The diploma thesis deals with the study of Rayleigh-Bénard convection for Rayleigh numbers in the range 1E8-1E14. The evaluated data come from an experiment with cryogenic helium in a cylindrical cell in a configuration with cell diameter D = 30 cm, height L = 30 cm and a second configuration with cell diameter D = 30 cm, height L = 15 cm. Miniature sensors recorded temperature fluctuations over time under various physical conditions and properties of helium. Using MATLAB software, the output parameters of the system (Nusselt and Reynolds numbers) and their dependence on the control parameters (Rayleigh and Prandtl numbers) were determined from the measured data. A new approach to the distribution of measured signals according to the direction of large scale circulation was used in the work, which leads to improved analysis. Reynolds numbers were evaluated using the so-called elliptic method. Furthermore, the work deals with the study of the coherent structure of the large scale circulation inside the cell.

Les squats et les head-checks sont des défauts générés par l’endommagement des rails dû à la fatigue de contact de roulement, ils sont localisés à la surface du champignon du rail. La possibilité de les détecter en modes statique et dynamique lorsque leur profondeur se situe sous le seuil critique de 5 mm, constitue un challenge important pour l’industrie ferroviaire. Les méthodes d’inspection existantes ne permettent pas de les déceler avec certitude. L’objectif de ce travail a été de développer des méthodes alternatives pour l’inspection automatique du rail permettant de détecter ces défauts superficiels. Nous montrons que les méthodes sans contact : Ultrasons-Laser et EMATs (transducteurs électromagnétiques) sont très performantes pour la détection des défauts définis précédemment en utilisant des ondes acoustiques de surface, notamment dans le cas d’un contrôle dynamique. Cette étude présente les deux méthodes utilisées pour la génération et la détection des ondes de Rayleigh. Des essais sont effectués en modes statique et dynamique. Les résultats obtenus montrent la faisabilité des méthodes de contrôle non destructives envisagées pour la détection de squats et de head-checks de différentes profondeurs. Les essais EMAT se sont notamment révélés satisfaisants pour des vitesses importantes de déplacement de l’échantillon. / Squats and head-checks are a form of near surface rolling contact fatigue damage found in rail heads. The ability to detect these defects in static and dynamic modes when their depth is under the critical threshold of 5 mm represents a major challenge for the rail industry. Conventional inspection methods do not allow their detection with certainty. Therefore, the aim of this work was to develop alternative methods for automatic rail inspection leading to open cracks detection. We show that non-contact methods: Laser-Ultrasonics and electromagnetic transducers (EMAT) are very efficient for the detection of the previously defined defects using surface acoustic waves, particularly in the case of a dynamic control. This study presents two methods for the generation and detection of Rayleigh waves. Static and dynamic tests are performed. The experimental results show the feasibility of the envisaged methods for the detection of squats and head-checks of different depths. Especially, the EMAT tests were satisfactory for high speeds displacement of the sample.

