Curium

Le curium, élément atomique n°96 de symbole Cm : sa découverte, sa distribution et ses propriétés.

La découverte du curium

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.

L’obtention et la préparation du curium

L’obtention des isotopes du curium

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.

²⁵²₉₈Cf^α → 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.

²⁴⁹₉₇Bk^β- → ²⁴⁹₉₈Cf^α → ²⁴⁵₉₆Cm

Les propriétés chimiques du curium

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.

Les aspects biologiques du 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.

Les propriétés fissiles du curium

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.

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.

Les isotopes du curium

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 :

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.

Les usages du curium

Dans le générateur thermoélectrique à radioisotope

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.

Dans les spectromètres X

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.

Dans la production d’autres éléments

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.

Les mesures de sécurité concernant le curium

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.

Les effets du curium sur le corps humain

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 problèmes liés au retraitement des déchets nucléaires

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 :

• une séparation chimique du combustible usagé ;
• un assemblage des éléments ;
• une suite propre à chaque groupe en vue d’obtenir un reste apte à être stocké.

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.

Les réactions et les composés du curium

Les oxydes du curium

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.

Les halogénures de curium

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 sels de chalcogènes et de pnictogènes

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.

Les composés organo-métalliques

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.