Groupe Physico-Chimie sous Rayonnement
PCR
Groupe Physico-Chimie sous Rayonnement

Accélérateur d'électrons pulsés ALIENOR

Le Laboratoire de Radiolyse est membre coordonateur du réseau radiolyse du CEA.

Le Laboratoire de Radiolyse a renouvelé ses thèmes de recherche en les centrant sur les processus physicochimiques et biochimiques de l’interaction rayonnement – matière. Le Laboratoire de Radiolyse développe des actions de recherche sur les thèmes suivants : événements primaires, milieux confinés et interfaces, conditions extrêmes de température et de pression, biochimie sous rayonnement.

 

Evénements Primaires Il s’agit de comprendre les processus primaires qui font suite à l’interaction des rayonnements ionisants avec la matière, l’eau en particulier, dans le but d’identifier et de contrôler ceux qui pourraient avoir des effets indésirables sur le long terme pour le développement de l’industrie nucléaire. Il est donc nécessaire de se rapprocher de l’instant de l’ionisation (le transfert d’énergie) et d’identifier convenablement les espèces chimiques initiales mises en jeu (les précurseurs des espèces impliquées dans les réactions s’effectuant dans la phase de cinétique homogène, à partir de la microseconde). Des méthodes expérimentales qui sondent les réactions aux temps courts (de la femtoseconde à la nanoseconde) permettent de relever ces défis. Cependant la prise en compte de paramètres comme le transfert d’énergie linéique (TEL) de la particule incidente, la température et la pression est un défi supplémentaire qui nécessite des expériences nouvelles avec différents types d’accélérateurs de particules. Ces paramètres modifient considérablement la réactivité des espèces chimiques et rien ne permet actuellement de les prendre en compte convenablement dans des simulations. Nos études actuelles portent donc essentiellement sur : i) la dynamique du réseau de liaisons hydrogène qui joue un rôle fondamental dans la réactivité des espèces primaires de la radiolyse ; ii) la réactivité de l’électron à forte concentration car dans les traces de radiolyse la concentration des réactifs est voisine de la décimole par litre ; iii) l’effet du TEL qui influence tout particulièrement les rendements primaires de la radiolyse.

 

Milieux confinés et interfaces Les interfaces solide/liquide sont un enjeu majeur pour les matériaux du nucléaire (ciments, combustible entreposé, métaux…) et leurs comportements sous irradiation ont été peu étudiés. Or il est clair que la réactivité particulière des surfaces solides ou des molécules adsorbées sur ces surfaces doit être prise en compte. Mais, très peu d'informations sont disponibles sur les réactions entre les espèces radiolytiques issues de la radiolyse de l’eau et les surfaces. On ne sait pas en particulier si les phénomènes radiolytiques, qui perturbent localement les propriétés redox et le pH du milieu, peuvent modifier significativement la nature même de la surface solide. L'interaction rayonnement-matière amène aussi la création dans le solide de porteurs de charge, les électrons et les trous. Ces espèces peuvent migrer sur de grandes distances (plusieurs dizaines de nanomètres) avant d'être piégées. Si la surface spécifique du matériau est importante (dans les matériaux poreux par exemple), les espèces sont piégées de façon privilégiée à l'interface solide/liquide. Une partie importante de l'énergie capturée par le solide est donc recédée à la phase liquide voisine sous forme d'espèces réactives donnant lieu à des effets radiolytiques exaltés (des augmentations de deux ordres de grandeur des rendements radiolytiques ont été mises en évidence dans le liquide confiné). Le Laboratoire de Radiolyse développe des actions de recherche sur la radiolyse en milieux poreux, la dissolution radiolytique d’oxydes d’uranium et l’influence de la radiolyse sur les phénomènes de corrosion.

 

Conditions extrêmes de température et de pression Un des choix possibles pour les réacteurs nucléaires de génération IV est un réacteur dont le fluide caloporteur serait de l’eau supercritique. Bien que des centrales électriques utilisent déjà de l’eau supercritique afin d’améliorer le rendement de Carnot de leurs installations, l’utilisation de fluides supercritiques dans une centrale nucléaire impose une étude approfondie de la radiolyse de l’eau à haute pression et à haute température (HTHP). De nombreuses études sur les effets de la température et de la pression ont été réalisées mais les valeurs des constantes de vitesse des réactions et des rendements radiolytiques mesurées entre 0 et 300 °C ne permettent d’extrapoler les données aux conditions supercritiques. En effet, il a été clairement démontré que les prédictions basées sur la loi d’Arrhénius ne sont pas correctes pour la majeure partie des réactions élémentaires de la radiolyse de l’eau au dessus de 200 °C. A fortiori, il est illusoire de vouloir extrapoler ces données aux conditions de l’eau supercritique. Pour pouvoir prédire la radiolyse de l’eau dans ces conditions, le Laboratoire de Radiolyse, comme d’autres laboratoires en lien avec l’industrie nucléaire (Argonne National Laboratory et Radiation Laboratory de Notre Dame aux EU, University of Tokyo au Japon), a entrepris d’étudier la radiolyse de l’eau supercritique. Par ailleurs la technologie développée pour ce thème de recherche trouve aussi un intérêt supplémentaire pour nos études en biochimie et plus particulièrement sur la biochimie des organismes extrêmophiles. Notre cellule HTHP a été construite en 2003 et les premiers résultats ont été obtenus en 2004.

 
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Cellule haute pression et haute température

Biochimie sous rayonnement Dans la matière vivante, faite majoritairement d'eau, certains stress (stress oxydant, exposition aux UV, …) conduisent à la formation d'espèces radicalaires. Ces radicaux, en induisant des modifications des macromolécules biologiques, peuvent être impliqués dans nombre de pathologies et dans le vieillissement. L'étude des mécanismes moléculaires reste difficile dans le cadre intégré de la cellule. Cependant, pour étudier les effets moléculaires induits par les radicaux sur les macromolécules biologiques, les chercheurs disposent d'un outil, la radiolyse de l'eau qui permet de reproduire commodément les conditions de toxicité. La radiolyse de l'eau permet en effet, de générer de manière sélective et quantitative une seule espèce radicalaire et ainsi de simplifier l'analyse des phénomènes. Il est alors possible d’étudier les réactions d’oxydation ou de réduction de cette espèce radicalaire sur les protéines, l’ADN ou les lipides. En créant en un temps court une situation de non équilibre dans le système chimique et en observant le retour à l'équilibre de la nanoseconde à la minute, la radiolyse pulsée permet alors de décrire les cinétiques et les mécanismes de réaction et d’identifier les espèces intermédiaires. En établissant un état stationnaire pendant la durée de l’irradiation et en caractérisant les produits de réaction accumulés, la radiolyse continue permet, quant à elle, d’identifier les produits finaux de réaction. Nos études portent plus particulièrement sur la réactivité des métallothionéines et de complexes modèles de la superoxyde dismutase. La radiolyse de l'eau est ainsi un outil particulièrement approprié non seulement pour étudier les mécanismes moléculaires d'oxydation des molécules d'intérêt biologique mais également pour évaluer l’effet protecteur d'espèces biochimiques ou chimiques antiradicalaires ou antioxydantes et les mécanismes d'action de ces molécules antioxydantes. Elle offre également la possibilité de rechercher des marqueurs rendant compte des stress en termes de détection, d’identification et de dosage.

 
#2332 - Màj : 09/06/2014


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