L'hélium est un élément chimique de symbole He et de numéro atomique 2. C'est un gaz atmosphérique rare, incolore, inodore, non toxique, ininflammable et très peu soluble dans l'eau. Sa concentration dans l'atmosphère est de 5,24 × 10⁻⁴ % en volume. Il possède les points d'ébullition et de fusion les plus bas de tous les éléments et existe uniquement à l'état gazeux, sauf à des températures extrêmement basses.

L'hélium est principalement transporté sous forme gazeuse ou liquide et est utilisé dans les réacteurs nucléaires, les semi-conducteurs, les lasers, les ampoules, la supraconductivité, l'instrumentation, les semi-conducteurs et les fibres optiques, la cryogénie, l'IRM et la recherche en laboratoire.

La source froide à basse température

L'hélium est utilisé comme fluide cryogénique pour diverses sources de refroidissement cryogénique, telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), les accélérateurs de particules quantiques supraconducteurs (SQUID), le Grand collisionneur de hadrons (LHC), les interféromètres SQUID, la résonance paramagnétique électronique (RPE), les systèmes de stockage d'énergie magnétique supraconducteurs (SMES), les générateurs supraconducteurs MHD, les capteurs supraconducteurs, le transport d'énergie, les systèmes de sustentation magnétique (maglev), les spectromètres de masse, les aimants supraconducteurs, les séparateurs de champ magnétique intense, les aimants supraconducteurs annulaires pour réacteurs à fusion et d'autres applications de recherche cryogénique. L'hélium refroidit les matériaux supraconducteurs cryogéniques et les aimants à des températures proches du zéro absolu, température à laquelle la résistance du supraconducteur chute brutalement à zéro. Cette très faible résistance crée un champ magnétique plus puissant. Dans le cas des appareils d'IRM utilisés dans les hôpitaux, des champs magnétiques plus intenses permettent d'obtenir des images radiographiques plus détaillées.

L'hélium est utilisé comme superfluide réfrigérant car il possède les points de fusion et d'ébullition les plus bas, ne se solidifie pas à pression atmosphérique ni à 0 K, et est chimiquement inerte, ce qui le rend quasiment insensible aux autres substances. De plus, l'hélium devient superfluide en dessous de 2,2 K. Jusqu'à présent, cette propriété unique d'ultra-mobilité n'a trouvé aucune application industrielle. À des températures inférieures à 17 K, l'hélium est irremplaçable comme réfrigérant dans les sources cryogéniques.

Aéronautique et astronautique

L'hélium est également utilisé dans les ballons et les dirigeables. Plus léger que l'air, il permet de gonfler ces derniers. L'hélium présente l'avantage d'être ininflammable, contrairement à l'hydrogène, plus léger et dont le taux de fuite à travers la membrane est plus faible. On l'utilise aussi dans le domaine des fusées, où il sert de fluide de perte pour déplacer le carburant et l'oxydant dans les réservoirs et pour condenser l'hydrogène et l'oxygène afin de produire du propergol. Il peut également être utilisé pour éliminer le carburant et l'oxydant des équipements au sol avant le lancement, et pour pré-refroidir l'hydrogène liquide à bord du vaisseau spatial. La fusée Saturn V, utilisée dans le cadre du programme Apollo, nécessitait environ 370 000 mètres cubes (13 millions de pieds cubes) d'hélium pour son lancement.

Détection et analyse des fuites de pipelines

L'hélium est également utilisé dans l'industrie pour la détection de fuites. Cette technique permet de repérer les fuites dans les systèmes contenant des liquides et des gaz. L'hélium se diffusant trois fois plus vite que l'air à travers les solides, il sert de gaz traceur pour détecter les fuites dans les équipements sous vide poussé (comme les réservoirs cryogéniques) et les cuves haute pression. L'objet est placé dans une chambre, qui est ensuite mise sous vide puis remplie d'hélium. Même à des taux de fuite aussi faibles que 10⁻⁹ mbar·L/s (10⁻¹⁰ Pa·m³/s), l'hélium s'échappant par la fuite peut être détecté par un appareil sensible (un spectromètre de masse à hélium). La procédure de mesure est généralement automatisée et est appelée test d'intégration à l'hélium. Une autre méthode, plus simple, consiste à remplir l'objet à analyser d'hélium et à rechercher manuellement les fuites à l'aide d'un appareil portatif.

