Américium-241 - Americium-241

Américium-241,  241 Am
Bouton d'américium hd.jpg
Petit bouton contenant 241 AmO 2 d'un détecteur de fumée
Général
symbole 241 am
Noms américium-241, Am-241
Protons 95
Neutrons 146
Données sur les nucléides
Abondance naturelle 0 ( synthétique )
Demi vie 432,2 ans
Isotopes parents 241 Pu  ( β )
241 Cm  ( EC )
245 Bk  ( α )
Produits de décomposition 237 Np
Masse isotopique 241,056829144 u
Tournoyer 5/2−
excès d'énergie 52936.008 keV
Énergie de liaison 7543.272 keV
Modes de décomposition
Mode de décomposition Énergie de désintégration ( MeV )
désintégration α (alpha) 5.486
-émission (gamma) 0,0595409
CD (décroissance du cluster) 93.923
Isotopes de l'américium
Tableau complet des nucléides

L'américium-241 ( 241 Am , Am-241 ) est un isotope de l'américium . Comme tous les isotopes de l'américium, il est radioactif , avec une demi-vie de 432,2 ans. 241 Am est l' isotope le plus courant de l' américium ainsi que l'isotope le plus répandu de l'américium dans les déchets nucléaires . On le trouve couramment dans les détecteurs de fumée à ionisation et c'est un combustible potentiel pour les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG) à longue durée de vie . Ses nucléides parent commun sont β - à partir de 241 Pu, CE de 241 cm, et α de 245 Bk. 241 Am est fissile et la masse critique d'une sphère nue est de 57,6 à 75,6 kilogrammes et un diamètre de sphère de 19 à 21 centimètres. L'américium-241 a une activité spécifique de 3,43 Ci/g ( curies par gramme ou 126,8 gigabecquerels (GBq) par gramme). On le trouve couramment sous forme de dioxyde d' américium 241 ( 241 AmO 2 ). Cet isotope a également un état méta , 241m Am, avec une énergie d'excitation de 2,2  MeV et une demi-vie de 1,23 s. La présence d'américium-241 dans le plutonium est déterminée par la concentration initiale de plutonium-241 et l'âge de l'échantillon. En raison de la faible pénétration des rayonnements alpha, l'américium 241 ne présente un risque pour la santé que lorsqu'il est ingéré ou inhalé. Les échantillons plus anciens de plutonium contenant du plutonium 241 contiennent une accumulation de 241 Am. Une élimination chimique de l'américium 241 du plutonium retravaillé (par exemple lors du remaniement des puits de plutonium ) peut être nécessaire dans certains cas.

Nucléosynthèse

L'américium 241 a été produit en petites quantités dans les réacteurs nucléaires pendant des décennies, et de nombreux kilogrammes de 241 Am ont été accumulés à ce jour. Néanmoins, depuis sa première mise en vente en 1962, son prix, d'environ 1 500 dollars EU le gramme de 241 Am, reste quasiment inchangé en raison de la procédure de séparation très complexe.

L'américium 241 n'est pas synthétisé directement à partir de l'uranium - le matériau de réacteur le plus courant - mais à partir de l'isotope 239 Pu du plutonium. Ce dernier doit être produit en premier, selon le procédé nucléaire suivant :

La capture de deux neutrons par 239 Pu (une réaction dite (n,γ)), suivie d'une désintégration β, donne 241 Am :

Le plutonium présent dans le combustible nucléaire usé contient environ 12 % de 241 Pu. Puisqu'il se convertit en 241 Am, le 241 Pu peut être extrait et peut être utilisé pour générer d'autres 241 Am. Cependant, ce processus est plutôt lent : la moitié de la quantité initiale de 241 Pu se désintègre en 241 Am après environ 14 ans, et la quantité 241 Am atteint un maximum après 70 ans.

