L'étude des états isomères est un outil important utilisé afin de recueillir des informations sur la structure des noyaux proches comme éloignés de la vallée de stabilité. Cette étude peut aussi être menée afin de comprendre le rôle des différents mécanismes de réaction dans le peuplement des états excités. Le dispositif expérimental associé au spectromètre LISE du GANIL nous a permis de mener à bien ce travail. Dans la première partie de ce travail, une expérience dont le but est l'observation et l'étude des isomères situés dans la région des noyaux riches en neutrons proches du 78Ni produits par fragmentation d'un faisceau de 86Kr est présentée. Dix états isomères de court temps de vie ont été mis en évidence et étudiés pour la première fois. Dans un deuxième temps, nous avons mené une étude sur le rôle du mécanisme de réaction sur le peuplement des niveaux excités pour différents spins et différentes énergies des noyaux produits par fragmentation d'un faisceau de 92Mo à 60 MeV/u. Lors de cette nouvelle expérience, les taux de production F d'isomères et les distributions en moment des fragments produits ont été mesurés. Une forte dépendance de F en fonction de la structure de l'isomère et du mécanisme de réaction a été observée pour la première fois aux énergies intermédiaires.

Pour le projet ALTO à l'IPN d'Orsay, comme pour d'autres laboratoires qui exploitent la technique ISOL pour produire des faisceaux radioactifs intenses et purs, il est crucial, lorsque des isotopes de courte durée de vie sont produits dans des cibles épaisses, de réaliser des cibles et des sources d'ions avec des bonnes propriétés de sortie et de haute efficacité. Ainsi les études de R&D sur les cibles et les sources d'ions sont très importantes pour l'optimisation de la production, la sélectivité et la sortie des isotopes d'intérêt. Ces études sont aussi nécessaires vers les futurs installations transnationales de recherche en physique nucléaire SPIRAL-2 et EURISOL. Le travail présent est consacré à la production d'isotopes de gallium riches en neutrons par la technique de cible épaisse ISOL reposant sur la photo-fission et l'ionisation de surface. Nous visons à l'étude de la structure nucléaire du 82,83,84Ge grâce à la désintegration bêta du 82,83,84Ga. Dans ce but, nous nous concentrons sur le développement d'une nouvelle source d'ionisation de surface faite de matériaux à haute fonction de travail comme le Re et l'Ir. Un code C++ a été construit pour simuler l'efficacité d'ionisation de la source pour des surfaces différentes (des matériaux différents et des dimensions différentes) et le résultat a été comparé avec une base de données expérimentales du CERN. Le code peut être utilisé pour optimiser les dimensions de la source d'ions dans des agencements futurs. En même temps nous avons réalisé une expérience d'essai afin de mesurer l'efficacité d'ionisation du gallium dans des cavités de Re et Ir-Re. D'autre part, pour les études de structure nucléaire d'éléments réfractaires, comme le cobalt ou le nickel, pour lesquels on s'attend à ce qu'ils révèlent un trésor d'informations de structure intéressantes, la technique ISOL à cible épaisse n'est plus appropriée. En effet, le point de fusion élevé de ces éléments fait qu'ils se volatilisent et se libèrent difficilement d'une cible épaisse. Alors une technique basée sur des cibles minces s'avère nécessaire et le guide d'ions à laser, basé sur une cellule à gaz pour thermaliser, neutraliser et arrêter les produits de réaction reculants suivie d'une ionisation résonnante laser pour les re-ioniser sélectivement, semble un bon choix. Cependant, afin de déterminer si la technique convient pour ALTO, nous devons répondre à la question quant au taux d'ionisation du gaz tampon par le faisceau primaire ainsi que les charges secondaires? Autrement dit, quel est le taux de production de paires ion-électron dans la cellule à gaz? En effet, un taux d'ionisation trop grand empêche l'extraction efficace des ions d'intérêt du guide d'ions à laser. Pour répondre à cette question, nous avons construit un code basé sur Geant-4 pour simuler l'ionisation du gaz tampon. En outre, dans un mouvement vers le projet SPIRAL-2 au GANIL, où la fission de l'238U sera induite par des neutrons produits dans un convertisseur carbonique depuis un faisceau de deutons, nous avons écrit un code Geant-4 pour simuler la production de neutrons, la fission induite par neutron et le dépôt d'énergie dans une cellule à gaz de dimensions semblables à la cellule proposée pour ALTO.