L'hélium est utilisé pour la détection de fuites car, étant la plus petite molécule et une molécule monoatomique, il s'échappe facilement. Lors de la détection de fuites, de l'hélium gazeux est injecté dans l'objet. En cas de fuite, le spectromètre de masse à hélium permet de localiser précisément la fuite. L'hélium peut être utilisé pour détecter les fuites dans les fusées, les réservoirs de carburant, les échangeurs de chaleur, les conduites de gaz, les composants électroniques, les tubes cathodiques de télévision et autres pièces industrielles. La détection de fuites à l'hélium a été utilisée pour la première fois lors du projet Manhattan pour détecter les fuites dans les usines d'enrichissement d'uranium. L'hélium peut être remplacé par de l'hydrogène, de l'azote ou un mélange d'hydrogène et d'azote.

Soudage et travail des métaux

L'hélium est utilisé comme gaz protecteur en soudage à l'arc et en soudage plasma en raison de son potentiel d'ionisation supérieur à celui des autres atomes. Ce gaz empêche l'oxydation du métal en fusion autour de la soudure. Grâce à son potentiel d'ionisation élevé, l'hélium permet le soudage plasma de métaux dissemblables utilisés dans la construction, la construction navale et l'aérospatiale, tels que le titane, le zirconium, le magnésium et les alliages d'aluminium. Bien que l'hélium puisse être remplacé par de l'argon ou de l'hydrogène, certains matériaux (comme le titane-hélium) restent irremplaçables pour le soudage plasma, car il est le seul gaz utilisable en toute sécurité à haute température.

L'un des domaines de développement les plus dynamiques est le soudage de l'acier inoxydable. L'hélium est un gaz inerte, ce qui signifie qu'il ne réagit pas chimiquement avec d'autres substances. Cette caractéristique est particulièrement importante pour les gaz de protection en soudage.

L'hélium est également un bon conducteur de chaleur. C'est pourquoi il est couramment utilisé dans les soudures nécessitant un apport de chaleur important afin d'améliorer la mouillabilité du métal. L'hélium est également utile pour accélérer le processus de soudage.

Dans le mélange gazeux de protection, l'hélium est généralement mélangé à l'argon en proportions variables afin de tirer pleinement parti des propriétés avantageuses des deux gaz. L'hélium, par exemple, agit comme gaz protecteur et favorise une pénétration plus large et moins profonde lors du soudage. Cependant, contrairement à l'argon, l'hélium n'assure pas le même pouvoir nettoyant.

De ce fait, les fabricants de métaux envisagent souvent de mélanger l'argon à l'hélium dans leur processus de fabrication. Pour le soudage à l'arc sous protection gazeuse, l'hélium peut représenter de 25 % à 75 % du mélange gazeux hélium/argon. En ajustant la composition du mélange de gaz protecteur, le soudeur peut influencer la répartition de la chaleur dans la soudure, ce qui influe sur la forme de la section transversale du métal fondu et sur la vitesse de soudage.

Industrie des semi-conducteurs électroniques

Gaz inerte, l'hélium est si stable qu'il réagit très peu avec les autres éléments. Cette propriété lui permet d'être utilisé comme gaz protecteur en soudage à l'arc (afin d'éviter la contamination par l'oxygène de l'air). L'hélium trouve également d'autres applications essentielles, notamment dans la fabrication des semi-conducteurs et des fibres optiques. De plus, il peut remplacer l'azote en plongée profonde pour prévenir la formation de bulles d'azote dans le sang et ainsi éviter le mal de plongée.

Volume mondial des ventes d'hélium (2016-2027)

Le marché mondial de l'hélium a atteint 1 825,37 millions de dollars américains en 2020 et devrait atteindre 2 742,04 millions de dollars américains en 2027, soit un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 5,65 % (2021-2027). Le secteur est confronté à une forte incertitude pour les années à venir. Les prévisions pour la période 2021-2027 présentées dans ce document reposent sur l'évolution historique des dernières années, les avis d'experts du secteur et les analyses citées.

