En astrophysique nucléaire, le cycle CNO chaud permet la combustion de l'hydrogène et de l'hélium au sein d'environnements stellaires explosifs tels que les novæ et les sursauts X. Il est communément admis aujourd'hui, que sous certaines conditions de température et de densité, il est possible d'échapper à ce cycle et de produire ainsi des éléments plus lourds. Une réaction candidate à cet échappement est la réaction 15O(α,γ)19Ne. Bien qu'actuellement l'étude directe de l'état résonant d'intérêt astrophysique de cette réaction soit impossible à réaliser, il est nécessaire d'entreprendre d'importantes mesures préliminaires qui font l'objet du présent travail: i) le court temps de vie de l'élément radioactif 15O, à savoir deux minutes, implique qu'une étude directe de cette réaction devra être faite par la technique de la cinématique inverse, ce qui nécessitera une cible d'hélium. Ce travail montre notamment que les cibles d'hélium implanté que nous avons réalisées, constituent une solution de remplacement crédible face aux classiques cibles gazeuses ; ii) les propriétés des niveaux du 19Ne au-dessus du seuil 15O+α devront être connues, en particulier, leurs largeurs partielles α et γ ; nous avons réalisé une première mesure de la largeur a d'un niveau ½+ à une énergie de 5.351 MeV ; enfin, iii) un séparateur de recul détectant les ions 19Ne sera indispensable pour mesurer la réaction 5O(α,γ)19Ne ; nous avons caractérisé un tel dispositif, le séparateur ARES, au moyen de la réaction miroir 15N(α,γ)19F. En résumé, ce travail apporte une série d'indications et d'informations nécessaires en vue d'une future mesure directe de la réaction 15O(α,γ)19Ne.

Ce travail de recherche doctorale s’intéresse spécifiquement aux déchets granulaires minéraux issus de mâchefers d’incinération de déchets non dangereux (MIDND). Il vise à l’élaboration de sables de mâchefers mieux épurés que les MIDND classiquement produits en sortie d’usine ou d’installation dans une finalité de valorisation à plus forte valeur ajoutée dans une matrice cimentaire. Dans une première partie, une méthodologie de traitement pour l’élaboration de sables de mâchefers mieux épurés que ceux standards au sens enlèvement des métaux ferreux et non-ferreux est proposée. Cette méthodologie repose sur un broyage de la fraction 0-20 mm des MIDND par le procédé BHS. La fraction 0-4 mm majoritaire obtenue est traitée par des tambours magnétiques à pôles axiaux et par de séparateur à courants de Foucault NES4T de STEINERT. Dans une seconde partie, une caractérisation physique, chimique, minéralogique et environnementale des sables de mâchefers non traités et améliorés est effectuée. Dans une finalité de valorisation en matrice cimentaire, la troisième partie de la thèse s’est focalisée sur la fraction la plus problématique des MIDND, à savoir la fraction 0-2 mm. Les fractions granulaires 0-2 mm élaborées sont utilisées en substitution volumique partielle (50% et 75%) et totale (100%) d’un sable de référence normalisé dans la formulation de mortiers cimentaires. Une caractérisation physique, mécanique et environnementale des mortiers confectionnés est réalisée à différentes échéances de cure humide, jusqu’à 180 jours. Les résistances mécaniques des mortiers à base de mâchefers sont encourageantes et prometteuses. Enfin, une caractérisation des pâtes de ciment incorporant des sables de mâchefers est effectuée par la technique d’indentation instrumentée à travers la détermination du module élastique et la dureté. / This doctoral study focuses on granular mineral wastes from municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash. This research is aiming to elaborate upgraded mineral sands fractions in comparison to standard MSWI bottom ash thanks to its beneficial use in cementitious materials. In the first step, a new methodology is proposed for dry separation of MSWI bottom ash in order to better recover ferrous and non-ferrous metals from the sands fractions and obtain an improved mineral sand fraction at the same time. This proposed methodology is composed of grinding of 0-20 mm input bottom ash fraction through BHS crushers. Subsequently, the main sand fraction (0-4 mm) is processed through magnetic drums and the innovative non-ferrous metal separator NES 4T of STEINERT process. In the second step, physical, chemical, mineralogical and environmental characterizations have been performed on untreated and treated sands fractions. The third step of this research focuses on beneficial use of the 0-2 mm granular fraction in cementitious materials, that is considered most problematic of MSWI bottom ash fractions. The standardized reference sand is replaced in volume for the partial substitution (50% and 75%) and total substitution (100%) by 0-2 mm upgraded mineral fractions in the mortar preparation. Physical, mechanical and environmental characterization have been performed on cement mortar up to 180 days of moist curing. Compressive strengths of mortar containing upgraded bottom ash are promising. Finally, a mechanical characterization on hardened cement paste has been performed as well on mortar containing upgraded bottom ash fractions through indentation technique in order to determine the modulus of elasticity and hardness.

En astrophysique nucléaire, le cycle CNO chaud permet la combustion de l'hydrogène et de l'hélium au sein d'environnements stellaires explosifs tels que les novæ et les sursauts X. Il est communément admis aujourd'hui, que sous certaines conditions de température et de densité, il est possible d'échapper à ce cycle et de produire ainsi des éléments plus lourds. Une réaction candidate à cet échappement est la réaction 15O(α,γ)19Ne. Bien qu'actuellement l'étude directe de l'état résonant d'intérêt astrophysique de cette réaction soit impossible à réaliser, il est nécessaire d'entreprendre d'importantes mesures préliminaires qui font l'objet du présent travail: i) le court temps de vie de l'élément radioactif 15O, à savoir deux minutes, implique qu'une étude directe de cette réaction devra être faite par la technique de la cinématique inverse, ce qui nécessitera une cible d'hélium. Ce travail montre notamment que les cibles d'hélium implanté que nous avons réalisées, constituent une solution de remplacement crédible face aux classiques cibles gazeuses ; ii) les propriétés des niveaux du 19Ne au-dessus du seuil 15O+α devront être connues, en particulier, leurs largeurs partielles α et γ ; nous avons réalisé une première mesure de la largeur a d'un niveau ½+ à une énergie de 5.351 MeV ; enfin, iii) un séparateur de recul détectant les ions 19Ne sera indispensable pour mesurer la réaction 5O(α,γ)19Ne ; nous avons caractérisé un tel dispositif, le séparateur ARES, au moyen de la réaction miroir 15N(α,γ)19F. En résumé, ce travail apporte une série d'indications et d'informations nécessaires en vue d'une future mesure directe de la réaction 15O(α,γ)19Ne.

Dans les milieux astrophysiques explosifs tels que les novae ou les sursauts X, la densité d'hydrogène et la température sont suffisamment grandes pour que le temps entre deux réactions impliquant un proton soit plus court que le temps de vie de certains ions radioactifs. La connaissance de la section efficace des réactions de capture d’un proton par un ion radioactif est un des ingrédients important permettant la modélisation de tels milieux. Dans ce travail, un nouveau dispositif expérimental permettant d'étudier la force de résonance de réactions (p,gamma) en cinématique inverse est présenté. Ce dispositif, baptisé ARES (Astrophysical REcoil Separator), a été d’abord caractérisé à l'aide de l'étude de la réaction 19F(p,gamma)20Ne et plus particulièrement de la mesure de la force de la résonance bien connue à 635 keV au dessus du seuil 19F+p. De plus, la simulation de cette expérience est en accord avec les mesures effectuées. Une première mesure de force de résonance d'une réaction impliquant un faisceau d'ions radioactifs est ensuite présentée. Il s'agit de la réaction 19Ne(p,gamma)20Na et plus particulièrement de la résonance à 448 keV au dessus du seuil 19Ne+p. Une limite supérieure de 15.2 meV avec un niveau de confiance de 90% est obtenue. Cette limite supérieure améliore légèrement les résultats de mesures antérieures. / In explosive astrophysical environments such as novae or X-ray bursts, the temperature and the hydrogen density are so large that the time between two reactions involving protons is smaller than the live time of radioactive ions. The cross section of such reactions is an important ingredient of the modeling of such environments. In this work, a new experimental device, allowing the study of resonance strength of (p,gamma) reactions, is presented. This setup, called ARES (Astrophysical REcoil Separator), is first characterized using the study of the well known reaction, 19F(p,gamma)20Ne and more precisely the measurement of the resonance strength of the 635 keV level above the 19F+p threshold. The simulation of this experiment is found in good agreement with the measurement. Then the first resonance strength measurement of a reaction involving radioactive ions beams is presented, i.e. the resonance strength of the 448 keV level above the 19Ne+p threshold in the 19Ne(p,gamma)20Na reaction. An upper limit of 15.2 meV with a confidence level of 90% is obtained. This upper limit improves slightly the results of previous measurements.

Le principal axe de recherche depuis ma thèse a été l'étude des formes extrêmes du noyau avec un accent particulier sur la désexcitation des noyaux superdéformés. Depuis 2002, je me suis orientée vers l'investigation des propriétés des noyaux très lourds avec l'étude des premiers états excités et états isomériques des noyaux au delà du Fm. Dans les 2 cas, l'outil privilégié est la spectroscopie γ . C'est donc logiquement que je me suis investie dans la recherche et le développement associés à la nouvelle génération de multidétecteurs 4πγ : AGATA.

Les exploitant aériens cherchent à réduire toujours davantage le coût d'utilisation et d'opération de maintenance des hélicoptères ainsi qu'à limiter leur impact environnemental. Par conséquent, les motoristes tels que Safran Helicopter Engines doivent constamment améliorer les performances de leurs moteurs. Cette amélioration passe notamment par la réduction des consommations de carburants et d'huile de lubrification. La consommation d'huile est liée en grande partie à la formation d'un brouillard diphasique air-huile au sein des paliers de roulements des arbres du moteur. L'air est continûment évacué en transportant des inclusions d'huile vers l'extérieur. Pour limiter ces rejets d'huile, un séparateur en rotation est utilisé pour récupérer l'huile et évacuer l'air. Afin de prédire avec davantage de précision la consommation d'huile et les pertes de charges induites par le séparateur, la présente thèse développe une stratégie d'analyse des écoulements diphasiques au sein des séparateurs. Cette stratégie s'appuie en premier lieu sur des simulations numériques du brouillard d'huile basées sur une approche Euler-Lagrange. Ces simulations permettent d'une part d'analyser l'écoulement d'air et les pertes de charges du séparateur et d'autre part d'appréhender les mécanismes de la séparation de l'huile et d'analyser la consommation en fonction des conditions de fonctionnement. Parallèlement, grâce au financement du projet européen E-Break, un banc d'essais dégazeur a été conçu dans le cadre de cette thèse et réalisé à l'Université Libre de Bruxelles. Des analyses croisées entre essais et simulations permettent de valider la méthodologie de simulation. Cependant, si les pertes de charges sont correctement prédites par le calcul, des efforts supplémentaires sont nécessaires, aussi bien sur la précision des mesures que sur la modélisation de l'écoulement diphasique, pour assurer une prédiction satisfaisante de la consommation d'huile. / Air operators try to reduce ever more operation and maintenance costs of helicopters as well as to limit their environmental impact. Consequently, engine manufacturers such as Safran Helicopter Engines must constantly improve the performance level of the engines they develop. To achieve such an improvement, oil and kerosene consumption must be reduced. Oil consumption is mostly due the formation of an oil mist inside bearing chambers. As the air is continuously scavenged, it carries along oil droplets out of the engines. In order to limit the oil wastes, a separator is used which recovers oil drops carried by the owing air that is vented out. In order to predict with a better level of accuracy the oil consumption and the pressure losses induced by the separator, the present thesis develops a strategy to analyse the two-phase flow within the separator. This strategy relies in the first place on Euler-Lagrange numerical simulation of the oil mist which allow on the one hand to compute the turbulent air flow and the pressure drop induced by the separator and on the other hand to better understand the separation mechanisms and to predict the oil consumption for various operating conditions. Besides, thanks to the funding of the E-Break European project, a test bench has been designed in the framework of this PhD and set up at the Université Libre de Bruxelles. Cross comparisons between measurements and simulations allow validating the numerical methodology. However, even though pressure drops are correctly predicted by the simulation, improvements are still needed, regarding both the measurement accuracy and the two-phase numerical modelling, in order to provide a satisfactory prediction of the oil consumption.

Aujourd'hui, les progrès expérimentaux en physique nucléaire nécessitent le développement d'accélérateurs susceptibles de produire des faisceaux d'ions radioactif. Dans cette optique, la méthode « Isotopic Separation On-Line » combinée à l'utilisation du mécanisme de fission permet de produire des ions radioactif riches en neutrons. L'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay participe à ce développement avec la construction du projet ALTO (Accélérateur Linéaire et Tandem d'Orsay). Cette installation de type ISOL utilise un faisceau d'électron pour induire la photofission de l'uranium. En juillet 2006, dans le cadre de mesure des taux de production, la viabilité de cette méthode a été démontrée. De plus, les résultats ont mis en évidence un ensemble de modifications capables d'améliorer la méthode de production. <br />L'installation ALTO ne se limite pas à la fabrication de fragments de fission riches en neutrons. Au cours d'un test de radioprotection, un système de détection a été installé pour permettre l'étude de la décroissance radioactive de l'isotope 84Ga. L'analyse des données acquises au cours de cette mesure nous a permis d'apporter des indications sur la structure des noyaux de 84Ga, 84Ge, 84As et 83Ge. Pour 84Ga, nous avons identifié un état isomérique et proposé une configuration pour cet état et l'état fondamental du noyau. Pour 84Ge, nous avons observé les premiers états 2+ et 4+ dont le rapport des énergies nous a permis de conclure sur l'apparition de la collectivité attendue au-delà de N=50. L'étude de cette collectivité semble indiquer un affaiblissement du gap Z=28 à l'approche de 78Ni. Nous avons proposé le premier schéma de niveau de 84As. Nous avons aussi proposé une configuration pour les états observés de ce noyau. Enfin, pour interpréter le schéma de niveau de 83Ge, un modèle permettant de caractériser le couplage en un neutron et un cœur a été employé. Ce dernier a été appliqué à l'ensemble de la chaîne isotonique N=51 pour tester sa validité. Puis, son application au noyau de 83Ge a confirmé l'existence de ce type de structure dans ce noyau. Les résultats obtenus avec ce modèle ont été extrapolés afin de proposer une prédiction du schéma de niveau de 81Zn.

Dans le cadre du développement de technologies innovantes dans le domaine des accumulateurs Li-ion à charge rapide, typiquement inférieure à 5 minutes, des séparateurs commerciaux ont été caractérisés par différentes méthodes physico-chimiques et électrochimiques afin de corréler leurs structures poreuses aux performances en charge rapide enregistrées. L'architecture d'électrode choisie utilise l'oxyde de titane Li4Ti5O12 à l'électrode négative et le spinelle LiMn2O4 à la positive.<br />Afin d'augmenter les capacités chargées par rapport aux séparateurs commerciaux, des membranes à squelette poly(fluorure de vinylidène) et poly(fluorure de vinylidène) co poly(hexafluoropropylène) ont été élaborées par inversion de phase en utilisant la méthodologie des plans d'expériences. Les processus de formation ont été explicités à partir de la thermodynamique des systèmes ternaires polymère/solvant/non-solvant. Les membranes obtenues ont permis de gagner 20% de capacité chargée en 3 minutes par rapport aux séparateurs commerciaux.<br />Enfin, les limitations en charge rapide dues aux séparateurs ont été étudiées et identifiées à l'aide d'un code de modélisation d'accumulateurs Li-ion.

Les granites à métaux rares ont une faible valeur économique mais sont souvent exploités pour leurs minéraux industriels. L’objectif de ce travail est d’évaluer la potentialité de certains résidus issus de la production de kaolin de St Austell (Angleterre) pour la récupération de métaux critiques (CRMs) comme les Terre Rares légères (LREE), le niobium (Nb), le tungstène (W) et l’étain (Sn) via le développement d’un procédé de récupération des CRMs. L’étude des résidus miniers montre que les CRM sont concentrés dans le résidu micacé avec des teneurs en LREE allant jusqu’à 170 ppm avec 40 à 60% des CRMs distribués dans ce résidu. Un procédé de traitement de ce résidu a été développé incluant des étapes de concentration par gravité et flottation. Les teneurs en LREE permettent la récupération d’environ 60% des LREE avec des teneurs de 1,6 % et 0,5% LREE respectivement dans le concentré de gravité et flottation / Rare metals granites have always been considered of poor economic value due to their low metal grades but, when altered, they are often exploited for their industrial minerals. This work address the recovery of critical metals (CRMs) including Light Rare Earth Elements (LREE) and rare metals (Sn, Nb, W) from St Austell (UK) kaolin residues though the development of a beneficiation process. Results shows that CRMs are pre-concentrated in the micaceous residue stream with LREE grades of 170 ppm, which account from 40% to 60% of the mass of CRM entering the plant. Analysis of this residue streams shows a high variability of CRM grades and suggest a cut-off grades for some of them. A combined gravity/flotation process have been developed for this residue which allow to recover up to 60% LREE with LREE grade of 1.6 to 0.5% for the gravity and flotation concentrate respectively

Une Pile à Combustible Microbienne (PCM) convertit l’énergie chimique issue de l’oxydation de la matière organique directement en énergie électrique. L’oxydation du combustible est assurée par un biofilm dit « électroactif » se développant à la surface de l’anode et jouant le rôle de catalyseur microbien. L’anode microbienne formée à partir d’un consortium bactérien, issu dans cette étude de terreau de jardin, est associée à une cathode à air abiotique à la surface de laquelle se produit la réduction de l’oxygène. L’assemblage d’une anode microbienne et d’une cathode à air abiotique pour construire une PCM est un réel challenge tant les conditions optimales de chacune sont différentes. Ces travaux de thèse ont donc pour objectif d'anticiper le fonctionnement global de la PCM pour concevoir une anode microbienne et une cathode abiotique capables de fonctionner ensemble de façon optimale. Une partie expérimentale conséquente vise à concevoir une PCM optimale en menant des essais sur différents designs de réacteur. Un modèle numérique, basé sur l’expérimentation et calculant les distributions secondaires de courant et de potentiel au sein de la PCM, vient compléter l’étude expérimentale afin d’optimiser l’architecture de la PCM et maximiser les performances délivrées. La configuration « Assemblage Séparateur-Electrodes » consiste à intercaler le séparateur entre la bioanode et la cathode à air dans le but de diminuer la résistance interne du système. Ce design a permis de concevoir des PCMs délivrant d’excellentes performances jusqu’à 6.42 W.m-2. In fine, le prototype « Bioelec », utilisé comme modèle de démonstration, est réalisé à l’échelle du laboratoire avec un assemblage en série et en parallèle de plusieurs PCMs élaborées avec cette configuration « ASE ». / A Microbial Fuel Cell (MFC) can convert the chemical energy contained in low-cost organic matter directly into electrical energy. The oxidation of organic matter is performed by a biofilm known as “electroactive” that develops on the anode surface and acts as a microbial catalyst. The microbial anode, formed from indigenous bacteria of compost leachate, is combined with an abiotic air-cathode catalyzing the reduction of oxygen. The association of a bioanode and an abiotic air-cathode in an MFC is a major challenge as their optimal conditions are so divergent. The purpose of this PhD work is to anticipate the global mechanisms of an MFC in order to develop a microbial anode and an abiotic air-cathode able to operate together in an optimal way. A consequent experimental part aims to develop an optimal MFC by carrying out tests on several reactor designs. A numerical model, based on the experimental results, calculates the secondary distributions of current and potential in the cell. The model supports the experimental study and is used to optimize the MFC architecture and maximize the delivered performances. The configuration “Separator-Electrodes Assembly” consists of sandwiching the separator between the bioanode and the air-cathode in order to decrease the internal resistance of the system. This design provided excellent results as MFCs delivered great power densities up to 6.42 W.m-2. Finally, a prototype “Bioelec”, used as a demonstrative model, was built with several MFCs connected in series or in parallel, each of them designed with the “ASE” configuration.