Hélium-3 (Français)

Détection des neutronsEdit

L’hélium-3 est un isotope important dans les instruments de détection des neutrons. Il a une section d’absorption élevée pour les faisceaux de neutrons thermiques et est utilisé comme gaz convertisseur dans les détecteurs de neutrons. Le neutron est converti par la réaction nucléaire

n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV

en particules chargées ions tritium (T, 3H) et ions hydrogène, ou protons (p, 1H) qui sont ensuite détectés en créant un nuage de charge dans le gaz d’arrêt d’un compteur proportionnel ou d’un tube de Geiger-Müller.

En outre, le processus d’absorption est fortement dépendant du spin, ce qui permet à un volume d’hélium 3 polarisé en spin de transmettre les neutrons avec une composante de spin tout en absorbant l’autre. Cet effet est employé dans l’analyse de la polarisation des neutrons, une technique qui sonde les propriétés magnétiques de la matière.

Le département de la sécurité intérieure des États-Unis avait espéré déployer des détecteurs pour repérer le plutonium de contrebande dans les conteneurs d’expédition par leurs émissions de neutrons, mais la pénurie mondiale d’hélium-3 suite à la réduction de la production d’armes nucléaires depuis la guerre froide l’a dans une certaine mesure empêché. En 2012, le DHS a déterminé que l’approvisionnement commercial en bore-10 permettrait de soutenir la conversion de son infrastructure de détection des neutrons à cette technologie.

CryogénieEdit

Un réfrigérateur à hélium-3 utilise de l’hélium-3 pour atteindre des températures de 0,2 à 0,3 kelvin. Un réfrigérateur à dilution utilise un mélange d’hélium-3 et d’hélium-4 pour atteindre des températures cryogéniques aussi basses que quelques millièmes de kelvin.

Une propriété importante de l’hélium-3, qui le distingue de l’hélium-4 plus courant, est que son noyau est un fermion puisqu’il contient un nombre impair de particules de spin 1⁄2. Les noyaux d’hélium-4 sont des bosons, contenant un nombre pair de particules de spin 1⁄2. C’est le résultat direct des règles d’addition des moments angulaires quantifiés. À basse température (environ 2,17 K), l’hélium-4 subit une transition de phase : Une fraction de celui-ci entre dans une phase superfluide qui peut être comprise grossièrement comme un type de condensat de Bose-Einstein. Un tel mécanisme n’existe pas pour les atomes d’hélium 3, qui sont des fermions. Cependant, il a été largement spéculé que l’hélium 3 pourrait également devenir un superfluide à des températures beaucoup plus basses, si les atomes se formaient en paires analogues aux paires de Cooper dans la théorie BCS de la supraconductivité. Chaque paire de Cooper, dont le spin est entier, peut être considérée comme un boson. Dans les années 1970, David Lee, Douglas Osheroff et Robert Coleman Richardson ont découvert deux transitions de phase le long de la courbe de fusion, qui se sont rapidement révélées être les deux phases superfluides de l’hélium 3. La transition vers une phase superfluide se produit à 2,491 millikelvins sur la courbe de fusion. Ils ont reçu le prix Nobel de physique 1996 pour leur découverte. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg et Tony Leggett ont remporté le prix Nobel de physique 2003 pour leurs travaux visant à affiner la compréhension de la phase superfluide de l’hélium 3.

Dans un champ magnétique nul, il existe deux phases superfluides distinctes de 3He, la phase A et la phase B. La phase B est la phase à basse température et à basse pression qui présente un écart d’énergie isotrope. La phase A est la phase à plus haute température et à plus haute pression qui est stabilisée par un champ magnétique et qui possède deux nœuds ponctuels dans son entrefer. La présence de deux phases est une indication claire que le 3He est un superfluide (supraconducteur) non conventionnel, puisque la présence de deux phases exige qu’une symétrie supplémentaire, autre que la symétrie de jauge, soit brisée. En fait, c’est un superfluide à ondes p, avec un spin de 1, S=1, et un moment angulaire de 1, L=1. L’état fondamental correspond à un moment angulaire total nul, J=S+L=0 (addition vectorielle). Des états excités sont possibles avec un moment angulaire total non nul, J>0, qui sont des modes collectifs de paires excitées. En raison de l’extrême pureté du 3He superfluide (puisque tous les matériaux, à l’exception du 4He, se sont solidifiés et ont coulé au fond du 3He liquide et que tout 4He s’est entièrement séparé en phase, il s’agit de l’état de matière condensée le plus pur), ces modes collectifs ont été étudiés avec beaucoup plus de précision que dans tout autre système d’appariement non conventionnel.

Imagerie médicaleEdit

Les noyaux d’hélium-3 ont un spin nucléaire intrinsèque de 1⁄2, et un rapport magnétogyrique relativement élevé. L’hélium-3 peut être hyperpolarisé en utilisant des moyens hors équilibre tels que le pompage optique par échange de spin. Au cours de ce processus, une lumière laser infrarouge polarisée circulairement, accordée à la longueur d’onde appropriée, est utilisée pour exciter les électrons d’un métal alcalin, comme le césium ou le rubidium, à l’intérieur d’un récipient en verre scellé. Le moment angulaire est transféré des électrons du métal alcalin aux noyaux du gaz noble par le biais de collisions. En substance, ce processus aligne effectivement les spins nucléaires avec le champ magnétique afin d’améliorer le signal RMN. Le gaz hyperpolarisé peut ensuite être stocké à des pressions de 10 atm, pendant une durée pouvant atteindre 100 heures. Après inhalation, les mélanges gazeux contenant l’hélium-3 hyperpolarisé peuvent être visualisés à l’aide d’un scanner IRM afin de produire des images anatomiques et fonctionnelles de la ventilation pulmonaire. Cette technique permet également de produire des images de l’arbre des voies aériennes, de localiser les défauts non ventilés, de mesurer la pression partielle d’oxygène alvéolaire et de mesurer le rapport ventilation/perfusion. Cette technique peut être essentielle pour le diagnostic et la gestion du traitement des maladies respiratoires chroniques telles que la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO), l’emphysème, la mucoviscidose et l’asthme.

Absorbeur d’énergie radioélectrique pour les expériences de plasma de tokamakEdit

Le tokamak Alcator C-Mod du MIT et le Joint European Torus (JET) ont tous deux expérimenté l’ajout d’un peu de He-3 à un plasma H-D afin d’augmenter l’absorption d’énergie radioélectrique (RF) pour chauffer les ions H & D, un effet « trois ions ».

Combustible nucléaireEdit

Cette section contient des mots-guides : une formulation vague qui accompagne souvent des informations biaisées ou invérifiables. Ces déclarations devraient être clarifiées ou supprimées. (Mars 2013)

Le3He peut être produit par la fusion à basse température de → 3He + γ + 4,98 MeV. Si la température de fusion est inférieure à celle permettant aux noyaux d’hélium de fusionner, la réaction produit une particule alpha de haute énergie qui acquiert rapidement un électron produisant un ion d’hélium léger stable qui peut être utilisé directement comme source d’électricité sans produire de neutrons dangereux.

Le taux de réaction de fusion augmente rapidement avec la température jusqu’à ce qu’il soit maximal, puis chute progressivement. Le taux de DT atteint son maximum à une température plus basse (environ 70 keV, ou 800 millions de kelvins) et à une valeur plus élevée que les autres réactions communément considérées pour l’énergie de fusion.

Le 3He peut être utilisé dans les réactions de fusion par l’une ou l’autre des réactions 2H + 3He → 4He + 1p + 18.3 MeV, ou 3He + 3He → 4He + 2 1p+ 12,86 MeV.

Le processus de fusion conventionnel deutérium + tritium (« D-T ») produit des neutrons énergétiques qui rendent les composants du réacteur radioactifs avec des produits d’activation. L’attrait de la fusion de l’hélium 3 provient de la nature aneutronique de ses produits de réaction. L’hélium 3 lui-même n’est pas radioactif. Le seul sous-produit à haute énergie, le proton, peut être contenu à l’aide de champs électriques et magnétiques. L’énergie cinétique de ce proton (créée lors du processus de fusion) interagira avec le champ électromagnétique contenant, ce qui entraînera une production nette directe d’électricité.

En raison de la barrière de Coulomb plus élevée, les températures requises pour la fusion 2H + 3He sont beaucoup plus élevées que celles de la fusion D-T conventionnelle. De plus, comme les deux réactifs doivent être mélangés pour fusionner, des réactions entre noyaux du même réactif se produiront, et la réaction D-D (2H + 2H) produit bien un neutron. Les taux de réaction varient avec la température, mais le taux de réaction D-3He n’est jamais supérieur à 3,56 fois le taux de réaction D-D (voir graphique). Par conséquent, la fusion utilisant un combustible D-3He à la bonne température et un mélange de combustible D-lean, peut produire un flux de neutrons beaucoup plus faible que la fusion D-T, mais n’est pas propre, ce qui annule une partie de son principal attrait.

La deuxième possibilité, la fusion de 3He avec lui-même (3He + 3He), nécessite des températures encore plus élevées (puisque maintenant les deux réactifs ont une charge +2), et est donc encore plus difficile que la réaction D-3He. Cependant, elle offre une réaction possible qui ne produit pas de neutrons ; les protons chargés produits peuvent être contenus à l’aide de champs électriques et magnétiques, ce qui permet de produire directement de l’électricité. La fusion 3He + 3He est réalisable telle qu’elle a été démontrée en laboratoire et présente d’immenses avantages, mais la viabilité commerciale se situe dans de nombreuses années.

Les quantités d’hélium-3 nécessaires pour remplacer les combustibles conventionnels sont importantes par rapport aux quantités actuellement disponibles. La quantité totale d’énergie produite dans la réaction 2D + 3He est de 18,4 MeV, ce qui correspond à quelque 493 mégawattheures (4,93×108 W-h) par trois grammes (une mole) de 3He Si la quantité totale d’énergie pouvait être convertie en énergie électrique avec un rendement de 100 % (une impossibilité physique), elle correspondrait à environ 30 minutes de production d’une centrale électrique gigawatt par mole de 3He. Ainsi, la production d’une année (à raison de 6 grammes par heure de fonctionnement) nécessiterait 52,5 kilogrammes d’hélium 3. La quantité de combustible nécessaire pour les applications à grande échelle peut également être exprimée en termes de consommation totale : la consommation d’électricité de 107 millions de foyers américains en 2001 s’élevait à 1 140 milliards de kW-h (1,14×1015 W-h). En supposant à nouveau un rendement de conversion de 100 %, 6,7 tonnes par an d’hélium-3 seraient nécessaires pour ce segment de la demande énergétique des États-Unis, 15 à 20 tonnes par an compte tenu d’un rendement de conversion de bout en bout plus réaliste.

Une approche de deuxième génération de l’énergie de fusion contrôlée consiste à combiner l’hélium-3 et le deutérium (2D). Cette réaction produit un ion d’hélium-4 (4He) (comme une particule alpha, mais d’origine différente) et un proton de haute énergie (ion d’hydrogène chargé positivement). L’avantage potentiel le plus important de cette réaction de fusion pour la production d’énergie ainsi que pour d’autres applications réside dans sa compatibilité avec l’utilisation de champs électrostatiques pour contrôler les ions du combustible et les protons de fusion. Les protons à grande vitesse, en tant que particules chargées positivement, peuvent voir leur énergie cinétique convertie directement en électricité, grâce à l’utilisation de matériaux de conversion à l’état solide ainsi que d’autres techniques. Des rendements de conversion potentiels de 70 % peuvent être possibles, car il n’est pas nécessaire de convertir l’énergie des protons en chaleur pour faire fonctionner un générateur électrique alimenté par une turbine.

De nombreuses affirmations ont été faites sur les capacités des centrales à l’hélium 3. Selon les promoteurs, les centrales à fusion fonctionnant au deutérium et à l’hélium-3 offriraient des coûts d’investissement et d’exploitation inférieurs à ceux de leurs concurrentes en raison d’une moindre complexité technique, d’un rendement de conversion plus élevé, d’une taille plus réduite, de l’absence de combustible radioactif, de l’absence de pollution de l’air ou de l’eau et des seuls besoins d’élimination des déchets radioactifs de faible niveau. Selon des estimations récentes, environ 6 milliards de dollars de capital d’investissement seront nécessaires pour développer et construire la première centrale à fusion à l’hélium-3. Le seuil de rentabilité financière aux prix de gros actuels de l’électricité (5 cents US par kilowattheure) interviendrait après la mise en service de cinq centrales de 1 gigawatt, remplaçant les anciennes centrales conventionnelles ou répondant à une nouvelle demande.

La réalité n’est pas aussi tranchée. Les programmes de fusion les plus avancés au monde sont la fusion par confinement inertiel (comme le National Ignition Facility) et la fusion par confinement magnétique (comme ITER et Wendelstein 7-X). Dans le cas du premier, il n’existe pas de feuille de route solide pour la production d’énergie. Dans le cas du second, la production commerciale d’électricité n’est pas prévue avant 2050 environ. Dans les deux cas, le type de fusion évoqué est le plus simple : la fusion D-T. La raison en est la très faible barrière de Coulomb pour cette réaction ; pour D+3He, la barrière est beaucoup plus élevée, et elle l’est encore plus pour 3He-3He. L’immense coût de réacteurs tels qu’ITER et le National Ignition Facility est en grande partie dû à leur taille gigantesque, mais pour atteindre des températures de plasma plus élevées, il faudrait des réacteurs bien plus grands encore. Le proton de 14,7 MeV et la particule alpha de 3,6 MeV de la fusion D-3He, ainsi que le meilleur rendement de conversion, permettent d’obtenir plus d’électricité par kilogramme qu’avec la fusion D-T (17,6 MeV), mais pas beaucoup plus. Autre inconvénient, les taux de réaction de la fusion de l’hélium 3 ne sont pas particulièrement élevés, ce qui nécessite un réacteur encore plus grand ou plusieurs réacteurs pour produire la même quantité d’électricité.

Pour tenter de contourner ce problème de centrales électriques massivement grandes qui pourraient même ne pas être économiques avec la fusion D-T, sans parler de la fusion D-3He, beaucoup plus difficile, un certain nombre d’autres réacteurs ont été proposés – le Fusor, le Polywell, la fusion Focus, et bien d’autres, bien que beaucoup de ces concepts aient des problèmes fondamentaux pour obtenir un gain énergétique net, et tentent généralement de réaliser la fusion en déséquilibre thermique, quelque chose qui pourrait potentiellement s’avérer impossible, et par conséquent, ces programmes à long terme ont tendance à avoir des difficultés à obtenir des financements malgré leurs faibles budgets. Contrairement aux « grands » systèmes de fusion « chaude », cependant, si de tels systèmes devaient fonctionner, ils pourraient passer à l’échelle des combustibles « aneutroniques » à barrière plus élevée, et c’est pourquoi leurs partisans ont tendance à promouvoir la fusion p-B, qui ne nécessite pas de combustibles exotiques comme l’hélium-3.