L'hélium est un élément chimique de symbole He et de numéro atomique 2. C'est un gaz atmosphérique rare, incolore, insipide, non toxique, ininflammable et peu soluble dans l'eau. Sa concentration atmosphérique est de 5,24 x 10-4 en pourcentage volumique. Il possède les points d'ébullition et de fusion les plus bas de tous les éléments et n'existe qu'à l'état gazeux, sauf par temps extrêmement froid.

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

La source froide à basse température

L'hélium est utilisé comme fluide de refroidissement cryogénique pour les sources de refroidissement cryogénique, telles que l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), l'accélérateur de particules quantiques supraconducteur, le grand collisionneur de hadrons, l'interféromètre (SQUID), la résonance de spin électronique (RPE) et le stockage d'énergie magnétique supraconducteur (SMES), les générateurs supraconducteurs MHD, les capteurs supraconducteurs, la transmission d'énergie, le transport par sustentation magnétique, le spectromètre de masse, les aimants supraconducteurs, les séparateurs à champ magnétique puissant, les aimants supraconducteurs à champ annulaire pour les réacteurs à fusion et autres recherches cryogéniques. L'hélium refroidit les matériaux supraconducteurs cryogéniques et les aimants jusqu'à un niveau proche du zéro absolu, point auquel la résistance du supraconducteur chute brutalement à zéro. La très faible résistance d'un supraconducteur crée un champ magnétique plus puissant. Dans le cas des équipements d'IRM utilisés dans les hôpitaux, des champs magnétiques plus puissants produisent des images radiographiques plus détaillées.

L'hélium est utilisé comme superfluide car il possède les points de fusion et d'ébullition les plus bas, ne se solidifie pas à pression atmosphérique et à 0 K, et est chimiquement inerte, ce qui le rend quasiment impossible à réagir avec d'autres substances. De plus, l'hélium devient superfluide en dessous de 2,2 K. Jusqu'à présent, cette ultra-mobilité unique n'a été exploitée dans aucune application industrielle. À des températures inférieures à 17 K, il n'existe aucun substitut à l'hélium comme réfrigérant dans la source cryogénique.

Aéronautique et astronautique

L'hélium est également utilisé dans les ballons et les dirigeables. L'hélium étant plus léger que l'air, les dirigeables et les ballons sont remplis d'hélium. L'hélium présente l'avantage d'être ininflammable, bien que l'hydrogène soit plus flottant et ait un taux de fuite plus faible de la membrane. Une autre utilisation secondaire est la technologie des fusées, où l'hélium est utilisé comme fluide de fuite pour déplacer le carburant et le comburant dans les réservoirs de stockage et condenser l'hydrogène et l'oxygène pour produire du carburant. Il pourrait également être utilisé pour éliminer le carburant et le comburant des équipements de soutien au sol avant le lancement, et pourrait pré-refroidir l'hydrogène liquide dans le vaisseau spatial. Dans la fusée Saturn V utilisée dans le programme Apollo, environ 370 000 mètres cubes (13 millions de pieds cubes) d'hélium étaient nécessaires au lancement.

Détection et analyse de fuites de pipelines

Une autre utilisation industrielle de l'hélium est la détection des fuites. Cette détection permet de détecter les fuites dans les systèmes contenant des liquides et des gaz. L'hélium diffusant dans les solides trois fois plus vite que l'air, il est utilisé comme gaz traceur pour détecter les fuites dans les équipements à vide poussé (tels que les réservoirs cryogéniques) et les enceintes à haute pression. L'objet est placé dans une chambre, qui est ensuite vidée et remplie d'hélium. Même à des débits de fuite aussi faibles que 10-9 mbar•L/s (10-10 Pa•m3/s), l'hélium s'échappant de 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 de l'hélium. Une autre méthode, plus simple, consiste à remplir l'objet en question d'hélium et à rechercher manuellement les fuites à l'aide d'un appareil portatif.

L'hélium est utilisé pour la détection des fuites car c'est la plus petite molécule et une molécule monoatomique, ce qui facilite les fuites. L'objet est rempli d'hélium gazeux lors de la détection des fuites. En cas de fuite, le spectromètre de masse à hélium localise 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 de télévision et autres composants industriels. La détection des 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 utilisé pour la détection des fuites 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 au plasma en raison de son potentiel d'ionisation plus élevé que celui des autres atomes. L'hélium présent autour de la soudure empêche le métal de s'oxyder à l'état fondu. Son potentiel d'ionisation élevé permet le soudage au plasma de métaux différents 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 du gaz de protection puisse être remplacé par de l'argon ou de l'hydrogène, certains matériaux (comme l'hélium titane) ne peuvent pas être remplacés pour le soudage au plasma. L'hélium est en effet le seul gaz sûr à haute température.

Le soudage de l'acier inoxydable est l'un des domaines de développement les plus actifs. L'hélium est un gaz inerte, ce qui signifie qu'il ne subit aucune réaction chimique au contact d'autres substances. Cette caractéristique est particulièrement importante pour les gaz de protection du soudage.

L'hélium est également un bon conducteur thermique. C'est pourquoi il est couramment utilisé dans les soudures nécessitant un apport de chaleur plus important pour améliorer la mouillabilité de la soudure. L'hélium est également utile pour accélérer le soudage.

