Le travail de thèse s'articule autour de deux études : étude de la réaction de spallation p+Au à 2.5 GeV et étude de la production neutronique en cibles épaisses. Ces deux études s'inscrivent dans un programme de recherche initié dans le cadre du projet de Source Européenne de Spallation (ESS) et du projet français de traitement des déchets radioactifs (GEDEON). A l'aide d'un dispositif expérimental très complet alliant un détecteur de neutrons à des détecteurs de particules chargées, tous deux d'efficacité supérieure à 80\%, nous avons pu étudier l'évolution du processus élémentaire de spallation en fonction de l'énergie déposée par le proton incident dans le noyau (énergie d'excitation). Nous avons ainsi montré le réalisme d'une description du processus en deux étapes et validé l'utilisation du code de cascade intra-nucléaire de J. Cugnon (INCL2.0) couplé à un code de désexcitation statistique (GEMINI). Les sections efficaces de production des particules chargées légères ont été mesurées et la contribution de l'émission de prééquilibre évaluée. La formation des particules composites ``directes'' a été ajoutée au code INCL2.0 à l'aide d'un modèle de coalescence. La production neutronique (multiplicités moyennes et distributions) a été étudiée en fonction de l'énergie du faisceau, de la géométrie de la cible et de la nature de la cible. Nous avons montré que le gain en neutrons, lorsque l'épaisseur de cible augmente, est dominé par la probabilité de réaction (pour des épaisseurs de cibles inférieures à 2 ou 3 longueurs d'interaction) et d'une façon moindre par le développement des réactions secondaires. Ces deux paramètres ont été étudiés séparément. Les données expérimentales ont été comparées aux résultats du code de transport HERMES, validant celui-ci pour l'émission de neutrons.

Lors d'une collision entre un nucléon et un noyau cible, différentes réactions peuvent se produire, comme les diffusions élastique et inélastique du nucléon, l'échange de charge ... Afin de décrire ces réactions, différents modèles sont utilisés : les modèles de réactions directes, de pré-équilibre et de noyau composé. Le but de ce travail de thèse est d'étudier dans une approche quantique sans paramètre ajustable, les réactions directes et de pré-équilibre pour des diffusions de nucléons sur des noyaux à couches fermées. Une première étude concerne les réactions directes : nous décrivons les diffusions de nucléons en utilisant la matrice-G de Melbourne, représentant l'interaction entre le projectile et un nucléon de la cible, et les fonctions d'onde RPA qui décrivent les états du noyau cible. Cette approche est entièrement microscopique : aucun paramètre ajustable n'est utilisé. Dans la seconde étude, nous nous concentrons sur la diffusion inélastique de nucléons pour de grands transferts d'énergie, processus pour lequel le mécanisme de pré-équilibre prend de l'importance. Différents modèles ont été développés dans la passé pour tenir compte du mécanisme de pré-équilibre. Ils sont basés sur le développement de Born de l'amplitude de transition associée au processus inélastique et utilisent différentes hypothèses qui n'ont jamais vraiment été vérifiées. Nous avons réalisé quelques comparaisons de sections efficaces du second ordre calculées avec et sans les approximations invoquées par ces modèles. Ces études nous permettent de critiquer certaines de ces approximations et de définir quelques directions en vue d'améliorer les modèles quantiques de pré-équilibre.