Les phénomènes nucléaires de transition d'un système à un corps à un système à deux corps (fusion, fission et fragmentation) sont étudiés dans le cadre d'un modèle macroscopique prenant en compte, à la fois, les forces Coulombiennes répulsives, les forces de tension superficielle attractives, les forces de proximité nucléaire et les forces de friction. Une séquence de forme à deux paramètres (distance entre les centres de masse et asymétrie) est définie pour étudier le chemin de fusion et le chemin de fission à travers des formes compactes et crevassées. Les barrières de potentiel ont alors un maximum externe correspondant à deux sphères séparées. Pour les systèmes lourds, les barrières ont deux bosses séparées par un profond minimum dû aux forces de proximité. Dans toute la gamme des masses nucléaires, les sections efficaces de fusion sont bien reproduites. Pour les systèmes de masses très élevées, les forces de friction s'opposent fortement à la fusion et une énergie cinétique supplémentaire est nécessaire pour franchir la barrière. Le chemin de fission à travers des formes compactes est compatible avec la plupart des résultats expérimentaux : hauteurs des barrières, fission des actinides, barrière de scission, événements de quasi-fission et de fission froide, moment angulaire critique, énergie cinétique de translation et absence de noyaux superlourds. La fragmentation d'un projectile dans le champ d'une cible donne lieu à l'émission de deux particules dans les collisions périphériques : un quasi-projectile et un fragment très ralenti de vitesse environ 0.6 Vproj. Dans les collisions plus centrales, le fragment ralenti colle à la cible et seul le quasi-projectile peut être détecté.

La réalisation et l'utilisation d'un spectromètre de masse opérant directement dans le faisceau externe d'un accélérateur de protons s'est avéré être un moyen d'étude très fécond de nuclides à vie courte dans les deux domaines abordés : mesure des sections efficaces de production et spectroscopie nucléaire. Les résultats obtenus au cours de ce travail ne constituent qu'une première étape et pourront être développés dans les différentes directions dont l'étude a été abordée et une extension à des éléments autres que les alcalins peut être envisagée.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de l'énergie nucléaire, de l'aval du cycle du combustible et du calcul des incertitudes. Le CEA doit concevoir le prototype ASTRID, réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium (RNR), qui est l'un des concepts retenus au sein du forum Génération IV et dont la puissance résiduelle et l'estimation de son incertitude ont un impact important. Ce travail consiste à développer un code de propagation des incertitudes des données nucléaires sur la puissance résiduelle dans les RNR.La démarche s'est déroulée en trois temps.La première étape a permis de limiter le nombre de paramètres intervenant dans le calcul de la puissance résiduelle. Pour cela, un essai de puissance résiduelle sur le réacteur PHENIX (PUIREX 2008) a été interprété de façon à valider expérimentalement le formulaire d'évolution DARWIN pour les RNR et à quantifier les termes sources de la puissance résiduelle.La deuxième étape a eu pour but de développer un code de propagation des incertitudes : CyRUS (Cycle Reactor Uncertainty and Sensitivity). Une méthode de propagation déterministe a été retenue car elle permet des calculs rapides et fiables. Les hypothèses de linéarité et de normalité qu'elle entraîne ont été validées théoriquement. Le code a également été comparé avec succès à un code stochastique sur l'exemple de la fission élémentaire thermique de l'235U.La dernière partie a été une application du code sur des expériences de puissance résiduelle d'un réacteur, de bilan matière d'une aiguille combustible et d'une fission élémentaire de l'235U. Le code a démontré des possibilités de retour d'expériences sur les données nucléaires impactant l'incertitude de cette problématique.Deux résultats principaux ont été mis en évidence. Tout d'abord, les hypothèses simplificatrices des codes déterministes sont compatibles avec un calcul précis de l'incertitude de la puissance résiduelle. Ensuite, la méthode développée est intrusive et permet un retour d'expérience sur les données nucléaires des expériences du cycle. En particulier, ce travail a montré qu'il est déterminant de mesurer précisément les rendements de fission indépendants et de déterminer leurs matrices de covariances afin d'améliorer la précision du calcul de la puissance résiduelle.

