Ce travail est dédié à l’étude de l’encapsulation de molécules organiques photoactives dans des nanotubes de carbone mono-feuillets. L’effet de confinement sur les propriétés vibrationnelles , structurales, et les interactions entre les sous-systèmes est étudié en fonction de la taille des nanotubes. La première partie du manuscrit est consacrée à l’étude du confinement de diméthylquaterthiophènes dans les tubes. La dynamique vibrationnelle des molécules confinées est étudiée par diffusion inélastique des neutrons et par des simulations DFT. L’étude des interactions entre les deux sous-systèmes, en termes de transfert d’énergie et de transfert de charge, est réalisée en combinant des études de photoluminescence et de Raman. La nature des transferts de charge dépend de la taille du nanotube. Pour des tubes de petits diamètres (<1.1nm), un transfert de charge photo-induit est obtenu lorsque la longueur d’excitation correspond à l’absorption de la molécule. La deuxième partie est dédiée à l’étude de l’organisation structurale de molécules de phtalocyanine encapsulées à l’intérieur des nanotubes. Ce travail combine des études expérimentales par diffraction neutronique et spectroscopie Raman à pression ambiante et sous hautes pressions. Les études structurales sont confrontées à des simulations par dynamique moléculaire. / This work is dedicated to the study of the encapsulation of photoactive molecules within single wall carbon nanotubes. The confinement effect on vibrational, structural and interactions between host and guest is studied as a function of nanotube size. The first part of the manuscript is dedicated to the confinement of dimethyl quaterthiophene within carbon nanotubes. Vibrational dynamics for the encapsulated molecules is studied coupling neutron scattering and DFT simulations. Interactions molecule/nanotube, in terms of energy transfer and charge transfer are studied combining photoluminescence and Raman spectroscopies. The nature of charge transfers depends on the size of the nanotube. For small diameters (>1,1nm) a photoinduced charge transfer is obtained when the excitation wavelength matches the absorption of the molecule. The second part of the manuscript focuses on the structural organization of encapsulated phthalocyanine molecules. This work combines neutron diffraction and Raman spectroscopy experimental studies at room and high pressures. Structural studies are discussed together with molecular dynamics simulations.

Cette thèse traite des méthodes d’éléments finis Galerkin discontinus d’ordre élevé pour la résolution d’équations aux dérivées partielles, avec un intérêt particulier pour l’équation de transport des neutrons. Nous nous intéressons tout d’abord à une méthode de pré-traitement de matrices creuses par blocs, qu’on retrouve dans les méthodes Galerkin discontinues, avant factorisation par un solveur multifrontal. Des expériences numériques conduites sur de grandes matrices bi- et tri-dimensionnelles montrent que cette méthode de pré-traitement permet une réduction significative du ’fill-in’, par rapport aux méthodes n’exploitant pas la structure par blocs. Ensuite, nous proposons une méthode d’éléments finis Galerkin discontinus, employant des éléments d’ordre élevé en espace comme en angle, pour résoudre l’équation de transport des neutrons. Nous considérons des solveurs parallèles basés sur les sous-espaces de Krylov à la fois pour des problèmes ’source’ et des problèmes aux valeur propre multiplicatif. Dans cet algorithme, l’erreur est décomposée par projection(s) afin d’équilibrer les contraintes numériques entre les parties spatiales et angulaires du domaine de calcul. Enfin, un algorithme HP-adaptatif est présenté ; les résultats obtenus démontrent une nette supériorité par rapport aux algorithmes h-adaptatifs, à la fois en terme de réduction de coût de calcul et d’amélioration de la précision. Les valeurs propres et effectivités sont présentées pour un panel de cas test industriels. Une estimation précise de l’erreur (avec effectivité de 1) est atteinte pour un ensemble de problèmes aux domaines inhomogènes et de formes irrégulières ainsi que des groupes d’énergie multiples. Nous montrons numériquement que l’algorithme HP-adaptatif atteint une convergence exponentielle par rapport au nombre de degrés de liberté de l’espace éléments finis. / We consider high order discontinuous-Galerkin finite element methods for partial differential equations, with a focus on the neutron transport equation. We begin by examining a method for preprocessing block-sparse matrices, of the type that arise from discontinuous-Galerkin methods, prior to factorisation by a multifrontal solver. Numerical experiments on large two and three dimensional matrices show that this pre-processing method achieves a significant reduction in fill-in, when compared to methods that fail to exploit block structures. A discontinuous-Galerkin finite element method for the neutron transport equation is derived that employs high order finite elements in both space and angle. Parallel Krylov subspace based solvers are considered for both source problems and $k_{eff}$-eigenvalue problems. An a-posteriori error estimator is derived and implemented as part of an h-adaptive mesh refinement algorithm for neutron transport $k_{eff}$-eigenvalue problems. This algorithm employs a projection-based error splitting in order to balance the computational requirements between the spatial and angular parts of the computational domain. An hp-adaptive algorithm is presented and results are collected that demonstrate greatly improved efficiency compared to the h-adaptive algorithm, both in terms of reduced computational expense and enhanced accuracy. Computed eigenvalues and effectivities are presented for a variety of challenging industrial benchmarks. Accurate error estimation (with effectivities of 1) is demonstrated for a collection of problems with inhomogeneous, irregularly shaped spatial domains as well as multiple energy groups. Numerical results are presented showing that the hp-refinement algorithm can achieve exponential convergence with respect to the number of degrees of freedom in the finite element space

