Histoire d’hélium … un juteux business pour le Canada

L’hélium est un gaz important pour de nombreuses applications mais il y en a trop peu dans l’atmosphère pour qu’il soit techniquement possible de le récupérer. Il existe donc une autre source qui est le gaz naturel. Ce gaz combustible contient entre 2 et 7 % d’hélium avec des traces de néon. Cet hélium est issu de la lente désintégration des éléments radioactifs contenus dans la croute terrestre mais également des plus grandes profondeurs magmatiques. Alors cet hélium, comme le gaz naturel, issu lui d’un lent processus de transformation bactérienne de matières organiques diverses, va être piégé dans des structures géologiques imperméables où il s’accumule comme ce gaz naturel. À l’heure actuelle la plus grande unité au monde de récupération de cet hélium se trouve au Qatar, une usine de la société Air Liquide jouxtant les installations de liquéfaction du gaz naturel de cet émirat. L’hélium y est purifié et stocké sous forme liquide ou sous haute pression pour être ensuite expédié aux clients disséminés dans le monde entier. Les usages de l’hélium sont d’abord les ballons-sonde météorologiques et dans le registre des ballons un usage récréatif pour gonfler les ballons des enfants et dans ce cas il s’agit d’un usage conduisant à une perte du gaz car cet hélium traverse l’enveloppe des ballons et ceux-ci finissent pas se dégonfler. L’autre usage de l’hélium est indispensable pour réaliser certaines soudures d’alliages spéciaux comme par exemple les tubes d’assemblage en Zircaloy du combustible des réacteurs nucléaires. L’une des utilisations à l’état liquide est le refroidissement des bobinages des installations de résonance magnétique nucléaire utilisées en imagerie médicale ainsi que dans d’autres applications industrielles.

Enfin parmi les applications nucléaires la toute récente mise en fonctionnement du premier réacteur nucléaire à très haute température a mis en œuvre de l’hélium comme fluide caloporteur pour refroidir le cœur du réacteur et servir de source de haute température pour toutes sortes d’application dont, dans un avenir proche, la production massive et à bas cout d’hydrogène. L’hélium naturellement présent dans le gaz naturel retenu dans des formations géologiques favorables contient également des traces de l’isotope hélium-3 en quantités infimes, la très grande majorité de ce gaz étant constitué d’hélium-4. Je vais maintenant expliquer quelles sont les applications de cet isotope léger de l’hélium et exposer les sources d’approvisionnement de ce type d’hélium qui présente un intérêt commercial évident.

Inutile de tenter de séparer l’hélium-3 de l’hélium-4 car il représente seulement 0,000137 % de ce dernier. Pourquoi l’hélium-3 présente quelques intérêts. D’abord à l’état liquide il bout à 3,2°K alors que pour l’hélium-4 cette température d’ébullition est de 4,23°K. Cette différence semble ne rien représenter et pourtant l’hélium-3 est promis à un immense avenir dans le développement des ordinateurs quantiques. En ce qui concerne l’imagerie médicale l’hélium-3 qui comme tous les gaz inertes se trouve à l’état atomique et non moléculaire possède un spin de ½ contrairement à l’hélium-4 dont le spin est égal à zéro et cette propriété peut être mise à profit dans la visualisation de certains processus biologiques par résonance magnétique nucléaire. Ce domaine n’est pour l’instant que très peu exploré en raison de la rareté de cet isotope. L’hélium-3 est utilisé pour la détection de neutrons à l’aide de compteurs type Geiger dans les installations portuaires pour déceler les trafics illicites de matières radioactives. Enfin, dans la théorie l’hélium-3 serait un bon candidat pour la fusion nucléaire telle qu’elle est envisagée à un stade industriel dans le prototype ITER. Encore une fois la rareté extrême du lithium-3 n’a pas permis d’inclure ce gaz dans les processus de fusion nucléaire dans le cadre d’un développement industriel de cette technologie.

Tout le problème réside dans la production d’hélium-3 économiquement rentable.

C’est pourquoi le Canada s’intéresse au plus haut point à la production d’hélium-3. Pourquoi le Canada ? Car l’essentiel de la production électrique d’origine nucléaire de ce pays provient de réacteurs de type CANDU dont le fluide de refroidissement est de l’eau lourde, c’est-à-dire de l’eau constituée de deux atomes de deutérium et d’un atome d’oxygène. Lorsque ces atomes de deutérium captent un neutron provenant de la fission du combustible nucléaire il se forme du tritium. Comme les réacteurs CANDU présentent la particularité de ne jamais être arrêtés pour rechargement en combustible puisque ce processus est effectué en continu de l’hélium à l’état gazeux s’accumule et l’installation est régulièrement purgée de ce gaz. Le tritium est radioactif et sa demi-vie est d’environ 12 ans. L’hélium-3 est le produit de l’émission par le tritium d’un électron de très faible énergie et d’un neutrino. La centrale nucléaire de type CANDU de Darlington dans l’Etat de l’Ontario a donc décidé de récupérer cet hélium-3 plutôt que de le rejeter dans l’atmosphère et le conditionner pour les utilisateurs. Avec un prix d’environ 1400 dollars le gramme, environ 7 litres (45 fois plus que l’or en poids), on comprend que les Canadiens s’intéressent de très très à ce marché. L’hélium avec lequel on gonfle les ballons pour les enfants coute un peu plus de 3 dollars le m3 … Pour l’anecdote les millions de m3 d’eau tritiée stockés autour de la centrale nucléaire de Fukushima-Daiichi depuis maintenant plus de 10 ans ont produit des centaines de litres d’hélium-3 facilement récupérables dans le gaz se trouvant au dessus de ces réservoirs mais les quantités sont très faibles pour qu’un processus de récupération soit envisageable car les réservoirs de stockage n’ont pas été conçus à cet effet. Et puisque j’ai fait cette diversion le tritium n’est pas dangereux. L’électron émis lors de la désintégration pour produire de l’hélium-3 est moins dangereux que les électrons émis par les vieux téléviseurs à tube cathodique dont plusieurs générations de téléspectateurs se sont gavés sans aucun effet pathologique puisque ces électrons émis par le tritium lors de sa désintégration sont incapables de traverser la couche de peau morte de l’épiderme. Quoiqu’en pense l’opinion internationale toute cette eau faiblement tritiée à Fukushima-Daiichi peut tout simplement être rejetée dans l’océan sans qu’il y ait une quelconque incidence sur la faune alieutique. Bref, les Canadiens ont trouvé un filon en or et c’est tant mieux pour eux …