Les mosaïques de paysages dessinées par les cours d’eau sont le fruit de fonctionnements complexes. Ces fonctionnements sont appréhendés à divers échelles spatio-temporelles (e.g, bassin versant, secteurs fonctionnels, macroformes alluviales ou particules sédimentaires) décrites au sein du concept de système fluvial. Le fonctionnement des systèmes fluviaux s’établissent autour d’équilibres sédimentaires mettant en balance les flux liquides et solides. C’est pourquoi, l’état géomorphologique des cours d’eau à charge sédimentaire graveleuse peut être décrit au travers d’un prisme sédimentaire par l’observation de tendances générales à large échelles, de phénomènes plus ou moins localisés tels que l’incision, l’engravement, la migration des formes sédimentaires ou des modifications des propriétés géométriques des particules constituant la charge sédimentaire. Ainsi, la meilleure connaissance du rôle des flux sédimentaires actuels et passés dans l’état géomorphologique pour la prédiction des trajectoires hydrosédimentaires des cours, répond à des objectifs à la fois écologiques (la perméabilité de la nappe d’alluvions et de la zone hyporhéique exercent des fonctions auto-épuratrices (Datry et al., 2008), la faune benthique est la base de la chaîne alimentaire des écosystèmes fluviaux), politiques (liés à la gestion des risques d’inondation et d’érosion des terres ou d’ouvrages d’ingénierie) ou encore philosophiques (quel fonctionnement de référence pour quel système fluvial ? Quelle implication et quel rôle pour l’Homme dans le fonctionnement de ces systèmes anthropisés à divers degrés ?). Aussi, le développement d’outils et de méthodologie(s) pour la caractérisation des flux sédimentaires ou des processus observés en rivières constitue un axe de recherche important en constante émulsion. Les recherches que nous avons engagés sont articulées autour de trois axes interdépendants : (1) les propriétés physiques des particules sédimentaires, (2) leur mobilité et (3) leur transformation par abrasion. Dans le cadre de ce typique, nous avons cherché à lever le doute subsistant concernant le rôle de la fracturation de traceurs naturels (calcaires) équipés de transpondeurs passifs basses fréquences (PIT-tag) et à tester l’intérêt de l’utilisation de galets synthétiques pour la conception de nouveaux traceurs équipés de transpondeurs actifs ultra hautes fréquences (a-UHF). Nous avons ensuite testé le potentiel de ces transpondeurs (a-UHF), dont les caractéristiques d’émission sont mieux adaptées que celles des PIT-tag à l’étude du fonctionnement des macroformes fluviale à l’échelle de tronçons fonctionnels, puis avons développé une méthodologie de recherche en rivière spécifique à ces nouveaux traceurs. Par ailleurs, Nous avons testé la sensibilité à divers paramètres d’entrée d’un programme de calcul d’émoussé de particules sédimentaires grossières, en avons validé son intérêt pour l’analyse (1) des relations entre évolution des indices d’émoussé et abrasion de la masse sédimentaire et (2) du fonctionnement hydrosédimentaire d’un bassin versant et avons formulé les recommandations nécessaires de respecter pour sa bonne utilisation. Enfin, nous avons cherché à comparer les influences respectives de la densité et de la forme des particules sédimentaires pendant leur transport par charriage. Ces résultats soulignent l’influence au moins aussi grande de la forme comparée à la mobilité, sur le déplacement des particules sédimentaires. / The influence of fluvial systems dynamics on riverine landscape patterns is the consequence of complex ecosystem dynamics. These driving factors can be analysed at different spatiotemporal scales of the fluvial system (for example: river basin, functional units, alluvial megaforms or sedimentary particles). The dynamic of fluvial systems depends on the equilibrium between solid and liquid fluids. For this reason, the geomorphological status of watercourses can be described from a sedimentary perspective taking into account general trends at large scale, local characteristics such as incision, aggradation, sedimentary migration or the alteration of particles’ geometrical properties that constitute bed load. Thus, a better understanding of the influence of past and present sedimentary flows on the geomorphological status of watercourses has at the same time an ecological impact (permeability of both the alluvial layer and the hyporheic zone and its self-filtration function (Datry et al., 2008)), a political impact (related to flood management, erosion risks and issues or hydraulic facilities) or even a philosophical issue (what is the appropriate reference for what fluvial system? What is the role of Humanity on these anthropized environments and at what extent?).Thus, the development of methodological tools to characterize sedimentary flows or the observed dynamics on rivers, is considered a major and rising research issue. The research studies described in this thesis are structured in three distinct topics: (1) physical properties of sedimentary particles; (2) their mobility; (3) their transformation as a consequence of abrasion.In this context, we have analysed the relationship between breakage and low recovery rates for natural tracers (limestone pebbles) equipped with low frequency passive transponders (PIT-tag). In addition, we have tested the use of synthetic pebbles to create new tracers equipped with high frequency active transponders (a-UHF), more performant than PIT-tags. Secondly, we have developed a new search and location field methodology specially, adapted to these new transponders. Thirdly, we have tested the sensibility of the toolbox developed by Roussillon et al. (2009), design to measure the roundness of coarse sedimentary particles, to different entry parameters. We have confirmed its interest to (1) analyse the relationship between particles normalized abrasion and its roundness trends; (2) analyse the hydrosedimentary dynamics at a river basin scale. We have included several recommendations to apply this toolbox in the appropriate conditions. Finally, we have performed a comparative analysis between particles’ density and shape and its influence on bedrock transport. These results highlight the significant influence of shape on travelled distance in comparison with density.

The aim of this PhD work is to elaborate using plasma spraying fine, dense, crack-free coatings of Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) for SOFCs electrolyte. The experimental approach has been based on the increase velocities of particles in a molten state upon impact using three plasma spraying processes (Arc plasma spraying, vacuum plasma spraying and supersonic inductive plasma spraying) and powder with a fine granulometry (-25+5[micro]m). In-flight particles and lamellaes characterisations were carried out to study their influence onto deposit microstructure and the influence of the latter one on their porosity and ionic conductivity. Two kinds of microstructure function of spraying process were obtained thanks to the increase of particle velocities upon impact. Those specific microstructures lead to the increase of the number of good interlamellar contacts that allows benefiting ionic conductivity. So, in future, it will be possible to elaborate all the stack (anode-electrolyte-cathode) with the same plasma spraying process.

Ce mémoire de maîtrise a pour objet une recherche de leptons lourds de quatrième génération avec les données prises par le détecteur ATLAS au LHC dans les collisions pp à $\sqrt{s}$ = 7 TeV et avec une luminosité intégrée de 1.02 fb$^{-1}$. Le processus étudié est la production au singulet de leptons lourds neutres de quatrième génération (N) par la voie du courant chargé suivi de la désintégration du celui-ci en un électron et un boson W : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), et dépend d'un paramètre de mélange $\xi^{2}$ avec un lepton léger. L'analyse passe par plusieurs étapes, soit l'utilisation de FeynRules pour construire le modèle pour ensuite générer des événements par MadGraph 5.1.2.4. Comme hypothèse de référence, on a choisi une masse de 100 GeV pour le lepton lourd neutre et $\xi_{Ne}^2$ = 0.19, donnant une section efficace de 0.312 pb pour une énergie au centre de masse de 7 TeV. Puisque la génération du signal s'est faite de manière privée à Montréal et non par la collaboration ATLAS, les résultats ne peuvent pas être reconnus officiellement. Sur la base de la simulation, avec des données correspondant à 1 fb$^{-1}$, la limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur la section efficace du signal est de 0.145 pb avec 0.294 pb pour un écart type($\sigma$) et 0.519 pb pour 2$\sigma$. La limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur $\xi_{Ne}^{2}$ de 0.09 pour une masse de 100 GeV. / This M.Sc. thesis describes a search for fourth generation heavy leptons using data from the ATLAS detector at LHC. The total integrated luminosity is 1.02 fb$^{-1}$ in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 7 TeV. This analysis study the single production of fourth generation neutral heavy lepton (N) via the charged channel and where W decays leptonically : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), which depends on the mixing element between the heavy lepton and the light lepton. The model of fourth generation leptons is constructed using FeynRules while the production of events is done by MadGraph 5.1.2.4. As point of reference, we chose a mass of 100 GeV for the fourth generation neutral heavy lepton (N) with $\xi_{Ne}^{2} = 0.19$, which produce a cross section of 0.312 pb. The generation of the signal was done privately in Montreal and not by the ATLAS collaboration. Therefore the results cannot be considered official. With the simulation, the expected superior limit at $95\%$ C.L. on the cross section is 0.145 pb with 0.294 pb for $\sigma$ and 0.519 pb for 2$\sigma$. The expected superior limit at $95\%$ C.L. on $\xi_{Ne}^{2}$ is 0.09.

