Science des éléments superlourds : toute une culture pour les scientifiques de l’ORNL

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C’est élémentaire – les scientifiques conviennent que le tableau périodique est incomplet. Et lorsqu’il s’agit de dévoiler des parties du tableau périodique encore inconnues, le laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie fait du gros du travail. Une combinaison d’installations uniques, de personnes dotées de compétences et d’une expertise spécifiques et d’une histoire riche a permis au laboratoire de mener l’effort de découverte des éléments superlourds. Mais pourquoi nous soucions-nous d’élargir le tableau périodique?


Neuf éléments superlourds ont été découverts à l’aide de matériaux cibles produits à l’ORNL. Certains scientifiques pensent que le tableau périodique pourrait s’étendre jusqu’à un élément de numéro atomique 153. Crédit: © Jaimee Janiga/ORNL, U.S. Dept. of Energy

 

Comprendre les atomes

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Pourquoi vouloir découvrir de nouveaux éléments est plus facile à expliquer que comment le faire. Indice: tout tourne autour des atomes. «Quand les scientifiques du monde entier explorent le tableau périodique, c’est vraiment l’exploration de la physique nucléaire: de quoi est composé un atome? » a déclaré l’ingénieur nucléaire Susan Hogle, chef de groupe pour le groupe de conception, d’analyse et de qualification des cibles de la division Science et technologie des radio-isotopes de l’ORNL. «Nous pouvons prédire le comportement chimique de la plupart des éléments du tableau périodique, mais il existe certaines régions du tableau où vous ne pouvez pas prédire le comportement».

À partir de la découverte de nouveaux éléments, les scientifiques en apprennent davantage sur les éléments existants – en particulier, sont-ils aux bons endroits du tableau périodique? Les éléments sont placés sur la table en fonction de leur numéro atomique – le nombre de protons dans le noyau d’un atome. Ce nombre détermine les propriétés chimiques d’un élément, théorisent les scientifiques. Le tableau périodique actuel postule que les éléments qui partagent des propriétés chimiques sont regroupés; par conséquent, vous pouvez déterminer les propriétés d’un élément en fonction de son emplacement parmi les «périodes» du tableau. “Une fois que nous aurons dépassé les parties actuellement découvertes du tableau périodique, nous ne savons pas quel sera le comportement chimique de ces éléments”, a déclaré Hogle. «Si nous pouvons le découvrir, cela nous aidera à comprendre pourquoi ces éléments se comportent d’une certaine manière. Qu’est-ce que cela nous apprend sur les propriétés de base des atomes?».

La découverte de nouveaux éléments plus lourds pourrait changer non seulement l’apparence de la table, mais – un jour – la façon dont les éléments sont disposés dessus. “Pour le moment, le tableau est joli, joli et complet”, a déclaré l’ingénieur nucléaire Julie Ezold, qui dirige la section de production et d’exploitation des radio-isotopes de l’ORNL. “Mais la prochaine étape, c’est quand nous commençons à être capables de faire la chimie et de vraiment comprendre si tout est là où il est censé être du point de vue de la chimie. La chimie des éléments superlourds est-elle vraiment la même que la chimie de ces colonnes? Apprendre les réponses à cela, pour moi, serait fascinant”.

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Ezold était l’un des membres de l’équipe ORNL qui a aidé à découvrir l’élément 117 – nommé tennessine pour les rôles de l’ORNL, de l’Université du Tennessee et de l’Université Vanderbilt – en 2010. L’élément le plus récemment découvert, c’est maintenant le deuxième plus lourd du tableau périodique, derrière oganesson, découvert en 2002 et nommé d’après le physicien nucléaire russe Yuri Oganessian, qui a dirigé la découverte de l’élément 118 et d’autres. Les deux éléments pourraient tomber dans «l’îlot de stabilité», une partie théorisée du tableau périodique qui pourrait expliquer pourquoi certains éléments superlourds sont plus stables, alors que les autres éléments connus au-delà de l’élément 83, le bismuth, diminuent en stabilité. La découverte de nouveaux éléments pourrait confirmer l’existence de l’îlot de stabilité. Dans le tableau périodique, ces éléments superlourds, également appelés transactinides, suivent immédiatement les actinides – les 15 éléments chimiques métalliques de 89 à 103, qui sont radioactifs et libèrent de l’énergie lorsqu’ils se désintègrent.

Les actinides ont été regroupés et nommés par le physicien nucléaire Glenn Seaborg, qui croyait que le tableau périodique pourrait aller aussi haut qu’un élément avec le numéro atomique 153. L’uranium et le thorium, les premiers actinides découverts et les plus abondants sur terre, ont trouvé une première utilisation dans les armes et réacteurs nucléaires. Aujourd’hui, eux et d’autres actinides – qui comprennent également l’actinium, le plutonium et le neptunium – jouent des rôles divers dans l’énergie, la médecine, la sécurité nationale, l’exploration spatiale et la recherche. Pour certains actinides, l’ORNL est le seul endroit au monde où ils sont fabriqués.

