Les réacteurs `a neutrons rapides refroidis au sodium `a cycle uranium 238/plutonium 239, dont la faisabilité technique a déj`a ´et´e ´eprouv´ee, permettent de s'affranchir du prob- lème des ressources d'uranium naturel en r´ealisant la r´eg´en´eration de l'´elément fissile du combustible. En outre, une gestion des déchets visant `a réduire la production et la ra- diotoxicité des actinides mineurs produits par le réacteur peut ˆetre mise en oeuvre en transmutant les AM en coeur (transmutation homog`ene). Une autre alternative pour min- imiser les d´echets est l'utilisation d'un autre couple fertile-fissile : le thorium 232 et l'ura- nium 233 (Th/U). La comparaison des deux cycles est men´ee sur les aspects neutroniques et la sˆuret´e et sur la production de d´echets, en utilisant un Monte Carlo ´evoluant. Con- cernant la radiotoxicit´e des d´echets, mˆeme si on ne d´egage pas v´eritablement d'avantages clairs pour un cycle ou l'autre, le cycle Th/U r´eduit la radiotoxicit´e durant les p´eriodes o`u elle est la plus ´elev´ee. La transmutation homog`ene r´eduit significativement, pour les deux cycles, la radiotoxicit´e des d´echets, de facteurs variables selon la p´eriode de temps consid- ´er´e. Toutefois, elle se fait au d´etriment d'une augmentation importante de l'inventaire des AM dans le coeur. Si l'on consid`ere la fin de jeu, l'inventaire du coeur du r´eacteur devient alors un d´echet. Le gain apport´e par la transmutation, en prenant en compte `a la fois la radiotoxicit´e du coeur et des d´echets cumul´es, sera quantifi´e, et montre que la transmuta- tion n'offre pas de gain consid´erable si l'incin´eration des ´el´ements fissiles principaux (Pu ou U selon le cycle) n'est pas mise en oeuvre lors de l'arrˆet de la fili`ere.

Cette thèse comporte 3 parties. 1. Matière nucléaire: Les propriétés de la matière nucléaire sont examinées à l'aide d'interactions effectives de portée finnie, soit dérivées de la théorie de Brueckner (interactions de type M3Y), soit purement phénoménologiques (forces de Gogny). Le but de ce travail est d'établir un lien entre l'interaction nucléon-nucléon nue et les propriétés de la matière nucléaire à travers la matrice G de Brueckner paramétrisée sous la forme M3Y. La discussion est concentrée sur les principaux aspects suivants: la pression dans la matière nucléaire symmétrique et la matière de neutrons, la dépendance en densité de l'énergie de symmétrie, le refroidissement des étoiles à neutrons, le module d'incompressibilité de la matière nucléaire symmétrique et non symmétrique. 2. Structure des noyaux et de la croute interne des étoiles à neutrons: Nous présentons les approches Hartree-Fock (HF) et HF-BCS en espace de coor- données dans le cas des interactions de portée finie avec dépendance en densité dans les voies particule-trou et particule-particule. La méthode de résolution est exposée. Nous nous limitons à la symétrie sphérique. Les équations intégro-différentielles self- consistantes sont résolues par itération. Nous utilisons la méthode de Brueckner- Gammel-Weizner qui permet d'éviter d'avoir des pôles dans les potentiels locaux équivalents, contrairement µa la méthode de Vautherin-Vénéroni. Nous développons aussi une méthode alternative de résolution utilisant une base de fonctions de Bessel sphériques. Cette dernière méthode est utilisée pour traiter des grands systèmes tels que les cellules de Wigner-Seitz (WS) dans les étoiles à neutrons. Nous avons ainsi étudié, à l'aide des différentes interactions mentionnées plus haut, les noyaux doublement magiques, les isotopes de l'étain et l'éventualité de structures en bulle dans les noyaux 22O, 34Si, 46Ar et 68Ar. Nous présentons aussi la première étude des cellules de WS dans la croûte interne des étoiles à neutrons faite avec des forces de portée finie. Nous avons ainsi examiné les structures correspondant aux diverses régions de la croûte interne allant des densités les plus faibles jusqu'aux environs de la demi-densité de saturation nucléaire. 3. Réactions nucléaires: Utilisant de même les interactions effectives dérivées de M3Y nous avons procédé à l'analyse en voies couplées des réactions d'échange de charge (p; n) sur des cibles de 48Ca, 90Zr, 120Sn et 208Pb aboutissant aux états isobariques analogues, pour des protons d'énergies incidentes de 35 MeV et 45 MeV. Les facteurs de forme sont calculés soit microscopiquement par le modèle de convolution, soit à partir du potentiel optique global nucléon-noyau de la littérature. Nous avons d'abord déterminé la partie dépendante de la densité isovectorielle de l'interaction CDM3Y6 en nous basant sur le potentiel optique microscopique de Jeukenne, Lejeune et Mahaux, puis l'avons utilisée dans le modèle de convolution. Ceci nous a permis de tester la validité de la partie dépendante de la densité isovectorielle de la force CDM3Y6.

Les études relatives aux réacteurs nucléaires font appel `a plusieurs disciplines dont les principales sont la neutronique et la thermo-hydraulique. Les phénomènes physiques qui se déroulent dans le coeur d'une centrale nucléaire comme la réaction en chaîne des fissions nucléaires, le mouvement des fluides et les transferts de chaleur se couplent de manière forte et complexe. De part l'avancement des connaissances dans ces disciplines et la croissance massive de la puissance des ordinateurs, cette complexité phénoménologique peut aujourd'hui être simulée en des temps raisonnables. C'est pour cette raison que les codes de neutronique stochastiques, dits Monte Carlo, sont bien plus utilisés de nos jours que par le passé. Un grand intérêt de ce type de code probabiliste réside dans leur aptitude `a reproduire ”fidèlement” la réalit´e sans recours à des approximations de modélisation. C'est dans ce contexte que cette thèse a être initiée : coupler un code Monte Carlo de neutronique `a un code de thermo-hydraulique coeur afin d'assurer une description la plus précise possible des conditions de fonctionnement d'un coeur de réacteur nucléaire. Ces travaux s'inscrivent dans une démarche évolutionnaire motivée par les exigences accrues de la sˆuret´e, d'optimisation des ressources et de minimisation des déchets pour les systémes nucléaires du futur. Ce manuscrit présente la méthodologie employée pour le développement d'un couplage externe automatisé entre le code Monte Carlo MCNP et le code de thermo-hydraulique/thermique COBRA-EN. Cette recherche d'une meilleure performance et précision des outils de calcul s'accompagne de nouveaux types de problèmes physico-numériques `a résoudre, dont les principaux sont exposés dans ce mémoire. La validation du schéma couplé a été réalisée sur un cas très complexe de coeur de réacteur et a permis de prouver la robustesse des développements entrepris et la faisabilité d'un tel couplage.

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Les avancées récentes en physique nucléaire expérimentale permettent d'étudier les systèmes nucléaires a la limite de la vallée de stabilité. La découverte de nouveaux phénomènes, comme les halos et les peaux de neutrons, nécessite le développement de nouveaux outils théoriques permettant d'étudier ces systèmes. Le développement et les applications du modèle en couches avec couplages au continuum constituent la première partie de ce travail. Ce formalisme nouveau permet de prendre en compte les corrélations entre les états lies et les états de diffusion des noyaux faiblement liés. Nous l'avons applique a l'étude de la spectroscopie des noyaux miroir 8B- 8Li et 17F- 17O. Il permet également de calculer les sections efficaces de diffusion élastique, de dissociation coulombienne et de capture radiative. Nous présentons notamment les résultats concernant les réactions d'intérêt astrophysique : 16O(p,$\gamma$) 17F et 7Be(p,$\gamma$)8B. Cette dernière réaction est particulièrement importante pour la compréhension des modèles solaires car la désintégration du 8B fournit l'essentiel du flux de neutrinos solaires de haute énergie. La seconde partie de ce travail porte sur l'analyse de l'interaction d'appariement loin de la vallée de stabilité. Nous avons développé une approche, basée sur la méthode de Hartree-Fock-Bogolyubov (HFB), permettant d'étudier les corrélations d'appariement entre états liés et états de diffusion, résonnant ou non. Le potentiel particule-trou est remplacé par un potentiel dont les solutions sont connues analytiquement. Cette méthode permet d'analyser l'effet de l'appariement sur des états de particule liés ou résonnant situes à des énergies arbitraires. Nous avons ainsi pu démontrer que le continuum non résonnant peut jouer un rôle crucial dans les noyaux faiblement lies et que la résolutions des équations de HFB en base position est une des seule méthode permettant de traiter correctement ce problème.

La photoproduction de mésons sur le nucléon donne un accès direct à sa spectroscopie et constitue une voie privilégiée dans l'étude de la structure interne du nucléon. Ce mémoire présente et discute un certain nombre de résultats obtenus avec le dispositif expérimental GRAAL installé à l'ESRF de Grenoble.

Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse consiste au développement d'un modèle Hartree-Fock-Bogoliubov relativiste en symétrie axiale. Pour la première fois, un modèle de type champ moyen autocohérent relativiste incorporant explicitement les contributions d'échange est à même de décrire les noyaux atomiques déformés et superfluides. Le choix d'une formulation covariante n'est en aucun cas lié au besoin d'une cinématique nucléaire relativiste mais à l'exploitation des symétries de Lorentz. En particulier, le maintien d'une distinction entre scalaire de Lorentz et composante temporelle des 4-vecteurs est source d'efficacité et de simplification en ce qui concerne la description des systèmes nucléaires. Dans ce cadre, les nucléons sont considérés comme des particules ponctuelles représentées par un spineur de Dirac. Leur interaction dans le milieu nucléaire est decrit en terme d'échange de mésons effectifs. La dynamique de ces degrés de liberté est spécifiée par une densité lagrangienne phénoménologique, caractérisée par huit paramètres libres contraints par l'ajustement sur la masse de noyaux sphériques ainsi que par la reproduction de propriétés de la matière nucléaire. Une fonctionnelle de la densité pour l'énergie s'obtient à partir de la densité lagrangienne traitée dans l'approximation Hartree-Fock-Bogoliubov. En particulier, la prise en compte explicite des termes d'échange permet l'introduction du pion, qui ne contribue que par son terme de Fock à l'échelle du champ moyen. La minimisation de la fonctionnelle de la densité pour l'énergie conduit aux équations Hartree-Fock-Bogoliubov relativistes considérées en symétrie axiale. Ces dernières sont résolues dans une base d'oscillateur harmonique déformé. Le modèle ainsi développé est utilisé pour décrire l'état fondamental des isotopes de carbone, néon et magnésium.

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium sont en développement en vue d'assurer une quatrième génération de réacteurs répondant à la demande énergétique, tout en assurant la préservation des ressources d'uranium par un fonctionnement en surgénérateur. L'objectif de la filière est également d'améliorer la gestion de la radiotoxicité des déchets produits par transmutation des actinides mineurs et de contrôler la non-prolifération par un fonctionnement en cycle fermé. Une instrumentation de surveillance et de contrôle de ce type de réacteur a été étudiée dans cette thèse. La spectrométrie gamma de nouvelle génération permet, par les hauts taux de traitement aujourd'hui accessibles, d'envisager de nouvelles approches pour suivre avec une précision accrue la puissance neutronique et de détecter plus précocement des ruptures de gaine combustible. Des simulations numériques ont été réalisées et une campagne d'essai a été menée à bien sur le réacteur Phénix de Marcoule. Des perspectives prometteuses ont été mises en exergue pour ces deux problématiques.

L'étude des corrélations dans les noyaux légers riches en neutrons est importante pour comprendre leur structure. Dans cette optique, la réaction de dissociation de l'$^{8}$He à 15 MeV/nucléon sur cible de carbone a été étudiée pour la voie $^{6}$He+2n. Le dispositif expérimental était composé de deux détecteurs principaux : le télescope CHARISSA pour la détection des fragments chargés et DéMoN, permettant la détection de plusieurs neutrons en coïncidence. Un code de simulation a été développé pour faciliter l'interprétation des résultats en modélisant les corrélations, la réaction et le dispositif expérimental.<br />Deux techniques complémentaires ont été utilisées pour étudier les corrélations dans la dissociation de $^{8}$He. L'une, l'interférométrie d'intensité, permet de construire la fonction de corrélation neutron-neutron et de fournir une première estimation de la taille de la source d'émission, donc la distance moyenne les séparant. L'autre, basée sur les tracés de Dalitz, permet l'étude des corrélations neutron-neutron et coeur-n et a mis en évidence la décroissance séquentielle de l'$^{8}$He vers l'état fondamental résonant de l'$^{7}$He. Les caractéristiques spatio-temporelles de la dissociation de l'8He sur cible de carbone ont donc pu être déduites et la distance moyenne RMS entre deux neutrons de valence de l'$^{8}$He dans les états excités du continuum a été estimée à 7,3[=+]0,6 fm pour un temps d'émission entre ces neutrons de 1 000[=+]300 fm/c, de l'ordre de grandeur de la durée de vie de l'$^{7}$He.