Curium

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Curium
AmériciumCuriumBerkélium
Gd
   
 
96
Cm
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Cm
Uqh
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Curium, Cm, 96
Série chimique Actinides
Groupe, période, bloc L/A, 7, f
Masse volumique 13,51 g·cm-3 (calculée)[1]
Couleur argenté
No CAS 7440-51-9 [2]
Propriétés atomiques
Masse atomique 247 u
Rayon atomique (calc) 174 pm
Rayon de covalence 1,69 ± 0,03 Å [3]
Configuration électronique [Rn] 5f7 6d1 7s2
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
État(s) d’oxydation 3
Oxyde amphotère
Structure cristalline Hexagonal compact
Propriétés physiques
État ordinaire solide
Point de fusion 1 345 °C [1]
Point d’ébullition 3 109,85 °C
Énergie de fusion 15 kJ·mol-1
Volume molaire 18,05×10-6 m3·mol-1
Divers
Électronégativité (Pauling) 1,3
Énergies d’ionisation[4]
1re : 5,9914 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
242Cm {syn.} 160 j α
FS
cluster
6,169

 ?
238Pu
PF
208Pb
243Cm {syn.} 29,1 a α
ε
FS
6,169
0,009
239Pu
243Am
PF
244Cm {syn.} 18,1 a α
FS
5,902
240Pu
PF
245Cm {syn.} 8 500 a α
FS
5,623
241Pu
PF
246Cm {syn.} 4 730 a α
FS
5,475
242Pu
PF
247Cm {syn.} 1,56×107 a α 5,353 243Pu
248Cm {syn.} 340 000 a α
FS
5,162
244Pu
PF
250Cm {syn.} 9 000 a α
β-
FS
5,169
0,037
246Pu
250Bk
PF
Précautions
Élément radioactif
Élément radioactif
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le curium est un élément chimique artificiel de symbole chimique Cm et de numéro atomique 96. Dans la classification périodique des éléments de Mendeleiev, il se place dans le groupe des actinides (septième période, bloc f), et se compte parmi les transuraniens. Le curium a été nommé d'après les physiciens Pierre et Marie Curie.

Le curium se présente comme un métal radioactif, d'un blanc argenté, et d'une grande dureté. Il se forme dans les réacteurs nucléaires : une tonne de combustible usé en contient en moyenne 20 g.

Le curium a été formé pour la première fois en été 1944 à partir de l'élément plus léger, le plutonium. Cette découverte n'a tout d'abord pas été rendue publique. Ce n'est qu'au cours d'une émission américaine pour les enfants que l'invité, Glenn T. Seaborg, auteur de la découverte a annoncé au public son existence, en répondant positivement à une question posée par un jeune auditeur qui demandait si on avait découvert de nouveaux éléments.

Le curium est un puissant émetteur α ; on l'utilise parfois en raison de sa grande puissance thermique due à la désintégration dans les générateurs thermoélectriques à radioisotope. En outre, il a été utilisé pour la fabrication de 238Pu destiné à faire des générateurs à radioisotope à faible radioactivité gamma, pour activer des stimulateurs cardiaques par exemple. Cet élément peut être utilisé comme matière première pour la fabrication d'autres transuraniens et transactinides. Il sert aussi de source de rayons α dans les spectromètres X avec lesquels les robots explorateurs de Mars Sojourner, Spirit et Opportunity ont analysé les roches martiennes, et l'atterrisseur Philaé de la sonde Rosetta doit analyser la surface de la comète 67P/Tchourioumov-Guerassimenko.

Histoire[modifier | modifier le code]

Glenn T. Seaborg
Cyclotron de 60 pouces à Berkeley

Le curium a été découvert en été 1944 par Glenn T. Seaborg et ses collègues Ralph A. James et Albert Ghiorso. Dans leur série d'expériences, ils ont utilisé le cyclotron de 60 pouces de l'Université de Californie à Berkeley. Après le neptunium et le plutonium, c'était le troisième transuranien découvert depuis 1940. Sa fabrication a été réussie avant celle de l'américium, de numéro atomique pourtant inférieur d'une unité[5],[6].

Pour la fabrication d'un nouvel élément, on utilisait le plus souvent les oxydes de l'élément à irradier. Dans le cas présent, on déposait une solution de nitrate de plutonium (de l'isotope 239Pu) sur une feuille de platine de 0,5 cm2. La solution était alors évaporée, et le sel restant chauffé suffisamment pour donner l'oxyde (PuO2). Après exposition dans le cyclotron, la couche était dissoute dans l'acide nitrique, puis précipitée par mélange avec une solution d'ammoniaque. Le reste était dissous avec de l'acide perchlorique. Une séparation finale avait lieu avec des échangeurs d'ions. Dans ces expériences, deux isotopes différents ont été faits : 242Cm et 240Cm.

Le premier, 242Cm a été fait en juillet/août 1944 par irradiation de 239Pu avec des particules α \scriptstyle^4_2\mathrm{He}. Ceci provoque la création de l'isotope cherché par une réaction appelée (α,n) :

\scriptstyle^{239}_{\,94}\mathrm{Pu}\, +\, ^4_2\mathrm{He}\, \longrightarrow \, ^{242}_{\,96}\mathrm{Cm}\, +\, ^1_0 n

L'identification se fait sans ambiguïté sur la base de l'énergie caractéristique de la particule α émise à la désintégration.

