Américium

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Américium
PlutoniumAmériciumCurium
Eu
  Structure cristalline hexagonale
 
95
Am
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Am
Uqp
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Américium, Am, 95
Série chimique Actinides
Groupe, période, bloc L/A, 7, f
Masse volumique 12 g·cm-3 [1]
Couleur blanc argenté
No CAS 7440-35-9 [2]
Propriétés atomiques
Masse atomique 241,06 u
Rayon atomique (calc) 173 pm
Rayon de covalence 1,80 ± 0,06 Å [3]
Configuration électronique [Rn] 5f7 7s2
 
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
État(s) d’oxydation 6, 5, 4, 3
Structure cristalline hexagonal
Propriétés physiques
État ordinaire Solide
Point de fusion 1 176 °C [1]
Point d’ébullition 2 011 °C [1]
Énergie de fusion 14,39 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 238,12 kJ·mol-1
Volume molaire 17,78×10-6 m3·mol-1
Divers
Conductivité électrique 1,5×106 S·m-1 (20 °C)
Conductivité thermique 10 W·m-1·K-1
Énergies d’ionisation[4]
1re : 5,9738 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
240Am {syn.} 50,8 h β+ 1,379 240Pu
241Am {syn.} 432,2 a α 5,638 237Np
242Am {syn.} 16,02 h β- 0,661 242Cm
242mAm {syn.} 141 a IT 0,049 242Am
243Am {syn.} 7 370 a α 5,438 239Np
Précautions
Élément radioactif
Élément radioactif
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

L’américium est un élément chimique transuranien de symbole Am et de numéro atomique 95.

Caractéristiques notables[modifier | modifier le code]

L’américium est un élément radioactif de la famille des actinides. Sous forme métallique, il a une couleur blanche et un lustre argenté (plus argenté que le plutonium ou le neptunium). À température ambiante, il se ternit lentement dans l’air sec.

Du fait de son instabilité, l’américium n’est pas présent dans la croûte terrestre. C’est un élément artificiel produit lors de réactions successives intervenant dans le cœur des réacteurs nucléaires, et il est actuellement considéré comme un déchet radioactif.

Historique[modifier | modifier le code]

L’américium a été nommé en référence au continent américain, par analogie avec l’europium, élément de la famille des lanthanides dont il est l’homologue chimique. Tout comme les autres éléments plus lourds que l’uranium, il a été découvert relativement récemment. Le développement de la physique nucléaire expérimentale dans les années 1940 a permis de le créer artificiellement.

Il fut synthétisé pour la première fois par Glenn T. Seaborg, Leon Morgan, Ralph James, et Albert Ghiorso vers la fin de l’année 1944 au laboratoire métallurgique de l’université de Chicago (connu maintenant sous le nom d’Argonne National Laboratory). Cette équipe forma l’isotope d’américium 241 en soumettant du plutonium 239 à plusieurs réactions successives de capture de neutrons dans un réacteur nucléaire. On crée alors du 240Pu puis du 241Pu (demi-vie : 14,2 ans) qui se transforme en 241Am par émission bêta selon la chaine de réaction suivante (identique à celle qui se déroule dans les réacteurs nucléaires actuels) :

\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu+{}^1_0n\to{}^{240}_{\ 94}Pu},
\mathrm{^{240}_{\ 94}Pu+{}^1_0n\to{}^{241}_{\ 94}Pu},
\mathrm{^{241}_{\ 94}Pu\to{}^{241}_{\ 95}Am+e^-+\bar{\nu}_e}.

Suite à la mise en place dans les années 1970 de parcs de réacteurs nucléaires destinés à la fabrication d’électricité, des quantités non négligeables d’américium ont été, et sont toujours produites dans plusieurs pays (en France : environ 1 tonne par an, mélangé aux autres actinides et aux produits de fissions). Ceci a eu pour conséquence un déploiement important de recherches concernant les propriétés physicochimiques de l’américium et de ses composés.

L’américium fait encore actuellement l’objet de recherches dans différents domaines liés à l’industrie nucléaire :

  • Caractérisation de sa stabilité dans les différentes matrices envisagées pour son stockage de longue durée, études dans l’objectif de pouvoir le séparer des autres déchets radioactifs (amélioration du procédé PUREX).
  • Études en vue de son utilisation dans des réacteurs nucléaires incinérateurs destinés à la transmutation.

Isotopes[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : américium 241 et américium 242m.