La compréhension des aspects fondamentaux de la diffusion de l'oxygène dans les oxydes solides à des températures modérées, jusqu'à température ambiante, est un enjeu majeur pour le développement d'une variété de dispositifs technologiques dans un avenir proche. Cela concerne, par exemple, le développement de la prochaine génération des électrolytes et membranes solides d'oxygène pour les piles à combustible de type SOFC. Autrement, les réactions d'intercalation de l'oxygène réalisées à basse température présentent un outil puissant pour contrôler le dopage en oxygène ainsi que des propriétés physiques. Dans ce contexte, les oxydes ayant une structure type brownmillérite (A2BB'O5) ou type K2NiF4, ont attiré beaucoup d'attention, car ils montrent une mobilité de l'oxygène déjà à température ambiante.Dans cette thèse, nous avons étudié les mécanismes d'intercalation d'oxygène dans SrFeO2.5+x, ainsi que Pr2NiO4+x par des méthodes de diffraction in situ, réalisées sur des monocristaux dans une cellule électrochimique spécifiquement conçue, explorant principalement le rayonnement synchrotron. Ceci a permis d’explorer en 3D tout le réseau réciproque, et d'obtenir des informations précieuses sur la diffusion diffuse, sur les faibles intensités des raies de surstructure, ainsi que des informations sur la fraction volumique des différents domaines de maclage au cours de la réaction, impossibles à accéder par diffraction de poudre.Les deux systèmes montrent des changements structuraux complexes, accompagnés par une mise en ordre de l'oxygène à longue portée. Au cours de l'intercalation d'oxygène nous avons mis en évidence deux phases intermédiaires, SrFeO2.75 et SrFeO2.875, possédant des lacunes en oxygène ordonnées à longue échelle. En raison du maclage, avec jusqu'à douze possibles individus, nous avons suivi directement la formation et l'évolution des domaines de maclage ainsi que leur micro-structure apparentée. Nous avons ainsi observé un mécanisme de réaction topotactique pour SrFeO2.5 vers SrFeO2.75, tandis que l'oxydation de SrFeO2.75 conduit à des importants réarrangements de l’oxygène, associés à un changement de nombre de domaines de maclage. La réduction électrochimique de la phase orthorhombique Pr2NiO4.25 donne Pr2NiO4.0 comme produit final, ayant la même symétrie, tandis que la phase tétragonale Pr2NiO~4.12 apparaît comme phase intermédiaire. Utilisant un monocristal avec un diamètre de 50 microns, la réaction se déroule dans des conditions d'équilibre dans moins que 24 heures, ce qui implique un coefficient de diffusion de l’oxygène anormalement élevé, supérieur à 10-^11cm2*s-1 à température ambiante. Nous avons également étudié le diagramme de phase de Pr2NiO4.25 sur monocristal jusqu’à 1100°C en chauffant sous air. Une série complexe de transition de phases a été mise en évidence, la vraie symétrie de Pr2NiO4.25 s’avérée en fait monoclinique.Outre l'exploration des diagrammes de phases complexes de SrFeO2.5+x et Pr2NiO4+d, nous avons pu étudier les changements détaillés concernant la micro-structure à l'aide de diffraction sur monocristaux in situ, impossible à accéder par des méthodes de diffraction de poudre classique. Les changements de la micro-structure des domaines va bien au-delà des composés étudiés ici et porte une grande importance pour extrapoler sur la performance, la stabilité et la durée de vie par exemple des matériaux utilisés pour le stockage de l’énergie. / Understanding fundamental aspects of oxygen diffusion in solid oxides at moderate temperatures, down to ambient, is an important issue for the development of a variety of technological devices in the near future. This concerns e.g. the progress and invention of next generation solid oxygen ion electrolytes and oxygen electrodes for solid oxide fuel cells (SOFC) as well as membrane based air separators, oxygen sensors and catalytic converters to transform e.g. NOx or CO from exhaust emissions into N2 and CO2. On the other hand oxygen intercalation reactions carried out at low temperatures present a powerful tool to control hole doping, i.e. the oxygen stoichiometry, in electronically correlated transition metal oxides. In this aspect oxides with Brownmillerite (A2BB’O5) and K2NiF4-type frameworks, have attracted much attention, as they surprisingly show oxygen mobility down to ambient temperature. In this thesis we investigated oxygen intercalation mechanisms in SrFeO2.5+x as well as Pr2NiO4+x by in situ diffraction methods, carried out on single crystals in especially designed electrochemical cell, mainly exploring synchrotron radiation. Following up oxygen intercalation reactions on single crystals is challenging, as it allows to scan the whole reciprocal lattice, enabling to obtain valuable information as diffuse scattering, weak superstructure reflections, as well as information of the volume fraction of different domains during the reaction, to highlight a few examples, difficult or impossible to access by powder diffraction. Both title systems are able to take up an important amount of oxygen on regular and interstitial lattice sites, inducing structural changes accompanied by long range oxygen ordering. For SrFeO2.5+x the uptake of oxygen carried out by electrochemical oxidation yields SrFeO3 as the final reaction product. The as grown SrFeO2.5 single crystals we found to show a complex defect structure, related to the stacking disorder of the octahedral and tetrahedral layers. During the oxygen intercalation we evidenced the formation of two reaction intermediates, SrFeO2.75 and SrFeO2.875, showing complex and instantly formed long range oxygen vacancies. Due to the specific twinning with up to totally twelve possible twin individuals, we directly follow up the formation and changes of the specific domain and related micro-structure. We thus observed a topotactic reaction mechanism from SrFeO2.5 to SrFeO2.75, while further oxidation lead to important rearrangements in the dimensionality of the oxygen defects in SrFeO2.75, implying the formation of an additional twin domain in course of the reaction. The electrochemical reduction of orthorhombic Pr2NiO4.25 yields stoichiometric Pr2NiO4.0 as the final reaction product with the same symmetry, while tetragonal Pr2NiO~4.12 appears as a non-stoichiometric intermediate phase. Using a single crystal with 50µm diameter, the reaction proceeded under equilibrium conditions in slightly less than 24h, implying an unusually high oxygen ion diffusion coefficient of > 10^-11cm2*s-1 at already ambient temperature. From the changes of the associated twin domain structure during the reduction reaction, the formation of macro twin domains was evidenced. Heating up Pr2NiO4.25 single crystals in air revealed a complex series of phase transition, evidencing the true symmetry of the starting phase to be in fact monoclinic. Beside exploring the complex phase diagrams of SrFeO2.5+x and Pr2NiO4+d we were able to investigate detailed changes in the micro-structure using in situ single crystal diffraction techniques, impossible to access by classical powder diffraction methods. The importance of changes in the domain structure goes far beyond the investigated title compounds and has utmost importance of the performance, stability and lifetime of e.g. battery materials.

