas d'embolies cérébrales ou de sérieux problÚmes pulmonaires chez les personnes ayant inhalé de l'hélium sous pression.

Par ailleurs, le taux de dilatation entre la phase liquide et la phase gazeuse est tel qu'il peut provoquer des explosions en cas de vaporisation rapide, si aucun dispositif de limitation de pression n'est installé.

Les rĂ©servoirs d'hĂ©lium gazeux Ă  5–10 K doivent aussi ĂȘtre manipulĂ©s comme s'ils contenaient de l'hĂ©lium liquide, en raison de la dilatation thermique importante et rapide qui a lieu quand de l'hĂ©lium Ă  moins de 10 K est amenĂ© Ă  la tempĂ©rature ordinaire[33].

Usages

MalgrĂ© son prix Ă©levĂ©, l'hĂ©lium est utilisĂ© pour de nombreux usages exigeant certaines de ses propriĂ©tĂ©s uniques, telles son point d'Ă©bullition bas, sa faible densitĂ©, sa faible solubilitĂ©, sa haute conductivitĂ© thermique ou son caractĂšre chimiquement et biologiquement inerte. On le trouve dans le commerce sous forme liquide ou gazeuse. Sous forme liquide, on peut trouver des petits rĂ©servoirs appelĂ©s dewars, qui peuvent contenir jusqu'Ă  1 000 l d'hĂ©lium, ou dans des grands rĂ©servoirs ISO de capacitĂ©s nominales jusqu'Ă  40 000 l. Sous forme gazeuse, de petites quantitĂ©s d'hĂ©lium sont fournies dans des cylindres Ă  haute pression contenant jusqu'Ă  8,5 m3 standards, tandis que les grandes quantitĂ©s sont livrĂ©es en camions-citernes sous pression qui peuvent avoir des capacitĂ©s jusqu'Ă  5 000 m3 standards.

Industriels

En raison de son caractÚre inerte, sa grande conductivité thermique, sa transparence aux neutrons et parce qu'il ne forme pas d'isotope radioactifs au sein des réacteurs, on utilise l'hélium comme fluide de transfert de chaleur dans certains réacteurs nucléaires refroidis au gaz[48].

L'hélium est utilisé comme atmosphÚre protectrice lors de la croissance du silicium monocristallin destiné à la fabrication de circuits intégrés et des fibres optiques, pour la production de titane et de zirconium, et en chromatographie en phase gazeuse[33], parce qu'il est inerte.

Vu son inertie chimique, ses propriétés thermodynamiques et calorifiques idéales, sa vitesse du son élevée et un grand coefficient de Laplace, il est également utile dans les souffleries supersoniques[49] ou pour les installations d'étude de phénomÚnes transitoires[50].

Ces mĂȘmes propriĂ©tĂ©s permettent de l'utiliser dans des disques durs scellĂ©s pour augmenter leur capacitĂ©[51]. Aucune Ă©tanchĂ©itĂ© n'Ă©tant parfaite, ces disques disposent d'un dĂ©tecteur signalant toute perte d'hĂ©lium dangereuse pour le disque au fil du temps.

L'hélium en mélange avec un gaz plus lourd, comme le xénon, est utile pour la réfrigération thermoacoustique, en raison du grand rapport des capacités thermiques et du faible nombre de Prandtl[52]. L'inertie chimique de l'hélium a des avantages environnementaux sur d'autres systÚmes de réfrigération, qui contribuent au trou d'ozone ou au réchauffement climatique[53].

Comme il diffuse à travers les solides trois fois plus vite que l'air, l'hélium est utilisé pour détecter les fuites dans les équipements à ultravide ou les réservoirs à haute pression[48].

Il est également utilisé avec des produits alimentaires (additif alimentaire autorisé par l'Union européenne sous la référence E939) pour permettre une vérification de l'étanchéité de l'emballage (voir liste des additifs alimentaires).

Scientifiques

L'hélium liquide est utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs des appareils à IRM modernes.

L'utilisation de l'hélium réduit les effets de distorsion dus aux variations de température dans l'espace séparant les lentilles de certains télescopes ou lunettes, en raison de son indice de réfraction exceptionnellement bas[21]. Cette méthode est spécialement utilisée pour les télescopes solaires, soumis à des variations importantes de température, mais pour lesquels une enceinte supportant la différence de pression entre l'atmosphÚre et le vide serait trop lourde[54] - [55].

