Nesta tese, foram desenvolvidas três metodologias para análise dos riscos de interrupções em processos eletro-eletrônicos provocadas por faltas nos sistemas de distribuição de energia elétrica. Estas metodologias são: Monte Carlo, Enumeração de Estados e Híbrido. Com a utilização destas metodologias, são avaliados índices relativos às interrupções de longa duração e às variações de tensão de curta duração (afundamentos, elevações e disrupções de tensão) em cada consumidor da rede de distribuição de energia elétrica. Em cada barra do sistema, as freqüências de ocorrências de cada índice são obtidas, classificadas por faixas de magnitude e duração dos eventos. Conhecendo informações sobre a configuração e parâmetros de rede e sobre os dispositivos de proteção, através de um conjunto de simulações, é possível mapear as áreas de risco relativas aos fenômenos de interrupção e variações de tensão de curta duração (VTCDs). Dispondo ainda do conjunto de curvas de sensibilidade dos processos industriais, avaliam-se as freqüências de disrupções de processos, esperadas por ano no ponto analisado, isto é, o número de vezes que um processo apresenta mau funcionamento e possivelmente interrupção devido a uma VTCD. Também é apresentada nesta tese uma formulação matemática que permite realizar a inclusão do custo do prejuízo pela falta da qualidade de energia nos consumidores em modelos clássicos para o tratamento de problemas de planejamento da operação e da expansão de sistemas de distribuição de energia elétrica. Os métodos para avaliação das áreas de risco e custos de interrupção de processos por faltas nas redes de distribuição foram implementados em um sistema computacional. Resultados da aplicação em redes de distribuição reais permitem avaliar vantagens e desvantagens de cada um dos métodos. Para observar o impacto do prejuízo nos consumidores, são utilizados resultados obtidos na literatura para realizar a comparação e obter o custo total envolvendo custos de investimento de novas obras, custo de perdas de energia e custo do prejuízo pela falta da qualidade de energia nos consumidores existentes na rede de distribuição de energia elétrica. / Three methodologies for risk assessment of interruptions in electrical and electronic sensitive devices are herein developed. These interruptions are mainly due to faults in electric power distribution systems. The methodologies are herein named Monte Carlo Method, State Enumerating Method and Hybrid Method. These methods allow for the evaluation of indices related to long duration interruptions and voltages sags and swells in each customer supplied by the distribution network. The power quality indices (expected number of events per year) are classified according to voltage amplitude and event duration. The information regarding network configuration and parameters as well as protection devices are input for a set of simulations that result in mapping the indices related to long duration interruptions and short duration voltage variations along the network. By considering the sensitivity curves for industrial processes, the method determines the frequency of process disruptions, i.e. the number of events in which the customer process malfunctions, or it is damaged or it is interrupted due to voltage sags or swells. This thesis also shows a mathematical formulation that includes costs regarding customer losses caused by poor power quality to conventional models that deal with operation and expansion planning of electric power distribution systems. The proposed methods for assessing risks and interruption costs in customer processes due to faults in distribution networks were implemented in a computational system. Case studies in real distribution networks show advantages and disadvantages of each method. In order to determine losses in customer processes, some literature results are taken as a basis to determine the total planning costs, that include the parcels corresponding to the reinforcement capital, power losses and power quality costs, that consider customer interruptions and disruptions due to voltage sags and swells.

