Hélium

L’hélium (du grec : ἥλιος, romanisé : Helios, littéralement “soleil”) est un élément chimique portant le symbole He et le numéro atomique 2. C’est un gaz incolore, inodore, insipide, non toxique, inerte et monatomique, le premier du groupe des gaz rares du tableau périodique. Son point d'ébullition est le plus bas de tous les éléments. L’hélium est le deuxième élément le plus léger et le deuxième plus abondant dans l’univers observable (l’hydrogène est le plus léger et le plus abondant). Il est présent à environ 24 % de la masse élémentaire totale, ce qui représente plus de 12 fois la masse de tous les éléments plus lourds réunis. Son abondance est similaire à celle du Soleil et de Jupiter. Cela est dû à la très grande énergie de liaison nucléaire (par nucléon) de l’hélium-4, par rapport aux trois éléments suivants après l’hélium. Cette énergie de liaison de l’hélium-4 explique également pourquoi il est à la fois un produit de la fusion nucléaire et de la désintégration radioactive. La majeure partie de l’hélium dans l’univers est de l’hélium 4, dont la grande majorité s’est formée pendant le Big Bang. De grandes quantités de nouvel hélium sont créées par la fusion nucléaire de l’hydrogène dans les étoiles.

L’hélium est nommé d’après le Titan grec du Soleil, Hélios. Il a été détecté pour la première fois comme une signature spectrale jaune inconnue dans la lumière du soleil, lors d’une éclipse solaire en 1868 par Georges Rayet, le capitaine C. T. Haig, Norman R. Pogson et le lieutenant John Herschel, et a ensuite été confirmé par l’astronome français Jules Janssen. On attribue souvent à Janssen la détection de l'élément, conjointement avec Norman Lockyer. Janssen a enregistré la raie spectrale de l’hélium pendant l'éclipse solaire de 1868, tandis que Lockyer l’a observée depuis la Grande-Bretagne. Lockyer a été le premier à proposer que la ligne était due à un nouvel élément, qu’il a nommé. La découverte officielle de l'élément a été faite en 1895 par deux chimistes suédois, Per Teodor Cleve et Nils Abraham Langlet, qui ont trouvé de l’hélium émanant du minerai d’uranium, la cleveite, qui n’est plus considérée comme une espèce minérale distincte mais comme une variété d’uraninite. En 1903, d’importantes réserves d’hélium ont été découvertes dans les champs de gaz naturel de certaines régions des États-Unis, qui sont de loin le plus grand fournisseur de gaz aujourd’hui.

L’hélium liquide est utilisé en cryogénie (sa plus grande utilisation unique, absorbant environ un quart de la production), en particulier pour le refroidissement des aimants supraconducteurs, la principale application commerciale étant les scanners IRM. Les autres utilisations industrielles de l’hélium - comme gaz de pressurisation et de purge, comme atmosphère protectrice pour le soudage à l’arc et dans des procédés tels que la croissance de cristaux pour la fabrication de plaquettes de silicium - représentent la moitié du gaz produit. Une utilisation bien connue, mais mineure, est celle de gaz de levage dans les ballons et les dirigeables. Comme pour tout gaz dont la densité diffère de celle de l’air, l’inhalation d’un petit volume d’hélium modifie temporairement le timbre et la qualité de la voix humaine. Dans la recherche scientifique, le comportement des deux phases fluides de l’hélium-4 (hélium I et hélium II) est important pour les chercheurs qui étudient la mécanique quantique (en particulier la propriété de superfluidité) et pour ceux qui étudient les phénomènes, comme la supraconductivité, produits dans la matière proche du zéro absolu.

Sur Terre, il est relativement rare - 5,2 ppm en volume dans l’atmosphère. La majeure partie de l’hélium terrestre présent aujourd’hui est créée par la désintégration radioactive naturelle d'éléments radioactifs lourds (thorium et uranium, bien qu’il existe d’autres exemples), car les particules alpha émises par ces désintégrations sont constituées de noyaux d’hélium 4. Cet hélium radiogène est piégé avec du gaz naturel à des concentrations pouvant atteindre 7 % en volume, dont il est extrait commercialement par un procédé de séparation à basse température appelé distillation fractionnée. Auparavant, on pensait que l’hélium terrestre - une ressource non renouvelable car, une fois libéré dans l’atmosphère, il s'échappe facilement dans l’espace - était de plus en plus rare. Cependant, des études récentes suggèrent que l’hélium produit dans les profondeurs de la terre par désintégration radioactive peut s’accumuler dans les réserves de gaz naturel en quantités plus importantes que prévu, dans certains cas, après avoir été libéré par l’activité volcanique.