L'Ăąge des roches et minĂ©raux qui contiennent de l'uranium et du thorium peut ĂȘtre estimĂ© en mesurant leur contenu en hĂ©lium par un procĂ©dĂ© appelĂ© datation Ă  l'hĂ©lium[12] - [21].

L'hĂ©lium liquide est aussi utilisĂ© pour refroidir certains mĂ©taux aux tempĂ©ratures extrĂȘmement basses nĂ©cessitĂ©es pour la supraconductivitĂ©, par exemple pour les aimants supraconducteurs utilisĂ©s notamment pour les dĂ©tecteurs Ă  IRM. Le LHC au CERN utilise 120 t d'hĂ©lium liquide pour maintenir la tempĂ©rature des aimants Ă  1,9 K[56] - [57]. De façon plus gĂ©nĂ©rale, l'hĂ©lium Ă  basse tempĂ©rature est utilisĂ© en cryogĂ©nie.

Commerciaux et de loisir

En raison de sa faible solubilitĂ© dans le tissu nerveux, on utilise des mĂ©langes d'hĂ©lium tels que le trimix, l'hĂ©liox et l'hĂ©liair pour la plongĂ©e profonde, afin de rĂ©duire les effets de la narcose Ă  l'azote[58] - [59]. Aux profondeurs supĂ©rieures Ă  150 m, de petites quantitĂ©s d'hydrogĂšne sont ajoutĂ©es au mĂ©lange hĂ©lium-dioxygĂšne pour contrebalancer le syndrome nerveux des hautes pressions[60].

À ces profondeurs, la faible densitĂ© de l'hĂ©lium diminue considĂ©rablement l'effort respiratoire[61].

Les lasers He-Ne ont diverses applications, en particulier les lecteurs de code-barres[12].

Dirigeables, ballons et fusées

En raison de sa faible densité et de son incombustibilité, l'hélium est le gaz préféré pour gonfler des dirigeables tels que ce dirigeable publicitaire.

Comme l'hĂ©lium est plus lĂ©ger que l'air, il peut ĂȘtre utilisĂ© pour gonfler des dirigeables et des ballons libres ou captifs. Bien que l'hydrogĂšne ait une force portante approximativement 7 % supĂ©rieure, l'hĂ©lium a l'avantage d'ĂȘtre incombustible (et mĂȘme ignifuge)[62].

L'exploration de l'atmosphÚre, notamment pour la météorologie s'effectue avec des ballons-sondes la plupart du temps gonflés à l'hélium.

En technique des fusĂ©es, l'hĂ©lium est utilisĂ© comme milieu de dĂ©placement pour gĂ©rer par pressurisation le combustible et le comburant dans les rĂ©servoirs en microgravitĂ© et pour assurer le mĂ©lange d'hydrogĂšne et de dioxygĂšne qui alimente les tuyĂšres de propulsion. Il est aussi utilisĂ© pour la purge de ces substances dans l'Ă©quipement au sol avant le lancement, et pour prĂ©-refroidir l'hydrogĂšne liquide des vĂ©hicules spatiaux. Par exemple, la fusĂ©e Saturn V consommait environ 370 000 m3 d'hĂ©lium pour dĂ©coller[33].

Ressources et purification de l'hélium

Abondance naturelle

L'hélium est le deuxiÚme élément le plus abondant dans l'Univers connu aprÚs l'hydrogÚne et en constitue 23 % de la masse baryonique[12]. La grande majorité de l'hélium a été formée par la nucléosynthÚse primordiale, dans les minutes suivant le Big Bang. C'est pourquoi la mesure de son abondance contribue à fixer certains paramÚtres des modÚles cosmologiques. Dans la majeure partie de l'existence des étoiles, il est formé par la fusion nucléaire de l'hydrogÚne. En fin de vie, les étoiles utilisent l'hélium comme matiÚre premiÚre pour la création d'éléments plus lourds, par des processus bien plus rapides, voire explosifs. Au bout du compte, l'hélium de l'Univers ne provient qu'en trÚs faible partie des étoiles.

Dans l'atmosphĂšre terrestre, la concentration de l'hĂ©lium est 5,2 Ă— 10−6 en volume[63] - [64], ce qui en fait un des gaz Ă  l'Ă©tat de traces. Cette basse concentration est assez constante dans le temps, en raison d'un Ă©quilibre entre la production continue d'hĂ©lium dans les roches et la fuite vers l'espace par divers mĂ©canismes[65] - [66]. Dans l'hĂ©tĂ©rosphĂšre terrestre, une partie de la haute atmosphĂšre, l'hĂ©lium et autres gaz lĂ©gers sont les constituants les plus abondants.

