Dans de nombreuses applications technologiques des alliages métalliques structurés, la fragilisation par l'hydrogène (HE) est une préoccupation majeure car elle peut pénétrer dans la plupart des métaux, dégrader leurs propriétés et conduire à des défaillances prématurées. Malgré de nombreux efforts durant ces dernières décennies, au cours desquelles de nombreux mécanismes microscopiques ont été proposées, une compréhension claire des mécanismes de fragilisation H n'a pas encore été atteint. Depuis qu'il processus se produisent sur une échelle atomique, les mécanismes exacts conduisant à HE ne sont pas facilement identifiés expérimentalement. Une amélioration possible serait d'utiliser des simulations à l'échelle atomique pour essayer de capturer les détails des processus de déformation et de rupture au niveau atomique, permettant l'enquête du mécanisme microscopique pertinente. Dans un tel contexte, l'objectif de ce travail de thèse est de comprendre et de quantifier les interactions H avec des défauts comme postes vacants, les luxations et les fissures dans les métaux cfc par la modélisation multi-échelle. L'étude est organisé en quatre parties principales. Dans la première partie, nous avons utilisé des premiers calculs principe (basée sur la théorie fonctionnelle de la densité) pour décrire H interaction avec une vacance de Nickel. Plus précisément, les énergies de ségrégation de plusieurs atomes d'hydrogène en un seul et di-postes vacants ont été calculés. Deux énergies caractéristiques qui ont été trouvés à clarifier les pics expérimentaux observés chez Spectra désorption thermique dans la littérature. Les concentrations de groupes H-inoccupation équilibre a ensuite été évalué, dans des conditions pertinentes à SE et de corrosion sous contrainte (CSC) des alliages à base de Ni (industrie nucléaire), par des simulations de Monte Carlo et un modèle thermodynamique développé à partir de nos données DFT. Dans la deuxième partie, nous avons quantifié l'effet de piégeage de postes vacants sur H diffusion dans Nickel. Avec DFT barrières de saut calculé, liés à H piégeage et dépiégeage dans les postes vacants, nous avons utilisé accéléré Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations pour évaluer le coefficient H de diffusion en fonction de la concentration de vacance et de la température. Dans la troisième partie, nous avons étudié la diffusion des grappes H-vacance de Ni, basée sur la combinaison de DFT et une méthode statistique. Calculs DFT de barrières de saut d'inoccupation ont été effectuées pour les clusters contenant de un à six H à l'intérieur du poste vacant. Avec ces barrières calculés et les concentrations calculées précédentes de grappes H-inoccupation, un modèle simple stochastique similaire à la procédure KMC a été développé pour estimer le coefficient de diffusion de grappes H-inoccupation en fonction de la concentration et de la température M. Dans la dernière partie, nous avons étudié l'interaction de l'hydrogène avec une pointe de fissure émoussée en aluminium par EAM combinée (potentiel interatomique semi-empirique) et calculs DFT. Méthode atome embarqué (EAM) simulations potentiels ont été réalisées pour évaluer l'effet de H sur la dislocation émission d'une pointe de fissure émoussée en mode mixte chargement. Ce phénomène peut être comprise par le changement induit H de l'empilement instable faute de l'énergie (γus) dans le modèle de Rice. Par conséquent, DFT et EAM calculs de γus ont été effectuées, y compris les effets de H et des charges en mode mixte. Il est montré que l'effet de la charge perpendiculaire au plan de glissement est très forte, contrairement à l'effet de la surface sous-H, ce qui est négligeable. / In many technological applications of structured metallic alloys, hydrogen embrittlement (HE) is a major concern as it can penetrate in most metals, degrade their properties and lead to premature failures. Despite numerous efforts in the past decades during which many microscopic mechanisms were proposed, a clear understanding of H embrittlement mechanisms has not been achieved yet. Since HE processes occur on an atomic-scale, the exact mechanisms leading to HE are not easily identified experimentally. One possible improvement would be to use atomic-scale simulations to try to capture details of deformation and fracture processes at the atomic level, enabling the investigation of relevant microscopic mechanism. In such context, the goal of this PhD work is to understand and quantify H interactions with defects like vacancies, dislocations and cracks in fcc metals through multi-scale modeling. The study is organized in four main parts. In the first part, we employed first principle calculations (based on density functional theory) to describe H interaction with a vacancy in Nickel. More specifically, the segregation energies of multiple H atoms in a single and di-vacancies were computed. Two characteristic energies were found which clarify the experimental peaks observed in Thermal Desorption Spectra in the literature. The equilibrium concentrations of H-vacancy clusters was then evaluated, under conditions relevant to HE and stress corrosion cracking (SCC) of Ni based alloys (nuclear industry),by Monte Carlo simulations and a thermodynamic model developed from our DFT data. In the second part, we quantified the trapping effect of vacancies on H diffusion in Nickel. With DFT computed jump barriers, related to H trapping and detrapping in vacancies, we