La démarche de conception et de sûreté du réacteur ASTRID, démonstrateur de Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au Sodium, implique la modélisation de scénarios d’accidents graves qui font intervenir une fusion du cœur du réacteur. L’objectif de la thèse, en soutien à cette modélisation, est de contribuer à l’identification des processus susceptibles de faire bifurquer un scénario d’accident grave. Deux phases d’un scénario sont traitées pour cela. Tout d’abord, le début d’une séquence de perte de débit primaire non protégée est analysé à l’aide d’un critère analytique développé pendant la thèse, visant à prédire la bifurcation de la décroissance du débit vers un état stabilisé ou bien vers un état instable, menant à la dégradation du cœur. Ce nouveau critère, qui présente l’intérêt de tenir compte de l’effet de l’évolution de la puissance sur la stabilité du débit, est vérifié à l’aide d’un outil de calcul dédié aux accidents de perte de débit non protégés. Dans un second temps, les processus prépondérants impliqués dans une vaporisation de combustible liquide suivie d’une détente de sa vapeur, consécutives à une excursion de puissance accidentelle, sont identifiés via une analyse dimensionnelle. En reprenant les résultats de cette analyse, un outil de calcul est par la suite développé, dont l’objet est de déterminer l’énergie mécanique transmise à la cuve du réacteur lors de la détente. La question du transfert thermique entre la vapeur de combustible se détendant et le caloporteur est particulièrement étudiée. Cet outil est validé via une comparaison à des résultats expérimentaux et à des résultats de calculs issus d’un autre code. Des études paramétriques permettent enfin de quantifier la variabilité des résultats due au choix de modélisation et aux incertitudes sur les données physiques employées. / Severe accidents’ modeling is required for the design and safety analysis of ASTRID, a Generation IV Sodium-cooled Fast Reactor under development in France. This thesis aims at contributing to identify the driving processes of ASTRID’s severe accidents scenarios. First, a stability criterion is developed to analyze the beginning of an unprotected loss of flow accident. This stability criterion assesses whether the decreasing flow is stable or unstable, leading to the core disassembly. This criterion also considers power variations during the loss of flow, which former stability criteria do not take into account. Then, the driving processes of a transient involving a fuel vaporisation followed by its vapor expansion are identified using a dimensional analysis. The simplifications justified by this dimensional analysis are considered further to develop a numerical tool that computes the mechanical energy transmitted to the core vessel in case of fuel vaporisation. The thermal exchange between the expanding fuel vapor and the sodium coolant is especially analyzed. The tool is validated by comparing its results to experimental measures and to another tool’s computations. In the end, parametric studies are done in order to assess the tool computations’ variability induced by physical uncertainties or modeling options.

Actuellement l’industrie montre un intérêt croissant pour le développement de matériaux composites intégrant des constituants issus de la biomasse. Dans ce contexte, différentes fibres lignocellulosiques sont envisageables en tant qu'alternative aux fibres de verre pour le renforcement des matrices thermoplastiques ou thermodurcissables. En effet, les fibres végétales présentent des caractéristiques physiques intéressantes, telles qu’une faible densité et de bonnes propriétés mécaniques spécifiques, associées à un impact environnemental réduit, leur permettant ainsi de répondre à des problématiques sociétales. Cependant, la forte variabilité naturelle des dimensions et des propriétés mécaniques des fibres végétales rend nécessaire le développement de méthodologies de caractérisation spécifiques permettant en particulier de quantifier leur forte sensibilité à l’humidité. La première partie de cette thèse présente la mise en place d'une stratégie de caractérisation des dimensions transversales des fibres végétales s’appuyant sur une technique de balayage laser associée à une modélisation géométrique fiabilisée. Cette méthodologie est validée sur la base d’une étude dimensionnelle de faisceaux de fibres issus de différentes espèces végétales morphologiquement contrastées (lin, chanvre, ortie, sisal, palmier). La modélisation proposée permet de réduire de manière significative la dispersion des propriétés mécaniques des faisceaux de fibres étudiés. Dans une seconde partie, l’effet de l’humidité sur les variations dimensionnelles et le comportement mécanique des fibres végétales est quantifié. Les résultats révèlent des phénomènes de gonflement et de plastification des parois cellulaires différenciés selon la composition biochimique et la microstructure des différentes espèces végétales. / Currently, the industry is showing a growing interest in the development of composite materials incorporating components derived from biomass. In this context, various plant species can be used as