El americio-241 ( 241 Am , Am-241 ) es un isótopo del americio . Como todos los isótopos del americio, es radiactivo , con una vida media de432,2 años . El 241 Am es el isótopo más común del americio , así como el isótopo más frecuente del americio en los residuos nucleares . Se encuentra comúnmente en detectores de humo de tipo ionización y es un combustible potencial para generadores termoeléctricos de radioisótopos de larga vida útil (RTG). Sus nucleidos parentales comunes son β − de 241 Pu, EC de 241 Cm y α de 245 Bk. El 241 Am no es fisible , pero es fisionable , y la masa crítica de una esfera desnuda es de 57,6–75,6 kilogramos (127,0–166,7 lb) y un diámetro de esfera de 19–21 centímetros (7,5–8,3 in). [2] El americio-241 tiene una actividad específica de 3,43 Ci / g (126,91 GBq /g). [3] Se encuentra comúnmente en forma de dióxido de americio-241 ( 241 AmO 2 ). Este isótopo también tiene un estado meta , 241m Am, con una energía de excitación de 2,2 MeV (0,35 pJ ) y una vida media de1,23 μs . La presencia de 241 Am en el 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 plantea un riesgo para la salud cuando se ingiere o inhala. Las muestras más antiguas de plutonio que contienen 241 Pu 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 fosas de plutonio ).
El americio-241 se ha producido en pequeñas cantidades en reactores nucleares durante décadas, y hasta ahora se han acumulado muchos kilogramos de 241 Am. [4] : 1262 Sin embargo, desde que se ofreció por primera vez a la venta en 1962, su precio, alrededor de 1.500 dólares estadounidenses por gramo de 241 Am, permanece casi sin cambios debido al procedimiento de separación muy complejo. [5]
El americio-241 no se sintetiza directamente a partir del uranio (el material más común en los reactores), sino a partir del plutonio-239 ( 239 Pu). Este último debe producirse primero, según el siguiente proceso nuclear:
La captura de dos neutrones por 239 Pu (una reacción denominada (n,γ)), seguida de una desintegración β, da como resultado 241 Am:
El plutonio presente en el combustible nuclear gastado contiene aproximadamente un 12% de 241 Pu. Debido a que se convierte en 241 Am, se puede extraer 241 Pu y utilizarlo para generar más 241 Am. [5] Sin embargo, este proceso es bastante lento: la mitad de la cantidad original de 241 Pu se desintegra en 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 la 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]
El americio-241 se desintegra principalmente por desintegración alfa , con un subproducto débil de rayos gamma . La desintegración alfa se muestra de la siguiente manera:
Las energías de desintegración α son 5,486 MeV (0,8790 pJ) durante el 85% del tiempo (la que se acepta ampliamente como energía de desintegración α estándar), 5,443 MeV (0,8721 pJ) durante el 13% del tiempo y 5,388 MeV (0,8633 pJ) durante el 2% restante. [8] La energía de los rayos γ es 59,5409 keV (9,53950 fJ) en su mayor parte, con pequeñas cantidades de otras energías como 13,9 keV (2,23 fJ), 17,8 keV (2,85 fJ) y 26,4 keV (4,23 fJ). [9]
El segundo tipo de desintegración más común 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. Se escribe así (el asterisco indica un núcleo excitado):
El tipo de desintegración menos común (más raro) del americio-241 es34Si desintegración en cúmulos , con una relación de ramificación de menos de 7,4×10 −16 . [10] Se escribe de la siguiente manera:
El americio-241 es el único isótopo sintético que ha llegado a los hogares, donde el tipo más común de detector de humo (el de ionización) utiliza241
Soy
Oh
2(dióxido de americio-241) como su fuente de radiación ionizante . [11] Este isótopo se prefiere sobre226
