Radiolyse - Radiolysis

La radiolyse est la dissociation de molécules par rayonnement ionisant . C'est le clivage d'une ou plusieurs liaisons chimiques résultant d'une exposition à un flux de haute énergie. Le rayonnement dans ce contexte est associé aux rayonnements ionisants ; radiolyse se distingue donc, par exemple, la photolyse du Cl 2 molécule en deux Cl- radicaux , où ( ultraviolet ou visible du spectre ) de lumière est utilisé.

Par exemple, l'eau se dissocie sous rayonnement alpha en un radical hydrogène et un radical hydroxyle , contrairement à l'ionisation de l'eau qui produit un ion hydrogène et un ion hydroxyde . La chimie des solutions concentrées sous rayonnement ionisant est extrêmement complexe. La radiolyse peut modifier localement les conditions redox , et donc la spéciation et la solubilité des composés.

Décomposition de l'eau

De toutes les réactions radiochimiques étudiées, la plus importante est la décomposition de l'eau. Lorsqu'elle est exposée au rayonnement, l'eau subit une séquence de décomposition en peroxyde d'hydrogène , radicaux hydrogène et composés oxygénés assortis, tels que l' ozone , qui, lorsqu'ils sont reconvertis en oxygène, libèrent de grandes quantités d'énergie. Certains d'entre eux sont explosifs. Cette décomposition est produite principalement par les particules alpha , qui peuvent être entièrement absorbées par de très fines couches d'eau.

En résumé, la radiolyse de l'eau peut s'écrire :

Applications

Prévision et prévention de la corrosion dans les centrales nucléaires

On pense que la concentration accrue d'hydroxyle présente dans l'eau irradiée dans les boucles de refroidissement internes d'un réacteur à eau légère doit être prise en compte lors de la conception des centrales nucléaires, afin d'éviter les pertes de liquide de refroidissement résultant de la corrosion .

Production d'hydrogène

L'intérêt actuel pour les méthodes non traditionnelles de génération d'hydrogène a incité à revisiter la division radiolytique de l'eau, où l'interaction de divers types de rayonnements ionisants (α, et γ) avec l'eau produit de l'hydrogène moléculaire. Cette réévaluation a en outre été motivée par la disponibilité actuelle de grandes quantités de sources de rayonnement contenues dans le combustible déchargé des réacteurs nucléaires . Ce combustible usé est généralement stocké dans des piscines d'eau, en attente d'un stockage définitif ou d'un retraitement . Le rendement en hydrogène résultant de l'irradiation de l'eau avec les rayonnements β et γ est faible (valeurs G = < 1 molécule pour 100 électronvolts d'énergie absorbée) mais cela est largement dû à la réassociation rapide des espèces apparaissant lors de la radiolyse initiale. Si des impuretés sont présentes ou si des conditions physiques sont créées qui empêchent l'établissement d'un équilibre chimique, la production nette d'hydrogène peut être considérablement améliorée.

Une autre approche utilise des déchets radioactifs comme source d'énergie pour la régénération du combustible usé en convertissant le borate de sodium dans le borohydrure de sodium . En appliquant la combinaison appropriée de contrôles, des composés de borohydrure stables peuvent être produits et utilisés comme milieu de stockage de carburant hydrogène.

Une étude menée en 1976 a révélé qu'une estimation de l'ordre de grandeur peut être faite du taux moyen de production d'hydrogène qui pourrait être obtenu en utilisant l'énergie libérée par la décroissance radioactive. Sur la base du rendement en hydrogène moléculaire primaire de 0,45 molécule/100 eV, nous obtenons 10 tonnes par jour. Les taux de production d'hydrogène dans cette gamme ne sont pas négligeables, mais sont faibles par rapport à l'utilisation quotidienne moyenne (1972) d'hydrogène aux États-Unis d'environ 2 x 10^4 tonnes. L'ajout d'un donneur d'atomes d'hydrogène pourrait augmenter ce facteur d'environ six. Il a été montré que l'ajout d'un donneur d'atomes d'hydrogène tel que l'acide formique augmente la valeur G de l'hydrogène à environ 2,4 molécules pour 100 eV absorbés. La même étude a conclu que la conception d'une telle installation serait probablement trop dangereuse pour être réalisable.