Les réacteurs `a neutrons rapides refroidis au sodium `a cycle uranium 238/plutonium 239, dont la faisabilité technique a déj`a ´et´e ´eprouv´ee, permettent de s'affranchir du prob- lème des ressources d'uranium naturel en r´ealisant la r´eg´en´eration de l'´elément fissile du combustible. En outre, une gestion des déchets visant `a réduire la production et la ra- diotoxicité des actinides mineurs produits par le réacteur peut ˆetre mise en oeuvre en transmutant les AM en coeur (transmutation homog`ene). Une autre alternative pour min- imiser les d´echets est l'utilisation d'un autre couple fertile-fissile : le thorium 232 et l'ura- nium 233 (Th/U). La comparaison des deux cycles est men´ee sur les aspects neutroniques et la sˆuret´e et sur la production de d´echets, en utilisant un Monte Carlo ´evoluant. Con- cernant la radiotoxicit´e des d´echets, mˆeme si on ne d´egage pas v´eritablement d'avantages clairs pour un cycle ou l'autre, le cycle Th/U r´eduit la radiotoxicit´e durant les p´eriodes o`u elle est la plus ´elev´ee. La transmutation homog`ene r´eduit significativement, pour les deux cycles, la radiotoxicit´e des d´echets, de facteurs variables selon la p´eriode de temps consid- ´er´e. Toutefois, elle se fait au d´etriment d'une augmentation importante de l'inventaire des AM dans le coeur. Si l'on consid`ere la fin de jeu, l'inventaire du coeur du r´eacteur devient alors un d´echet. Le gain apport´e par la transmutation, en prenant en compte `a la fois la radiotoxicit´e du coeur et des d´echets cumul´es, sera quantifi´e, et montre que la transmuta- tion n'offre pas de gain consid´erable si l'incin´eration des ´el´ements fissiles principaux (Pu ou U selon le cycle) n'est pas mise en oeuvre lors de l'arrˆet de la fili`ere.

Cette thèse comporte 3 parties. 1. Matière nucléaire: Les propriétés de la matière nucléaire sont examinées à l'aide d'interactions effectives de portée finnie, soit dérivées de la théorie de Brueckner (interactions de type M3Y), soit purement phénoménologiques (forces de Gogny). Le but de ce travail est d'établir un lien entre l'interaction nucléon-nucléon nue et les propriétés de la matière nucléaire à travers la matrice G de Brueckner paramétrisée sous la forme M3Y. La discussion est concentrée sur les principaux aspects suivants: la pression dans la matière nucléaire symmétrique et la matière de neutrons, la dépendance en densité de l'énergie de symmétrie, le refroidissement des étoiles à neutrons, le module d'incompressibilité de la matière nucléaire symmétrique et non symmétrique. 2. Structure des noyaux et de la croute interne des étoiles à neutrons: Nous présentons les approches Hartree-Fock (HF) et HF-BCS en espace de coor- données dans le cas des interactions de portée finie avec dépendance en densité dans les voies particule-trou et particule-particule. La méthode de résolution est exposée. Nous nous limitons à la symétrie sphérique. Les équations intégro-différentielles self- consistantes sont résolues par itération. Nous utilisons la méthode de Brueckner- Gammel-Weizner qui permet d'éviter d'avoir des pôles dans les potentiels locaux équivalents, contrairement µa la méthode de Vautherin-Vénéroni. Nous développons aussi une méthode alternative de résolution utilisant une base de fonctions de Bessel sphériques. Cette dernière méthode est utilisée pour traiter des grands systèmes tels que les cellules de Wigner-Seitz (WS) dans les étoiles à neutrons. Nous avons ainsi étudié, à l'aide des différentes interactions mentionnées plus haut, les noyaux doublement magiques, les isotopes de l'étain et l'éventualité de structures en bulle dans les noyaux 22O, 34Si, 46Ar et 68Ar. Nous présentons aussi la première étude des cellules de WS dans la croûte interne des étoiles à neutrons faite avec des forces de portée finie. Nous avons ainsi examiné les structures correspondant aux diverses régions de la croûte interne allant des densités les plus faibles jusqu'aux environs de la demi-densité de saturation nucléaire. 3. Réactions nucléaires: Utilisant de même les interactions effectives dérivées de M3Y nous avons procédé à l'analyse en voies couplées des réactions d'échange de charge (p; n) sur des cibles de 48Ca, 90Zr, 120Sn et 208Pb aboutissant aux états isobariques analogues, pour des protons d'énergies incidentes de 35 MeV et 45 MeV. Les facteurs de forme sont calculés soit microscopiquement par le modèle de convolution, soit à partir du potentiel optique global nucléon-noyau de la littérature. Nous avons d'abord déterminé la partie dépendante de la densité isovectorielle de l'interaction CDM3Y6 en nous basant sur le potentiel optique microscopique de Jeukenne, Lejeune et Mahaux, puis l'avons utilisée dans le modèle de convolution. Ceci nous a permis de tester la validité de la partie dépendante de la densité isovectorielle de la force CDM3Y6.

