De numéro atomique 96, le curium est l’élément de symbole Cm. Il fait partie des actinides. Il est également un élément synthétique transuranien. Son nom fait référence à Pierre et à Marie Curie.
Ce métal radioactif est de couleur blanche argentée. Il est très dur. Sa formation se déroule dans les réacteurs nucléaires. Environ 20 g de l’élément 96 sont retrouvés dans une tonne de combustible usé.
En été 1944, le curium a été synthétisé à partir du plutonium. Ce dernier est un élément plus léger. Cette expérience a d’abord été dissimulée aux yeux de tous. Un an plus tard, Glenn T. Seaborg annonce publiquement la découverte de l’élément 96 lors d’une émission pour les enfants sur un média américain. Étant invité, il a répondu à un jeune auditeur qui a posé une question sur la découverte de nouveaux éléments. L’élément 96 émet abondamment des particules α. Cette propriété lui confère une grande puissance thermique. De ce fait, des générateurs thermoélectriques à radioisotope l’ont testé comme source de chaleur. Il a aussi une application dans la formation de plutonium 238. Ce dernier sert d’activateur de stimulateur cardiaque. Il peut aussi être utilisé dans les générateurs à radioisotope de faible radioactivité γ. Le curium est la matière première des autres transactinides et transuraniens. Il a son usage comme source de rayons α dans les spectromètres X. Ces spectromètres ont permis l’analyse de la surface de la comète 67P/Tchourioumov-Guerassimenko par l’atterrisseur Philaé de la sonde Rosetta. Ils ont aussi aidé à l’analyse des roches sur Mars par les robots Spirit, Sojourner et Opportunity.
L’année 1944 marque la découverte du curium par Glenn T. Seaborg, Albert Ghiorso et Ralph A. James. Leur série de recherches s’est déroulée à l’Université de Californie à Berkeley à l’aide d’un cyclotron de 1,50 m. L’élément 96 est le troisième transuranien découvert depuis 1940, après le neptunium et le plutonium. L’élaboration du curium a abouti avant celle de l’américium. Pourtant, ce dernier a un numéro atomique inférieur d’une unité.
Les oxydes de l’élément à irradier servent de matières premières pour l’élaboration d’un nouvel élément. Pour l’élément 96, du nitrate de 239Pu est étalé sur une feuille de platine de 0,5 cm². Après l’évaporation de la solution, le chauffage du sel restant conduit au dioxyde de plutonium. S’ensuit une exposition dans le cyclotron, une dissolution par l’acide nitrique et une précipitation par un mélange ammoniacal. L’étape suivante consiste à dissoudre le reste par l’acide perchlorique. Les échangeurs d’ions aident à la séparation finale. Ces recherches ont conduit à la production du 242Cm et 240Cm.
En août 1944, l’irradiation de plutonium 239 avec des particules α donne du curium 242 :
23994Pu + 42He → 24296Cm + 10n.
L’énergie de la particule α émise à la désintégration facilite l’identification de l’isotope :
24296Cm → 23894Pu + 42He.
Cette désintégration avait une demi-vie de 150 j. Actuellement, la meilleure mesure est de 162,8 j.
En mars 1945, le même groupe de scientifiques découvre le 240Cm. Le principe est la même que celui du 242Cm : du 239Pu irradié par des particules α.
23994Pu + 42He → 24096Cm + 310n.
Cette désintégration avait une demi-vie de 27,6 j. Présentement, la mesure est de 27 j.
Étant en pleine Seconde Guerre mondiale, l’identification du curium n’a pas été révélée immédiatement. Le 11 novembre 1945, Glenn Seaborg a participé à l’émission de radio américaine Quiz Kids. Un jeune auditeur a demandé la découverte de nouveaux éléments lors de la recherche sur les armes chimiques. Le scientifique a annoncé l’identification du curium et de l’américium. Cette déclaration précède l’annonce officielle dans un colloque de l’American Chemical Society.