L'hélium est généralement mélangé à l'argon en quantités variables dans le mélange de gaz protecteur afin de tirer pleinement parti des propriétés des deux gaz. L'hélium, par exemple, agit comme gaz protecteur et favorise des modes de pénétration plus ou moins larges lors du soudage. Cependant, l'hélium n'offre pas le même pouvoir nettoyant que l'argon.

Par conséquent, les fabricants de métaux envisagent souvent de mélanger l'argon à l'hélium dans leur procédé de fabrication. Pour le soudage à l'arc sous protection gazeuse, l'hélium peut représenter 25 à 75 % du mélange gazeux hélium/argon. En ajustant la composition du mélange gazeux protecteur, le soudeur peut influencer la répartition de la chaleur de la soudure, ce qui affecte la forme de la section du métal d'apport et la vitesse de soudage.

Industrie des semi-conducteurs électroniques

En tant que gaz inerte, l'hélium est si stable qu'il réagit difficilement avec les autres éléments. Cette propriété lui permet d'être utilisé comme écran en soudage à l'arc (pour éviter la contamination de l'oxygène de l'air). L'hélium a également d'autres applications critiques, comme la fabrication de semi-conducteurs et de fibres optiques. De plus, il peut remplacer l'azote en plongée profonde pour prévenir la formation de bulles d'azote dans le sang, prévenant ainsi le mal de la plongée.

Volume des ventes mondiales 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, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 5,65 % (2021-2027). Le secteur connaît une grande incertitude pour les années à venir. Les données prévisionnelles pour 2021-2027 présentées dans ce document sont basées sur l'évolution historique des dernières années, les avis des experts du secteur et ceux des analystes.

L'industrie de l'hélium est très concentrée, s'approvisionne en ressources naturelles et compte peu de producteurs mondiaux, principalement aux États-Unis, en Russie, au Qatar et en Algérie. À l'échelle mondiale, le secteur de la consommation est concentré aux États-Unis, en Chine, en Europe, etc. Les États-Unis jouissent d'une longue histoire et d'une position inébranlable dans ce secteur.

De nombreuses entreprises possèdent plusieurs usines, mais celles-ci sont généralement éloignées de leurs marchés cibles. Par conséquent, le coût de transport du produit est élevé.

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

L'industrie représente une part importante d'importations et d'exportations. Presque tous les pays utilisent de l'hélium, mais seuls quelques-uns en disposent.

L'hélium offre un large éventail d'utilisations et sera disponible dans de plus en plus de domaines. Compte tenu de la raréfaction des ressources naturelles, la demande en hélium devrait augmenter à l'avenir, nécessitant des alternatives appropriées. Le prix de l'hélium devrait continuer à augmenter entre 2021 et 2026, passant de 13,53 $/m³ (2020) à 19,09 $/m³ (2027).

L'industrie est influencée par les facteurs économiques et politiques. Avec la reprise économique mondiale, de plus en plus de personnes se préoccupent de l'amélioration des normes environnementales, en particulier dans les régions sous-développées, fortement peuplées et à forte croissance économique. La demande en hélium va donc augmenter.

Actuellement, les principaux fabricants mondiaux sont Rasgas, Linde Group, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide (Dz) et Gazprom (Ru). En 2020, la part de marché des six principaux fabricants dépassera 74 %. La concurrence devrait s'intensifier dans le secteur 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 la perte et la récupération de l'hélium liquide dans son processus d'utilisation et de transport.

Fondée en 1992, HL Cryogenic Equipment est une marque affiliée à HL Cryogenic Equipment Company (Cryogenic Equipment Co., Ltd.). HL Cryogenic Equipment conçoit et fabrique des systèmes de tuyauterie cryogénique isolée sous vide poussé et des équipements de support associés pour répondre aux différents besoins de ses clients. Les tuyaux et flexibles isolés sous vide sont fabriqués à partir de matériaux isolants spéciaux multicouches et multi-écrans sous vide poussé, et subissent une série de traitements techniques extrêmement rigoureux, notamment un traitement sous vide poussé. Ils sont utilisés pour le transfert d'oxygène liquide, d'azote liquide, d'argon liquide, d'hydrogène liquide, d'hélium liquide, d'éthylène gazeux liquéfié (EGL) et de gaz naturel liquéfié (GNL).

La série de produits de tuyaux à gaine sous vide, de tuyaux à gaine sous vide, de vannes à gaine sous vide et de séparateurs de phases de la société HL Cryogenic Equipment, qui a subi une série de traitements techniques extrêmement stricts, est utilisée pour le transfert d'oxygène liquide, d'azote liquide, d'argon liquide, d'hydrogène liquide, d'hélium liquide, de LEG et de GNL, et ces produits sont entretenus pour les équipements cryogéniques (par exemple, les réservoirs cryogéniques, les Dewars et les boîtes froides, etc.) dans les industries de la séparation de l'air, des gaz, de l'aviation, de l'électronique, des supraconducteurs, des puces, de l'assemblage d'automatisation, de l'alimentation et des boissons, de la pharmacie, de l'hôpital, de la biobanque, du caoutchouc, de la fabrication de nouveaux matériaux, de l'ingénierie chimique, du fer et de l'acier et de la recherche scientifique, etc.

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