Presque tout l'hĂ©lium sur Terre provient de la radioactivitĂ© α. On le trouve principalement dans les composĂ©s d'uranium et de thorium, notamment la pechblende, la carnotite et la monazite, parce qu'ils Ă©mettent des particules α, qui sont des noyaux d'hĂ©lium ionisĂ© He2+, qui se neutralisent immĂ©diatement avec des Ă©lectrons[10]. On estime Ă  3 000 t l'hĂ©lium ainsi produit chaque annĂ©e dans la lithosphĂšre[67] - [68] - [69]. Dans la croĂ»te terrestre, la concentration de l'hĂ©lium est 8 Ă— 10−6 en volume. Dans l'eau de mer, elle n'est que de 4 Ă— 10−12. Il y en a aussi de petites quantitĂ©s dans les eaux minĂ©rales, les gaz volcaniques et le fer mĂ©tĂ©orique. Comme l'hĂ©lium est piĂ©gĂ© comme le gaz naturel par les couches de roches impermĂ©ables, on trouve les plus hautes concentrations d'hĂ©lium dans les gisements de gaz naturel, d'oĂč l'on extrait la plupart de l'hĂ©lium commercial. Sa concentration en volume par rapport au gaz naturel varie de quelques parties par million Ă  une concentration de 7 % identifiĂ©e dans le comtĂ© de San Juan, Nouveau-Mexique[70] - [71].

En 2016, une sociĂ©tĂ© dĂ©nommĂ©e « HĂ©lium » dit avoir identifiĂ© trois possibles champs massifs de cet Ă©lĂ©ment en Tanzanie, assez vastes — selon elle — pour approvisionner le monde durant plusieurs dĂ©cennies, et ce pourquoi elle recherche 40 millions de dollars d'investissements pour tenter un forage en Tanzanie en 2017. Certains experts jugent nĂ©anmoins que l'exploitation de ce gisement ne serait pas rentable avant longtemps, car selon eux le marchĂ© mondial est rĂ©cemment entrĂ© dans une pĂ©riode de surproduction en raison d'une utilisation plus Ă©conome et une mise sur le marchĂ© plus importante aux États-Unis, au Qatar et en Russie[72].

Extraction et purification

Pour l'utilisation à grande échelle, l'hélium est extrait par distillation fractionnée du gaz naturel, qui peut en contenir jusqu'à 7 %[73]. Comme l'hélium a un point d'ébullition inférieur à tout autre corps, on utilise une basse température et une haute pression pour liquéfier presque tous les autres gaz (principalement le diazote et le méthane). L'hélium brut qui en résulte est alors purifié par exposition à des températures de plus en plus basses, ce qui fait précipiter pratiquement tout le diazote et autres gaz restants du mélange gazeux. On utilise enfin du charbon actif pour une étape finale de purification, pour obtenir ainsi de l'hélium d'une qualité de 99,995 %[74]. La principale impureté de l'hélium de qualité A est le néon. Pour terminer la purification, la plupart de l'hélium produit est liquéfié, par un processus cryogénique. La liquéfaction est nécessaire pour les applications utilisant l'hélium liquide et permet d'ailleurs aux fournisseurs d'hélium de réduire le coût du transport à distance, car les plus grands réservoirs à hélium liquide ont une capacité au moins cinq fois plus grande que les remorques portant des cylindres d'hélium gazeux sous pression[75] - [76].

En 2005, environ 160 millions de mĂštres cubes d'hĂ©lium ont Ă©tĂ© extraits du gaz naturel, ou puisĂ©s dans les rĂ©serves, avec environ 83 % des États-Unis, 11 % d'AlgĂ©rie et le reste principalement de Russie et de Pologne[77]. Aux États-Unis, la plupart de l'hĂ©lium est extrait du gaz naturel de Hugoton et des gisements voisins du Kansas, de l'Oklahoma et du Texas[75].

Une autre méthode de production et de purification de l'hélium est la diffusion du gaz naturel brut à travers des membranes semi-perméables ou d'autres barriÚres[78].

