Americio-241 (241
Soy
, Am-241 ) es un isótopo de americio . Como todos los isótopos del americio, es radiactivo , con una vida media de432,2 años .241
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Es el isótopo más común de americio , así como el isótopo de americio más frecuente 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 padres comunes son β - de241
PU
, CE de241
Cm
, y α de245
bk
.241
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No es fisible , pero sí fisionable , y la masa crítica de una esfera desnuda es de 57,6 a 75,6 kilogramos (127,0 a 166,7 libras) y un diámetro de esfera de 19 a 21 centímetros (7,5 a 8,3 pulgadas). [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
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oh
2). Este isótopo también tiene un metaestado ,241m
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, con una energía de excitación de 2,2 MeV (0,35 pJ ) y una vida media de1,23 µs . La presencia de americio-241 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 sólo supone un riesgo para la salud cuando se ingiere o se inhala. Muestras más antiguas de plutonio que contienen241
PU
contener una acumulación de241
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. En algunos casos puede ser necesaria una eliminación química del americio-241 del plutonio reelaborado (por ejemplo, durante la reelaboración de las minas de plutonio ).
El americio-241 se ha producido en pequeñas cantidades en reactores nucleares durante décadas, y muchos kilogramos de241
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ya se han acumulado. [4] : 1262 Sin embargo, desde que se puso a la venta por primera vez en 1962, su precio, alrededor de 1.500 dólares estadounidenses por gramo de241
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, permanece prácticamente sin cambios debido al complejo procedimiento de separación. [5]
El americio-241 no se sintetiza directamente a partir de uranio, el material más común en los reactores, sino a partir del isótopo plutonio.239
PU
. Este último debe producirse primero, según el siguiente proceso nuclear:
La captura de dos neutrones por239
PU
(la llamada reacción (n,γ)), seguida de una desintegración β, da como resultado241
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:
El plutonio presente en el combustible nuclear gastado contiene alrededor del 12% de241
PU
. porque se convierte en241
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,241
PU
se puede extraer y utilizar para generar más241
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. [5] Sin embargo, este proceso es bastante lento: la mitad de la cantidad original de241
PU
decae a241
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después de unos 14 años, y el241
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La cantidad alcanza un máximo después de 70 años. [6]
El obtenido241
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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 en241
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convertir a242
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y 10% a su isómero nuclear 242m
Soy
: [7]
El americio-241 se desintegra principalmente mediante desintegración alfa , con un subproducto débil de rayos gamma . La desintegración α se muestra a continuación:
Las energías de desintegración α son 5,486 megaelectronvoltios (0,8790 picojulios) durante el 85% del tiempo (la que es ampliamente aceptada para la energía de desintegración α estándar), 5,433 MeV (0,8705 pJ) durante el 13% del tiempo y 5,388 MeV ( 0,8633 pJ) para 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 más común de desintegración que sufre el americio-241 es la fisión espontánea , con una proporción de ramificación de 3,6×10 −12 [10] y que ocurre 1,2 veces por segundo por gramo de241
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. Está escrito así (el asterisco indica un núcleo excitado):
El tipo de desintegración menos común (más raro) del americio-241 es34Si desintegración del racimo , con una proporción de ramificación inferior a 7,4 × 10 −16 . [10] Está escrito de la siguiente manera:
El americio-241 es el único isótopo sintético que ha llegado a los hogares, donde utiliza el tipo más común de detector de humo (el de ionización).241
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oh
2(dióxido de americio-241) como fuente de radiación ionizante . [11] Se prefiere este isótopo al226
Real academia de bellas artes
porque emite 5 veces más partículas alfa y relativamente poca radiación gamma dañina. Con su vida media de432,2 años , el americio en un detector de humo disminuye e incluye alrededor del 3% de neptunio después19 años , y alrededor del 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 Pyrotronics Corporation) pueden contener hasta 80 microcurios (3000 kBq). La cantidad de241
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disminuye lentamente a medida que se desintegra en neptunio-237 (237
Notario público
), un elemento transuránico diferente con una vida media mucho más larga (aproximadamente2,14 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 pase una corriente eléctrica pequeña y constante 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 para que no pasen 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, activa el timbre piezoeléctrico. En comparación con el detector de humo óptico alternativo, el detector de humo por ionización es más barato y puede detectar partículas que son demasiado pequeñas para producir una dispersión de luz significativa. Sin embargo, es más propenso a generar falsas alarmas . [12] [13] [14] [15]
El proceso para fabricar el americio utilizado en los botones de los detectores de humo de tipo ionización comienza con dióxido de americio. El241
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oh
2se 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 a la briqueta un soporte de plata y una cubierta frontal de oro (o una aleación de oro o paladio ) y se sella mediante forja 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 espesor final es de aproximadamente 0,008 pulgadas (0,20 mm), y la cubierta de oro representa aproximadamente el uno por ciento del espesor. La tira de lámina resultante, que tiene aproximadamente 20 mm (0,8 pulgadas) de ancho, se corta en secciones de 1 m (39 pulgadas) de largo. Las fuentes están perforadas de la tira de lámina. Cada disco, de aproximadamente 5,1 mm (0,2 pulgadas) de diámetro, está montado en un soporte de metal, generalmente 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 se enrolla para sellar completamente el borde cortado alrededor del disco. [dieciséis]
Como241
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tiene una vida media aproximadamente similar a238
PU
(432,2 años vs. 87 años), se ha propuesto como isótopo activo de generadores termoeléctricos de radioisótopos , para 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] para241
