Etudes de l’effet de TEL lors de la radiolyse de l’eau : rendements radiolytiques de l’hydrogène moléculaire

par Francis Crumière

Thèse de doctorat en Chimie, Radiochimie

Sous la direction de Massoud Fattahi-Vanani et de Johan Vandenborre.

Soutenue en 2012

à Nantes , en partenariat avec Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Radiolyse de l’eau
• Hydrogène moléculaire
• Transfert d'énergie linéique
• Capteurs chimiques
• Simulation Monte Carlo
• Radiochimie
• Chimie sous rayonnement
• Dosimétrie chimique
• Détecteurs de produits chimiques

Résumé

L’effet des rayonnements ionisants sur les molécules d’eau entraîne l’ionisation et/ou l’excitation de celles-ci, puis, conduit à la formation de produits radicalaires (H•, •OH, •HO2, e-hyd) et moléculaires (H2 et H2O2). Le Transfert d’Energie Linéique (TEL), caractérisant le dépôt d’énergie, est différent selon la nature des particules incidentes. Ainsi, les valeurs des rendements radiolytiques, définis comme le nombre d’espèces formées ou disparues par unité d’énergie déposée, vont évoluer en fonction de ce paramètre. Ce travail consiste à suivre l’évolution du rendement radiolytique de l’hydrogène moléculaire, qui est impliqué dans plusieurs études et en particulier dans celles liées au cycle du combustible nucléaire, en fonction du TEL des particules ionisantes (rayons , protons et hélions). Dans un premier temps, des études ont permis de suivre les évolutions des rendements radiolytiques apparents G(H2) et primaires g(H2) pour une gamme de TEL intégré variant de 0,2 à 150 keV μm-1. Les résultats montrent que l’utilisation d’un capteur chimique devient inefficace lorsque le TEL devient trop important (>120 keV μm-1). Dans un second temps, une cellule permettant d’avoir un dépôt d’énergie homogène dans les échantillons a été mise au point. Les expériences, menées à TEL constant, ont permis d’obtenir des résultats directement comparables avec ceux d'un code de simulations Monte Carlo. Ainsi, la compréhension des mécanismes radiolytiques responsables de la formation de l’hydrogène moléculaire a été permise par l’ensemble de ce travail.

Titre traduit

Studies of ionizing radiation’s effects into the water : radiation chemical yields of molecular hydrogen

Résumé

Ionizing radiation’s effects onto water molecules lead to the ionization and/or the excitation of them. Then, these phenomena are followed by the formation of radicals (H•, •OH, •HO2, e-hyd) and molecular products (H2 et H2O2). The Linear Energy Transfer (LET), which defines the energy deposition density along the radiation length, is different according to the nature of ionizing particles. Thus, the values of radiation chemical yields, defined as the number of radical and molecular products formed or consumed by unit of deposited energy, evolve according to this parameter. This work consists in following the evolution of radiation chemical yield of molecular hydrogen, which is involved in several studies and particularly in the nuclear fuel cycle, according to the LET of ionizing particles (-rays, protons, helions). First, studies allowed to follow global radiation chemical yields G(H2) and primary radiation chemical yields g(H2) for a large range of integral LET values from 0. 2 to 150 keV μm-1. Results show that the using of scavenger becomes ineffective when the LET value is higher than 120 keV μm-1. Then, an irradiation’s cell allowing having a homogeneous deposit of energy in the samples had been developed. Experiments, with a “constant” LET value, give results which can be compare with those of a Monte Carlo simulations program. Therefore, the understanding of radiation chemical mechanisms involved in the formation of molecular hydrogen was allowed by this work