Histoire

Les premières traces d’hélium ont été observées le 18 août 1868, sous la forme d’une ligne jaune vif d’une longueur d’onde de 587,49 nanomètres dans le spectre de la chromosphère du Soleil. Cette raie a été détectée par l’astronome français Jules Janssen lors d’une éclipse totale de soleil à Guntur, en Inde. On a d’abord supposé que cette raie était le sodium. Le 20 octobre de la même année, l’astronome anglais Norman Lockyer a observé une raie jaune dans le spectre solaire, qu’il a appelée D3 parce qu’elle était proche des raies D1 et D2 de Fraunhofer connues du sodium. Il en a conclu qu’elle était causée par un élément du Soleil inconnu sur Terre. Lockyer et le chimiste anglais Edward Frankland ont nommé l'élément avec le mot grec pour le Soleil, ἥλιος (helios).

En 1881, le physicien italien Luigi Palmieri a détecté pour la première fois de l’hélium sur Terre à travers sa raie spectrale D3, lorsqu’il a analysé un matériau qui avait été sublimé lors d’une récente éruption du Vésuve.

Le 26 mars 1895, le chimiste écossais Sir William Ramsay a isolé de l’hélium sur Terre en traitant la cleveite (une variété d’uraninite contenant au moins 10 % d'éléments des terres rares) avec des acides minéraux. Ramsay cherchait de l’argon mais, après avoir séparé l’azote et l’oxygène du gaz, libéré par l’acide sulfurique, il a remarqué une raie jaune vif qui correspondait à la raie D3 observée dans le spectre du Soleil. Ces échantillons ont été identifiés comme étant de l’hélium, par Lockyer et le physicien britannique William Crookes. Il a été isolé indépendamment de la clévéite, la même année, par les chimistes Per Teodor Cleve et Abraham Langlet, à Uppsala, en Suède, qui ont recueilli suffisamment de ce gaz pour déterminer avec précision son poids atomique. L’hélium a également été isolé par le géochimiste américain William Francis Hillebrand, avant la découverte de Ramsay, lorsqu’il a remarqué des raies spectrales inhabituelles en testant un échantillon du minéral uraninite. Hillebrand, cependant, a attribué ces raies à l’azote. Sa lettre de félicitations à Ramsay offre un cas intéressant de découverte, et de quasi-découverte, dans le domaine scientifique.

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds ont démontré que les particules alpha sont des noyaux d’hélium, en permettant aux particules de pénétrer la fine paroi de verre d’un tube sous vide, puis en créant une décharge dans le tube, pour étudier le spectre du nouveau gaz à l’intérieur. En 1908, l’hélium a été liquéfié pour la première fois par la physicienne hollandaise Heike Kamerlingh Onnes en refroidissant le gaz à moins de cinq Kelvin. Il a essayé de le solidifier, en réduisant davantage la température, mais a échoué, car l’hélium ne se solidifie pas à la pression atmosphérique. L'étudiant de Onnes, Willem Hendrik Keesom, a finalement réussi à solidifier 1 cm3 d’hélium en 1926 en appliquant une pression externe supplémentaire.

En 1913, Niels Bohr publia sa “trilogie” sur la structure atomique qui comprenait une reconsidération de la série de Pickering-Fowler comme preuve centrale à l’appui de son modèle de l’atome. Cette série porte le nom d’Edward Charles Pickering, qui a publié en 1896 des observations de raies jusqu’alors inconnues dans le spectre de l'étoile ζ Puppis (on sait maintenant qu’elles se produisent avec Wolf-Rayet et d’autres étoiles chaudes). Pickering a attribué l’observation (raies à 4551, 5411 et 10123 Å) à une nouvelle forme d’hydrogène avec des niveaux de transition demi-entiers. En 1912, Alfred Fowler a réussi à produire des raies similaires à partir d’un mélange d’hydrogène et d’hélium, et a soutenu la conclusion de Pickering quant à leur origine. Le modèle de Bohr ne permet pas de transitions à demi-intégres (tout comme la mécanique quantique) et Bohr a conclu que Pickering et Fowler avaient tort, et a plutôt attribué ces raies spectrales à l’hélium ionisé, He+. Fowler était initialement sceptique mais a finalement été convaincu que Bohr avait raison, et en 1915, “les spectroscopistes avaient définitivement transféré à l’hélium”. Les travaux théoriques de Bohr sur la série de Pickering avaient démontré la nécessité de “réexaminer les problèmes qui semblaient déjà avoir été résolus dans le cadre des théories classiques” et ont fourni une confirmation importante pour sa théorie atomique.