Frequentemente é utilizada a abordagem determinística tanto em dimensionamentos quanto em análises do ciclo de vida de pavimentos rodoviários. A variabilidade inerente aos parâmetros pertinentes à implantação e ao desempenho de um pavimento é comumente desprezada, porém sua consideração pode ser contemplada com a utilização de uma abordagem probabilística, onde cada variável é caracterizada através de uma distribuição de probabilidade adequada. Uma análise econômica de um pavimento, seja asfáltico ou rígido, deve sempre abordar todos os custos pertinentes, desde a implantação. Os custos e benefícios tanto dos usuários quanto da administração rodoviária devem ser considerados. Um dos principais objetivos da avaliação econômica de pavimentos é o de apoiar a decisão quanto à seleção de alternativas de construção ou manutenção mais viáveis, quanto ao custo, e face de determinadas condições técnicas e econômicas. Este trabalho foca a utilização da abordagem probabilística no dimensionamento e em uma análise econômica de pavimentos rodoviários, tanto asfálticos quanto rígidos. São propostos procedimentos para a determinação da confiabilidade de uma estrutura de pavimento, asfáltico ou rígido, baseados nos métodos do DNIT e da AASHTO. Para análise do ciclo de vida são propostos modelos computacionais para a execução destas análises utilizando-se a equação de desempenho da AASHTO. Os custos dos usuários não foram contemplados nos modelos. O método Monte Carlo foi utilizado em todos os modelos. O risco de falha é determinado para o dimensionamento do pavimento. Os resultados contam ainda com uma distribuição dos custos totais ao longo de um período de projeto, possibilitando uma análise de risco. Os dados de saída (resultados) revelam- se como importantes balizadores para a tomada de decisão quanto à alocação de investimentos em alternativas de pavimentação, considerando os riscos inerentes às variabilidades das parcelas do processo consideradas neste trabalho. / A deterministic approach is often used for pavement design and life cycle cost analysis, which does not consider the inherent variability of some relevant parameters. The inherent variability of relevant parameters to the construction and performance of a pavement is often overlooked, but their consideration can be addressed with the use of a probabilistic approach, where each variable is characterized by a suitable probability distribution. An economic analysis of a pavement, either asphaltic or rigid, should always include an approach that considers all relevant construction costs, since its construction. The benefit-cost for both agency and road users should be considered. Improving the decision making process to choose among all construction and maintenance alternatives is one of the main pavement economic analysis goals. This thesis focuses on the use of probabilistic approach in the pavement design and in the Life Cycle Cost Analysis of road pavements, either asphalt or rigid. Procedures are proposed for determining the reliability of a structure of pavement, based on the methods of DNIT and AASHTO. For life cycle cost analysis, models are proposed for the implementation of these computational analyses using the performance equation of AASHTO. The user costs were not included in the models. The Monte Carlo method was used in all models. The reliability (and the risk of failure) is determined for pavements design. The results also come with a distribution of total costs over an analysis period, allowing a risk analysis. The output data (results) are revealed as important indicators for decision making process regarding the allocation of investments in alternative pavements solution, considering the inherent variability of the parcels of the process considered in this work.

Uma simulação baseada em métodos Monte Carlo foi criada com o intuito de avaliar a potencialidade da utilização do espalhamento Compton em altas energias para a obtenção de medidas absolutas e de alta precisão da energia de fótons marcados. Esse método se baseia em medidas angulares dos produtos desse espalhamento para reconstruir a energia dos fótons incidentes, utilizando a cinemática do espalhamento Compton em aproximação de impulso. A simulação inclui vários efeitos relevantes à medida, como espalhamento múltiplo de elétrons, momento interno dos elétrons nos átomos do alvo, resolução do detetor e vários parâmetros geométricos do arranjo experimental. Através da simulação de um experimento que utiliza esse método para a calibração em energia de um feixe de fótons marcados, foi possível identificar duas fontes de erros sistemáticos. Métodos de análise que minimiza um desse erros sistemáticos foram desenvolvidos, bem como métodos para a criação de correções para as medidas de energia. Verificou-se que, pelo menos no arranjo experimental estudado, é possível obter medidas da energia dos fótons incidentes com precisão da ordem de 0.07%. / A simulation based on Monte Carlo methods was created in order to evaluate the potentiality of using Compton scattering at high energies to obtain high precision absolute measurements of tagged photon energies. This method is based on angular measurements of the scattering products to reconstruct the incident photon energy using the kinematics of Compton scattering in impulse approximation. The simulation includes several effects that are relevant to the measurement, such as electron multiple scattering, internal momentum of the electrons in the atoms of the target, detector resolution and several geometrical parameters of the experimental setup. Through simulation of an experiment that uses this method for energy calibration of a tagged photon beam, it was possible to identify two sources of systematic errors. Analysis methods that minimize one of these systematic errors were developed, as well as methods for the creation of corrections to the energy measurements. Our results show that, at least in the studied experimental setup, it is possible to obtain energy measurements with a precision in the order of 0.07%.

