Voir la source de Hélium 3

{{Infobox Isotope
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 | date        = 31 mars 2004
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 | éditeur     = [[Agence internationale de l'énergie atomique|AIEA]]
 | consulté le = 8 août 2021
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L’'''hélium 3''', noté '''{{3}}He''', est l'[[isotope]] de l'[[hélium]] dont le [[nombre de masse]] est égal à 3 : son [[noyau atomique]] compte deux [[proton]]s et un seul [[neutron]], avec un [[spin]] 1/2+ pour une [[masse atomique]] de {{unité|3.01603|g/mol}}. Cet [[isotope stable]] — non [[Radioactivité|radioactif]] — est caractérisé par un [[excès de masse]] de {{unité|14931.219|keV}} et une [[énergie de liaison nucléaire]] par [[nucléon]] de {{unité|2573|keV}}<ref name="IAEA.Nuclides"/>.

Recherché pour ses applications potentielles en [[fusion nucléaire]], {{nobr|l'hélium 3}} est rare sur [[Terre]], où il constitue environ {{unité/2|200|à=300|ppm}} de l'[[hélium]] du [[Manteau (géologie)|manteau]] ; dans l'[[atmosphère terrestre]], on compte {{unité/2|5.2|ppm}} d'hélium, dont {{nobr|l'hélium 3}} représente seulement {{unité/2|1.38|ppm}}, soit une fraction d'à peine 7,2{{x10|-12}} de l'atmosphère dans son ensemble. Tout comme l'[[hydrogène]], {{nobr|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 [[étoile]]s comme le [[lithium]], le [[béryllium]] et le [[bore]]. {{référence souhaitée|Il est présent dans les couches externes du [[Soleil]]}}, dont les éléments sont isolés des réactions de fusion du centre. Le [[vent solaire]] en envoie dans le reste du système solaire. Repoussé par le [[champ magnétique]] terrestre, il s'est accumulé à la surface de la [[Lune]] de par l'absence d'atmosphère sur notre satellite.

== Propriétés physiques ==

L’hélium 3 pur est le liquide au point d’ébullition le plus bas qui existe, environ {{unité|3.2|K}} à pression atmosphérique.

On a longtemps cherché un état [[superfluide]], que l’[[hélium]] 4 possède au point lambda à {{unité/2|2.1768|K}}. [[Douglas Osheroff|D. D. Osheroff]], [[Robert Coleman Richardson|R. C. Richardson]] et [[David Morris Lee|D. M. Lee]] ont montré<ref>{{Lien web |langue=en-US |titre=The Nobel Prize in Physics 1996 |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1996/advanced-information/ |site=NobelPrize.org |consulté le=2022-11-12}}.</ref> en 1972 que l'{{3}}He devient superfluide (phase A) en dessous de {{unité|2.65|mK}} , et qu'il existe une deuxième phase superfluide (B) en dessous de {{unité/2|1.8|mK}}. Ces phases ont été décrites théoriquement par [[Philip Warren Anderson|Anderson]], Brinkman<ref>{{Article|langue=en|prénom1=P. W.|nom1=Anderson|prénom2=W. F.|nom2=Brinkman|titre=Anisotropic Superfluidity in He 3 : A Possible Interpretation of Its Stability as a Spin-Fluctuation Effect|périodique=Physical Review Letters|volume=30|numéro=22|date=1973-05-28|issn=0031-9007|doi=10.1103/PhysRevLett.30.1108|lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.30.1108|consulté le=2022-11-12|pages=1108–1111}}</ref> et Morel<ref>{{Article|langue=en|prénom1=P. W.|nom1=Anderson|prénom2=P.|nom2=Morel|titre=Generalized Bardeen-Cooper-Schrieffer States and the Proposed Low-Temperature Phase of Liquid He 3|périodique=Physical Review|volume=123|numéro=6|date=1961-09-15|issn=0031-899X|doi=10.1103/PhysRev.123.1911|lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.123.1911|consulté le=2022-11-12|pages=1911–1934}}</ref> pour la phase A et par [[Roger Balian|Balian]] et Werthamer<ref>{{Article|langue=en|prénom1=R.|nom1=Balian|prénom2=N. R.|nom2=Werthamer|titre=Superconductivity with Pairs in a Relative p Wave|périodique=Physical Review|volume=131|numéro=4|date=1963-08-15|issn=0031-899X|doi=10.1103/PhysRev.131.1553|lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.131.1553|consulté le=2022-11-12|pages=1553–1564}}</ref> 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 ~{{unité/2|1|K}} pour l’hélium (il faudrait sinon des volumes initiaux considérables). L'[[effet Pomerantchouk]] permet d'atteindre ces températures en comprimant l'<chem>^3He</chem>. 

Les deux isotopes de l’hélium sont aussi utilisés dans des [[Réfrigérateur à dilution|réfrigérateurs à dilution]], permettant de descendre bien en dessous de {{unité/2|1|K}}, car la dilution de {{3}}He dans {{4}}He (liquides) produit du froid.

== Propriétés nucléaires ==

=== Réactions ===

L'hélium 3 a la particularité d'être un fort absorbant de [[neutron]]s, suivant la [[réaction nucléaire|réaction]] :
:{{Nucléide|3|2|He}} + {{Nucléide|1|0|n|Neutron}} ⟶ {{Nucléide|1|1|H|Proton}} + {{Nucléide|3|1|T|Tritium}}.
L'absorption d'un neutron par un noyau d'hélium 3 se traduit donc par la formation de [[tritium]] radioactif, facilement détectable.

Pour cette raison, l'hélium 3 est utilisé pour la [[détection de neutrons]] dans des instruments scientifiques comme les [[diffractomètre]]s HEiDi au [[Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz|FRM II]]<ref>{{lien web| langue=en| url=http://www.frm2.tum.de/wissenschaftliche-nutzung/diffraktion/heidi/techdata/index.html| titre=''HEiDi: technical data''| consulté le=17 avril 2011}}.</ref> et 5 C2 au LLB<ref>{{lien web| langue=en| url=http://www-llb.cea.fr/fr-en/pdf/5c2-llb.pdf| titre=''5 C2, Hot Neutron Four-Circle Diffractometer''| consulté le=17 avril 2011}}.</ref>.

L'hélium 3 est aussi utilisé comme [[poison à neutrons|neutrophage]] dans certains réacteurs de recherche (notamment [[Cabri (réacteur)|Cabri]]). 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]]).

=== Fusion ===
La [[fusion nucléaire]] de l'hélium 3 ne produit aucun déchet ou sous-produit radioactif, juste de l'[[Hélium|hélium 4]] et des [[proton]]s (de l'[[hydrogène]]) :
:{{Nucléide|3|2|He}} + {{Nucléide|3|2|He}} ⟶ {{Nucléide|4|2|He|Hélium 4}} + 2 {{Nucléide|1|1|H|Protium}}.

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

==== Abondance lunaire et source d’intérêt ====
Selon les données enregistrées en 2009 par la sonde orbitale [[Chine|chinoise]] [[Chang'e 1]], les réserves en hélium 3 de la Lune s’élèveraient à {{unité|100000|t}}<ref>{{fr}}{{Lien web|url=http://www.flashespace.com/html/juillet09/14_07_09.htm |titre=Chang'e-1 a déterminé les quantités d'hélium 3 lunaire |site=flashespace.com |auteur= |année=2009 |consulté le=27 janvier 2013 }}.</ref>. Il est incorporé au [[régolithe]] ou enfoui en faible profondeur de la surface. Lorsqu'on sait que {{unité|200|tonnes}} permettraient de satisfaire les besoins énergétiques des [[États-Unis]] et de l'[[Union européenne]] pendant une année<ref group=alpha>[[Harrison Schmitt]] estime dans son livre ''Return to the Moon'' (''cf.'' Bibliographie) à {{unité|5.6|e=14|[[British thermal unit|BTU]]}} la tonne de {{3}}He dans un réacteur à fusion de type D-{{3}}He. Cela donne de l'ordre de [http://www.wolframalpha.com/input/?i=%28%28us+energy+production+in+BTU%29%2B%28eu+energy+production+in+BTU%29%29%2F%285.6e14+BTU+per+ton%29 200 tonnes] pour la consommation des États-Unis + Union-Européenne, en 2007. De leur côté, D. G. Schrunk et B. L. Sharpe estiment dans leur livre ''The Moon. Ressources, Future Development, and Settlement'' à « plusieurs centaines de tonnes » la quantité de {{3}}He nécessaire par an pour « satisfaire une proportion significative de la consommation d'énergie mondiale ».</ref>, 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)<ref>Schmitt 2005 (''cf.'' Bibliographie), p. 44.</ref>, alors que la même quantité d'énergie en équivalent pétrole coûte 10 milliards de dollars<ref>à 100$ le baril. Voir [http://www.wolframalpha.com/input/?i=%285.6e14+BTU+%2F+%281+bbl+in+BTU%29%29+*+100+%24 ce calcul]</ref>

Cependant, la concentration en hélium 3 de la Lune est infime, de l'ordre d'une tonne pour cent millions de tonnes de régolithe{{refsou}}. La technologie permettant d'exploiter cette ressource est encore balbutiante.

== Utilisation en géochimie isotopique ==
{{Section à sourcer|date=juin 2023}}
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. {{3}}He est dégazé des sédiments océaniques durant la [[subduction]]. Ainsi l’apport cosmogénique de {{3}}He 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 {{3}}He et un {{4}}He. Mais ceci demanderait des quantités significatives de lithium pour affecter le rapport {{3}}He/{{4}}He.
C’est ainsi que si l’{{3}}He 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 {{3}}He, car il s’épuise peu à peu, alors que l’{{4}}He 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, {{formule chimique|CO|2}}) du manteau, ce qui se produit à des profondeurs de moins de {{unité|60|km}}. Cependant, {{3}}He est transporté à la surface principalement piégé dans des cristaux d’[[Inclusion fluide|inclusions fluides]].

L’hélium 4 est produit par la désintégration d'[[Radioactivité|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 {{3}}He sur {{4}}He est souvent utilisé pour représenter la teneur en {{3}}He. 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 {{3}}He/{{4}}He en géochimie isotopique pour [[Datation par le tritium#Datation par le tritium-hélium 3|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 [[panache (géologie)|panaches]].

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références| groupe=alpha}}

=== Références ===
{{Références}}

== Voir aussi ==
{{autres projets| wikt=hélium 3}}

=== Articles connexes ===
* [[Fusion nucléaire]]
* [[Fusion aneutronique]]
* [[Réfrigérateur à dilution]]
* [[Superfluidité#D'autres superfluides|Superfluide]]

=== Bibliographie ===
* [[Harrison Schmitt]] ''Return to the Moon: Exploration, Enterprise, and Energy in the Human Settlement of Space'' Praxis publishing 2005:

=== Liens externes ===
* {{lien web |url=http://www.periodictable.com/Isotopes/002.3/index.html |site=periodictable.com |titre=Isotope data for Helium3 in the Periodic Table |langue=en |consulté le=25 juillet 2016}}.

{{Palette|Hélium}}
{{Portail|physique|chimie}}

[[Catégorie:Isotope]]
[[Catégorie:Hélium|3]]