L'étude de la décroissance est un outil crucial pour la structure des noyaux exotiques. Ladécroissance des noyaux riches en neutrons est souvent suivie de l'émission de neutrons retardés. Ce travail porte sur le développement d'un nouveau multidétecteur pour la spectroscopie temps de vol des neutrons retardés. Ce détecteur utilisera un scintillateur liquide permettant la discrimination neutron-gamma et une électronique numérique. La discrimination neutron-gamma avec l'électronique numérique FASTER a tout d'abord été étudiée. Avec la méthode de comparaison de charges, une amélioration de la discrimination est obtenue par rapport à l'électronique classique. Di fférentes méthodes de discrimination ont ensuite été explorées avec des signaux échantillonnés et comparées. Le filtre de Gatti et De Martini est la meilleure méthode, suivie par la comparaison de charges. Afi n de dépasser les limitations des scintillateurs liquides pour les neutrons de basse énergie (<1 MeV), le rendement en lumière et la discrimination de 7 scintillateurs de petit volume (liquides, cristaux, nouveaux plastiques discriminants) ont été évalués. Les cristaux de stilbène et de paraterphényle présentent les meilleures performances. L'effi cacité de détection et le taux de diaphonie des modules envisagés ont été mesurés avec des neutrons monoénergétiques dans la gamme 0,5 à 15,5 MeV. Ces mesures de diaphonie sont les premières e ectuées à basse énergie neutrons (de 1,4 à 5 MeV). Les simulations Monte-Carlo réalisées sont en bon accord avec les données d'e fficacité. Bien qu'elles reproduisent également le comportement global de la diaphonie, des simulations plus sophistiquées doivent être développées.

Cette thèse porte sur les dispositifs de contrôle de faisceaux de protons balayés. La société IBA (Ion Beam Applications), ayant besoin d'une d'unité moniteur pour équiper ses centres de protonthérapie dotés de la technologie Pencil Beam Scanning, a fait appel au groupe applications médicales du Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen. En 2008, ce groupe a alors réalisé, en collaboration avec IBA, une chambre d'ionisation, nommée IC2/3, destinée à équiper la tête d'irradiation universelle IBA dédiée au PBS. Ce détecteur vérifie que la fluence particulaire reste conforme à celle planifiée. Une partie du travail de thèse a consisté à caractériser cette unité moniteur sur une gamme d'énergie faisceau, de position faisceau et de débit de dose applicables en protonthérapie. Après une introduction sur la protonthérapie, la phase de validation d'IC/3 est exposée dans ce mémoire. Les informations fournies par cette unité moniteur permettent le contrôle du faisceau en termes de fluence particulaire mais n'assurent pas le contrôle qualité du traitement en termes de distribution spatiale de dose. La seconde partie du travail de thèse a donc été de concevoir un dispositif, toujours pour les faisceaux de protons balayés, capable de reconstruire la distribution spatiale de dose délivrée dans le patient au cours du traitement. L'élaboration de son cahier des charges est présentée dans ce mémoire ainsi que les diverses études de conception. Ce travail a permis de parvenir à un certain nombre de recommandations pour sa réalisation mais également à diverses perspectives de recherche.

Les techniques de radiothérapie externe ont beaucoup évolué ces vingt dernières années. Pour les photons, le développement d'outils comme les collimateurs multilames, de machines comme le cyberknife ou la tomothérapie, ont permis d'améliorer la conformation des traitements au volume tumoral et de diminuer la dose maximale aux tissus sains. Dans un autre registre, l'usage de la protonthérapie s'élargi t dans tous les pays et l'hadronthérapie par ions carbone commence également à prendre son essor. Si les techniques s'améliorent, les exigences de contrôle de la dose administrée aux patients sont toujours les mêmes. Ce document expose, en premier lieu, les tenants et aboutissants des différentes techniques de radiothérapie externe : traitements photons, protonthérapie et hadronthérapie. Partant du fondement des exigences cliniques, il établit les grandeurs qu'il faut mesurer pour garantir la qualité du traitement pour les différentes modalités envisagées. Il expose ensuite quelques réalisations, basées sur des cahiers des charges précis et rigoureux, dans le domaine du contrôle et de la mesure des faisceaux délivrés par les équipements de radiothérapie externe. Deux techniques instrumentales sont particulièrement développées, la dosimétrie par scintillateurs plastiques pour le contrôle des faisceaux de photons et la dosimétrie par chambre d'ionisations appliquée à la protonthérapie ou aux expériences de radiobiologie menées sur l'installation de GANIL. Les analyses et les perspectives, basées sur les évolutions récentes des machines de traitement, sont livrées en conclusion et pourront servir de guide pour les développements instrumentaux futurs.

Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons à la description des noyaux atomiques composés d'un nombre impair de nucléons dans la méthode dite de la fonctionnelle énergie de la densité (EDF). Plus précisément, nous présentons et appliquons dans le cas de ces noyaux, des extensions à cette méthode : (i) la projection sur les bons nombres quantiques, (ii) le mélange de configurations à travers la méthode des coordonnées génératrices (GCM), qui permettent de prendre en compte dans nos calculs des corrélations de type " au-delà du champ moyen " entre les nucléons constituant le noyau. De telles extensions n'avaient jusqu'alors été employées, dans leurs versions les plus générales, qu'aux noyaux ayant à la fois un nombre pair de neutrons et de protons, et nous nous proposons donc de démontrer leurs applicabilités également dans le cas des noyaux impairs. Dans la première partie de ce travail, nous présentons le formalisme mathématique de la méthode EDF, en mettant tout particulièrement l'accent sur le traitement des symétries dans cette approche. Dans la seconde partie du manuscrit, nous appliquons notre modèle au cas du noyau de Mg25 et analysons les résultats sous différents angles (ex : précision numérique des résultats, convergence du mélange de configurations, comparaison avec les données expérimentales connues). Les premiers résultats obtenus dans ce travail de thèse sont encourageants et démontrent l'intérêt de notre approche pour les calculs théoriques de structure nucléaire.