Selon l’hypothèse d’idéalité de Flory, les chaînes de polymères flexibles à l’état fondu se présentent sous la forme de marches aléatoires à trois dimensions, aussi appelées pelotes gaussiennes. Cette hypothèse suppose que toute information relative à la conformation locale subit une décroissance exponentielle le long de la chaîne principale et, par conséquent, n’a aucune influence sur la conformation à grande échelle. De plus, il est avancé que l’écrantage du volume exclu par les chaînes voisines compense tout effet de gonflement. Des expériences de diffusion neutronique (DN) effectuées il y a une trentaine d’années confirment que les polymères adoptent bien des configurations gaussiennes. S’ensuit l’un des piliers de la théorie des polymères : En solution ”suffisamment dense” tout polymère flexible peut être décrit comme une marche aléatoire à trois dimensions, indépendamment de sa structure chimique, et ce, après un rééchelonnage adéquat. Les progrès réalisés dans les domaines des techniques de simulation et de la puissance informatique ont rendu possible l’étude de chaînes très longues. Ceci a permis d’observer de plus près la structure des chaînes de polymère à l’état fondu et révélé une déviation par rapport à la chaîne idéale. Jusqu’à présent, la déviation par rapport à la structure gaussienne a uniquement été étudiée dans le cas de modèles à gros grains, par simulation et calcul analytique. La présente thèse cherche à vérifier si ces déviations peuvent également être mesurées à l’aide de simulations atomistiques réalistes et d’expériences de DN modernes. / The Flory ideality hypothesis states that flexible polymer chains in a melt assume the shape of three-dimensional random walks leading to so called Gaussian coils. The basis of this hypothesis is that any local conformational information decays exponentially along the chain backbone and thus has no influence on the long range conformation. Additionally it is argued that the excluded volume shielding of neigbor chains cancels out any swelling effects. Neutron scattering (NS) experiments dating back 30 years confirm the postulated Gaussian coil shape of polymers. This leads to a pillar of polymer theory: Any flexible polymer can be described as a three-dimensional random walk. Advances in simulation technics and computing power have opened the door to the possibility of studing very long chains. This allowed for a closer look at the chain structure of polymer melts and revealed deviations from ideality. This deviation is very slight and thus great care must be taken to distinguish it from noise. So far the deviation from the Gaussian coil structure was only studied for coarse-grained models. The scope of this thesis is to explore if these deviations are also measurable in atomistically realistic simulations and modern day NS experiments.

Pour la conception des cœurs de réacteurs de 4ème génération, une précision accrue est requise pour les calculs des différents paramètres neutroniques. Les ressources mémoire et le temps de calcul étant limités, une solution consiste à utiliser des méthodes de raffinement de maillage afin de résoudre l'équation de transport des neutrons. Le flux neutronique, solution de cette équation, dépend de l'énergie, l'angle et l'espace. Les différentes variables sont discrétisées de manière successive. L'énergie avec une approche multigroupe, considérant les différentes grandeurs constantes sur chaque groupe, l'angle par une méthode de collocation, dite approximation Sn. Après discrétisation énergétique et angulaire, un système d'équations hyperboliques couplées ne dépendant plus que de la variable d'espace doit être résolu. Des éléments finis discontinus sont alors utilisés afin de permettre la mise en place de méthodes de raffinement dite hp. La précision de la solution peut alors être améliorée via un raffinement en espace (h-raffinement), consistant à subdiviser une cellule en sous-cellules, ou en ordre (p-raffinement) en augmentant l'ordre de la base de polynômes utilisée.Dans cette thèse, les propriétés de ces méthodes sont analysées et montrent l'importance de la régularité de la solution dans le choix du type de raffinement. Ainsi deux estimateurs d'erreurs permettant de mener le raffinement ont été utilisés. Le premier, suppose des hypothèses de régularité très fortes (solution analytique) alors que le second utilise seulement le fait que la solution est à variations bornées. La comparaison de ces deux estimateurs est faite sur des benchmarks dont on connaît la solution exacte grâce à des méthodes de solutions manufacturées. On peut ainsi analyser le comportement des estimateurs au regard de la régularité de la solution. Grâce à cette étude, une stratégie de raffinement hp utilisant ces deux estimateurs est proposée et comparée à d'autres méthodes rencontrées dans la littérature. L'ensemble des comparaisons est réalisé tant sur des cas simplifiés où l'on connaît la solution exacte que sur des cas réalistes issus de la physique des réacteurs.Ces méthodes adaptatives permettent de réduire considérablement l'empreinte mémoire et le temps de calcul. Afin d'essayer d'améliorer encore ces deux aspects, on propose d'utiliser des maillages différents par groupe d'énergie. En effet, l'allure spatiale du flux étant très dépendante du domaine énergétique, il n'y a a priori aucune raison d'utiliser la même décomposition spatiale. Une telle approche nous oblige à modifier les estimateurs initiaux afin de prendre en compte le couplage entre les différentes énergies. L'étude de ce couplage est réalisé de manière théorique et des solutions numériques sont proposées puis testées. / The different neutronic parameters have to be calculated with a higher accuracy in order to design the 4th generation reactor cores. As memory storage and computation time are limited, adaptive methods are a solution to solve the neutron transport equation. The neutronic flux, solution of this equation, depends on the energy, angle and space. The different variables are successively discretized. The energy with a multigroup approach, considering the different quantities to be constant on each group, the angle by a collocation method called Sn approximation. Once the energy and angle variable are discretized, a system of spatially-dependent hyperbolic equations has to be solved. Discontinuous finite elements are used to make possible the development of $hp-$refinement methods. Thus, the accuracy of the solution can be improved by spatial refinement (h-refinement), consisting into subdividing a cell into subcells, or by order refinement (p-refinement), by increasing the order of the polynomial basis.In this thesis, the properties of this methods are analyzed showing the importance of the regularity of the solution to choose the type of refinement. Thus, two error estimators are used to lead the refinement process. Whereas the first one requires high regularity hypothesis (analytical solution), the second one supposes only the minimal hypothesis required for the solution to exist. The comparison of both estimators is done on benchmarks where the analytic solution is known by the method of manufactured solutions. Thus, the behaviour of the solution as a regard of the regularity can be studied. It leads to a hp-refinement method using the two estimators. Then, a comparison is done with other existing methods on simplified but also realistic benchmarks coming from nuclear cores.These adaptive methods considerably reduces the computational cost and memory footprint. To further improve these two points, an approach with energy-dependent meshes is proposed. Actually, as the flux behaviour is very different depending on the energy, there is no reason to use the same spatial discretization. Such an approach implies to modify the initial estimators in order to take into account the coupling between groups. This study is done from a theoretical as well as from a numerical point of view.