reinforcement of thermoplastic and thermoset, in substitution to glass fibres. Indeed, natural fibres have interesting physical characteristics, such as their low density and good specific mechanical properties associated with the fact that they reduce environmental impacts answering to societal problems. However, the high natural variability of their dimensions and mechanical properties make it necessary to develop specific characterization methods particularly to quantify their high humidity sensitivity. The first part of this study presents the development of characterization methodologies of natural fibres transverse dimensions based on an automated laser scanning technique associated with a reliable geometric modeling and validated on plant species with contrasted morphologies (flax, hemp, sisal, nettle, and palm). The proposed modeling makes it possible to drastically reduce the mechanical properties dispersion of the studied fibre bundles. In a second part the effect of humidity conditions on the dimensional variations and the mechanical behavior of natural fibres are quantified. The results revealed contrasted swelling and plasticization behaviour, depending on biochemical composition and microstructure of plant species.

Cette thèse a été réalisée en collaboration avec la société SCLE SFE (Groupe ENGIE) et le laboratoire Laplace. Elle porte sur le développement d’une méthodologie permettant d’élaborer des modèles dits « en similitude », à échelle de puissance et de temps réduites. Ces modèles peuvent servir pour l’analyse des systèmes mais ils sont en particulier utiles pour l’expérimentation en temps réel des systèmes énergétiques. En effet, les expérimentations sont très souvent menées à échelle réduite pour des questions de taille, de coût,… Certaines parties de ces expérimentations peuvent être « émulées » (simulées physiquement par des dispositifs de puissance) d’autres étant constitués de composants physiques : on parle alors de procédure Hardware in the Loop (HIL). Même si, à la base, la démarche de réduction d’échelle a une portée générale, notre gamme d’application principale concerne les micro réseaux avec intégration de sources renouvelables intermittentes couplées à des composants de stockage. En conséquence,nos travaux se focalisent sur la mise en œuvre de modèles de similitudes en puissance/énergie/temps de sources ENR et de stockeurs. La notion de réduction de temps, nous parlerons de « temps virtuel compacté », est un des concepts clés de ces travaux. Une attention particulière est portée sur le développement d’un émulateur physique de batterie électrochimique.En effet, le stockage d’énergie est un point clé dans un micro réseau. De plus, cet élément présente de fortes non-linéarités dont la mise en similitude doit impérativement tenir compte et n’est pas triviale. Une fois ces modèles développés, on les éprouve via la mise en œuvre d’essais en expérimentation simulée par émulateurs physiques à échelle de puissance réduite et en temps virtuel compacté. Ces essais permettent par ailleurs de confronter les notions d’émulateurs «copie-modèle », pour lequel un modèle est utilisé pour reproduire le comportement du système, et d’émulateurs « copie-image », où le comportement du système est reproduit à partir d’un de ses composants réels (par exemple une cellule pour la batterie). / This thesis was carried out in collaboration with SCLE SFE (ENGIE Group) and the Laplacelaboratory. It focuses on the establishment of a methodology allowing the “similarity” modelsdevelopment, with reduced power and time scale. These models can be used for systems analysisbut they are particularly useful for real-time experimentation of energy systems. Indeed, theexperiments are often carried out on a small scale for issues of size, cost, … Some parts of theseexperiments can be "emulated" (physically simulated by power devices) while others consist ofphysical components: this is called the Hardware in the Loop (HIL) procedure. Although, initially,the downscaling approach is broad in scope, our main field of application is microgrids withintegration of intermittent renewable sources coupled with storage components. As a result, ourwork focuses on the implementation of power / energy / time similarity models of ENR sources andstorage facilities. The concept of time reduction, we will talk about "compacted virtual time", is oneof the key concepts of this work. Particular attention is paid to the development of a physicalemulator of electrochemical battery. Indeed, energy storage is a key point in microgrid. In addition,this element has strong nonlinearities whose scaling in similarity must imperatively take intoaccount and is not trivial. Once these models have been developed, they are tested through theimplementation of simulated experiments using physical emulators with reduced power scale andcompacted virtual time. These tests also make it possible to compare the concepts of "copymodel" emulators, for which a model is used to reproduce the behavior of the system, and "copyimage" emulators, where the behavior of the system is reproduced from of one of its realcomponents (for example a cell for the battery).