Plus tard, la découverte de l’élément, de ces isotopes et de leurs composés a été accréditée à Glen Seaborg. Cette série de recherches a été nommée « ELEMENT 96 AND COMPOSITIONS THEREOF »
La nomenclature de l’élément 96 correspond à celle du gadolinium. Ce dernier se trouve juste au-dessus du curium dans le tableau périodique des éléments. Ses sept électrons 4 f sont aussi analogues aux 7 électrons 5 f de l’élément 96. Le terme curium fait référence aux célèbres physiciens Pierre et Marie Curie. En effet, leurs travaux ont conduit à la recherche sur la radioactivité. De son côté, le gadolinium a été nommé en l’honneur du célèbre scientifique Johan Gadolin.
En 1947, Louis Werner et Isadore Perlman ont créé la première quantité pondérale de curium. Elle est sous forme d’hydroxyde de curium. Le principe du procédé est l’irradiation neutronique de 241Am. Le résultat a produit 40 µg de 242Cm(OH)3. En 1951, le baryum a réduit le curium en CmF3.
En 2016, une étude a prouvé qu’au début le système solaire renfermait du curium. Une météorite contenant de l’uranium 235 qui est un produit de désagrégation du curium 247 a permis de confirmer cette hypothèse.
L’isotope avec la plus longue période de vie est le 247Cm. Elle ne s’élève que de 15,6 × 106 années. De ce fait, le curium terrestre initial s’est désagrégé. La recherche utilise de petites quantités de curium synthétisé. Les combustibles usés des réacteurs nucléaires contiennent aussi une infime quantité de l’élément 96.
Jusqu’en 1980, le curium environnemental découle des tests de bombes atomiques atmosphériques. Les déchets nucléaires et les autres tests atomiques ont augmenté la concentration de curium local. Cela n’influence que très peu la radioactivité naturelle.
Le 1er novembre 1952, les déchets d’Ivy Mike, la première bombe H américaine, ont été explorés. Ces débris sur l’atoll d’Enewetak ont permis l’identification de plusieurs éléments :
Ce jour a marqué la découverte du 245Cm et du 246Cm. De petites quantités de 247Cm, de 248Cm et des traces de 249Cm ont été également mises en évidence.
Ces résultats n’ont été publiés que quatre ans plus tard, à cause de sa couverture par le secret militaire.
Les réacteurs nucléaires sont le lieu de formation de petites quantités de curium. Le stock mondial n’est que de quelques kg. Le prix du 244Cm ou du 248Cm est très onéreux, s’élevant à environ 160 USD/mg. Une série de réactions nucléaires se déroule dans les réacteurs à partir du 238U. La capture neutronique est une étape importante de la formation. Le nucléide excité se désintègre par rayonnement γ et devient sa forme de base. Les fissions des autres noyaux du réacteur créent les neutrons libres. S’ensuivent deux désintégrations β- et la production de 239Pu. Cette réaction est à l’origine de nouveaux matériaux fissiles dans les réacteurs surrégénérateurs.
23892U (n,γ) → 23992U β– → 23993Np β- → 23994Pu.
La désintégration de l’uranium 239 en neptunium 239 dure 23,5 minutes. À partir de ce stade, le neptunium 239 se désagrège pendant 2,25 j en plutonium 239.
Deux captures neutroniques et une désintégration β– forment l’américium 241. Ce dernier subit une autre capture neutronique et une désintégration β– pour donner le curium 242 :
23994Pu 2(n,γ) → 24194Pu β- → 24195Am (n,γ) → 24295Am β- → 24296Cm
La désintégration du 241Pu en 241Am dure 14,35 années et le 242Am en 242Cm 16,02 h.
Une autre façon de produire du curium commence par le plutonium obtenu à partir de combustibles nucléaires usés. Ce plutonium sera irradié par un flux élevé de sources de neutrons. Une autre chaîne de réaction peut prédominer si le flux est augmenté.
Plus précisément, le plutonium 239 se transforme par quatre capteurs neutroniques succincts en 243Pu. Ce dernier subit une désintégration β– pendant 4,96 h pour donner de l’américium 243. L’isotope subit ensuite une nouvelle capture neutronique et forme l’américium 244. S’ensuit une désintégration β– de 10,1 h. L’aboutissement final de la série est le 244Cm.
23994Pu 4(n,γ) → 24394Pu β- →24395Am (n,γ) → 24495Am β- → 24496Cm α → 24094Pu.