\scriptstyle^{242}_{\,96}\mathrm{Cm}\, \longrightarrow \, ^{238}_{\,94}\mathrm{Pu}\, +\, ^4_2\mathrm{He}

La demi-vie de cette désintégration a d'abord été mesurée à 150 j (meilleure mesure actuelle 162,8 j[7])

Le deuxième isotope, de plus courte vie 240Cm, qui est produit de la même manière par irradiation de 239Pu par des particules α, n'a été découvert par la même équipe qu'en mars 1945 :

\scriptstyle^{239}_{\,94}\mathrm{Pu}\, +\, ^4_2\mathrm{He}\, \longrightarrow \, ^{240}_{\,96}\mathrm{Cm}\, +\, 3\, ^1_0 n

La demi-vie de la désintégration α subséquente a tout d'abord été mesurée comme 27,6 j (valeur actuelle 27 j[7]).

En raison de la continuation de la Seconde Guerre mondiale, la découverte du nouvel élément n'a d'abord pas été publiée. Le public ne l'apprit que d'une manière très curieuse : dans l'émission radio américaine Quiz Kids du 11 novembre 1945, un des jeunes auditeurs a demandé à Glenn Seaborg, invité de l'émission, si l'on avait découvert de nouveaux éléments, au cours de la recherche sur les armes atomiques. Seaborg répondit positivement, et dévoila ainsi l'existence de cet élément, ainsi que celui immédiatement inférieur en numéro atomique, l'américium[8]. Ceci arriva encore avant la présentation officielle à un symposium de l'American Chemical Society.

La découverte des isotopes 242 et 240 du curium, leur production et leurs composés ont été brevetés plus tard sous le nom de « ELEMENT 96 AND COMPOSITIONS THEREOF », sous le seul nom d'inventeur de Glenn T. Seaborg[9].

Le nom de curium a été choisi par analogie avec « gadolinium », le métal des terres rares qui se trouve dans la classification périodique juste au-dessus du curium. Le choix de ce nom était fait en l'honneur de Pierre et Marie Curie, dont le travail scientifique avait ouvert la voie à la recherche sur la radioactivité. Ceci était en parallèle avec le nom de gadolinium, nommé d'après le célèbre chercheur sur les terres rares, Johan Gadolin :

« Comme nom pour l'élément de numéro atomique 96, nous aimerions proposer « curium », avec le symbole Cm. Il y a des preuves que l'élément 96 contient 7 électrons 5f, et est donc analogue à l'élément gadolinium avec ses 7 électrons 4f de la série des terres rares. Sur cette base, l'élément 96 serait nommé d'après les Curie, de manière analogue à la désignation du gadolinium, en l'honneur du chimiste Gadolin[5].  »

La première quantité pondérable de curium a pu être réalisée en 1947 sous forme d'hydroxyde de Cm(III), par Louis B. Werner et Isadore Perlman[10]. Il s'agissait alors de 40 µg d'hydroxyde 242Cm(OH)3, obtenu par irradiation neutronique d'américium 241Am[11]. Ce n'est qu'en 1951 qu'il a été présenté sous forme élémentaire par réduction de fluorure de Cm(III) CmF3 par du baryum[12],[13].

Distribution[modifier | modifier le code]

L'isotope de plus longue vie est le 247Cm, qui ne possède une demi-vie que de 15,6×106 a. Pour cette raison, tout le curium initial contenu par la Terre à sa formation s'est désintégré. On fabrique artificiellement du curium en petites quantités pour la recherche. En outre, il s'en trouve de petites quantités dans les combustibles usagés des réacteurs nucléaires.

Le curium présent dans l'environnement provient pour la plus grande part des tests de bombes atomiques atmosphériques, jusqu'en 1980. Il peut y avoir des concentrations locales supérieures, dues à des déchets nucléaires et autres tests d'armes atomiques. En tous cas, le curium ne contribue que de façon négligeable à la radioactivité naturelle[14].

Dans les déchets de la première bombe H américaine Ivy Mike le 1er novembre 1952 sur l'atoll d'Eniwetok, outre la première découverte d'einsteinium et de fermium, on a trouvé à côté du plutonium et de l'américium des isotopes du curium, du berkélium et du californium : en ce qui concerne le curium surtout les isotopes 245Cm et 246Cm, en plus petites quantités 247Cm et 248Cm, ainsi que des traces de 249Cm. Ces résultats, couverts par le secret militaire, n'ont été publiés qu'en 1956[15].

Obtention et préparation[modifier | modifier le code]

Obtention des isotopes du curium[modifier | modifier le code]

Le curium se forme en petites quantités dans les réacteurs nucléaires. On n'en dispose actuellement dans le monde que de quelques kilogrammes, d'où son prix très élevé d'environ 160 US$ par milligramme pour le 244Cm ou le 248Cm[16]. Dans les réacteurs nucléaires, il se forme à partir de l'uranium 238U tout un ensemble de réactions nucléaires. Une étape importante dans ces processus est la capture neutronique, ou réaction (n,γ), où le nucléide produit, qui est dans un état excité, perd son énergie en excès par rayonnement γ et se retrouve ainsi dans son état fondamental. Les neutrons libres nécessaires sont créés par les fissions des autres noyaux du réacteur. Dans ce processus nucléaire, la réaction (n,γ) est suivie de deux désintégrations β, ce qui aboutit à la formation de plutonium 239Pu. Dans les réacteurs surrégénérateurs, cette réaction entraîne la formation de nouveau matériau fissile.

\scriptstyle^{238}_{\,92}\mathrm{U}\, \xrightarrow {(n,\gamma)} \, ^{239}_{\,92}\mathrm{U}\, \xrightarrow [23,5 \, \mathrm{min}]{\beta^-} \, ^{239}_{\,93}\mathrm{Np}\, \xrightarrow [2,3565 \, \mathrm{j}]{\beta^-} \, ^{239}_{\, 94}\mathrm{Pu}
Les temps indiqués sont les demi-vies.

Ensuite, deux réactions (n,γ) suivies d'une désintégration β conduisent à l'américium 241Am. Celui-ci conduit, après une nouvelle capture (n,γ) et une nouvelle désintégration β au 242Cm :

\scriptstyle^{239}_{\, 94}\mathrm{Pu}\, \xrightarrow {2(n,\gamma)} \, ^{241}_{\, 94}\mathrm{Pu}\, \xrightarrow [14,35 \, \mathrm{a}]{\beta^-} \, ^{241}_{\, 95}\mathrm{Am}\, \xrightarrow {(n,\gamma)} \, ^{242}_{\, 95}Am\, \xrightarrow [16,02 \, \mathrm{h}]{\beta^-} \, ^{242}_{\, 96}\mathrm{Cm}

Pour les besoins de la recherche, le curium peut être obtenu de façon efficace à partir de plutonium, que l'on obtient en grande quantité à partir de combustible nucléaire usagé. Il est irradié par une source de neutrons à haut flux. Les flux ainsi obtenus peuvent être beaucoup plus élevés que ce qu'il y a dans un réacteur, si bien qu'une autre chaîne de réactions prédomine sur celle décrite auparavant. Le 239Pu est transformé par 4 captures neutroniques (n,γ) successives en 243Pu, qui donne par désintégration β de l'américium 243Am avec une demi-vie de 4,96 h. Ce dernier, après une nouvelle capture neutronique qui forme de l'244Am, subit une désintégration β avec une demi-vie de 10,1 h pour donner finalement du 244Cm[6] :

\scriptstyle^{239}_{\, 94}\mathrm{Pu}\, \xrightarrow {4(n,\gamma)} \, ^{243}_{\, 94}\mathrm{Pu}\, \xrightarrow [4,956 \, \mathrm{h}]{\beta^-} \, ^{243}_{\, 95}\mathrm{Am}\, \xrightarrow {(n,\gamma)} \, ^{244}_{\, 95}\mathrm{Am}\, \xrightarrow [10,1 \, \mathrm{h}]{\beta^-} \, ^{244}_{\, 96}\mathrm{Cm}\, \xrightarrow [18,11 \, \mathrm{a}]{\alpha} \, ^{240}_{\, 94}\mathrm{Pu}

Cette réaction a lieu aussi dans les réacteurs nucléaires, si bien que l'on retrouve un peu de 244Cm dans les produits de retraitement du combustible nucléaire.

À partir du 244Cm, de nouvelles captures neutroniques ont lieu dans le réacteur, et donnent en quantités toujours décroissantes des isotopes plus lourds. Pour la recherche, les isotopes 247Cm et 248Cm sont particulièrement appréciés en raison de leur longue vie.

\scriptstyle^{A}_{96}\mathrm{Cm}\, +\, ^{1}_{0}n\, \longrightarrow \, ^{A+1}_{\ 96}\mathrm{Cm}\, +\, \gamma
Captures neutroniques (n,γ) pour les poids atomiques A=244 à 248, mais rarement pour A=249 ou 250.

Mais la production de 250Cm par ce processus est particulièrement défavorisée par la courte vie du 249Cm[n 1], ce qui rend improbables les captures neutroniques pendant cette courte vie. On peut produire le 250Cm par désintégration α du californium 254Cf. Le problème est néanmoins que ce dernier se désintègre principalement par fission spontanée, et peu par désintégration α.

En raison des cascades de captures neutroniques et de désintégrations β, le curium produit est toujours un mélange de divers isotopes. Leur séparation est particulièrement difficile.

Pour la recherche, on utilise de préférence le 248Cm, en raison de sa longue vie. La méthode la plus efficace pour l'obtenir est la désintégration α du californium 252Cf, que l'on peut obtenir en grandes quantités en raison de sa longue vie. Le 248Cm obtenu de cette manière possède une pureté isotopique de 97 %. Actuellement, on en fabrique ainsi de 35 à 50 mg par an.

\scriptstyle^{252}_{\, 98}\mathrm{Cf}\, \xrightarrow [2,645 \, a]{\alpha} \, ^{248}_{\, 96}\mathrm{Cm}

L'isotope 245Cm pur, intéressant pour la recherche seulement, peut être obtenu par désintégration α du californium 249Cf, que l'on obtient en très petite quantité de la désintégration β du berkélium 249Bk.

\scriptstyle^{249}_{\, 97}\mathrm{Bk}\, \xrightarrow [330 \, \mathrm{d}]{\beta^-} \, ^{249}_{\, 98}\mathrm{Cf}\, \xrightarrow [351 \, \mathrm{a}]{\alpha} \, ^{245}_{\, 96}\mathrm{Cm}

Préparation du curium métallique[modifier | modifier le code]

Le curium métallique peut s'obtenir par réduction de ses composés. Tout d'abord, c'est le fluorure de curium(III) qui a été utilisé pour la réduction. À cette fin, ce fluorure est mis à réagir, en absence totale d'eau ou d'oxygène dans un appareil en tantale ou en tungstène, avec du baryum ou du lithium métallique[6],[12],[17],[18],[19].