En 1938, le physicien russe Pyotr Leonidovich Kapitsa a découvert que l’hélium 4 n’a pratiquement aucune viscosité à des températures proches du zéro absolu, un phénomène que l’on appelle aujourd’hui la superfluidité. Ce phénomène est lié à la condensation de Bose-Einstein. En 1972, le même phénomène a été observé dans l’hélium 3, mais à des températures beaucoup plus proches du zéro absolu, par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, David M. Lee et Robert C. Richardson. On pense que le phénomène de l’hélium 3 est lié à l’appariement des fermions de l’hélium 3 pour former des bosons, par analogie avec les paires d'électrons de Cooper qui produisent la supraconductivité.

Extraction et utilisation

Après une opération de forage pétrolier en 1903 à Dexter, au Kansas, qui a produit un geyser de gaz qui ne brûlait pas, le géologue de l'État du Kansas Erasmus Haworth a recueilli des échantillons du gaz qui s'échappait et les a ramenés à l’université du Kansas à Lawrence où, avec l’aide des chimistes Hamilton Cady et David McFarland, il a découvert que le gaz était composé, en volume, de 72 % d’azote, 15 % de méthane (un pourcentage combustible uniquement avec suffisamment d’oxygène), 1 % d’hydrogène et 12 % d’un gaz non identifiable. Après une analyse plus poussée, Cady et McFarland ont découvert que 1,84% de l'échantillon de gaz était de l’hélium. Cela a montré que malgré sa rareté générale sur Terre, l’hélium était concentré en grande quantité sous les grandes plaines américaines, disponible pour l’extraction comme sous-produit du gaz naturel.

Cela a permis aux États-Unis de devenir le premier fournisseur mondial d’hélium. Suite à une suggestion de Sir Richard Threlfall, la marine américaine a parrainé trois petites usines expérimentales d’hélium pendant la Première Guerre mondiale. Le but était de fournir aux ballons de barrage ce gaz ininflammable et plus léger que l’air. Un total de 5 700 m3 (200 000 pieds cubes) d’hélium à 92 % a été produit dans le cadre de ce programme, même si moins d’un mètre cube de ce gaz avait été obtenu auparavant. Une partie de ce gaz a été utilisée dans le premier dirigeable rempli d’hélium au monde, le dirigeable C-7 de classe C de la marine américaine, qui a effectué son premier voyage de Hampton Roads, en Virginie, à Bolling Field à Washington, D.C., le 1er décembre 1921, près de deux ans avant que le premier dirigeable rigide rempli d’hélium de la marine, le USS Shenandoah, construit en usine par l’aéronavale, ne vole en septembre 1923.

Bien que le procédé d’extraction par liquéfaction de gaz à basse température n’ait pas été développé à temps pour être significatif pendant la première guerre mondiale, la production s’est poursuivie. L’hélium était principalement utilisé comme gaz de levage dans les avions plus légers que l’air. Pendant la Seconde Guerre mondiale, la demande d’hélium pour le gaz de levage et le soudage à l’arc protégé a augmenté. Le spectromètre de masse à l’hélium a également joué un rôle essentiel dans le projet de bombe atomique Manhattan.

Le gouvernement des États-Unis a créé la Réserve nationale d’hélium en 1925 à Amarillo, au Texas, dans le but de fournir des dirigeables militaires en temps de guerre et des dirigeables commerciaux en temps de paix. En raison de l’Helium Act de 1925, qui interdisait l’exportation de l’hélium rare sur lequel les États-Unis avaient alors un monopole de production, ainsi que du coût prohibitif du gaz, le Hindenburg, comme tous les Zeppelins allemands, a été contraint d’utiliser de l’hydrogène comme gaz de sustentation. Le marché de l’hélium après la Seconde Guerre mondiale était déprimé, mais la réserve a été augmentée dans les années 1950 pour assurer un approvisionnement en hélium liquide comme réfrigérant pour la création de carburant de fusée oxygène/hydrogène (entre autres utilisations) pendant la course à l’espace et la guerre froide. En 1965, l’utilisation de l’hélium aux États-Unis était plus de huit fois supérieure à la consommation maximale en temps de guerre.

Après les “Helium Acts Amendments of 1960” (loi publique 86-777), le Bureau américain des mines a fait en sorte que cinq usines privées récupèrent l’hélium du gaz naturel. Pour ce programme de conservation de l’hélium, le Bureau a construit un pipeline de 684 km à partir de Bushton, Kansas, pour relier ces usines au champ gazier Cliffside du gouvernement, partiellement épuisé, près d’Amarillo, Texas. Ce mélange hélium-azote a été injecté et stocké dans le champ gazier de Cliffside jusqu'à ce qu’il soit nécessaire, après quoi il a été purifié.

