The use of the ESS Bilbao installations for laser fusion studies

In this work the use of ESS-Bilbao fast neutron lines for irradiation of materials for nuclear fusion is studied. For the comparison of ESS-Bilbao with an inertial fusion facility a simplified model of HiPER chamber has been used. Several positions for irradiation at ESS-Bilbao have been also compared. The material chosen for the damage analysis is silica due to its importance on IFC optics. In this work a detailed comparison between the two facilities for silica irradiation is given. The comparison covers the neutron fluxes, doses, defect production and PKA spectra. This study is also intended as a methodological approach or guideline for future works on other materials.

Influencia del porcentaje de biodiésel en el rendimiento térmico de un motor diésel ligero ensayado en Tráfico real.

La utilización de biocombustibles derivados de aceites vegetales es una opción válida para contribuir a la reducción de emisiones de CO2 y extender la vida de los combustibles convencionales. El biodiésel (mezcla de ésteres metílicos de ácidos grasos) mezclado con gasóleo en motores diesel es una opción ya conocida, pero el análisis del comportamiento del motor en un vehículo ligero en tráfico real es aun un tema poco investigado. El objeto de esta ponencia es presentar la metodología de ensayo y los resultados obtenidos en un trabajo de investigación sobre el efecto que la variación del porcentaje de biodiesel en gasóleo tiene en las prestaciones del motor y su rendimiento térmico en tráfico urbano real. Las medidas se han realizado con equipos embarcados en un vehículo y utilizando el biodiesel producido en la Universidad de la Frontera en Temuco (Chile) mezclado en proporciones diferentes con gasóleo suministrado por Repsolypf, S.A., caracterizado en laboratorio. Los ensayos se han realizado en la ciudad de Madrid con un SEAT León TDI 2.0 con un solo conductor y aplicado dos estilos de conducción diferentes: agresiva y eficiente, caracterizadas según trabajos anteriores. Los resultados obtenidos en consumo de combustible no son los que cabía esperar en base al poder calorífico y la densidad de la mezcla, y no siguen los obtenidos en otras investigaciones realizadas en banco de pruebas. Para explicar esta discrepancia se aportan los resultados de un estudio de la energía aportada por el motor en cada instante seguido de una análisis estadístico de todo el volumen de datos obtenidos para presentar los resultados en una nueva forma que muestra cómo la potencia demandada en el vehículo es menor y el rendimiento térmico del motor diesel mejora al aumentar el porcentaje de biodiesel.

Intermediate band materials for more efficient solar energy use: quantum modelling and experimental realizations

The intermediate band (IB) solar cell (Fig. 1) has been proposed [1] to increase photovoltaic efficiency by a factor above 1.5, based on the absorption of two sub-bandgap photons to promote an electron across the bandgap. To realize this principle, that can be applied also to obtain efficient photocatalysis with sunlight, we proposed in recent years several materials where a metal or heavy element, substituting for an electropositive atom in a known semiconductor that has an appropriate band gap width (around 2 eV), forms inside the gap the partially filled levels needed for this aim

Nanotechnology for more efficient photovoltaics: the quantum dot intermediate band solar cell

The intermediate band solar cell [1] has been proposed as a concept able to substantially enhance the efficiency limit of an ordinary single junction solar cell. If a band permitted for electrons is inserted within the forbidden band of a semiconductor then a novel path for photo generation is open: electron hole pairs may be formed by the successive absorption of two sub band gap photons using the intermediate band (IB) as a stepping stone. While the increase of the photovoltaic (PV) current is not a big achievement —it suffices to reduce the band gap— the achievement of this extra current at high voltage is the key of the IB concept. In ordinary cells the voltage is limited by the band gap so that reducing it would also reduce the band gap. In the intermediate band solar cell the high voltage is produced when the IB is permitted to have a Quasi Fermi Level (QFL) different from those of the Conduction Band (CB) and the Valence Band (VB). For it the cell must be properly isolated from the external contacts, which is achieved by putting the IB material between two n- and p-type ordinary semiconductors [2]. Efficiency thermodynamic limit of 63% is obtained for the IB solar cell1 vs. the 40% obtained [3] for ordinary single junction solar cells. Detailed information about the IB solar cells can be found elsewhere [4].

Theoretical study of band alignment in nano-porous ZnO interacting with substituted Phthalocyanines

The aim of this work is the theoretical study of the band alignment between the two components of a hybrid organic-inorganic solar-cell. The working organic molecules are metal tetra-sulphonated phthalocyanines (M-Pc) and the inorganic material is nano-porous ZnO growth in the 001 direction. The theoretical calculations are being made using the density functional theory (DFT) using a GGA functional with the SIESTA code, which projects electron wave functions and density onto a real space grid and uses as basis set a linear combination of numerical, finite-range localized atomic orbitals. We also used the DFT+U method included in the code that allows a semi-empirical inclusion of electronic correlations in the description of electronic spectra for systems such as zinc oxide.

Diseño térmico preliminar del Instrumento PHI de Solar Orbiter

En este trabajo se describe el subsistema de control térmico de PHI y se presentan las predicciones de temperaturas obtenidas para los distintos casos de carga. Debido a la naturaleza de la órbita seguida por el satélite en el cual PHI va embarcado (Solar Orbiter), el ambiente en el cual va a tener que operar PHI será muy exigente, convirtiendo el diseño térmico en un auténtico desafío. Los resultados obtenidos muestran la viabilidad de PHI desde el punto de vista térmico, aunque indiscutiblemente el instrumento va a operar en un entorno térmico muy hostil.

Estudio de las emisiones de CO2 en una instalación de turbina de gas con diferentes combustibles

El uso de las turbinas de gas en ciclo combinado es una de las alternativas más aceptadas en los últimos tiempos. Existen muchas razones por las que se está investigando sobre la posibilidad de usar otro tipo de combustibles como alternativa al característico, gas natural (metano). Entre otras, se pueden citar: la evolución del precio y la disponibilidad en una zona de algún tipo de gas de síntesis [17] así como estrategias medioambientales y de emisiones [10], [18], [20]. En la bibliografía se encuentran estudios, en los que de forma rigurosa se establece la relación entre la eficiencia de una instalación, usando balances característicos del Segundo Principio de la Termodinámica, y aspectos muy diversos como análisis de los gases de combustión [14], posibilidad de recalentamiento de los gases [19], temperaturas de gasificación [23] y temperatura de llama [18] etc. Estos estudios siempre toman como combustible el metano. En este estudio se presenta un análisis de las emisiones de CO2 (toneladas emitidas) por energía eléctrica producida (MWh) en la instalación de turbina de gas en ciclo combinado usando como combustible los primeros elementos de los hidrocarburos alcanos desde el metano, que se toma como referencia, hasta el heptano. Esto permite la determinación de las emisiones para distintos combustibles con distintas composiciones. Como parámetros relacionados directamente con la eficiencia de la instalación, se han contemplado para cada combustible diferentes temperaturas de entrada a la turbina de gas y distintas relaciones de compresión. Finalmente se obtienen una serie de curvas que relacionan la eficiencia y las emisiones con el número de carbonos presentes en el combustible. El análisis realizado pretende ser un elemento de discusión, basado en aspectos puramente termodinámicos, para la toma de decisiones

Métodos para la estimación de la temperatura estática de la formación en yacimientos de petróleo y geotérmicos

