Américium

Américium

Caractéristiques de l’américium

Symbole : Am
Masse atomique : 241,06 u¹
Numéro CAS : 7440-35-9
Configuration électronique : [Rn]5f⁷ 7s²
Numéro atomique : 95
Groupe : –
Bloc : Bloc f
Famille d’éléments : Actinide
Électronégativité : –
Point de fusion : 1 176 °C

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L’américium, élément atomique n°95 de symbole Am : sa spécificité, ses origines, ses isotopes, ses propriétés chimiques et son usage.

De numéro atomique 95, l’américium est de symbole Am. Il est qualifié de transuranien, c’est-à-dire un radioélément dont le numéro atomique est supérieur à celui de l’uranium (92). Il est radioactif et synthétique, et appartient à la famille des actinides. Dans les conditions normales de température et de pression, sa forme simple est un métal.

La spécificité de l’américium

L’élément 95 est un actinide radioactif. Son corps simple est de couleur blanche et argentée. Il s’assombrit progressivement au contact de l’air sec, à température ambiante.

Il n’est pas un élément de la croûte terrestre à cause de son instabilité. Cet élément artificiel est le résultat de réactions successives survenant dans le cœur des réacteurs nucléaires. À présent, il est perçu comme un déchet radioactif.

Les origines de l’américium

L’élément 95 est l’homologue chimique de l’europium. À cause des similitudes présentées avec ce lanthanide, l’américium a été aussi nommé en référence à un continent. Il a été découvert depuis peu comme tous les transuraniens. Dans les années quarante, il a pu être synthétisé artificiellement grâce à l’avancée de la physique nucléaire expérimentale.

La fin de l’année 1944 marque la première recomposition de l’américium au laboratoire métallurgique de l’université de Chicago. Glenn Seaborg, Leon Morgan, Ralph James et Albert Ghiorso ont mené cette expérience. Actuellement, le laboratoire se nomme Argonne National Laboratory. Le principe du procédé est de soumettre le plutonium 239 à des réactions consécutives de capture de neutrons. Cette expérimentation se déroule dans un réacteur nucléaire. Son résultat est la formation l’isotope ²⁴¹Am. Plus précisément, le plutonium 240 est obtenu à partir du plutonium 239. Ensuite, vient la création du ²⁴¹Pu qui a une demi-vie de 14,2 ans. Le plutonium 241 se transforme en américium 241 par émission β.

²³⁹₉₄Pu + ¹₀n → ²⁴⁰₉₄Pu

²⁴⁰₉₄Pu + ¹₀n → ²⁴¹₉₄Pu

²⁴¹₉₄Pu → ²⁴¹₉₅Am + e¯ + Ѵ_e.

Dans les années soixante-dix, la production d’électricité s’est faite à partir de parcs de réacteurs nucléaires. Depuis, l’américium est élaboré en grande quantité dans plusieurs pays. La France forme environ 1 t/an d’américium mêlé aux autres actinides et aux produits de fission. Cette grande production a motivé les recherches sur les propriétés physico-chimiques de l’élément 95.

Il est encore en cours d’étude dans les domaines en rapport avec l’industrie nucléaire au niveau des points suivants :

définition de sa stabilité en vue de sa conservation au long cours ;
perfectionnement du procédé PUREX en effectuant des recherches sur sa séparation avec les autres déchets radioactifs ;
recherche sur sa transmutation dans des réacteurs nucléaires de quatrième génération ou dans un réacteur hybride pour un éventuel retraitement.

Les isotopes de l’américium

L’américium possède 18 isotopes, de ²³¹Am à ²⁴⁷Am. Trois de ces isotopes ont une période radioactive supérieure à un an :

avec 7 370 ans pour le ²⁴³Am ;
avec 432 ans pour le ²⁴¹Am ;
avec 141 ans pour le ²⁴²Am.

En général, le ²⁴¹Am et le ²⁴³Am se désintègrent en émettant des rayonnements α. Ils deviennent respectivement du neptunium 237 et du neptunium 239. Le ²⁴²Am se stabilise par une transition isomérique. Sa demi-vie s’élève à seize heures. Il se désorganise à 83 % par radiation β pour donner du curium 242. Il se désagrège à 17 % par capture électronique pour produire du plutonium 242.

Le ²⁴¹Am est produit plus fréquemment à cause de son équilibre avec le plutonium produit dans les centrales nucléaires. Il fait partie de la chaîne de désintégration du plutonium 241. Ce dernier se dissocie en neptunium 237, émetteur α et γ de 2 millions d’années de demi-vie.

Le ²⁴¹Am, le ^242mAm et le ²⁴³Am sont des fissiles. La masse critique de l’américium 241 est située entre 60 et 100 kg. Celle de l’américium 242m varie de 9 à 18 kg. Sa légèreté le rend envisageable comme combustible spatial. Le ²⁴³Am a une masse critique estimée entre 50 et 150 kg.

Les propriétés chimiques de l’américium

À l’état solide, l’américium a trois formes cristallographiques :

la forme α obtenue par une température allant jusqu’à 1042 K ou 729 °C ;
la forme β acquise entre 1 042 et 1 350 K (729 et 1 077 °C) ;
la forme γ suite à une température entre 1 350 et 1 449 K (1 077 et 1 176 °C).

Sa forme liquide est obtenue à 1 449 K (1 176 °C) et sa forme gazeuse à 2 284 K (2 011 °C).

Beaucoup de composés chimiques contiennent de l’américium, notamment :

l’oxyde présenté par l’AmO₂ et l’Am₂O₃ ;
l’halogénure qui correspond à l’AmF₃, l’AmF₄, l’AmCl₃, l’AmBr₃ et l’AmI₃ ;
le sulfure exprimé par l’AmS ;
l’hydrure représenté par l’AmH₂ ;
le carbure sous forme de Am₂C₃.

L’état d’oxydation +3 de l’américium est retrouvé en milieu aqueux. Différents ligands (CO₃^2-, OH^–, NO₂^–, NO₃^– et SO₄^2-) peuvent se lier au cation Am³⁺et donner :

l’hydroxyde représenté par l’Am(OH)²⁺, l’Am(OH)₂⁺ et l’Am(OH)₃ ;
le carbonate exprimé par l’AmCO₃⁺, l’Am(CO₃)₂^– et l’Am(CO₃)₃^3- ;
le sulfate sous forme de AmSO₄⁺ et de Am(SO₄)₂^– ;
le nitrate qui se rapporte au AmNO₃²⁺.

Des complexes peuvent également se former en milieu aqueux avec AmO₂⁺ et produire du AmO₂CO₃^–, du AmO₂(CO₃)₂^3- ou du AmO₂(CO₃)₃^5-.

L’usage de l’américium

L’utilisation de l’américium en grande quantité est limitée à cause de sa forte radiotoxicité. Il est seulement employé pour son rayonnement ionisant. Son stockage se fait dans des sources scellées, mises en condition dans une double enveloppe en acier inoxydable.

À cause de la facilité de fabrication du ²⁴¹Am, il est le plus utilisé. Une infime quantité de ²⁴¹Am est retrouvée dans des modèles de détecteurs de fumée. Elle est sous forme d’oxyde AmO₂ et ses émissions α alimentent une chambre d’ionisation. La cristallographie le prend comme source de rayons γ. La radiographie l’adopte comme source de neutrons indirects lorsqu’il est mélangé au béryllium ou au bore.

À partir du ²⁴¹Am-Be, la production des neutrons se fait comme suit :

²⁴¹₉₅Am → ²³⁷₉₃Np + ⁴₂He

⁹₄Be + ⁴₂He → ¹²₆C + ¹₀n.

Son coût élevé a arrêté le maniement du ²⁴²Am dans la radiographie.

Les aspects sanitaires et environnementaux de l’américium

La mesure du ²⁴¹Am dans l’environnement se fait directement à partir du rejet ou indirectement de la décroissance de ²⁴¹Pu. Les principales causes de ce rejet sont :

les essais nucléaires atmosphériques qui représentent environ 80 % du total ;
l’expulsion des aménagements nucléaires lors du traitement du combustible ;
les rejets accidentels, en l’occurrence l’événement de Tchernobyl en 1986.

Dispersé dans l’environnement, l’américium peut s’incruster dans les éléments de la chaîne alimentaire. Il peut alors avoir des formes chimiques moyennement solubles. Il se transfère à peu près facilement. Chez différentes espèces, il se dépose dans le squelette, le foie et les gonades. Cette propriété est similaire aux autres transuraniens. Cependant, il se diffère du plutonium par son temps de rétention dans les organes moins éminents et sa toxicité moins considérable.

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