Contenu
- Qu'est-ce que l'hélium?
- D'où vient l'hélium?
- Pourquoi l'hélium est-il dans du gaz naturel?
- Où le gaz naturel est-il riche en hélium?
- Utilisations de l'hélium
- Imagerie par résonance magnétique
- Gaz de levage
- Gaz de purge
- Fabrication à atmosphère contrôlée
- Detection des fuites
- Mélanges respirants
- Gaz de soudage
- L'hélium: une ressource non renouvelable
- Glut et insuffisance d'hélium
Dirigeable à l'hélium: La plupart des gens ont entendu parler de l'hélium utilisé comme gaz de levage pour les ballons météorologiques, les dirigeables dirigés contre le soleil et les ballons de fête. Ce sont des utilisations très mineures de l'hélium. L'utilisation qui consomme le plus d'hélium est le refroidissement des aimants dans les appareils d'IRM (imagerie par résonance magnétique) dans les établissements médicaux. Photo de dirigeable de Goodyear par Derek Jensen.
Qu'est-ce que l'hélium?
L'hélium est un élément chimique et un gaz inerte incolore, sans odeur, sans goût. Il a le plus petit rayon atomique de tous les éléments et le deuxième poids atomique le plus bas. C'est plus léger que l'air.
La plupart des gens savent que l'hélium est utilisé comme gaz de levage dans des dirigeables dirigés et des ballons de fête, mais ils ne peuvent pas en nommer une autre manière. L'hélium est principalement utilisé comme gaz de refroidissement pour les machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisées dans les établissements médicaux. Parmi les autres utilisations importantes de l'hélium, citons: un gaz protecteur pour le soudage, un gaz inerte pour la fabrication en atmosphère contrôlée, un gaz fugitif utilisé pour la détection de fuites et un gaz à faible viscosité pour les mélanges respiratoires sous pression.
D'où vient l'hélium?
Très peu d'hélium est présent dans l'atmosphère terrestre. C'est un élément tellement léger que la gravité terrestre ne peut la retenir. Lorsqu'il est présent à la surface de la Terre, l'hélium non confiné commence immédiatement à s'élever jusqu'à échapper à la planète. C'est pourquoi les ballons de fête se lèvent!
L'hélium produit dans le commerce est obtenu à partir du sol. Certains gisements de gaz naturel ont suffisamment d’hélium mélangé au gaz pour pouvoir être extraits à un coût économique. Aux États-Unis, quelques champs contiennent plus de 7% d'hélium en volume. Les entreprises qui forent du gaz naturel dans ces zones produisent du gaz naturel, le traitent et retirent l'hélium en tant que sous-produit.
Gisements de gaz naturel contenant de l'hélium: Modèle de dépôt pour les gisements de gaz naturel contenant de l'hélium aux États-Unis. L'hélium est produit par la désintégration de l'uranium et du thorium dans les roches du socle granitoïde. L'hélium libéré est flottant et se déplace vers la surface dans la porosité associée aux failles du sous-sol. L'hélium monte ensuite à travers la couverture sédimentaire poreuse jusqu'à ce qu'il soit piégé avec du gaz naturel sous des couches d'anhydrite ou de sel. Ce sont les seuls types de roche latéralement persistants capables de piéger et de contenir les minuscules atomes d'hélium flottants. Cette situation géologique ne se produit que dans quelques endroits dans le monde et explique pourquoi les riches accumulations d'hélium sont rares.
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Pourquoi l'hélium est-il dans du gaz naturel?
On pense que la majeure partie de l'hélium extrait du gaz naturel provient de la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium dans les roches granitoïdes de la croûte continentale de la Terre. Très léger, il est flottant et cherche à remonter dès qu'il se forme. Les accumulations d'hélium les plus riches se trouvent dans trois conditions: 1) les roches du socle granitoïde sont riches en uranium et en thorium; 2) les roches du socle sont fracturées et percées de manière à fournir des voies d'évacuation à l'hélium; et 3) les roches sédimentaires poreuses situées au-dessus des failles du socle sont recouvertes d’un scellement imperméable d’halite ou d’anhydrite. Lorsque ces trois conditions sont réunies, de l'hélium peut s'accumuler dans la couche de roche sédimentaire poreuse.
L'hélium a le plus petit rayon atomique de tous les éléments, environ 0,2 nanomètre. Ainsi, quand il se forme et commence à monter, il peut passer à travers de très petits espaces poreux dans les roches. L'halite et l'anhydrite sont les seules roches sédimentaires capables de bloquer la migration ascendante d'atomes d'hélium. Les schistes dont les pores sont bouchés par des matières organiques abondantes (kérogène) constituent parfois une barrière moins efficace.
Gisements de gaz naturel contenant de l'hélium: Carte illustrant les gisements de gaz naturel qui constituent d'importantes sources d'hélium aux États-Unis. Le gaz naturel produit à partir de ces champs contient entre 0,3% et plus de 7% d'hélium. L'hélium est retiré du gaz pour la vente commerciale. Image en utilisant les données de localisation du United States Geological Survey.
Où le gaz naturel est-il riche en hélium?
La plupart du gaz naturel non traité contient au moins des traces d'hélium. Très peu de gisements de gaz naturel en contiennent suffisamment pour justifier un processus de récupération de l'hélium. Une source de gaz naturel doit contenir au moins 0,3% d’hélium pour être considérée comme une source potentielle d’hélium.
En 2010, tout le gaz naturel traité pour l'hélium aux États-Unis provenait de champs situés au Colorado, au Kansas, en Oklahoma, au Texas, en Utah et au Wyoming, comme indiqué sur la carte ci-jointe. Le champ Hugoton en Oklahoma, au Kansas et au Texas; le Panoma Field au Kansas; le Keyes Field dans l'Oklahoma; les Panhandle West et Cliffside Fields au Texas et le Riley Ridge Field au Wyoming représentent la majeure partie de la production d’hélium aux États-Unis.
En 2010, les États-Unis ont produit 128 millions de mètres cubes d'hélium. Sur cette quantité, 53 millions de mètres cubes d’hélium ont été extraits du gaz naturel et 75 millions de mètres cubes ont été retirés de la réserve nationale d’hélium. Les autres pays dont les quantités de production étaient connues étaient: l'Algérie (18 millions de mètres cubes), le Qatar (13 millions de mètres cubes), la Russie (6 millions de mètres cubes) et la Pologne (3 millions de mètres cubes). Le Canada et la Chine ont produit des quantités d'hélium faibles mais non déclarées.
Hélium dans les appareils d'IRM: La première utilisation de l'hélium est le refroidissement des aimants dans les machines d'IRM (imagerie par résonance magnétique) utilisées pour diagnostiquer les maladies et les blessures dans les installations médicales.
Un nouvel usage pour l'hélium: Le premier disque dur scellé à l'hélium a été produit en 2013. L'hélium permet au lecteur d'utiliser moins d'énergie, de produire moins de chaleur, de faire moins de bruit, de prendre moins de place, de stocker plus de données et de produire moins de vibrations qu'un disque dur standard. Apprendre encore plus.
Utilisations de l'hélium
L'hélium possède un certain nombre de propriétés qui le rendent exceptionnellement bien adapté à certaines utilisations. Dans certaines de ces utilisations, l'hélium est le meilleur gaz possible, et dans quelques-uns, il n'y a pas de substitut adéquat à l'hélium. Plusieurs utilisations de l'hélium ainsi que les propriétés qui le rendent approprié à l'utilisation sont décrites ci-dessous.
Imagerie par résonance magnétique
L'utilisation numéro un de l'hélium se trouve dans les machines d'imagerie à résonance magnétique utilisées dans les installations médicales pour évaluer les blessures et diagnostiquer les maladies. Ces machines utilisent un champ magnétique produit par un aimant supraconducteur. Ces aimants génèrent une énorme quantité de chaleur. L'hélium liquide est la substance de refroidissement de choix pour la régulation de la température de ces aimants. Étant donné que l'hélium possède la chaleur spécifique la plus basse de tous les gaz et le point d'ébullition / de fusion de tous les éléments, il n'y a pas de substitut prévu à l'hélium dans cette utilisation très importante.
Gaz de levage
L'hélium a le deuxième poids atomique le plus bas de tous les éléments. Seul l'hydrogène a un poids atomique inférieur. En tant que gaz plus léger que l'air, l'hélium a été utilisé comme "gaz de levage" pour les dirigeables et les ballons. Les dirigeables, les dirigeables, les zeppelins, les ballons anti-aériens, les ballons météo et d'autres engins plus légers que l'air ont tous utilisé l'hélium comme gaz d'appoint. Il est beaucoup plus sûr que l’hydrogène car il n’est pas inflammable. C'était la catégorie la plus importante d'utilisation d'hélium jusqu'à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Des quantités beaucoup plus faibles d'hélium sont maintenant utilisées comme gaz de levage.
Gaz de purge: La NASA et le ministère de la Défense utilisent l'hélium pour purger l'oxygène liquide et l'hydrogène liquide des réservoirs de carburant et des systèmes d'alimentation en carburant des moteurs de fusée. L'hélium est inerte et sa température de congélation est si basse qu'il reste un gaz pendant le processus de purge. Un flux d'hélium dans ces systèmes a même été utilisé en cas d'urgence pour éteindre les incendies. Image de la NASA.
Mélanges respirants à l'hélium: L'hélium est utilisé pour préparer des mélanges de gaz respiratoires pour la plongée en eau profonde. L'hélium est inerte et a une faible viscosité sous pression, ce qui facilite la respiration. Image par la NOAA.
Gaz de purge
L'hélium a le point de fusion et d'ébullition le plus bas de tous les gaz. Il fond et bout à des températures proches du zéro absolu. Comme il reste un gaz à très basse température, il peut être utilisé comme gaz de purge pour les réservoirs de carburant et les systèmes d'alimentation en carburant remplis de liquides très froids tels que l'hydrogène et l'oxygène liquides. Parce qu'il est inerte et qu'il gèle peu, il peut déplacer ces carburants en toute sécurité sans geler. La NASA et le ministère de la Défense utilisent de grandes quantités d'hélium pour purger les systèmes de propulsion de fusées.
Fabrication à atmosphère contrôlée
L'hélium est un gaz inerte. Le seul gaz ayant une réactivité inférieure est le néon. Cette faible réactivité fait de l'hélium un gaz précieux à utiliser dans les processus de fabrication et de réparation lorsqu'une atmosphère inerte est requise. L'hélium a également la deuxième densité la plus basse de tous les gaz, avec une conductivité thermique très élevée. Ces propriétés de l'hélium gazeux en font l'atmosphère de choix pour de nombreux procédés métallurgiques: formation de cristaux parfaits dans les vapeurs chimiques, fabrication de fibres optiques et autres utilisations.
Detection des fuites
L'hélium a une très faible viscosité, un coefficient de diffusion élevé et le plus petit atome de tous les éléments. Ces caractéristiques rendent l'hélium très difficile à contenir. Si un système présente une fuite, de l'hélium s'échappera. L'hélium est donc utilisé pour vérifier l'étanchéité des systèmes sous vide poussé, des systèmes d'alimentation en carburant et des autres enceintes de confinement.
Mélanges respirants
L'hélium et d'autres gaz inertes sont utilisés pour préparer des mélanges respiratoires pour la plongée en eau profonde et les traitements médicaux. L'hélium est utilisé ici parce qu'il est inerte, de très faible viscosité et qu'il est plus facile de respirer sous pression que tout autre gaz.
Gaz de soudage
L'hélium est utilisé comme atmosphère protectrice lors du soudage. Une atmosphère de gaz inerte protège les métaux chauds de l'oxydation et d'autres réactions susceptibles de se produire rapidement à des températures élevées.
Utilisations de l'hélium: Quantités relatives d'hélium consommées lors de diverses utilisations aux États-Unis en 2011. Graphique utilisant les données de l'USGS.
L'hélium: une ressource non renouvelable
L'hélium est un gaz que l'on ne trouve que là où coïncident des situations improbables. Bien qu'il soit continuellement produit par la désintégration des minéraux radioactifs dans la croûte terrestre, son taux de production et d’accumulation naturelles est si lent qu’il doit être considéré comme une ressource non renouvelable.
Glut et insuffisance d'hélium
En 1925, les États-Unis ont créé la réserve nationale d'hélium, destinée à constituer un approvisionnement stratégique en hélium destiné à être utilisé dans des dirigeables et à d'autres fins de défense. A cette époque, le pays produisait beaucoup plus d'hélium qu'il n'en consommait. Après la Seconde Guerre mondiale, la quantité d’hélium utilisée comme gaz de levage a diminué, mais la demande d’hélium en tant que gaz de purge lors du ravitaillement des moteurs de fusée et du réfrigérant dans les installations d’armes nucléaires a augmenté. Pourtant, plus d'hélium était produit que consommé.
En 1995, le Congrès a décidé que la réserve nationale d'hélium n'était pas indispensable et a lancé un programme de vente de l'hélium dans le cadre de la loi sur la privatisation de l'hélium de 1996. Pendant près de deux décennies, le Congrès a autorisé la vente de l'hélium à un prix très avantageux des prix. Près de la moitié de la demande mondiale d'hélium était satisfaite par les ventes de la réserve nationale d'hélium. Certaines années, les États-Unis ont exporté vers d’autres pays plus d’hélium que de consommation domestique. Ceux qui ont acheté de l'hélium au gouvernement ont obtenu un accord fantastique et ceux qui ont acheté de l'hélium sur le marché libre ont payé un prix beaucoup plus élevé.
Le dumping du stock de la réserve nationale d'hélium sur le marché a tellement fait baisser le prix de l'hélium qu'il a été utilisé comme substitut bon marché à l'argon et à d'autres gaz dont l'offre est beaucoup moins limitée.
La production commerciale d'hélium n'étant ni récompensée ni fortement utilisée, le marché était sous-approvisionné lorsque les ventes de la réserve nationale d'hélium ont été remplacées par un système d'enchères en 2014. Lors de la première enchère, deux enchérisseurs ont acheté l'intégralité de l'allocation annuelle de 93 millions de pieds cubes d'hélium plus que le double du prix du marché des années précédentes. Après la vente aux enchères, 1 milliard de pieds cubes supplémentaires ont été vendus aux deux mêmes enchérisseurs.
Depuis la première vente aux enchères, le prix de l'hélium a continué d'augmenter, car la production d'hélium neuf est inférieure à la consommation. L'augmentation des prix a déclenché des investissements dans de nouvelles usines de traitement de l'hélium. Cependant, l'hélium ne peut être produit qu'à partir de champs de gaz naturel contenant du sel ou de l'anhydrate comme roches piégeuses. Celles-ci ne se produisent que dans quelques parties du monde.
En vertu de la législation en vigueur, la réserve nationale d'hélium sera épuisée d'ici 2021. Espérons que l'investissement croissant dans les usines de récupération de l'hélium sera suffisant pour répondre aux besoins des consommateurs d'hélium lorsque cette importante source d'hélium aura disparu.