La substitution des matériaux composites à base de polymères d'origine fossile renforcés de fibres minérales ou synthétiques, par des bio-matériaux conçus par association de bio-polymères et de renforts fibreux végétaux, permet d'envisager un recyclage et/ou une bio-dégradation en fin de vie. Dans cet objectif, nous avons élaboré un bio-composite à base de bois et de bio-polymère d'acide lactique, par imprégnation vide / pression d'acide lactique oligomérisé, contenant ou non un catalyseur chimique de polymérisation, dans les cellules de bois, suivie d'un chauffage en étuve. L'objectif de ce travail était de provoquer la polymérisation des oligomères d'acide lactique in-situ, et d'induire éventuellement un greffage de ces molécules sur les sites hydroxyles libres du bois, dans le but d'améliorer les propriétés du matériau. Nous avons démontré une polymérisation in-situ effective, et une forte interaction entre le bois et les chaînes d'acide lactique, toutefois non greffées. L'action du bio-polymère sur la structure lignocellulosique est également mise en évidence par un « ramollissement » important du bois, apparaissant à un stade intermédiaire de l'étape de chauffage, vraisemblablement dû à une réaction entre les oligomères d'acide lactique et la lignine contenue principalement dans la lamelle mitoyenne. Une forte coloration traduit d'autre part une probable réaction entre les catalyseurs chimiques et la cellulose. Le cycle de chauffage achevé, le matériau se trouve dans un état final rigide dont les performances ont été étudiées. Il s'avère que le traitement confère une excellente stabilité dimensionnelle au bois : environ 70% d'efficacité anti-gonflement. Une amélioration de la résistance à l'attaque fongique a été observée. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, les résistances à la flexion et la compression sont peu influencées, alors que l'on note une forte augmentation de la dureté de surface, et une diminution de la résistance au cisaillement, due à la fragilisation de la lamelle mitoyenne. Ainsi, les densité et dureté élevées, ainsi que la stabilité du matériau laissent envisager des applications dans certains domaines industriels comme la parqueterie. Dans l'état intermédiaire « ramolli », des applications de mise en forme, telles que le matriçage ou le cintrage sont également concevables.

Le sujet de ce mémoire est l'étude d'un interféromètre de Fizeau a décalage de phase pour la mesure de surfaces planes et sphériques a des précisions nanométriques. Nous avons recensé et étudié les sources de limitation et recherche les conditions ou les solutions rendant leur contribution inférieure a un millième de longueur d'onde en valeur crête à crête (la longueur d'onde est égale a 632,8 nanomètres). Six sources potentielles d'erreurs ont été examinées: la source laser, la détection, l'élément qui crée le déphasage, le diffuseur mobile du système d'imagerie, les aberrations géométriques des composants optiques et la nature même des interférences. Nous avons optimise la configuration interférométrique. De nouveaux algorithmes ont été développes. Ils sont basés sur des méthodes des moindres carres non linéaires. Ces algorithmes sont auto calibrés mais demandent beaucoup de temps de calcul. Pour obtenir des resultats rapidement, nous avons complete nos techniques de depouillement par une méthode basée sur une correction a posteriori de la formule de carre. La validation a montré les performances de l'instrument. Avec les méthodes basées sur les moindres carrés, les mesures de bruit ont montre que les fluctuations aléatoires sont de l'ordre de 0,21 nanomètres rms ; les erreurs systématiques ont une contribution inférieure a 1,8 nanomètres crête à crête. La cale piézo-électrique qui réalise le déphasage, et le bruit de la détection, sont en fait les principales sources de limitation. La correction des défauts de positionnement de la cale piézo-électrique a été essayée sur l'algorithme de carre et sa post correction ; les résultats indiquent une exactitude meilleure que 1 nanomètre crête à crête. L'interféromètre de Fizeau a décalage de phase a été applique a l'étalonnage absolu de surfaces planes. Une méthode basée sur des combinaisons de translations et de rotations d'une des surfaces par rapport a l'autre, a été présentée. Cette méthode a été utilisée pour la mesure d'une surface plane en silice.

Ce travail de thèse porte sur le passage, dans l'enseignement secondaire, d'une géométrie du concret à une géométrie portant sur des objets idéaux. Nous montrons que des environnements de géométrie dynamique tridimensionnelle offrent des conditions favorables à ce passage, que nous détaillons. La réflexion théorique s'appuie sur la Théorie des situations didactiques (Brousseau, 1998) pour proposer des hypothèses quant aux conditions et mécanismes d'apprentissage. En outre, notre questionnement initial est interprété à l'aide de deux cadres principaux. Le point de vue épistémologique des paradigmes géométriques (Houdement et Kuzniak, 2006) permet d'identifier la référence à GII comme un objectif fondamental. L'approche cognitive de Duval (2005, 1994) montre qu'à cette fin, l'élève doit abandonner la visualisation iconique et s'appuyer sur déconstruction dimensionnelle pour l'interprétation et la résolution des problèmes de géométrie. La géométrie dynamique dans l'espace est envisagée comme moteur de cette double perspective, et la déconstruction instrumentale y joue un rôle clef. Ce rôle, ainsi que des hypothèses d'émergences de la déconstruction dimensionnelle, sont précisés par un important travail théorique s'appuyant sur le modèle cKc (Balacheff, 1995; Balacheff et Margolinas, 2005), ainsi que la mise en œuvre d'une ingénierie didactique. Celle-ci apporte une validation expérimentale de plusieurs plusieurs résultats, au nombre desquels : - la pertinence d'analyser l'activité géométrique simultanément en termes de visualisations, déconstructions, et paradigmes géométriques ; - l'intérêt de la géométrie dynamique dans l'espace pour déstabiliser la visualisation iconique ; - l'existence de deux déconstructions instrumentales, et leur rôle fondamental pour l'émergence de la déconstruction dimensionnelle ; - les interactions entre les différentes déconstructions, qui n'étaient pas établies dans les travaux antérieurs ; - la possibilité de produire des situations s'appuyant sur la géométrie dynamique dans l'espace favorisant l'émergence de la déconstruction dimensionnelle ; - l'intérêt du modèle cKc pour la modélisation et l'analyse des phénomènes observés.

Ce travail présente une contribution à la modélisation numérique des systèmes de suspensions dans le cadre de la théorie cinétique. Cette description continue des systèmes de suspensions permet de prendre en compte l'influence de la structure à l'échelle microscopique sur la cinétique de l'écoulement macroscopique. Cependant elle présente l'inconvénient majeur d'être définie sur un espace à haute dimension et rend alors difficile la résolution de ces modèles avec des approches déterministes classiques. Afin de s'affranchir, ou du moins d'alléger, le poids du caractère micro-macro des approches en théorie cinétique, plusieurs techniques de réduction dimensionnelle s'appuyant sur l'utilisation de la Décomposition Généralisée en modes Propres (PGD) sont présentées. Une étude de différents algorithmes PGD est conduite, et dont l'efficacité en termes de vitesse de convergence et d'optimalité de la solution est illustrée. La simulation de mélanges de fluides immiscibles est conduite à l'aide du Tenseur d'aire qui est un puissant outil de caractérisation du mélange. Cependant celui-ci nécessite l'introduction d'une relation de fermeture dont l'impact est évalué avec le modèle de théorie cinétique équivalent et exact. Finalement, la simulation de systèmes de suspensions colloïdales décrits par l'équation de Smoluchowski présente une approche originale de la modélisation des suspensions solides. Cette approche permet de s'affranchir avantageusement du bruit statistique inhérent aux simulations stochastiques traditionnellement mises en œuvre.

Malgré la présence d'appareils très performants tels que les microscopes électroniques et en champ proche, les capacités à mesurer des dimensions nanométriques avec des incertitudes de quelques nanomètres constitue un véritable verrou technologique pour la fabrication en grand volume de composants de taille millimétrique mais aux caractéristiques nanométriques. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de contrôler avec des performances nanométriques, sur une plage de quelques millimètres, le positionnement d'un porte-échantillon, essentiellement dédié à la microscopie. Le système comprend des platines de déplacement mécanique, une mesure par interférométrie, une électronique haute-fréquence et des lois de commandes pour l'asservissement. Le système de déplacement est constitué de deux étages ; le premier est une platine de translation qui permet de faire des " longues distances ", et le second est un actionneur piézoélectrique qui permet de corriger les défauts du premier. Le système ainsi réalisé permet des déplacements dans les deux directions du plan X-Y avec des résolutions et des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Ce dispositif a été intégré à un microscope à force atomique et à un microscope optique en champ proche dans le but de réaliser des images de tailles millimétriques et en même temps hautement résolues. Des images de topographie et des images optiques en champ proche de tailles supérieures à 1 mm de long viennent démontrer les performances du système.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d'un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d'un robot de télé-échographie et d'un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l'amélioration de la compacité d'une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l'ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l'optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d'améliorer les performances en termes de force et vitesse à l'effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d'adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l'aspect imparfait du processus créatif.

Bien qu’ayant vu le jour dans un cadre dit relativiste avec l’avènement de la théorie de la relativité générale, le lien intime existant entre géométrie de l’espace-temps d’une part, et gravitation d’autre part, peut se voir étendu aux théories dites nonrelativistes, l’exemple paradigmatique en étant la reformulation géométrique de la gravitation Newtonienne initiée par E. Cartan. De tels espace-temps nonrelativistes diffèrent structurellement de leurs homologues relativistes, ces disparités étant le plus naturellement expliquées en réinterprétant ces premiers comme réduction dimensionnelle d’espace-temps relativistes privilégiés. L’ambition de cette thèse est double : Dans une première partie, nous nous intéressons à une généralisation de la classe d’espace-temps relativistes permettant le formalisme ambiant, étudions leur interprétation géométrique ainsi que la classe élargie de structures nonrelativistes pouvant y être plongées. La seconde partie de ce manuscrit concerne le point de vue, informé par la théorie des groupes, que porte E. Cartan sur la géométrie différentielle et plus précisément l’éclairage que projettent les géométries de Cartan sur les structures nonrelativistes, à la fois dans leur définition intrinsèque et dans leur relation avec des structures relativistes au travers du formalisme ambiant. / With the advent of general relativity, the profound interaction between the geometry of spacetime and gravitational phenomena became a truism of modern physics. However, the intimate relationship between spacetime geometry and gravitation is by no means restricted to relativistic physics but can in fact be successfully applied to nonrelativistic physics, the paradigmatic example being E. Cartan geometrisation of Newtonian gravity. This geometrisation of nonrelativistic gravitation involves some nonrelativistic structures whose discrepancies in comparison with their relativistic peers are better understood when embedded inside specific classes of relativistic gravitational waves. The ambition of this Doctoral Thesis is twofold: In a first part, we discuss a generalisation of the class of gravitational waves allowing the embedding of nonrelativistic features, explore their geometric properties and the new nonrelativistic structures emerging from this study. In a second part, we advocate how the group-theoretically oriented approach of Cartan to differential geometry can shed new light on nonrelativistic structures, both in an intrinsic and ambient fashion.