| Symbole | 3 2He 1 |
|---|---|
| Neutrons | 1 |
| Protons | 2 |
| Présence naturelle | 0,000134(3) %[1] |
|---|---|
| Demi-vie | Stable |
| Masse atomique | 3,01602932197(6)u |
| Spin | 1/2+ |
| Excès d'énergie | 14 931,218 88 ± 0,000 06 keV[1] |
| Énergie de liaison parnucléon | 2 573 ± 0 keV[1] |
L’hélium 3, noté3He, est l'isotope de l'hélium dont lenombre de masse est égal à 3 : sonnoyau atomique compte deuxprotons et un seulneutron, avec unspin 1/2+ pour unemasse atomique de 3,016 03 g/mol. Cetisotope stable — nonradioactif — est caractérisé par unexcès de masse de14 931,219 keV et uneénergie de liaison nucléaire parnucléon de2 573 keV[1].
Recherché pour ses applications potentielles enfusion nucléaire,l'hélium 3 est rare surTerre, où il constitue environ200 à 300 ppm de l'hélium dumanteau ; dans l'atmosphère terrestre, on compte5,2 ppm d'hélium, dontl'hélium 3 représente seulement1,38 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 lanucléosynthèse primordiale, aux premiers instants de l'Univers, et n'est pas issu de lanucléosynthèse stellaire ; il est consommé dans lesétoiles comme lelithium, lebéryllium et lebore.Il est présent dans les couches externes duSoleil[réf. souhaitée], dont les éléments sont isolés des réactions de fusion du centre. Levent solaire en envoie dans le reste du système solaire. Repoussé par lechamp magnétique terrestre, il s'est accumulé à la surface de laLune du fait de l'absence d'atmosphère sur notre satellite.
L’hélium 3 pur est le liquide au point d’ébullition le plus bas qui existe, environ3,2 K à pression atmosphérique.
On a longtemps cherché un étatsuperfluide, que l’hélium 4 possède au point lambda à2,176 8 K.D. D. Osheroff,R. C. Richardson etD. M. Lee ont montré[2] en 1972 que l'3He devient superfluide (phase A) en dessous de2,65 mK , et qu'il existe une deuxième phase superfluide (B) en dessous de1,8 mK. Ces phases ont été décrites théoriquement parAnderson, Brinkman[3] et Morel[4] pour la phase A et parBalian et Werthamer[5] pour la phase B. Les températures requises 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 sinon des volumes initiaux considérables). L'effet Pomerantchouk permet d'atteindre ces températures en comprimant l'.
Les deux isotopes de l’hélium sont aussi utilisés dans desréfrigérateurs à dilution, permettant de descendre bien en dessous de1 K, car la dilution de3He dans4He (liquides) produit du froid.
On appelle courammenthélion lenoyau de l'atome d'hélium 3 (3He2+), tandis que celui de l'hélium 4 (4He2+) est appeléparticule α. L'absence d'un second neutron a pour effet que lerayon de charge de l'hélion est légèrement supérieur à celui de la particule α,[6] : 1,075 7(12) fm2.
L'hélium 3 a la particularité d'être un fort absorbant deneutrons, suivant laréaction :
L'absorption d'un neutron par un noyau d'hélium 3 se traduit donc par la formation detritium radioactif, facilement détectable.
Pour cette raison, l'hélium 3 est utilisé pour ladétection de neutrons dans des instruments scientifiques comme lesdiffractomètres HEiDi auFRM II[7] et 5 C2 au LLB[8].
L'hélium 3 est aussi utilisé commeneutrophage dans certains réacteurs de recherche (notammentCabri). 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).
Lafusion nucléaire de l'hélium 3 ne produit aucun déchet ou sous-produit radioactif, juste de l'hélium 4 et desprotons (de l'hydrogène) :
L'hélium 3 pourrait devenir dans un futur plus ou moins lointain le carburant idéal des centrales nucléaires àfusion contrôlée, permettant de produire des quantités considérables d'énergie propre, c'est-à-dire sans pollution chimique ni radioactive.
Selon les données enregistrées en 2009 par la sonde orbitalechinoiseChang'e 1, les réserves en hélium 3 de la Lune s’élèveraient à 100 000 t[9]. Il est incorporé aurégolithe ou enfoui en faible profondeur de la surface. Lorsqu'on sait que 200 tonnes permettraient de satisfaire les besoins énergétiques desÉtats-Unis et de l'Union européenne pendant une année[a], que cette énergie permettrait aux Terriens de combler leurs besoins en énergie pour des siècles, cela incite les enthousiastes à y voir un moteur puissant à son exploitation. En effet, le coût d'exploitation d'une tonne d’hélium 3 serait de l'ordre de 1,5 milliard de dollars (2005)[10], alors que la même quantité d'énergie en équivalent pétrole coûte 10 milliards de dollars[11]
Cependant, la concentration en hélium 3 de la Lune est infime, de l'ordre d'une tonne pour cent millions de tonnes de régolithe[réf. souhaitée]. La technologie permettant d'exploiter cette ressource est encore balbutiante.
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.3He est dégazé des sédiments océaniques durant lasubduction. Ainsi l’apport cosmogénique de3He n’affecte pas les concentrations du manteau.
L’hélium 3 est aussi produit par bombardement des rayons cosmiques et par les réactions despallation dulithium 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 un3He et un4He. Mais ceci demanderait des quantités significatives de lithium pour affecter le rapport3He/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 lavitesse 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 en3He, 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 ducarbone, 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 estradiogénique. 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) de3He sur4He est souvent utilisé pour représenter la teneur en3He. On peut comparer R avec le rapport actuel de l’atmosphère (Ra).
On mesure les valeurs moyennes suivantes de R/Ra :
On utilise le rapport3He/4He en géochimie isotopique pourdater 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 despanaches.
Sur les autres projets Wikimedia :
| Composés | |
|---|---|
| État |
|
| Isotopes | |
| Autres | |
