“Acid-spike” effect in spurs/tracks of the low/high linear energy transfer radiolysis of water : potential implications for radiobiology and nuclear industry

Résumé : Les ions hydronium (H3O + ) sont formés, à temps courts, dans les grappes ou le long des trajectoires de la radiolyse de l'eau par des rayonnements ionisants à faible transfert d’énergie linéaire (TEL) ou à TEL élevé. Cette formation in situ de H3O + rend la région des grappes/trajectoires du rayonnement temporairement plus acide que le milieu environnant. Bien que des preuves expérimentales de l’acidité d’une grappe aient déjà été signalées, il n'y a que des informations fragmentaires quant à son ampleur et sa dépendance en temps. Dans ce travail, nous déterminons les concentrations en H3O + et les valeurs de pH correspondantes en fonction du temps à partir des rendements de H3O + calculés à l’aide de simulations Monte Carlo de la chimie intervenant dans les trajectoires. Quatre ions incidents de différents TEL ont été sélectionnés et deux modèles de grappe/trajectoire ont été utilisés : 1) un modèle de grappe isolée "sphérique" (faible TEL) et 2) un modèle de trajectoire "cylindrique" (TEL élevé). Dans tous les cas étudiés, un effet de pH acide brusque transitoire, que nous appelons un effet de "pic acide", est observé immédiatement après l’irradiation. Cet effet ne semble pas avoir été exploré dans l'eau ou un milieu cellulaire soumis à un rayonnement ionisant, en particulier à haut TEL. À cet égard, ce travail soulève des questions sur les implications possibles de cet effet en radiobiologie, dont certaines sont évoquées brièvement. Nos calculs ont ensuite été étendus à l’étude de l'influence de la température, de 25 à 350 °C, sur la formation in situ d’ions H3O + et l’effet de pic acide qui intervient à temps courts lors de la radiolyse de l’eau à faible TEL. Les résultats montrent une augmentation marquée de la réponse de pic acide à hautes températures. Comme de nombreux processus intervenant dans le cœur d’un réacteur nucléaire refroidi à l'eau dépendent de façon critique du pH, la question ici est de savoir si ces fortes variations d’acidité, même si elles sont hautement localisées et transitoires, contribuent à la corrosion et l’endommagement des matériaux.

Amélioration de la représentation des processus stochastiques pour l'optimisation appliquée à la gestion des systèmes hydriques

Dans un contexte de pression toujours plus grande sur les ressources naturelles, une gestion rationnelle des ressources hydriques s'impose. La principale difficulté de leur gestion provient du caractère aléatoire des apports en eau dans le système. Le sujet de cette recherche consiste à développer des méthodes d'optimisation stochastique capable de bien représenter les processus aléatoires. Le cas de Kemano, située en Colombie-Britannique (Canada), illustre les travaux de recherche. L'importante accumulation de neige sur les bassins versants engendre une hydrologie complexe, rendant la gestion du système délicate. La programmation dynamique stochastique est la méthode la plus utilisée pour déterminer la politique de gestion des réservoirs. Mais, son étude fait ressortir que cette méthode ne peut gérer que des modèles simplifiés des processus stochastiques, ne rendant pas compte des complexes corrélations spatio-temporelles des apports hydriques. Ainsi, la politique obtenue peut être de mauvaise qualité. Cette méthode est comparée avec la recherche directe de politique qui n'utilise pas de modèles pour représenter les processus stochastiques, mais évalue la politique sur des scénarios d'apports. Ainsi la recherche directe de politique se révèle globalement plus performante en prenant bien en considération la complexité des apports, mais est limitée par la forme prédéterminée de la politique. De plus, l'optimisation des paramètres en utilisant un algorithme évolutionnaire s'avère lente. La conception d'un algorithme de descente par gradient, combinée à une architecture "acteur-critique" appropriée, permet de réduire notablement le temps d'optimisation. Combinée à une fonction plus complexe employée pour la paramétrisation de la politique de gestion, la méthode permet d'obtenir une politique de qualité significativement supérieure à celle obtenue avec la programmation dynamique stochastique. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie à une application opérationnelle de la méthode de recherche directe de politique. L'évaluation en simulation devrait être appréciée des opérateurs en permettant une bonne représentation du système et des apports.