Il est possible de faire la synthÚse de l'hélium en bombardant du lithium ou du bore avec des protons de haute énergie, mais cela ne constitue pas une méthode économiquement viable de production[79].

Histoire

DĂ©couverte

La premiĂšre indication de l'hĂ©lium est observĂ©e le , comme une raie jaune brillante Ă  une longueur d'onde de 587,49 nm dans le spectre de la chromosphĂšre du Soleil. Cette raie est dĂ©tectĂ©e par l'astronome français Jules Janssen pendant une Ă©clipse totale Ă  Guntur (Inde)[80] - [12]. Au dĂ©but, on pense que cette raie est celle du sodium. Le de la mĂȘme annĂ©e, l'astronome anglais Norman Lockyer observe une raie jaune dans le spectre solaire, qu'il appelle raie de Fraunhofer D3, en raison de sa proximitĂ© avec les raies bien connues D1 et D2 du sodium[81]. Il en conclut qu'elle est provoquĂ©e par un Ă©lĂ©ment du Soleil inconnu sur Terre. Lockyer et le chimiste anglais Edward Frankland nomment cet Ă©lĂ©ment d'aprĂšs le mot grec pour Soleil, ጄλÎčÎżÏ‚ (hĂ©lios)[82].

En 1882, Luigi Palmieri réussit pour la premiÚre fois à démontrer la présence d'hélium sur la Terre, par l'analyse spectrale de la lave du Vésuve.

Raies spectrales de l'hélium.

Le , le chimiste britannique Sir William Ramsay isole l'hélium sur Terre en traitant la clévéite[83] (une variété de pechblende, contenant au moins 10 % de terres rares) avec des acides minéraux. Ramsay cherchait de l'argon, mais, aprÚs avoir séparé le diazote et le dioxygÚne du gaz libéré par l'acide sulfurique, il remarque au spectroscope une raie jaune brillante qui coïncide avec la raie D3 observée dans le spectre solaire[84] - [85] - [86] - [87].

Ces Ă©chantillons sont identifiĂ©s comme Ă©tant de l'hĂ©lium par Lockyer et le physicien britannique William Crookes. IndĂ©pendamment, il est isolĂ© de la clĂ©vĂ©ite la mĂȘme annĂ©e par les chimistes Per Theodor Cleve et Abraham Langlet (en) Ă  Uppsala, qui accumulent suffisamment de gaz pour pouvoir dĂ©terminer avec prĂ©cision sa masse atomique[12] - [88] - [89].

L'hélium avait aussi été isolé par le géochimiste américain William Francis Hillebrand, quelques années avant la découverte par Ramsay, en remarquant des raies spectrales inhabituelles à l'examen d'un échantillon d'uraninite. Mais Hillebrand attribue ces raies au diazote. Sa lettre de félicitations à Ramsay présente un cas intéressant de découverte et de presque-découverte en science[90].

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds dĂ©montrent que les particules α sont des noyaux d'hĂ©lium, en permettant aux particules de pĂ©nĂ©trer Ă  travers une fine fenĂȘtre en verre d'un tube oĂč ils ont fait le vide, puis crĂ©ant une dĂ©charge dans le tube pour Ă©tudier le spectre du nouveau gaz qui s'y trouve. En 1908, l'hĂ©lium est liquĂ©fiĂ© pour la premiĂšre fois par le physicien nĂ©erlandais Heike Kamerlingh Onnes, en refroidissant le gaz au-dessous de 1 K[91]. Il essaie de le solidifier en baissant encore la tempĂ©rature, mais Ă©choue, puisque l'hĂ©lium n'a pas de point triple. C'est un Ă©tudiant d'Onnes, Willem Hendrik Keesom, qui arrive Ă  solidifier sous pression cm3 d'hĂ©lium en 1926[92].

En 1938, le physicien soviĂ©tique Pyotr Leonidovitch Kapitsa dĂ©couvre que l'hĂ©lium 4 n'a presque pas de viscositĂ© aux tempĂ©ratures proches du zĂ©ro absolu, phĂ©nomĂšne maintenant nommĂ© superfluiditĂ©[93]. En 1972, le mĂȘme phĂ©nomĂšne est observĂ© dans l'hĂ©lium 3, mais Ă  une tempĂ©rature bien plus proche du zĂ©ro absolu, par les physiciens amĂ©ricains Douglas D. Osheroff, David M. Lee, et Robert C. Richardson. Le phĂ©nomĂšne dans l'hĂ©lium 3 est interprĂ©tĂ© comme la formation de paires d'atomes, qui sont des fermions, pour former des bosons, par analogie avec les paires de Cooper d'Ă©lectrons Ă  la base de la supraconductivitĂ©[94].

