Hélium 3

L’hélium 3, noté ³He, est l'isotope de l'hélium dont le nombre de masse est égal à 3 : son noyau atomique compte deux protons et un seul neutron, avec un spin 1/2+ pour une masse atomique de 3,0160293 g⋅mol^-1. Cet isotope stable — non radioactif — est caractérisé par un excès de masse de 14 931 204 ± 1 eV/c² et une énergie de liaison nucléaire de 7 718 058 ± 2 eV^[1].

Très recherché pour ses applications potentielles en fusion nucléaire, l'hélium 3 est rare sur Terre, où il constitue environ 200 à 300 ppm de l'hélium du manteau ; dans l'atmosphère terrestre, on compte 5,2 ppm d'hélium, dont l'hélium 3 représente seulement 1,38 ppm, soit une fraction d'à peine 7,2×10^-12 de l'atmosphère dans son ensemble. Tout comme l'hydrogène, l'hélium 3 provient essentiellement de la nucléosynthèse primordiale, aux premiers instants de l'Univers, et n'est pas issu de la nucléosynthèse stellaire ; il est consommé dans les étoiles comme le lithium, le béryllium et le bore. Il est présent dans les couches externes du Soleil^{[réf. souhaitée]}, dont les éléments sont isolés des réactions de fusion du centre. Le vent solaire en envoie dans le restant du système solaire. Repoussé par le champ magnétique terrestre, son accumulation à la surface de la Lune est facilitée par l'absence d'atmosphère sur notre satellite.

Par conséquent, la Lune en détient en abondance : les réserves estimées seraient de l'ordre du million de tonnes. Il est incorporé au régolite ou enfoui en faible profondeur de la surface. Lorsqu'on sait que 200 tonnes permettent de satisfaire les besoins des États-Unis et de l'Union européenne pendant une année^[2], que cette énergie permettrait aux Terriens de combler leurs besoins en énergie pour des centaines d’années, cela incite les enthousiastes à y voir un moteur puissant à son exploitation. Vision qui néglige les possibilités de substitution par d’autres moyens plus économiques et aussi plus durables : en effet, le coût d'exploitation d'une tonne d’hélium 3 serait de l'ordre de 1.5 milliards de dollars (2005)^{[Schmitt 1]}, alors que la même quantité d'énergie coûte 10 milliards de dollars en équivalent pétrole^[3] faisant de cette ressource un d'intérêt commercial à une reconquête de notre satellite dans un avenir proche… La technologie pour exploiter cette ressource est encore balbutiante.

Propriétés physiques

L’hélium 3 pur est le liquide au point d’ébullition le plus bas qui existe, environ 3,2 K à pression atmosphérique.

On a longtemps cherché un état superfluide, que l’hélium 4 possède au point lambda à 2,1768 K. ³He devient superfluide en dessous de 2,65 mK ; il y aurait un deuxième type de superfluidité en dessous de 1,8 mK. Ces températures ne peuvent être atteintes simplement par pompage sur le liquide bouillant (en équilibre avec sa vapeur) car cette technique ne permet pas de descendre en dessous de 1 K pour l’hélium (il faudrait des volumes considérables). Il y est utilisé la désaimantation adiabatique de sels paramagnétiques.

Les deux isotopes de l’hélium permettent aussi des frigos à dilution, car la dilution de ³He dans ⁴He (liquides) produit du froid.

Propriétés nucléaires

L'hélium 3 a la particularité d'être un fort absorbant de neutrons. Il est en conséquent utilisé sur certains réacteurs de recherche pour générer des transitoires rapides de puissance. Des tubes placés à l'intérieur d'un tel réacteur sont remplis d'hélium 3. Ces tubes sont en communication avec un réservoir mis sous vide par l'intermédiaire de vannes. L'ouverture de ces vannes déclenche par conséquent une dépressurisation rapide d'hélium 3 dans le réacteur. Ceci se traduit par une « disparition » d'absorbant et par conséquent par une augmentation de la puissance. Cette augmentation subite de puissance est rapidement limitée (effet Doppler neutronique).

La réaction d'absorption d'un neutron est la suivante :

L'absorption d'un neutron par un noyau d'hélium 3 se traduit donc par la formation de tritium radioactif.

