L'acide nitrique est largement utilisé dans le procédé de retraitement du combustible nucléaire usé, le procédé PUREX (Plutonium and Uranium Refining by EXtration). Ce procédé est fondé sur l'extraction liquide-liquide de l'uranium et du plutonium aux degrés d'oxydation (+VI) et (+IV) respectivement. Le plutonium est ensuite désextrait, et ainsi séparé de l'uranium par ajout d'uranium (+IV) stabilisé en milieu acide nitrique par des ions hydrazinium (N2H5+). Or, la radiolyse de l'acide nitrique, inhérente à la présence d'émetteurs α dans ces solutions, génère des espèces radicalaires et moléculaires susceptible de modifier, d'une part, le comportement redox des actinides et, d'autre part, de réagir avec les ions hydrazinium. Le but de ce travail est de mieux maîtriser les paramètres chimiques et physico-chimiques susceptibles de modifier les degrés d'oxydation de l'uranium et du plutonium dans les solutions d'acide nitrique. Parmi ces paramètres, le rôle de l'acide nitreux et du peroxyde d'hydrogène, générés par radiolyse de l'acide nitrique, est primordial. L'objectif est de repréciser les cinétiques de formation du peroxyde d'hydrogène et de l'acide nitreux par radiolyse alpha des milieux acide nitrique / nitrate de sodium en fonction des paramètres : acidité, concentration des ions nitrate et transfert d'énergie linéique du rayonnement ionisant.Il a été montré que la formation de peroxyde d'hydrogène diminue avec l'augmentation de la concentration des ions nitrate et augmente fortement avec l'acidité de la solution, jusqu'à atteindre une valeur stationnaire pour une acidité proche de 0,2 mol L-1. Pour sa part, la formation de l'acide nitreux est favorisée par l'augmentation de la concentration des ions nitrate. Il a été observé que G(HNO2) évolue selon deux tendance distincte, la première dans les solutions diluées d'ions nitrate et la seconde dans les solutions concentrées d‘ions nitrate. Ces deux variations traduisent des phénomènes radiolytiques directs et indirects modifiant les mécanismes de formation de HNO2. L'étude de l'acidité des solutions irradié a montré que la formation de H2O2 et de HNO2 est favorisé avec l'augmentation de la concentration des ions hydronium, jusqu'à atteindre une valeur stationnaire pour une acidité proche de 0,2 - 0,5 mol L-1.Par ailleurs, les effets induits par la nature du rayonnement ionisants (,,,…), sur les rendements de formation de H2O2 et HNO2, ont été étudiés. Il a été montré que le transfert d'énergie linéique (TEL), compris entre 0,2 keV µm-1 (caractéristique d'un rayonnement gamma) et 130 keV µm-1 (caractéristique d'un rayonnement alpha émis par la décroissance radioactive d'un actinide), a une influence significative sur les rendements de formation de H2O2 et de HNO2. Il a été observé que l'impact des ions nitrate sur le rendement de formation de H2O2 devient plus marqué, lorsque le TEL augmente. A contrario, l'impact des ions nitrate favorisant le rendement de formation de HNO2, diminue lorsque le TEL augmente. Sur la base des résultats acquis durant cette étude et des données présentes dans la littérature, deux équations paramétriques ont été développées. L'intérêt de cette paramétrisation des effets est de prédire les rendements radiolytiques de formation de H2O2 et de HNO2 selon les conditions chimique du milieu ([NO3-] ≤ 4 mol L-1 et 10-5 mol L-1 ≤ [H+] ≤ 4 mol L-1) et selon la nature du faisceau (TEL compris entre 0,2 – 130 keV µm-1).La finalité de cette étude serait de prédire les quantités de H2O2 et de HNO2 formés par radiolyse de HNO3/NaNO3 dans les étapes du procédé de retraitement des combustibles nucléaires. / Nitric acid is widely used in spent nuclear fuel reprocessing, especially in PUREX process (Plutonium and Uranium Refining by Extraction). This process is based on liquid-liquid extraction of Uranium (+VI) and Plutonium (+IV). Plutonium is separated from Uranium by addition of Uranium (+IV) in nitric acid, stabilized by hydrazinium ion (N2H5+). However, the radiolysis of nitric acid, result of the presence of alpha emitting radionuclides, generates in solutions free radicals and molecular species. These species are capable of modifying the redox state of actinides and reacting with hydrazinium ions.The aim of this work is to reveal the chemical and physical-chemical parameters that may modify the oxidation states of Uranium and Plutonium in nitric acid solutions. Among these parameters, the role