Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du programme R et D PARRNe (Production d'atomes radioactifs riches en neutrons ). Ce programme vise d'une façon générale à déterminer les conditions optimales pour produire d'intenses faisceaux d'isotopes riches en neutrons. Cette thèse traite des multiples aspects techniques liés à la production d'isotopes radioactifs séparés en ligne (ISOL). Elle porte principalement sur le développement de l'ensemble cible-source qui est l'élément clé pour les projets comme SPIRAL-2 ou EURISOL. La première partie présente les différentes méthodes utilisant la fission comme réaction exploitée en ligne ainsi que leur comparaison : fission thermique, fission induite par des neutrons rapides et photofission. L'expérience faite au CERN a permis de valider la photofission comme mode prometteur pour la production d'ions radioactifs, c'est pour cela que l'IPN d'Orsay a décidé de construire un accélérateur linéaire d'électrons auprès du Tandem d'Orsay (ALTO). La deuxième partie de cette thèse a porté sur le développement de cibles d'uranium. Des techniques d'analyse comme la diffraction X et la microscopie électronique à balayage ont été utilisées. Elles ont permis de déterminer les caractéristiques chimiques et structurales de cibles de carbure d'uranium portées à différentes températures de chauffage. Après la production le processus d'ionisation est étudié. Deux types de sources ont été mises en oeuvre : la première est une source à ionisation de surface et la deuxième est une source basée sur l'ionisation résonante par laser. Ces deux types de sources seront utilisées pour le projet ALTO.

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Les projets de réacteurs du futur permettent l'utilisation de nouveaux combustibles et montrent leur capacité a incinérer des déchets nucléaires. Ils ont redonne de l'intérêt aux sections efficaces d'un grand nombre d'éléments dans une large gamme d'énergie. Les désaccords observes entre les bases de données requièrent de nouvelles mesures dans certains cas. Les mesures complètes des sections efficaces avec une résolution élevée réclament des temps importants de faisceau et d'analyse. Cependant il est possible de déterminer un bon profil de section efficace de capture dans la région d'énergie comprise entre 0,1eV et 30keV grâce a un spectromètre a temps de ralentissement au plomb associe a un générateur de neutrons pulse. Ces mesures ont été effectuées a l'ISN de Grenoble. Le flux de neutrons est mesure avec un détecteur de fissions a l'233U et un détecteur a gaz 3He puis compare a des simulations Monte Carlo (code MCNP) très précises du dispositif expérimental utilisant différentes bases de données du plomb. Nous avons montre par cette méthodologie que nous pouvons tester la section efficace de diffusion du plomb avec une précision de l'ordre de 1,5%. Les taux de capture, mesures avec un scintillateur CeF3 couple a un photomultiplicateur, sont compares a des simulations utilisant différentes bases de données pour les échantillons. Des matériaux de référence (Au, Ag, In, Ta) ont fait l'objet de mesures, des matériaux présents dans les c?urs de réacteurs ont pu être testes: 232Th, U, 99Tc, ainsi que des matériaux de structure: W, Mo, Ni, Mn. La précision sur la validation des bases de données est de 5%. Ces tests sont enrichis par des mesures sur plusieurs épaisseurs de cible. Les accords et les désaccords des bases de données avec l'expérience sont systématiquement décrits. Enfin, pour certains éléments, une table de correction de la section efficace de capture extraite de la base de données appropriée est proposée, nous en présentons les résultats.

L'étude des noyaux loin de la stabilité est constitutive de l'histoire de la physique nucléaire dès son origine, et connaît un essor considérable. Parmi les nucléides les plus éphémères, ceux situés aux frontières de notre connaissance sont qualifiés d' « exotiques ». Etudier ces noyaux, c'est se donner la chance d'accéder à des informations nouvelles sur la structure nucléaire et ainsi mesurer la solidité de notre conception de la matière nucléaire et sa validité lorsque cette dernière est poussée dans des états « extrêmes ». Le travail présenté dans cette habilitation à diriger des recherches concerne l'étude et la production des noyaux exotiques riches en neutrons produits par le mécanisme de la fission. L'originalité du travail effectuer consiste en partie en une étude croisée des mécanismes de production de faisceaux radioactifs riches en neutrons, tant par la méthode dite « en vol » que par la méthode ISOL (Isotope Separation On Line). Le travail porte sur des études effectuées auprès du spectromètre LOHENGRIN installé à l'ILL de Grenoble, ainsi que sur le programme PARRNe (Production de Noyaux Radioactifs Riches en Neutrons) qui constituait au début du projet en une installation dédiée à une activité de Recherche et Développement pour les futures installations de deuxième générations de faisceaux radioactifs. Les difficultés inhérentes aux techniques de production des noyaux exotiques ont laissé en particulier une grande part des noyaux riches en neutrons dans l'inconnu. Afin d'accéder à ces réserves de découvertes intactes, il est nécessaire de produire ces noyaux exotiques non seulement en plus grande quantité possible mais aussi sous forme de faisceaux accélérés. Les problèmes que soulève la mise en œuvre de tels faisceaux d'ions radioactifs suscite à l'heure actuelle un énorme effort de recherche et développement au sein de notre discipline. Depuis plusieurs années, l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay s'est montré à la pointe en ce domaine grâce au programme PARRNe. La réaction nucléaire choisie pour produire les noyaux exotiques dans le cadre de PARRNe est la fission de l'U238. Les noyaux produits par la fission sont dits « de masse intermédiaire » et sont très excédentaires en neutrons. La technique de « mise à disposition » de ces noyaux retenue est celle dite « en cible épaisse » ou méthode ISOL. Le programme a donc pour objectif la détermination des conditions optimales de production des noyaux riches en neutrons issus de la fission de l'U238 par la technique ISOL. Lors de la réaction, les produits de la fission apparaissent sous forme atomique dans la cible, la difficulté est ensuite de les en faire sortir pour éventuellement les ioniser et ainsi pouvoir les accélérer. La facilité avec laquelle les éléments produits lors de la fission sortent de la cible dépend de leurs propriétés physico-chimiques. L'optimisation des conditions de production passe donc par l'optimisation des conditions de la fission (l'énergie et la nature du faisceau incident, le type et la géométrie du convertisseur, la structure de la cible) et par l'optimisation des conditions d'extraction et d'ionisation des produits de fission (optimisation de l'ensemble cible-source d'ions). Pour mettre en œuvre ce programme une ligne de type ISOL, dotée d'un séparateur en masse, a été installée au TANDEM. Ce montage permet de s'approcher au mieux des conditions expérimentales qui seront rencontrées sur la future installation SPIRAL 2 au GANIL. Les résultats obtenus avec les faisceaux du tandem ont été tels qu'il a été possible d'initier un programme de physique original auprès de cet outil initialement destiné à des études de R&D. L'une des originalités du travail effectué consiste en la mise en place d'un programme de physique original auprès de PARRNe sur l'étude de l'évolution de la magicité pour les noyaux exotiques proches de la couche fermée en neutron N=50. Ces premiers résultats très prometteurs préfigurent les futures expériences auprès des accélérateurs de deuxième génération.

Ce travail présente les avancées en instrumentation nucléaire pour les domaines liées à l'industrie du cycle du combustible, à l'industrie des systèmes électrogènes nucléaires et aux domaines de la sécurité du travailleur (dosimétrie) mais aussi de la sécurité dans le cadre du "homeland security act"1. Dans une première partie, les aspects r'eacteurs sont abord'es, plus particuli'erement l'instrumentation dite in-core, à base de chambre à fission. Le mode de fonctionnement dit "fluctuation" ou Campbell est largement abordé. Les progrès concernant la maintenance prédictive des systèmes de mesure neutronique, sont également présentés. Dans une seconde partie, l'instrumentation pour le contrˆole nucl'eaire procédé, la radioprotection et la sécurité est introduite. Les aspects capteurs sont exposés au travers des compteurs proportionnels Hélium-3 et des scintillateurs plastiques notamment pour la discrimination neutron/gamma à bas coût. Les nouvelles plateformes électroniques multi-capteurs adaptées à ces technologies sont également pr'esent'ees. Elles sont con¸cues dans le cadre du développement des systèmes de mesures pérennes pour l'industrie de l'aval du cycle du combustible. La thématique capteur dosimétrique pour le travailleur est abordée. Enfin, la conclusion dressera les grandes tendances qui se dessinent dans ces secteurs d'activités en termes de recherche et d'eveloppement à conduire dans les prochaines années.