El americio-241 ( 241 Am , Am-241 ) es un isótopo del americio . Como todos los isótopos del americio, es radiactivo , con una vida media de 432,2 años. 241 Am es el isótopo más común de americio , así como el isótopo de americio más prevalente en los desechos nucleares . Se encuentra comúnmente en detectores de humo de tipo ionización y es un combustible potencial para generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) de larga duración . Sus nucleidos parentales comunes son β - de 241 Pu, ECdesde 241 Cm y α desde 245 Bk. 241 Am es fisionable [1] y la masa crítica de una esfera desnuda es 57.6–75.6 kilogramos y un diámetro de esfera de 19–21 centímetros. [2] El americio-241 tiene una actividad específica de 3,43 Ci / g ( curies por gramo o 126,8 gigabecquerels (GBq) por gramo). [3] Se encuentra comúnmente en forma de dióxido de americio-241 ( 241 AmO 2 ). Este isótopo también tiene un metaestado , 241 m Am, con una energía de excitación de 2,2 MeV y una vida media de 1,23 μs. La presencia de americio-241 en plutonio está determinada por la concentración original de plutonio-241 y la edad de la muestra. Debido a la baja penetración de la radiación alfa, el americio-241 solo presenta un riesgo para la salud cuando se ingiere o inhala. Las muestras más antiguas de plutonio que contienen plutonio-241 contienen una acumulación de 241 Am. En algunos casos, puede ser necesaria la eliminación química del americio-241 del plutonio reelaborado (por ejemplo, durante el reelaborado de las fosas de plutonio ).
General | |
---|---|
Símbolo | 241 am |
Nombres | americio-241, Am-241 |
Protones | 95 |
Neutrones | 146 |
Datos de nucleidos | |
Abundancia natural | 0 ( sintético ) |
Media vida | 432,2 años |
Isótopos parentales | 241 Pu ( β - ) 241 Cm ( EC ) 245 Bk ( α ) |
Productos de descomposición | 237 Np |
Masa de isótopos | 241.056829144 u |
Girar | 5 / 2− |
Exceso de energia | 52936.008 keV |
Energía de unión | 7543.272 keV |
Modos de decaimiento | |
Modo de decaimiento | Energía de desintegración ( MeV ) |
Desintegración α (alfa) | 5.486 |
emisión de γ (gamma) | 0.0595409 |
CD (desintegración del racimo) | 93.923 |
Isótopos de americio Tabla completa de nucleidos |
Nucleosíntesis
El americio-241 se ha producido en pequeñas cantidades en reactores nucleares durante décadas, y ya se han acumulado muchos kilogramos de 241 Am. [4] No obstante, desde que se puso a la venta por primera vez en 1962, su precio, alrededor de 1.500 dólares EE.UU. por gramo de 241 am, se mantiene casi sin cambios debido al complejo procedimiento de separación. [5]
El americio-241 no se sintetiza directamente a partir del uranio, el material de reactor más común, sino del isótopo de plutonio 239 Pu. Este último debe producirse primero, de acuerdo con el siguiente proceso nuclear:
La captura de dos neutrones por 239 Pu (la llamada reacción (n, γ)), seguida de una desintegración β, da como resultado 241 Am:
El plutonio presente en el combustible nuclear gastado contiene aproximadamente el 12% de 241 Pu. Debido a que se convierte en 241 Am, se puede extraer 241 Pu y se puede utilizar para generar más 241 Am. [5] Sin embargo, este proceso es bastante lento: la mitad de la cantidad original de 241 Pu decae a 241 Am después de unos 14 años, y la cantidad de 241 Am alcanza un máximo después de 70 años. [6]
El 241 Am obtenido se puede utilizar para generar isótopos de americio más pesados mediante una mayor captura de neutrones dentro de un reactor nuclear. En un reactor de agua ligera (LWR), el 79% de las capturas de neutrones en 241 Am se convierten en 242 Am y el 10% en su isómero nuclear 242m Am: [7]
- 79%:
Decaer
El americio-241 se desintegra principalmente a través de la desintegración alfa , con un subproducto de rayos gamma débil . La desintegración α se muestra de la siguiente manera:
Las energías de desintegración α son 5,486 MeV durante el 85% del tiempo (la que es ampliamente aceptada para la energía de desintegración α estándar), 5,443 MeV durante el 13% del tiempo y 5,388 MeV durante el 2% restante. [8] La energía de los rayos γ es de 59,5409 keV en su mayor parte, con pequeñas cantidades de otras energías como 13,9 keV, 17,8 keV y 26,4 keV. [9]
El segundo tipo más común de desintegración que sufre el americio-241 es la fisión espontánea , con una relación de ramificación de 3,6 × 10 -12 [10] y que ocurre 1,2 veces por segundo por gramo de 241 Am. Está escrito como tal (el asterisco denota un núcleo excitado):
El tipo de desintegración menos común (más raro) del americio-241 es la desintegración del racimo de 34 Si , con una relación de ramificación de menos de 7,4 × 10 −16 . [10] Está escrito de la siguiente manera:
Aplicaciones
Detector de humo de tipo ionización
El americio-241 es el único isótopo sintético que ha llegado al hogar, donde el tipo más común de detector de humo (el tipo de ionización) utiliza 241 AmO 2 (dióxido de americio-241) como fuente de radiación ionizante . [11] Este isótopo se prefiere sobre 226 Ra porque emite 5 veces más partículas alfa y relativamente poca radiación gamma dañina. Con su vida media de 432,2 años, el americio en un detector de humo disminuye e incluye aproximadamente un 3% de neptunio después de 19 años y aproximadamente un 5% después de 32 años. La cantidad de americio en un detector de humo nuevo típico es de 0,29 microgramos (aproximadamente un tercio del peso de un grano de arena) con una actividad de 1 microcurio (37 kBq ). Algunos detectores de humo industriales antiguos (especialmente de Pyrotronics Corporation) pueden contener hasta 80 μCi. La cantidad de 241 Am disminuye lentamente a medida que se descompone en neptunio-237 , un elemento transuránico diferente con una vida media mucho más larga (alrededor de 2,14 millones de años). Las partículas alfa radiadas pasan a través de una cámara de ionización , un espacio lleno de aire entre dos electrodos , que permite que una pequeña corriente eléctrica constante pase entre las placas del condensador debido a la radiación que ioniza el espacio de aire entre ellas. Cualquier humo que ingrese a la cámara bloquea / absorbe algunas de las partículas alfa para que no pasen libremente y reduce la ionización y, por lo tanto, causa una caída en la corriente. El circuito de la alarma detecta esta caída en la corriente y, como resultado, activa el zumbador piezoeléctrico para que suene. En comparación con el detector de humo óptico alternativo, el detector de humo por ionización es más económico y puede detectar partículas que son demasiado pequeñas para producir una dispersión de luz significativa. Sin embargo, es más propenso a las falsas alarmas . [12] [13] [14] [15]
Proceso de manufactura
El proceso para fabricar el americio utilizado en los botones de los detectores de humo de tipo ionización comienza con dióxido de americio. El AmO 2 se mezcla completamente con oro, se le da forma de briqueta y se fusiona mediante presión y calor a más de 1.470 ° F (800 ° C). Se aplica un respaldo de plata y una cubierta frontal de oro (o una aleación de oro o paladio ) a la briqueta y se sellan mediante forjado en caliente. Luego, la briqueta se procesa a través de varias etapas de laminación en frío para lograr el espesor y los niveles de emisión de radiación deseados. El grosor final es de aproximadamente 0,008 pulgadas (0,20 mm), y la cubierta dorada representa aproximadamente el uno por ciento del grosor. La tira de papel de aluminio resultante, que tiene aproximadamente 0,8 pulgadas (20 mm) de ancho, se corta en secciones de 39 pulgadas (1 m) de largo. Las fuentes se perforan fuera de la tira de lámina. Cada disco, de aproximadamente 0,2 pulgadas (5,1 mm) de diámetro, está montado en un soporte de metal, generalmente de aluminio. El titular es la carcasa, que es la mayor parte de lo que se ve en el botón. El borde delgado del soporte se enrolla para sellar completamente el borde cortado alrededor del disco. [dieciséis]
Generación de energía RTG ( Generador termoeléctrico de radioisótopos )
Como 241 Am tiene una vida media aproximadamente similar a 238 Pu (432,2 años frente a 87 años), se ha propuesto como un isótopo activo de generadores termoeléctricos de radioisótopos , para su uso en naves espaciales. [17] [18] Aunque el americio-241 produce menos calor y electricidad que el plutonio-238 (el rendimiento de energía es de 114,7 mW / g para 241 Am frente a 390 mW / g para 238 Pu) [17] y su radiación plantea un mayor amenaza para los humanos debido a la emisión de gamma y neutrones, tiene ventajas para misiones de larga duración con su vida media significativamente más larga. La Agencia Espacial Europea está trabajando en RTG basados en americio-241 para sus sondas espaciales [19] como resultado de la escasez mundial de plutonio-238 y el fácil acceso al americio-241 en Europa procedente del reprocesamiento de residuos nucleares. [20] [21]
Sus requisitos de blindaje en un RTG son los segundos más bajos de todos los isótopos posibles: solo 238 Pu requiere menos. Una ventaja sobre el 238 Pu es que se produce como residuo nuclear y es casi isotópicamente puro. Diseños de prototipos de 241 Am RTG esperan 2-2,2 W e / kg de 5-50 W e diseño de RTG, poniendo 241 Am RTG en paridad con 238 Pu RTG dentro de ese rango de potencia. [22]
Fuente de neutrones
Los óxidos de 241 Am prensados con berilio pueden ser fuentes de neutrones muy eficientes , ya que emiten partículas alfa durante la desintegración radiactiva :
Aquí el americio actúa como la fuente alfa, y el berilio produce neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α, n):
El uso más extendido de las fuentes de neutrones 241 AmBe es una sonda de neutrones , un dispositivo que se utiliza para medir la cantidad de agua presente en el suelo, así como la humedad / densidad para el control de calidad en la construcción de carreteras. Las fuentes de neutrones 241 Am también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, así como en radiografía de neutrones , tomografía y otras investigaciones radioquímicas. [23]
Producción de otros elementos
El americio-241 se utiliza a veces como material de partida para la producción de otros elementos transuránicos y transactínidos ; por ejemplo, el bombardeo de neutrones de 241 Am produce 242 Am:
A partir de ahí, el 82,7% de 242 Am decae a 242 Cm y el 17,3% a 242 Pu:
82,7% →
17,3% →
En el reactor nuclear, 242 Am también se convierte por captura de neutrones en 243 Am y 244 Am, que se transforma por desintegración β en 244 Cm:
La irradiación de 241 Am por iones de 12 C o 22 Ne produce los isótopos 253 Es ( einstenio ) o 263 Db ( dubnio ), respectivamente. [24] Además, el elemento berkelio ( isótopo 243 Bk) había sido producido e identificado intencionalmente por primera vez bombardeando 241 Am con partículas alfa, en 1949, por el mismo grupo de Berkeley, utilizando el mismo ciclotrón de 60 pulgadas que se había utilizado para muchos experimentos previos. De manera similar, el nobelio se produjo en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear , Dubna , Rusia, en 1965 en varias reacciones, una de las cuales incluyó la irradiación de 243 Am con iones de 15 N. Además, una de las reacciones de síntesis del lawrencio , descubierta por científicos en Berkeley y Dubna, incluyó el bombardeo de 243 Am con 18 O. [25]
Espectrómetro