Puisque cette réaction se déroule dans les réacteurs nucléaires, le 244Cm est retrouvé dans les produits de retraitement de combustibles nucléaires.
Des isotopes lourds sont produits dans le réacteur à partir du 244Cm. À cause de leur durée de vie longue, le 247Cm et le 248Cm sont très sollicités dans les recherches.
A96Cm + 10n → A+196Cm + γ
La courte durée de vie du 249Cm défavorise la production de 250Cm. Elle diminue la possibilité de capture neutronique. La désintégration α du californium 254 produit du curium 250. Pourtant, le 254Cf se désagrège surtout par fission spontanée et rarement par désintégration α.
Le curium produit est un mélange de plusieurs isotopes. Cela est dû à une série de désintégrations β- et de captures neutroniques. Leur morcellement est particulièrement difficile.
Le 248Cm est très employé dans les expériences, car elle a une grande vie. La désintégration alpha du californium 252 est le procédé le plus sûr pour produire l’isotope. Elle dure 2,645 années. À cause de sa longue vie, le 252Cf est obtenu en beaucoup de quantité. La pureté isotopique du curium 248 obtenu est de 97 %. Sa production annuelle est de l’ordre de 35 à 50 mg.
25298Cfα → 24896Cm
La désintégration β– du berkélium 249 produit une infime quantité de californium 249. La désintégration de ce dernier pendant 351 ans produit le curium 245.
24997Bkβ- → 24998Cfα → 24596Cm
La réduction des composés forme le curium métallique. La première étape consiste à réduire du fluorure de curium. Dans un appareil en tungstène ou en tantale, le fluorure réagit avec du lithium ou du baryum en absence d’oxygène ou d’eau.
CmF3 + 3 Li → Cm + 3 LiF
Le curium métallique peut aussi être obtenu par réduction de dioxyde de curium. Elle se fait par alliage de zinc et de magnésium dans un flux de fluorure de magnésium et chlorure de magnésium.
Ce métal artificiel est radioactif et dur. Son aspect imite le gadolinium. Il est donc de couleur blanche argentée. Ses autres propriétés physico-chimiques ressemblent à son analogue des lanthanides. Comparé aux transuraniens découverts ultérieurement, le curium a un point de fusion plus élevé. Il s’élève à 1 340 °C si celui de l’américium est de 1 173 °C, le plutonium 639 °C, le neptunium 637 °C. Soumis à une température de 1 312 °C, le gadolinium fond. À 3 110 °C, le curium est en ébullition.
Dans les conditions normales de température et de pression, on n’observe qu’une structure cristalline, le Cm-α. Son réseau est hexagonal de groupe P63/mmc. La configuration du réseau est de 4 atomes par cellules élémentaires, a= 365 pm et c= 1 182 pm. Un double empilement hexagonal compact et une suite de couches type ABAC constituent la structure. Cette forme est isotypique à celle de la structure α du lanthane.
Soumis à une pression supérieure à 23 GPa, le Cm-α devient Cm-β. Ce dernier est de structure cubique du groupe Fm3m. Le réseau cubique est à faces centrées compactes munies d’une série de couches ABC. Le paramètre de réseau est a= 493 pm.
La spectroscopie de fluorescence laser résolue en temps étudie la fluorescence des ions Cm stimulés. Cette fluorescence est suffisamment longue pour être exploitée. L’énorme distance entre le premier état excité 6D7/2 et le fondamental 8S7/2 explique cette longue fluorescence. Cela est utile dans la sélection de composés de curium dans un lot important. En effet, la fluorescence des autres ions métalliques ou des substances organiques est plus courte.
Le nombre d’oxydation le plus stable du curium est +3 : Cm2O3 et Cm(OH)3. Parfois, il peut être rencontré au degré d’oxydation +4 : CmO2. La chimie du curium imite les lanthanides et l’américium. Le Cm3+ est incolore et le Cm4+ est jaune pâle en solution aqueuse.
Les ions curium appartiennent aux acides forts de Lewis. Il construit les complexes les plus stables avec les bases fortes. L’élaboration des complexes se base sur les interactions ioniques et ne possède qu’une composante covalente. Le processus de complexation du curium imite plus les lanthanides que les actinides comme le thorium et l’uranium. Une coordinence à neuf éléments géométriquement de trois prismes à trois côtés se juxtaposant est privilégiée par le curium.