Uniquement à l’ORNL

La production d’actinides de l’ORNL rend le laboratoire essentiel dans la chasse aux superlourds. À l’heure actuelle, l’ORNL et d’autres institutions américaines sont engagées dans des programmes expérimentaux conjoints pour trouver les éléments 119 et 120, en collaboration avec Riken, la plus grande institution de recherche complète du Japon, et l’Institut commun international de recherche nucléaire à Doubna, en Russie. Le programme d’isotopes du DOE finance la production de ces actinides par l’ORNL et les a apportés à la communauté internationale des éléments superlourds pour permettre la science.“Nous ne sommes que l’un des deux endroits au monde qui peuvent fabriquer les matériaux cibles d’actinides nécessaires à la découverte des éléments superlourds”, a déclaré Ezold.

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“Pour que ces découvertes se produisent, il faut des collaborations internationales. Une organisation, un pays, ne peuvent pas le faire seuls en ce moment”. Autrefois, les scientifiques recherchaient de nouveaux éléments dans la nature. De nos jours, de nouveaux éléments sont créés dans les laboratoires en plaçant un élément plus lourd sur une cible, puis en utilisant un accélérateur de faisceau pour tirer des projectiles d’un élément plus léger sur celle-ci, à une vitesse de mille milliards ou plus par seconde. Additionnez le nombre de protons entre les deux éléments, et le total pourrait être le nombre d’un nouvel élément. Il peut n’apparaître que pendant quelques fractions de seconde, mais les scientifiques peuvent observer en quoi il se désintègre et travailler en arrière pour vérifier son existence.

Mais obtenir les éléments nécessaires pour créer de nouveaux éléments n’est pas une mince affaire. Ils sont rares, chers et hautement radioactifs, avec de courtes demi-vies. Le processus de leur création prend des mois d’irradiation, de désintégration, de séparation des sous-produits et de purification, le tout effectué par une équipe expérimentée dans des installations uniques construites spécifiquement pour le traitement de matières hautement radioactives. Tout cet effort rapporte des quantités minuscules – mais assez pour mettre une cible sous un faisceau.

“Avec le Centre de développement du génie radiochimique, nous avons les installations pour manipuler physiquement ces matériaux, qui émettent beaucoup de rayonnement”, a déclaré Hogle. «Nous travaillons en étroite collaboration avec la communauté de la physique nucléaire depuis des décennies maintenant. ORNL a fourni les matériaux pour chaque découverte d’éléments superlourds depuis 2000: éléments 114 à 118». Les isotopes des éléments nouvellement découverts ont une demi-vie si courte – n’existant parfois que pendant des fractions de seconde – qu’ils n’ont encore aucune utilisation pratique, a déclaré Hogle. “Mais en termes de ce qu’ils pourraient nous apprendre sur la physique nucléaire, il y a là des avantages incalculables”, a-t-elle déclaré. “C’est vraiment une vaste inconnue”.

Leur courte demi-vie ne signifie pas qu’ils ne seront jamais utiles. Prenez l’américium, par exemple. Lorsqu’il a été découvert en 1944, sa courte demi-vie semblait exclure toute utilité. Il a fallu des décennies pour l’exploiter pour l’une de ses utilisations les plus connues: le type de détecteur de fumée domestique le plus courant. “Les actinides ne ressemblent à aucun autre élément du tableau périodique”, a déclaré le chimiste Sam Schrell, spécialisé dans la recherche et le développement des actinides à la division Radioscience et technologie de l’ORNL. “Leur alchimie est riche mais imprévisible, ce qui les rend fascinantes à étudier. Découvrir à quel point certains de ces éléments peuvent être utiles, que ce soit pour des applications médicales ou pour la sécurité nationale, est passionnant”.

Concentré sur l’avenir

Certaines recherches menées à l’ORNL consistent à créer des cibles mieux à même de résister au bombardement d’éléments plus lourds du tableau périodique avec des numéros atomiques plus élevés, tels que le titane, le vanadium et le chrome. Plus le faisceau est lourd, plus il est dur sur les cibles et plus la probabilité que les deux éléments fusionnent pour créer un nouvel élément est faible.