Afin d'exploiter au mieux son parc nucléaire, la R&D d'EDF est en train de développer une nouvelle chaîne de calcul pour simuler le cœur des réacteurs nucléaires avec des outils à l'état de l'art. Ces calculs nécessitent une grande quantité de données physiques, en particulier les sections efficaces. Dans la simulation d'un cœur complet, le nombre de valeurs des sections efficaces est de l'ordre de plusieurs milliards. Ces sections efficaces peuvent être représentées comme des fonctions multivariées dépendant de plusieurs paramètres physiques. La détermination des sections efficaces étant un calcul complexe et long, nous pouvons donc les précalculer en certaines valeurs des paramètres (caluls hors ligne) puis les évaluer en tous points par une interpolation (calculs en ligne). Ce processus demande un modèle de reconstruction des sections efficaces entre les deux étapes. Pour réaliser une simulation plus fidèle du cœur dans la nouvelle chaîne d'EDF, les sections efficaces nécessitent d'être mieux représentées en prenant en compte de nouveaux paramètres. Par ailleurs, la nouvelle chaîne se doit d'être en mesure de calculer le réacteur dans des situations plus larges qu'actuellement. Le modèle d'interpolation multilinéaire pour reconstruire les sections efficaces est celui actuellement utilisé pour répondre à ces objectifs. Néanmoins, avec ce modèle, le nombre de points de discrétisation augmente exponentiellement en fonction du nombre de paramètres ou de manière considérable quand on ajoute des points sur un des axes. Par conséquence, le nombre et le temps des calculs hors ligne ainsi que la taille du stockage des données deviennent problématique. L'objectif de cette thèse est donc de trouver un nouveau modèle pour répondre aux demandes suivantes : (i)-(hors ligne) réduire le nombre de précalculs, (ii)-(hors ligne) réduire le stockage de données pour la reconstruction et (iii)-(en ligne) tout en conservant (ou améliorant) la précision obtenue par l'interpolation multilinéaire. D'un point de vue mathématique, ce problème consiste à approcher des fonctions multivariées à partir de leurs valeurs précalculées. Nous nous sommes basés sur le format de Tucker - une approximation de tenseurs de faible rang afin de proposer un nouveau modèle appelé la décomposition de Tucker . Avec ce modèle, une fonction multivariée est approchée par une combinaison linéaire de produits tensoriels de fonctions d'une variable. Ces fonctions d'une variable sont construites grâce à une technique dite de décomposition en valeurs singulières d'ordre supérieur (une « matricization » combinée à une extension de la décomposition de Karhunen-Loève). L'algorithme dit glouton est utilisé pour constituer les points liés à la résolution des coefficients dans la combinaison de la décomposition de Tucker. Les résultats obtenus montrent que notre modèle satisfait les critères exigés sur la réduction de données ainsi que sur la précision. Avec ce modèle, nous pouvons aussi éliminer a posteriori et à priori les coefficients dans la décomposition de Tucker. Cela nous permet de réduire encore le stockage de données dans les étapes hors ligne sans réduire significativement la précision. / In order to optimize the operation of its nuclear power plants, the EDF's R&D department iscurrently developing a new calculation chain to simulate the nuclear reactors core with state of the art tools. These calculations require a large amount of physical data, especially the cross-sections. In the full core simulation, the number of cross-section values is of the order of several billions. These cross-sections can be represented as multivariate functions depending on several physical parameters. The determination of cross-sections is a long and complex calculation, we can therefore pre-compute them in some values of parameters (online calculations), then evaluate them at all desired points by an interpolation (online calculations). This process requires a model of cross-section reconstruction between the two steps. In order to perform a more faithful core simulation in the new EDF's chain, the cross-sections need to be better represented by taking into account new parameters. Moreover, the new chain must be able to calculate the reactor in more extensive situations than the current one. The multilinear interpolation is currently used to reconstruct cross-sections and to meet these goals. However, with this model, the number of points in its discretization increases exponentially as a function of the number of parameters, or significantly when adding points to one of the axes. Consequently, the number and time of online calculations as well as the storage size for this data become problematic. The goal of this thesis is therefore to find a new model in order to respond to the following requirements: (i)-(online) reduce the number of pre-calculations, (ii)-(online) reduce stored data size for the reconstruction and (iii)-(online) maintain (or improve) the accuracy obtained by multilinear interpolation. From a mathematical point of view, this problem involves approaching multivariate functions from their pre-calculated values. We based our research on the Tucker format - a low-rank tensor approximation in order to propose a new model called the Tucker decomposition . With this model, a multivariate function is approximated by a linear combination of tensor products of one-variate functions. These one-variate functions are constructed by a technique called higher-order singular values decomposition (a « matricization » combined with an extension of the Karhunen-Loeve decomposition). The so-called greedy algorithm is used to constitute the points related to the resolution of the coefficients in the combination of the Tucker decomposition. The results obtained show that our model satisfies the criteria required for the reduction of the data as well as the accuracy. With this model, we can eliminate a posteriori and a priori the coefficients in the Tucker decomposition in order to further reduce the data storage in online steps but without reducing significantly the accuracy.