La protection des opérateurs et la surveillance des ambiances de travail en cas de mise en suspension d’aérosols radioactifs, dans un local ventilé d’une installation nucléaire, requièrent la connaissance de l’évolution spatio-temporelle de la concentration en particules, en tout point du local considéré. L’estimation précise de cette concentration a fait l’objet du développement de modèles spécifiques de transport et de dépôt d’aérosols dans un local ventilé, dans le cadre d’une thèse cofinancée par l’IRSN et EDF, en collaboration avec l’IMFT. Un formalisme eulérien de glissement est utilisé pour modéliser le transport des aérosols. Celui-ci est basé sur une unique équation de transport des concentrations en particules (« Diffusion-Inertia model »). L’étude spécifique du dépôt d’aérosols en parois a permis de développer un modèle de couche limite, qui consiste à déterminer précisément le flux de dépôt de particules en parois, quels que soient le régime de dépôt et l’orientation de la surface considérée. Les modèles de transport et de dépôt finalement retenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données de la littérature en géométries simples, puis sur la base de campagnes expérimentales de traçage dans des locaux ventilés d’environ 30 m³ et 1500 m³. / When particulate radioactive contamination is likely to become airborne in a ventilated room, assessment of aerosol concentration in every point of this room is important, in order to ensure protection of operators and supervision of workspaces. Thus, a model of aerosol transport and deposition has been developed as part of a project started with IRSN, EDF and IMFT. A simplified eulerian model, called “diffusion-inertia model” is used for particle transport. It contains a single transport equation of aerosol concentration. The specific study of deposition on walls has permitted to develop a boundary condition approach, which determines precisely the particle flux towards the wall in the boundary layer, for any deposition regime and surface orientation.The final transport and deposition models retained have been implemented in a CFD code called Code_Saturne. These models have been validated according to literature data in simple geometries and tracing experiments in ventilated rooms, which have been carried out in 30 m³ and 1500 m³ laboratory rooms.

Les simulations des écoulements diphasiques à l’échelle réelle de l’application nécessitent des modèles pour les termes non fermés des équations macroscopiques. Des simulations numériques directes à particule résolue utilisant la méthode de pénalisation visqueuse ont été réalisées afin de mesurer les interactions entre des particules de différentes formes (sphérique et ellipsoïdale) et le fluide porteur à différents régimes d'écoulement (de stokes à l'inertiel). Deux méthodes ont été développées durant cette thèse afin d'extraire les forces hydrodynamiques ainsi que le transfert de chaleur sur les frontières immergées représentant les particules. Plusieurs validations ont été conduites pour différentes configurations de particules : de la simulation d’une particule isolée à un réseau aléatoire de sphères en passant par réseau cubique face centrée de sphères. Une corrélation du nombre de Nusselt est proposée pour un sphéroïde allongé plongé dans un écoulement uniforme. / The simulations of multiphase flows at real application scale need models for unclosed terms in macroscopic equations. Particle-Resolved Direct Numerical Simulations using Viscous Penalty Method have been carried out to quantify the interactions between particles of different shapes (spheres, ellipsoids) and the carrier fluid at different regimes (from Stokes to inertial). Two methods have been developed to extract hydrodynamic forcesand heat transfers on immersed boundaries representing the particles. Validations have been conducted for various configuration of particles: from an isolated sphere and spheroid to Face-Centered Cubic to a random arrangement of spheres. A correlation of the Nusselt number for an isolated prolate spheroid past by a uniform flow is proposed.