Several types of instability can affect the interface between two fluids. For instance, a Rayleigh-Taylor instability (or density fingering) is encountered when a heavier fluid is placed upon a lighter one in the gravity field and double diffusive instabilities can be triggered by differential diffusivity of the different species present in the fluid. In this context our work aims to understand theoretically in which way a chemical reaction can induce and influence such instabilities in a fluid initially at rest. To understand the dynamics resulting from the coupling between chemical reactions and hydrodynamical instabilities we use chemical fronts as model systems. These fronts result from the coupling between autocatalytical chemical reactions and diffusion and they allow to create a self-organized interface between the products and the reactants. As during a chemical reaction the density may vary due to solutal and thermal effects, the products and the reactants can have different densities which may trigger convection movements leading to the destabilization of the fronts. We have in particular studied the influence of the exothermicity of the reaction on the fingering of chemical fronts, focusing first on the influence of heat losses through the walls of the set-up. These leaks have a marked influence on the dynamics because they affect the temperature profiles and hence the density profiles too. We have also classified the various types of instabilities that may appear dues to solutal and thermal effects. We have found a new type of hydrodynamic instability of statically stable fronts induced by the chemical reaction. We have furthermore analyzed an isothermal model with two chemical species. If they diffuse at different rates the front can be subject to diffusive instabilities as well. We have shown that the coupling between such a diffusive instability and fingering can trigger complex dynamics. We have eventually studied the influence of an external electric field on the diffusive instabilities and on fingering underlying the possibility to destabilize otherwise stable fronts./ Différents types d'instabilités hydrodynamiques peuvent affecter les interfaces entre deux fluides comme par exemple, une instabilité de Rayleigh-Taylor (ou digitation de densité) quand un fluide plus dense se trouve placé au-dessus d'un fluide moins dense dans le champ de gravité ou des instabilités de double diffusion induites par des différences entre les diffusivités d'un soluté et de la chaleur contenus dans les fluides. Dans ce contexte, notre thèse s'attache à comprendre de manière théorique comment une réaction chimique peut influencer ces instabilités voire les générer dans un fluide initialement au repos. Pour étudier les dynamiques résultant du couplage entre réactions chimiques et instabilités hydrodynamiques, nous utilisons des systèmes modèles: les fronts chimiques de conversion résultant de la compétition entre réactions chimiques autocatalytiques et diffusion créant une interface auto-organisée entre les réactifs et les produits. Comme au cours d'une réaction chimique la densité peut varier par des effets solutaux et thermiques, les produits et les réactifs de densités différentes peuvent générer des mouvements de convection qui conduisent à la déstabilisation des fronts. Nous avons en particulier étudié l'influence de l'exothermicité de la réaction sur les instabilités de digitation de fronts chimiques, en nous focalisant dans un premier temps sur l'influence des pertes de chaleur par les parois du réacteur. Ces fuites ont un effet marqué sur les instabilitités car elles affectent les profils de température et donc les profils de densité dans le système. Nous avons également classifié les différentes instabilités qui peuvent apparaître via des changements de densité dûs à des effets thermiques et solutaux et mis en évidence un nouveau type de déstabilisation hydrodynamique de fronts statiquement stables induit par une réaction chimique. Nous avons ensuite analysé un modèle isotherme impliquant deux espèces chimiques. Si ces dernières diffusent a des vitesses différentes le front peut être sujet à une instabilité diffusive. Nous avons montré qu'un couplage entre une telle instabilité diffusive et de la digitation peut être à l'origine de dynamiques complexes. Nous avons ensuite considéré l'influence d'un champ électrique sur les instabilité diffusives et de digitation en soulignant la possibilié de déstabiliser via ce champ des fronts initialement stables.

Cette thèse a pour objectif l’étude des propriétés optiques non linéaires (ONL) de second ordre de molécules de référence et de composés organiques photochromes, via des calculs de chimie quantique et des expériences de diffusion Hyper-Rayleigh (HRS). L’étude des réponses optiques de second harmonique d’une série de solvants organiques met tout d’abord en évidence la nécessité d’utiliser des méthodes théoriques intégrant les effets de la corrélation électronique, les effets d’environnement, ainsi que des bases très étendues pour évaluer quantitativement les premières hyperpolarisabilités moléculaires. La décomposition du tenseur de première hyperpolarisabilité en contributions dipolaires et octupolaires via le formalisme des harmoniques sphériques permet également d’illustrer l’effet de la symétrie des composés sur leurs réponses ONL. La seconde étude porte sur la caractérisation des effets de solvant sur les propriétés ONL d’un dérivé anil présentant un équilibre entre une forme énol et une forme cétone. Il est démontré que l’équilibre énol/cétone peut être déplacé vers la forme cétone en augmentant la proportion d’éthanol dans le mélange binaire de solvants éthanol/cyclohexane, conduisant à une augmentation de l’intensité HRS du mélange. La dernière partie de la thèse propose une étude théorique systématique des effets de substitution sur les propriétés ONL de sels de flavylium, dans le but d’optimiser le contraste des réponses ONL entre les différentes formes des composés. Il est démontré qu’une combinaison optimale de substituants permet d’obtenir de forts contrastes, démontrant le potentiel de ces composés comme systèmes multi-états pour des applications ONL. / This PhD addresses the nonlinear optical (NLO) properties of the reference organic molecules and molecular switches, by means of quantum chemical calculations and Hyper-Rayleigh Scattering (HRS) measurements. The thorough investigation of the NLO responses of a series of organic solvents first evidences the need of using theoretical methods including environment and electron correlation effects, as well as highly extended basis sets to quantitatively evaluate the molecular first hyperpolarizabilities. Decomposing the first hyperpolarizability tensor into dipolar and octupolar contributions via the spherical harmonics formalism also highlights the impact of the molecular symmetry on the NLO responses. The second part addresses the solvent effects on the NLO properties of an anil derivative, which exhibits an equilibrium between a enol and a keto form. It is shown that the enol/keto equilibrium is shifted towards the keto form when increasing the ethanol ratio in ethanol/cyclohexane solvent mixtures, leading to an increase of the HRS intensity. The last part addresses the effects of the chemical substituents on the NLO properties of flavylium salts, with the aim of optimizing the NLO contrasts between the various forms of the compounds. It is found that optimal combinations of chemical substituents lead to high NLO contrats, which demonstrates the potential of these compounds as multi-states systems for NLO applications

Les interrupteurs moléculaires sont des composés capables de commuterréversiblement entre deux ou plusieurs états stables en réponse à un stimulusextérieur. Lʼobjectif de la thèse est la conception dʼinterrupteurs moléculairesprésentant des contrastes optiques non-linéaires (ONL) et la mise évidence desparamètres structuraux et électroniques menant à dʼimportants contrastes depremière hyperpolarisabilité (β) via une approche multidisciplinaire qui combine lasynthèse de nouveaux composés, la caractérisation de leurs réponses optiqueslinéaires et non-linéaires par spectroscopie dʼabsorption UV-visible et par diffusionhyper-Rayleigh et lʼutilisation des méthodes de la chimie théorique afin de prédire etdʼinterpréter les propriétés moléculaires. Ces phénomènes de commutationsréversibles et les changements de propriétés qui les accompagnent présentent denombreux intérêts, tant technologiques comme lʼélaboration dʼordinateursmoléculaires quʼau niveau des organismes vivants où de nombreuses fonctionsbiologiques sont basées sur un phénomène de commutation. Les principaux résultatsde nos travaux se situent au niveau de lʼinterprétation des réponses ONL et de leurscontrastes en fonction de la nature, de la position et du caractère donneur/accepteurdes substituants présents sur le squelette des interrupteurs moléculaires. / Molecular switches are compounds presenting the ability to commutereversibly between two or more states in response to external stimuli. The goal of thework is the design of molecular switches exhibiting contrasts of their second-ordernonlinear optical (NLO) properties and the highlight of the structural and electronicparameters leading to large contrasts of first hyperpolarizability (β) via amultidisciplinary approach combining the synthesis of new compounds, thecharacterization of their linear (by UV-Visible absorption spectroscopy) and nonlinearoptical properties (by hyper Rayleigh scattering), and the theoretical simulations inorder to predict and interpret molecular properties. These reversible switchingprocesses and the resulting variations of molecular properties have many interests intechnological area such as the development of molecular computers or in lifesciences since many biological functions are based on commutation mechanisms.The major results of our investigations are the interpretation of the NLO responsesand contrasts as a function of the nature, the positioning, and the donor/acceptorcharacter of the substituents.