Un autre objectif du laboratoire est de trouver des moyens de créer de plus grandes quantités d’isotopes demandés – par exemple, le californium-252, qui est utilisé pour démarrer les réacteurs nucléaires. “Le Cf-252 est une excellente source de neutrons en raison de sa courte demi-vie, mais il n’y en a pas beaucoup”, a déclaré Shelley VanCleve, radiochimiste de l’ORNL. «Heureusement, il faut moins de Cf-252 pour fabriquer la même source par rapport aux autres éléments radioactifs. Le Cf-252 dégage beaucoup de désintégration des neutrons, et le neutron est plus difficile à protéger qu’une particule alpha. Nous avons les capacités à REDC – des cellules chaudes et des grottes plus petites – que nous pouvons travailler avec de plus grandes quantitésé”.

Le travail de VanCleve a joué un rôle dans le traitement des sources héritées de Cf-252 dans lesquelles la plupart des Cf-252 s’étaient désintégrés en curium-248. Son équipe a séparé le californium à longue durée de vie de la croissance interne du curium pour la fabrication de cibles. Ces cibles de californium à longue durée de vie sont utilisées pour la recherche sur les éléments superlourds. “Le matériau produit ici est très pur”, a déclaré VanCleve. “Cela passe par tellement de séparations différentes. Les clients apprécient vraiment la qualité du matériel que nous leur offrons”.

VanCleve a participé à la purification finale du berkelium utilisé pour découvrir la tennessine. “C’est très excitant, mais c’est humiliant quand on pense à toutes les personnes différentes qui doivent être impliquées”, a-t-elle déclaré. “J’ai joué un très petit rôle. Le matériel est d’abord séparé dans les cellules chaudes, puis il monte vers les laboratoires alpha. J’ai fait le nettoyage final du matériel avant qu’il ne soit expédié hors site”. La production d’isotopes se fait avec des chercheurs, des techniciens de cellules chaudes, des chimistes analytiques, des opérateurs du réacteur à isotopes à haut flux de l’ORNL (une installation utilisateur de l’Office of Science du ministère de l’Énergie) et des membres du personnel qui assurent le fonctionnement du réacteur et des installations de recherche, ainsi que les clients qui ont besoin des isotopes pour leurs recherches qui changent le monde.

“Tout est possible; ce qui est important, c’est la curiosité de celui-ci”, a déclaré VanCleve. “C’est ce qui est formidable chez les clients avec qui nous travaillons : leur curiosité, leur envie de continuer leurs recherches et d’aller de l’avant. Ce sont des gens très passionnés et c’est un plaisir de travailler avec eux. Je sais que chaque client a besoin de notre meilleure qualité pour effectuer ses recherches – et c’est ce que nous essayons de fournir”. Le groupe de Hogle travaille sur de nouvelles conceptions et de nouvelles façons de produire des isotopes dans HFIR, dans l’espoir d’augmenter la disponibilité de ces isotopes à courte durée de vie pour le programme d’isotopes DOE, qui gère les efforts de production d’isotopes rend les isotopes sont disponibles pour la recherche et l’industrie par le biais du National Centre de développement isotopique.

“Notre programme a été développé dans les années 1960-1970, produisant du californium, et nous avons toujours fait les choses de la même manière”, a-t-elle déclaré. “C’est une histoire incroyable, comment nous avons pris les sous-produits d’une campagne d’armement, et nous les avons transformés en radio-isotopes qui sont utilisés partout dans le monde à des fins industrielles et de recherche. Dans une tradition d’excellence de 50 ans, nous avons beaucoup appris. Cela m’excite qu’après avoir fait quelque chose d’une certaine manière pendant 50 ans, nous puissions soudainement révolutionner la façon dont nous menons cette activité de production”. Hogle trouve gratifiant de voir comment les isotopes sont utilisés une fois qu’ils quittent l’ORNL. “Parfois, quand vous êtes chercheur, vous faites beaucoup de travail théorique – vous faites un calcul, et c’est là que ça s’arrête”, a déclaré Hogle. “C’est vraiment excitant de voir que le travail que vous faites crée quelque chose de physique que vous pouvez voir. Nous recevons occasionnellement des lettres de personnes d’outre-mer et d’ailleurs nous remerciant de leur avoir fourni ces documents. Cela vous rend heureux de pouvoir permettre le travail des autres”.

À chaque amélioration de la production d’actinides, les scientifiques en apprennent davantage sur leurs propriétés. “Continuer à comprendre la science fondamentale des actinides fournira un aperçu de leurs applications médicales, de leur comportement dans l’environnement et de la façon dont nous pouvons exploiter leurs propriétés uniques pour de nouvelles applications que nous n’avons pas encore découvertes”, a déclaré Schrell“La science des actinides à l’ORNL a une longue et riche histoire sur laquelle nous espérons continuer à nous appuyer. À l’ORNL, nous sommes bien placés pour mener un effort scientifique multidisciplinaire sur les actinides qui s’étend à toutes les directions pour faire progresser la science des actinides et former la prochaine génération de scientifiques et d’ingénieurs”.

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