Le 241 Am obtenu peut être utilisé pour générer des isotopes d'américium plus lourds par capture supplémentaire de neutrons à l'intérieur d'un réacteur nucléaire. Dans un réacteur à eau légère (LWR), 79 % des neutrons capturés sur 241 Am sont convertis en 242 Am et 10 % en son isomère nucléaire 242 m Am :

79 % :  

Pourriture

L'américium-241 se désintègre principalement via la désintégration alpha , avec un faible sous-produit de rayons gamma . La désintégration α est représentée comme suit :

Les énergies de désintégration sont de 5,486 MeV pendant 85 % du temps (celle qui est largement acceptée pour l'énergie de désintégration α standard), de 5,443 MeV pendant 13 % du temps et de 5,388 MeV pour les 2 % restants. L' énergie des rayons est de 59,5409 keV pour la plupart, avec de petites quantités d'autres énergies telles que 13,9 keV, 17,8 keV et 26,4 keV.

Le deuxième type de désintégration le plus courant subi par l'américium-241 est la fission spontanée , avec un rapport de branchement de 3,6 × 10 -12 et se produisant 1,2 fois par seconde par gramme de 241 Am. Il s'écrit ainsi (l'astérisque désigne un noyau excité) :

Le type de désintégration le moins courant (le plus rare) pour l'américium-241 est la désintégration en amas de 34 Si , avec un rapport de branchement inférieur à 7,4 × 10 -16 . Il s'écrit ainsi :

Applications

Détecteur de fumée à ionisation

L'américium-241 est le seul isotope synthétique à avoir trouvé sa place dans la maison, où le type de détecteur de fumée le plus courant (le type à ionisation) utilise 241 AmO 2 (dioxyde d'américium 241) comme source de rayonnement ionisant . Cet isotope est préféré au 226 Ra car il émet 5 fois plus de particules alpha et relativement peu de rayonnement gamma nocif. Avec sa demi-vie de 432,2 ans, l'américium dans un détecteur de fumée diminue et comprend environ 3 % de neptunium après 19 ans, et environ 5 % après 32 ans. La quantité d'américium dans un nouveau détecteur de fumée typique est de 0,29 microgramme (environ un tiers du poids d'un grain de sable) avec une activité de 1 microcurie (37  kBq ). Certains anciens détecteurs de fumée industriels (notamment de la société Pyrotronics Corporation) peuvent contenir jusqu'à 80 μCi. La quantité de 241 Am diminue lentement au fur et à mesure qu'elle se désintègre en neptunium-237 , un élément transuranien différent avec une demi-vie beaucoup plus longue (environ 2,14 millions d'années). Les particules alpha rayonnées traversent une chambre d'ionisation , un espace rempli d'air entre deux électrodes , qui permet à un petit courant électrique constant de passer entre les plaques du condensateur en raison du rayonnement ionisant l'espace d'air entre les deux. Toute fumée qui pénètre dans la chambre bloque/absorbe certaines des particules alpha qui passent librement à travers et réduit l'ionisation et provoque donc une baisse du courant. Les circuits de l'alarme détectent cette baisse de courant et, par conséquent, déclenchent le son du buzzer piézoélectrique. Comparé au détecteur de fumée optique alternatif, le détecteur de fumée à ionisation est moins cher et peut détecter des particules trop petites pour produire une diffusion significative de la lumière. Cependant, il est plus sujet aux fausses alarmes .

Processus de fabrication

Le processus de fabrication de l'américium utilisé dans les boutons des détecteurs de fumée à ionisation commence avec du dioxyde d'américium. L'AmO 2 est soigneusement mélangé avec de l'or, façonné en briquette et fondu par pression et chaleur à plus de 1 470 °F (800 °C). Un support en argent et un revêtement avant en or (ou un alliage d'or ou de palladium ) sont appliqués sur la briquette et scellés par forgeage à chaud. La briquette est ensuite traitée par plusieurs étapes de laminage à froid pour obtenir l'épaisseur et les niveaux d'émission de rayonnement souhaités. L'épaisseur finale est d'environ 0,008 pouce (0,20 mm), la couche d'or représentant environ un pour cent de l'épaisseur. La bande de feuille résultante, qui mesure environ 0,8 pouce (20 mm) de large, est coupée en sections de 39 pouces (1 m) de long. Les sources sont découpées dans la bande d'aluminium. Chaque disque, d'environ 0,2 pouces (5,1 mm) de diamètre, est monté dans un support métallique, généralement en aluminium. Le support est le boîtier, qui est la majorité de ce qui est vu sur le bouton. Le bord fin du support est roulé pour sceller complètement le bord coupé autour du disque.