Le contrôle de l’instabilité de Rayleigh-Taylor (RT) est crucial pour la fusion par confinement inertiel (FCI) puisque son développement peut compromettre l’implosion et la correcte compression de la cible. En attaque directe, l’énergie fournie par l’irradiation de nombreux faisceaux laser provoque l’ablation de la couche externe de la cible (ablateur) et l’apparition résultante d’un plasma de basse densité en expansion. De ce fait, une très haute pression apparait autour de cette surface, ce qui conduit à l’accélération de la cible vers l’intérieur. On se trouve alors en présence d’un fluide de basse densité qui pousse et accélère le fluide plus dense. C’est une des situations typiques qui favorisent le développement de l’instabilité de RT. Cette thèse développe pour la première fois, dans le contexte de la FCI, une théorie linéaire de stabilité pour des structures à double front d’ablation, qui apparaissent quand des matériaux de nombre atomique modéré sont utilisés comme ablateurs. / The Rayleigh-Taylor instability is a major issue in inertial confinement fusion capable to prevent appropriate target implosions. In the direct-drive approach, the energy deposited by directed laser irradiation ablates off the external shell of the capsule (ablator) into a low-density expanding plasma. This induces a high pressure around the ablating target surface (ablation region) that accelerates the capsule radially inwards. This situation, a low density fluid pushing and accelerating a higher density one, is the standard situation for the development of the Rayleigh-Taylor instability, and therefore a potential source of target compression degradation. For moderate-Z materials, the hydrodynamic structure of the ablation region is made up of two ablation fronts (double ablation front) due to the increasing importance of radiation effects. This thesis develops for the first time a linear stability theory of double ablation fronts for direct-drive inertial confinement fusion targets.

Cette thèse puise sa motivation dans l'industrie pétrolière, et plus particulièrement dans la phase de cimentation primaire des puits pétroliers. Le travail consiste en une étude expérimentale des écoulements biphasiques, stables et instables, des fluides utilisés durant cette opération. Dans les cas instables, l'instabilité de Rayleigh-Taylor, qui est susceptible de se développer quand un fluide lourd repose sur un fluide léger sous le champs gravitaire par exemple, est l'une des instabilités responsables des phénomènes de mélange observés entre les fluides déplacés, notamment la boue et le ciment. Elle est étudiée dans ce travail dans le cas de fluides modèles, à seuil, reprenant le même comportement rhéologique que les fluides pétroliers, à la fois d'un point de vue qualitatif et quantitatif. Dans les cas stables où les fluides pétroliers laissent des dépôt sur les parois du puits, une étude expérimentale, se basant sur des fluides à seuil modèles, permet de relier l'épaisseur du dépôt aux paramètres importants du problème, à savoir les paramètres rhéologiques du fluide à seuil et les propriétés de l'écoulement / This thesis draws its motivation from the petroleum industry, and more particularly from the phase of primary cementation of the oil wells. The work consists of an experimental study of the biphasic, stable and unstable flows, fluids were used during this operation. In the unstable cases, the instability of Rayleigh-Taylor, which may develop when a heavy fluid rests on a light fluid under fields’ gravitaire for example, is one of the instabilities responsible for phenomena of mixture observed between the uncalled-for fluids, in particular the mud and the cement. It is studied in this work in the case of model fluids, in threshold, resuming the same rheologic behavior as the oil fluids, at the same time from a qualitative and quantitative point of view

Os métodos de ondas superficiais com ênfase nas ondas Rayleigh foram utilizados como o núcleo desse trabalho de Doutorado. Inicialmente, as ondas Rayleigh foram modeladas permitindo o estudo de sensibilidade de suas curvas de dispersão sob diferentes configurações de parâmetros físicos representando diversos modelos de camadas, em que pôde ser observado parâmetros com maior e menor sensibilidade e também alguns efeitos provocados por baixas razões de Poisson. Além disso, na fase de inversão dos dados a modelagem das ondas Rayleigh foi utilizada para a construção da função objeto, que agregada ao método de mínimos quadrados, a partir do método de Levenberg-Marquardt, permitiu a implementação de um algoritmo de busca local responsável pela inversão de dados das ondas superficiais. Por se tratar de um procedimento de busca local, o algoritmo de inversão foi complementado por uma etapa de pré-inversão com a geração de um modelo inicial para que o procedimento de inversão fosse mais rápido e eficiente. Visando uma eficiência ainda maior do procedimento de inversão, principalmente em modelos de camadas com inversão de velocidades, foi implementado um algoritmo de pós-inversão baseado em um procedimento de tentativa e erro minimizando os valores relativos da raiz quadrada do erro quadrático médio (REQMr) da inversão dos dados. Mais de 50 modelos de camadas foram utilizados para testar a modelagem, a pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados permitindo o ajuste preciso de parâmetros matemáticos e físicos presentes nos diversos scripts implementados em Matlab. Antes de inverter os dados adquiridos em campo, os mesmos precisaram ser tratados na etapa de processamento de dados, cujo objetivo principal é a extração da curva de dispersão originada devido às ondas superficiais. Para isso, foram implementadas, também em Matlab, três metodologias de processamento com abordagens matemáticas distintas. Essas metodologias foram testadas e avaliadas com dados sintéticos e reais em que foi possível constatar as virtudes e deficiências de cada metodologia estudada, bem como as limitações provocadas pela discretização dos dados de campo. Por último, as etapas de processamento, pré-inversão, inversão e pós-inversão dos dados foram unificadas para formar um programa de