La nécessité de simulations précises d’un réacteur nucléaire et spécialement dans des cas de cœurs et de configurations de combustible complexes, a imposé un usage accru de Codes Neutroniques Stochastiques (CNS). De plus, une demande a émergé pour des CNS à capacité inhérente d’estimation en continu de la variation de la composition isotopique du cœur ainsi qu’à couplage thermo-hydraulique optimisé. Des capacités supplémentaires sont exigées pour ces codes au vu de leur utilisation pour l’étude de nouveaux concepts de réacteur comme les Réacteurs Conduits par Accélérateur (RCA). Plus précisément, le réacteur hybride comprenant un réacteur nucléaire conventionnel et un accélérateur, nécessite l’analyse des deux composantes (réacteur – accélérateur) par un outil capable de couvrir le spectre énergétique neutronique extrêmement étendu qui caractérise ce système hybride.Ce travail présente les principales caractéristiques et capacités du nouveau CNS ANET (Advanced Neutronics with Evolution and Thermal hydraulic feedback) développé en collaboration du NCSR Demokritos (Grèce) avec CNRS/IDRIS et UPMC (France) et couvrant autant que possible les exigences exposées ci-dessus. ANET est basé sur la version ouverte du code PHE GEANT3.21 et est destiné à effectuer des analyses de cœurs de réacteurs conventionnels de génération II et III ainsi que des RCA. ANET est construit avec la capacité inhérentea) d’effectuer des calculs d’évolution du combustibleb) de simuler le processus de spallation dans le cas des RCAtout en tenant compte de la thermo-hydraulique du système.La version actuelle d’ANET utilise les trois estimateurs standard Monte Carlo pour le calcul du facteur de multiplication neutronique effectif (keff), soit l’estimateur de collision, celui d’absorption et celui de longueur de trace. Pour ce qui est du calcul du débit de fluence neutronique et des taux de réaction, les estimateurs de collision et de longueur de trace sont implémentés dans ANET suivant la procédure standard Monte Carlo. Pour ce qui concerne les calculs d’évolution (par exemple la consommation du combustible), une approche purement stochastique est implémentée dans ANET. A noter que la procédure usuelle consiste à coupler le code neutronique stochastique avec un code déterministe qui calcule la consommation du combustible. Pour les besoins d’analyse des RCA, le module INCL/ABLA a été incorporé dans ANET de façon à ce que le processus de spallation soit simulé par le code. La capacité d’ANET de simuler des configurations classiques a été démontrée en utilisant des résultats de mesures et des simulations de vérification effectuées en utilisant d’autres codes bien établis, ainsi qu’il est montré par la suite.Des données provenant de plusieurs installations et des analyses de problèmes-type internationaux ont été utilisés pour vérifier et valider les capacités d’ANET.Pour conclure, les résultats obtenus lors des comparaisons avec des mesures ou avec des simulations effectuées en utilisant d’autres codes neutroniques stochastiques ou déterministes, montrent qu’ANET possède la capacité de calculer correctement d’importants paramètres de systèmes critiques ou sous-critiques. Par ailleurs, l’application préliminaire d’ANET à des problèmes dépendant du temps fournit des résultats encourageants. ANET produit des estimations de consommation de combustible raisonnables, compte tenu que des incertitudes dans ce domaine sont souvent de l’ordre de 20% ou plus. Finalement, les performances du code dans le cas de KUCA montrent qu’ANET peut analyser des RCA de façon satisfaisante. / The necessity for precise simulations of a nuclear reactor especially in case of complex core and fuel configurations has imposed the increasing use of Monte Carlo (MC) neutronics codes. Besides, a demand of additional stochastic codes’ inherent capabilities has emerged regarding mainly the simulation of the temporal variations in the core isotopic composition as well as the incorporation of the T-H feedback. In addition to the above, the design of innovative nuclear reactor concepts, such as the Accelerator Driven System (ADSs), imposed extra requirements of simulation capabilities. More specifically, the combination of an accelerator and a nuclear reactor in the ADS requires the simulation of both subsystems for an integrated system analysis. Therefore a need arises for more advanced simulation tools, able to cover the broad neutrons energy spectrum involved in these systems.This work presents the main features and capabilities of the new MC neutronics code ANET (Advanced Neutronics with Evolution and Thermal hydraulic feedback), being developed in NCSR Demokritos (Greece) in cooperation with CNRS/IDRIS and UPMC (France) and intending to meet as effectively as possible the above described modelling requirements. ANET is based on the open-source version of the HEP code GEANT3.21 and is targeting to the creation of an enhanced computational tool in the field of reactor analysis, capable of simulating both GEN II/III reactors and ADSs. ANET is structured with inherent capability of (a) performing burnup calculations and (b) simulating the spallation process in the ADS analysis, while taking T-H feedback into account.The current ANET version utilizes the three standard Monte Carlo estimators for the neutron multiplication factor (keff) calculation, i.e. the collision estimator, the absorption estimator and the track-length estimator. Regarding the simulation of neutron fluence and reaction rates, the collision and the track-length estimators are implemented in ANET following the standard Monte Carlo procedure. For the burnup calculations ANET attempts to apply a pure Monte Carlo approach, adopting the typical procedure followed in stochastic codes. With respect to code improvements for the ADS analysis, so far ANET has incorporated the INCL/ABLA code so that the spallation process can be inherently simulated. The ANET reliability in typical computations was tested using observational data and parallel simulations by different codes as described in the following chapters.Various installations and international benchmarks were considered suitable for the verification and validation of all the previously mentioned features incorporated in the new code ANET. The obtained results are compared with experimental data from the nuclear infrastructures and with computations performed by well-established stochastic or deterministic neutronics codes and show satisfactory agreement with both measurements and independent computations, verifying thus ANET’s ability to successfully simulate important parameters of critical and subcritical systems. Also, the preliminary ANET application for dynamic analysis is encouraging since it indicates the code capability to inherently provide a reasonable prediction for the core inventory evolution taking into account the uncertainties of the order of 20% and even higher that are traditionally expected in core inventory evolution calculations. Lastly, the code performance in the KUCA case was found satisfactory demonstrating thus inherent capability of analyzing ADSs.