En 1995, un milliard de mètres cubes de gaz avait été collecté et la réserve était endettée à hauteur de 1,4 milliard de dollars, ce qui a incité le Congrès des États-Unis à éliminer progressivement la réserve en 1996. La loi de 1996 sur la privatisation de l’hélium (loi publique 104-273) qui en a résulté a ordonné au ministère de l’Intérieur des États-Unis de vider la réserve, les ventes devant commencer en 2005.

L’hélium produit entre 1930 et 1945 était pur à environ 98,3 % (2 % d’azote), ce qui était suffisant pour les dirigeables. En 1945, une petite quantité d’hélium de 99,9 % a été produite pour le soudage. En 1949, des quantités commerciales d’hélium de qualité A à 99,95 % étaient disponibles.

Pendant de nombreuses années, les États-Unis ont produit plus de 90 % de l’hélium commercialement utilisable dans le monde, tandis que des usines d’extraction au Canada, en Pologne, en Russie et dans d’autres pays produisaient le reste. Au milieu des années 1990, une nouvelle usine à Arzew, en Algérie, produisant 17 millions de mètres cubes (600 millions de pieds cubes) est entrée en service, avec une production suffisante pour couvrir toute la demande européenne. Entre-temps, en 2000, la consommation d’hélium aux États-Unis était passée à plus de 15 millions de kg par an. En 2004-2006, des usines supplémentaires ont été construites à Ras Laffan, au Qatar, et à Skikda, en Algérie. L’Algérie est rapidement devenue le deuxième producteur d’hélium. Au cours de cette période, la consommation d’hélium et les coûts de production de l’hélium ont tous deux augmenté. De 2002 à 2007, le prix de l’hélium a doublé.

En 2012, la réserve nationale d’hélium des États-Unis représentait 30 % de l’hélium mondial. La réserve devrait être épuisée en 2018. Malgré cela, une proposition de loi au Sénat des États-Unis permettrait à la réserve de continuer à vendre le gaz. D’autres grandes réserves se trouvaient dans le Hugoton au Kansas, aux États-Unis, et dans les champs de gaz voisins du Kansas et les mendiants du Texas et de l’Oklahoma. De nouvelles usines d’hélium devaient ouvrir en 2012 au Qatar, en Russie et dans l'État américain du Wyoming, mais elles ne devraient pas permettre de pallier la pénurie.

En 2013, le Qatar a mis en service la plus grande unité d’hélium au monde, bien que la crise diplomatique de 2017 au Qatar ait gravement affecté la production d’hélium dans ce pays. L’année 2014 a été largement reconnue comme une année de surabondance dans le secteur de l’hélium, après des années de pénurie bien connues. Le Nasdaq a rapporté (2015) que pour Air Products, une société internationale qui vend des gaz à usage industriel, les volumes d’hélium restent sous pression économique en raison des contraintes d’approvisionnement en matières premières.

Présence naturelle

Bien qu’il soit rare sur Terre, l’hélium est le deuxième élément le plus abondant dans l’Univers connu, constituant 23% de sa masse baryonique. Seul l’hydrogène est plus abondant. La grande majorité de l’hélium a été formée par la nucléosynthèse du Big Bang, une à trois minutes après le Big Bang. En tant que tel, les mesures de son abondance contribuent aux modèles cosmologiques. Dans les étoiles, il est formé par la fusion nucléaire de l’hydrogène dans les réactions en chaîne proton-proton et le cycle CNO, qui fait partie de la nucléosynthèse stellaire.

Dans l’atmosphère terrestre, la concentration d’hélium en volume n’est que de 5,2 parties par million. Cette concentration est faible et assez constante malgré la production continue de nouvel hélium, car la majeure partie de l’hélium de l’atmosphère terrestre s'échappe dans l’espace par plusieurs processus. Dans l’hétérosphère terrestre, une partie de la haute atmosphère, l’hélium et d’autres gaz plus légers sont les éléments les plus abondants.

La plus grande partie de l’hélium sur Terre est le résultat de la désintégration radioactive. L’hélium se trouve en grande quantité dans les minéraux d’uranium et de thorium, notamment l’uraninite et ses variétés : la cleveite et la pechblende, la carnotite et la monazite (un nom de groupe ; " monazite " fait généralement référence à la monazite-(Ce)), car elles émettent des particules alpha (noyaux d’hélium, He2+) auxquelles les électrons se combinent immédiatement dès que la particule est arrêtée par la roche. On estime ainsi que 3000 tonnes d’hélium sont générées chaque année dans la lithosphère. Dans la croûte terrestre, la concentration d’hélium est de 8 parties par milliard. Dans l’eau de mer, la concentration n’est que de 4 parties par trillion. On en trouve également de petites quantités dans les sources minérales, le gaz volcanique et le fer météoritique. Comme l’hélium est piégé dans le sous-sol dans des conditions qui piègent également le gaz naturel, les plus grandes concentrations naturelles d’hélium sur la planète se trouvent dans le gaz naturel, dont on extrait la majeure partie de l’hélium commercial. La concentration varie dans une large gamme de quelques ppm à plus de 7 % dans un petit champ de gaz du comté de San Juan, au Nouveau-Mexique.