of nitrous acid and hydrogen peroxide, generated by radiolysis of the nitric acid, is very important. The objective is to redefine the kinetics of formation of hydrogen peroxide and nitrous acid during alpha radiolysis of nitric acid / sodium nitrate, as a function of three parameters: acidity, nitrate concentration and the linear energy transfer of ionizing radiation.It was shown that the formation of hydrogen peroxide decreases with increasing nitrate ions concentration and increases greatly with the acidity of the solution (until it reaches a stationary value for an acidity of 0.2 mol L-1). The formation of nitrous acid is promoted by the increase the nitrate ions concentration. It was observed that G(HNO2) varies according to two trends. The first one in dilute nitrate solutions and the second in concentrated nitrate solutions. These two trends reflect the direct and indirect radiolytic phenomena, modifying the mechanisms of formation of HNO2. The study of acidity has showed that the formation of H2O2 and HNO2 is promoted by increasing the concentration of hydronium ions, until it reaches a steady state value for an acidity close to 0.2-0.5 mol L-1.Furthermore, the effects induced by ionizing radiation (,,,…) on formation yields of H2O2 and HNO2 were studied. It has been shown that the linear energy transfer (LET), between 0.2 keV µm-1 (characteristic of a gamma radiation) and 130 keV µm-1 (characteristic of the alpha radiation emitted by radioactive decay of actinides), has a significant influence on formation yield of H2O2 and HNO2. It was observed that the impact of nitrate ions on the formation yield of H2O2 becomes more pronounced when the LET increases. Conversely, the impact of nitrate ions which promote the formation of HNO2, decreases when the LET increases.Based on these results, two parametric equations were developed. The advantage of this parameterization is to predict the radiolytic yields formation of H2O2 and HNO2 according to chemical conditions ([NO3-] ≤ 4 mol L-1 and 10-5 mol L-1 ≤ [H+] ≤ 4 mol L-1) and the nature of the beam (LET between 0.2 to 130 keV µm-1).The purpose of this study is to predict the quantity of H2O2 and HNO2 formed by radiolysis of HNO3/NaNO3, during the different steps of the nuclear fuel reprocessing.

Le travail présenté dans cette thèse, s’inscrit dans le domaine d'étude de l'interaction des rayonnements ionisants avec les liquides polaires. Bénéficiant de l’accélérateur d'électrons picoseconde ELYSE, les études ont été menées en utilisant les techniques de la radiolyse impulsionnelle associées à la spectrophotométrie d’absorption résolue en temps dans le domaine de la picoseconde. Ce travail est réparti sur deux chapitres distincts. Le premier aborde l’étude la variation temporelle du rendement radiolytique de l’électron solvaté dans l'eau et les alcools simples. Grâce au système de détection original monté sur l’accélérateur ELYSE, composé d’une lampe flash spécialement conçue pour cette détection et d’une streak-camera utilisée pour la première fois en spectroscopie d’absorption, il a été possible d'enregistrer la totalité du déclin du rendement radiolytique de l’électron solvaté d’une façon continue dans un intervalle de temps allant de la dizaine de picoseconde à quelques centaines de nanoseconde. La capture de l’électron solvaté par le méthylviologène, a été mise à profit pour réévaluer le coefficient d’extinction molaire du spectre d'absorption de l’électron solvaté dans l’eau et l’éthanol à partir des points isobestiques qui apparaissent à l'intersection des spectres d'absorption de l’électron solvaté qui disparaît et du méthylviologène qui se forme au cours de la réaction.Le deuxième chapitre est consacré à l’étude des carbonates organiques liquides, tels que le diméthyle carbonate (DMC), le diéthyle carbonate (DEC) et le propylène carbonate (PC). Cette famille de carbonate qui n’a jamais été étudiée auparavant par radiolyse pulsée, entre dans la composition des électrolytes des batteries notamment au lithium. Les études ont été focalisées sur le PC au vu de ces caractéristiques physico-chimiques, notamment sa constante diélectrique très élevée (64) et son très fort moment dipolaire de 4,9 D. Les premiers résultats ont été obtenus d’abord sur des solutions aqueuses contenant du propylène carbonate afin d'observer les réactions de réduction et d'oxydation du PC par les espèces radiolytiques de l'eau (électron solvaté et radicaux OH). Puis après l’identification (spectrale et cinétique) de l’espèce formée par interaction avec le radical OH comme étant le radical PC• résultant de l'abstraction d'un H de la molécule de PC et l’espèce formée par interaction avec l’électron aqueux comme étant l'anion PC-, d’autres mesures ont été effectuées dans le liquide pur ainsi qu’en présence de certains intercepteurs d’électrons (biphényle, anthracène, naphtalène). Elles ont permis d'accéder au rendement radiolytique de PC- ainsi qu'à l'évaluation de son potentiel redox. Les premiers résultats sur le DEC et le DMC sont aussi exposés dans cette partie, portant dans un premier lieu sur le solvant pur et puis en présence de biphényle. / This work is part of the study area of the interaction of radiation with polar liquids. Using the picosecond electron accelerator ELYSE, studies were conducted using the techniques of pulse radiolysis combined with absorption spectrophotometry Time-resolved in the field of a picosecond.This work is divided into two separate chapters. The first study addresses the temporal variation of the radiolytic yield of solvated electron in water and simple alcohols. Due to original detection system mounted on the accelerator ELYSE, composed of a flash lamp specifically designed for the detection and a streak-camera used for the first time in absorption spectroscopy, it was possible to record the time-dependent radiolytic yields of the solvated electron from ten picoseconds to a few hundred nanoseconds. The scavenging of the electron solvated by methyl viologen, was utilized to reevaluate the molar extinction coefficient of the absorption spectrum of solvated electron in water and ethanol from isobestic points which corresponds to the intersection of the absorption spectra of solvated electron which disappears and methyl viologen which is formed during the reaction.The second chapter is devoted to the study of liquid organic carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and propylene carbonate (PC). This family of carbonate wich compose the electrolytes lithium batteries, has never been investigated by pulse radiolysis. The studies were focused on the PC in the light of these physicochemical characteristics, including its very high dielectric constant (64) and its strong dipole moment of 4.9 D. The first results were obtained on aqueous solutions containing propylene carbonate to observe the reactions of reduction and oxidation of PC by radiolytic species of water (solvated electron and OH radicals). Then, after the identification (spectral and kinetic) of the species formed by interaction with the OH radical as the PC• radical resulting from the abstraction of a H from the molecule of PC and the species formed by the interaction with electron as the anion aqueous PC-, other measurements were made in the pure liquid and in the presence of some electron interceptors (biphenyl, anthracene, naphthalene). They give access to the radiolytic yield of PC- and the evaluation of its redox potential. The first results of the DEC and the DMC are also outlined in this section, the pure solvent and then in the presence of biphenyl.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension du mécanisme d'oxydation de Br- dans lequel le radical HO* intervient. Le rendement du radical HO* étant alors intimement lié au rendement d'oxydation de Br-, c'est sur lui que l'influence de différents paramètres physicochimiques a été étudiée : température, TEL, débit de dose, pH, nature du gaz saturant. Les solutions ont été irradiées avec 4 types de rayonnement : rayons X de 13 à 18 keV, électrons de 7 et 10 MeV, faisceaux d'ions C6+ de 975 MeV et He2+ de 70 MeV. Le développement d'un autoclave optique avec circulation de solution compatible avec le rayonnement de TEL élevé a permis de réaliser les premières expériences à TEL élevé constant et à température élevée. Cette cellule s'est avérée être aussi compatible avec les expériences pompe-sonde picoseconde réalisées avec l'accélérateur ELYSE.Le rendement de capture du radical hydroxyle a donc été estimé à TEL élevé mais aussi à haute température. Une meilleure compréhension du mécanisme d'oxydation de Br- en est issue, notamment en milieu acide et en comparant les résultats cinétiques avec les simulations Monte Carlo pour les temps inférieurs à la µs, et Chemsimul pour les produits stables (formation de Br2*- et de Br3-).