SuperNEMO est un projet de détecteur de nouvelle génération pour la recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos. La technique expérimental déployée est dans la lignée du son prédécesseur NEMO3, combinant un trajectographe et un calorimètre, afin d'identifier non seulement les électrons des décroissances double bêta, mais également pour mesurer l'ensemble des composantes de bruit de fond du détecteur. Le projet vise ainsi une sensibilité de 10^26 ans sur la période du 82Se, ce qui permettrait de sonder une masse effective du neutrino de 50 meV. Pour atteindre cette sensibilité, le projet prévoit notamment de mettre en place un calorimètre composé d'un millier de compteur à scintillation de basse radioactivité, dont la résolution en énergie serait meilleure que 8 % FWHM pour des électrons de 1 MeV.Ce travail de thèse apporte une contribution importante dans les travaux de Recherche et Développements pour améliorer les performances des scintillateurs et photomultiplicateurs, et pour réduire leur radioactivité, avec notamment la conception d'un nouveau photomultiplicateur en collaboration avec Photonis.

Des calculs de type modèle en couches ont été réalisés dans un espace de valence 1¯hω complet pour les noyaux de la couche sd. Ces calculs ont permis pour la première fois de prédire la durée de vie des états de parité positive et négative des noyaux riches en neutrons de la couche sd. Les durées de vie prédites (1 - 100 ps) sont mesurables par la méthode de décalage Doppler différentiel.Le démonstrateur du détecteur γ européen de nouvelle génération, AGATA, en coïncidence avec le spectromètre magnétique PRISMA du LNL (Italie) et le plunger de l'Université de Cologne ont été utilisés pour mesurer les durées de vie des états excités dans 32,33Si et 35,36S. Les structures plus complexes, à n¯hω ont également été étudiées dans le 28Si. Ce dernier est un noyau important pour comprendre la compétition entre les structures de type champ moyen et les structures en agrégats. La réaction résonante de capture radiative d'ions lourds-légers 12C+16O a été réalisée à des énergies sous-coulombiennes. La décroissance γ complète depuis les résonances peuplées par laréaction jusqu'au niveau fondamental de 28Si a été mesurée pour la première fois à ces énergies et montre une forte alimentation d'états intermédiaires autour de 10 MeV. Les comparaisons avec des études de captures radiatives au-dessus de la barrière de Coulomb ont été effectuées et les résultats ont été interprétés en termes de l'alimentation favorisée d'états à isospin T = 1 dans le noyau autoconjugué 28Si.

Depuis quelques années, une perte du caractère magique des noyaux riches en neutrons à l'abord de la drip-line a été suggérée et observée pour N=28 neutrons. On note la présence de déformation pour ces noyaux, notamment dans le noyau de $^{44}$S, qui peut s'expliquer par une réduction modérée du gap N=28 et la quasi-dégénérescence des orbitales protons d$_{3/2}$ et s$_{1/2}$. Il demeure cependant difficile de distinguer la contribution relative des excitations neutron et proton dans la déformation. Dans le cas des isotopes du silicium, on s'attend à une stabilité de la configuration proton liée au gap en énergie de la sous-couche Z=14. C'est ainsi que le $^{42}$Si peut être considéré comme un noyau clé pour pouvoir distinguer les différents effets responsables des changements structurels observés à N=28. Pour mener à bien l'étude de ce noyau, le facteur limitant étant le taux de production accessible extrêmement faible, une expérience de spectroscopie en ligne avec double fragmentation du faisceau faisant intervenir des processus d'arrachage - dits de "knockout" - de plusieurs nucléons fut réalisée au GANIL. La mesure de l'énergie du premier état excité du $^{42}$Si, combinée à celles des noyaux de $^{38,40}$Si et la spectroscopie de noyaux $^{41,43}$P, a permis de confirmer la perte de magicité pour N=28 loin de la stabilité. Une modification de l'interaction effective utilisée dans le cadre des calculs de type modèle en couches modernes a pu être apportée, accentuant ainsi son caractère prédictif. Cette étude confirme le rôle de la force tenseur et de la dépendance en densité de l'interaction spin-orbite dans l'affaiblissement de la fermeture de couches N=28.