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porque emite cinco veces más partículas alfa y relativamente poca radiación gamma dañina. Con una vida media de432,2 años , el americio en un detector de humo disminuye e incluye aproximadamente un 3% de neptunio después19 años , y aproximadamente el 5% después32 años . La cantidad de americio en un detector de humo nuevo típico es de 0,29 microgramos (4,5 × 10 −6 granos ) (aproximadamente 1/3000 del peso de un pequeño grano de arena ) con una actividad de 1 microcurio (37 kBq ). Algunos detectores de humo industriales antiguos (en particular de la Pyrotronics Corporation) pueden contener hasta 80 microcurios (3000 kBq). La cantidad de 241 Am disminuye lentamente a medida que se desintegra en neptunio-237 ( 237 Np), un elemento transuránico diferente con una vida media mucho más larga (aproximadamente2,14 millones de años ). Las partículas alfa irradiadas 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 que la radiación ioniza el espacio de aire entre ellas. Cualquier humo que entre en la cámara bloquea/absorbe algunas de las partículas alfa que pasan libremente y reduce la ionización y, por lo tanto, provoca una caída en la corriente. El circuito de la alarma detecta esta caída en la corriente y, como resultado, hace que suene el zumbador piezoeléctrico. En comparación con el detector de humo óptico alternativo, el detector de humo de 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 falsas alarmas . [12] [13] [14] [15]
El proceso de fabricación del americio utilizado en los botones de los detectores de humo de tipo ionizador comienza con dióxido de americio. El 241 AmO2 se mezcla completamente con oro, se le da forma de briqueta y se funde mediante presión y calor a más de 800 °C (1470 °F). Se aplica un soporte de plata y una cubierta frontal de oro (o una aleación de oro o paladio ) a la briqueta y se sella mediante forjado en caliente. A continuación, la briqueta se procesa a través de varias etapas de laminado en frío para lograr el grosor y los niveles de emisión de radiación deseados. El grosor final es de aproximadamente 0,008 pulgadas (0,20 mm), y la cubierta de oro representa aproximadamente el uno por ciento del grosor. La tira 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 a partir de la tira de aluminio. Cada disco, de aproximadamente 0,2 pulgadas (5,1 mm) de diámetro, se monta en un soporte de metal, generalmente hecho de aluminio. El soporte es la carcasa, que es la mayor parte de lo que se ve en el botón. El borde delgado del soporte está enrollado para sellar por completo el borde cortado alrededor del disco. [16]
Como el 241 Am tiene una vida media aproximadamente similar al 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] Aunque el americio-241 produce menos calor y electricidad que el plutonio-238 (el rendimiento energético es de 114,7 milivatios por gramo [3,25 vatios por onza] para el 241 Am frente a los 570 mW/g [16 W/oz] para el 238 Pu) [17] y su radiación supone una mayor amenaza para los seres humanos debido a la emisión de rayos 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 [18] como resultado de la escasez mundial de plutonio-238 y el fácil acceso al americio-241 en Europa a partir del reprocesamiento de desechos nucleares. [19] [20]
Sus requisitos de protección en un RTG son los segundos más bajos de todos los isótopos posibles: solo el 238 Pu requiere menos. Una ventaja sobre el 238 Pu es que se produce como residuo nuclear y es casi isotópicamente puro. Los diseños prototipo de RTG de 241 Am esperan 2–2,2 W e /kg para el diseño de RTG de 5–50 W e , lo que pone a los RTG de 241 Am a la par con los RTG de 238 Pu dentro de ese rango de potencia, ya que la gran mayoría de la masa de un RTG no son los isótopos, sino los termoeléctricos, los radiadores y la masa de contención de isótopos. [21]
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 fuente alfa y el berilio produce neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α,n):
El uso más extendido de241
Soy
Las fuentes de neutrones son sondas de neutrones , un dispositivo utilizado 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 de 241 Am también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, así como en radiografías de neutrones , tomografías y otras investigaciones radioquímicas. [22]
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% del 242 Am se desintegra en 242 Cm y el 17,3% en 242 Pu:
82,7% →
17,3% →
En el reactor nuclear, el 242 Am también se convierte mediante captura de neutrones en 243 Am y 244 Am, que se transforman por desintegración β en 244 Cm:
La irradiación de 241 Am con iones de 12 C o 22 Ne produce einstenio -253 ( 253 Es) o dubnio -263 ( 263 Db), respectivamente. [23] Además, el elemento berkelio ( isótopo 243 Bk) había sido producido e identificado intencionalmente por primera vez al bombardear 241 Am con partículas alfa, en 1949, por el mismo grupo de Berkeley, utilizando el mismo ciclotrón de 60 pulgadas (1500 mm) que se había utilizado para muchos experimentos anteriores. [4] : 1262