Combustible nucléaire usé

La production de gaz par décomposition radiolytique de matières contenant de l'hydrogène est un sujet de préoccupation pour le transport et le stockage de matières et de déchets radioactifs depuis un certain nombre d'années. Des gaz potentiellement combustibles et corrosifs peuvent être générés tandis que dans le même temps, des réactions chimiques peuvent éliminer l'hydrogène, et ces réactions peuvent être renforcées par la présence de rayonnement. L'équilibre entre ces réactions concurrentes n'est pas bien connu à l'heure actuelle.

Radiothérapie

Lorsque le rayonnement pénètre dans le corps, il interagira avec les atomes et les molécules des cellules (principalement constitués d'eau) pour produire des radicaux libres et des molécules capables de se diffuser suffisamment loin pour atteindre la cible critique dans la cellule, l' ADN , et endommager indirectement par une réaction chimique. C'est le principal mécanisme d'endommagement des photons tels qu'ils sont utilisés par exemple en radiothérapie externe .

Typiquement, les événements radiolytiques qui conduisent à l'endommagement de l'ADN des cellules (tumorales) sont subdivisés en différentes étapes qui se déroulent à différentes échelles de temps :

  • L' étape physique ( ), consiste en le dépôt d'énergie par la particule ionisante et l'ionisation conséquente de l'eau.
  • Au cours de l' étape physico-chimique ( ) de nombreux processus se produisent, par exemple les molécules d'eau ionisées peuvent se scinder en un radical hydroxyle et une molécule d'hydrogène ou des électrons libres peuvent subir une solvatation .
  • Au cours de l' étape chimique ( ), les premiers produits de radiolyse réagissent entre eux et avec leur environnement, produisant ainsi plusieurs espèces réactives de l'oxygène qui sont capables de diffuser.
  • Au cours de la phase biochimique ( à quelques jours), ces espèces réactives de l'oxygène pourraient rompre les liaisons chimiques de l'ADN, déclenchant ainsi la réponse des enzymes, du système immunitaire, etc.
  • Enfin, au cours de la phase biologique (de quelques jours à plusieurs années), les dommages chimiques peuvent se traduire par la mort biologique des cellules ou l' oncogenèse lorsque les cellules endommagées tentent de se diviser.

L'histoire de la Terre

Il a été suggéré qu'aux premiers stades du développement de la Terre, lorsque sa radioactivité était de près de deux ordres de grandeur plus élevée qu'à l'heure actuelle, la radiolyse aurait pu être la principale source d'oxygène atmosphérique, qui a assuré les conditions de l'origine et du développement de la vie. . L'hydrogène moléculaire et les oxydants produits par la radiolyse de l'eau peuvent également fournir une source continue d'énergie aux communautés microbiennes souterraines (Pedersen, 1999). Une telle spéculation est étayée par une découverte dans la mine d'or de Mponeng en Afrique du Sud , où les chercheurs ont découvert une communauté dominée par un nouveau phylotype de Desulfotomaculum , se nourrissant principalement de H 2 produit par radiolyse .

Méthodes

Radiolyse pulsée

La radiolyse pulsée est une méthode récente d'initiation de réactions rapides pour étudier les réactions se produisant sur une échelle de temps supérieure à environ cent microsecondes , lorsque le simple mélange des réactifs est trop lent et que d'autres méthodes d'initiation des réactions doivent être utilisées.

La technique consiste à exposer un échantillon de matériau à un faisceau d' électrons hautement accélérés , où le faisceau est généré par un linac . Il a de nombreuses applications. Il a été développé à la fin des années 1950 et au début des années 1960 par John Keene à Manchester et Jack W. Boag à Londres.

Photolyse flash

La photolyse flash est une alternative à la radiolyse pulsée qui utilise des impulsions lumineuses de haute puissance (par exemple à partir d'un laser excimer ) plutôt que des faisceaux d'électrons pour initier des réactions chimiques. Typiquement, la lumière ultraviolette est utilisée, ce qui nécessite moins de protection contre les rayonnements que celle requise pour les rayons X émis lors de la radiolyse pulsée.

Voir également

Les références

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  2. ^ Le Caër, Sophie (2011). "Radiolyse de l'eau: Influence des surfaces d'oxyde sur la production de H2 sous rayonnement ionisant" . L'eau . 3 : 235-253. doi : 10.3390/w3010235 .
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Liens externes

Radiolyse pulsée