​Comprendre la chimie sous rayonnement : un défi de complexité

Lorsqu'un gaz est exposé à un rayonnement ionisant (rayons gamma, électrons, neutrons), l'énergie déposée ne se transforme pas uniquement en chaleur. Elle provoque aussi la formation instantanée d'espèces chimiques très réactives – ions, radicaux et molécules excitées – qui réagissent entre elles selon des mécanismes nombreux et fortement imbriqués. Cette « chimie sous rayonnement », appelée radiolyse, est particulièrement difficile à modéliser dès que le mélange gazeux devient complexe.

Jusqu'à présent, les simulations reposaient sur des réseaux de réactions construits manuellement par les chercheurs. Cette approche, longue et subjective, limitait fortement la taille des systèmes étudiés et empêchait d'explorer des gaz proches des conditions industrielles réelles, contenant de nombreuses espèces et impuretés.

Une méthode automatisée pour explorer des réseaux réactionnels étendus

Au CEA-Iramis, au sein du NIMBE (CEA, CNRS, Université Paris-Saclay), les chercheurs du laboratoire LIONS ont développé une méthode automatisée et non sélective de génération de réseaux réactionnels de radiolyse afin de lever ce verrou. Elle s'appuie sur plusieurs bases de données cinétiques (basées sur les mouvements de la matière) ouvertes et validées , qui recensent des milliers de réactions élémentaires et leurs constantes cinétiques. Le réseau généré est ensuite résolu numériquement à l'aide du logiciel FACSIMILE, conçu pour traiter des systèmes d'équations très fortement couplés.

La méthode a d'abord été testée sur un système de référence bien documenté (CO₂/O₂/CO). Les simulations ont correctement reproduit les tendances observées expérimentalement, dans un régime de conversion volontairement limité à environ 10-20 %, afin d'éviter des effets secondaires difficiles à interpréter. Cette étape de validation a montré que l'automatisation permet de conserver la cohérence physique des résultats tout en élargissant considérablement le champ des systèmes accessibles à la simulation.

Explorer des conditions favorables au couplage nucléaire-chimie

La méthode a ensuite été appliquée à un mélange représentatif de fumées industrielles (N₂/CO₂/H₂O/O₂/CO/NO₂/SO₂), typique de certains procédés énergétiques. Le réseau réactionnel associé comprend jusqu'à 448 espèces chimiques et 4 780 réactions élémentaires, illustrant l'ampleur de la complexité prise en compte. Une étude paramétrique (composition, pression, température, additifs) a permis d'identifier des conditions où le rayonnement induit des transformations chimiques plus efficaces.

Les simulations montrent notamment que, dans certaines configurations, l'ajout d'ammoniac peut multiplier par cinq la conversion du CO₂, tandis que la présence de H₂S peut conduire à des rendements élevés en hydrogène, pouvant dépasser 900 molécules produites pour 100 eV d'énergie absorbée. Ces résultats ne constituent pas des prédictions technologiques directes, mais des indications sur des régimes d'intérêt à tester expérimentalement.​

En fournissant un cadre de simulation robuste et systématique, ce travail permet d'explorer plus rapidement des concepts de couplage entre rayonnement nucléaire et chimie, notamment dans le contexte des petits réacteurs modulaires. Il offre ainsi un outil précieux pour mieux comprendre et comparer, sur des bases physiques solides, différentes voies de valorisation chimique de gaz industriels.