L'interaction onde-particule dans les plasma est un sujet de recherche important, pour la compréhension des phénomènes physiques fondamentaux comme pour l'opération de réacteurs à fusion tels que les tokamaks. Cette intéraction peut être responsable de l'existence de modes instables, comme l'instabilité "fishbone" dans les plasmas de tokamak. Celle-ci est causée par l'interaction résonante entre un mode vivant dans la plasma et une population de particules supra-thermiques. Cette instabilité cause l'éjection d'une partie de ces particules énergétiques. Elle est par ailleurs caractérisée par une diminution de sa fréquence durant son évolution. Dans cette thèse, un modèle pour l'instabilité "fishbone", décrivant le plasma thérmique avec un traitement fluide et les particlules énergétiques avec un traitement cinétique, est développé. Ce modèle est simplifié de manière à permettre la compréhension des mécanismes les plus basiques qui causent la destabilisation du mode, sa diminution en fréquence durant son évolution ainsi que l'éjection de particules qu'il engendre. La théorie linéaire de ce modèle est faite, montrant les conditions qui permettent l'existence de l'instabilité, et permettant la caractérisation de son comportement linéaire. Les résultats analytiques sont ensuite comparés aux résultats linéaires numériques, obtenus grâce à un code développé durant cette thèse et basé sur les hypothèses du modèle, et ils sont en accord. Enfin, ce code est utilisé pour explorer le comportement non linéaire des particules énergétiques. Le mécanisme principalement responsable du changement de fréquence du mode ainsi que de l'éjection des particules est identifié et étudié en detail. / The wave-particle interaction in plasmas is an important research subject, for fundamental physical understanding as well as for the operation of fusion devices such as tokamaks. This interaction can cause the existence of unstable modes, such as the fishbone instability that is observed in tokamak plasmas. It results from the resonant interaction between an electro-magnetic wave living in the plasma and a population of supra-thermal particles. This mode causes the ejection of a portion of these energetic particles, and is thus detrimental to the confinment of energy in a tokamak, and it is characterized by a frequency down-chirping, i.e. a decrease of frequency of the mode during its evolution. In this thesis, a model for the fishbone instability is developed, that describes the thermal plasma with fluid equations and the supra-thermal particles with the kinetic Vlasov equation. This model is highly simplified in order to understand the basic mechanisms leading to destabilization, frequency chirping, and particle ejection. The linear theory of this model is then done, showing the conditions that lead to the existence of an instability, and that allow the characterization of its linear behavior. The linear analytic results are then compared to numerical linear results obtained with a code, based on the assumptions of the model, that was developed during this PhD and the results are found to be in good agreement. Finally, the code is used to explore the nonlinear behavior of energetic particles in the later phase of the fishbone instability. The main mechanism responsible for the frequency chirping and energetic particle ejection is identified and studied in detail.

Les poussières émises par l'industrie métallurgique concourent à la qualité de l'air des zones urbaines voisines. Ces particules, émises par des procédés à "haute température", sont susceptibles d'évoluer rapidement au sein des panaches. L'objectif de l'étude est de caractériser la phase particulaire sur un site d'émission métallurgique et de déterminer la nature et l'amplitude des transformations physico-chimiques subies par ces particules dans les premières minutes de leur émission. Des prélèvements d'aérosols ont été réalisés au sein des cheminées et dans l'environnement proche d'une usine métallurgique (production d'alliage de ferromanganèse), dont l'atelier d'agglomération est le principal émissaire. Le spectre granulométrique des particules dans l'environnement montre un enrichissement de nanoparticules (10-100nm) après survol des masses d'air au dessus du site industriel. Les rejets caractéristiques de l'usine (émission d'oxydes de fer et de manganèse, mais également d'aluminosilicates) se trouvent la plupart du temps sous forme d'agglomérats de composition chimique hétérogène et de structure morphologique complexe. Ces agglomérats semblent évoluer rapidement par adsorption de composés organiques volatils ou de suies. L'étude de la spéciation du Fe et du Mn au sein de ces particules indique qu'elles sont sujettes à des réactions d'oxydation via des mécanismes de conversion gaz/particules au sein même du procédé industriel, aboutissant