employed accelerated Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations to evaluate the H diffusion coefficient as a function of vacancy concentration and temperature. In the third part, we studied the diffusion of H-vacancy clusters in Ni, based on the combination of DFT and a statistical method. DFT calculations of vacancy jump barriers were performed for clusters containing from one to six H inside the vacancy. With these computed barriers and previous calculated concentrations of H-vacancy clusters, a simple stochastic model similar to the KMC procedure was developed to estimate the diffusion coefficient of H-vacancy clusters as a function of H concentration and temperature. In the last part, we studied the interaction of hydrogen with a blunted crack tip in Aluminum by combined EAM (semi-empirical interatomic potential) and DFT calculations. Embedded atom method (EAM) potential simulations were performed to evaluate the H effect on dislocation emission from a blunted crack tip under mixed mode loading. This phenomenon can be understood by the H induced change of the unstable stacking fault energy (γus ) in Rice’s model. Therefore, DFT and EAM calculations of γus were performed including the effects of H and of the mixed mode loads. It is shown that the effect of the load perpendicular to the glide plane is very strong, contrary to the effect of sub-surface H, which is negligible

Dans le contexte des écoulements micro- et nano-fluidiques, ce travail porte sur l'étude des interactions à l'interface entre des flux de gaz rares et des surfaces métalliques via une approche de modélisation multi-physique et multi-échelle. Elle se concentre tout particulièrement sur l'interaction entre l'argon et une surface d'or. Pour ce faire la modélisation a été effectuée en deux étapes, une première partie utilisant la mécanique quantique à l'échelle atomique et une deuxième partie de dynamique moléculaire à l'échelle nanométrique. La première partie est consacrée à l'obtention de potentiels d'interaction entre un atome d'argon et les atomes d'or de la surface par des méthodes de calculs théoriques basés sur la DFT comportant des effets à longues distances. Deux approches, donnant des résultats comparables, ont été utilisées : la première est liée à la description périodique de la surface d'or par un modèle basé sur la description des électrons par des ondes planes alors que la seconde permet de récupérer séparément les parties répulsives et attractives de l'interaction d'un atome d'argon avec un petit cluster d'or. Ces potentiels d'interactions ont été décomposés en potentiels de paires Ar-Au utilisables par des simulations de dynamique moléculaire. Ces simulations ont consisté en la projection d'atomes d'argon sur des surfaces d'or ‘parfaites' dites lisses ou des surfaces rugueuses plus représentatives de la technologie actuelle. L'analyse statistique des vitesses réfléchies permet de déterminer le coefficient d'accommodation tangentiel de l'argon sur des surfaces d'or. Ce coefficient est la traduction du phénomène de glissement qui peut ainsi être modélisé dans une description plus macroscopique de l'écoulement d'un gaz dans une micro-conduite. L'approche multi-physique utilisée dans ce travail a permis la détermination numérique de coefficients d'accommodations tangentiels très précis et comparables à l'expérience pour le couple argon-or, et doit pouvoir être appliquée à d'autres couples / In the context of micro- and nano-flows, this work concentrates on the study of interactions at the interface of noble gas and metal surfaces by a multi-physics and multiscale model. Particularly, the interaction of an argon atom with a gold surface is the focus of the study. The work has been made in two steps: the first one occurred at the atomic scale in which Quantum Mechanics is employed and the second one at the nanoscale with the use of Molecular Dynamics.The first part of the work was devoted to the determination of interaction potentials between an argon atom and gold atoms from the surface by DFT calculation methods comporting long range effects. Two approaches, leading similar results, have been used: the first one is linked to a periodic description of the gold surface where electrons are defined by plane waves, the second one gives independently repulsive and attractive parts of the interaction of an argon atom with a small gold cluster. Those interaction potentials are then decomposed in pair potentials suitable for Molecular Dynamics simulations. These last ones consisted in multiple times projecting argon atoms on smooth or rough gold surfaces (which are more representative of the roughness of actual technologies). The statistical analysis of the reflected velocities yielded the tangential momentum accommodation (TMAC) coefficient of argon on gold surfaces. This coefficient is the transcription of slip phenomena which occur at the interface, and it can then be used in nano-flow simulations. The multi-physics approach of the thesis gives accurate TMAC values which are comparable to experiments. The accounted method could then be applied to other noble gas metal surface couples