El americio-241 se ha utilizado como fuente portátil de rayos gamma y partículas alfa para diversos usos médicos e industriales. Las emisiones de rayos gamma de 59,5409 keV (9,53950 fJ) del 241 Am en dichas 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 densímetros nucleares . Por ejemplo, este isótopo se ha empleado para medir el espesor del vidrio para ayudar a crear vidrio plano. [4] : 1262 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 Compton insignificante (al menos tres órdenes de magnitud de intensidad menor). [24]
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 del americio-241 pueden proporcionar radiografías de calidad razonable , con un tiempo de exposición de 10 minutos. Las radiografías con 241 Am solo se han tomado experimentalmente debido al largo tiempo de exposición que aumenta la dosis efectiva para el tejido vivo. Reducir la duración de la exposición reduce la posibilidad de que los eventos de ionización provoquen daños a las células y al ADN, y es un componente crítico en la máxima "tiempo, distancia, protección" utilizada en la protección radiológica . [25]
El americio-241 presenta los mismos riesgos generales que otros isótopos del americio: es extremadamente tóxico y radiactivo. Aunque las partículas α pueden detenerse con una hoja de papel, la ingestión de emisores α plantea serios problemas de salud. El americio y sus isótopos también son muy tóxicos químicamente, en forma de toxicidad por metales pesados. La carga corporal máxima permitida para el 241 Am es de tan sólo 0,03 microcurios (1,1 kBq). [26]
El americio-241 es un emisor α con un débil subproducto de rayos γ. Para manipular el americio 241 de forma segura es necesario conocer y seguir las precauciones de seguridad adecuadas, ya que sin ellas sería extremadamente peligroso. Su constante de dosis gamma específica es3,14 × 10 −1 mR/h/mCi o8,48 × 10 −5 mSv/h/MBq a 1 metro (3 pies 3 pulgadas). [27]
Si se consume, el americio-241 se excreta en unos pocos días y solo el 0,05% se absorbe en la sangre. Desde allí, aproximadamente el 45% va al hígado y el 45% a los huesos, y el 10% restante se excreta. La absorción en el hígado depende de la persona 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 es50 años en los huesos y20 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. [28]
El americio-241 suele llegar a los vertederos a partir de detectores de humo desechados . Las normas asociadas con la eliminación de detectores de humo son laxas en la mayoría de las jurisdicciones. En los EE. UU., el "boy scout radiactivo" David Hahn pudo concentrar el americio-241 de los detectores de humo después de conseguir comprar cien de ellos a precios de saldo y también robar unos pocos. [29] [30] [31] [32] Ha habido algunos casos de exposición al americio-241, el peor de los cuales fue el de Harold McCluskey , quien, a los 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 los 75 años, no como resultado de la exposición, sino de una enfermedad cardíaca que tenía antes del accidente. [33] [34] El americio-241 también se ha detectado en los océanos como resultado de pruebas nucleares realizadas por varias naciones. [35]
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Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Normas y Tecnología sobre el rendimiento de las alarmas de humo residenciales, Thomas Cleary. Laboratorio de investigación sobre incendios y construcción, Instituto Nacional de Normas y Tecnología; Seminario sobre dinámica de incendios y humo de UL. Noviembre de 2007 Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos del Departamento de Salud y Servicios Humanos de los Estados Unidos .[...] El americio-241 tiene una vida media más larga que el plutonio-238, lo que significa que podría sobrevivir más tiempo en el espacio, pero el isótopo produce menos calor y electricidad. El americio también supone un mayor riesgo de radiación para los humanos, según los científicos.
La NASA se está quedando sin el tipo especial de plutonio necesario para alimentar las sondas del espacio profundo, lo que preocupa a los científicos planetarios que dicen que Estados Unidos necesita reiniciar urgentemente la producción de plutonio-238.