tratamento de dados de ondas superficiais (Rayleigh). Ele foi utilizado em dados reais originados pelo estudo de um problema geológico na Bacia de Taubaté em que foi possível mapear os contatos geológicos ao longo dos pontos de aquisição sísmica e compará-los a um modelo inicial existente baseado em observações geomorfológicas da área de estudos, mapa geológico da região e informações geológicas globais e locais dos movimentos tectônicos na região. As informações geofísicas associadas às geológicas permitiram a geração de um perfil analítico da região de estudos com duas interpretações geológicas confirmando a suspeita de neotectônica na região em que os contatos geológicos entre os depósitos Terciários e Quaternários foram identificados e se encaixaram no modelo inicial de hemi-graben com mergulho para Sudeste. / The surface wave methods to Rayleigh waves were used as the center of this Doctoral work. Initially, the Rayleigh waves were modeled, what enabled the study of the sensitivity of dispersion curves about different sets of physical parameters representing several layer models, wherein it could be observed parameters with higher and lower sensitivity and also some effects caused by low Poisson ratios. Moreover, in the data inversion step the Rayleigh modeling was used for the construction of the object function, that aggregate to the least-squares method, by Levenberg-Marquardt, allowed the implementation of a local search algorithm responsible for data inversion of the surface waves. By reason of being a local search procedure, the data inversion algorithm was complemented with a pre-inversion step wherein an initial model was generated so that the inversion procedure was faster and efficient. Seeking a more efficiency of the inversion procedure, mainly to layer models with velocities inversion, it was implemented a post-inversion algorithm based in a trial and error procedure minimizing the values of the relative Root Mean Squared Error (rRMSE) of the data inversion. More than 50 layer models were used to test the data modeling, pre-inversion, inversion and post-inversion allowing the precise fit of the mathematical and physical parameters present in the several scripts implemented in Matlab. Before to invert the field-acquired data, they need to be treated in the data processing step, whose main aim is the extraction of the dispersion curve caused due the surface waves. For this, three processing methodologies with different mathematical approaches were implemented, also in Matlab. These methodologies were tested and evaluated with synthetic and real data and it was possible to find their strengths and weaknesses, as well as the limitations caused by discretization of the field data. Lastly, the data processing, pre-inversion, inversion and post-inversion steps were unified to form a complete data treatment program of surface waves (Rayleigh). It was used to real data originated by study of a geological problem in the Bacia de Taubaté wherein it was possible to map the geologic contacts along of the seismic acquisition points. The results were compared to an existing initial model based in geomorphological observations of the study area, geological map and global and local geologic information of the tectonic movements in the region. The geophysical The surface wave methods to Rayleigh waves were used as the center of this Doctoral work. Initially, the Rayleigh waves were modeled, what enabled the study of the sensitivity of dispersion curves about different sets of physical parameters representing several layer models, wherein it could be observed parameters with higher and lower sensitivity and also some effects caused by low Poisson ratios. Moreover, in the data inversion step the Rayleigh modeling was used for the construction of the object function, that aggregate to the least-squares method, by Levenberg-Marquardt, allowed the implementation of a local search algorithm responsible for data inversion of the surface waves. By reason of being a local search procedure, the data inversion algorithm was complemented with a pre-inversion step wherein an initial model was generated so that the inversion procedure was faster and efficient. Seeking a more efficiency of the inversion procedure, mainly to layer models with velocities inversion, it was implemented a post-inversion algorithm based in a trial and error procedure minimizing the values of the relative Root Mean Squared Error (rRMSE) of the data inversion. More than 50 layer models were used to test the data modeling, pre-inversion, inversion and post-inversion allowing the precise fit of the mathematical and physical parameters present in the several scripts implemented in Matlab. Before to invert the field-acquired data, they need to be treated in the data processing step, whose main aim is the extraction of the dispersion curve caused due the surface waves. For this, three processing methodologies with different mathematical approaches were implemented, also in Matlab. These methodologies were tested and evaluated with synthetic and real data and it was possible to find their strengths and weaknesses, as well as the limitations caused by discretization of the field data. Lastly, the data processing, pre-inversion, inversion and post-inversion steps were unified to form a complete data treatment program of surface waves (Rayleigh). It was used to real data originated by study of a geological problem in the Bacia de Taubaté wherein it was possible to map the geologic contacts along of the seismic acquisition points. The results were compared to an existing initial model based in geomorphological observations of the study area, geological map and global and local geologic information of the tectonic movements in the region. The geophysical information associated with geological information allowed the generation of an analytical profile of the study region with two geological interpretation confirming the suspect of neotectonic movements in the region wherein the geological contacts between the quaternary and tertiary deposits were identified and they agreed with the initial model of a hemi-graben with dip to Southeast.

Le travail présent est axé sur la simulation numérique et l'analyse de l'interaction des ondes de surface de Rayleigh avec des barrières sismiques verticales (murs souterrains, écrans, tranchées, etc.) ainsi que des champs de pieux dans des modèles de matériaux mécaniques élastiques et plastiques linéaires. Le but de la recherche est d'estimer le degré de protection que les barrières verticales et les champs de pieux fournissent contre les vibrations transférées par les ondes de surface de Rayleigh et générées par diverses sources. L'idée principale de ce type de protection est d'éviter que les ondes sismiques ne transmettent l'énergie des vagues dans la zone protégée, diminuant les amplitudes de déplacements, les vitesses et les accélérations aux points situés derrière la barrière (champ de pieux). Les principaux complexes sans dimension sont formulés. L'attention est portée sur les ondes de Rayleigh car elles peuvent être générées à la fois par des sources de vibrations externes (situées à la surface de la Terre) et internes (situées sous la surface de la Terre) et ses ondes peuvent transmettre une portion significative de l’énergie de source de la vibration.Premièrement, des simulations numériques de l'interaction des ondes de Rayleigh avec les barrières sismiques verticales et les champs de pieux sont effectuées en supposant que le sol et les matériaux de barrière se comportent conformément à la loi de comportement linéaire élastique. Cela concerne les vibrations qui induisent des contraintes de cisaillement dans le sol n'excédant pas 0.00001 lors de leur propagation. Les principaux complexes sans dimension sont formulés sur cette base. Des paramètres géométriques et mécaniques de la barrière (champ de pieux) déterminant l'effet de réduction de vibration sont identifiés. Les résultats obtenus révèlent la validité de cette onde de protection contre les vibrations. En outre, l’approche de l’optimisation de la barrière sismique verticale (qui peut également être étendue au champ de pieux) est adoptée sous forme de différences finies pour des conditions de sol particulières et une fréquence de vibration de conception.Plusieurs modèles de comportement du sol sont analysés et leur validité, ainsi que l'applicabilité à l'approximation du comportement dynamique réel du sol, ainsi que le mécanisme de dissipation d'énergie des vibrations, sont identifiés. Sur la base de cette analyse, modèle de Mohr-Coulomb a été choisie car elle dispose d’une base de données expérimentale étendue pour divers sols et reflète de manière appropriée la réduction du module de cisaillement avec l’augmentation de la contrainte de cisaillement ainsi que les effets de dissipation d’énergie. Par la suite, ce modèle est utilisé dans l'analyse de l'interaction des ondes de Rayleigh avec les barrières verticales et les champs de pieux, en tenant compte du caractère non linéaire de la déformation du sol à différents niveaux de déformation de cisaillement. En conséquence, l'influence du niveau de contrainte de cisaillement sur l'efficacité des moyens de protection contre les vibrations considérés est démontrée et les conditions appropriées pour utiliser ces méthodes sont identifiées dans le cadre de cette recherche. / The present work is focused on numerical simulation (FEM) and analysis of surface Rayleigh wave interaction with vertical seismic barriers (underground walls, screens, trenches, etc.) as well as pile fields within the framework of linear elastic and plastic mechanical material models. The aim of the research is to estimate the degree of protection that vertical barriers and pile fields provide against vibrations transferred by surface Rayleigh waves and generated by various sources. The main idea behind this type of protection is to prevent seismic waves form transmitting wave energy into the protected zone, decreasing the amplitude of displacements, velocities and accelerations at the points behind the barrier (pile field). The attention is paid to Rayleigh waves as they can be generated by both external (located on the Earth's surface) and internal (located beneath the Earth's surface) vibration sources and this type of waves can transfer a significant portion of vibration source energy.First, numerical