Cette propriété est notamment utilisée sur le réacteur CABRI, pour l'étude des accidents de réactivités des réacteurs à eau sous pression.

L'hélium 3 pourrait donc devenir dans un futur plus ou moins lointain le carburant idéal des centrales nucléaires à fusion contrôlée, un des deux types de réaction thermonucléaire, permettant de produire des quantités considérables d'énergie propre, c'est-à-dire sans pollution chimique ni radioactive.

L'absorption des neutrons par ³He est aussi utilisée pour la détection de neutrons, dans les détecteurs des instruments scientifiques comme les diffractomètres HEiDi au FRM II^[4] et 5 C2 au LLB^[5] par exemple.

La fusion nucléaire de l'hélium 3 ne produit aucun déchet ou sous-produit radioactif, juste de l'hélium 4 et des protons (de l'hydrogène) :

Utilisation en géochimie isotopique

L’hélium 3 a été piégé dans la planète lors de sa formation. Mais de l’hélium 3 est aussi ajouté aux réserves terrestres par la poussière de météorites, principalement collectée à la surface des océans. Toutefois, ³He est dégazé des sédiments océaniques durant la subduction, ainsi l’apport cosmogénique de ³He n’affecte pas les concentrations du manteau.

L’hélium 3 est aussi produit par bombardement des rayons cosmiques et par les réactions de spallation du lithium qui se produisent dans la croûte. La spallation du lithium est le procédé par lequel un neutron de haute énergie bombarde un noyau d'atome de lithium, créant un ³He et un ⁴He. Mais ceci demanderait des quantités significatives de lithium pour affecter le rapport ³He/⁴He. C’est ainsi que si l’³He était produit en quantité par l’industrie humaine, la séparation isotopique donnerait des quantités trop faibles de produit par rapport à la masse traitée.

Tout l’hélium dégazé finit par se perdre dans l’espace, car dans l'exosphère, ses atomes (et ions) ont des vitesses moyennes non négligeables devant la vitesse d'évasion de la Terre. Par conséquent, l’hypothèse que les volumes et rapports de l’hélium dans l’atmosphère terrestre sont restés globalement stables est inexacte : l’hélium atmosphérique est de plus en plus pauvre en ³He, car il s’épuise peu à peu, alors que l’⁴He est sans cesse produit par radioactivité même si c’est à un rythme en ralentissement.

On a observé que l’hélium 3 est présent dans les émissions volcaniques et les échantillons de roches de dorsales océaniques. L’hélium 3 est présent dans la croûte terrestre depuis sa formation. Il est associé au manteau et est considéré comme un marqueur de provenance de sources profondes.

Du fait de similitudes à la chimie magmatique de l’hélium et du carbone, le dégazage de l’hélium demande la perte de composants volatils (eau, CO₂) du manteau, ce qui se produit à des profondeurs de moins de 60 km. Cependant, ³He est transporté à la surface principalement piégé dans des cristaux d’inclusions fluides.

L’hélium 4 est produit par la désintégration d'éléments radioactifs comme l’uranium (émission alpha), on dit qu’il est radiogénique. La croûte continentale est enrichie en ces éléments par rapport au manteau et par conséquent, plus d’hélium 4 est produit dans la croûte que dans le manteau.

Le rapport (R) de ³He sur ⁴He est souvent utilisé pour représenter la teneur en ³He. On peut comparer R avec le rapport actuel de l’atmosphère (Ra).

On mesure les valeurs moyennes suivantes de R/Ra :

• croûte continentale ancienne : moins de 1 ;
• basaltes des dorsales (MORB) : 7 à 9 ;
• roches de points chauds : 5 à 42 ;
• eaux douces terrestres et de mer : 1 ;
• eaux des formations sédimentaires : moins de 1 ;
• eaux thermales : 3 à 11.

On utilise le rapport ³He/⁴He en géochimie isotopique pour dater des eaux souterraines, estimer leurs flux, pister la pollution des eaux et avoir un aperçu des processus hydrothermaux en géologie des roches ignées et des dépôts de minerais. On l’utilise aussi pour apporter des appuis à la théorie des panaches.

Bibliographie

• Harrison Schmitt Return to the Moon: Exploration, Enterprise, and Energy in the Human Settlement of Space Praxis publishing 2005:

Références

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