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Sellafield is home to the UK's largest repository of nuclear waste, including reprocessed uranium and plutonium, as well as a backlog of unprocessed used fuel and waste kept in outdated storage facilities; commonly referred to as "legacy waste". For this reason, Sellafield has often been called the most hazardous place in Western Europe and as such, is currently undergoing a multi-billion pound decommissioning and clean-up operation. Each on-site facility has unique challenges associated with it, many of them presenting situations where the radiation chemistry aspects of the material degradation are not well understood. The key factors that can affect water radiolysis processes in the Sellafield challenges are a high pH environment, the presence of magnesium hydroxide, the presence of iron oxide, and the presence of organic materials. This work examines the effect each of these factors has on H2 and H2O2 production in water radiolysis as well as developing a computational model to offer some understanding to the kinetic behaviour of water radiolysis under such conditions. The computational model was able to replicate experimental measurements of radiolytic H2 and H2O2 production in both aerated and deaerated water at neutral pH, and provide a further understanding of the role of dissolved oxygen in water radiolysis. Measurements of H2O2 from solutions containing NaOH have shown that an increase in pH generally results in a higher steady state of H2O2, while measurements of H2 show a similar increase with a maximum production rate at pH ~11. The model was also able to closely replicate these experimental measurements with some over prediction, which highlights a gap in our understanding of high pH radiolysis and also brings into question the validity of the estimated rate constant for the reaction: O- + O2- → 2OH- + O2 k= 6.0×10^8 M^-1 s^-1 which was originally determined from kinetic model calculations designed to describe the decay of ozonide (O3ˉ) during pulse-radiolysis studies of high pH solutions conducted byK. Sehested et al in 1982.The radiolysis of magnesium hydroxide slurry also resulted in an increased yield of hydrogen gas but had little effect on the yield of hydrogen peroxide. The hydrogen yield was 0.52 molecules per 100eV while a NaOH solution of equivalent pH gave a yield of 0.27, however interference from carbonate may be the cause of the increased yield. A surface effect was also estimated to contribute 0.05 molecules per 100 eV to the hydrogen gas yield. Hydrogen gas and hydrogen peroxide was measured from the radiolysis of aqueous methanol. This was modelled with a near agreement, but modifications to the model were necessary; highlighting areas of the model that need improvement, as well as providing a reaction scheme from which a more comprehensive model for aqueous methanol radiolysis could be developed.

L’ autoradiolyse de l’eau tritiée HTO, adsorbée dans les zéolithes 4A présente des différences par rapport à la radiolyse de l’eau libre. Nous avons étudié les rôles joués par les zéolithes sur la décomposition de l’eau, en portant un intérêt particulier à l’influence de leur taux de chargement en eau. Premièrement, en exposant les zéolithes aux irradiations externes, nous avons reproduit sélectivement les gammes de dose oude débit de dose constatées en situation d’entreposage.Cette première approche permet de caractériser les échantillons irradiés, car non contaminés, et ainsi de mettre en évidence la très bonne stabilité des zéolithes4A. Puis, le suivi de la radiolyse dans le cas précis de l’eau tritiée adsorbée dans les zéolithes 4A nous a permis d’obtenir des rendements radiolytiques quantitativement représentatifs de ceux relevés en situation d’entreposage. La comparaison des quantités de gaz dégagés pour les trois types de rayonnements étudiés (électrons accélérés à 10 MeV, ! induits par la désintégration du 137Cs et "- induit par la désintégration du tritium) a montré l’importante influence du débit de dose plutôt que de la dose totale déposée. De plus,quelle que soit la source de rayonnement utilisée, les zéolithes 4A favorisent initialement le dégagement de dihydrogène et secondairement de dioxygène. A contrario, elles favorisent ensuite, selon leur taux d’hydratation, la recombinaison de ces deux produits de radiolyse. Différents processus radiolytiques etc atalytiques sont discutés pour expliquer ce résultat majeur, qui n’apparait pas lors de la radiolyse de l’eau libre et qui tend à valider ce mode d’entreposage. / Self-radiolysis of tritiated water (HTO) adsorbed in zeolites 4A shows differences compared tofree-bulk water radiolysis. We studied the roles of zeolites on that. We took special care with the influence of water loading ratio. We first exposed zeolites toexternal irradiations, reproducing selectively the doseor the dose rate measured in the case of tritiated waterstorage. This strategy enables the characterising of the samples after their irradiation since they are notcontaminated by tritium. Those experiments revealedthe high stability of zeolites 4A. We used a secondapproach which consisted in studying the precise case of self-radiolysis of tritiated water, in order to obtain radiolytic yields representative of HTO storage. The comparison between the quantities of gas released when zeolites are exposed to the three different sources that we used (electrons accelerated at 10 MeV, ! released by radioactive decay of 137Cs and "- released by radioactive decay of tritium) revealed the strong influence of the dose rate. More over, whatever the irradiation source,zeolites 4A first favour hydrogen release andsecondarily oxygen release too. On the contrary,zeolites favour next a recombination between those radiolytic products, with a dependence on their water loading ratio. Several processes are discussed to explain such a phenomena, not noticed during the free-bulkwater radiolysis

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Il s’agit d’étudier les effets du TEL du rayonnement, d’un soluté (oxygène, antioxydant, scavengers...) et d’une géométrie de confinement sur les processus physiques et chimiques. Nos études sur la production de radicaux libres en fonction de la pression d’oxygène et du TEL du rayonnement nous ont permis de noter une similitude entre la production des radicaux O2- / HO2 et l’effet oxygène décrit en radiothérapie. Ces résultats confortent l’idée que ce couple de radicaux pourraient jouer un rôle dans l’effet oxygène (radiothérapie) et expliqueraient la disparition de cet effet à haut TEL (hadronthérapie). Nous avons aussi montré que cette similitude persistait en présence de Glutathion (antioxydant majoritaire dans le noyau cellulaire) / -

Au cours de ces travaux de thèse, la synthèse de différents calix[8]arènes et complexes calixarèniques mono- et bimétalliques a été réalisée, en vue de préparer des nanoparticules par radiolyse. Les différentes étapes de synthèse ont été optimisées et différentes fonctionnalisations ont été testées pour améliorer la solubilité et le greffage des calixarènes à la surface des nanoparticules. Les nanoparticules métalliques obtenues à partir de sels d’argent et/ou d’or et stabilisées par les calix[8]arènes dans l’éthanol sont sphériques, très petites et très homogènes en taille (inférieures à 5 nm). Les analyses HAADF/STEM-EDX réalisées sur les nanoparticules Au-Ag ont permis de mettre en évidence le caractère bimétallique de ces nanoparticules et la présence de très petits agrégats de tailles inférieures à 1 nm. Les nanoparticules d’argent synthétisées ont montré leur efficacité en catalyse de réduction de composés nitrés. Ces résultats montrent l’efficacité des calixarènes pour stabiliser de très petites nanoparticules, tout en permettant une activité catalytique. Des nanoparticules mono- et bimétalliques (Au et Au-Ag) ont également été obtenues à partir des complexes calixarèniques par voie radiolytique. Cette voie de synthèse a permis d’augmenter la quantité de métal dans le milieu sans accroître la taille des nanoparticules formées, qui reste de l’ordre de 3-4 nm. Cette particularité peut être liée à la présence d’échanges rapides entre des clusters formés entre les calixarènes et les complexes métalliques précurseurs, mis en évidence par RMN. Toutefois, cette étude mérite d’être poursuivie. / During this thesis, the synthesis of different calix[8]arenes and mono- and bimetallic calixarenic complexes was performed in order to produce nanoparticles by radiolysis. The different steps of the synthesis were optimized and different functionalizations were tested to improve the solubility and the anchoring at the nanoparticles surface. Metallic nanoparticles were generated from silver and/or gold salts and stabilized by calix[8]arenes in ethanol. The obtained spherical nanoparticles were very small (less than 5 nm) and homogeneous in size. HAADF/STEM-EDS analyses performed on Au-Ag nanoparticles revealed their bimetallic character and the presence of very small aggregates of less than 1 nm. Catalyticefficiency of the silver nanoparticles was tested through nitreous compound reduction.These results show the calixarenes efficiency to stabilize small nanoparticles while allowing the catalytic activity. Mono- and bimetallic nanoparticles (Au and Au-Ag) were also synthesized by radiolysis from the calixarenic complexes. This synthetic pathway allowed the increase of the amount of metal used during the synthesis without increasing the size of the obtained nanoparticles (3-4 nm). This particularity can be related to fast exchange phenomena between clusters formed by the calixarenes and the metallic precursors complexes, that were shown by NMR spectroscopy. However, this NMR study needs to be pursued.