simulations of Rayleigh wave interaction with vertical seismic barriers and pile fields are performed assuming the soil and barrier materials to behave according to the linearly-elastic constitutive law. This regards the vibrations that induce shear strains in the soil not exceeding 0.00001 during their propagation. Based on this, the principal dimensionless complexes are formulated. Geometrical along with mechanical parameters of the barrier (pile field), that determine vibration reduction effect, are identified. The obtained results reveal the validity of this way of vibration protection. In addition to that, the approach towards vertical seismic barrier optimization (which can also be extended to the pile field) is adopted in finite difference form to use for particular soil conditions and design vibration frequency.Several models of soil behaviour are analysed and their validity as well the applicability to approximate real dynamic soil behaviour along with the mechanism of vibration energy dissipation are identified. Based on this analysis, Mohr-Coulomb constitutive model is selected as it has a broad experimental database for various soils and appropriately reflects shear modulus reduction with an increase in the shear strain as well as energy dissipation effects. Afterwards, this model is used in the analysis of Rayleigh wave interaction with the vertical barriers and pile fields accounting for non-linear character of soil deformation at different shear strain level. As a results, the influence of shear strain level on the effectiveness of the considered ways of vibration protections is shown and the appropriate conditions to use these methods are identified within the scope of this research.

L’accident de Fukushima-Daiichi du 11 Mars 2011 a fortement marqué l'industrie nucléaire en mettant en évidence plusieurs faiblesses dans le contrôle des systèmes critiques qui assurent la sécurité des centrales nucléaires, en particulier, lors de conditions accidentelles. Cette thèse a été réalisée en collaboration avec AREVA, groupe industriel français actif dans le domaine de l'énergie, avec l’objectif de réaliser des capteurs à fibres optiques résistants aux contraintes sévères d'une centrale nucléaire et, en particulier, de surveiller la température et le niveau de l'eau à l'intérieur d’une piscine de stockage de combustible. La thèse est composée de deux parties organisées en 7 chapitres. Dans la première partie, le chapitre 1 traite des phénomènes contribuant à l'atténuation de la lumière au cours de sa propagation dans la fibre et donne un aperçu des effets des radiations sur les fibres optiques. Pour identifier la technique la plus prometteuse adaptée aux applications visées par AREVA, le chapitre 2 propose un état de l’art sur les capteurs distribués à fibres optiques existants avec une attention particulière à leur emploi dans des environnements radiatifs. La dernière partie de ce chapitre est consacrée à la description détaillée de l’OFDR qui est la technique retenue pour cette application. La deuxième partie est consacrée à la présentation des résultats obtenus et leur analyse. Le chapitre 3 présente le détail des irradiations et des traitements thermiques, les échantillons retenus et les bancs de mesure utilisés. Afin de déterminer la meilleure combinaison fibre/technique par rapport à l’application visée, une étude systématique des capteurs distribués de température et de contrainte a été réalisée. Les effets permanents des rayonnements (niveaux de dose du MGy) sont étudiés dans le chapitre 4. Le chapitre 5 illustre des mesures in situ sur les fibres résistantes aux radiations pour comprendre les effets combinés de la température et des radiations (rayons X), effets représentatifs des conditions nominales et accidentelles des piscines de stockage. Enfin, nous avons développé un prototype de capteur de niveau d’eau pour les piscines de combustible qui est décrit dans le chapitre 6. Ensuite, les principales conclusions et les perspectives de ce travail de thèse sont discutées / Fukushima-Daiichi event on March 11th, 2011, signed a turning point in nuclear industry by highlighting several weaknesses in the control of critical systems that ensure the safety