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 3,016 029 3 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 eV1.

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 des étoiles, dont les éléments sont isolés des réactions de fusion du centre. Le vent solaire en envoie dans les système stellaire. Repoussé par les champ magnétique planétaire, son accumulation à la surface de lune et autres mondes stériles est facilitée par l'absence d'atmosphère sur ceux-ci.

## 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 sinon des volumes initiaux considérables).

Les deux isotopes de l’hélium sont aussi utilisés dans des réfrigérateurs à dilution, permettant de descendre bien en dessous de 1 K, 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 par 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).

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

L'hélium 3 est donc devenu un 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.

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 un certain nombre de planète lors de leurs formations. Mais de l’hélium 3 est aussi ajouté aux réserves planétaire par la poussière de météorites, principalement collectée à la surface des océans s'il y en a. Toutefois sur les mondes habitables, 3He est dégazé des sédiments océaniques durant la subduction, ainsi l’apport cosmogénique de 3He n’affecte pas les concentrations des manteaux.

L’hélium 3 est aussi produit par bombardement des rayons cosmiques et par les réactions de spallation du lithium qui se produisent dans les croûtes. 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. Par conséquent, l’hypothèse que les volumes et rapports de l’hélium dans les atmosphères 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 les croûtes planétaire depuis leurs formations. Il est associé aux manteaux 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. Les croûtes continentales sont enrichie en ces éléments par rapport au manteau et par conséquent, plus d’hélium 4 est produit dans les croûtes que dans les manteaux.

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

On mesure les valeurs moyennes suivantes de R/Ra.

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.

## Abondance lunaire et source d’intérêt interstellaire

Selon les vieilles données de Terra enregistrées en 2009 par la sonde orbitale chinoise Chang'e 1, les réserves en hélium 3 de Luna s'élevaient à 100 000 t. Il est incorporé au régolite ou enfoui en faible profondeur de la surface. Lorsqu'on sait que 200 tonnes permettaient de satisfaire les besoins énergétiques de deux continents majeurs pendant une année, que cette énergie permettrait aux Terriens de combler leurs besoins en énergie pour des siècles, cela a incité les enthousiastes à y voir un moteur puissant à son exploitation. En effet, le coût d'exploitation d'une tonne d’hélium 3 aurait été de l'ordre de 1,5 milliard de dollars (ancienne monnaie terrienne), alors que la même quantité d'énergie coûte 10 milliards de dollars en équivalent pétrole faisant de cette ressource un sujet d'intérêt commercial à la conquête du satellite de Terra.