Les études relatives aux réacteurs nucléaires font appel `a plusieurs disciplines dont les principales sont la neutronique et la thermo-hydraulique. Les phénomènes physiques qui se déroulent dans le coeur d'une centrale nucléaire comme la réaction en chaîne des fissions nucléaires, le mouvement des fluides et les transferts de chaleur se couplent de manière forte et complexe. De part l'avancement des connaissances dans ces disciplines et la croissance massive de la puissance des ordinateurs, cette complexité phénoménologique peut aujourd'hui être simulée en des temps raisonnables. C'est pour cette raison que les codes de neutronique stochastiques, dits Monte Carlo, sont bien plus utilisés de nos jours que par le passé. Un grand intérêt de ce type de code probabiliste réside dans leur aptitude `a reproduire ”fidèlement” la réalit´e sans recours à des approximations de modélisation. C'est dans ce contexte que cette thèse a être initiée : coupler un code Monte Carlo de neutronique `a un code de thermo-hydraulique coeur afin d'assurer une description la plus précise possible des conditions de fonctionnement d'un coeur de réacteur nucléaire. Ces travaux s'inscrivent dans une démarche évolutionnaire motivée par les exigences accrues de la sˆuret´e, d'optimisation des ressources et de minimisation des déchets pour les systémes nucléaires du futur. Ce manuscrit présente la méthodologie employée pour le développement d'un couplage externe automatisé entre le code Monte Carlo MCNP et le code de thermo-hydraulique/thermique COBRA-EN. Cette recherche d'une meilleure performance et précision des outils de calcul s'accompagne de nouveaux types de problèmes physico-numériques `a résoudre, dont les principaux sont exposés dans ce mémoire. La validation du schéma couplé a été réalisée sur un cas très complexe de coeur de réacteur et a permis de prouver la robustesse des développements entrepris et la faisabilité d'un tel couplage.

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Les avancées récentes en physique nucléaire expérimentale permettent d'étudier les systèmes nucléaires a la limite de la vallée de stabilité. La découverte de nouveaux phénomènes, comme les halos et les peaux de neutrons, nécessite le développement de nouveaux outils théoriques permettant d'étudier ces systèmes. Le développement et les applications du modèle en couches avec couplages au continuum constituent la première partie de ce travail. Ce formalisme nouveau permet de prendre en compte les corrélations entre les états lies et les états de diffusion des noyaux faiblement liés. Nous l'avons applique a l'étude de la spectroscopie des noyaux miroir 8B- 8Li et 17F- 17O. Il permet également de calculer les sections efficaces de diffusion élastique, de dissociation coulombienne et de capture radiative. Nous présentons notamment les résultats concernant les réactions d'intérêt astrophysique : 16O(p,$\gamma$) 17F et 7Be(p,$\gamma$)8B. Cette dernière réaction est particulièrement importante pour la compréhension des modèles solaires car la désintégration du 8B fournit l'essentiel du flux de neutrinos solaires de haute énergie. La seconde partie de ce travail porte sur l'analyse de l'interaction d'appariement loin de la vallée de stabilité. Nous avons développé une approche, basée sur la méthode de Hartree-Fock-Bogolyubov (HFB), permettant d'étudier les corrélations d'appariement entre états liés et états de diffusion, résonnant ou non. Le potentiel particule-trou est remplacé par un potentiel dont les solutions sont connues analytiquement. Cette méthode permet d'analyser l'effet de l'appariement sur des états de particule liés ou résonnant situes à des énergies arbitraires. Nous avons ainsi pu démontrer que le continuum non résonnant peut jouer un rôle crucial dans les noyaux faiblement lies et que la résolutions des équations de HFB en base position est une des seule méthode permettant de traiter correctement ce problème.

La photoproduction de mésons sur le nucléon donne un accès direct à sa spectroscopie et constitue une voie privilégiée dans l'étude de la structure interne du nucléon. Ce mémoire présente et discute un certain nombre de résultats obtenus avec le dispositif expérimental GRAAL installé à l'ESRF de Grenoble.

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Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions.