Radiolyse

En chimie, la radiolyse est la décomposition de la matière par des rayonnements ionisants^[1]. La radiolyse de l'eau est la dissociation par décomposition chimique de l'eau (H₂O) (liquide ou de vapeur d'eau) en hydrogène et hydroxyde respectivement sous forme de radicaux libres H et OH, sous l'effet d'un rayonnement énergétique intense.

La cassure résulte de l'excitation électronique de la molécule d’eau (H₂O) lors du phénomène d’ionisation. Divers paramètres interviennent, dont la teneur en soluté, le pH, le débit de dose, la nature et énergie du rayonnement, la présence d'oxygène et/ou d’hydrogène ou d’eau oxygénée, la température, la nature de la phase (glace, liquide, vapeur), la pression ou la nature de la matrice (cellule vivante, argile).

Histoire

Ce "craquage" moléculaire a été mis en évidence, peu après la découverte de la radioactivité par le français André Debierne (1874-1949), qui a constaté que le radium se montrait capable de briser la molécule d'eau pour former de l'hydrogène et de l'oxygène natif, avec une éventuelle production d'eau oxygénée, H₂O₂.

Les savants atomistes du Projet Manhattan et leurs homologues russes travaillant secrètement à l’élaboration de la bombe atomique, ont constaté que la présence d’hydrogène freinait la radiolyse alors que l’oxygène dissous ou l’eau oxygénée l’accélérait. A.O. Allen a ensuite montré que la radioactivité pouvait catalyser la recombinaison en eau de H₂ et H₂O₂ en présence des radicaux H et OH. On a aussi alors constaté la formation par radiolyse d’une entité chimique nouvelle : l'électron hydraté (groupe de molécules d’eau fixées à un électron par l'attraction entre la charge de ce dernier et les moments dipolaires électriques de ces molécules d'eau) dit « e_aq^- » (mis en évidence par E.J. Hart et J.W. Boag). Le phénomène semble avoir été étudié lors d'essais nucléaires atmosphériques, également producteurs d'ozone, également superoxydant).

Conséquences techniques

La radiolyse de l'eau pose des problèmes complexes d'ingénierie nucléaire. Ce phénomène est redouté par les concepteurs de centrale nucléaire, les concepteurs et utilisateurs de sources radioactives puissantes, les centres réalisant le traitement ou le stockage des déchets radioactifs ou les installations telles que le sarcophage de Tchernobyl. En effet, l'oxydation des métaux et le comportement de l’eau du ciment sont mal pris en compte par les modèles, surtout à moyen et long terme.

Par exemple, dans une centrale nucléaire classique, l’eau du circuit primaire est portée à plusieurs centaines de degrés Celsius (300 °C) tout en étant exposée à un rayonnement très énergétique résultant de la réaction entretenue de fission de l'uranium (activité neutronique et rayons γ). L’oxygène natif ainsi produit, outre qu’il peut, en cas de problème, contribuer à une explosion violente par recombinaison avec l’hydrogène, est un puissant facteur de corrosion des métaux. La corrosion est évitée par l’emploi de métaux adaptés et par l’ajout d’hydrogène à l’eau préalablement désoxygénée du circuit primaire. Cet excès d’hydrogène force la recombinaison de l’hydrogène et oxygène issus de la radiolyse en eau, via une séquence d’états chimiques en réalité complexe. La radiolyse est un des phénomènes qui est intervenu dans l'alchimie des produits émis lors de la catastrophe de Tchernobyl et qui intervient dans la cinétique de ces éléments.

Les projets d’un nouveau réacteur basé sur la fusion thermonucléaire contrôlée (projet ITER) seront également confrontés à la radiolyse. La paroi ceinturant le plasma confiné sera exposée à des températures extrêmes et à un rayonnement au moins dix fois plus fort que dans les réacteurs de centrales nucléaires contemporaines. Il est question de refroidir cette paroi avec de l’eau enrichie en hydrogène, mais les chercheurs doivent pour cela mieux comprendre et maîtriser la radiolyse.

Dans ce cas, elle dépend non seulement d’un seuil d’hydrogène dissous, mais de seuils concernant la température de l'eau, la nature et la puissance du rayonnement et la présence de catalyseurs ou d’inhibiteurs empoisonnant certaines réactions chimiques, tels que l’acide borique à certaines concentrations, ou constitués par exemple d’impuretés issus de la corrosion ou de produits créés par le rayonnement. Mais le phénomène de réaction nucléaire en chaîne s’auto-entretient jusqu’à un certain seuil de concentration en O₂ et en eau oxygénée H₂O₂.

Conséquences biologiques (radiobiologie)

La radiolyse est un facteur destructeur du fonctionnement cellulaire, car la plupart des processus du vivant dépendent de l’eau ou impliquent la participation de molécules d’eau, on comprend que par la radiolyse, certains rayonnements peuvent contribuer au stress oxydant en produisant des radicaux libres (radicaux superoxyde) qu’on sait par ailleurs impliqués dans diverses pathologies et dans le vieillissement. Divers laboratoires étudient les réactions d’oxydation et de réduction des radicaux issus de la radiolyse de l’eau sur les protéines, l’ADN (l’ARN ?) ou les lipides.

Il semble que les cellules des végétaux, des champignons et des lichens soient mieux capables de supporter les effets de la radioactivité que la plupart des cellules animales. Les métallothionéines impliquées dans la gestion des métaux lourds et la détoxication par les organismes, ainsi que la superoxyde dismutase intéressent les chercheurs pour leur capacité à diminuer les impacts de la radiolyse dans les cellules (antiradicaux libres, antioxydants).

Santé/environnement et radioprotection

La radiolyse a un effet sur les formes chimiques des radioéléments libérés ou présents dans l’environnement, qui sont transportés par l’air, l’eau et les sols vers les écosystèmes (bioturbation). Là aussi les effets des faibles doses, notamment pour des molécules qui ont une cible biologique sont encore mal connus (exemple chez l'homme : thyroïde pour l’iode, ou cœur pour le césium).

La vie et la chimie du sol peuvent aussi être perturbées : le sol contient de l’eau, et tout particulièrement l’humus et l’argile qui ont des fonctions essentielles de rétention. Les produits radiolytiques ajouteront leurs effets à ceux du rayonnement sur les cellules vivantes et modifieront la capacité de rétention des argiles, charbons de bois et humus et les molécules en solution dans l’eau (oxydation par exemple).

Notes et références

Articles connexes

• Irradiation des aliments

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