El americio-241 se ha utilizado como fuente portátil de rayos gamma y partículas alfa para varios usos médicos e industriales. Las emisiones de rayos gamma de 59,5409 keV de 241 Am en tales fuentes se pueden utilizar para el análisis indirecto de materiales en radiografía y espectroscopia de fluorescencia de rayos X, así como para el control de calidad en medidores de densidad nuclear fijos y densómetros nucleares . Por ejemplo, este isótopo se ha empleado para medir el espesor del vidrio para ayudar a crear vidrio plano. [4] El americio-241 también es adecuado para la calibración de espectrómetros de rayos gamma en el rango de baja energía, ya que su espectro consta de casi un solo pico y un continuo de Compton insignificante (al menos tres órdenes de magnitud menor de intensidad). [26]
Medicamento
Los rayos gamma del americio-241 se han utilizado para proporcionar un diagnóstico pasivo de la función tiroidea . Esta aplicación médica ahora está obsoleta. Los rayos gamma de Americium-241 pueden proporcionar radiografías de calidad razonable , con un tiempo de exposición de 10 minutos. Las radiografías de 241 Am solo se han tomado de manera experimental debido al largo tiempo de exposición que aumenta la dosis efectiva para los tejidos vivos. La reducción de la duración de la exposición reduce la posibilidad de que los eventos de ionización causen daño a las células y al ADN, y es un componente crítico de la máxima de "tiempo, distancia, protección" utilizada en la protección radiológica . [27]
Peligros
El americio-241 tiene los mismos peligros generales que otros isótopos de americio: es extremadamente tóxico y radiactivo. Aunque las partículas α pueden detenerse con una hoja de papel, existen serios problemas de salud por la ingestión de emisores α. El americio y sus isótopos también son muy tóxicos químicamente, en forma de toxicidad por metales pesados. Tan solo 0,03 μCi (1110 Bq) es la carga corporal máxima permitida para 241 am. [28]
El americio-241 es un emisor α con un subproducto de rayos γ débil. El manejo seguro del americio-241 requiere conocer y seguir las precauciones de seguridad adecuadas, ya que sin ellas sería extremadamente peligroso. Su constante de dosis gamma específica es 3.14 x 10 −1 mR / hr / mCi o 8.48 x10 −5 mSv / hr / MBq a 1 metro. [29]
Si se consume, el americio-241 se excreta en unos pocos días y solo el 0,05% se absorbe en la sangre. A partir de ahí, aproximadamente el 45% va al hígado y el 45% a los huesos, y el 10% restante se excreta. La captación por el hígado depende del individuo y aumenta con la edad. En los huesos, el americio se deposita primero sobre las superficies corticales y trabeculares y se redistribuye lentamente sobre el hueso con el tiempo. La vida media biológica del 241 Am es de 50 años en los huesos y de 20 años en el hígado, mientras que en las gónadas (testículos y ovarios) permanece de forma permanente; en todos estos órganos, el americio promueve la formación de células cancerosas como resultado de su radiactividad. [30]
El americio-241 a menudo ingresa a los vertederos desde los detectores de humo desechados . Las reglas asociadas con la eliminación de detectores de humo se relajan en la mayoría de las jurisdicciones. En Estados Unidos, el "Radioactive Boy Scout" David Hahn pudo concentrar el americio-241 de los detectores de humo después de haber logrado comprar un centenar de ellos a precios restantes y también robar algunos. [31] [32] [33] [34] Ha habido algunos casos de exposición al americio-241, el peor de los casos fue el de Harold McCluskey , quien a la edad de 64 años estuvo expuesto a 500 veces el estándar ocupacional para el americio. -241 como resultado de una explosión en su laboratorio. McCluskey murió a la edad de 75 años, no como resultado de la exposición, sino de una enfermedad cardíaca que tenía antes del accidente. [35] [36]
Ver también
Isótopos de americio
Referencias
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