in nuclear power plant (NPP) operating, particularly, in accidentals conditions. This PhD thesis has been carried out in collaboration with AREVA, the French industrial group active in the energy domain, with the aim of realizing optical fiber sensors resistant to the harsh environment constraints of a NPP and, in particular, to monitor temperature and water level several parameters inside the spent fuel pools (SFPs). It consists of two parts organized in 7 chapters. In the first part, chapter 1 deals with the phenomena contributing to the light attenuation during its propagation along the fiber and gives an overview on the radiation effects on optical fibers. To identify the most promising technique suitable for AREVA needs, in chapter 2 is reported the state-of-the-art on the distributed OFSs with particular attention to their employment in radiation environments. The last part of this chapter is devoted to the detailed description of the OFDR that is the selected sensor technique for this application. The second part is devoted to present and discuss the obtained results. Chapter 3 gives the experimental details on radiation and thermal treatments, investigated samples and used setups. In order to determine the best fiber/setup combination, a systematic study on temperature and strain distributed sensors was carried out in relation to the harsh constraints demanded from the application. The permanent radiation (MGy dose levels) effects on different fiber classes are investigated in Chapter 4. Chapter 5 illustrates in situ measurements on radiation resistant fibers to understand the combined temperature and radiation (X-rays) effects representative of the SFP nominal and accidental conditions. Simultaneously, we have developed the OFS design for its integration at SFP facility. The prototype is described and its performance is evaluated in chapter 6. Then, the main conclusion and perspective are discussed / L'incidente di Fukushima-Daiichi dell’11 marzo 2011 ha segnato un punto di svolta per l’industria nucleare, mettendo in evidenza diversi punti deboli nel controllo di sistemi critici che garantiscono la sicurezza nelle centrali, in particolare in condizioni di incidente. Questa tesi è stata condotta in collaborazione con AREVA, il gruppo industriale francese attivo nel settore dell'energia, con l'obiettivo di produrre sensori a fibra ottica resistenti alle condizioni estreme di una centrale nucleare e, in particolare, per controllare diversi parametri all'interno di una piscina di stoccaggio di combustibile nucleare, quali la temperatura e il livello dell'acqua. La tesi si compone di due parti organizzate in 7 capitoli. Nella prima parte, il capitolo 1 riguarda i fenomeni che contribuiscono all'attenuazione della luce durante la sua propagazione nella fibra e permette di comprendere gli effetti della radiazione sulle fibre ottiche. Per identificare la tecnologia più promettente per le esigenze di AREVA, nel capitolo 2 é discusso lo stato dell’arte sui sensori distribuiti con particolare attenzione alle loro performance in ambienti radiativi. L'ultima parte di questo capitolo è dedicato ad una descrizione dettagliata della tecnica OFDR che è la tecnologia scelta per questa applicazione. La seconda parte è dedicata a presentare e discutere i risultati. Il capitolo 3 fornisce i dettagli sui campioni studiati e i trattamenti effettuati su di essi e descrive il setup utilizzato. Per determinare la migliore combinazione fibra/tecnica per l’applicazione prevista, è stato eseguito uno studio sistematico sulla risposta alla radiazione dei sensori distribuiti di temperatura e strain. Glieffetti permanenti della radiazione (dosi dell’ordine del MGy) su diverse classi di fibre, resistenti e sensibili alle radiazioni, sono discussi nel capitolo 4. Il capitolo 5 riporta le misure in situ sulle fibre resistenti alla radiazione per investigare gli effetti combinati di temperatura e radiazioni (raggi X) rappresentativi delle condizioni operative e accidentali nelle piscine di stoccaggio. Infine, abbiamo sviluppato un prototipo di sensore del livello dell’acqua nelle piscine di stoccaggio che è descritto nel capitolo 6. In seguito, le principali conclusioni e le prospettive sono discusse