Published October 30, 2023 | Version v1
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Short-time molecular simulations of ionizing irradiation of plutonium extractant solutions

Description

This thesis deals with ultra-short-time (attosecond-femtosecond) simulations of irradiation of molecules by massive ionizing particles. In many fields such as nuclear or medical, the products and mechanisms of degradation are followed by the scientific community. The simulations were carried out using the deMon2k code and divided into three chapters. The first chapter deals with the electronic response of the tributyl phosphate (TBP) molecule and inorganic complexes formed with plutonium in the gas phase, irradiated to high-energy alpha particles. Electronic response and generation of secondary electron are simulated by real-time propagation of time-dependent auxiliary density functional theory (RT-TD-ADFT) equations. In addition, we describe the implementation within deMon2k of static and adaptive absorbing boundary conditions. We show that the choice of absorbing conditions in the space of molecular orbitals enables electrons to be absorbed during dynamics, after irradiation. We show that the different responses of the electron cloud differ depending on whether we consider the free or complex form of TBP. The second chapter focuses on the problem of sampling the electronic dynamics performed by RT-TD-ADFT to obtain the electronic stopping power, a property that is highly dependent on impact parameters. The promising solution we propose, tested for bulk water, is the use of neural networks, trained from electrostatic interactions between a charged ionizing particle and the atoms in the system, to predict electronic stopping power. Finally, a third chapter focuses on the dissociative electronic attachment of TBP generated by secondary electrons after irradiation. While the anionic form of the system simulates electronic attachment, we have implemented in deMon2k a computational method based on ab initio molecular dynamics and on the addition of excess atomic kinetic energy, to simulate chemical bond breaking in the gas and condensed phases. The manuscript concludes with a general summary of the work and a proposal for possible future research avenues. (author)

Abstract (French)

Cette these porte sur les simulations aux temps ultra-courts (attoseconde-femtoseconde) d'irradiations de molecules par des particules ionisantes massiques. Dans de nombreux domaines tels que le nucleaire ou le medical, les produits et mecanismes de degradations sont suivies par la communaute scientifique. Les simulations ont ete realisees a l'aide du code deMon2k et reparties en trois chapitres.Le premier chapitre traite de la reponse electronique de la molecule de tributyl-phosphate (TBP) et de complexes inorganiques formes avec le plutonium en phase gazeuse, soumis a des particules alpha de hautes energies. La reponse electronique et le traitement des electrons secondaires sont simules par propagation en temps reel des equations de la theorie de la fonctionnelle de la densite auxiliaire dependante du temps (RT-TD-ADFT). De plus, nous decrivons l'implementation au sein de deMon2k de conditions aux limites absorbantes statiques et adaptatives. Nous montrons que le choix de conditions absorbantes dans l'espace des orbitales moleculaires permet d'absorber les electrons au cours des dynamiques, apres irradiation. Nous montrons que les differentes reponses du nuage electronique different suivant que l'on considere la forme libre ou complexee du TBP.Le deuxieme chapitre met l'accent sur la problematique de l'echantillonnage des dynamiques electroniques effectuees par RT-TD-ADFT pour obtenir le pouvoir d'arret electronique, propriete fortement dependante des parametres d'impact. La solution prometteuse, testee pour de l'eau bulk, que nous proposons est l'emploi de reseaux de neurones, entraines a partir des interactions electrostatiques entre une particule ionisante chargee et les atomes du systeme, pour predire le pouvoir d'arret electronique.Enfin, un troisieme chapitre porte sur l'attachement electronique dissociatif du TBP engendre par les electrons secondaires apres irradiation. Tandis que la forme anionique du systeme simule l'attachement electronique, nous avons implemente dans deMon2k une methode de calcul fondee sur la dynamique moleculaire ab initio et l'ajout d'un exces d'energie cinetique d'atomes, pour simuler la rupture d'une liaison chimique en phase gazeuse et condensee.Le manuscrit se conclue par une synthese generale du travail et une proposition de pistes de recherches futures envisageables

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Original title (French)
Simulations moleculaires aux temps courts de l'irradiation ionisante de solutions d'extractant du plutonium

Publishing Information

Imprint Pagination
123 p.
Report number
FRCEA-TH--16757

Optional Information

Notes
180 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses