Les pièges à ions, utilisant des champs électriques radio-fréquences (rf), offrent la possibilité de confiner des ensembles d'ions dans un domaine restreint de l'espace où, au moyen de diverses techniques de refroidissement, leur température peut être réduite jusqu'à quelques dixièmes de millikelvin. Le but du travail présenté dans cette thèse est d'étudier de façon théorique certains aspects de la dynamique des ions piégés et soumis au refroidissement laser Doppler. Dans ce but, un programme numérique utilisant la technique de la dynamique moléculaire et des méthodes de parallélisation a été développé. Dans une première partie, cette thèse introduit les connaissances nécessaires à la compréhension de la dynamique des ions en piège rf et justifie les différents modèles utilisés lors des simulations. Dans une seconde partie, une étude de l'influence de la morphologie des structures d'ions à basse température sur l'efficacité du refroidissement Doppler est présentée, dans le cas particulier des pièges quadrupolaires linéaires. Puis, une étude des propriétés des structures d'ions soumises au refroidissement Doppler dans le cas général des multipôles d'ordres supérieurs est présentée. Le dernier chapitre du manuscrit est une proposition permettant d'obtenir des régions exemptes de champ rf supplémentaires dans les multipôles linéaires d'ordre supérieurs.

Nous étudions théoriquement la dynamique non linéaire d'atomes refroidis et piégés dans un réseau optique dissipatif et plus particulièrement les phénomènes de transport spontané et stimulé induits par le bruit.<br /><br />Nous distinguons deux classes d'atomes, respectivement piégés et non-piégés dans les puits de potentiel, aux comportements très différents. Cette distinction permet de comprendre précisément le comportement des distributions de vitesse ainsi que les propriétés du transport spontané (diffusion spatiale) dans un domaine de paramètres allant du régime sautant au régime oscillant.<br /><br />Des phénomènes de transport stimulés sont étudiés dans le régime intermédiaire entre les régimes sautant et oscillant où les temps typiques du mouvement hamiltonien et des phénomènes dissipatifs sont comparables. Nous caractérisons les modes de propagation Brillouin ainsi que leurs mécanismes d'excitation. Nous montrons que ceux-ci donnent lieu au phénomène de résonance stochastique qui correspond à la synchronisation du mouvement hamiltonien et des processus dissipatifs. Nous étudions enfin un rochet atomique temporel correspondant à un mouvement dirigé induit par la brisure de la symétrie temporelle.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'atomes piégés<br />et refroidis dans plusieurs types de structures lumineuses. Nous avons utilisé pour caractériser ces milieux des techniques de temps de vol, d'imagerie directe du nuage atomique et de spectroscopie pompe-sonde, afin d'obtenir des informations sur la température et la diffusion spatiale des atomes ainsi que sur leur mouvement dans les puits de potentiel.<br /><br />Nous avons d'abord étudié la dynamique d'atomes de césium dans des<br />réseaux optiques tri-dimensionnels brillants en présence d'un champ<br />magnétique, et nous avons en particulier montré que les réseaux optiques fonctionnant en régime sautant donnent lieu à un refroidissement et un piégeage efficaces, et qu'un mécanisme de rétrécissement par le mouvement y conduit à des raies vibrationnelles étroites sur les spectres de transmission pompe-sonde. Avec des atomes de césium, nous avons également créé et<br />caractérisé un réseau optique tri-dimensionnel brillant obtenu avec<br />seulement deux faisceaux laser grâce à l'effet Talbot, puis un milieu aléatoire engendré à partir d'un champ de tavelures.<br /><br />Enfin, nous avons étudié un ``moteur brownien'' pour des atomes de $^(87)$Rb dans un réseau gris asymétrique. Les résultats de l'étude<br />expérimentale sont en bon accord qualitatif avec des simulations numériques Monte-Carlo semi-classiques.

Nous avons étudié ici une nouvelle forme d'excitation, dite collective, dans la croûte interne des étoiles à neutrons. Dans cette partie de l'étoile, en se structurant, la matière prend des formes aux géométries originales appelées " phase pasta " et dont l'état est superfluide dans des conditions de température caractéristiques des étoiles à neutrons. L'objectif était de décrire des excitations dont les longueurs d'onde varient de la taille de la cellule de Wigner-Seitz à des très grandes valeurs. Ces dernières sont essentielles pour l'étude à basse énergie et représentent l'aspect macroscopique de ce milieu alors que les premières correspondent aux aspects microscopiques de la matière. Pour cela nous avons opté pour une approche fondée sur l'hydrodynamique des superfluides à plusieurs constituants. Ainsi, nous avons pris en compte les propriétés essentielles de la matière nucléaire telles que les vitesses du son. Le modèle que nous avons développé consiste essentiellement en l'étude de la propagation de perturbations à travers ces structures, par rapport à un équilibre hydrostatique. Nous nous sommes penchés sur le cas des structures en forme de plaques uniquement. Pour cela nous avons été conduits à définir des conditions aux bords, afin de modéliser les effets des interfaces. La périodicité du milieu a été prise en compte en utilisant le théorème de Floquet-Bloch. La résolution des équations nous a permis d'obtenir les spectres d'excitations de ces plaques. Nous en avons dégagé les propriétés physiques et nous avons utilisé ces spectres pour le calcul de chaleur spécifique. Ceci nous a permis d'étudier la contribution de ces excitations collectives en les comparant aux autres formes d'excitations possibles. Ainsi nous avons constaté que cette nouvelle contribution était loin d'être négligeable. Elle aura sa place à part entière dans les futurs calculs d'évolution thermique des étoiles à neutrons. Plus de détails sur http://lucdigallo.free.fr/spip.php?article14&lang=fr

La Centrale de traitement d’Air par Dessiccation (CAD) offre un contrôle complet de la température et de l'humidité dans les locaux climatisés. Son élément clé est la roue dessicante qui permet la dessiccation de l’air et une régénération continue. A travers cette étude, nous nous intéressons au développement d’une méthodologie pour obtenir un modèle dynamique de la roue utilisable dans les algorithmes de contrôle avancés de la CAD. La roue dessicante peut être considérée comme un système de type multi-entrées/multi-sorties (MIMO). La seconde partie de ce mémoire concerne l'identification expérimentale des paramètres des modèles d’état de la roue dessicante pour deux types de modèles : boîte noire et boîte grise. Dans le cas de la boîte noire, tous les paramètres du modèle sont identifiés expérimentalement. Dans le cas de la boîte grise, certains paramètres sont dérivés de considérations physiques et les paramètres restants sont identifiés en utilisant les mesures expérimentales des entrées et des sorties. Les paramètres du modèle boîte grise ont une signification physique. En comparaison avec les modèles boîte noire, les modèles boîte grises sont moins précis sur le domaine sur lequel les paramètres ont été identifiés, mais beaucoup plus précis en dehors de ce domaine. Comme les paramètres ont une signification physique, leurs valeurs ne varient pas de manière significative avec le point de fonctionnement utilisé pour l’identification. Dans l’approche boîte grise, les valeurs des paramètres obtenues pour les modèles linéaires sont presque identiques pour tous les modèles locaux du coté dessiccation et pour tous les modèles locaux du coté régénération ; cela nous a permis de considérer qu’un modèle local est valable pour tout le domaine de variation des variables d’entrée. Le modèle final de la roue dessicante se compose de deux modèles globaux : un pour le côté de la dessiccation et l'autre pour le côté de la régénération. La troisième partie de ce travail consiste dans l'identification des coefficients de transfert de masse et de chaleur au sein de la roue dessicante en utilisant un modèle boîte grise. Le coefficient de transfert de masse, le coefficient de transfert convectif et le nombre de Nusselt ont été obtenus en écrivant les paramètres du modèle d’état en fonction d’une seule variable et en exprimant les paramètres en fonction des caractéristiques géométriques et des propriétés de matériaux de la roue. Ce travail contribue au développement d’un modèle d’état utilisable pour la synthèse des algorithmes de contrôle pour la roue dessicante. / Desiccant Air Unit (DAU) offers a complete control of air temperature and humidity in the conditioned space. Its key component is the desiccant wheel which provides the functions of air desiccation and regeneration. The aim of this study is to develop a methodology for obtaining a dynamic model of the desiccant wheel which can be used for the model-based control algorithms of DAU. The desiccant wheel can be regarded as a multi-input/multi-output (MIMO) system. The first part of the thesis is devoted to the modeling of the desiccant wheel based on energy and mass balance equations. The resulting set of equations is formulated as a second order state-space system without delay. The second part of this thesis concerns the experimental identification of the parameters of the state-space model of the desiccant wheel by using a black-box and a gray-box approach. In the case of the black-box, all the parameters of the model are identified experimentally. The identified parameters have values which minimize the difference between the output of the model and the experimental values. The parameters of the black-box model do not have physical significance. Although precise in the range of variation of the inputs in which the parameters were identified, this model gives significant errors in other domains of variation of the inputs. The parameters of the gray-box model are physically significant. Compared with the black-box models, the gray-box model was less accurate for the domains for which the parameters were identified, but it was notably more robust when applied to other ranges of the inputs. Since the parameters are related to physical properties, their values do not vary significantly with changes of the operating point used for identification. For the gray-box approach, the parameter values obtained for the linear models are almost identical for all local models on the desiccation side and all the local models on the regeneration side, suggesting that a local model may be valid for all the complete range of input variables. Using the above results, a final model of the desiccant wheel was developed, comprising two global models: one for the desiccation side and another for the regeneration side. The third part of the thesis deals with the identification of mass and heat transfer coefficients of the air within the desiccant wheel using a gray-box model. The mass transfer coefficient, the convective heat transfer coefficient and the Nusselt number were obtained by defining the variable parameters of the model as a function of a single variable and by expressing the constant parameters as a function of the geometric and material properties of the wheel. This work contributes to the development of a state-space model used for the synthesis of control algorithms for the desiccant wheel.

Le code MURE est basé sur le couplage d’un code Monte Carlo statique et le calcul de l’évolution pendant l’irradiation et les différentes périodes du cycle (refroidissement, fabrication). Le code MURE est ici utilisé pour analyser deux différentes questions : le mono-recyclage de l’Am dans les réacteurs français de type REP et la conversion du coeur du MNSR (Miniature Neutron Source Reactor) au Ghana d’un combustible à uranium hautement enrichi (HEU) vers un combustible faiblement enrichi (LEU), dans le cadre de la lutte contre la prolifération. Dans les deux cas, une comparaison détaillée est menée sur les taux d’irradiation et les radiotoxicités induites (combustibles usés, déchets).Le combustible UOX envisagé est enrichi de telle sorte qu’il atteigne un taux d’irradiation de 46 GWj/t et 68 GWj/t. Le combustible UOX usé est retraité, et le retraitement standard consiste à séparer le plutonium afin de fabriquer un combustible MOX sur base d’uranium appauvri. La concentration du Pu dans le MOX est déterminée pour atteindre un taux d’irradiation du MOX de 46 et 68 GWj/t. L’impact du temps de refroidissement de l’UOX usé est étudié (5 à 30 ans), afin de quantifier l’impact de la disparition du 241PU (fissile) par décroissance radioactive (T=14,3 ans). Un refroidissement de 30 ans demande à augmenter la teneur en Pu dans le MOX. L’241Am, avec une durée de vie de 432 ans, jour un rôle important dans le dimensionnement du site de stockage des déchets vitrifiés et dans leur radiotoxicité à long terme. Il est le candidat principal à la transmutation, et nous envisageons donc son recyclage dans le MOX, avec le plutonium. Cette stratégie permet de minimiser la puissance résiduelle et la radiotoxicité des verres, en laissant l’Am disponible dans les MOX usés pour une transmutation éventuelle future dans les réacteurs rapides. Nous avons étudié l’impact neutronique d’un tel recyclage. Le temps de refroidissement de l’UOX est encore plus sensible ici car l’241Am recyclé est un fort poison neutronique qui dégrade les performances du combustible (taux d’irradiation, coefficients de vide et de température). Néanmoins, à l’exception de quelques configurations, le recyclage de l’Am ne dégrade pas les coefficients de sûreté de base. Le réacteur MNSR du Ghana fonctionne aujourd’hui avec de l’uranium enrichi à 90,2% (HEU), et nous étudions ici la possibilité de le faire fonctionner avec de l’uranium enrichi à 12,5%, en passant d’un combustible sur base d’aluminium à un oxyde. Les simulations ont été menées avec le code MURE, et montrent que le coeur LEU peut-être irradié plus longtemps, mais demande d’intervenir plus tôt sur le pilotage en jouant sur la quantité de béryllium en coeur. Les flux de neutrons dans les canaux d’irradiation sont similaires pour les coeurs HEU et LEU, de même pour les coefficients de vide. Le combustible LEU usé présente cependant une radiotoxicité et une chaleur résiduelle plus élevée, du fait de la production plus importante de transuraniens pendant l’irradiation. / The MURE code is based on the coupling of a Monte Carlo static code and the calculation of the evolution of the fuel during irradiation and cooling periods. The MURE code has been used to analyse two different questions, concerning the mono-recycling of Am in present French Pressurized Water Reactor, and the conversion of high enriched uranium (HEU) used in the Miniature Neutron Source Reactor in Ghana into low enriched uranium (LEU) due to proliferation resistance issues. In both cases, a detailed comparison is made on burnup and the induced radiotoxicity of waste or spent fuel. The UOX fuel assembly, as in the open cycle system, was designed to reach a burn-up of 46GWd/T and 68GWd/T. The spent UOX was reprocessed to fabricate MOX assemblies, by the extraction of Plutonium and addition of depleted Uranium to reach burn-ups of 46GWd/T and 68GWd/T, taking into account various cooling times of the spent UOX assembly in the repository. The effect of cooling time on burnup and radiotoxicity was then ascertained. Spent UOX fuel, after 30 years of cooling in the repository required higher concentration of Pu to be reprocessed into a MOX fuel due to the decay of Pu-241. Americium, with a mean half-life of 432 years, has high radiotoxic level, high mid-term residual heat and a precursor for other long lived isotope. An innovative strategy consists of reprocessing not only the plutonium from the UOX spent fuel but also the americium isotopes which dominate the radiotoxicity of present waste. The mono-recycling of Am is not a definitive solution because the once-through MOX cycle transmutation of Am in a PWR is not enough to destroy all the Am. The main objective is to propose a “waiting strategy” for both Am and Pu in the spent fuel so that they can be made available for further transmutation strategies. The MOXAm (MOX and Americium isotopes) fuel was fabricated to see the effect of americium in MOX fuel on the burn-up, neutronic behavior and on radiotoxicity. The MOXAm fuel showed relatively good indicators both on burnup and on radiotoxicity. A 68GWd/T MOX assembly produced from a reprocessed spent 46GWd/T UOX assembly showed a decrease in radiotoxicity as compared to the open cycle. All fuel types understudy in the PWR cycle showed good safety inherent feature with the exception of the some MOXAm assemblies which have a positive void coefficient in specific configurations, which could not be consistent with safety features. The core lifetimes of the current operating 90.2% HEU UAl fuel and the proposed 12.5% LEU UOX fuel of the MNSR were investigated using MURE code. Even though LEU core has a longer core life due to its higher core loading and low rate of uranium consumption, the LEU core will have it first beryllium top up to compensate for reactivity at earlier time than the HEU core. The HEU and LEU cores of the MNSR exhibited similar neutron fluxes in irradiation channels, negative feedback of temperature and void coefficients, but the LEU is more radiotoxic after fission product decay due to higher actinides presence at the end of its core lifetime.

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Le domaine du refroidissement est en constante expansion, le système actuel est basé sur la compression/décompression des fluides. Face aux problèmes environnementaux et économiques que ce système présente (natures des fluides frigorigènes et leurs recyclages, nuisances sonores et vibratoires, réglementations contraignantes), de nouvelles solutions techniques alternatives émergent. Ainsi ce travail de thèse porte sur de nouveaux systèmes de refroidissement basés sur les effets électrocalorique et magnétocalorique, respectivement présents dans des films minces de polymère fluoré et dans des composites à matrice polymère et à charges magnétocaloriques. A travers des caractérisations physico-chimiques, électriques, électrocaloriques et magnétocaloriques ces travaux se proposent d’identifier l’origine de l’effet électrocalorique dans des films minces de terpolymère P(VDF-TrFE-CTFE) ferroélectrique relaxeur, mais également d’étudier l’influence de la dispersion des particules magnétocaloriques La(Fe,Si)H dans une matrice polymère de poly(propylène) sur le phénomène magnétocalorique. De plus, dans le cadre de cette thèse, un appareil de mesure directe de l’effet électrocalorique a été développé avec le Dr. Basso de l’INRIM de Turin. La comparaison avec la méthode de mesure indirecte permet d’aborder ce phénomène d’un point de vue thermodynamique afin de faire le point sur la validité des hypothèses thermodynamiques utilisées dans le cas d’un polymère ferroélectrique relaxeur. / The cooling sector is in constant expansion, the current system is based on the compression/decompression of fluids. In front of environmental and economic problems of this system (nature of frigorigen fluids and their recycling, noise and vibration issues, restrictive regulations), new alternative technological solutions emerge. Thus this thesis provides new cooling systems based on the magnetocaloric and electrocaloric effects respectively present in thin films of fluoropolymer and composites with polymer matrix and magnetocaloric loads. Through physicochemical, electrical, electrocaloric and magnetocaloric characterizations, this work intends to identify the origin of electrocaloric effect in thin terpolymer films P(VDF-TrFE-CTFE) which is a ferroelectric relaxor, but also to study the influence of the magnetocaloric particles La(Fe,Si)H dispersion in a polymer matrix of poly(propylene) on the magnetocaloric phenomenon. In addition, as part of this thesis, a direct measurement device of the electrocaloric effect was developed with Dr. Basso from the INRIM of Turin. The comparison with the indirect measurement method comes up with this phenomenon from a thermodynamic point of view to take stock of the validity of thermodynamic assumptions used in the case of a ferroelectric polymer relaxor.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et l'interprétation théorique des processus de photoassociation et de formation de molécules froides de césium, ainsi que sur l'étude des forces dipolaires entre une paire d'atomes de césium froids excités. La photoassociation moléculaire d'atomes froids de césium a été réalisée expérimentalement : deux atomes absorbent un photon pour former une molécule électroniquement excitée dans un état de rotation-vibration donné. L'expérience a permis la première observation de molécules translationnellement froides obtenues après désexcitation spontanée des molécules photoassociées. La forme en double puits des courbes de potentiel des états moléculaires $0_g^- (6s+6p_(3/2))$ et $1_u (6s+6p_(3/2))$ du césium est la clé de l'efficacité du processus. Ces molécules froides formées sont détectées sélectivement par temps de vol après leur photoionisation en ions Cs$_2^+$. Des températures de $20-200\,\mu$K ont été mesurées. La photoassociation offre une méthode de spectroscopie à haute résolution qui permet d'atteindre des états moléculaires de grande élongation, donnant accès aux données asymptotiques. La spectroscopie du puits de potentiel externe de l'état $0_g^-(6s+6p_(3/2))$ du césium a été effectuée et est analysée par une approche R.K.R.. Une théorie unifiée de la photoassociation en champ faible, vue comme une collision assistée par laser, est développée dans ce manuscrit. Les expériences avec les atomes froids permettent l'étude des collisions entre deux atomes soumis à une interaction mutuelle à grande distance de type dipôle-dipôle. Deux systèmes physiques différents sont étudiés : une assemblée d'atomes de Rydberg et la photoassociation. La modification du mouvement d'une paire d'atomes offre la possibilité de ``contrôler" les forces dipolaires et de ``choisir" les vitesses relatives entre atomes.