Le comportement des roches-réservoirs souterraines est un sujet important pour de nombreuses applications liées à la production d’énergie (extraction d’hydrocarbures, séquestration de CO2, ...). L'une des principales questions posées est celle de l'effet des déformations sur les propriétés de transfert hydraulique de la roche, en particulier en conditions saturées. En effet, la déformation des géomatériaux est rarement homogène en raison de conditions aux limites complexes et de sa tendance intrinsèque à se localiser. Cette non-uniformité spatiale de la déformation produit un champ de perméabilité hétérogène. Cela remet en question la validité (a) des méthodes traditionnelles d'analyse macroscopique et (b) des mesures établies principalement loin des zones de déformation localisée. Ainsi, pour améliorer la caractérisation des géo-matériaux, il est crucial d’avoir des mesures locales de la perméabilité, et de connaître la relation entre la déformation et la perméabilité, qui gouverne leur comportement hydraulique.Cette thèse porte sur l’étude du couplage hydromécanique des roches par tomographie aux neutrons et aux rayons X, ainsi que sur le développement de nouvelles méthodes d'analyse. Même si le recours à l'imagerie par rayons X en géosciences devient de plus en plus accessible, la détection directe des fluides a été très limitée en raison du faible contraste air/eau dans les géomatériaux. Contrairement aux rayons X, les neutrons sont très sensibles à l’hydrogène présent dans l'eau. La radiographie par neutrons permet donc d'obtenir des images où la détection du fluide est bien plus facile. De plus, les neutrons sont sensibles aux isotopes, ce qui veut dire que l’eau lourde et celle normale, qui ont des propriétés physico-chimiques proches, peuvent être distinguées avec une grande précision. Il faut noter que l’imagerie aux neutrons pour les roches est un domaine expérimental qui est essentiellement inexploré, ou limité à des études 2D d'échantillons secs, avec peu ou pas de contrôle sur les conditions aux limites.Dans le cadre de ce travail, nous avons conçu une nouvelle cellule triaxiale, avec un contrôle asservi, pour effectuer des expériences d'écoulement de fluides multiples dans un échantillon de roche saturé et chargé mécaniquement avec acquisition des données neutroniques en 4D. Une autre originalité du projet est l'utilisation d'installations d'imagerie neutroniques à haute performance (CONRAD-2 au Helmholtz Zentrum à Berlin et NeXT à l'Institut Laue-Langevin à Grenoble), profitant de la technologie de pointe et des lignes de faisceaux les plus puissantes du monde. Cela a permis d'acquérir des données à une fréquence optimale pour notre étude.Ce travail présente les résultats de plusieurs campagnes expérimentales couvrant une série de conditions initiales et de conditions aux limites relativement complexes. Pour quantifier le couplage hydromécanique local, nous avons appliqué un certain nombre de procédures de post-traitement standard et nous avons également développé un ensemble de méthodes de mesure, par exemple pour suivre le front d’eau et déterminer les cartes de vitesse 3D. Les résultats montrent que la vitesse du front d’eau entraîné par imbibition dans un échantillon sec est augmentée à l’intérieur d'une bande de cisaillement compactante, tandis que la vitesse d’écoulement entraîné par la pression est réduite dans les échantillons saturés, quelque soit la réponse volumétrique de la bande de cisaillement (compactante / dilatante). La nature des données 3D et des analyses s'est révélée essentielle dans la caractérisation du comportement mécanique complexe des échantillons et de la vitesse d'écoulement qui en résulte.Les résultats expérimentaux obtenus contribuent à la compréhension de l'écoulement dans les matériaux poreux sous chargement, garantissent la pertinence de l'analyse et permettent d’etablir une méthode expérimentale pour d'autres campagnes hydromécaniques in-situ. / The behaviour of subsurface-reservoir porous rocks is a central topic in resource engineering industry and has relevant applications for hydrocarbon and water production or CO2 sequestration. One of the key open issues is the effect of deformations on the hydraulic properties of the host rock, specifically in saturated environments. Deformation in geomaterials is rarely homogeneous because of the complex boundary conditions they undergo as well as for their intrinsic tendency to localise. This non uniformity of the deformation yields a non uniform permeability field, meaning that the traditional macroscopic analysis methods are outside their domain of validity. These methods are in fact based on measurements taken at the boundaries of a tested sample, under the assumption of internal homogeneity. At this stage, our understanding is in need of direct measurements of the local fluid permeability and its relationship with localiseddeformation.This doctoral dissertation focuses on the acquisition of such local data about the hydro mechanical properties of porous geomaterials in full-field, adopting neutron and x-ray tomography, as well as on the development of novel analysis methods. While x-ray imaging has been increasingly used in geo-sciences in the last few decades, the direct detection of fluid has been very limited because of the low air/water contrast within geomaterials. Unlike x-rays, neutrons are very sensitive to the hydrogen in the water because of their interaction with matter (neutrons interact with the atoms’ nuclei rather than with the external electron shell as x-rays do). This greater sensitivity to hydrogen provides a high contrast compared to the rock matrix, in neutron tomography images that facilitates the detection of hydrogen-rich fluids. Furthermore, neutrons are isotope-sensitive, meaning that water (H 2 0) and heavy water (D20), while chemically and hydraulically almost identical, can be easily distinguished in neutron imaging.The use of neutron imaging to investigate the hydromechanical properties of rocks is a substantially under-explored experimental area, mostly limited to 2D studies of dry, intact or pre-deformed samples, with little control of the boundary conditions. In thiswork we developed a new servocontrolled triaxial cell to perform multi-fluid flow experiments in saturated porous media, while performing in-situ loading and acquiring 4-dimensional neutron data.Another peculiarity of the project is the use of high-performance neutron imaging facilities (CONRAD-2, in Helmholtz Zentrum Berlin, and NeXT-Grenoble, in Institut Laue-Langevin), taking advantage of the world’s highest flux and cutting edge technology to acquire data at an optimal frequency for the study of this processes. The results of multiple experimental campaigns covering a series of initial and boundary conditions of increasing complexity are presented in this work.To quantify the local hydro-mechanical coupling, we applied a number of standard postprocessing procedures (reconstruction, denoising, Digital Volume Correlation) but also developed an array of bespoke methods, for example to track the water front andcalculate the 3D speed maps.The experimental campaigns performed show that the speed of the water front driven by imbibition in a dry sample is increased within a compactant shear band, while the pressure driven flow speed is decreased in saturated samples, regardless of the volumetric response of the shear band (compactant/dilatant). The 3D nature of the data and analyses has revealed essential in the characterization of the complex mechanical behaviour of the samples and the resultant flow speed.The experimental results obtained contribute to the understanding of flow in porous materials, ensure the suitability of the analysis and set an experimental method for further in-situ hydromechanical campaigns.

Cette tbese comprend une étude sur les composés AB2O6 qui ont attiré un large intérêt ces dernieres années grâce à leurs propriétés de magnétisme de basse dimensionalité. Pour mieux étudier les propriétes magnétiques et les parametres qui les influencent oous oous sommes appuyé sur une bonne connaissance de la stmcture cristalline. Tous les écbantillons ont été étudié par diffraction de rayons X (pression ambiante ou sous hautes pressions) et neutroDique (basse et/ou baute température). Nous avons également effectué d'autres caractérisations, telles que mesures de susceptibilité, de cbaleur spécifique et spectroscopie Mossbauer. Nous avons produit la série MnNb2_6 V 80 6 afio de faire varier les distances intercbaines magnétiques et donc la nature des interactions d'échanges. Ces composés sont intéressants pour préseoter une faible anisotropie et un couplage des moments magnétiques dans les chaines en zig-zag le long de l'axe c, ce qui leur confere un caractere unidimensionnel et un couplage antiferromagnétique entre les chames. Nous avons fait une comparaison avec le modele théorique de la chaine d'Heisenberg classique et obtenu des constantes d'échange intra et intercbatnes, J et J', et sa dépendance par rapport à la teneur 8. Ensuite, nous avons fait une étude des séries MnxAt-xNb206 avec A = Fe, Co et Ni. Notre but a été de vérifier comment la nature et la différence de rayons atomiques peuvent influer sur le comportement structural et magnétique de ces composés. Pour ceux qui n'ont pas présenté de mise en ordre magnétique à 1,5 K nous avons fait une étude des corrélations à courtes distances en utilisant le modele de Bertaut La mise en reuvre de synthese HP et HT nous a permis de stabiliser une phase Mn V 20 6 en symétrie orthorhombique et de mettre en jour ses propriétés physiques. Nous avons ensuite comparé avec le MnV 20 6 monoclinique et également avec le MnNb20 6 orthorhombique. Les comportements magnétiques des composés isostructuraux sont tres similaires mais dans le cas de MnNb20 6, les moments magnétiques forment des chaí'nes du type + - + - et dans la pbase Mo V 20 6 nous observons des cbalnes du type + + - -, stmct.ure inédite dans ces composés. / Esta tese compreende um estudo sobre os compostos AB2O6 que chamaram a atenção nos últimos anos graças às suas propriedades de magnetismo de baixa dimensionalidacle. Para melhor entender as propriedades magnéticas e os parâmetros que as influenciam, nos apoiamos no conhecimento da estrutura cristalina. Todas as amostras foram estudadas por difração de raios X (pressão ambiente e sob altas pressões) e de nêutrons (em baixa e em alta temperatura). Também fizemos outras caractetizações como medidas ele susceptibilidade magnética, calorespecífico e espectroscopia Mossbauer. A sé ti e MnNb2_6 V 60 6 foi produzida a fim de variar as distâncias entre as cadeias magnéticas e, com isso, a natureza das interações de troca. Estes compostos são interessantes por apresentarem baixa anisotropia, um acoplamento dos momentos magnéticos nas cadeias em zig-zag ao longo elo eixo c, conferindo-lhe o caráter unidimensional, e ainda um acoplamento antiferromagnético mais fraco entre as cadeias. É feita uma comparação com o modelo teórico de cadeia de Heisenberg clássica e são obtidas as constantes ele troca intra e intercadeias, J e J', e sua dependência em relação à ó. Em seguida, foi feito um estudo das séries MnxAt-xNb20 6 com A = Fe, Co e Ni, com o objetivo de verificar como a natureza e a diferença dos raios atômicos podem influenciar o comportamento estrutural e magnético destes compostos. Para aqueles que não apresentaram ordem magnética à l ,5 K, foi feito um estudo das conelações ele curta distância utilizando o modelo de Bertaut. Graças a síntese AP e AT conseguimos estabilizar o MnV 20 6 em simetria ortorrômbica e determinar suas propriedades físicas. Fizemos então uma comparação com o polimorfo monoclínico Mn V 206 e também com o composto ortonômbico MnNb20 6 . Os comportamentos magnéticos macroscópicos dos compostos isoestruturais são muito similares, porém no caso ela fase MnNb20 6, os momentos magnéticos formam cadeias elo tipo +- + - e na fase Mn V 20 6, as cadeias são do tipo + + - -, estrutura inédita, até então não observada nestes compostos. / This thesis comprises a study of tbe compounds of AB20 6 type that have attracted wide interest in recent years due to tbeir low-dimensional magnetism properties. To better understand tbeir magnetic properties and tbe parameters lhat influence it, we have relied on a good knowledge of lhe crystal stmcture. Ali samples were studied by X-ray diffraction (ambient pressure or under hlgh pressure) and neutron diffraction (low and/or high temperature). We also performed other cbaracterizations, such as magnetic susceptibility, specific heat and Mbssbauer spectroscopy measurements. We have produced tbe MnNb2_6 V 60 6 serie in order to vary the distances between magnetic interchains and thus the nature of lhe excbange interactions. Tbese compounds are interesting due to tbe presence of Jow anisotropy and a coupling of magnetic moments in zigzag cbains along the c-axis, whlch gives lhem a one-dimensional character, and ao antiferromagnetic coupling between cbains. We made a comparison wilh the theoretical modei of the classical Heisenberg chain and obtained the exchange constants intra- and inter-cbain, J and J', and its dependency on the content b. Then we made a study o f MnxA1_.,Nb20 6 series with A = Fe, Co and Ni. Our aim was to check how the nature and tbe difference in atomic radii can influence the stmctural and magnetic properties of tbese compounds. For those whlcb sbowed no magnetic ordering at 1.5 K we made a study of correlations at short distances using Bertaut's model. Thanks to tbe use of HP and HT synthesis we managed to stabilize MnV20 6 in orthorbombic symetry and determine its physical properties. We then performed a comparison witb the monoclinic MnV20G and with tbe 011horbombic MnNb206 compound as well. Macroscopic magnetic behaviour o f isostructural compounds are ve1y similar but in the case of MnNb20 6, the magnetic moments form + - + - type chains while the Mn V 20 6 presents cbains of + + - - type, a structure never observed before in tbis family o f compounds.