\scriptstyle\mathrm{CmF}_3\, +\, 3\, \mathrm{Li}\, \longrightarrow \, \mathrm{Cm}\, +\, 3\, \mathrm{LiF}

La réduction de l'oxyde de curium(IV) par un alliage de magnésium et de zinc dans un flux de chlorure de magnésium et de fluorure de magnésium donne aussi du curium métallique[20].

Propriétés[modifier | modifier le code]

Empilement doublement hexagonal compact de sphères, avec la structure ABAC dans la structure cristalline α-Cm (A: vert; B: bleu; C: rouge).
Fluorescence orange induite par laser dans les ions Cm3+[n 2].

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

Le curium est un métal artificiel radioactif. Il est dur et possède un aspect d'un blanc argenté, similaire au gadolinium, son analogue dans les lanthanides. Il lui ressemble également par ses autres propriétés physiques et chimiques. Son point de fusion à 1 340 °C est significativement plus élevé que ses prédécesseurs dans les transuraniens, le neptunium (637 °C[21]), le plutonium (639 °C) et l'américium (1 173 °C). Par comparaison, le gadolinium fond à 1 312 °C. Le point d'ébullition du curium est à 3 110 °C.

Dans les conditions standard, il n'existe qu'une structure cristalline, le Cm-α, avec un réseau hexagonal de groupe \scriptstyle P6_3/mmc\,, avec les paramètres du réseau a = 365 pm et c = 1 182 pm, et 4 atomes par cellule élémentaire[22]. Cette structure cristalline consiste en un double empilement hexagonal compact, avec une suite de couches de type ABAC, et elle est ainsi isotypique à celle de la structure α du lanthane.

Au-dessus d'une pression de 23 GPa, le Cm-α se transforme en Cm-β. Cette structure Cm-β a une structure cubique de groupe \scriptstyle Fm\bar3m, avec le paramètre de réseau a = 493 pm[22], c'est-à-dire un réseau cubique à faces centrées (fcc) compact, avec une suite de couches ABC.

La fluorescence des ions Cm(III) excités est suffisamment longue pour pouvoir l'exploiter en spectroscopie de fluorescence laser résolue en temps[23]. La longueur de la fluorescence peut être expliquée par le grand écart en énergie entre le fondamental 8S7/2 et le premier état excité 6D7/2. Ceci permet une détection sélective de composés du curium parmi un bruit bien plus important de processus de fluorescence plus brève d'autres ions métalliques ou substances organiques[24].

Propriétés chimiques[modifier | modifier le code]

Le degré d'oxydation du curium le plus stable est +3. À l'occasion, on le rencontre aussi au degré d'oxydation +4[25],[26]. Son comportement chimique ressemble beaucoup à celui de l'américium et de nombreux lanthanides. En solution aqueuse, l'ion Cm3+ est incolore, alors que Cm4+ est jaune pâle[27].

Les ions curium font partie des acides de Lewis forts, et forment donc les complexes les plus stables avec les bases fortes[28]. Dans ce cas, la formation de complexes n'a qu'une composante covalente très faible, et se fonde plutôt sur les interactions ioniques. Le curium diffère dans son comportement de complexation des actinides précédemment connus comme le thorium et l'uranium, et ressemble par là aussi beaucoup aux lanthanides[29]. Dans les complexes, il préfère une coordination à 9 éléments, avec la géométrie de trois prismes triangulaires se chevauchant.

Aspects biologiques[modifier | modifier le code]

Le curium ne possède, en dehors de son caractère radioactif (voir infra), aucune influence biologique spécifique[30]. L'absorption de Cm3+ par des bactéries et des archées a été étudiée[31],[32].

Propriétés fissiles[modifier | modifier le code]

Les isotopes impairs du curium, en particulier 243Cm, 245Cm et 247Cm, en raison de leur haute section efficace, pourraient en principe servir de combustibles pour un réacteur thermique. En général, tous les isotopes, entre 242Cm et 248Cm, ainsi que 250Cm, peuvent soutenir une réaction en chaîne, même pour certains seulement avec des neutrons rapides. Dans un surrégénérateur rapide, n'importe quelle combinaison des isotopes indiqués ci-dessus pourrait être utilisée comme combustible[33]. L'avantage en serait que pour le retraitement du combustible usagé, il n'y aurait pas besoin de recourir à la séparation isotopique, mais simplement une séparation chimique du curium des autres éléments.

La table suivante donne les masses critiques pour une géométrie sphérique sans modérateur ni réflecteur, puis avec réflecteur, et enfin avec réflecteur et modérateur :

Isotope Masse critique Rayon + réflecteur +réflecteur
+ modérateur
242Cm 371 kg 40,1 cm    
243Cm 7,34 – 10 kg 10 – 11 cm 3 – 4 kg 155 g
244Cm (13,5) – 30 kg (12,4) – 16 cm    
245Cm 9,41 – 12,3 kg 11 – 12 cm 3 – 4 kg 59 g
246Cm 18 – 21 cm    
247Cm 6,94 – 7,06 kg 9,9 cm 3 – 4 kg 1,55 kg
248Cm 40,4 kg 19,2 cm    
250Cm 16,0 cm    

Avec un réflecteur, les masses critiques des isotopes impairs se situent vers 3 à 4 kg. En solution aqueuse avec réflecteur, la masse critique tombe encore bien plus bas ; ces valeurs ne sont précises qu'à 15 % près, en raison de l'incertitude sur les données physiques pertinentes, et corrélativement, on trouvera des indications très variables selon les sources[34],[33]. Mais en raison de sa rareté et de son prix élevé, le curium n'est pas utilisé comme combustible nucléaire, et selon la loi nucléaire allemande, il n'est pas classé comme tel[35].