As propriedades dosimétricas de um feixe de radiação utilizado em Radioterapia estão diretamente ligadas ao espectro de energia produzido pela unidade de tratamento. Dessa forma, o desenvolvimento de metodologias que permitam avaliar de forma simples e acurada os espectros de feixes clínicos pode auxiliar no estabelecimento da qualidade dos tratamentos realizados. Baseado nisso, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia acurada e de baixo custo para a determinação dos espectros primários dos campos de radiação utilizados em radioterapia a partir de medidas de transmissão em atenuadores de alumínio, cobre chumbo e acrílico, utilizando o método da transformada inversa de Laplace. Simulação Monte Carlo com o código PENELOPE, apresentou-se como uma ferramenta indispensável na avaliação dos resultados obtidos para os diferentes materiais e na validação dos espectros reconstruídos por meio da simulação de parâmetros dosimétricos que caracterizam o feixe. Um programa em linguagem FORTRAN foi elaborado para o cálculo da transformada inversa de Laplace e os dados obtidos foram investigados em função de parâmetros do programa e do ajuste realizado para a curva de transmissão. A diferença máxima de 4,4% para o feixe clínico de 6 MV e de 4,2% para o feixe de 10 MV, entre os valores experimentais de PDP e simulados com o espectro reconstruído, utilizando o alumínio como material atenuador, confirmam a acurácia da metodologia na reconstrução de feixes radioterápicos produzidos em aceleradores clínicos. / The dosimetric properties of a radiation beam used in radiotherapy are directly related to the energy spectrum produced by the treatment unit. Therefore, the development of methodologies to evaluate in a simple and accurate way the spectra of clinical beams can help establishing the quality of the treatment. Based on this, the purpose of this work was to develop an accurate and low cost methodology for the determination of the primary spectra of radiation fields used in radiotherapy from measurements of transmission in attenuators of aluminum, copper, lead and acrylics and using the method of the inverse Laplace transform. Monte Carlo simulation with PENELOPE code was an essential tool in evaluating the results obtained for different materials and validating the spectra reconstructed by the simulation of dosimetric parameters that characterize the beam. A program in FORTRAN was developed to calculate the inverse Laplace transform and the data obtained were evaluated in regard the parameters of the program and the fitting used for the transmission curve. The maximum difference of 4.4% for the clinical beam of 6 MV and 4.2% for the beam of 10 MV, between the experimental and simulated PDP with the reconstructed spectrum, using aluminum as the attenuator material, confirm the accuracy of the methodology of spectra reconstruction of radiotherapy beams produced by clinical accelerators.

Nanopartículas de ouro (AuNP) compõem o estado da arte da medicina oncológica atual sendo extensivamente investigadas para aplicações em radioterapia de câncer. O acúmulo seletivo em tecidos tumorais de vascularização desordenada causa retenção aumentada das AuNP no microambiente tumoral e aumenta a permeabilidade de drogas terapêuticas por elas carreadas. A radiossensibilização observada em células em cultura tratadas com AuNP é, contudo, resultado da resposta biológica à ambos os fenômenos bioquímicos de interação com a célula alvo e físicos de interação da AuNP com a radiação ionizante. A presença do ouro metálico no citoplasma celular durante a terapia com radiação ionizante aumenta a secção de choque de absorção fotoelétrica no tecido alvo, o que contribui para o aumento potencial do dano biológico letal. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho é avaliar a radiossensibilização causada por nanopartículas de ouro em radioterapia em termos de parâmetros físicos e radiobiológicos. Simulação Monte Carlo com o código PENELOPE foi utilizada para estudar como a densidade de ionização local é alterada pela criação de elétrons secundários em nanopartículas de 2-100nm após interação com os feixes primários de fótons de interesse clínico de 200kV, Ir-192, Cs-137, 6MV e Co-60. O Estudo da Nanopartícula Isolada demonstrou que a densidade de ionização é fortemente aumentada com a redução da energia do feixe primário (E) de ionização, sendo, entretanto, fracamente dependente do diâmetro das AuNP. O diâmetro da AuNP (d) modula, no entanto, o espectro de elétrons secundários ejetados ao tecido-mole disposto ao redor porque modifica o número de elétrons internamente absorvidos em cada nanopartícula. Quando concentrações de ouro (!!