Production

En 2011, les réserves mondiales d’hélium étaient estimées à 40 milliards de mètres cubes, dont un quart dans le champ de gaz à condensats South Pars / North Dome, détenu conjointement par le Qatar et l’Iran. En 2015 et 2016, d’autres réserves probables ont été annoncées sous les montagnes Rocheuses en Amérique du Nord et dans le rift est-africain.

En 2011, les réserves mondiales d’hélium étaient estimées à 40 milliards de mètres cubes, dont un quart dans le champ de South Pars / North Dome Gas-Condensate détenu conjointement par le Qatar et l’Iran. En 2015 et 2016, des réserves probables supplémentaires ont été annoncées sous les montagnes Rocheuses en Amérique du Nord et dans le rift est-africain.

Pour une utilisation à grande échelle, l’hélium est extrait par distillation fractionnée du gaz naturel, qui peut contenir jusqu'à 7 % d’hélium. Comme l’hélium a un point d'ébullition plus bas que tout autre élément, on utilise une basse température et une haute pression pour liquéfier presque tous les autres gaz (principalement l’azote et le méthane). L’hélium brut qui en résulte est purifié par des expositions successives à des températures plus basses, au cours desquelles la quasi-totalité de l’azote et des autres gaz restants sont précipités hors du mélange gazeux. Le charbon actif est utilisé comme étape finale de purification, ce qui donne généralement de l’hélium de grade A pur à 99,995%. La principale impureté de l’hélium de grade A est le néon. Dans une étape finale de production, la plus grande partie de l’hélium produit est liquéfiée par un processus cryogénique. Ce procédé est nécessaire pour les applications nécessitant de l’hélium liquide et permet également aux fournisseurs d’hélium de réduire le coût du transport sur de longues distances, car les plus grands conteneurs d’hélium liquide ont une capacité cinq fois supérieure à celle des plus grandes remorques de tubes d’hélium gazeux.

En 2008, environ 169 millions de mètres cubes standard (MCS) d’hélium ont été extraits du gaz naturel ou retirés des réserves d’hélium, dont environ 78 % aux États-Unis, 10 % en Algérie et la plupart du reste en Russie, en Pologne et au Qatar. En 2013, l’augmentation de la production d’hélium au Qatar (sous l'égide de la société RasGas gérée par Air Liquide) a fait passer la part du Qatar dans la production mondiale d’hélium à 25 %, et en a fait le deuxième exportateur après les États-Unis. Un gisement d’hélium estimé à 54 milliards de pieds cubes (1,5×109 m3) a été découvert en Tanzanie en 2016.

Aux États-Unis, la plus grande partie de l’hélium est extraite du gaz naturel des champs Hugoton et des champs gaziers voisins du Kansas, de l’Oklahoma, et du champ Panhandle au Texas. Une grande partie de ce gaz était autrefois acheminé par gazoduc vers la réserve nationale d’hélium, mais depuis 2005, cette réserve est en train d'être épuisée et vendue, et devrait être largement épuisée d’ici 2021, en vertu de la loi d’octobre 2013 sur l’administration et la gestion responsables de l’hélium (H.R. 527).

La diffusion de gaz naturel brut à travers des membranes semi-perméables spéciales et d’autres barrières est une autre méthode pour récupérer et purifier l’hélium. En 1996, les États-Unis avaient des réserves prouvées d’hélium, dans de tels complexes de puits de gaz, d’environ 147 milliards de pieds cubes standard (4,2 milliards de SCM). Aux taux d’utilisation de l'époque (72 millions de SCM par an aux États-Unis ; voir le diagramme circulaire ci-dessous), cela aurait suffi pour environ 58 ans d’utilisation aux États-Unis, et moins que cela (peut-être 80% du temps) aux taux d’utilisation mondiaux, bien que les facteurs d'économie et de traitement aient une incidence sur le nombre effectif de réserves.

L’hélium doit être extrait du gaz naturel car il n’est présent dans l’air qu'à une fraction de celui du néon, alors que la demande est bien plus élevée. On estime que si toute la production de néon était réoutillée pour économiser l’hélium, 0,1 % de la demande mondiale d’hélium serait satisfaite. De même, seulement 1 % de la demande mondiale d’hélium pourrait être satisfaite en réoutillant toutes les installations de distillation de l’air. L’hélium peut être synthétisé par bombardement de lithium ou de bore avec des protons à haute vitesse, ou par bombardement de lithium avec des deutérons, mais ces procédés sont une méthode de production totalement non économique.