Le travail présenté dans cette thèse, s'inscrit dans le domaine d'étude de l'interaction des rayonnements ionisants avec les liquides polaires. Bénéficiant de l'accélérateur d'électrons picoseconde ELYSE, les études ont été menées en utilisant les techniques de la radiolyse impulsionnelle associées à la spectrophotométrie d'absorption résolue en temps dans le domaine de la picoseconde. Ce travail est réparti sur deux chapitres distincts. Le premier aborde l'étude la variation temporelle du rendement radiolytique de l'électron solvaté dans l'eau et les alcools simples. Grâce au système de détection original monté sur l'accélérateur ELYSE, composé d'une lampe flash spécialement conçue pour cette détection et d'une streak-camera utilisée pour la première fois en spectroscopie d'absorption, il a été possible d'enregistrer la totalité du déclin du rendement radiolytique de l'électron solvaté d'une façon continue dans un intervalle de temps allant de la dizaine de picoseconde à quelques centaines de nanoseconde. La capture de l'électron solvaté par le méthylviologène, a été mise à profit pour réévaluer le coefficient d'extinction molaire du spectre d'absorption de l'électron solvaté dans l'eau et l'éthanol à partir des points isobestiques qui apparaissent à l'intersection des spectres d'absorption de l'électron solvaté qui disparaît et du méthylviologène qui se forme au cours de la réaction.Le deuxième chapitre est consacré à l'étude des carbonates organiques liquides, tels que le diméthyle carbonate (DMC), le diéthyle carbonate (DEC) et le propylène carbonate (PC). Cette famille de carbonate qui n'a jamais été étudiée auparavant par radiolyse pulsée, entre dans la composition des électrolytes des batteries notamment au lithium. Les études ont été focalisées sur le PC au vu de ces caractéristiques physico-chimiques, notamment sa constante diélectrique très élevée (64) et son très fort moment dipolaire de 4,9 D. Les premiers résultats ont été obtenus d'abord sur des solutions aqueuses contenant du propylène carbonate afin d'observer les réactions de réduction et d'oxydation du PC par les espèces radiolytiques de l'eau (électron solvaté et radicaux OH). Puis après l'identification (spectrale et cinétique) de l'espèce formée par interaction avec le radical OH comme étant le radical PC* résultant de l'abstraction d'un H de la molécule de PC et l'espèce formée par interaction avec l'électron aqueux comme étant l'anion PC-, d'autres mesures ont été effectuées dans le liquide pur ainsi qu'en présence de certains intercepteurs d'électrons (biphényle, anthracène, naphtalène). Elles ont permis d'accéder au rendement radiolytique de PC- ainsi qu'à l'évaluation de son potentiel redox. Les premiers résultats sur le DEC et le DMC sont aussi exposés dans cette partie, portant dans un premier lieu sur le solvant pur et puis en présence de biphényle.

Résumé : Les ions hydronium (H3O + ) sont formés, à temps courts, dans les grappes ou le long des trajectoires de la radiolyse de l'eau par des rayonnements ionisants à faible transfert d’énergie linéaire (TEL) ou à TEL élevé. Cette formation in situ de H3O + rend la région des grappes/trajectoires du rayonnement temporairement plus acide que le milieu environnant. Bien que des preuves expérimentales de l’acidité d’une grappe aient déjà été signalées, il n'y a que des informations fragmentaires quant à son ampleur et sa dépendance en temps. Dans ce travail, nous déterminons les concentrations en H3O + et les valeurs de pH correspondantes en fonction du temps à partir des rendements de H3O + calculés à l’aide de simulations Monte Carlo de la chimie intervenant dans les trajectoires. Quatre ions incidents de différents TEL ont été sélectionnés et deux modèles de grappe/trajectoire ont été utilisés : 1) un modèle de grappe isolée "sphérique" (faible TEL) et 2) un modèle de trajectoire "cylindrique" (TEL élevé). Dans tous les cas étudiés, un effet de pH acide brusque transitoire, que nous appelons un effet de "pic acide", est observé immédiatement après l’irradiation. Cet effet ne semble pas avoir été exploré dans l'eau ou un milieu cellulaire soumis à un rayonnement ionisant, en particulier à haut TEL. À cet égard, ce travail soulève des questions sur les implications possibles de cet effet en radiobiologie, dont certaines sont évoquées brièvement. Nos calculs ont ensuite été étendus à l’étude de l'influence de la température, de 25 à 350 °C, sur la formation in situ d’ions H3O + et l’effet de pic acide qui intervient à temps courts lors de la radiolyse de l’eau à faible TEL. Les résultats montrent une augmentation marquée de la réponse de pic acide à hautes températures. Comme de nombreux processus intervenant dans le cœur d’un réacteur nucléaire refroidi à l'eau dépendent de façon