Production d'énergie RTG (générateur thermoélectrique radio-isotope)

Comme le 241 Am a une demi-vie à peu près similaire à celle du 238 Pu (432,2 ans contre 87 ans), il a été proposé comme isotope actif des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes , pour une utilisation dans les engins spatiaux. Même si l'américium-241 produit moins de chaleur et d'électricité que le plutonium-238 (le rendement énergétique est de 114,7 mW/g pour le 241 Am contre 390 mW/g pour le 238 Pu) et que son rayonnement constitue une plus grande menace pour l'homme en raison des gamma et des neutrons. d'émission, il présente des avantages pour les missions de longue durée avec sa demi-vie nettement plus longue. L' Agence spatiale européenne travaille sur des RTG à base d'américium 241 pour ses sondes spatiales en raison de la pénurie mondiale de plutonium-238 et d'un accès facile à l'américium 241 en Europe issu du retraitement des déchets nucléaires.

Ses exigences de blindage dans un RTG sont les deuxièmes plus faibles de tous les isotopes possibles : seulement 238 Pu nécessite moins. Un avantage par rapport au 238 Pu est qu'il est produit sous forme de déchets nucléaires et qu'il est presque isotopiquement pur. Les conceptions de prototypes de RTG 241 Am prévoient 2 à 2,2 W e /kg pour la conception de RTG 5 à 50 W e , mettant 241 RTG Am à parité avec 238 RTG Pu dans cette plage de puissance.

Source de neutrons

Les oxydes de 241 Am pressés avec du béryllium peuvent être des sources de neutrons très efficaces , car ils émettent des particules alpha lors de la décroissance radioactive :

Ici, l'américium agit comme source alpha et le béryllium produit des neutrons en raison de sa grande section efficace pour la réaction nucléaire (α,n) :

L'utilisation la plus répandue des sources de neutrons 241 AmBe est une sonde à neutrons - un appareil utilisé pour mesurer la quantité d'eau présente dans le sol, ainsi que l'humidité/la densité pour le contrôle de la qualité dans la construction d'autoroutes. Les sources de neutrons 241 Am sont également utilisées dans les applications de diagraphie de puits, ainsi que dans la radiographie neutronique , la tomographie et d'autres investigations radiochimiques.

Production d'autres éléments

Graphique affichant les actinides et leurs désintégrations et transmutations.

L'américium 241 est parfois utilisé comme matière première pour la production d'autres éléments transuraniens et transactinides - par exemple, le bombardement neutronique de 241 Am donne 242 Am :

De là, 82,7% du 242 Am se désintègre en 242 Cm et 17,3% en 242 Pu :

82,7%

17,3%

Dans le réacteur nucléaire, 242 Am est également up-converti par capture de neutrons en 243 Am et 244 Am, qui se transforme par désintégration β en 244 Cm :

L'irradiation de 241 Am par des ions 12 C ou 22 Ne produit les isotopes 253 Es ( einsteinium ) ou 263 Db ( dubnium ), respectivement. De plus, l'élément berkelium ( isotope 243 Bk) avait été intentionnellement produit et identifié pour la première fois en bombardant 241 Am avec des particules alpha, en 1949, par le même groupe de Berkeley, en utilisant le même cyclotron de 60 pouces qui avait été utilisé pour de nombreuses expériences précédentes. De même, nobélium a été produit à l' Institut de recherche nucléaire , Dubna , en Russie, en 1965 dans plusieurs réactions, dont une irradiation de inclus 243 Am avec 15 ions N. En outre, l'une des réactions de synthèse du lawrencium , découverte par des scientifiques de Berkeley et de Dubna, comprenait le bombardement de 243 Am avec 18 O.

