Breaking the picosecond barrier in the physics and chemistry of water radiolysis: Applications of Monte-Carlo modeling to high–temperature nuclear reactors and radiobiology

Understanding the interface between radiation physics and radiation chemistry (i.e., “breaking the picosecond barrier”) is of obvious relevance to fundamental radiobiology and related science as liquid water is by far the most abundant constituent of biological cells and tissue. This research project used experiment-and-theory based models to produce a complete, reliable description of the chemical nature and highly nonhomogeneous spatial distribution of all reactive species created on the (sub-) picosecond time scale and involved as precursors of radiobiological damage. The importance of the scavenging of precursors (“dry” electrons) to hydrated electrons is demonstrated in the calculation of H2 yields from the simulations of aqueous azide ion (N3-) solutions irradiated with 60Co gamma-rays (~1 MeV Compton electrons) and tritium beta-electrons (mean electron energy of ~7.8 keV). It is the first time that we introduced scavenging of the precursors of hydrated electrons in our Monte-Carlo simulations. Monte Carlo simulations were also used to examine the sensitivity of the density dependence of the yield of e-aq in the low linear energy transfer (LET) radiolysis of supercritical water (H2O) at 400 °C on variations in the temperature dependence of k(e-aq + e-aq). Two different values of the e-aq self-reaction rate constant at 400 °C were used: one based on the temperature dependence of k above 150 °C as measured in alkaline water, and the other based on an Arrhenius extrapolation of the values of k below 150 °C. Only a small effect of k(e-aq + e-aq) on the variation of G(e-aq) as a function of water density at 60 ps and 1 ns could be observed. In conclusion, our present calculations did not allow us to unambiguously confirm (or deny) the applicability of the predicted sudden drop of k(e-aq + e-aq) at ~150 °C in near-neutral water.
Comprendre l’interface entre la physique des radiations et la chimie des radiations – à savoir, « briser la barrière de la picoseconde » – est d'une pertinence évidente pour la radiobiologie fondamentale et les sciences connexes, car l'eau sous forme liquide est de loin le constituant le plus abondant des cellules et des tissus biologiques. Ce projet de recherche a utilisé des modèles basés sur l'expérience et la théorie pour produire une description complète et fiable de la nature chimique et de la distribution spatiale hautement non-homogène de toutes les espèces réactives créées à l'échelle des (sous-) picosecondes et impliquées comme précurseurs de dommages radiobiologiques. L'importance du piégeage des précurseurs (électrons « secs ») des électrons hydratés (e aq) est démontrée dans le calcul des rendements en H2 à partir de simulations de solutions aqueuses d'ions azide (N3  ) irradiées avec des rayons-y de cobalt-60 (électrons de Compton de ~1 MeV) et des électrons-B du tritium (énergie moyenne des électrons de ~7,8 keV). C'est la première fois que nous introduisons le processus de piégeage des précurseurs des électrons hydratés dans nos simulations MonteCarlo. Des simulations Monte Carlo de la radiolyse à faible transfert d'énergie linéaire (TEL) de l'eau supercritique (H2O) à 400 °C ont également été utilisées pour examiner la sensibilité de la dépendance en densité du rendement de e-aq selon la variation en température de la constante de vitesse d’auto-réaction k(e-aq + e-aq). Deux valeurs différentes de k(e-aq + e-aq) à 400 °C ont été utilisées: l'une basée sur la dépendance en température de k au-dessus de 150 °C telle que mesurée dans l'eau alcaline, et l'autre basée sur une extrapolation d'Arrhenius des valeurs de k inférieures à 150 °C. Seul un faible effet de k(e-aq + e-aq) sur la variation de G(e-aq) en fonction de la densité de l’eau à 60 ps et 1 ns a pu être observé. En conclusion, nos calculs actuels ne nous ont pas permis de confirmer l'applic