Le tungstène sera soumis à des conditions extrêmes de température et de bombardement de particules en tant que paroi des cibles du divertor dans le réacteur de fusion nucléaire ITER. De hauts flux d’ions légers impacteront la surface du tungstène et sont susceptibles de générer des défauts dans le cristal. Cette étude vise à étudier les premières étapes de la formation des défauts lacunaires dans le cristal de tungstène soumis à un faible flux d’ions de faible énergie afin de comprendre le rôle de l’accumulation de l’hélium, un des produits de la réaction de fusion du deutérium et du tritium. Pour cette étude, une source plasma ICP-RF a été développée et qualifiée afin de réaliser des implantations d’hélium dans des conditions parfaitement contrôlées. Les implantations d’hélium ont été réalisées pour plusieurs conditions de fluence, d’énergie et de température, sur des échantillons de tungstène polycristallins. La spectroscopie d’annihilation des positons a été utilisée pour caractériser les défauts lacunaires, les analyses par réactions nucléaires, pour quantifier l’hélium implanté et la spectrométrie de thermodésorption pour caractériser les interactions de l’hélium dans le cristal. Les résultats montrent que pour une énergie de 320 eV à température ambiante, une fluence incidente limite est atteinte à partir de laquelle une saturation de l’hélium implanté apparaît et la formation de lacunes de grande taille débute. L’étude de l’influence de l’énergie et de la température montre l’importance de la répartition de l’hélium en profondeur et de sa mobilité dans le cristal sur la taille et la diversité des défauts formés. Les implantations sont simulées par dynamique moléculaire. Les résultats obtenus par l’approche numérique sont comparés aux résultats expérimentaux afin de mieux comprendre les mécanismes élémentaires mis en jeu. / Tungsten will be exposed to severe plasma conditions such as high temperature and high particle bombardment as a target of the divertor in the nuclear fusion reactor ITER. High fluxes of light ions will impact its surface and can generate defects in the crystal. This study means to observe the first steps of the vacancy-type defects formation in the tungsten crystal subject to low ion flux of low kinetic energy in order to understand the influence of the accumulation of helium, one of the nuclear reaction products. For the experiments, an ICP-RF plasma source was developed and characterized to perform helium implantations under perfectly controlled conditions. Helium implantations were performed under various conditions of fluence, energy and substrate temperature on polycrystalline tungsten samples. Positron annihilation spectroscopy was used to characterize vacancy-type defects, nuclear reaction analysis to quantify implanted helium and thermal desorption spectrometry to characterize the interactions of helium in the crystal. Results show that, for a kinetic energy of 320 eV and at room temperature, a saturation of the helium implanted quantity is reached for a limit incident fluence and that large vacancy defects starts to form. Study of the kinetic energy and the surface temperature influences show the importance of the depth distribution and the mobility of the helium in the crystal on the size and the diversity of the generated defects. Implantations are performed by molecular dynamic simulations. Results obtained by the numerical approach are compared to experimental ones in order to get a better understanding of the atomic scale mechanisms.

Cette thèse concerne l’analyse et le développement de schémas d’intégration numérique de la Dynamique des Particules Dissipatives. Une présentation et une analyse de convergence faible de schémas existants est présentée, suivie d’une présentation et d’une analyse similaire de deux nouveaux schémas d’intégration facilement parallélisables. Une analyse des propriétés de conservation d’énergie de tous ces schémas est effectuée suivie d’une étude comparative de leurs biais sur l’estimation des valeurs moyennes d’observables physiques pour des systèmes à l’équilibre. Les schémas sont ensuite testés sur des systèmes choqués de fluides DPDE, où l’on montre que nos deux nouveaux schémas apportent une amélioration dans la précision de la description du comportement de tels systèmes par rapport aux schémas facilement parallélisables existants.Finalement, nous présentons une tentative d’accélération d’un schéma d’intégration de référence s’appliquant aux simulations séquentielles de la DPDE / This thesis is about the development and analysis of numerical schemes forthe integration of the Dissipative Particle Dynamics with Energy conservation. A presentation and a weak convergence analysis of existing schemes is performed, as well as the introduction and a similar analysis of two new straightforwardly parallelizable schemes. The energy preservation properties of all these schemes are studied followed by a comparative study of their biases on the estimation of the average values of physical observables on equilibrium simulations. The schemes are then tested on shock simulations of DPDE fluids, where we show that our schemes bring an improvement on the accuracy of the description of the behavior of such systems compared to existing straightforwardly parallelizable schemes. Finally, we present an attempt at accelerating a reference DPDE integration scheme on sequential simulations