Production et usages

AprĂšs un forage pĂ©trolier en 1903 Ă  Dexter, Kansas, le jet de gaz produit Ă©tait incombustible. Erasmus Haworth (en), le gĂ©ologue de l'État du Kansas, collecta des Ă©chantillons du gaz produit et les rapporta Ă  l'universitĂ© du Kansas, Lawrence. Avec l'aide des chimistes Hamilton Cady (en) et David McFarland, il dĂ©termina que le gaz Ă©tait, en volume, 72 % de diazote, 15 % de mĂ©thane (un pourcentage combustible seulement avec plus de dioxygĂšne) et 12 % de gaz non identifiable[12] - [95]. Une analyse plus poussĂ©e montre Ă  Cady et McFarland que 1,84 % de l'Ă©chantillon de gaz est de l'hĂ©lium[96] - [97]. Ceci montre qu'en dĂ©pit de sa raretĂ© globale sur Terre, l'hĂ©lium est concentrĂ© en grandes quantitĂ©s sous les Grandes Plaines amĂ©ricaines et disponible pour la production comme sous-produit de l'exploitation du gaz naturel[98]. Les plus grandes rĂ©serves d'hĂ©lium sont dans le gisement d'Hugoton et dans les gisements voisins du Kansas du sud-ouest avec des prolongements au Texas et en Oklahoma.

Cela a permis aux États-Unis de devenir le premier producteur d'hĂ©lium du monde. Suivant la suggestion de Sir Richard Threlfall (en), la marine des États-Unis subventionne trois petites usines expĂ©rimentales de production d'hĂ©lium pendant la PremiĂšre Guerre mondiale. Le but est d'approvisionner les ballons captifs de barrage avec ce gaz ininflammable et plus lĂ©ger que l'air. Un total de 5 700 m3 d'hĂ©lium Ă  92 % est produit par ce programme, bien que prĂ©cĂ©demment, moins de 100 l ait Ă©tĂ© produit au total[84]. Une partie de ce gaz est utilisĂ©e pour le premier dirigeable gonflĂ© Ă  l'hĂ©lium dans le monde, le C-7 de la marine amĂ©ricaine, inaugurĂ© pour son premier voyage de Hampton Roads en Virginie au terrain de Bolling Ă  Washington le [99].

Bien que le procĂ©dĂ© d'extraction par liquĂ©faction du gaz Ă  basse tempĂ©rature ne soit pas mis au point assez tĂŽt pour jouer un rĂŽle significatif pendant la PremiĂšre Guerre mondiale, la production se poursuivra. L'hĂ©lium est utilisĂ© en premier lieu pour gonfler les aĂ©rostats. Cet usage va accroĂźtre la demande pendant la Seconde Guerre mondiale, de mĂȘme que la demande pour la soudure Ă  l'arc.

Le spectromÚtre de masse à hélium est également vital pour le projet Manhattan de bombe atomique[100].

Le gouvernement des États-Unis crĂ©e en 1925 une RĂ©serve Nationale d'HĂ©lium Ă  Amarillo, Texas, dans le but d'approvisionner les aĂ©rostats, militaires en temps de guerre, et civils en temps de paix[21]. En raison de l'embargo militaire des États-Unis contre l'Allemagne, la fourniture d'hĂ©lium y a Ă©tĂ© restreinte et le Hindenburg a dĂ» ĂȘtre gonflĂ© Ă  l'hydrogĂšne, avec les consĂ©quences catastrophiques qui s'ensuivirent lors de son incendie. La consommation d'hĂ©lium aprĂšs la Seconde Guerre mondiale diminue, mais la rĂ©serve est augmentĂ©e dans les annĂ©es 1950 pour assurer la fourniture d'hĂ©lium liquide pour le lancement des fusĂ©es pendant la course Ă  l'espace et la guerre froide. En 1965, la consommation d'hĂ©lium des États-Unis dĂ©passe huit fois le maximum qu'elle a atteint pendant le temps de guerre[101].