Las empresas explotadoras de yacimientos de petróleo y geotérmicos diseñan y construyen sus instalaciones optimizándolas según dos características especialmente representativas: su temperatura y su presión. Por ello, tener información precisa sobre ambos aspectos lo antes posible puede permitir ahorros importantes en las inversiones en infraestructuras y también acortar los plazos de comienzo de explotación; ambos, aspectos esenciales en la rentabilidad del yacimiento. La temperatura estática de una formación es la temperatura existente antes del inicio de las tareas de perforación del yacimiento. Las operaciones de perforación tienen como objetivo perforar, evaluar y terminar un pozo para que produzca de una forma rentable. Durante estas tareas se perturba térmicamente la formación debido a la duración de la perforación, la circulación de fluidos de refrigeración, la diferencia de temperaturas entre la formación y el fluido que perfora, el radio, la difusividad térmica de las formaciones y la tecnología de perforación [7]. La principal herramienta para determinar la temperatura estática de formación son las medidas de temperaturas en los pozos. Estas medidas de temperatura se realizan una vez cesados los trabajos de perforación y circulación de fluidos. El conjunto de medidas de temperatura obtenidas es una serie de valores ascendentes, pero no llega a alcanzar el valor de la temperatura estática de la formación. Para estimar esta temperatura se plantean las ecuaciones diferenciales que describen los fenómenos de transmisión de calor en el yacimiento [14]. Estos métodos se emplean tanto en yacimientos geotérmicos como en yacimientos de petróleo indistintamente [16]. Cada uno de ellos modela el problema de transmisión de calor asociado de una forma distinta, con hipótesis simplificadoras distintas. Se ha comprobado que la aplicación de los distintos métodos a un yacimiento en concreto presenta discrepancias en cuanto a los resultados obtenidos [2,16]. En muchos de los yacimientos no se dispone de información sobre los datos necesarios para aplicar el método de estimación. Esto obliga a adoptar una serie de hipótesis que comprometen la precisión final del método utilizado. Además, puede ocurrir que el método elegido no sea el que mejor reproduce el comportamiento del yacimiento. En el presente trabajo se han analizado los distintos métodos de cálculo. De la gran variedad de métodos existentes [9] se han seleccionado los cuatro más representativos [2,7]: Horner (HM), flujo radial y esférico (SRM), de las dos medidas (TLM) y de fuente de calor cilíndrica (CSM). Estos métodos se han aplicado a una serie de yacimientos de los cuales se conoce la temperatura estática de la formación. De cada yacimiento se disponía de datos tanto de medidas como de las propiedades termo-físicas. Estos datos, en ocasiones, eran insuficientes para la aplicación de todos los métodos, lo cual obligo a adoptar hipótesis sobre los mismos. Esto ha permitido evaluar la precisión de cada método en cada caso. A partir de los resultados obtenidos se han formulado una colección de criterios que permiten seleccionar qué método se adapta mejor para el caso de un yacimiento concreto, de tal manera que el resultado final sea lo más preciso posible. Estos criterios se han fijado en función de las propiedades termo-físicas del yacimiento, que determinan el tipo de yacimiento, y del grado de conocimiento que se dispone del yacimiento objeto de estudio.

Research lines in Hyperthermia at the Bioinstrumentation Laboratory of the Centre for Biomedical Technology

The Bioinstrumentation Laboratory belongs to the Centre for Biomedical Technology (CTB) of the Technical University of Madrid and its main objective is to provide the scientific community with devices and techniques for the characterization of micro and nanostructures and consequently finding their best biomedical applications. Hyperthermia (greek word for “overheating”) is defined as the phenomenon that occurs when a body is exposed to an energy generating source that can produce a rise in temperature (42-45ºC) for a given time [1]. Specifically, the aim of the hyperthermia methods used in The Bioinstrumentation Laboratory is the development of thermal therapies, some of these using different kinds of nanoparticles, to kill cancer cells and reduce the damage on healthy tissues. The optical hyperthermia is based on noble metal nanoparticles and laser irradiation. This kind of nanoparticles has an immense potential associated to the development of therapies for cancer on account of their Surface Plasmon Resonance (SPR) enhanced light scattering and absorption. In a short period of time, the absorbed light is converted into localized heat, so we can take advantage of these characteristics to heat up tumor cells in order to obtain the cellular death [2]. In this case, the laboratory has an optical hyperthermia device based on a continuous wave laser used to kill glioblastoma cell lines (1321N1) in the presence of gold nanorods (Figure 1a). The wavelength of the laser light is 808 nm because the penetration of the light in the tissue is deeper in the Near Infrared Region. The first optical hyperthermia results show that the laser irradiation produces cellular death in the experimental samples of glioblastoma cell lines using gold nanorods but is not able to decrease the cellular viability of cancer cells in samples without the suitable nanorods (Figure 1b) [3]. The generation of magnetic hyperthermia is performed through changes of the magnetic induction in magnetic nanoparticles (MNPs) that are embedded in viscous medium. The Figure 2 shows a schematic design of the AC induction hyperthermia device in magnetic fluids. The equipment has been manufactured at The Bioinstrumentation Laboratory. The first block implies two steps: the signal selection with frequency manipulation option from 9 KHz to 2MHz, and a linear output up to 1500W. The second block is where magnetic field is generated ( 5mm, 10 turns). Finally, the third block is a software control where the user can establish initial parameters, and also shows the temperature response of MNPs due to the magnetic field applied [4-8]. The Bioinstrumentation Laboratory in collaboration with the Mexican company MRI-DT have recently implemented a new research line on Nuclear Magnetic Resonance Hyperthermia, which is sustained on the patent US 7,423,429B2 owned by this company. This investigation is based on the use of clinical MRI equipment not only for diagnosis but for therapy [9]. This idea consists of two main facts: Magnetic Resonance Imaging can cause focal heating [10], and the differentiation in resonant frequency between healthy and cancer cells [11]. To produce only heating in cancer cells when the whole body is irradiated, it is necessary to determine the specific resonant frequency of the target, using the information contained in the spectra of the area of interest. Then, special RF pulse sequence is applied to produce fast excitation and relaxation mechanism that generates temperature increase of the tumor, causing cellular death or metabolism malfunction that stops cellular division

Estimación de la Reflectividad del Multitrayecto en Entornos Urbanos en Radares de Apertura Sintética

Synthetic Aperture Radar (SAR) images a target region reflectivity function in the multi-dimensional spatial domain of range and cross-range. SAR synthesizes a large aperture radar in order to achieve finer azimuth resolution than the one provided by any on-board real antenna. Conventional SAR techniques assume a single reflection of transmitted waveforms from targets. Nevertheless, today¿s new scenes force SAR systems to work in urban environments. Consequently, multiple-bounce returns are added to direct-scatter echoes. We refer to these as ghost images, since they obscure true target image and lead to poor resolution. By analyzing the quadratic phase error (QPE), this paper demonstrates that Earth¿s curvature influences the defocusing degree of multipath returns. In addition to the QPE, other parameters such as integrated sidelobe ratio (ISLR), peak sidelobe ratio (PSLR), contrast and entropy provide us with the tools to identify direct-scatter echoes in images containing undesired returns coming from multipath.

Estudio de la penetración de cloruros en dos puentes sometidos a uso intenso de sales fundentes: estudio del hormigón in situ

El uso intenso de sales fundentes en zonas de helada puede reducir la vida útil de los puentes por la penetración acelerada de cloruros. Se ha realizado la inspección de dos puentes construidos hace más de 20 y 50 años, respectivamente, y situados en zonas que requieren un uso intenso de sales fundentes durante el invierno. Se han extraído probetas testigo de algunos elementos estructurales de los puentes y sobre ellas se realizaron ensayos de caracterización mecánica y de durabilidad. De los resultados obtenidos, se determinaron los tipos de daño en el hormigón provocados por la exposición de las estructuras a los ciclos de hielo-deshielo durante su vida en servicio y se obtuvieron diferentes perfiles de ingreso de cloruros originados por los mecanismos de transporte y determinados por la distribución porosa del material y por las condiciones de exposición de los elementos de hormigón estudiados. Los resultados obtenidos se comparan con los proporcionados por un modelo de difusión de cloruros.

Tolerancia al daño de acero inoxidable austeno-ferrítico trefilado con resistencia de acero de pretensar

En este trabajo se determina la tolerancia al daño de un acero inoxidable austeno-ferrítico trefilado hasta obtener resistencia propias del acero de pretensado. Para ello se han realizado ensayos de fractura sobre alambres con secciones transversales debilitadas por fisuras de fatiga propagadas desde la superficie exterior. La medida de la tolerancia al daño adoptada es la curva empírica carga de rotura-profundidad de fisura. Para valorar cuantitativamente los resultados, se utilizan las curvas de dos aceros de pretensar eutectoides, respectivamente fabricados por trefilado y por tratamiento térmico de templado y revenido, así como un modelo elemental de colapso plástico por tracción para alambres fisurados. La microestructura austeno-ferrítico de los alambres inoxidables adquiere una marcada orientación en la dirección de trefilado, que induce una fuerte anisotropía de fractura en los alambres y condiciona su mecanismo macroscópico de colapso a tracción cuando están Asurados. Para observar este mecanismo se ha utilizado la técnica VIC-2D de adquisición y análisis computerizado de imágenes digitales en ensayos mecánicos, aplicándola a ensayos de fractura a tracción realizados con probetas planas de alambre inoxidable trefilado Asuradas transversalmente. Damage tolerance of a high strength cold-drawn ferritic-austenitic stainless steel is assessed by means of tensile fracture tests of cracked wires. A fatigue crack was transversally propagated from the wire surface. The damage tolerance curve of the wires results from the empirical failure load when given as a function of crack depth. As a consequence of cold drawing, the wire microstructure is orientated along its longitudinal axis and anisotropic fracture behavior is found at macrostructural level at the tensile failure of the cracked specimens. An in situ optical technique known as video image correlation VIC-2D was used to get an insight into this failure mechanism by tensile testing transversally fatigue cracked plañe specimens extracted from the cold-drawn wires. Additionally, the experimentally obtained damage tolerance curve of the cold-drawn ferritic-austenitic stainless steel wires is compared with that of the two types of high strength eutectoid wires currently used as prestressing steel for concrete. An elementary plástic collapse model for tensile failure of surface cracked wires is used to assess the damage tolerance curves.