La bioluminescence est un processus complexe dans lequel la réaction chimique d'un substrat, catalysée par une protéine, entraîne l'apparition d'une émission de lumière dans le spectre visible. Dans le cas des lucioles, un insecte émettant dans le domaine du jaune-vert, le substrat se nomme luciférine et la protéine luciférase. Cependant, la taille et la complexité de ce système chimique limite sa compréhension, notamment celle du mécanisme réactionnel.L'apport de la chimie théorique dans ce domaine est essentiel et a prouvé son utilité dans de nombreux cas. L'utilisation de la méthode QM/MM, méthode hybride couplant la mécanique quantique et la mécanique moléculaire permet de modéliser et d'étudier ces systèmes biologiques.Cette thèse se focalise sur deux approches différentes de l'étude de la bioluminescence chez les lucioles. La première consiste à étudier l'effet de certaines modifications chimiques sur la couleur de la bioluminescence. On s'intéresse plus particulièrement à un analogue de la luciférine et à certaines luciférases issues d'autres systèmes bioluminescents. Par cette étude on cherche à rationaliser et à prédire l'effet ainsi que l’impact de ces changements sur l’émission. Le deuxième sujet explore deux étapes du mécanisme réactionnel de la bioluminescence: d'une part, la coordination du dioxygène sur un intermédiaire de la réaction, une étape encore non étudiée et d'autre part la réaction de tautomérisation dans l'état excité et au sein de la protéine entre deux formes émissives possibles de la luciférine / The bioluminescence is a complex process that involves the reaction of a substrate, catalysed by an enzyme that sheds light in the visible spectra. In fireflies, the light emitted has a yellow-green tone thanks to the interaction between the substrate luciferin and the protein luciferase. However the size and the complexity of the system prevent its comprehension especially when dealing with the reaction mechanism.The use of computational chemistry is key to understand and improve the comprehension of the bioluminescence. The hybrid QM/MM method that combines quantum mechanics with molecular mechanics is a great tool to model and study bioluminescent systems.This thesis deals with two different approaches of the bioluminescence in fireflies. The first one is related to the study of chemical modifications that tune the emission colour. We will discuss about one analogue of the luciferin and on new luciferases from others bioluminescent species. The goals of this study are to rationalise and predict both the effect and the impact of these modifications on the emission. The second subject deals with two different steps of the bioluminescent mechanism. The first one discusses the binding of the dioxygen to the bioluminescent intermediate, which was so far unstudied and the second one about the tautomerization in the excited state and in the protein of two possible emissive forms of the luciferin

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l'étude de la diffusion du dioxyde de carbone dissous et de l'éthanol dans une solution hydroalcoolique modèle représentant le champagne. La première partie de ce travail aborde les différents formalismes de la diffusion moléculaire, ainsi que les méthodes théoriques et expérimentales utilisées pour rendre compte de ce phénomène de transport. Une attention particulière est apportée à la dynamique moléculaire en champ de forces classiques qui est utilisé dans ce travail avec le logiciel GROMACS. Cette méthode théorique procure un point de vue novateur dans la recherche sur le champagne et plus particulièrement sur le rôle de chaque espèce majoritaire dans la diffusion du CO2. La spectroscopie RMN, ainsi qu'une méthode expérimentale basée sur l'étude du taux de grossissement des bulles, ont également été utilisées. Dans la deuxième partie, les résultats théoriques et expérimentaux sont présentés et comparés entre eux afin de valider le protocole des simulations de dynamique moléculaire. Les viscosités de la solution modèle et du champagne, ainsi que les rayons hydrodynamiques du CO2 et de l'éthanol sont également étudiés. La dernière partie du manuscrit concerne le partenariat avec l'entreprise Bull et l'étude des performances du logiciel GROMACS. L'expertise des équipes de Bull, ainsi que les outils développés par l'entreprise, permettent d'étudier le passage à l'échelle (ou "scalabilité") et le comportement parallèle de GROMACS pour la modélisation du champagne. / The work presented in this manuscript is devoted to the study of the diffusion of dissolved carbon dioxide and ethanol in a hydroalcoholic solution model representing Champagne wines. The first part of this work deals with the different formalisms of molecular diffusion, as well as theoretical and experimental methods used to account for this phenomenon of transport. Particular attention is paid to the classical force field molecular dynamics that is used in this work with the GROMACS software. This theoretical approach provides a new perspective in research on champagne and particularly on the role of each of the main species in CO2 diffusion. NMR spectroscopy, and an experimental method based on the study of the bubbles growth rate, were also used. In the second part, the theoretical and experimental results are presented and compared with each other to validate the protocol of molecular dynamics simulations. The viscosities of the model solution and of the champagne, as well as the hydrodynamic radii of CO2 and ethanol, are also investigated. The last part of the manuscript focuses on the partnership with the Bull company and the study of the GROMACS software performance. The expertise of and the tools developed by the Bull company are used to study the scalability and the parallel behavior of GROMACS for modeling champagne.