\") entre 0,001% e 1%, são consideradas no Estudo da Célula com Nanopartículas, é possível observar que a !!\" internalizada no citoplasma aumenta a fração de reforço da densidade de ionização no tecido alvo em até 200% para baixas energias, não ultrapassando 160% para feixes de megavoltagem. A principal conclusão desta etapa é que o reforço na densidade de ionização local é resultado do balanço entre os parâmetros estudados E e !!\", e o diâmetro da AuNP, modifica o número de fotoelétrons ejetados ao meio, influenciando portanto o potencial efeito biológico. A partir dos resultados do estudo por Monte Carlo, foram desenhados os estudos radiobiológicos in vitro e in vivo com células PC3 de adnocarcionama de próstata. Nanopartículas rod shaped (AuNR) - conjugadas com Goserelin (gAuNR) princípio ativo do quimioterápico Zoladex® foram sintetizadas com sucesso para aplicações nos sistemas biológicos e nanopartículas conjugadas com polietileno glicol (pAuNR) foram utilizadas como controle biocompatível e não bioespecífico em todos os ensaios. A dinâmica de uptake celular foi estudada in vitro demostrando que a presença do biomarcador na superfície das nanopartículas aumenta a concentração efetiva de ouro internalizada nas células alvo em 5 vezes quando comparada com pAuNR. Radiossensibilização aumentada foi observada em ensaios clonogênicos, apresentando essencialmente efetividade radiobiológica relativa 27% maior para o tecido com gAuNR incorporados, quando irradiado como feixe de 6MV, 58% e 78% maior quando irradiado com os feixes de Cs137 e Ir192 respectivamente. O estudo de biodistribuição in vivo em nude mice demonstrou que as nanopartículas bioconjugadas gAuNR tem acúmulo 3 vezes maior em tumores xenográficos de próstata do que pAuNR, e o seguimento tumoral acompanhado em 55 animais demonstrou expressiva efetividade terapêutica do uso de gAuNR em Radioterapia. Foi observado !!\"#$% de 24 e 20 dias para os grupos tratados com gAuNR e pAuNR irradiados com 6MV; Este número cresce para 28 e 18 quando as irradiações são realizadas com a fonte de Braquiterapia HDR de Ir-192. Os resultados consonantes dos estudos por Monte Carlo e ensaios radiobiológicos conduzem à proposição deste trabalho à luz de sua principal conclusão: Nanopartículas de ouro bioconjugadas, gAuNR, apresentam terapêutica efetiva na Radioterapia de câncer de próstata porque modulam o espectro de elétrons no citoplasma celular causando aumento local da densidade de ionização e reforço da probabilidade de dano letal. / Gold nanoparticles (AuNP) comprise the state of the art in medical oncology being extensively investigated for applications in cancer radiation therapy. The selective accumulation in tissues with disordered vascularization increases retention of AuNP in the tumor microenvironment, what leads to enhanced permeability of conjugated drugs carried by the AuNP. The radiosensitization observed in cells treated with AuNP however is result of a combined biological response to both biochemical and physical interactions of the conjugated AuNP with ionizing radiation. The presence of metallic gold in the cell cytoplasm during radiation therapy increases the photoelectric absorption cross-section in the target tissue, thus potentially increasing the lethal biological damage. In this context, the aim of this study is to evaluate the radiosensitization caused by gold nanoparticles in radiation therapy in terms of physical and radiobiological parameters. In order to investigate the density of ionizations in cells containing AuNP, the PENELOPE Monte Carlo code was used to simulate creation of secondary electrons in nanoparticles of 2-100nm after interaction with photon beams of clinical interest: 250kV, Ir-192, Cs-137, 6MV and Co-60. The theoretical analysis was performed in two steps: the Single AuNP Study and the Cell with AuNP Study. The first study predicts that enhancing nanoparticle diameter (d) from 2-10nm keeps the density of ionization enhanced in 22-28% for all kilovoltage beams and from 38-46% for all megavoltage beams, however increasing more than 5 times the yield of electrons ejected from the AUNP to the surrounding soft-tissue when the primary beam has its energy decreased from 6MV to 250kV. In the Cell with AuNP Study, the final concentration of gold in the cytoplasm (!!