L'industrie de l'hélium est très concentrée, dépendante des ressources naturelles et compte un nombre limité de fabricants à l'échelle mondiale, principalement situés aux États-Unis, en Russie, au Qatar et en Algérie. Le secteur de la consommation est quant à lui concentré aux États-Unis, en Chine et en Europe, entre autres. Les États-Unis bénéficient d'une longue tradition et d'une position inébranlable dans ce secteur.

De nombreuses entreprises possèdent plusieurs usines, mais celles-ci sont généralement éloignées de leurs marchés de consommation cibles. Par conséquent, le transport du produit engendre des coûts élevés.

Depuis les cinq premières années, la production a progressé très lentement. L'hélium est une source d'énergie non renouvelable, et des politiques sont en place dans les pays producteurs pour garantir son utilisation continue. Certains prévoient une pénurie d'hélium à l'avenir.

Ce secteur se caractérise par une forte proportion d'importations et d'exportations. Presque tous les pays utilisent de l'hélium, mais seuls quelques-uns en possèdent des réserves.

L'hélium a de nombreuses applications et sera disponible dans un nombre croissant de secteurs. Face à la raréfaction des ressources naturelles, la demande en hélium devrait augmenter à l'avenir, nécessitant des solutions alternatives. Les prix de l'hélium devraient continuer d'augmenter entre 2021 et 2026, passant de 13,53 $/m³ (2020) à 19,09 $/m³ (2027).

Le secteur est influencé par la conjoncture économique et les politiques publiques. Avec la reprise de l'économie mondiale, la préoccupation croissante pour l'amélioration des normes environnementales, notamment dans les régions en développement à forte densité de population et à croissance économique rapide, entraînera une augmentation de la demande en hélium.

Actuellement, les principaux fabricants mondiaux sont Rasgas, Linde Group, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide (Allemagne) et Gazprom (Russie), entre autres. En 2020, la part de marché des six premiers fabricants devrait dépasser 74 %. On s'attend à ce que la concurrence dans ce secteur s'intensifie au cours des prochaines années.

Équipement cryogénique HL

En raison de la rareté des ressources en hélium liquide et de la hausse des prix, il est important de réduire les pertes et la récupération de l'hélium liquide lors de son utilisation et de son transport.

HL Cryogenic Equipment, fondée en 1992, est une marque affiliée à la société HL Cryogenic Equipment Co., Ltd. Spécialisée dans la conception et la fabrication de systèmes de tuyauterie cryogénique à isolation sous vide poussé et d'équipements associés, HL Cryogenic Equipment répond aux besoins variés de ses clients. Les tuyaux et flexibles à isolation sous vide sont fabriqués à partir de matériaux isolants spéciaux multicouches à écrans multiples et sous vide poussé. Ils subissent une série de traitements techniques rigoureux, notamment un traitement sous vide poussé, et sont utilisés pour le transport d'oxygène liquide, d'azote liquide, d'argon liquide, d'hydrogène liquide, d'hélium liquide, d'éthylène gazeux liquéfié (LEG) et de gaz naturel liquéfié (GNL).

La gamme de produits de HL Cryogenic Equipment Company, composée de tuyaux, flexibles, vannes et séparateurs de phases à double enveloppe sous vide, a subi une série de traitements techniques extrêmement rigoureux. Ces produits sont utilisés pour le transfert d'oxygène liquide, d'azote liquide, d'argon liquide, d'hydrogène liquide, d'hélium liquide, de GNL et de LEG. Ils sont destinés aux équipements cryogéniques (réservoirs cryogéniques, dewars, boîtes froides, etc.) dans les secteurs de la séparation de l'air, des gaz, de l'aéronautique, de l'électronique, des supraconducteurs, des semi-conducteurs, de l'assemblage automatisé, de l'agroalimentaire, de la pharmacie, des hôpitaux, des biobanques, du caoutchouc, de la fabrication de nouveaux matériaux, du génie chimique, de la sidérurgie et de la recherche scientifique, etc.

La société HL Cryogenic Equipment Company est devenue le fournisseur/vendeur qualifié de Linde, Air Liquide, Air Products (AP), Praxair, Messer, BOC, Iwatani et Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang), etc.