Dans la plupart des applications concernant un fluide s'écoulant sur une surface solide, la condition de non-glissement est largement utilisée car elle est simple et produit des résultats en accord avec les expériences. Toutefois, cette condition de limite n'est plus appropriée lorsque l'écoulement considéré est à l'échelle micro ou nano-métrique. Pour modéliser cet effet à l'échelle macroscopique, les conditions aux limites de Navier ont été introduites, avec la longueur de glissement comme paramètre. Lorsque le fluide est un gaz, cette longueur est liée au coefficient d'accommodation tangentiel (TMAC) et au libre parcours moyen, selon le modèle de Maxwell. Le but de ce travail est de traiter systématiquement ce modèle par une approche multi échelle et de l'étendre en incorporant la morphologie et l'anisotropie de la surface. La thèse est composée de cinq chapitres. Après l'Introduction, les notions de base de la théorie cinétique des gaz, l'équation de Boltzmann et les solutions associées (Navier-Stokes-Fourier, Burnett, Grad, Direct Simulation Monte Carlo…) sont rappelées dans le chapitre 1. Les modèles d'interaction gaz-paroi ainsi que les modèles de glissement introduits dans le cadre le la mécanique des fluides sont aussi rappelés. Le chapitre se termine par la description de la méthode de calcul par dynamique moléculaire (MD) utilisée dans ce travail. Le chapitre 2 est dédié au développement d'une technique simple afin de simuler les écoulements induits par la pression. Le principe est de se baser sur les formules atomistiques du tenseur des contraintes (Irving Kirkwood, Méthode de Plan, Contraintes Virielles) et de modifier les conditions périodiques, tout en maintenant la différence entre l'énergie cinétique des atomes à l'entrée et à sortie du domaine de calcul. Plusieurs types de conduite sont étudiés avec cette technique. Les résultats (température, vitesses, …) sont discutés et comparés. Le chapitre 3 concerne l'étude du potentiel d'interaction gaz-paroi par la méthode ab-initio. Le code CRYSTAL 09 est utilisé pour obtenir le potentiel entre un atome d'argon (Ar) et une surface de platine (Pt) <111> en fonction de la distance. Ensuite, le potentiel atome/surface est décomposé en potentiel binaire et approché par une fonction analytique. Cette fonction est ensuite implémentée dans un code MD pour simuler les collisions gaz-paroi et déterminer le coefficient TMAC.Dans le chapitre 4, l'effet de morphologie est étudié. Le potentiel multi-corps Quantum Sutton Chen(QSC) est utilisé pour le solide Pt <100> et un des potentiels binaires étudié dans le chapitre précédent pour le couple Ar-Pt. Le potentiel QSC est nécessaire pour reproduire l'effet de surface qui affecte le résultat final. Différentes surfaces sont traitées : surface lisse, surface nanostructurée, surface aléatoire obtenue par déposition de vapeur (CVD). Le coefficient TMAC est déterminé de façon généralisée, c.à.d en fonction de l'angle du flux d'atomes incidents sur la surface. Les anisotropies de surface et le noyau de collision sont également examinés. Dans le chapitre 5, on propose un modèle de glissement anisotrope pour les fluides en fonction du tenseur d'accommodation. Le modèle est obtenu par les calculs analytiques approchés développés dans le cadre de la théorie cinétique. On a ainsi généralisé l'équation de Maxwell en montrant que le tenseur de longueur de glissement est directement lié au tenseur d'accommodation. Le modèle est en bon accord avec les résultats de la méthode MD. Concernant la simulation MD, on a développé une technique pour reproduire l'anisotropie du tenseur d'accommodation. Le mémoire de thèse se termine par une synthèse des résultats obtenus. Des perspectives pour de futures études sont proposées / In most applications concerning a fluid flowing over a solid surface, the no-slip velocity condition was widely used because it is simple and produces the results in agreement with experiments. However, this dynamical boundary condition is not appropriate when the flow under consideration is at a micro or nano length scale.In order to model this effect at the macroscopic scale, the Navier boundary conditions have been introduced, with the slip length as a parameter. When the fluid is a gas, this length is related to the tangential momentum accommodation coefficient (TMAC) and the mean free path, according to the Maxwell model. The aim of this work is to systematically address this model using a multi-scale approach and to extend it by incorporating both the morphology and the anisotropy of a surface. The thesis consists of five chapters. In Chapter 1, the basics of the kinetic theory of gases, the Boltzmann equation and related solutions (Navier-Stokes-Fourier, Burnett, Grad, Direct Simulation Monte Carlo ...) are briefly presented. The models of gas-wall interaction and slip models introduced in the fluid mechanics are also recalled. The chapter ends with a description of the computational method used for the molecular dynamics simulations performed in this work. Chapter 2 is dedicated to the development of a simple technique to simulate the pressure driven flows. The principle is to rely on the atomistic formulas of the stress tensor (Irving Kirkwood, Method of Plane, Virial Stress) and to modify the periodic conditions by maintaining the difference between the kinetic energy of the ingoing and outgoing particles of the simulation domain. Several types of channels are studied with this technique. The results (temperature, velocity ...) are discussed and compared. Chapter 3 deals with the study of the gas-wall interaction potential by the ab-initio method. The code CRYSTAL 09 is used to obtain the potential between an atom of argon (Ar) and a surface of platinum (Pt) <111> as a function of distance. Then the gas-wall potential is decomposed into binary potential and approached by an analytic function. This function is then implemented in a MD code to simulate the gas-wall collisions and determine the TMAC coefficient. In Chapter 4, the effect of morphology is studied. The multi-body Quantum Sutton Chen (QSC) potential is used for Pt <100> solid and the binary potential proposed in the previous chapter for the Ar-Pt couple is employed. The QSC potential is needed to reproduce the surface effects that affect the final results. Different surfaces are treated : smooth, nanostructured surface and, random surface obtained by Chemical vapor deposition (CVD). The TMAC is determined using a generalized approach, i.e. depending on the angle of incident flux of gas atoms on the surface. The surface anisotropy and the scattering kernel are also examined. In Chapter 5, we propose a model of anisotropic slip for fluids based on accommodation tensor. The model is obtained by the analytical approximate calculations developed in the framework of the kinetic theory. We thus generalize Maxwell's equation by showing that the slip length tensor is directly related to the accommodation tensor. The model is in good agreement with the MD results. Thanks to our MD simulations, we develop a suitable technique for reproducing the anisotropy of the accommodation tensor. The thesis ends with a conclusion section in which we suggest some perspectives for a continuation of this work

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique des forces s'exerçant sur un objet en mouvement dans un milieu granulaire. La compréhension précise de ces forces présente en effet d'importants intérêts fondamentaux (rhéologie des milieux granulaires, phénomène de ségrégation) et appliqués (robotique, locomotion animale ...). Expérimentalement, un cylindre horizontal est mis en rotation à faible vitesse dans un bac de billes de verre. Les forces s'exerçant sur cet objet dans la direction du mouvement (forces de traînée) et dans la direction verticale (forces de portance) sont mesurées.Lors du premier demi-tour, avant que le cylindre ne repasse dans son propre sillage, nous mettons en évidence l'existence d'une force de portance élevée sur l'objet (bien qu'il soit symétrique), de l'ordre de 20 fois la poussée d'Archimède du milieu, et indépendante de la profondeur. Des études numériques de dynamique moléculaire (méthode éléments discrets) permettent de comprendre comment cette portance émerge de la modification de l'écoulement granulaire par la présence d'un gradient de pression dans le milieu. Aux temps longs, après plusieurs rotations du cylindre, on observe une chute de la force de traînée, qui devient indépendante de la profondeur. Le milieu se structure sous l'effet des passages répétés du cylindre dans son sillage, ce qui écrante le poids des grains situés au dessus. Enfin, une étude numérique des forces sur une grosse particule en écoulement avec le milieu granulaire est ébauchée, en lien avec le phénomène de ségrégation granulaire. / This thesis presents an experimental and numerical study of the forces experienced by an object moving in granular media. This problem, which is of practical importance in many applications (robots, animal locomotion), is also of fundamental interest (rheology of granular materials, granular segregation). The experiment consists in a horizontal cylinder rotating around the vertical axis in glass beads. Both drag forces and lift forces experienced by the cylinder are measured.During the first half rotation, before the cylinder crosses its own wake, we measure a strong lift force (despite the symmetry of the object), about 20 times the buoyancy of the cylinder, and independent of its depth. Molecular dynamic simulations (Discrete Element Method) shed lights on how this lift force arises from the modification of the grain flow due to the pressure gradient in the medium. After several rotations, when the cylinder goes through its own wake, the drag force drops and becomes independent of depth. The rotation of the cylinder induces a structure in the granular packing, which screens the weight of the grains above it. Finally, a numerical study of forces on a large particle flowing with the granular medium is sketched, in relation with the phenomenon of granular segregation.

Dans le combustible nucléaire UO2, utilisé dans les réacteurs à eau pressurisée (REP), le Cs, élément volatil compte parmi les produits de fission (PF) les plus abondamment produits. De plus, l’isotope 137Cs est connu pour être particulièrement radiotoxique. En cas d’accident, le relâchement de cet isotope est donc problématique et son étude est cruciale pour la sûreté nucléaire. En France, l’IRSN (Institut de Radioprotection et de sureté nucléaire) développe des codes de prédictions du relâchement des PF depuis le combustible, tels que MFPR (Module for Fission Product Release). Ces codes nécessitent d’être alimentés par des données fondamentales sur le comportement des PF. Ainsi, la connaissance des coefficients de diffusion de ces éléments dans la matrice combustible en fonction de la température et de l’atmosphère (pouvant oxyder le combustible en UO2+x) est primordiale. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse, menée en collaboration avec l’IRSN, est d’étudier la migration du Cs dans le dioxyde d’uranium stœchiométrique et sur-stœchiométrique, en conditions représentatives d’un fonctionnement normal et accidentel d’un REP, avec et sans la présence de Mo. Ce dernier est un PF abondamment produit qui agit comme tampon d’oxydation du combustible et est capable d’avoir des interactions chimiques avec le césium. De telles interactions pourraient affecter le comportement du Cs, et donc son relâchement depuis le combustible. Il a donc été nécessaire d’envisager les éventuelles interactions entre le Cs et le Mo dans le cadre de notre étude. La démarche expérimentale a consisté à simuler la présence de Cs et/ou Mo dans des pastilles d’UO2 ou d’UO2+x. par implantations ioniques des isotopes stables 133Cs et/ou 95Mo. Des recuits à haute température (950-1600°C) sous atmosphère contrôlée ou des irradiations en régime électronique couplées en température ont ensuite été réalisés, permettant d’induire la migration du Cs et du Mo. La spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS) a été utilisée pour suivre l’évolution des profils de concentration des éléments implantés, permettant d’extraire les coefficients de diffusion apparents du Cs dans UO2 et UO2+x en fonction des différents traitements. Une étude complémentaire de la microstructure a été réalisée par spectroscopie Raman et microscopie électronique en transmission (MET). Le Cs est très mobile dans UO2 sous atmosphère réductrice même si une partie et piégée sous forme de bulles à faible profondeur. Nous avons mis en évidence que la présence de Mo diminuait fortement cette mobilité. La même tendance est observée dans UO2+x sous atmosphère oxydante. Néanmoins les mécanismes d’immobilisation du Cs par le Mo diffèrent selon les conditions redox de recuit. En atmosphère réductrice, les expériences MET ont montré la formation de paires bulles de Cs-précipités métalliques de Mo dans les échantillons co-implantés. En atmosphère oxydante, l’absence de mobilité du Cs pourrait être liée à l’oxydation du Mo rendant possible des interactions chimiques Cs-Mo. Pour la première fois, des potentiels semi-empiriques ont été utilisés pour réaliser des calculs de dynamique moléculaire sur la diffusion du Cs et du Mo dans UO2 et UO2+x. Ces calculs nous ont aussi permis de caractériser les mécanismes de diffusion de l’oxygène dans ces matériaux en présence de ces deux PF / In the nuclear fuel UO2, which is widely used in Pressurized Water Reactor (PWR), Cs is a volatile element and is one of the most abundant fission product (FP). Furthermore, 137Cs is known to be highly radiotoxic. During a hypothetical accident, release of Cs would be particularly problematic for the environment. Hence, study of this element is of major concern for nuclear safety. To assess this issue, the French nuclear safety institute (IRSN) develops codes to predict FP release from nuclear fuel in normal and accidental conditions. This code requires fundamental data on FP behavior such as diffusion coefficient of these elements in UO2 as a function of temperature and atmosphere conditions (leading to UO2+x formation in oxidative conditions). The aim of this PhD, supported by the IRSN, is to study Cs migration in stoichiometric and hyper-stoichiometric uranium dioxide with and without the presence of Mo, in normal and accidental conditions of a PWR. This latter element is also an abundant FP, which is important to consider because it acts as an oxygen buffer in the fuel and may interact chemically with Cs. Such interactions may affect Cs behavior, hence its release from the fuel. Therefore, Cs-Mo interactions are considered in our study. The experimental procedure consists in simulating the Cs and/or Mo presence in UO2 and UO2+x pellets by ion implantation of stable isotopes 133Cs and/or 95Mo. Then, high temperature annealing (950 °C - 1600 °C) under controlled atmosphere or electronic excitations induced by irradiation coupled with temperature are performed to induce Cs and Mo migration. Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) is used to follow the concentration profile evolution of these elements, allowing extracting effective diffusion coefficients of Cs in UO2 and UO2+x as a function of irradiation or thermal treatment. Microstructure characterizations were made by Raman spectroscopy and transmission electron microscopy (TEM). We show that Cs is mobile in UO2 under reducing atmosphere, even though some of the Cs is trapped in Cs-bubbles located near the surface. We evidence that Mo presence prevents Cs to be mobile. The same tendency is observed in UO2+x under oxidizing atmosphere. Nevertheless, Cs immobilization mechanisms in presence of Mo vary upon redox conditions used during annealing. In reducing conditions, TEM experiments showed formation of Cs bubbles associated with Mo metallic precipitates in co-implanted samples. In oxidative conditions, absence of Cs mobility could be explained by Mo oxidation leading to possible Cs-Mo chemical interactions. For the first time, semi-empirical potentials were used to perform molecular dynamic (MD) calculations on Cs and Mo diffusion in UO2 and UO2+x. These simulations also allowed characterizing oxygen diffusion mechanisms in these matrixes in presence of Cs and Mo

La thermoélectricité est considérée comme une source prometteuse de l'énergie puisqu'elle est capable de convertir directement la chaleur en électricité. Ceci permet de récupérer la chaleur dissipée sans causer de la pollution. Cependant, les options applicatives à grande échelle sont encore en restriction en raison du faible rendement de conversion thermoélectrique. Par conséquent, de nombreux travaux de recherche sont consacrés à l'amélioration de la performance thermoélectrique de différents matériaux, qui est caractérisée par la figure de mérite ZT. Un ZT favorable comprend simultanément un coefficient Seebeck satisfaisant, une conductivité électrique élevée et une faible conductivité thermique. Rechercher un matériau approprié avec une meilleure performance thermoélectrique est l'objectif de nos analyses. Avec les techniques de dopage, différents éléments peuvent être ajoutés dans des semi-conducteurs à différentes concentrations. La densité de charge pourrait ainsi être modifiée pour améliorer les propriétés thermoélectriques. En raison des obstacles liés à la synthèse des matériaux, des simulations numériques basées sur différentes méthodes, telles que la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), la dynamique moléculaire (DM), sont ensuite mises en oeuvre pour estimer l'approche d'amélioration la plus prometteuse. Au cours de cette thèse, les propriétés thermoélectriques de plusieurs matériaux sont étudiées pour des applications dans différentes situations, à savoir CsSnI₃ comme un candidat potentiel avec sa haute conductivité électrique, ZnO comme un matériau thermoélectrique transparent, Bi₂Te₃ comme un traditionnel matériau avec d'autres améliorations et la cellulose comme futur semi- conducteur organique. Comme la DFT ne concerne que les propriétés des électrons (coefficient de Seebeck, conductivité électrique, conductivité thermique due aux électrons), la conductivité thermique du réseau n'est pas incluse ici. Par conséquent, DFT avec des déplacements finis et DM sont utilisés comme méthodes complémentaires pour établir la conductivité thermique due aux phonons. De cette façon, cette thèse est divisée en deux parties. Dans la première partie, des contextes théoriques de DFT sont introduits à partir de l'équation de Schrödinger. Les résultats des simulations DFT classiques sont présentés par la suite. En utilisant des positions atomiques issues de mesures expérimentales, nous avons lancé la relaxation de la structure cristalline pour assurer que chaque atome dans le système est à sa position d'équilibre. Les structures de bande d'énergie électronique sont également calculées pour valider les configurations de calcul (énergie de coupure, conditions de convergence, etc.). Une cartographie complète des valeurs propres dans l'espace réciproque est faite et les propriétés thermoélectriques sont calculées en résolvant les équations de transport de Boltzmann. Dans la deuxième partie, les théories de base des phonons sont mentionnées, suivies des introductions des méthodes en DFT avec des déplacements finis et en DM. Nous avons mis en oeuvre des simulations DM pour étudier l'influence du dopage à l'aluminium sur la conductivité thermique du réseau pour ZnO. Nous avons également utilisé la méthode en DFT avec des déplacements finis pour étudier la variation de la conductivité thermique de l'alliage Bi₂Te₃₋ₓSeₓ. / Thermoelectricity is considered a promising source of energy since it is able to directly convert heat into electricity. This makes it possible to recover dissipated heat without causing pollution. However, large-scale applicative options are still under restriction because of the dim thermoelectric conversion yield. Therefore, numerous research works are dedicated to improving thermoelectric performance of different materials, which is characterized by the dimensionless figure of merit ZT. A favorable ZT includes simultaneously a satisfying Seebeck coefficient, a high electrical conductivity and a low thermal conductivity. To seek a suitable material with a better thermoelectric performance is the objective of our analyses. With doping technics, different elements can be added into semi-conductors within different concentrations. The charge density could be thus modified in order to change thermoelectric properties. Due to hurdles related to materials synthesis, numerical simulations based on different methods, such as density functional theory (DFT), molecular dynamics (MD), are then implemented to estimate the most promising improvement approach. During this thesis, thermoelectric properties of several materials are investigated for applications in different situations, i.e. CsSnI₃ as a potential candidate with its high electronic conductivity, ZnO as a transparent thermoelectric material, Bi₂Te₃ as a traditional material with further improvements and cellulose as future organic semi-conductor. As DFT concerns only properties of electrons (Seebeck coefficient, electric conductivity, thermal conductivity due to electrons), lattice thermal conductivity is not included herein. Therefore, DFT with finite displacement and MD are used as a complementary method to establish thermal conductivity due to phonons. In this way, this thesis is divided into two parts. In the first part, theoretical backgrounds of DFT are introduced starting with Schrödinger equation. Results of classical DFT simulations are presented afterwards. By using atomic positions from experimental measurements, we launched crystal structure relaxation to ensure that every atom in the system is at its equilibrium position. Electronic band structures are also calculated to validate calculation configurations (cutoff energy, convergence conditions, etc.). A full mapping of Eigenvalues in reciprocal space is realized and thermoelectric properties are calculated by solving Boltzmann transport equations. In the second part, basic theories of phonons are mentioned, followed by introductions of DFT with finite displacements and MD methods. We implemented MD simulations to study the influence of aluminum doping on lattice thermal conductivity for ZnO. We also used DFT with finite displacements method to study lattice thermal conductivity variation of Bi₂Te₃₋ₓSeₓ alloy.