Tổng hợp hạt nhân đồng vị

Chromatographic elution curves revealing the similarity between the lanthanides Tb, Gd, and Eu and the corresponding actinides Bk, Cm, and Am.

Americi đã được tạo ra với số lượng nhỏ trong các lò phản ứng hạt nhân trong vài thập niên, và hiện đã có vài kilogram các đồng vị 241Am và 243Am.[3] Tuy nhiên, kể từ khi nó được chào bán đầu tiên năm 1962, giá của nó vào khoảng 1.500 USD một gram 241Am, vẫn hầy như không đổi mặc dù quy trình chiết tách rất phức tạp.[4] Đồng vị nặng hơn là 243Am đã được sản xuất với sản lượng nhỏ hơn nhiều do nó rất khó tách nên giá của nó cao hơn vào khoảng 100–160 USD/mg.[5][6]

Americi không được tổng hợp trực tiếp từ urani – một nguyên liệu phổ biến trong các lò phản ứng hạt nhân - nhưng nó được tổng hợp từ đồng vị plutoni 239Pu. Đồng vị Pu cần được tạo ra trước theo phản ứng sau:

  92 238 U   → ( n , γ )     92 239 U   → 23.5   m i n β −     93 239 N p   → 2.3565   d β −     94 239 P u {\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }

Việc bắt giữa 2 nơtron bằng 239Pu (a so-called (n,γ) reaction), theo sau là phân rã β, tạo ra 241Am:

  94 239 P u   → 2 ( n , γ )     94 241 P u   → 14.35   y r β −     95 241 A m {\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14.35\ yr}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am} }

Plutoni có mặt trong các nguyên liệu hạt nhân đã qua sử dụng khoảng 12% 241Pu. Do nó liên tục phân hạch thành 241Am, 241Pu có thể được tách ra và có thể được sử dụng để tạo ra 241Am.[4] Tuy nhiên, quá trình này diễn ra khá chậm: phân nửa lượng 241Pu ban đầu phân rã thành 241Am sau khoảng 15 năm, và một lượng 241Am sẽ tạo ra tối đa sau 70 năm.[7]

241Am được tạo ra có thể được sử dụng để tiếp tục tạo ra các đồng vị americi nặng hơn bằng cách bắt nơtron tiếp theo trong lò phản ứng hạt nhân. Trong lò phản ứng nước nhẹ (LWR), 79% 241Am chuyển thành 242Am và 10% thành đồng phân hạt nhân của nó 242mAm:[note 1][8]

79%:     95 241 A m   → ( n , γ )     95 242 A m {\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} } 10%:     95 241 A m   → ( n , γ )         95 242 m A m {\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ \ \ 95}^{242m}Am} }

Americi-242 có chu kỳ bán rã chỉ 16 giờ, tức sau đó nó tiếp tục biến đổi thành 243Am, một đồng vị không có ích. Đồng vị sau được tạo ra thay vì trong quá trình mà 239Pu bắt 4 nơtron trong luồng nơtron cao:

  94 239 P u   → 4 ( n , γ )     94 243 P u   → 4.956   h β −     95 243 A m {\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {4(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{243}Pu\ {\xrightarrow[{4.956\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{243}Am} }