Détermination des niches écologiques du phytoplancton à partir de données in situ du lac Montjoie

Le rôle central du phytoplancton à la base de la chaîne trophique aquatique motive une compréhension étayée des facteurs pouvant faire varier les populations et la composition des populations de phytoplancton. Cette compréhension est d'autant plus importante dans le contexte actuel, puisque nous savons que l'humain influence le climat et les milieux aquatiques par sa présence et ses activités. Nous tentons donc, dans notre étude, de déterminer les variables environnementales importantes qui dictent les changements de taille et de composition de la communauté de phytoplancton à l'échelle d'un lac et d'en déduire les niches réalisées des différentes espèces du lac. L'utilisation d'une station mobile de manière verticale dans le lac Montjoie (Saint-Denis-de-Brompton) a permis de collecter des données in situ à haute fréquence et résolution temporelle caractérisant la colonne d'eau. Combinée à ces mesures, une banque de données sur l'abondance de différentes catégories de phytoplancton a été créée à l'aide d'un cytomètre en flux imageur (IFCB) et d'un programme de reconnaissance d'images qui lui est associé. En combinant ces données nous avons déterminé que la température moyenne au-dessus de la thermocline et que la profondeur limite de chlorophylle (2 écarts-types sous le maximum de chlorophylle) étaient les 2 variables (parmi les variables mesurées) les plus appropriées pour déterminer les niches réalisées de nos catégories de phytoplancton. À l'aide de ces 2 variables, nous avons pu déterminer les niches réalisées d'une trentaine de catégories présentes dans notre lac. Les niches ont été déterminées à la fois sur les données d'abondance et sur les données de taux de croissance nette à l'aide de deux méthodes différentes, soit l'analyse canonique des correspondances (CCA) et la maximisation de l'entropie d'information (MaxEnt). Ce sont finalement les niches déterminées avec les taux de croissance nette qui sont les plus pertinentes. Les deux méthodes ont donné des résultats semblables, mais c'est MaxEnt qui est la plus versatile pour l'ajout de nouvelles variables explicatives et c'est donc celle-ci que nous privilégierons dans le futur.

Évaluation de l’état des dalles en béton armé enterrées

Dans le souci d’améliorer le réseau de distribution de l'énergie électrique, tout en maintenant l'intégrité de certains sites urbains protégés, plusieurs municipalités du Québec ont choisi d’enfouir leurs fils électriques. Ce type d’installation requiert des chambres de raccordement souterraines afin de réaliser l’entretien du réseau et le câblage. Ces chambres sont typiquement placées à tous les 300 mètres du réseau et sont généralement recouvertes d’épaisseurs de remblai allant de 0,6 m à 1m. L’un des principaux problèmes affectant l’état structural de ces chambres est la dégradation du béton de la surface externe de celles-ci. Dans certains cas, la dégradation peut atteindre une portion non négligeable de l’épaisseur de la dalle, jusqu’à en causer l’effondrement. En plus de présenter un danger pour la population, ces effondrements entraînent des coûts d’entretien élevés pour les propriétaires d’ouvrages. En outre, ces chambres sont difficiles à inspecter par l’intérieur. Cette problématique est d’autant plus importante étant donné la grande quantité de chambres de raccordement souterraines construites par le passé. Dans ce contexte, Hydro-Québec a lancé un programme de recherche visant à faire l'évaluation par des techniques de contrôle non destructif de l’état du béton du toit des chambres de raccordement souterraines. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette étude. Le but de notre projet est d'évaluer les capacités de la technique du Géoradar à détecter l’endommagement du béton et, si possible, déterminer l’étendue en profondeur des dégradations dans le béton de ces dalles en béton armé enterrées. Ce mémoire de maîtrise présente la méthode proposée pour atteindre cet objectif. Des simulations numériques ont été réalisées, dans un premier temps, pour établir les limites de l'application Géoradar dans le cadre de notre problématique. Les résultats obtenus ont ensuite été confrontés à des essais réalisés sur des dalles réelles enterrées. Les travaux ont permis de montrer sans équivoque qu'avec le Géoradar, il est possible de déceler la dégradation au niveau des dalles enterrées, lorsque celles-ci se situaient à une profondeur maximale de 75 cm sous un sol de type sableux. Mais, il est encore difficile de pouvoir estimer l’étendue en profondeur de la dégradation, sans connaître l'état initial des dalles.