Les isotopes impairs du curium, ici encore en particulier le 245Cm et le 247Cm, pourraient également, comme pour la construction de réacteurs, être utilisés pour la construction d'armes nucléaires. Des bombes au 243Cm devraient, en raison de la faible demi-vie de cet isotope, faire l'objet d'une maintenance importante. En outre, le 243Cm, sous l'action de sa désintégration α dont il transforme l'énergie en chaleur, deviendrait excessivement chaud, ce qui compliquerait considérablement la construction d'une bombe. Mais le fait que les masses critiques sont pour certaines très petites pourrait permettre de construire des bombes miniaturisées. Cependant jusqu'à présent aucune activité de recherche dans ce sens n'a été publiquement évoquée, ce qui s'explique aussi par la faible disponibilité du curium.

Les isotopes[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Curium 242 et Curium 244.

On ne connaît que des radionucléides et aucun isotope stable. En tout, on connaît 20 isotopes et 7 états isomériques, de 233Cm à 252Cm[7]. Les plus grandes demi-vies sont celles du 247Cm (15,6×106 a) et du 248Cm (348 000 a). Ensuite viennent 245Cm (8 500 a), 250Cm (8 300 a) et 246Cm (4 760 a). L'isotope 250Cm est une curiosité, car une grande majorité (environ 86 %) de ses désintégrations sont des fissions spontanées.

Les isotopes du curium les plus utilisés techniquement sont 242Cm, avec une demi-vie de 162,8 j, et 244Cm avec 18,1 a.

Les sections efficaces pour la fission induite par des neutrons thermiques sont d'environ[36] :

242Cm 243Cm 244Cm 245Cm 246Cm 247Cm 248Cm
b 620 b 1,1 b 2 100 b 0,16 b 82 b 0,36 b

Ceci correspond à la règle selon laquelle la plupart des nucléides transuraniens de nombre de neutrons impair sont « facilement fissiles thermiquement ».

Utilisation[modifier | modifier le code]

Générateur thermoélectrique à radioisotope[modifier | modifier le code]

Le curium fait partie des substances les plus radioactives. Comme les deux isotopes préférentiellement engendrés dans les réacteurs, le 242Cm et le 244Cm, n'ont que de courtes demi-vies (respectivement 162,8 j et 18,1 a), avec des énergies α de MeV environ, ils présentent une bien plus grande activité que par exemple le radium 226Ra, engendré dans la chaîne de désintégration naturelle uranium-radium et qui a une demi-vie de 1 600 a[37]. Cette radioactivité engendre une grande quantité de chaleur : le 244Cm émet 3 W/g, et le 242Cm monte jusqu'à 120 W/g[38]. Ces isotopes du curium peuvent, en raison de leur très grande émission de chaleur, être utilisés dans des générateurs thermoélectriques à radioisotope, sous la forme d'oxyde de curium(III) (Cm2O3), pour l'alimentation en énergie électrique, par exemple dans les sondes spatiales. Dans ce but, on a de préférence étudié l'utilisation du 244Cm. En tant qu'émetteur α, il lui faut un blindage notablement plus mince que pour un émetteur β. Cependant, son taux de fission spontanée, et de neutrons et γ associés, sont plus élevés que pour le 238Pu. La combinaison d'un blindage plus lourd contre les γ, d'un taux d'irradiation neutronique supérieur et d'une demi-vie plus courte donnent finalement l'avantage au 238Pu avec sa demi-vie de 87,7 a[39].

On a aussi essayé le 242Cm pour remplacer le 238Pu dans les générateurs thermoélectriques à radioisotope pour pacemakers. En effet, le 238Pu engendré dans les réacteurs est toujours contaminé par du 236Pu venant de la réaction (n,2n) du 237Np. Or celui-ci contient dans sa chaîne de désintégration du thallium 208Tl, qui est un puissant émetteur gamma. Un défaut semblable arrive au 238Pu fabriqué par irradiation par deutons de l'uranium. Les autres isotopes du curium produits tout simplement en quantités significatives dans les réacteurs conduisent vite dans leur chaîne de désintégration à des isotopes de longue vie, dont le rayonnement pour la construction de pacemakers n'a plus d'importance[40].

Spectromètres X[modifier | modifier le code]

Le type APXS de Spirit et Opportunity.

Le 244Cm sert de source de rayonnement α dans les spectromètres X à particules α (APXS[n 3]) mis au point à Mayence par l'institut de chimie Otto Hahn de la Société Max-Planck, avec lesquels les véhicules martiens Sojourner, Spirit et Opportunity ont analysé chimiquement la roche sur le sol de la planète Mars. L'atterrisseur Philaé de la sonde spatiale Rosetta est muni d'un APXS, pour analyser la composition de la comète 67P/Tchourioumov-Guerassimenko[41].

Les sondes lunaires Surveyor 5 à 7 avaient également des spectromètres alpha à bord. Mais ceux-ci travaillaient avec du 242Cm et mesuraient les protons éjectés par les particules α, ainsi que les particules α rétrodiffusées (renvoyées en arrière)[42],[43].

Production d'autres éléments[modifier | modifier le code]

Le curium sert aussi de matière première pour la production de transuraniens et transactinides plus élevés. C'est ainsi que par exemple, l'irradiation de 248Cm par des noyaux d'oxygène 18O ou de magnésium 26Mg conduit respectivement aux éléments seaborgium (265Sg) et hassium (269Hs et 270Hs)[44].

Mesures de sécurité[modifier | modifier le code]

Les degrés de danger indiqués dans la liste allemande Règlement sur les substances dangereuses (de) n'existent pas pour le curium et ses composés, car ils ne concernent que la dangerosité sur le plan chimique, qui joue un rôle totalement négligeable par rapport à ceux relatifs à la radioactivité. Cette dernière n'est de toute façon importante que quand il s'agit de quantités appréciables de matière.

Comme il n'existe que des isotopes radioactifs du curium, cet élément ne doit faire l'objet, comme ses composés, de manipulations que dans des laboratoires spécialisés, qui ont leurs propres règles de sécurité. La plupart des isotopes courants sont des émetteurs α, dont l'incorporation doit être évitée par tous moyens. Une grande partie des isotopes se désintègre partiellement au moins par fission spontanée. Le large spectre des produits de fission qui en résultent, et qui sont à leur tour souvent eux-mêmes radioactifs, éventuellement émetteurs γ de haute énergie, présente un risque supplémentaire, que l'on doit prendre en compte dans l'élaboration des consignes de sécurité[14].

Effets sur le corps[modifier | modifier le code]

Si le curium est absorbé avec la nourriture, il est excrété pour la plus grande partie en quelques jours, et seulement 0,05 % parviennent à la circulation générale. Cette quantité se dépose à 45 % dans le foie, à 45 % dans les os, et les 10 % restants sont éliminés. Dans les os, le curium se dépose en particulier à la limite entre le corps osseux et la moelle, inhibant ainsi la production de globules sanguins (hématopoïèse). Une diffusion ultérieure vers la corticale ne se produit ensuite que lentement[14].

Par inhalation, le curium entre nettement plus fort dans le corps, ce qui rend cette forme d'incorporation le plus haut risque pour le travail avec le curium. La charge totale admissible pour le corps humain par le 244Cm (sous forme soluble) est de 0,3 µCi[16].

Dans des expériences sur les rats, on a observé après injection intraveineuse de 242Cm et de 244Cm une augmentation du taux de cancer des os, dont la survenue est considérée comme le principal danger de l'incorporation de curium chez l'homme. L'inhalation des isotopes a conduit au cancer du poumon et au cancer du foie[14].

Problèmes liés au retraitement des déchets nucléaires[modifier | modifier le code]

Dans les réacteurs nucléaires exploités dans des conditions raisonnablement économiques (c'est-à-dire avec une grande durée d'utilisation du combustible), il se forme de façon physiquement inévitable des isotopes du curium par réactions (n,γ) suivies de désintégrations β (voir supra). Une tonne de combustible usagé contient en moyenne environ 20 g d'isotopes divers du curium[45]. Parmi eux se trouvent des émetteurs α avec des nombres de masse de 245 à 248, qui en raison de leur relativement longue demi-vie sont indésirables dans les stockages définitifs, et doivent donc être comptés parmi les déchets transuraniens. Une diminution de leur radiotoxicité à longue période dans les stockages définitifs serait possible en séparant les isotopes à longue vie des combustibles irradiés.

Pour l'élimination du curium, on explore actuellement la stratégie de séparation & transmutation[46]. Le processus envisagé comporte 3 étapes : séparation chimique du combustible usé, groupement des éléments, et suite spécifique à chaque groupe pour obtenir un reste susceptible de stockage définitif. Dans le cadre de ce processus, les isotopes du curium seraient exposés à une irradiation par neutrons dans des réacteurs spécialisés, jusqu'à être transformés en nucléides à courte vie. La mise au point d'un tel processus fait actuellement l'objet d'études[23], dont le but n'est pas encore atteint actuellement.

Composés et réactions[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Oxyde de curium(III) et Oxyde de curium(IV).

Oxydes[modifier | modifier le code]

Le curium est facilement attaqué par l'oxygène. Il existe des oxydes de curium avec les degrés d'oxydation +3 (Cm2O3) et +4 (CmO2). On connaît aussi l'oxyde bivalent CmO[47].

On peut obtenir l'oxyde de curium(IV) noir directement à partir des éléments. Il suffit de chauffer le curium métallique en présence d'air ou d'oxygène[26]. Pour de petites quantités, on préfèrera le chauffage de sels de curium, comme l'oxalate de curium(III) (Cm2(C2O4)3) ou le nitrate de curium(III) (Cm(NO3)3), la manipulation du curium métallique restant délicate.

À partir de l'oxyde de curium(IV), on peut obtenir l'oxyde de curium(III) blanchâtre par décomposition thermique dans le vide (environ 0,01 Pa) à 600°[26] :

\scriptstyle 4\,\mathrm{CmO}_2\,\xrightarrow {\Delta T} \,2\,\mathrm{Cm_2O}_3\,+\,\mathrm{O}_2

Une autre voie est la réduction de l'oxyde de curium(IV) par l'hydrogène moléculaire[48].

La plus grande partie du curium présent dans la nature (voir supra) est sous forme de Cm2O3 et de CmO2[14].

Halogénures[modifier | modifier le code]

On connaît des halogénures de curium à base des 4 halogènes stables.

Le fluorure de curium(III) incolore (CmF3) peut être obtenu par précipitation de solutions contenant du Cm(III) avec des ions fluorures. On n'obtient le fluorure de curium tétravalent (CmF4) que par transformation de fluorure de Cm(III) par du fluor moléculaire[6] :

\scriptstyle 2\,\mathrm{CmF}_3\,+\,\mathrm{F}_2\,\longrightarrow\,2\,\mathrm{CmF_4}

Une série de fluorures complexes de la forme M7Cm6F31, où M est un métal alcalin sont connus[49].

Le chlorure de curium(III) incolore (CmCl3) peut être obtenu par réaction sur l'hydroxyde de curium(III) (Cm(OH)3) de chlorure d'hydrogène (HCl) sec. Le chlorure de curium(III) peut être utilisé pour la synthèse de bromure de curium(III) (vert clair) et d'iodure de curium(III) (incolore). Pour ce faire, il faut déplacer le chlore par l'halogénure d'ammonium convenable[50] :

\scriptstyle \mathrm{CmCl}_3\,+\,3\,\mathrm{NH_4I}\,\longrightarrow \,\mathrm{CmI}_3\,+\,3\,\mathrm{NH_4Cl}

Sels de chalcogènes et de pnictogènes[modifier | modifier le code]

Parmi les sels de chalcogènes, on connaît les sulfures et séléniures. On peut les obtenir par action de soufre ou de sélénium gazeux purs à haute température[51].

Les sels de pnictogènes du type CmX sont connus pour les éléments X = azote, phosphore, arsenic et antimoine[6]. Leur production peut avoir lieu par action de ces éléments à haute température sur de l'hydrure de curium(III) (CmH3) ou sur du curium métallique.

Composés organo-métalliques[modifier | modifier le code]

De façon semblable à l'uranocène, un composé organo-métallique dans lequel l'uranium est complexé par deux ligands de cyclooctatétraène, les complexes correspondants ont été présentés pour le thorium, le protactinium, le neptunium et l'américium. La théorie des orbitales moléculaires laisse supposer qu'un composé analogue, (η8-C8H8)2Cm, un « curocène » pourrait être synthétisé, mais on n'y est pas encore arrivé[52].

