Radiolysis of supercritical water (SCW) by radiations of different qualities: Formation of local, transient "acid spikes" at early times, and their consequences as potential sources of corrosion in proposed Generation IV SCW-cooled nuclear reactors. A Monte Carlo track chemistry simulation study

Abstract

La chimie sous rayonnement est un domaine d’études fort diversifié. Les industries nucléaires, où s’inscrit le récent projet de réacteurs dit de « quatrième génération » (Gen-IV), s'intéressent principalement à la chimie de l’eau qui intervient dans le cœur des réacteurs, pour des raisons évidentes de coûts et de sécurité. L'eau supercritique (ESC) est un liquide de refroidissement potentiel ayant été proposé pour être utilisé dans l'un des concepts possibles du projet nucléaire Gen-IV. Dans la présente étude, la chimie sous rayonnement de l’ESC à 400 °C a été examinée à l’aide de simulations Monte Carlo, en se concentrant sur les « pics d’acidité » transitoires ultra-rapides qui se forment le long des trajectoires du rayonnement. Cette radiolyse a été effectuée avec des neutrons de 2 MeV et des protons de 300 MeV dans le but de rendre compte des rayonnements à fort et faible transferts d’énergie linéaire (TEL) qui existent au sein d’un réacteur. Nos programmes de simulation ont été adaptés pour tenir compte des propriétés exceptionnelles de l’ESC à 400 °C, et aussi pour permettre de réaliser notre étude en fonction de la densité de l'eau (entre 0,15 et 0,6 g/cm3). Les résultats de nos simulations ont été comparés au peu de données expérimentalement disponibles, ainsi qu’aux données obtenus à l’aide du logiciel SRIM (« Stopping and Range of Ions in Matter »). Ces comparaisons étaient nécessaires, car un certain nombre d'approximations ont dû être faites lors de l'élaboration de nos programmes. En plus des différentes espèces importantes générées par la radiolyse (e-aq, •OH, H2O2, H2, etc.), nous avons aussi observé la formation d’un nombre substantiel de protons (H+) le long des trajectoires de rayonnements autant à fort et faible TEL et pour toutes les densités d’eau considérées. Nos simulations ont ainsi permis de calculer et de quantifier les variations locales d’acidité correspondantes avec le temps. Nous avons trouvé des valeurs de pH aussi faibles que ~1 aux temps les plus courts, valeurs qui augmentaient peu à peu après un certain temps jusqu’à atteindre la neutralité. La durée et l'ampleur de cette acidité locale peuvent inciter l'expérimentateur à examiner le rôle probable qu’elle peut jouer en termes de corrosion dans les réacteurs refroidis à l’ESC.

Abstract: The domain of study of radiation chemistry is diversified. Nuclear industries, where Gen-IV project is the newest edition, are especially concerned with the radiation chemistries inside the nuclear reactor core, as various issues of costs and safeties are always involved. Supercritical water (SCW) is a potential reactor coolant that may be used in one of the possible designs of the Gen-IV nuclear project. In this study, the radiation chemistry of supercritical water at 400 °C was looked into using Monte Carlo track chemistry simulations, focusing particularly on the generation of ultrafast transient “acid spikes” along the radiation track. In this work, radiolysis of supercritical water with 2 MeV neutrons and 300 MeV protons was studied to cover both the high and low linear energy transfer (LET) radiations that can possibly exist in the reactor. Our simulation programs were adapted to account for the exceptional properties of supercritical water as compared to water at a lower temperature, and to allow us to perform our study as a function of the density of water (0.15-0.6 g/cm3). Data obtained from our simulations were compared with the few experimentally available data and with the data obtained with the SRIM (“Stopping and Range of Ions in Matter”) software. These comparisons were necessary as a number of approximations had to be made during the development of our programs. In addition to the different important radiolytically generated species (including eaq, •OH, H2O2, H2, etc.), we also observed the formation of a substantial number of protons (H+) along the radiation trajectories at low and high LET and for all water densities considered. Using our programs, we calculated and quantified the local variations of the pH along the track with time. We found pH values as low as ~1 at the shortest times, values that increased little by little after a certain time until reaching neutrality. The duration and magnitude of this local acidity may prompt the experimentalist to examine the likely role it may play in terms of corrosion in SCW-cooled reactors.