notamment à une oxydation du fer inversement proportionnelle à la taille des particules. Par contre, aucune évolution significative du degré d'oxydation du Fe et du Mn n'a été observée dans l'environnement proche de l'émissaire. / Steelworks activities are important sources of fine particles which may affect air quality in urban areas close to plants. Those particles are emitted by "high-temperature" processes and could evolve very quickly in the plumes. The main objective of this study is to evaluate the nature and the amplitude of physico-chemical evolutions of those particles in the few minutes after the emission. Aerosol samplings were performed inside the chimneys and in the close environment of a FeMn alloys manufacturing plant where the sintering unit is the most important source of particles. The number size distributions in the close environment show a higher abundance of nanoparticles (10-100nm) inside the plume, by comparison with air masses upwind from the plant. The chemical analysis indicates that particles characteristic of the plant emissions (iron and manganese oxides but also aluminosilicates) are mostly constituted of agglomerates. These agglomerates combine various compounds inside a same particle in a complex structure. Moreover, they evolve rapidly (in a few minutes) after emission by mixing with organic compounds inside the plume. This evolution results from the adsorption of volatile organic compound or the agglomeration with soot particles. The study of iron and manganese speciation inside particles shows that they are prone to oxidation reactions via gas/particle conversion mechanisms during the industrial process, leading notably to a higher iron oxidation state for the smallest particles. However, no change of iron and manganese oxidation state was observed in the close environment of the plant.

Ce travail de thèse a pour objet de contribuer à la compréhension de la déformation des assemblages combustibles REP équipés de composants en alliages de zirconium (Zy-4 ou M5). En particulier, nous nous sommes intéressés à l’accélération de croissance, corrélée à l’apparition d’un type de défaut d’irradiation : les boucles à composante <c>. Des irradiations aux particules chargées nous ont permis de reproduire ces évolutions microstructurales et d’étudier leur représentativité. La morphologie du dommage primaire n’a ainsi que peu d’impact sur la microstructure de boucles <c> tandis que le taux de création de dommage (tout comme la température) semble jouer un rôle majeur. Par ailleurs, la dose seuil pour la nucléation des boucles <c> apparaît étroitement liée à la cinétique de croissance des amas lacunaires et des germes de boucles. Cette cinétique peut être influencée par le taux de création de dommage, les éléments d’alliages, mais également la contrainte ou la présence d’hydrogène (introduit dans le matériau lors de l’oxydation en réacteur). Ce travail a ainsi exploré de manière approfondie l’effet d’une contrainte appliquée dans les domaines d’élasticité et de plasticité ainsi que l’impact de l’hydrogène absorbé sur la nucléation et la croissance des boucles <c>. Conformément au mécanisme SIPA proposé dans la littérature, nous avons observé un effet de la contrainte sur les boucles <c>. Par ailleurs, cette étude met en évidence que l’hydrogène en solution et / ou sous forme d’hydrures influence significativement la nucléation et la croissance des boucles <c>. / The aim of this PhD work is to have a better understanding of axial elongation of the PWR fuel assemblies manufactured in zirconium alloys (Zy-4 or M5). More specifically, we focused on the growth acceleration of these assemblies, clearly correlated to the nucleation of specific irradiation defects: the c-loops. Irradiations by charged particles were performed in order to reproduce the microstructure evolution and to study its representativeness. Thus, primary damage morphology has no impact on the c-loop microstructures where as the damage creation rate (like the temperature) seems to play a major role. Moreover, the nucleation dose for c-loops appears clearly correlated to the nuclei and vacancy clusters growth kinetics. This kinetics could be influenced by the damage creation rate, the alloying elements, but also by an applied stress or the hydrogen content (which can be introduced during oxidation in reactor). Thus, this work has explored the effect of an applied stress (in the elasticity or plasticity domain) and the impact of the hydrogen pick-up on the nucleation and growth of c-loops. In accordance with the SIPA mechanism described in the literature, we observed an effect of the applied stress on the c-loop microstructures. Moreover, this study clearly shows an impact of hydrogen in solid solution and as precipitated hydrides on the nucleation and growth of c-loops.

L’électrochimie bipolaire est possible quand un substrat conducteur qui n’est pas directement connecté à un générateur est exposé à un champ électrique. Il s’agit donc d’une technique « sans fil ». La polarisation du substrat par rapport à la solution génère une différence de potentiel entre les extrémités du substrat qui peuvent devenir le siège de réactions rédox et briser ainsi la symétrie à la surface du substrat. Dans cette thèse, cette méthode a été appliquée à l’élaboration de matériaux ainsi qu’à l’étude de systèmes biologiques. L’électrochimie bipolaire a été adaptée pour la préparation « bulk » de particules asymétriques également appelées particules « Janus ».Des substrats conducteurs de différentes natures, tailles et formes ont été modifiées avec des dépôts métalliques, ioniques ou inorganiques. De plus, un contrôle de la morphologie du dépôt a été possible sur des substrats d’échelle variée. L’électrodéposition bipolaire permet d’étudier la génération de différentes morphologies métalliques, ainsi que la micro-structuration sur des objets conducteurs grâce au développement de nouveaux setups expérimentaux. Le concept s’est également montré très utile dans le domaine de la mise en mouvement de particules. D’une part, les objets asymétriques qui ont été préparés par électrodéposition bipolaire peuvent agir comme des micro-nageurs capables de mouvement de translation ou de rotation. D’autre part, l’application d’un champ électrique peut directement induire le déplacement d’objets isotropes par génération localisée de bulles. Un mouvement de lévitation combinée à l’émission de lumière est également possible. Finalement, l’électrochimie bipolaire a été utilisée pour étudier la conductivité de biomolécules (ADN), ce qui est d’une grande importance dans le domaine de la nanotechnologie. / Bipolar electrochemistry deals with the exposure of an isolated conducting substrate that has no direct connection with a power supply except via an electric field. Therefore it can be considered as a “wireless technique”. The polarization of the substrate with respect to the surrounding medium generates a potential difference between its opposite ends which can support localized electrochemical oxidation reduction reactions and break the surface symmetry of the substrate. The method was applied in the present thesis to materials science and biological systems. In the frame of designing asymmetric particles, also called “Janus” particles, bipolar electrochemistry was adapted for the bulk preparation of these objects. Conductive substrates with different nature, sizes and shapes have been modified with various materials such as metals, ionic and inorganic compounds using this approach. Moreover, a control over the deposit topology could be achieved for substrates at different length scales. Bipolar electrodeposition is also a good tool for investigating the generation of different metal morphologies. Further developments in the bipolar setup allowed us to use the technology for microstructuration of conductive objects. Furthermore the concept has shown to be very useful in the field of the induced motion of particles. The asymmetric objects that have been prepared by bipolar electrodeposition were employed as microswimmers which could show both translational and rotational motion. The application of electric fields in the bipolar setup can be used for the direct generation of motion of isotropic objects through bubble generation. A levitation motion of objects combined with light emission was possible using this concept. Finally, bipolar electrochemistry was also used for studying the intrinsic conductivity of biological molecules (DNA), which is of great importance in the nanotechnology.

Le diagnostic par une méthode optique telle que l'anémométrie phase Doppler, des particules présentes dans les milieux diphasiques, nécessite l'emploi de faisceaux laser focalisés. La compréhension et l'élimination des effets engendrés sur les mesures de taille, par les gradients d'éclairage ou les « effets de trajectoire », est au centre de la première partie de cette thèse. Différentes solutions, testées numériquement et expérimentalement, sont proposées pour éliminer les biais constatés. L'extension de l'anémométrie phase Doppler à la mesure de la partie réelle et complexe (absorption) de l'indice de réfraction des particules est ensuite considérée. Les méthodes originales proposées autorisent, en plus des mesures de taille et de vitesse, la reconnaissance des particules par leur indice, l'étude de la coalescence de gouttes (liquides transparents ou absorbants) ou la détection des fortes variations de température de particules. La dernière partie de ce travail propose diverses solutions pour étendre l'anémomètrie phase Doppler à la mesure de particules cylindriques (fibres, jets liquides), ovoïdes (oblates/problates), sphériques non­homogènes (multicouches, à coeur, hétérogènes: diphasiques ou non) et irrégulières. Le cas des particules multicouches est particulièrement détaillé, à partir de simulations basées sur le travail théorique effectué pour étendre la théorie de Lorenz-­Mie généralisée à ce type de particules.