Le produit hélium
Épuration et liquéfaction de l’hélium

1.1 Brève histoire de l’hélium

L’hélium constitue pratiquement un quart de la masse de la matière de l’Univers. Cependant, il ne fut découvert qu’en 1868, dans la chromosphère du Soleil, simultanément et indépendamment, par deux Américains : J.N. Lockyer et P.J. Jansen. Le nom hélium provient du mot grec « helios » qui signifie « soleil ». Quelques valeurs relatives à l’hélium sont rappelées dans le tableau 1.

Quelque vingt-cinq ans plus tard, de l’hélium fut aussi trouvé, sur Terre, par W. Ramsay dans un minerai : la clévite qui contient de l’uranium, de l’yttrium, de l’erbium, du cérium et du thorium. C’est H.P. Cady qui, en 1905, montra que le gaz naturel produit par un puits du Kansas contenait 1,84 % d’hélium, ouvrant ainsi la voie de la production industrielle.

L’hélium fut, après l’hydrogène, le dernier des gaz « permanents » à être liquéfié. La première liquéfaction fut réussie par Kamerlingh Onnes en mars 1908 dans le laboratoire de Leyde, Pays-Bas. La veille de la tentative, une réserve de 75 L d’air liquide est constituée. Le lendemain, dès 6 h 30, la liquéfaction d’hydrogène commence par la détente du gaz, préalablement refroidi à environ 80 K (–193 C) à l’aide d’air liquide. À 13 h 30, 20 L d’hydrogène liquide sont produits (température d’ébullition à la pression atmosphérique : 20,4 K ou – 252,75 C). La liquéfaction de l’hélium peut alors commencer. L’hélium gazeux, comprimé à 100 bar (remarquons que la quantité d’hélium dont disposait Onnes était de 0,36 m³ !), est d’abord refroidi par l’air liquide, puis par de l’hydrogène liquide à environ 14 K (-259 C) bouillant sous une pression de 0,1 bar, et enfin, détendu jusqu’à la pression atmosphérique. À 18 h 30, alors que la réserve d’hydrogène liquide est sur point de s’épuiser, l’hélium liquide est aperçu grâce à un éclairage par le bas du cryostat en verre !

Ce même procédé fut à nouveau employé, en 1952, par Louis Weil et Albert Lacaze au CNRS de Grenoble, pour construire le premier liquéfacteur d’hélium français.

Bien que des comportements...