Étude et passivation des défauts introduits par la gravure de vias sur cellule photovoltaïque triple jonction

Malgré l'augmentation constante de l'efficacité des cellules photovoltaïques multi-jonctions destinées au photovoltaïque concentré, des pertes de performances subsistent à haute concentration solaire. Elles sont principalement causées par un ombrage excessif dû aux métallisations ou par effet Joule à cause de la résistance série. Une des solutions à ce problème est de reporter le contact métallique en face avant sur la face arrière grâce à des vias métallisés et isolés électriquement. Avec cette architecture, les pertes dues à l'effet Joule et à l'ombrage seront limitées et des gains en efficacité sont attendus. Toutefois, l'intégration de vias sur des cellules photovoltaïques triple jonction favorise la recombinaison électron-trou en surface et peut provoquer une perte de performances de ces dispositifs. Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués visant à étudier précisément cette problématique ainsi qu'à proposer des solutions pour limiter ces pertes. L'objectif est d'évaluer les pertes de performances de cellules photovoltaïques triple jonction suite à l'intégration de vias. Dans un second temps, l'objectif secondaire vise à limiter les pertes grâce à des traitements de passivation. Les résultats et solutions qu'apporte ce projet représentent une étape clé dans la réalisation de cette nouvelle architecture de contact électrique pour cellules photovoltaïques. En effet, les conclusions de ce projet de recherche permettent de valider la possibilité d'obtenir des gains en efficacité grâce à cette architecture. De plus, les procédés de microfabrication présentés dans ce projet de recherche proposent des solutions afin d'intégrer des vias sur ces hétérostructures tout en limitant les pertes en performances.

Cinétique de photolyse d’oxydes d’azote sous rayonnement UV

Le smog photochimique est un phénomène qui prend de l'ampleur dans les grandes villes industrialisées. Il est la cause de plusieurs maladies respiratoires. Son apparition provient majoritairement des polluants émis par les véhicules automobiles, soit les hydrocarbures et les oxydes d'azote. Le rayonnement du soleil interagit avec ces espèces chimiques et le dioxygène présent dans l'atmosphère pour mener à une production d'ozone troposphérique importante. L'ozone en basse altitude endommage les écosystèmes et est nocif pour la santé humaine. Le sujet de recherche est d'abord axé sur la réaction limitante du processus qui crée le smog photochimique : la photolyse du dioxyde d'azote. Quoique cette réaction est assez bien connue dans la littérature en phase gazeuse, les données expérimentales en phase condensée sont manquantes. Les travaux ont été effectués dans le but de combler le manque d'information à ce sujet. En premier lieu, les conditions optimales pour l'isolation du NO[indice inférieur 2] par matrice de gaz rare ont été déterminées. Par la suite, l'irradiation des échantillons du mélange NO[indice inférieur 2] et gaz rare a été effectuée. Par spectroscopie infrarouge à angle rasant, il a été possible de suivre l'évolution de la destruction des molécules de NO[indice inférieur 2] en fonction du temps. Différentes hypothèses sont émises afin d'interpréter les données de cinétique obtenues. Ces hypothèses sont alors testées à partir d'expériences sous-jacentes ou expliquées selon des principes théoriques. Finalement, un modèle exprimant le profil du champ électrique à l'intérieur de films minces a été construit. Ce modèle s'inspire des effets d'interférences observés par spectroscopie d'absorption-réflexion. En guise de conclusion, une proposition d'expérience pour supporter le modèle du champ électrique est décrite. La portée du modèle s'étend à tous les processus impliquant un rayonnement lumineux sur une surface réfléchissante. Bien qu'il serve principalement à expliquer le taux de photolyse observé dans le cadre du projet de maîtrise, le modèle est applicable à plusieurs spectroscopies en réflexion.

Caractéristiques d’antennes térahertz photoconductrices de type micro-ruban coplanaire