Hormis son caractère radioactif, le curium n’a pas de pouvoir biologique spécifique. Des chercheurs ont étudié l’absorption de Cm3+ par des archées et des bactéries.
À cause de leur haute section efficace, 243Cm, 245Cm et 247Cm ont leur utilisation comme combustibles pour réacteur thermique. Les isotopes de 242Cm à 248Cm et 250Cm assurent une réaction en chaîne. Certains le font juste avec des neutrons rapides. Dans un surgénérateur rapide, les combustibles peuvent être formés par n’importe quelle combinaison de ces isotopes. Le bénéfice réside dans le retraitement de combustible usagé. Une séparation chimique suffit au lieu de faire une séparation isotopique.
Le tableau ci-dessous montre les masses critiques pour un cercle dépourvu de modérateur et de réflecteur, puis pourvu de réflecteur et enfin des deux.
| Isotope | Masse critique | Rayon | + réflecteur | + modérateur + réflecteur |
| 242Cm | 371 kg | 40,1cm | ||
| 243Cm | 7,34 à 10 kg | 10 à 11 cm | 3 à 4 kg | 155g |
| 244Cm | 13,5 à 30 kg | 12,4 à 16 cm | ||
| 245Cm | 9,41 à 12,3 kg | 11 à 12 cm | 3 à 4 kg | 59 g |
| 246Cm | 18 à 21 cm | |||
| 247Cm | 6,94 à 7,06 kg | 9,9 cm | 3 à 4 kg | 1,55 kg |
| 248Cm | 40,4 kg | 19,2 cm | ||
| 250Cm | 16 cm |
Les masses critiques des isotopes impairs tournent autour de 3 à 4 kg lorsqu’ils sont pourvus de réflecteurs. Ces masses se réduisent en solution aqueuse avec réflecteur. La précision de ces valeurs avoisine les 15 %. En effet, les données physiques pertinentes sont incertaines et selon les sources, les indications sont très variables. Sa rareté, son prix onéreux et une loi allemande ôtent au curium son usage comme combustible nucléaire.
Les curium 245 et 247 ont une utilisation dans la construction de réacteurs et d’armes nucléaires. À cause de leur courte durée de vie, le 243Cm utilisé dans les bombes doit être en constant entretien. En plus, le curium 243 transforme l’énergie en chaleur par sa désintégration α. Cette capacité rend difficile la construction d’une bombe. Cependant, la faible masse critique de certaines serait apte pour la construction des mini-bombes.
À cause de la faible disponibilité du curium, aucune étude sur les bombes miniaturisées n’a été menée.
Le curium ne possède que des radionucléides. Néanmoins, il n’a pas d’isotopes stables. Vingt isotopes et sept isomères ont été identifiés : de 233Cm à 252Cm. Le curium 247 et le curium 248 ont les plus longues demi-vies, respectivement de 15,6 × 106 ans et 348 000 ans. La demi-vie du 245Cm est de 8 500 ans, celle du 250Cm de 8 300 ans et celle du 246Cm de 4 760 ans. Environ 86 % des désintégrations du curium 250 sont des fissions spontanées. Ce fait suscite la curiosité.
Le curium 242 et le curium 244 sont les isotopes les plus utilisés. Leurs demi-vies sont respectivement de 162,8 j et de 18,1 ans.
Des neutrons thermiques induisent une fission. Les sections efficaces sont d’environ :
| 242Cm | 243Cm | 244Cm | 245Cm | 246Cm | 247Cm | 248Cm |
| 5 barns | 620 barns | 1,1 barn | 2 100 barns | 0,16 barn | 82 barns | 0,36 barn |
Cette propriété répond à la règle sur les nucléides transuraniens. Elle stipule que presque les nucléides transuraniens à nombre impair de neutrons sont aisément fissiles du point de vue thermique.
