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Radiolyse hétérogène des solutions aqueuses en milieu confiné – RADICO

Résumé de soumission

Dans de nombreuse circonstances, l'interaction de photons, d'électrons ou d'ions rapides avec la matière conduit à la formation d'excitation ou d'ionisation des molécules qui constituent le milieu. Ce phénomène de radiolyse est extrêmement important pour l'eau liquide qui est largement utilisée dans la filière électronucléaire. Sa sensibilité aux radiations y soulève un certain nombre de problèmes comme la corrosion des métaux par les produits issus de la radiolyse ou le dégagement de gaz dans les bétons et les colis d'entreposage des déchets radioactifs. La radiolyse de l'eau est également particulièrement importante pour les thérapies basées sur l'irradiation, puisque l'eau est abondamment présente au sein des cellules vivantes. Dans la plupart des situations réelles cependant, la radiolyse n'a pas lieu dans des matériau chimiquement purs. En effet, l'eau contient généralement des solutés et son pH est fréquemment différent de 7. De la même manière, les mesures de rendements radiolytiques dans l'eau liquide sont souvent réalisées à l'aide de capteurs chimiques. Par ailleurs, l'irradiation des matériaux est souvent hétérogène, en particulier pour les ions rapides utilisés pour l'hadronthérapie. Enfin le confinement à une échelle de quelques dizaines de nanomètres modifie significativement les rendements radicalaires. Malgré leur intérêt pour l'interprétation des résultats expérimentaux et pour la prédiction de valeurs précises des rendements radiolytiques, les simulations numériques de radiolyse hétérogène sont rares ou inexistantes si l'on considère des cas réalistes prenant en compte le confinement et la présence de soluté. - Notre ambition est d'aborder ce problème dans le cas de la radiolyse de l'eau confinée dans un matériau poreux modèle, la silice mésoporeuse, et contenant une concentration arbitraire de capteurs chimiques. Nous souhaitons développer une nouvelle simulation numérique de l'eau capable de prendre en compte les situations réalistes de cinétiques hétérogènes, lorsque des solutés sont présents dans le milieu et lorsque l'eau est confinée à une échelle de quelques dizaines de nanomètres. La simulation sera basée sur une approche microscopique des phénomènes, décrivant les phases physique, physico-chimique et chimique, suivant ainsi la démarche que nous avons développée avec succès dans le cas de la radiolyse de l'eau pure. En particulier pour la phase chimique nous nous appuierons sur la méthode de Monte Carlo cinétique (KMC) qui permet de simuler un nombre élevé de particules avec une excellente précision. Elle consiste à suivre explicitement chaque particule réactive générée dans le volume de simulation. Cette méthode est flexible et nous l'adapterons au cas de l'eau confinée contenant des solutés. Elle nous permettra de prendre en compte explicitement et simplement les phénomènes de diffusion à l'interface silice/eau. La simulation de l'effet des solutés est basée sur une partition du système. Dans la partie où la variations du nombre de molécules de soluté sera importante, chacune des molécules de soluté et de réactif est suivie en utilisant la méthode KMC. Lorsque ces variations sont faibles, les réactions chimiques entre solutés et réactifs suivent une cinétique du premier ordre qui ne nécessite pas une prise en compte explicite de chaque molécule de capteur. La quantité de capteur dans la première zone est contrôlée par le flux de capteur à la limite des deux zones. - Ce projet réuni une équipe du CIRIL à Caen, une équipe du LIRIS à Lyon et une équipe du LRCF à Saclay. La première possède une longue expérience de simulation relative au phénomènes de radiolyse, en particulier dans l'eau. De plus le CIRIL occupe une position centrale pour la recherche sur l'interaction des radiations avec la matière où l'équipe simulation travaille dans une longue tradition d'échange mutuel favorisant les synergies expérience-simulation. Celles-ci seront renforcées par la collaboration avec l'équipe du LRCF mondialeme

Coordination du projet

Benoit GERVAIS (Organisme de recherche)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES SACLAY

Aide de l'ANR 210 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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