critique du pH, la question ici est de savoir si ces fortes variations d’acidité, même si elles sont hautement localisées et transitoires, contribuent à la corrosion et l’endommagement des matériaux. / Abstract : Hydronium ions (H3O+) are formed within spurs or tracks of the low or high linear energy transfer (LET) radiolysis of pure, deaerated water at early times. The in situ radiolytic formation of H3O+ renders the spur and track regions temporarily more acid than the surrounding medium. Although experimental evidence for an acidic spur has already been reported, there is only fragmentary information on its magnitude and time dependence. In this work, spur or track H3O+ concentrations and the corresponding pH values are obtained from our calculated yields of H3O+ as a function of time, using Monte Carlo track chemistry simulations. We selected four impacting ions and we used two different spur and track models: 1) an isolated “spherical” spur model characteristic of low-LET radiation and 2) an axially homogeneous “cylindrical” track model for high-LET radiation. Very good agreement was found between our calculated time evolution of G(H3O+) in the radiolysis of pure, deaerated water by 300-MeV incident protons (which mimic 60Co gamma/fast electron irradiation) and the available experimental data at 25 °C. For all cases studied, an abrupt transient acid pH effect, which we call an “acid spike”, is observed during and shortly after the initial energy release. This acid-spike effect is virtually unexplored in water or in a cellular environment subject to the action of ionizing radiation, especially high-LET radiation. In this regard, this work raises a number of questions about the potential implications of this effect for radiobiology, some of which are briefly evoked. Our calculations were then extended to examine the effect of temperature from 25 to 350 °C on the yield of H3O+ ions that are formed in spurs of the low-LET radiolysis of water. The results showed an increasingly acidic spike response at higher temperatures. As many in-core processes in a water-cooled nuclear reactor critically depend on pH, the question here is whether these variations in acidity, even highly localized and transitory, contribute to material corrosion and damage.

L’objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension du mécanisme d’oxydation de Br- dans lequel le radical HO• intervient. Le rendement du radical HO• étant alors intimement lié au rendement d’oxydation de Br-, c’est sur lui que l'influence de différents paramètres physicochimiques a été étudiée : température, TEL, débit de dose, pH, nature du gaz saturant. Les solutions ont été irradiées avec 4 types de rayonnement : rayons X de 13 à 18 keV, électrons de 7 et 10 MeV, faisceaux d’ions C6+ de 975 MeV et He2+ de 70 MeV. Le développement d’un autoclave optique avec circulation de solution compatible avec le rayonnement de TEL élevé a permis de réaliser les premières expériences à TEL élevé constant et à température élevée. Cette cellule s’est avérée être aussi compatible avec les expériences pompe-sonde picoseconde réalisées avec l’accélérateur ELYSE.Le rendement de capture du radical hydroxyle a donc été estimé à TEL élevé mais aussi à haute température. Une meilleure compréhension du mécanisme d’oxydation de Br- en est issue, notamment en milieu acide et en comparant les résultats cinétiques avec les simulations Monte Carlo pour les temps inférieurs à la µs, et Chemsimul pour les produits stables (formation de Br2•- et de Br3-). / The purpose of this thesis is to contribute to the understanding of the oxidation mechanism of Br- in which the HO• radical is involved. The HO• radiolytic yield is strongly connected with the oxidation yield of Br-, and therefore we have studied the influence of different physical and chemical parameters on this global yield: temperature, LET, dose rate, pH, saturation gas. The solutions have been irradiated with 4 types of ionizing rays: X- rays (from 13 to 18 keV), electrons (from 7 to 10 MeV), C6+-ions beam of 975 MeV and He2+-ions beam of 70 MeV.The development of an optical autoclave with solution flow, compatible with high LET ionizing rays has allowed us conduct the first experiments at constant high LET and high temperature. This cell has turned out to be compatible with the picosecond pump-probe experiments performed with the ELYSE accelerator.The HO• scavenging yield has been, therefore, estimated at both high LET and high temperature. A better understanding of the Br- oxidation mechanism has been achieved, in acid medium, in particular, by comparing the kinetics results with Monte Carlo Simulations for time scales inferior to the microsecond and with Chemsimul for the stable products (Br2•- and Br3- formations).