L’élément 96 est une des substances les plus radioactives. Le curium 242 a une demi-vie de 162,8 j et le curium 244 18,1 ans. Ils ont des énergies α d’approximativement 6 MeV. De courtes demi-vies, ils sont produits dans les réacteurs. Par rapport au radium 226, ils ont une plus grande activité. Le 226Ra a une demi-vie de 1 600 ans et il est produit dans la chaîne de désintégration naturelle uranium-radium. La radioactivité de ces isotopes produit une chaleur intense. Si le 244Cm émet 3 W/g, le 242Cm peut émettre jusqu’à 120 W/g. À cause de cette grande émission de chaleur, ces isotopes ont leur utilisation dans des générateurs thermoélectriques à radioisotope. Le trioxyde de dicurium (Cm2O3) est une source d’énergie électrique pour les sondes spatiales.
L’utilisation du 244Cm a été particulièrement étudiée. Son blindage d’émetteur α doit être plus mince que celui d’un émetteur β. Toutefois, ses taux de neutrons, de γ et de fission spontanée sont plus marqués que ceux du 238Pu. Ce dernier a une demi-vie de 87,7 ans. L’association d’un taux élevé d’irradiation neutronique, d’un blindage plus pesant contre les γ et d’une plus courte demi-vie avantage le 238Pu.
Le 238Pu des générateurs thermoélectriques à radioisotope pour stimulateurs cardiaques a été substitué par du 242Cm. La réaction (n,2n) du 237Np a produit du 236Pu. Ce dernier contamine le 238Pu produit dans les réacteurs. La réaction contient dans sa chaîne de désintégrations un émetteur γ (le 208Tl). L’irradiation par du deutérium de l’uranium fabrique du 238Pu avec défaut. Le rayonnement fabriquant les stimulateurs cardiaques contenus dans les autres isotopes du curium sont moins importants. Ils sont beaucoup produits dans les réacteurs et conduisent dans la chaîne de désintégration à des isotopes de longue vie.
L’institut de chimie Otto Hahn de la société Max-Planck a mis au point à Mayence des spectromètres X à particules α. Ils utilisent comme source de rayonnement α le curium 244. Grâce à ces spectromètres, Soujourner, Opportunity et Spirit ont pu faire des analyses chimiques de la roche du sol martien. Le spectromètre X de l’atterrisseur Philaé de la sonde spatiale Rosetta a aussi pu faire des analyses de la composition de la comète 67P/Tchourioumov-Guerassimenko.
Des spectromètres α étaient à bord des sondes spatiales Surveyor 5 à 7. Avec l’aide du 242Cm, ils mesuraient les protons obtenus par éjection de particules α. Ils évaluent aussi les particules α renvoyées en arrière.
La production de transactinides et de transuraniens plus élevés utilise du curium. Le seaborgium 265 est le produit de l’irradiation du curium 248 par des noyaux d’oxygène 18. Les hassium 269 et 270 sont obtenus par irradiation du curium 248 par des noyaux de magnésium 26.
Un règlement allemand indique le degré de danger d’une substance. Le curium et ses composés ne sont pas concernés par la liste. Cette dernière n’intéresse que les risques chimiques qui sont négligeables par rapport à la radioactivité. Les dangers de la radioactivité ne sont importants qu’avec une certaine quantité de matières.
À cause de l’existence exclusive d’isotopes radioactifs, la manipulation du curium et de ses composés doit se faire dans des laboratoires spécialisés et sécurisés. Elle doit éviter d’incorporer les isotopes courants émetteurs α. La plupart des isotopes se désagrègent en partie par fission spontanée. Les produits de fission ont un large spectre et sont souvent radioactifs. Ils émettent des rayonnements γ de haute énergie. Cela confère un risque supplémentaire et doit être pris en compte lors de la rédaction des consignes de sécurité.
En cas d’absorption avec de la nourriture, la grande partie du curium est excrétée. Seul 0,05 % du curium ingéré passe dans la circulation générale. Environ 45 % de cette quantité se déposent ensuite dans les os. Le foie est aussi le siège de 45 % de l’élément 96 et les 10 % restants sont éliminés.
L’hématopoïèse ou la production de globules rouges est stoppée par un dépôt de curium entre la moelle et le corps osseux. Vient ensuite une diffusion lente vers la corticale.
L’inhalation du curium accumule une plus grande quantité. Cette forme d’absorption présente ainsi un haut risque. Sous forme soluble, le 244Cm a une charge totale admissible pour le corps humain de 0,3 µCi.
Le principal risque de l’ingestion du curium par l’homme est une élévation du taux des cancers des os. Cela a été observé lors d’une expérience menée chez le rat. Elle consistait à injecter par voie intraveineuse du curium 242 et 244. Le cancer du foie et du poumon sont les résultats de l’inhalation des isotopes du curium.
Les isotopes du curium se forment par réactions (n, γ) suivies de désintégration β. Cette formation se déroule dans les réacteurs nucléaires avec une grande durée d’usage de combustibles. Environ 20 g de variétés d’isotopes de curium sont renfermés dans une tonne de combustibles usagés. Les émetteurs α de nombre de masse entre 245 et 248 sont indésirables dans les déchets radioactifs. Cela est dû à leur grande demi-vie. Ils doivent être comptabilisés comme déchets transuraniens. Pour réduire leur radiotoxicité à grande période dans les stockages définitifs, on pourrait séparer les isotopes à grande vie des combustibles irradiés.
Les procédés de séparation et de mue atomique sont étudiés en vue d’éliminer l’élément 96. Trois étapes constituent le processus appliqué :
Ce concept a pour but de transformer les isotopes du curium en nucléides à courte vie. Il consisterait à exposer les isotopes à irradiation par neutron dans des réacteurs spécialisés. Les recherches dans ce sens sont en cours.
L’oxygène attaque aisément le curium. Les oxydes de curium ont des degrés d’oxydation +3 qui est le Cm2O3 et +4 qui est le CmO2. Un oxyde bivalent a aussi été identifié, le CmO.
Le dioxyde de curium noir est obtenu directement à partir des éléments. En présence d’oxygène ou d’air, le procédé consiste à chauffer le curium métallique. Cependant, cette manipulation est délicate. Le chauffage de sels de curium est alors préféré pour les petites quantités. Ces sels sont le nitrate de curium ou Cm(NO3)3 et l’oxalate de curium ou Cm2(C2O4)3.
Une décomposition thermique dans le vide à 600 °C du dioxyde de curium donne du trioxyde de dicurium:
4 CmO2 ΔT → 2 Cm2O3 + O2
Une autre méthode consiste à réduire le dioxyde de curium à l’aide de l’hydrogène moléculaire.
Les Cm2O3 et le CmO2 sont les formes de curium les plus retrouvées dans la nature.
Quatre halogènes stables sont à la base des halogénures de curium.
Précipiter des solutions renfermant du curium avec des ions fluorures permet l’obtention du fluorure de curium incolore ou CmF3. La transformation de ce fluorure par du fluor moléculaire permet d’obtenir du fluorure de cérium tétravalent ou CmF4:
2 CmF3 + F2 → 2 CmF4
On connaît une série de fluorures complexes avec un métal alcalin : M7Cm6F31.
La réaction du chlorure d’hydrogène sec HCl et l’hydroxyde de curium Cm(OH)3 donnent du chlorure de curium incolore CmCl3. La formation d’iodure de curium incolore et de bromure de curium vert clair emploie le chlorure de curium. Le processus consiste à déplacer le chlore à l’aide de l’halogénure d’ammonium :
CmCl3 + 3 NH4I → CmI3 + 3 NH4Cl
Les sulfures et les séléniures sont des sels de chalcogènes. L’action du sélénium gazeux ou du soufre purs à haute température permet d’avoir ces sels.
Les sels de pnictogènes sont du type CmX. Leurs éléments X sont le phosphore, l’antimoine, l’arsenic et l’azote. L’action à haute température des éléments X avec du curium métallique ou de l’hydrure de curium permet la production de ces sels.
L’uranocène est un composé organo-métallique formé par de l’uranium et deux ligands de cyclooctatétraène. D’une façon similaire, l’américium, le protactinium, le neptunium et le thorium présentent des complexes correspondants.
Un curocène est un composé analogue à l’uranocène. La théorie des orbitales moléculaires suppose la synthèse de ce (n8-C8H8)2Cm. Les recherches n’ont pas encore abouti.
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