Au NIMBE (UMR CEA, CNRS, Université Paris-Saclay), les chercheurs du LIONS ont développé une méthode automatisée pour simuler la cinétique chimique de mélanges gazeux complexes soumis à un rayonnement ionisant. En chimie sous rayonnement, la difficulté majeure ne réside pas seulement dans le dépôt d’énergie, mais dans la multiplication rapide d’espèces transitoires (ions, radicaux, états excités) qui génèrent des réseaux réactionnels très grands et fortement couplés. Jusqu’à présent, ces réseaux étaient le plus souvent construits manuellement, ce qui limitait l’exploration à des systèmes relativement simples ou très faiblement impurifiés.
Les petits réacteurs modulaires (SMR) sont aujourd’hui envisagés comme des sources d’électricité bas carbone pour accompagner l’électrification des usages. Classiquement, l’énergie nucléaire suit la chaîne « nucléaire -> chaleur -> électricité -> chimie » lorsqu’elle alimente des procédés industriels. Une voie alternative, explorée dès le milieu du XXᵉ siècle, consiste à convertir directement une partie du rayonnement ionisant issu du réacteur en énergie chimique : c’est le concept de réacteur « chémonucléaire ».
Dans les SMR, la réduction de taille s’accompagne d’un rapport surface/volume plus élevé, ce qui peut augmenter la part de “rayonnement perdu” (non valorisé en chaleur utile et absorbé par les protections), et donc le potentiel de valorisation chimique sans modification majeure du cœur. Reste une question centrale : quelles transformations chimiques peuvent effectivement être induites par ce rayonnement, et dans quelles conditions ?
Pour y répondre, l’équipe du LIONS a développé une méthode automatisée et non sélective de génération de réseaux réactionnels de radiolyse, fondée sur des bases de données cinétiques ouvertes et curées (KIDA, UMIST, GRIMECH) et résolue avec le logiciel FACSIMILE. Cette approche lève un verrou méthodologique majeur : modéliser des mélanges gazeux complexes, où la multiplication d’espèces transitoires (ions, radicaux, états excités) conduit à des milliers de réactions couplées.
La méthode a d’abord été validée sur un système CO₂/O₂/CO de référence, en reproduisant les tendances expérimentales publiées dans un régime de conversion faible à modérée (≈10-20 %). Elle a ensuite été appliquée à un mélange représentatif de fumées industrielles (N₂/CO₂/H₂O/O₂/CO/NO₂/SO₂). Le réseau généré comprend jusqu’à 448 espèces et 4 780 réactions. L’étude paramétrique (pression, température, additifs) met en évidence des domaines de composition où le rayonnement devient particulièrement efficace : la conversion du CO₂ est multipliée par cinq avec l’ajout de 90 % vol. d’ammoniac, et l’ajout de H₂S peut conduire, dans certaines conditions, à une production d’hydrogène dépassant 900 molécules·100 eV⁻¹.
Ces résultats montrent que la simulation systématique permet d’identifier des régimes “radiocatalytiques” d’intérêt, qui peuvent ensuite être évalués expérimentalement. Ce travail fournit ainsi un cadre rigoureux pour tester rapidement des concepts de conversion nucléaire-chimie et explorer de nouvelles voies de valorisation de gaz industriels (dont le CO₂) dans le contexte de la transition énergétique.
Fig. Graph représentant le système de réactions élémentaires étudié pour la simulation de fumées industrielles sous rayonnement ionisant. Chaque nœud correspond à une espèce chimique. Chaque flèche représente une réaction reliant un réactif à un produit.
Référence
« A Nonselective Automatic Method for Kinetic Simulations of Gas Mixtures under Ionizing Radiation: Case Study of a Nuclear-to-Chemical Concept”, Antoine Dion, Marie Géléoc, Jean-Philippe Renault, Chemistry-Methods, 2025.