\") was increased from 0.001% to 1%, showing that concentration of gold strongly modifies the density of ionization in the cell, being up to 2 and 1.6 fold for low and high energies respectively. Sequentially, conjugated AuNP were synthesized with Goserelin Acetate (gAuNR) to target PC3 prostate cancer cells, and AuNP coated with polyethylene glycol (pAuNR) were used as non-biospecific control. The radiobiological assays were following designed based on the Monte Carlo results with 6MV, Cs-137 and the Ir-192 HDR Brachytherapy source. The in vitro cellular uptake study demonstrate that the biomarker in the surface of the nanoparticles increases the effective concentration of gold in the cytoplasm by 2.4 fold compared to pAuNR. The clonogenic assays demonstrate that the relative radiobiological effectiveness is enhanced in 27%, 58% and 78% for 6MV, Cs-137 and Ir-192 respectively when cells are treated with gAuNR for 24h prior irradiation. The conjugated nanoparticles were also submitted to ICP-MS based biodistribution study that demonstrate gAuNR accumulate 3 fold in xenografts prostate tumors than pAuNR. Following these results, a tumor re-growth study in nude mice was designed considering irradiations with the 6MV and the Ir-192 HDR Brachytherapy beam energies. Nanoparticles were administrated intravenously and tumors were followed for a maximum of 30 days. Tumor delay (!!\"#$%) of 20 and 24 days were observed for groups respectively treated with gAuNR and pAuNR and the 6MV beam; And !!\"#$% of 28 and 18 days were observed for groups respectively treated with gAuNR and pAuNR and the Ir-192 HDR Brachytherapy source. Both in vitro and in vivo studies, in consonance with the Monte Carlo predictions, demonstrate that conjugated AuNP, gAuNR, improve therapeutic effectiveness for treating prostate tumors because the gold nanoparticles modulate the effective spectrum of secondary electrons in the cytoplasm, locally enhancing the density of ionizations and thus increasing probability of lethal cellular damage.

Este trabalho visa aprimorar e tornar mais precisa a utilização do dosímetro gel polimérico MAGIC-f no estudo da distribuição de dose para fonte radioativas utilizadas na terapia e diagnóstico em medicina nuclear. Para isso foram avaliados os parâmetros de leitura do gel em equipamentos de ressonância magnética e sua resposta quando comparado a resultados obtidos através da utilização do código PENELOPE de simulação Monte Carlo. Dentre as incertezas observadas no processo global da utilização do gel MAGIC-f, sua manufatura foi a que demonstrou uma maior preocupação uma vez que erro na frações de componentes químicos adicionados ocasiona grande diferença na resposta do dosímetro. A aquisição da informação dosimétrica em um equipamento de imagem por ressonância magnética demonstrou que tempos ao eco mais curtos são mais eficientes na diferenciação do sinal gerado no processo de polimerização devido a utilização de fontes de medicina nuclear do que ajustes na resolução da imagem e que a homogeneidade de campo magnético pode ocasionar grande alteração nos valores obtidos. Experimentos realizados com o gel MAGIC-f, demonstraram um baixa dependência energética e um grande dependência com a taxa de dose, dois fatores importantes em medicina, mas resultados simulados e experimentais comparativos utilizando fontes de I-131, Tc-99m e F-18, demonstraram uma grande precisão nos resultados apresentados, tornando assim o gel MAGIC-f uma excelente ferramenta na verificação volumétrica da dose absorvida na terapia com fontes de medicina nuclear. / This work aims to improve and make more accurate use of the gel dosimeter MAGIC-f polymer in the study of dose distribution for radioactive source used in therapy and diagnosis in nuclear medicine. For this, MRI parameters reading of the gel were evaluated and its response when compared to results obtained using a Monte Carlo simulation PENELOPE code. Among the uncertainties observed in the overall use of MAGIC-f gel, its manufacturing demonstrated a greater concern since error in chemical fractions added causes big difference in the response of the dosimeter. The acquisition of dosimetric equipment information in a magnetic resonance imaging showed that the shorter eco times are more efficient in differentiating the signal generated in the polymerization process due to the use of sources of nuclear medicine than image resolution changes and the homogeneity of the magnetic field can cause large difference in the results. Experiments performed with the MAGIC-f gel, demonstrated a low energy dependence and a large dependence on the dose rate, two important factors in nuclear medicine, but comparative results with simulated and experimental processes using sources of I-131, Tc-99m and F-18 showed a great accuracy in results, thus making the MAGIC-f gel an excellent tool for volumetric verification of absorbed dose therapy with sources of nuclear medicine.

Neste trabalho estudamos o efeito hidrofóbico no sistema benzenoágua. Nossa estratégia é avaliar as propriedades das ligações de hidrogênio entre as moléculas de água nas proximidades da molécula e benzeno. Utilizamos as ferramentas da mecânica quântica e o método de simulação computacional para este estudo. A análise estrutural e energética detalhada dos clusters benzenoágua mostra que a ligação de hidrogênio é mais forte quando na presença do benzeno. A investigação pelo método de simulação Monte Carlo corrobora estas conclusões e ainda fornece os efeitos da variação de tempeatura. Verificamos que o aumento da temperatura afeta todas as moléculas aumentando a desordem líquida, no entanto, constatamos a manutenção de uma estrutura de ligações de hidrogênio mais fortes as proximidades do benzeno. A interação entre duas moléculas de benzeno também foi analisada, mostrando que a interação benzenobenzeno é bem mais forte na presença da água. / The hydrophobic effect is studied for the benzene-water system. The properties of the hydrogen bond between the water molecules around the benzene is evaluated using both classical and quantum mechanical methods. Hydrophobic hydration analysis shows that the hydrogen bond interaction is stronger in the presence of benzene. This is verified both by ab initio quantum mechanical methods and classical Monte Carlo simulation. Temperature dependence is investigated. Although increasing temperature increases the disorder the hydrogen bonds between the water molecules are still stronger for those in the proximities of the benzene. Hydrophobic interaction is also investigated. It is seen that the benzene-benzene interaction is stronger in the water environment.

Uma simulação baseada em métodos Monte Carlo foi criada com o intuito de avaliar a potencialidade da utilização do espalhamento Compton em altas energias para a obtenção de medidas absolutas e de alta precisão da energia de fótons marcados. Esse método se baseia em medidas angulares dos produtos desse espalhamento para reconstruir a energia dos fótons incidentes, utilizando a cinemática do espalhamento Compton em aproximação de impulso. A simulação inclui vários efeitos relevantes à medida, como espalhamento múltiplo de elétrons, momento interno dos elétrons nos átomos do alvo, resolução do detetor e vários parâmetros geométricos do arranjo experimental. Através da simulação de um experimento que utiliza esse método para a calibração em energia de um feixe de fótons marcados, foi possível identificar duas fontes de erros sistemáticos. Métodos de análise que minimiza um desse erros sistemáticos foram desenvolvidos, bem como métodos para a criação de correções para as medidas de energia. Verificou-se que, pelo menos no arranjo experimental estudado, é possível obter medidas da energia dos fótons incidentes com precisão da ordem de 0.07%. / A simulation based on Monte Carlo methods was created in order to evaluate the potentiality of using Compton scattering at high energies to obtain high precision absolute measurements of tagged photon energies. This method is based on angular measurements of the scattering products to reconstruct the incident photon energy using the kinematics of Compton scattering in impulse approximation. The simulation includes several effects that are relevant to the measurement, such as electron multiple scattering, internal momentum of the electrons in the atoms of the target, detector resolution and several geometrical parameters of the experimental setup. Through simulation of an experiment that uses this method for energy calibration of a tagged photon beam, it was possible to identify two sources of systematic errors. Analysis methods that minimize one of these systematic errors were developed, as well as methods for the creation of corrections to the energy measurements. Our results show that, at least in the studied experimental setup, it is possible to obtain energy measurements with a precision in the order of 0.07%.

