Section 13 Chimie physique, théorique et analytique

III. Radiochimie

Les domaines couverts par la radiochimie vont de l'étude des propriétés physicochimiques des radionucléides (RN) en solution, aux interfaces et dans les solides, aux effets des rayonnements induits par les RN et jusqu'à l'étude des propriétés de la matière elle-même dans les domaines de la cosmologie et de la physique nucléaire. Les domaines couverts par cette discipline dépassent largement son champ habituel d'investigation (amont et aval du cycle du combustible), en particulier : protection, médecine, océanologie, paléo-climatologie, hydrogéochimie, datation.

La chimie sous rayonnements ionisants, est la discipline qui étudie les transformations de la matière irradiée par des rayonnements de grande énergie. Même si ces phénomènes concernent aussi le milieu entourant les RN, les études de radiolyse sont menées systématiquement avec des sources externes de rayonnements qui seules interfèrent avec le milieu. Ces sources peuvent être continues ou pulsées qui couplées à des détections rapides synchronisées permettent de décomposer les étapes cinétiques des mécanismes et d'établir les propriétés physiques et chimiques des intermédiaires réactionnels.

La relance des programmes pour l'énergie nucléaire dans le monde en accord avec une gestion durable des ressources était encore il y a peu un enjeu majeur car supposé acceptable par la société. Cet élan a été stoppé net par l'accident de Fukushima et a conduit plusieurs pays a renoncé à l'énergie nucléaire avec comme conséquence l'arrêt des centrales nucléaires d'ici une ou deux décennies. C'est une conséquence importante pour la radiochimie car, malgré une politique affichée pour poursuivre les efforts de recherche pour les réacteurs de quatrième génération, il n'est pas sûr que la recherche fondamentale soit privilégiée dans les années à venir. En revanche, l'acceptation par la société des éléments radioactifs comme acteurs de la santé publique est toujours d'actualité. On note aussi un regain d'intérêt des états (et plus particulièrement les États-Unis) pour disposer de molécules biologiques capables d'éliminer spécifiquement des radionucléides d'organismes, avec des applications évidentes en cas d'accident ou de terrorisme nucléaire.

Les avantages économiques, d'efficacité et de spécificité de l'énergie des rayonnements, comme alternative aux traitements thermiques, ou par addition d'agent chimique, sont aujourd'hui exploités dans de nombreuses applications. Elles sont peut-être peu connues du public, mais le développement de centres avec des accélérateurs qui leur sont dédiés est en pleine croissance. Par ailleurs, les effets bénéfiques des rayonnements pour réduire ou détruire les tumeurs cancéreuses sont basés sur une bonne compréhension des effets de la radiolyse. En particulier, le succès des ions lourds pour les traitements très localisés très développé au japon et désormais en croissance en France.

La dissémination des radiochimistes et des chimistes des rayonnements dans les 2 grands organismes que sont le CNRS et le CEA ainsi que dans les universités crée des liens forts entre les chercheurs des divers organismes qu'on retrouve dans les sources de financement dans certains projets fédérateurs du défi NEEDS (Nucléaire, Énergie, Environnement, Déchets, Société) :

– Ressources : mines, procédés, économie ;

– Traitement et conditionnement des déchets radioactifs (Déchets) ;

– Comportement à différentes échelles des matériaux pour le stockage (MIPOR) ;

– Impact des activités nucléaires sur l'environnement (Environnement) ;

– Matériaux pour l'énergie nucléaire.

Il est à noter également un développement très notable de la modélisation théorique dans tous les domaines de la radiochimie ou la radiolyse, que ce soit en thermodynamique des solutions, en modélisation des fluides dans les sols, en chimie structurale, en cinétique non homogène dans les traces d'absorption de l'énergie, et pour prédire les comportements chimiques d'éléments très peu connus comme l'astate, le polonium ou le protactinium. Il est clair que la part de la modélisation théorique sera de plus en plus importante grâce à l'existence de centres dédiés aux très grands calculs (par exemple le TGCC [Très Grand Centre de Calcul]). Un des grands défis en modélisation sera de pouvoir couvrir toutes les échelles d'espace et de temps (approche multi-échelle) rendu nécessaire pour appréhender les phénomènes physicochimiques liés au stockage, à la séparation, à la migration des RN, à la transformation des systèmes sous irradiation, etc.

On notera également qu'un thème de recherche réapparaît depuis peu : la physico-chimie bioactinidique et de façon générale, la physico-chimie des radionucléides associés aux molécules biologiques. L'enjeu est important car il permettrait d'accepter la radioactivité en tant que vecteur de progrès social pour peu que la recherche propose des classes de molécules permettant la décorporation ciblée, la remédiation des sites contaminés, le traitement ciblé des tumeurs, etc.

Dans le domaine de la chimie sous rayonnement, on note un essor important de la compréhension des mécanismes complexes :

– en milieu hétérogène, confiné et très concentré,

– à haute température et haut TEL,

– en transfert d'électron et recombinaison ultrarapide,

– en mécanisme d'oxydation ciblé en milieu biologique notamment pour attaquer les tumeurs.

Le constat donné lors du précédent rapport de conjoncture est hélas toujours d'actualité, à savoir une désaffection importante des étudiants pour la radiochimie et la radiolyse. L'enseignement de la chimie sous rayonnement qui intéresse des domaines très large est dispersé au niveau national. Néanmoins, on peut noter qu'un effort important se met en place en France pour redynamiser cette discipline (Master à Nantes, master international d'énergie nucléaire). Pour ce faire, un réseau national est en train de se créer pour fédérer les enseignements. La difficulté à trouver d'excellents candidats pour des thèses est toujours vraie, ce qui conduit les établissements d'enseignement à internationaliser leur formation.