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frente a 570 mW/g [16 W/oz] para238
PU
) [17] y su radiación supone una mayor amenaza para los seres humanos debido a las emisiones gamma y de neutrones, tiene ventajas para misiones de larga duración gracias a 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 global de plutonio-238 y el fácil acceso al americio-241 en Europa procedente del reprocesamiento de residuos nucleares. [19] [20]
Sus requisitos de blindaje en un RTG son los segundos más bajos de todos los isótopos posibles: sólo238
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requiere menos. Una ventaja sobre238
PU
es que se produce como residuo nuclear y es casi isotópicamente puro. diseños de prototipos de241
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Los RTG esperan de 2 a 2,2 W e /kg para un diseño de RTG de 5 a 50 W , por lo que 241
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RTG a la par con238
PU
RTG dentro de ese rango de potencia, ya que la gran mayoría de la masa de un RTG no son los isótopos, sino la termoeléctrica, los radiadores y la masa de contención de isótopos. [21]
Óxidos de241
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prensadas 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
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Be Neutron Sources 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.241
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Las fuentes de neutrones también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, así como en radiografía de neutrones , tomografía 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 de241
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rendimientos242
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:
A partir de ahí, el 82,7% de 242
Soy
decae a242
Cm
y el 17,3% a242
PU
:
82,7% →
17,3% →
En el reactor nuclear,242
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también se convierte mediante captura de neutrones en243
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y244
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, que se transforma por desintegración β a242
Cm
:
irradiación de241
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por12Co22
Nordeste
Los iones producen los isótopos.253
es
( einstenio ) o263
Db
( dubnio ), respectivamente. [23] Además, el elemento berkelio (243
bk
isótopo) había sido producido e identificado intencionalmente por primera vez mediante bombardeos241
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con partículas alfa, en 1949, por el mismo grupo de Berkeley, utilizando el mismo ciclotrón de 60 pulgadas (1.500 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) de241
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en tales fuentes se puede utilizar para el análisis indirecto de materiales en radiografía y espectroscopia de fluorescencia de rayos X , así como para el control de calidad en densímetros nucleares fijos y densómetros nucleares . Por ejemplo, este isótopo se ha empleado para medir el espesor del vidrio y 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 único pico y un continuo Compton insignificante (al menos tres órdenes de magnitud menos de intensidad). [24]
Se han utilizado rayos gamma del americio-241 para proporcionar un diagnóstico pasivo de la función tiroidea . Esta aplicación médica ya está obsoleta. Los rayos gamma del americio-241 pueden proporcionar radiografías de calidad razonable , con un tiempo de exposición de 10 minutos.241
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Las radiografías sólo se han tomado de forma experimental debido al largo tiempo de exposición que aumenta la dosis efectiva al tejido vivo. Reducir la duración de la exposición reduce la posibilidad de que los eventos de ionización causen daños a las células y al ADN, y es un componente crítico en la máxima de "tiempo, distancia, blindaje" utilizada en la protección radiológica . [25]
El americio-241 presenta los mismos riesgos generales que otros isótopos de 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. Tan solo 0,03 microcurios (1,1 kBq) es la carga corporal máxima permitida para241
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. [26]
El americio-241 es un emisor α con un subproducto débil de rayos γ. La manipulación segura 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 x 10 −5 mSv/hr/MBq a 1 metro (3 pies 3 pulgadas). [27]
Si se consume, el americio-241 se excreta en unos pocos días y sólo 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 captación en 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 con el tiempo se redistribuye lentamente sobre el hueso. La vida media biológica de241
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es50 años en los huesos y20 años en el hígado, mientras que en las gónadas (testículos y ovarios) permanece permanentemente; En todos estos órganos, el americio favorece la formación de células cancerosas como resultado de su radiactividad. [28]
El americio-241 suele llegar a los vertederos procedente de detectores de humo desechados . Las reglas asociadas con la eliminación de detectores de humo son relajadas en la mayoría de las jurisdicciones. En 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 bajos y también robar algunos. [29] [30] [31] [32] Ha habido algunos casos de exposición al americio-241, siendo el peor caso el de Harold McCluskey , quien, a la edad de 64 años, estuvo expuesto a 500 veces el estándar ocupacional para 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 padecía antes del accidente. [33] [34] El americio-241 también se ha detectado en los océanos como resultado de pruebas de armas nucleares realizadas por varias naciones. [35]
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![{\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2~(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14.35\ año}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Soy} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f62001c8bf04e29e0f06c9e866470431abde5344)
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Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología sobre el rendimiento de las alarmas de humo residenciales, Thomas Cleary. Laboratorio de Investigación sobre Construcción y Incendios, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología; Seminario UL sobre dinámica de humo y fuego. 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 .Según Southwood, el programa nuclear de la ESA probablemente se centraría en el americio.
[...] 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.
Según los científicos, el americio también representa un mayor peligro de radiación para los humanos.
La NASA se está quedando sin el tipo especial de plutonio necesario para impulsar 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.