Ce projet de recherche a permis d'étudier l'émission d'un rayonnement térahertz (THz) par des antennes photoconductrices (PC) émettrices de type micro-ruban coplanaire. Ces antennes sont fabriquées sur substrats d'arséniure de gallium semi-isolant (GaAs-SI) ou sur ce même substrat ayant subit un traitement d'implantation ionique aux protons suivi d'un recuit thermique (GaAs:H). L'influence de ce procédé de fabrication sur les propriétés du matériau photoconducteur et sur les caractéristiques de l'antenne émettrice a été étudiée. Des mesures de photoconductivité résolue en temps effectuées sur les deux types de substrat montrent que le procédé d'implantation/recuit a eu pour effet de diminuer le temps de vie des photoporteurs de 630 ps à environ 4 ps, tandis que la mobilité n'est réduite que d'un facteur maximum de 1,6. Cette valeur de la mobilité des photoporteurs a par ailleurs été estimée à environ 100 cm$^2$/(V.s) pour le substrat GaAs:H. Les mesures électriques effectuées sur les antennes fabriquées sur les deux types de substrat montrent que le procédé d'implantation/recuit permet d'augmenter la résistivité de la couche active du dispositif d'un facteur 10 (elle passerait de 10$^{8}$ $\Omega$.cm pour le GaAs-SI à 10$^9$ $\Omega$.cm pour le GaAs:H). Les courbes courant-tension, en obscurité et sous illumination, de ces antennes suggèrent également que la densité de pièges profonds est fortement augmentée suite au traitement d'implantation/recuit. L'étude des caractéristiques des diverses antennes a permis de montrer l'intérêt de ce procédé de fabrication. Pour les antennes fabriquées sur GaAs:H, la largeur de bande est améliorée (elle atteint environ 3 THz) et l'amplitude du champ THz émis est augmentée par un facteur 1,4 (dans les mêmes conditions expérimentales). Le rapport signal/bruit des traces THz mesurées sur les antennes les plus performantes est $>$ 200. Une plus grande résistivité et une densité de pièges profonds plus élevée, permet d'appliquer de plus fortes tensions de polarisation sur ces antennes GaAs:H. Finalement, nos résultats ont montré que les améliorations des caractéristiques d'émission de ces antennes THz sont corrélées à la présence d'un champ électrique local plus élevé du coté de l'anode du dispositif.

Dégradation chimique de l’interface cathodique carbone-fonte de cellules de production d’aluminium

Les producteurs d’aluminium sont des acteurs majeurs dans l’économie du Québec. Le métal gris est apprécié pour sa légèreté et sa résistance à la corrosion. Bien qu’il possède des qualités indéniables, sa production consomme une quantité considérable d’électricité. L’amélioration de l’efficacité énergétique du procédé est donc primordiale d’un point de vue économique et environnemental. L’étude du contact électrique entre le carbone et la fonte à l’intérieur de l’ensemble cathodique fait partie de la liste des paramètres pour optimiser la consommation énergétique de la cellule Hall-Héroult. Ce contact doit offrir une résistance minimale au passage du courant nécessaire pour la réaction d’électrolyse. Au cours du temps, la qualité du contact se dégrade en raison de la transformation physique et chimique des matériaux. Cette thèse se concentre sur l’étude de la dégradation chimique de la surface de la fonte. La première partie étudie la pénétration des composés chimiques provenant du bain d’électrolyse à l’intérieur du bloc de carbone. Le gonflement sodique suit généralement la diffusion du sodium, un sous-produit de la réaction cathodique, et du bain. Le gonflement causé par le sodium a été mesuré directement à l’aide de LVDT alors que la diffusion du bain électrolytique a été déterminée par microtomographie à rayons X. La seconde partie évalue le mécanisme de la dégradation du contact électrique entre le carbone et la fonte. Des travaux en laboratoire ont été réalisés pour quantifier l’impact des paramètres d’opération. Les résultats obtenus ont été comparés par la suite à des échantillons industriels provenant de deux technologies pour évaluer leur degré de dégradation. Un modèle numérique a été calibré à partir de ces résultats pour estimer l’effet de la dégradation de la fonte sur la chute de voltage cathodique. Les résultats démontrent que les paramètres d’opération de la cellule d’électrolyse ont des effets sur la vitesse de pénétration des espèces chimiques dans le bloc de carbone. Un bain plus riche en sodium ou une densité de courant cathodique plus élevée augmente la vitesse de pénétration. La présence d’une nappe d’aluminium au démarrage de l’électrolyse au contraire divise le gonflement et la pénétration du bain de moitié. La vitesse de dégradation de la fonte suit la même tendance. De plus, une augmentation de température de 50 °C provoque une fusion partielle de la surface de la fonte. Ces résultats intégrés au modèle numérique montre que la dégradation du contact entre le carbone et la fonte augmente la chute de voltage cathodique mais aussi change la distribution du courant à la surface du bloc de carbone. La détermination du mécanisme de dégradation de la fonte par des essais en laboratoire combinée avec la pénétration des espèces chimiques constitue l’apport original de cette thèse et ceci permet d’éclaircir le processus d’évolution de ce contact électrique sous condition d’opération.