AprĂšs les Amendements sur les lois de l'hĂ©lium de 1960 (loi publique 86-777), le Bureau des mines des États-Unis met en place cinq usines privĂ©es pour l'extraction de l'hĂ©lium du gaz naturel. Pour ce programme de prĂ©servation de l'hĂ©lium, le Bureau construit un gazoduc de 684 km de Bushton, Kansas, Ă  Cliffside, prĂšs d'Amarillo, gisement partiellement Ă©puisĂ©. Le mĂ©lange hĂ©lium-diazote ainsi apportĂ© est injectĂ© et stockĂ© jusqu'au moment des besoins, quand il est extrait et purifiĂ©[102].

En 1995, un milliard de mĂštres cubes de gaz ont Ă©tĂ© rĂ©unis mais la rĂ©serve a 1,4 milliard de dollars US de dettes, ce qui conduit le CongrĂšs des États-Unis, en 1996, Ă  faire cesser progressivement son activitĂ©[12] - [62]. La Loi de privatisation de l'hĂ©lium de 1996 qui s'ensuit (Loi publique 104–273) enjoint au DĂ©partement de l'IntĂ©rieur des États-Unis de commencer Ă  vider la rĂ©serve en 2005[103].

L'hélium produit entre 1930 et 1945 était pur à environ 98,3 % (~ 2 % de diazote), ce qui convenait parfaitement pour les aérostats. En 1945, une petite quantité d'hélium à 99,9 % était produite pour utilisation dans la soudure à l'arc. DÚs 1949, des quantités commerciales d'hélium de qualité A à 99,995 % étaient disponibles[104].

Pendant plusieurs annĂ©es, les États-Unis produisent plus de 90 % de l'hĂ©lium commercialement disponible dans le monde, les usines d'extraction du Canada, de Pologne, de Russie et d'autres nations produisant le reste. À ce rythme, selon une Ă©tude (), les rĂ©serves des États-Unis seront Ă©puisĂ©es avant 2040[105] (prĂšs d'un tiers des besoins mondiaux sont fournis par les États-Unis, dont la capacitĂ© de production globale est d'environ 142 millions de mĂštres cubes (en 2010) alors que la consommation s'est Ă©levĂ©e Ă  180 millions de mĂštres cubes[105] et que l'hĂ©lium semble « indispensable Ă  la plupart de ses applications »)[105].

Au milieu des annĂ©es 1990, une nouvelle usine commence Ă  produire Ă  Arzew, en AlgĂ©rie. D'une capacitĂ© de 1,7 Ă— 107 m3 par an, elle peut couvrir toute la demande europĂ©enne, soit environ 16 % de la production mondiale. À la mĂȘme pĂ©riode, la consommation aux États-Unis dĂ©passe 15 000 t en 2000[106]. En 2004–2006, deux auitres usines sont construites, l'une Ă  Ras Laffan (Qatar) produisant 9,2 tonnes d'hĂ©lium liquide par jour, soit 1,88 Ă— 107 m3 par an, l'autre Ă  Skikda (AlgĂ©rie). L'AlgĂ©rie devient rapidement le deuxiĂšme producteur d'hĂ©lium[75]. Au cours de cette pĂ©riode, la consommation d'hĂ©lium et les coĂ»ts de production augmentent[107]. Entre 2002 et 2007, les prix de l'hĂ©lium doublent[108] et pendant la seule annĂ©e 2008, les principaux fournisseurs augmentent leurs prix d'environ 50 %. Cela est liĂ© aux trĂšs faibles production et consommation d'hĂ©lium, rendant leur adĂ©quation difficile, peu de producteurs souhaitant investir dans ce marchĂ© de niche.

Robert Richardson (Prix Nobel de physique) alerte en 2010 la communauté internationale sur le risque de pénurie, plaidant pour une augmentation des prix, afin de refléter la rareté de cet élément et de moins le gaspiller.

La sociĂ©tĂ© 45-8 Energy, dont le siĂšge est Ă  Metz, dĂ©pose en octobre 2019 un permis de recherche exclusif pour de l'hĂ©lium dans le sud-ouest du dĂ©partement de la NiĂšvre, en France. L'arrĂȘtĂ© prĂ©fectoral autorisant le permis exclusif de recherche est accordĂ© en par la prĂ©fecture de la NiĂšvre[109].

Notes et références

Notes

  1. Émission d'un deutĂ©ron
  2. Émission d'un triton
  3. Statistique de Bose-Einstein et statistique de Fermi-Dirac.
  4. Voir [vidéo] ucilowtemp, Superfluid Fountain, sur Youtube.

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