La prévention des effets biologiques radio-induits en radiologie interventionnelle nécessite une estimation complète de l’exposition à la peau et aux organes du patient. Dans ce contexte, un logiciel permettant une reconstruction post-opératoire précise et rapide de la dosimétrie du patient par méthode Monte Carlo, a été développé. L’utilisation de techniques de réduction de variance et de navigation voxélisée avancées permet une amélioration significative du temps de calcul. Des fantômes anthropomorphes de dernière génération, couplés à la lecture des paramètres d’irradiation, permettent une prise en compte réaliste de l’anatomie du patient et de la géométrie de la machine. La précision de la modélisation Monte Carlo associée à un temps d’exécution réduit ainsi qu’à une complète automatisation rend cet outil particulièrement adapté à un calcul systématique en radiologie interventionnelle. / The prevention of the radio-induced biological effects in interventional radiology require a complete estimation of the patient skin and organs exposition. In this context, a software allowing a precise and fast postoperative reconstruction of the patient’s dosimetry using the Monte Carlo method was developed. The use of advanced methods of variance reduction and voxelized navigation allows a significant improvement in computing time. Last generation anthropomorphic phantoms, coupled with the reading of the irradiation parameters, allow to take realistic account of the patient's anatomy and the geometry of the machine. The precision of the Monte Carlo modelization associated with a reduced execution time as well as a complete automation makes this tool particularly suitable for a systematic calculation in interventional radiology.

This thesis participates to the effort launched after the Fukushima-Daiichi disaster to improve the robustness of national institutions involved in nuclear safety because of the role that the failing nuclear regulator had in the accident. The driving idea is to investigate how engineering techniques used in high-risk industries can be applied to institutions involved in nuclear safety to improve their robustness. The thesis focuses specifically on the Office for Nuclear Regulation (ONR), the British nuclear regulator, and its process for structured inspections. The first part of the thesis demonstrates that the hazard and operability (HAZOP) technique, used in the nuclear industry to identify hazards associated with an activity, can be adapted to qualitatively assess the robustness of organisational processes. The HAZOP method was applied to the ONR inspection process and led to the identification of five significant failures or errors. These are: failure to focus on an area/topic deserving regulatory attention; failure to evaluate an area/topic of interest; failure to identify a non-compliance; failure to identify the underlying issue, its full extent and/or safety significance and failure to adequately share inspection findings. In addition, the study identified the main causal chains leading to each failure. The safeguards of the process, i.e. the mechanisms in place to prevent, detect, resolve and mitigate possible failures, were then analysed to assess the robustness of the inspection process. The principal safeguard found is the superintending inspector who performs reviews of inspection reports and debriefs inspectors after inspections. It was concluded that the inspection process is robust provided recruitment and training excellence. However, given the predominant role of the superintending inspector, the robustness of the process could be improved by increasing the diversity of safeguards. Finally, suggestions for improvement were made such as establishing a formal handover procedure between former and new site inspectors, formalising and generalising the shadowing scheme between inspectors and setting minimum standards for inspection debriefs. These results were shared with ONR, which had reached the same conclusions independently, thus validating the new application for the HAZOP method. The second part of the thesis demonstrates that computational modelling techniques can be used to build digital twins of institutions involved in safety which can then be used to assess their effectiveness. The knowledge learned thanks to the HAZOP study was used in association with computational modelling techniques to build a digital twin of the ONR and its structural inspection process along with a simple model of a nuclear plant. The model was validated using the face-validity and predictive validation processes. They respectively involved an experienced ONR inspector checking the validity of the model’s procedures and decision-making processes and comparing the model’s output for oversight work done to data provided by the ONR. The effectiveness of the ONR was then evaluated using a scenario where a hypothetical, newly discovered phenomenon threatens the integrity of the plant, with ONR inspectors gradually learning and sharing new information about it. Monte-Carlo simulation was used to estimate the cost of regulatory oversight and the probability that the ONR model detects and resolves the issue introduced before it causes an accident. Different arrangements were tested and in particular with a superintending inspector reviewing inspection reports and a formal information sharing process. For this scenario, these two improvements were found to have a similar impact on the success probability. However, the former achieves it for only half the cost.