Spectromètre

L'américium-241 a été utilisé comme source portable de rayons gamma et de particules alpha pour un certain nombre d'utilisations médicales et industrielles. Les émissions de rayons gamma de 59,5409 keV provenant de 241 Am dans de telles sources peuvent être utilisées pour l'analyse indirecte de matériaux en radiographie et en spectroscopie de fluorescence X, ainsi que pour le contrôle de la qualité dans les jauges de densité nucléaire fixes et les densomètres nucléaires . Par exemple, cet isotope a été utilisé pour mesurer l' épaisseur du verre afin d'aider à créer du verre plat. L'américium-241 convient également à l'étalonnage des spectromètres à rayons gamma dans la gamme des basses énergies, car son spectre se compose de presque un seul pic et d'un continuum de Compton négligeable (au moins trois ordres de grandeur d'intensité inférieure).

Médicament

Les rayons gamma de l'américium 241 ont été utilisés pour fournir un diagnostic passif de la fonction thyroïdienne . Cette application médicale est désormais obsolète. Les rayons gamma de l'américium 241 peuvent fournir des radiographies de qualité raisonnable , avec un temps d'exposition de 10 minutes. Les radiographies 241 Am n'ont été prises qu'à titre expérimental en raison de la longue durée d'exposition qui augmente la dose efficace pour les tissus vivants. La réduction de la durée d'exposition réduit le risque d'événements d'ionisation causant des dommages aux cellules et à l'ADN, et est un élément essentiel de la maxime « temps, distance, blindage » utilisée en radioprotection .

Dangers

L'américium-241 présente les mêmes dangers généraux que les autres isotopes de l'américium : il est à la fois extrêmement toxique et radioactif. Bien que les particules puissent être arrêtées par une feuille de papier, l'ingestion d'émetteurs pose de sérieux problèmes de santé. L'américium et ses isotopes sont également très toxiques chimiquement, sous forme de toxicité pour les métaux lourds. Aussi peu que 0,03 μCi (1 110 Bq) est la charge corporelle maximale admissible pour 241 Am.

L'américium-241 est un émetteur avec un faible sous-produit de rayons . La manipulation en toute sécurité de l'américium-241 nécessite de connaître et de suivre les précautions de sécurité appropriées, car sans elles, ce serait extrêmement dangereux. Sa constante de dose gamma spécifique est de 3,14 x 10 -1 mR/h/mCi ou 8,48 x 10 -5 mSv/h/MBq à 1 mètre.

S'il est consommé, l'américium-241 est excrété en quelques jours et seulement 0,05 % est absorbé dans le sang. À partir de là, environ 45 % vont au foie et 45 % aux os, et les 10 % restants sont excrétés. L'absorption par le foie dépend de l'individu et augmente avec l'âge. Dans les os, l'américium se dépose d'abord sur les surfaces corticales et trabéculaires et se redistribue lentement sur l'os avec le temps. La demi-vie biologique du 241 Am est de 50 ans dans les os et de 20 ans dans le foie, alors que dans les gonades (testicules et ovaires) elle reste permanente ; dans tous ces organes, l'américium favorise la formation de cellules cancéreuses du fait de sa radioactivité.

Américium-241.jpg

L'américium-241 entre souvent dans les décharges à partir de détecteurs de fumée mis au rebut . Les règles associées à l'élimination des détecteurs de fumée sont assouplies dans la plupart des juridictions. Aux États-Unis, le « boy scout radioactif » David Hahn a réussi à concentrer l'américium 241 à partir de détecteurs de fumée après avoir réussi à en acheter une centaine au prix du reste et à en voler quelques-uns. Il y a eu quelques cas d'exposition à l'américium 241, le pire des cas étant celui d' Harold McCluskey , qui à 64 ans a été exposé à 500 fois la norme professionnelle pour l'américium 241 à la suite d'une explosion dans son laboratoire. McCluskey est décédé à l'âge de 75 ans, non pas des suites d'une exposition, mais d'une maladie cardiaque qu'il avait avant l'accident.

Voir également

Isotopes de l'américium

Les références