Overall and local mechanical behaviour of dissimilar laser welded joints

The present investigation addresses the overall and local mechanical performance of dissimilar joints of low carbon steel (CS) and stainless steel (SS) thin sheets achieved by laser welding in case of heat source displacement from the weld gap centreline towards CS. Microstructure characterization and residua! strain scanning, carried out by neutron diffraction, were used to assess the joints features. It was found that the heat source position influences the base metals dilution and the residua! stress field associated to the welding process; the transverse residual stress is smaller than for the longitudinal component, of magnitudes close to the parent CS yield strength. Furthermore, compressive transverse residual stresses were encountered at the SS-weld interface. The tensile behavior of the joint different zones assessed by using a video-image based system (VIC-2D) reveals that the residual stress field, together with the positive difference in yield between the weld metal and the base materials protects the joint from being piastically deformed. The tensile loadings of flat transverse specimens generate the strain localization and failure in CS, far away from the weld.En este trabajo se exponen los resultados de una investigacion sobre el comportamiento mecanico de soldaduras disimiles acero inoxidable-acero al carbono, realizadas para unir chapas delgadas, desplazando la fuente de calor del eje longitudinal de la union soldada por laser sobre el acero al carbono. Se han determinado las caracteristicas microestructurales de la union soldada, las tensiones residuales generadas (mediante difraccion de neutrones) y las curvas tension-deformacion locales y globales, mediante medidas locales de deformacion empleando el sistema VIC-2D "video image correlation". El desplazamiento de la fuente de calor infiuye en la dilution de los metales base y el campo de tensiones residuales asociado al proceso de soldeo; las tensiones residuales medidas en direction longitudinal se aproximan al limite elastico del acero al carbono, mientras que las tensiones residuales transversales son menores, e incluso de compresion. El ensayo a traccion de la union soldada revela que las tensiones residuales y la diferencia de limite elastico entre los metales base y la soldadura propician que la rotura se produzca por inestabilidad plastica del acero al carbono, lejos de la soldadura, sin que la union plastifique.

Modelo de comportamiento plástico y rotura en aleaciones de solidificación direccional

Esta investigación presenta un modelo de material para aleaciones de solidificación direccional que poseen un comportamiento mecánico transversalmente isótropo. Se han realizado una serie de ensayos de tracción sobre probetas cilíndricas a varias velocidades de deformación y a varias temperaturas sobre la superaleación de base níquel de solidificación direccional MAR-M 247 con objeto de conocer su comportamiento mecánico. Los ensayos se realizaron sobre probetas cilíndricas cuya dirección longitudinal forma 0º y 90º con la de la orientación de crecimiento de los granos. Para representar el comportamiento plástico anisótropo se ha formulado una función de plastificación de forma no cuadrática basada en la transformación lineal de tensores. Con el propósito de simplificar en todo lo posible el modelo se ha considerado un endurecimiento isótropo. Para probar la validez del modelo propuesto se ha implementado el mismo como modelo de material definido por el usuario en el código no lineal de elementos finitos LS-DYNA. In this research a material model for directionally solidified alloys with transversely isotropic mechanic behavior is presented. In order to characterize the mechanical behavior of the Mar-M 247 directionally solidified nickel based superalloy, tensile tests of axisymmetric smooth specimens were performed at various strain rates and temperatures. The specimens were machined making sure that the longitudinal axis of them was forming 0º and 90º with the grain growth orientation. To represent the plastic flow, a non-quadratic anisotropic function based on linear transformation of tensors has been formulated. For the sake of simplicity isotropic strain hardening of the material has been considered. To prove the validity of the model, a material subroutine has been implemented in LS-DYNA non-linear finite element code as a user defined material model.

Mechanical Characterization of Multicrystalline Silicon Substrates for Solar Cell Applications

The possibility of using more economical silicon feedstock, i.e. as support for epitaxial solar cells, is of interest when the cost reduction and the properties are attractive. We have investigated the mechanical behaviour of two blocks of upgraded metallurgical silicon, which is known to present high content of impurities even after being purified by the directional solidification process. These impurities are mainly metals like Al and silicon compounds. Thus, it is important to characterize their effect in order to improve cell performance and to ensure the survival of the wafers throughout the solar value chain. Microstructure and mechanical properties were studied by means of ring on ring and three point bending tests. Additionally, elastic modulus and fracture toughness were measured. These results showed that it is possible to obtain marked improvements in toughness when impurities act as microscopic internal crack arrestors. However, the same impurities can be initiators of damage due to residual thermal stresses introduced during the crystallization process.