L’hélium est disponible dans le commerce sous forme liquide ou gazeuse. Sous forme liquide, il peut être fourni dans de petits conteneurs isolés appelés Dewars qui peuvent contenir jusqu'à 1 000 litres d’hélium, ou dans de grands conteneurs ISO dont la capacité nominale peut atteindre 42 m3 (environ 11 000 gallons américains). Sous forme gazeuse, de petites quantités d’hélium sont fournies dans des cylindres à haute pression pouvant contenir jusqu'à 8 m3 (environ 282 pieds cubes standard), tandis que de grandes quantités de gaz à haute pression sont fournies dans des remorques tubulaires pouvant contenir jusqu'à 4 860 m3 (environ 172 000 pieds cubes standard).

Selon des spécialistes de la conservation de l’hélium comme le physicien Robert Coleman Richardson, lauréat du prix Nobel, qui a écrit en 2010, le prix de l’hélium sur le marché libre a contribué à une utilisation “gaspilleuse” (par exemple pour les ballons d’hélium). Dans les années 2000, les prix avaient été abaissés par la décision du Congrès américain de vendre l’important stock d’hélium du pays d’ici 2015. Selon Richardson, le prix devait être multiplié par 20 pour éliminer le gaspillage excessif de l’hélium. Dans leur livre, The Future of helium as a natural resource (Routledge, 2012), Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) ont également proposé de créer une Agence internationale de l’hélium (AIH) pour construire un marché durable pour cette précieuse matière première.

Utilisation économique

Si les ballons sont peut-être l’utilisation la plus connue de l’hélium, ils ne représentent qu’une part mineure de l’utilisation de l’hélium. L’hélium est utilisé à de nombreuses fins qui requièrent certaines de ses propriétés uniques, comme son faible point d'ébullition, sa faible densité, sa faible solubilité, sa forte conductivité thermique ou son inertie. Sur une production mondiale d’hélium de quelque 32 millions de kg (180 millions de mètres cubes standard) par an en 2014, la plus grande partie de l’hélium (environ 32 % du total en 2014) est utilisée dans des applications cryogéniques, dont la plupart impliquent le refroidissement des aimants supraconducteurs des scanners IRM médicaux et des spectromètres RMN. Les autres utilisations majeures sont les systèmes de pressurisation et de purge, le soudage, la maintenance des atmosphères contrôlées et la détection des fuites. Les autres utilisations par catégorie étaient des fractions relativement mineures.

Atmosphères contrôlées

L’hélium est utilisé comme gaz protecteur dans la croissance des cristaux de silicium et de germanium, dans la production de titane et de zirconium, et dans la chromatographie en phase gazeuse, car il est inerte. En raison de son inertie, de sa nature thermiquement et caloriquement parfaite, de la grande vitesse du son et de la valeur élevée du rapport de capacité thermique, il est également utile dans les souffleries supersoniques et les installations à impulsion.

Soudage à l’arc au tungstène gazeux

L’hélium est utilisé comme gaz de protection dans les procédés de soudage à l’arc sur des matériaux qui, à la température de soudage, sont contaminés et affaiblis par l’air ou l’azote. Un certain nombre de gaz de protection inertes sont utilisés dans le soudage à l’arc au tungstène gazeux, mais l’hélium remplace l’argon, moins cher, surtout pour le soudage de matériaux qui ont une plus grande conductivité thermique, comme l’aluminium ou le cuivre.

Autres utilisations

Détection de fuites industrielles

Une des applications industrielles de l’hélium est la détection des fuites. Comme l’hélium diffuse à travers les solides trois fois plus vite que l’air, il est utilisé comme gaz traceur pour détecter les fuites dans les équipements à vide poussé (tels que les réservoirs cryogéniques) et les conteneurs à haute pression. L’objet testé est placé dans une chambre, qui est ensuite évacuée et remplie d’hélium. L’hélium qui s'échappe par les fuites est détecté par un dispositif sensible (spectromètre de masse à hélium), même à des taux de fuite aussi faibles que 10-9 mbar-L/s (10-10 Pa-m3/s). La procédure de mesure est normalement automatique et est appelée test intégral à l’hélium. Une procédure plus simple consiste à remplir d’hélium l’objet testé et à rechercher manuellement les fuites à l’aide d’un appareil portatif.

Les fuites d’hélium par des fissures ne doivent pas être confondues avec la perméation de gaz à travers un matériau en vrac. Bien que l’hélium ait des constantes de perméation documentées (donc un taux de perméation calculable) à travers les verres, les céramiques et les matériaux synthétiques, les gaz inertes tels que l’hélium ne traversent pas la plupart des métaux en vrac.

Vol

Parce qu’il est plus léger que l’air, les dirigeables et les ballons sont gonflés à l’hélium pour assurer leur portance. Alors que l’hydrogène gazeux est plus flottant et s'échappe à travers une membrane à un taux plus faible, l’hélium a l’avantage d'être ininflammable, et même ignifuge. Une autre utilisation mineure est celle de la fuséologie, où l’hélium est utilisé comme milieu vide pour déplacer le carburant et les oxydants dans les réservoirs de stockage et pour condenser l’hydrogène et l’oxygène afin de fabriquer du carburant pour fusée. Il est également utilisé pour purger le carburant et l’oxydant des équipements de soutien au sol avant le lancement et pour pré-refroidir l’hydrogène liquide dans les véhicules spatiaux. Par exemple, la fusée Saturn V utilisée dans le programme Apollo a eu besoin d’environ 370 000 m3 (13 millions de pieds cubes) d’hélium pour son lancement.

Utilisations commerciales et récréatives mineures

L’hélium en tant que gaz respiratoire n’a pas de propriétés narcotiques, c’est pourquoi les mélanges d’hélium tels que le trimix, l’héliox et l’héliair sont utilisés pour la plongée profonde afin de réduire les effets de la narcose, qui s’aggravent avec l’augmentation de la profondeur. Comme la pression augmente avec la profondeur, la densité du gaz respiratoire augmente également, et on constate que le faible poids moléculaire de l’hélium réduit considérablement l’effort de respiration en diminuant la densité du mélange. Cela réduit le nombre de Reynolds du flux, ce qui entraîne une réduction du flux turbulent et une augmentation du flux laminaire, qui nécessite moins de travail de respiration. À des profondeurs inférieures à 150 mètres (490 ft), les plongeurs qui respirent des mélanges hélium-oxygène commencent à ressentir des tremblements et une diminution de la fonction psychomotrice, symptômes du syndrome nerveux à haute pression. Cet effet peut être contré dans une certaine mesure en ajoutant une quantité de gaz narcotique comme l’hydrogène ou l’azote à un mélange hélium-oxygène.

Les lasers à hélium-néon, un type de laser à gaz de faible puissance produisant un faisceau rouge, ont eu diverses applications pratiques, notamment les lecteurs de codes-barres et les pointeurs laser, avant d'être presque universellement remplacés par des lasers à diodes moins chers.

En raison de son inertie et de sa grande conductivité thermique, de sa transparence neutronique et parce qu’il ne forme pas d’isotopes radioactifs dans les conditions du réacteur, l’hélium est utilisé comme milieu de transfert de chaleur dans certains réacteurs nucléaires refroidis au gaz.

L’hélium, mélangé à un gaz plus lourd comme le xénon, est utile pour la réfrigération thermoacoustique en raison du rapport de capacité thermique élevé qui en résulte et du faible indice de Prandtl. L’inertie de l’hélium présente des avantages environnementaux par rapport aux systèmes de réfrigération classiques qui contribuent à l’appauvrissement de la couche d’ozone ou au réchauffement climatique.

L’hélium est également utilisé dans certains disques durs.

Utilisations scientifiques

L’utilisation de l’hélium réduit les effets de distorsion des variations de température dans l’espace entre les lentilles de certains télescopes, grâce à son indice de réfraction extrêmement faible. Cette méthode est surtout utilisée dans les télescopes solaires où un tube de télescope étanche au vide serait trop lourd.

L’hélium est un gaz porteur couramment utilisé pour la chromatographie en phase gazeuse.

L'âge des roches et des minéraux qui contiennent de l’uranium et du thorium peut être estimé en mesurant le niveau d’hélium grâce à un processus connu sous le nom de datation à l’hélium.

L’hélium à basse température est utilisé en cryogénie, et dans certaines applications cryogéniques. Par exemple, l’hélium liquide est utilisé pour refroidir certains métaux aux températures extrêmement basses nécessaires à la supraconductivité, comme dans les aimants supraconducteurs pour l’imagerie par résonance magnétique. Le Grand collisionneur de hadrons du CERN utilise 96 tonnes d’hélium liquide pour maintenir la température à 1,9 kelvins.

Biologie

Dans des conditions normales, l’hélium neutre est non toxique, ne joue aucun rôle biologique et se trouve à l'état de traces dans le sang humain.

La vitesse du son dans l’hélium est presque trois fois supérieure à celle du son dans l’air. Comme la fréquence fondamentale d’une cavité remplie de gaz est proportionnelle à la vitesse du son dans le gaz, lorsque l’hélium est inhalé, il y a une augmentation correspondante des fréquences de résonance des voies vocales. La fréquence fondamentale (parfois appelée hauteur tonale) ne change pas, car elle est produite par la vibration directe des cordes vocales, qui reste inchangée. Cependant, les fréquences de résonance plus élevées provoquent un changement de timbre, ce qui donne une qualité vocale semblable à celle d’un canard. L’effet inverse, à savoir la diminution des fréquences de résonance, peut être obtenu en inhalant un gaz dense comme l’hexafluorure de soufre ou le xénon.

Sécurité

L’inhalation d’hélium peut être dangereuse si elle est faite à l’excès, car l’hélium est un simple asphyxiant et déplace donc l’oxygène nécessaire à une respiration normale. Des décès ont été enregistrés, dont celui d’un jeune qui a suffoqué à Vancouver en 2003 et celui de deux adultes qui ont suffoqué dans le sud de la Floride en 2006. En 1998, une jeune Australienne de Victoria est tombée inconsciente et a temporairement viré au bleu après avoir inhalé tout le contenu d’un ballon de fête. L’inhalation d’hélium directement à partir de bouteilles sous pression ou même de valves de remplissage de ballons est extrêmement dangereuse, car un débit et une pression élevés peuvent entraîner un barotraumatisme, c’est-à-dire une rupture fatale du tissu pulmonaire.

La mort causée par l’hélium est rare. Le premier cas enregistré par les médias est celui d’une jeune fille de 15 ans du Texas qui est morte en 1998 des suites de l’inhalation d’hélium lors d’une fête chez un ami ; le type exact de décès par hélium n’est pas identifié.

Aux États-Unis, seuls deux décès ont été signalés entre 2000 et 2004, dont celui d’un homme qui est mort en Caroline du Nord d’un barotraumatisme en 2002. Un jeune s’est asphyxié à Vancouver en 2003, et un homme de 27 ans en Australie a fait une embolie après avoir respiré à partir d’un cylindre en 2000. Depuis lors, deux adultes ont été asphyxiés dans le sud de la Floride en 2006, et il y a eu des cas en 2009 et 2010, l’un étant un jeune Californien qui a été trouvé avec un sac sur la tête, attaché à une bouteille d’hélium, et un autre adolescent en Irlande du Nord est mort par asphyxie. À Eagle Point, dans l’Oregon, une adolescente est morte en 2012 des suites d’un barotraumatisme lors d’une fête. Une fille du Michigan est morte d’hypoxie plus tard dans l’année.

Le 4 février 2015, il a été révélé que, lors de l’enregistrement de leur principale émission de télévision le 28 janvier, un membre de 12 ans (nom caché) du groupe de chant féminin japonais 3B Junior a souffert d’une embolie aérienne, perdant conscience et tombant dans le coma à cause de bulles d’air bloquant le flux sanguin vers le cerveau, après avoir inhalé d'énormes quantités d’hélium dans le cadre d’un jeu. L’incident n’a été rendu public qu’une semaine plus tard. Le personnel de TV Asahi a tenu une conférence de presse d’urgence pour communiquer que le membre avait été emmené à l’hôpital et qu’il montrait des signes de réhabilitation, comme des yeux et des membres en mouvement, mais que sa conscience n’avait pas encore été suffisamment rétablie. La police a lancé une enquête en raison d’un manque de mesures de sécurité.

Le 13 juillet 2017, CBS News a rapporté qu’un agent politique qui aurait tenté de récupérer des e-mails disparus du serveur Clinton, Peter W. Smith, s’est “apparemment” suicidé en mai dans une chambre d’hôtel à Rochester, dans le Minnesota, et que sa mort a été enregistrée comme “asphyxie due au déplacement de l’oxygène dans un espace confiné avec de l’hélium”. Plus de détails ont suivi dans le Chicago Tribune.

Les problèmes de sécurité de l’hélium cryogénique sont similaires à ceux de l’azote liquide ; ses températures extrêmement basses peuvent entraîner des brûlures par le froid, et le rapport d’expansion liquide/gaz peut provoquer des explosions si aucun dispositif de décompression n’est installé. Les conteneurs d’hélium gazeux à 5 à 10 K doivent être manipulés comme s’ils contenaient de l’hélium liquide en raison de la dilatation thermique rapide et importante qui se produit lorsque l’hélium gazeux à moins de 10 K est chauffé à la température ambiante.

À haute pression (plus de 20 atm ou deux MPa environ), un mélange d’hélium et d’oxygène (héliox) peut entraîner un syndrome nerveux à haute pression, une sorte d’effet anesthésique inverse ; l’ajout d’une petite quantité d’azote au mélange peut atténuer le problème.