Parmi les dix-huit isotopes connus de l’américium (231Am à 247Am), seuls trois ont une période radioactive supérieure à un an[5]. Ces isotopes les plus stables sont 243Am (demi-vie 7370 ans), 241Am (demi-vie 432 ans) et 242mAm (demi-vie 141 ans).

L’américium 241 et l’américium 243 émettent majoritairement des rayonnements alpha – ils se décomposent respectivement en neptunium 237 et neptunium 239 –, tandis que l’américium 242m subit essentiellement une transition isomérique vers son état stable, l’américium 242 dont la demi-vie est de 16 heures.

Ce dernier se désintègre par radiation bêta à 83 % en donnant du curium 242 ou par capture électronique à 17 %, donnant du plutonium 242[6].

L’américium 241, qui fait partie de la chaîne de désintégration du plutonium 241, est le plus fréquent du fait de son apparition en équilibre avec le plutonium produit dans les centrales nucléaires. Il décroît par désintégration alpha (demi-vie 432 ans) en neptunium 237, lui-même un émetteur alpha et gamma avec une période de 2 millions d’années.

Les isotopes 241Am, 242mAm et 243Am sont en outre fissiles[7]. L’américium 241 aurait une masse critique (sphère nue) comprise entre 60 et 100 kg. L’américium 242m a une masse critique très faible (entre 9 et 18 kg), ce qui fait envisager son utilisation comme combustible spatial. La masse critique de l’américium 243 varie suivant les estimations, entre 50 et 150 kg.

Propriétés chimiques[modifier | modifier le code]

L’américium est un métal dont l’état solide présente trois formes cristallographiques, notées α (jusqu’à 1042 K ; 729 °C), β (entre 1042 et 1350 K ; 729 °C et 1 077 °C), et γ (entre 1350 et 1449 K ; 1 077 °C et 1 176 °C). Il devient liquide à 1449 K (1 176 °C) et gazeux à 2284 K (2 011 °C).

Il existe de nombreux composés chimiques de l’américium :

En milieu aqueux, l’américium est essentiellement à l’état d’oxydation +3. Le cation Am3+ est susceptible de se complexer avec différents ligands (CO32-, OH-, NO2-, NO3- et SO4-2) :

Il existe également en milieu aqueux des complexes de l’ion américyle AmO2+ :

  • AmO2CO3-, AmO2(CO3)23- et AmO2(CO3)35-.

Applications[modifier | modifier le code]

La forte radiotoxicité de l’américium le rend peu compatible avec une utilisation en quantité importante, et il est uniquement utilisé pour des applications liées à son rayonnement ionisant. Il est conservé dans des sources scellées et conditionnées dans une double enveloppe cylindrique en acier inoxydable.

Les applications concernent surtout l’isotope 241Am, dont l’élaboration sous forme pure est la plus aisée.

L’américium a ainsi trouvé une application domestique :

Dans la source 241Am-Be, les neutrons sont ainsi produits selon deux réactions successives :

\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\to{}^{237}_{\ 93}Np+{}^4_2He},
\mathrm{^{9}_{4}Be+{}^4_2He\to{}^{12}_{\ 6}C+{}^1_0n}.

L’américium 242 a aussi été utilisé dans la radiographie, mais son coût de production est très élevé.

Aspects sanitaires et environnementaux[modifier | modifier le code]

L’américium 241 mesuré dans l’environnement provient soit d’un rejet direct, soit indirectement de la décroissance de l’isotope 241Pu.

On distingue 3 causes majeures de rejets[8]:

Après dissémination dans l’environnement, l’américium peut être incorporé dans tous les constituants de la chaine alimentaire et présenter diverses formes chimiques plus ou moins solubles. L’américium est un composé moyennement transférable, qui se dépose principalement dans le squelette, le foie et les gonades, quelle que soit l’espèce considérée[9]. À ce titre, il a un comportement proche de ceux des autres éléments transuraniens. Il se distingue toutefois du plutonium par un temps de rétention dans les organes moins important et une toxicité moins prononcée. La CIPR retient une période biologique de 20 ans.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b et c (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (lien DOI?)
  4. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC,‎ 2009, 89e éd., p. 10-203
  5. These fact sheets
  6. Universal Nuclide Chart and Radioactive Decay Applet, Institut des Transuraniens, http://www.nuclides.net/applets/radioactive_decay.htm
  7. Données des masses critiques d’après Challenges of Fissile Material Control, David Albright and Kevin O’Neill, ISIS 1999 (chap. 5).
  8. Fiche radionucléide : Américium 241 et environnement, IRSN
  9. Fiche radionucléide : Américium 241 - aspects sanitaires, IRSN

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