Dose-rate effects in water radiolysis from 25 to 700 °C: A Monte Carlo multi-track chemistry simulation study with applications in supercritical water-cooled nuclear reactors and FLASH radiotherapy.

Abstract

Abstract: Nuclear energy is one of the most demanded low-carbon energy sources in this era of climate change. The “Generation IV International Forum” has selected the concept of supercritical water-cooled reactors as one of the six innovative reactor concepts to be the subject of international collaborations in terms of research and development. It is difficult to make direct experimental measurements of the primary radiolytic products of supercritical water (SCW) (e_aq^-, OH–, H+, H•, •OH, H2, H2O2, HO_2^•/O_2^(• -),…), which are corrosive for materials under extreme conditions of temperature (~350 to 650°C), pressure (25 MPa) and mixed radiation field inside the reactor core. In this study, we have developed Monte Carlo simulation programs of the chemistry involved in the trajectories in order to explore the effect of temperature and pressure (density) in the radiolysis of SCW, to calculate the yields of radiolytic species (oxidizing and reducing ) and to reveal the reaction mechanisms involved. To our knowledge, we are the first to have studied the effects of radiation dose rate in Generation IV reactors or small modular reactors cooled with supercritical water, under conditions normal operation or in an emergency or accidental situation (where the dose rate may exceed 10^10 Gy/s). For this, we irradiated the water with single pulses of N incident protons of 300 MeV kinetic energy (which mimic the ⁁ rays of cobalt-60) and varies N to study the dose rate effect. In addition, we have developed a model of water radiolysis in a cell-like environment to examine the mechanism of radiolytic oxygen depletion by e_aq^- and H• produced by radiolysis, which has been proposed to explain the protection of healthy tissue in FLASH radiotherapy (which uses instantaneous dose rates of ~10^6-10^7 Gy/s). We have shown that this radiolytic depletion of O2 is considerably attenuated in the presence of cellular components having the property of being excellent sensors of e_aq^- and •OH. We finally studied the effect of dose rate on the peaks of transient acidity produced at short times by radiolysis of pure SCW deaerated at 400°C and aerated water at 25°C. In all the environments considered, the pH of the solution remains very acidic (between ~2.8 and 3.5) for a long period of time and this acidity increases with the increase in the dose rate. This acidity can contribute to corrosion in nuclear reactors and play an important role in the mechanisms of the FLASH effect.

L'énergie nucléaire est l'une des sources d'énergie à faible émission de carbone les plus demandées en cette ère de changement climatique. Le « Forum International Génération IV » a sélectionné le concept de réacteurs refroidis à l'eau supercritique comme l'un des six concepts de réacteurs innovants devant faire l'objet de collaborations internationales en matière de recherche et développement. Il est difficile d'effectuer des mesures expérimentales directes des produits radiolytiques primaires de l'eau supercritique (SCW) (eaq−, OH–, H+, H•, •OH, H2, H2O2, HO2•/O2•−,…), qui sont corrosifs pour les matériaux dans les conditions extrêmes de température (~350 à 650 °C), de pression (25 MPa) et de champ mixte de rayonnement à l'intérieur du coeur du réacteur. Dans cette étude, nous avons développé des programmes de simulation Monte Carlo de la chimie intervenant dans les trajectoires afin d’explorer l'effet de la température et de la pression (densité) dans la radiolyse de SCW, de calculer les rendements des espèces radiolytiques (oxydantes et réductrices) et de révéler les mécanismes réactionnels mis en jeu. À notre connaissance, nous sommes les premiers à avoir étudier les effets de débit de dose du rayonnement dans les réacteurs de Génération IV ou petits réacteurs modulaires refroidis à l’eau supercritique, dans des conditions normales de fonctionnement ou dans une situation d'urgence ou accidentelle (où le débit de dose peut dépasser 1010 Gy/s). Pour cela, nous avons irradié l'eau avec des impulsions uniques de N protons incidents de 300 MeV d’énergie cinétique (qui mimiquent les rayons ⁁ de cobalt-60) et fait varier N pour étudier l'effet de débit de dose. En outre, nous avons développé un modèle de radiolyse de l’eau dans un environnement qui se rapproche de celui d’une cellule pour examiner le mécanisme de l'appauvrissement radiolytique de l'oxygène par eaq− et H• produits par radiolyse, qui a été proposé pour expliquer la protection des tissus sains dans la radiothérapie FLASH (qui utilise des débits de dose instantanés de ~106-107 Gy/s). Nous avons montré que cet épuisement radiolytique de O2 s’atténue considérablement en présence de composants cellulaires ayant la propriété d’être d’excellents capteurs de eaq− et •OH. Nous avons enfin étudié l'effet de débit de dose sur les pics d'acidité transitoire produits à temps courts par radiolyse de SCW pure désaérée à 400 °C et d'eau aérée à 25 °C. Dans tous les environnements considérés, le pH de la solution reste très acide (entre ~2.8 et 3.5) pendant une longue période de temps et cette acidité croît avec l'augmentation du débit de dose. Cette acidité peut contribuer à la corrosion dans les réacteurs nucléaires et jouer un rôle important dans les mécanismes de l’effet FLASH.