L’objectif de ce document est de présenter une étude sur la réaction de capture neutronique radiative du noyau instable du ¹⁷³Lu afin de déterminer sa section efficace (n,γ). Si globalement, pour les noyaux stables de nombreuses informations sont à disposition, il reste un véritable manque de données pour les noyaux radioactifs. La première partie de cette thèse se consacre à la présentation des différents formalismes impliqués dans le calcul d’une section efficace ainsi qu’à l’utilisation du code TALYS basé sur ces différents modèles. TALYS nous a permis d’évaluer la section efficace (n,γ) sur le ¹⁷³Lu en s’appuyant sur la connaissance de la réaction de capture sur le ¹⁷⁵Lu. Dans un deuxième temps, la section efficace (n,γ) sur le ¹⁷³Lu a été mesurée sur l’installation LANSCE avec le détecteur 4π DANCE. Cette expérience s’est révélée être un véritable défi tant pour la fabrication de la cible de ¹⁷³Lu que pour l’obtention de données dû à la grande radioactivité de cet isotope. Nous avons pu extraire des informations intéressantes comme le taux de capture total, identifier et caractériser de nouvelles résonances, déterminer des paramètres comme l’espacement moyen, les largeurs neutroniques et les largeurs γ ainsi que la valeur de la fonction densité. Tous ces nouveaux renseignements nous ont permis de reconstruire la section efficace (n,γ) sur le ¹⁷³Lu jusqu’à 200 eV. Grâce à ces différentes informations, nous avons estimé une correction à appliquer sur la section efficace évaluée par TALYS permettant in fine d’obtenir une nouvelle évaluation de cette quantité. La troisième partie de cette thèse est consacrée à apporter des informations supplémentaires sur la réaction ¹⁷³Lu(n,γ)¹⁷⁴Lu en utilisant la méthode de substitution. En premier lieu, nous avons testé la validité de cette méthode sur une réaction connue : ¹⁷⁵Lu(n,γ)¹⁷⁶Lu avec la réaction ¹⁷⁴Yb(³He,p)¹⁷⁶Lu puis dans un second temps nous avons regardé la réaction ¹⁷³Lu(n,γ)¹⁷⁴Lu avec la réaction ¹⁷⁴Yb(³He,t)¹⁷⁴Lu. Pour cela, la probabilité d’émission γ dans ces deux voies a été mesurée et comparée à un calcul TALYS. Cette comparaison a révélé de grandes disparités entre les réactions de transfert utilisées et les réactions induites par des neutrons. Notre investigation s’est alors orientée à regarder de plus près la distribution de spins du noyau composé formé. Celle-ci a pu être extraite grâce à un ajustement de la probabilité d’émission γ mesurée. Cette distribution montre que les réaction (³He,X) peuplent en réalité des spins beaucoup plus grands que ceux issus de la réaction (n,γ). La mesure des rapports des intensités de transitions γ corroborent aussi ce résultat même si les spins peuplés semblent être plus faibles. Cette expérience a mis clairement en évidence qu’une réaction induite par un faisceau d’³He ne pouvait pas se substituer à une réaction (n,γ). Tout au long de ce document, nous avons montré par différents aspects, à quel point il peut être difficile d’obtenir des informations sur les noyaux radioactifs tels que le ¹⁷³Lu et que pour le futur de nombreux défis tant expérimentaux que théoriques sont encore à relever. / This PhD report presents a study of radiative neutron capture reaction of the ¹⁷³Lu to determine the (n,γ) cross section. Contrary to stable nuclei for which a huge amount of data is available, there is a real lack of information for radioactive nuclei. The first part of this PhD focuses on the presentation of different formalisms involved in cross section calculations and on the use of TALYS code based on these models. TALYS allowed us to evaluate the (n,γ) cross section on ¹⁷³Lu with data from the capture reaction on the ¹⁷⁵Lu. In a second step, the (n,γ) cross section on ¹⁷³Lu was measured at the LANSCE facility with the 4π detector DANCE. This experience turned out to be a real challenge for both the target production of ¹⁷³Lu and for obtaining data due to the high radioactivity of this isotope. Interesting informations have been extracted such as the total capture yield, the identification and the characterization of new resonances, the determination of parameters like average spacing, neutron and γ widths and the value of the density function. All these new informations enabled us to reconstruct the (n,γ) cross section on ¹⁷³Lu up to 200 eV. We could then estimate a correction for the cross section evaluated by TALYS in order to obtain a new evaluation. The third part of this PhD deals with getting additionnal information on the ¹⁷³Lu(n,γ)¹⁷⁴Lu reaction by using the surrogate method. Firstly, this technique has been tested on a well-known reaction : ¹⁷⁵Lu(n,γ)¹⁷⁶Lu with the reaction ¹⁷⁴Yb(³He,p)¹⁷⁶Lu. Secondly, we studied the ¹⁷³Lu(n,γ)¹⁷⁴Lu reaction with the ¹⁷⁴Yb(³He,t)¹⁷⁴Lu reaction. The γ decay probability in different ways have been measured and compared with a TALYS calculation. This comparison showed large discrepancies between the transfer reactions and the reactions induced by neutrons. Then our investigation was focused on the spin distribution of the formed compound nucleus. It has been extracted thanks to a fit of the measured γ decay probability. This distribution has shown (³He,X) reactions populate much higher spins than observed in (n,γ) reactions. The measurement of the γ transitions intensities ratios also corroborates this result even if the mean value of the populated spins seem to be lower. This experiment clearly demonstrated a reaction induced by a ³He beam could not to be substituted to a (n,γ) reaction. Throughout this document, we have shown by different aspects on one hand, how it can be difficult to extract information on unstable nuclei such as ¹⁷³Lu and on the other hand that both experimental and theoretical challenges still remain for the future.