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Ouvrages[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b (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 (DOI 10.1039/b801115j)
  4. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC,‎ 2009, 89e éd., p. 10-203
  5. a et b (en) G. T. Seaborg, R. A. James et A. Ghiorso, « The New Element Curium (Atomic Number 96) », NNES PPR (National Nuclear Energy Series, Plutonium Project Record), vol. 14B,‎ 1949 (résumé, lire en ligne)
  6. a, b, c, d et e Morss 2006
  7. a, b et c (en) G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot et A. H. Wapstra, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », Nuclear Physics A, vol. 729 3–128,‎ 2003 (lire en ligne)
  8. (en) « C&EN: It's Elemental: The Periodic Table – Americium » (consulté le 12 novembre 2010)
  9. (en) « Patent # 3161462 », Google Patents (consulté le 12 novembre 2010)
  10. (en) « National Academy of Sciences – Isadore Perlman 1915–1991 » (consulté le 12 novembre 2010)
  11. (en) L. B. Werner et I. Perlman, « Isolation of Curium », NNES PPR (National Nuclear Energy Series, Plutonium Project Record), vol. 14B,‎ 1949
  12. a et b (en) J. C. Wallmann, W. W. T. Crane et B. B. Cunningham, « The Preparation and Some Properties of Curium Metal », J. Am. Chem. Soc., vol. 73, no 1,‎ 1951, p. 493–494 (DOI 10.1021/ja01145a537)
  13. (en) L. B. Werner et I. Perlman, « First Isolation of Curium », J. Am. Chem. Soc., vol. 73, no 11,‎ 1951, p. 5215–5217 (DOI 10.1021/ja01155a063)
  14. a, b, c, d et e (de) « Lenntech (Curium) » (consulté le 12 novembre 2010)
  15. (en) P. R. Fields et et al., « Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris », Physical Review, vol. 102, no 1,‎ 1956, p. 180–182 (DOI 10.1103/PhysRev.102.180)
  16. a et b (en) « Informations on element curium », www.speclab.com (consulté le 12 novembre 2010)
  17. (en) B. B. Cunningham et J. C. Wallmann, « Crystal Structure and Melting Point of Curium Metal », J. Inorg. Nucl. Chem., vol. 26, no 2,‎ 1964, p. 271–275 (DOI 10.1016/0022-1902(64)80069-5)
  18. (en) J. N. Stevenson et J. R. Peterson, « Preparation and Structural Studies of Elemental Curium-248 and the Nitrides of Curium-248 and Berkelium-249 », J. Less Common Metals, vol. 66, no 2,‎ 1979, p. 201–210 (DOI 10.1016/0022-5088(79)90229-7)
  19. Gmelin, B 1, p. 67–68
  20. (en) I. D. Eubanks et M. C. Thompson, « Preparation of Curium Metal », Inorg. Nucl. Chem. Lett., vol. 5, no 3,‎ 1969, p. 187–191 (DOI 10.1016/0020-1650(69)80221-7)
  21. (en) « Neptunium physics » (consulté le 12 novembre 2010)
  22. a et b (en) V. Milman, B. Winkler et C. J. Pickard, « Crystal Structures of Curium Compounds: An ab initio study », Journal of Nuclear Materials, vol. 322, no 2–3,‎ 2003, p. 165–179 (DOI 10.1016/S0022-3115(03)00321-0)
  23. a et b (en) M. A. Denecke, A. Rossberg, P. J. Panak, M. Weigl, B. Schimmelpfennig et A. Geist, « Characterization and Comparison of Cm(III) and Eu(III) Complexed with 2,6-Di(5,6-dipropyl-1,2,4-triazin-3-yl)pyridine Using EXAFS, TRFLS, and Quantum-Chemical Methods », Inorg. Chem., vol. 44, no 23,‎ 2005, p. 8418–8425 (DOI 10.1021/ic0511726, résumé)
  24. Bünzli 1989
  25. (en) Thomas K. Keenan, « First Observation of Aqueous Tetravalent Curium », J. Am. Chem. Soc., vol. 83, no 17,‎ 1961, p. 3719–3720 (DOI 10.1021/ja01478a039)
  26. a, b et c (en) L. B. Asprey, F. H. Ellinger, S. Fried et W. H. Zachariasen, « Evidence for Quadrivalent Curium. X-ray Data on Curium Oxides », J. Am. Chem. Soc., vol. 77, no 6,‎ 1955, p. 1707–1708 (DOI 10.1021/ja01611a108)
  27. Holleman 2007, p. 1956
  28. (en) M. P. Jensen et A. H. Bond, « Comparison of Covalency in the Complexes of Trivalent Actinide and Lanthanide Cations », J. Am. Chem. Soc., vol. 124, no 33,‎ 2002, p. 9870–9877 (DOI 10.1021/ja0178620)
  29. (en) G. T. Seaborg, « Overview of the Actinide and Lanthanide (the f) Elements », Radiochim. Acta, vol. 61,‎ 1993, p. 115–122
  30. (en) « The Biochemical Periodic Tables – Curium » (consulté le 12 novembre 2010)
  31. (en) H. Moll, T. Stumpf, M. Merroun, A. Rossberg, S. Selenska-Pobell et G. Bernhard, « Time-resolved Laser Fluorescence Spectroscopy Study on the Interaction of Curium(III) with Desulfovibrio äspöensis DSM 10631T », Environ. Sci. Technol., vol. 38, no 5,‎ 1455–1459 2004 (PMID 15046347)
  32. (en) T. Ozaki, J. B. Gillow, A. J. Francis, T. Kimura, T. Ohnuki et Z. Yoshida, « Association of Eu(III) and Cm(III) with Bacillus subtilis and Halobacterium salinarium », J. Nuc. Sc. and Tech., vol. Suppl. 3,‎ 2002, p. 950–953 (résumé)
  33. a et b (en) « Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport », Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (consulté le 12 novembre 2010), p. 16
  34. (en) H. Okundo et H. Kawasaki, « Critical and Subcritical Mass Calculations of Curium-243 to -247 Based on JENDL-3.2 for Revision of ANSI/ANS-8.15 », J. Nuc. Sc. and Tech., vol. 39,‎ 2002, p. 1072–1085 (résumé)
  35. (de) § 2, Art. 1, Atomgesetz (consulté le 12 novembre 2010) (non modifiée en ce qui concerne le curium au 15 décembre 2008)
  36. Table des nucléides de Karlsruhe
  37. (de) Harry H. Binder, Lexikon der chemischen Elemente, Stuttgart, S. Hirzel Verlag,‎ 1999 (ISBN 3-7776-0736-3), p. 174–178
  38. Gmelin, A 2, p. 289
  39. (de) « Nuklide für RTGs (dernière page) » (consulté le 12 novembre 2010)
  40. (de) « Basiswissen-Kernenergie » (consulté le 12 novembre 2010)
  41. (de) « Bernd Leitenberger: Philae » (consulté le 12 novembre 2010)
  42. (de) « www.bernd-leitenberger.de (Surveyor) » (consulté le 12 novembre 2010)
  43. (en) « Histoire de la NASA » (consulté le 12 novembre 2010)
  44. Holleman 2007, p. 1980-1981
  45. Hoffmann 1979
  46. (en) L. H. Baetsle, « Application of Partitioning/Transmutation of Radioactive Materials in Radioactive Waste Management », ICTP,‎ 2001 (consulté le 12 novembre 2010). 77 pages au format pdf
  47. Holleman 2007, p. 1972
  48. (en) H. O. Haug, « Curium Sesquioxide Cm2O3 », J. Inorg. Nucl. Chem., vol. 29, no 11,‎ 1967, p. 2753–2758 (DOI 10.1016/0022-1902(67)80014-9)
  49. (en) T. K. Keenan, « Lattice Constants of K7Cm6F31 trends in the 1:1 and 7:6 Alkali Metal-actinide(IV) Series », Inorg. Nucl. Chem. Lett., vol. 3, no 10,‎ 1967, p. 391–396 (DOI 10.1016/0020-1650(67)80092-8)
  50. (en) L. B. Asprey, T. K. Keenan et F. H. Kruse, « Crystal Structures of the Trifluorides, Trichlorides, Tribromides, and Triiodides of Americium and Curium », Inorg. Chem., vol. 47,‎ 1965, p. 985–986 (DOI 10.1021/ic50029a013)
  51. (en) D. Damien, J. P. Charvillat et W. Müller, « Preparation and Lattice Parameters of Curium Sulfides and Selenides », Inorg. Nucl. Chem. Lett., vol. 11, no 7–8,‎ 1975, p. 451–457 (DOI 10.1016/0020-1650(75)80017-1)
  52. Elschenbroich 2008, p. 589

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le 249Cm a une demi-vie d'1 h, et donne à 100 % par désintégration β du berkélium 249Bk.
  2. Fluorescence orange induite par laser dans une solution de complexe tris(hydrotris)pyrazolylborato-Cm(III), avec une longueur d'onde d'excitation de 396,6 nm
  3. APXS est l'acronyme de l'anglais Alpha Particle X Spectrometer

Voir aussi[modifier | modifier le code]

  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés