Ion charge number and flux saturation effects in the corona of a laser-irradiated pellet

The quasisteady structure of the corona of a laser-irradiated pellet is completely determined for arbitrary Z, (ion charge number} and re/ra (ratio of critical and ablation radii), and for heat-flux saturation factor/above approximately 0.04. The ion-to-electron temperature ratio at rc grows sensibly with Z,; all other quantities depend weakly and nonmonotonically on Z,. For rc /ra close to unity, and all Z, of interest (Z, < 47}, the flow is subsonic at rc. For a given laser power W, flux saturation may decrease (low/) or increase (high/) the ablation pressure Pa relative to the value obtained when saturation is not considered; in some cases a decrease in/with W fixed increases Pa. For intermediate^ ~0.1), Pa cc (W/r* )2/3 p\n\pc = critical density), independently of rc/ra; for/~0.6, Pa «s larger by a factor of about [rc/raf13. For rjra > 1.2 roughly, the mass ablation rate is C{Z,) [{m/kZ.f^Kr^Pl) l,\ independent of pc and/, and barely dependent on Z,(m, is ion mass; k, Boltzmann's constant; K, conductivity coefficient; and C, a tabulated function).

Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety.

Horizontal visibility graphs generated by type-I intermittency

The type-I intermittency route to (or out of) chaos is investigated within the horizontal visibility (HV) graph theory. For that purpose, we address the trajectories generated by unimodal maps close to an inverse tangent bifurcation and construct their associatedHVgraphs.We showhowthe alternation of laminar episodes and chaotic bursts imprints a fingerprint in the resulting graph structure. Accordingly, we derive a phenomenological theory that predicts quantitative values for several network parameters. In particular, we predict that the characteristic power-law scaling of the mean length of laminar trend sizes is fully inherited by the variance of the graph degree distribution, in good agreement with the numerics. We also report numerical evidence on how the characteristic power-law scaling of the Lyapunov exponent as a function of the distance to the tangent bifurcation is inherited in the graph by an analogous scaling of block entropy functionals defined on the graph. Furthermore, we are able to recast the full set of HV graphs generated by intermittent dynamics into a renormalization-group framework, where the fixed points of its graph-theoretical renormalization-group flow account for the different types of dynamics.We also establish that the nontrivial fixed point of this flow coincides with the tangency condition and that the corresponding invariant graph exhibits extremal entropic properties.

Experimental and numerical study of cracking of concrete due to reinforcement corrosion

La corrosión del acero es una de las patologías más importantes que afectan a las estructuras de hormigón armado que están expuestas a ambientes marinos o al ataque de sales fundentes. Cuando se produce corrosión, se genera una capa de óxido alrededor de la superficie de las armaduras, que ocupa un volumen mayor que el acero inicial; como consecuencia, el óxido ejerce presiones internas en el hormigón circundante, que lleva a la fisuración y, ocasionalmente, al desprendimiento del recubrimiento de hormigón. Durante los últimos años, numerosos estudios han contribuido a ampliar el conocimiento sobre el proceso de fisuración; sin embargo, aún existen muchas incertidumbres respecto al comportamiento mecánico de la capa de óxido, que es fundamental para predecir la fisuración. Por ello, en esta tesis se ha desarrollado y aplicado una metodología, para mejorar el conocimiento respecto al comportamiento del sistema acero-óxido-hormigón, combinando experimentos y simulaciones numéricas. Se han realizado ensayos de corrosión acelerada en condiciones de laboratorio, utilizando la técnica de corriente impresa. Con el objetivo de obtener información cercana a la capa de acero, como muestras se seleccionaron prismas de hormigón con un tubo de acero liso como armadura, que se diseñaron para conseguir la formación de una única fisura principal en el recubrimiento. Durante los ensayos, las muestras se equiparon con instrumentos especialmente diseñados para medir la variación de diámetro y volumen interior de los tubos, y se midió la apertura de la fisura principal utilizando un extensómetro comercial, adaptado a la geometría de las muestras. Las condiciones de contorno se diseñaron cuidadosamente para que los campos de corriente y deformación fuesen planos durante los ensayos, resultando en corrosión uniforme a lo largo del tubo, para poder reproducir los ensayos en simulaciones numéricas. Se ensayaron series con varias densidades de corriente y varias profundidades de corrosión. De manera complementaria, el comportamiento en fractura del hormigón se caracterizó en ensayos independientes, y se midió la pérdida gravimétrica de los tubos siguiendo procedimientos estándar. En todos los ensayos, la fisura principal creció muy despacio durante las primeras micras de profundidad de corrosión, pero después de una cierta profundidad crítica, la fisura se desarrolló completamente, con un aumento rápido de su apertura; la densidad de corriente influye en la profundidad de corrosión crítica. Las variaciones de diámetro interior y de volumen interior de los tubos mostraron tendencias diferentes entre sí, lo que indica que la deformación del tubo no fue uniforme. Después de la corrosión acelerada, las muestras se cortaron en rebanadas, que se utilizaron en ensayos post-corrosión. El patrón de fisuración se estudió a lo largo del tubo, en rebanadas que se impregnaron en vacío con resina y fluoresceína para mejorar la visibilidad de las fisuras bajo luz ultravioleta, y se estudió la presencia de óxido dentro de las grietas. En todas las muestras, se formó una fisura principal en el recubrimiento, infiltrada con óxido, y varias fisuras secundarias finas alrededor del tubo; el número de fisuras varió con la profundidad de corrosión de las muestras. Para muestras con la misma corrosión, el número de fisuras y su posición fue diferente entre muestras y entre secciones de una misma muestra, debido a la heterogeneidad del hormigón. Finalmente, se investigó la adherencia entre el acero y el hormigón, utilizando un dispositivo diseñado para empujar el tubo en el hormigón. Las curvas de tensión frente a desplazamiento del tubo presentaron un pico marcado, seguido de un descenso constante; la profundidad de corrosión y la apertura de fisura de las muestras influyeron notablemente en la tensión residual del ensayo. Para simular la fisuración del hormigón causada por la corrosión de las armaduras, se programó un modelo numérico. Éste combina elementos finitos con fisura embebida adaptable que reproducen la fractura del hormigón conforme al modelo de fisura cohesiva estándar, y elementos de interfaz llamados elementos junta expansiva, que se programaron específicamente para reproducir la expansión volumétrica del óxido y que incorporan su comportamiento mecánico. En el elemento junta expansiva se implementó un fenómeno de despegue, concretamente de deslizamiento y separación, que resultó fundamental para obtener localización de fisuras adecuada, y que se consiguió con una fuerte reducción de la rigidez tangencial y la rigidez en tracción del óxido. Con este modelo, se realizaron simulaciones de los ensayos, utilizando modelos bidimensionales de las muestras con elementos finitos. Como datos para el comportamiento en fractura del hormigón, se utilizaron las propiedades determinadas en experimentos. Para el óxido, inicialmente se supuso un comportamiento fluido, con deslizamiento y separación casi perfectos. Después, se realizó un ajuste de los parámetros del elemento junta expansiva para reproducir los resultados experimentales. Se observó que variaciones en la rigidez normal del óxido apenas afectaban a los resultados, y que los demás parámetros apenas afectaban a la apertura de fisura; sin embargo, la deformación del tubo resultó ser muy sensible a variaciones en los parámetros del óxido, debido a la flexibilidad de la pared de los tubos, lo que resultó fundamental para determinar indirectamente los valores de los parámetros constitutivos del óxido. Finalmente, se realizaron simulaciones definitivas de los ensayos. El modelo reprodujo la profundidad de corrosión crítica y el comportamiento final de las curvas experimentales; se comprobó que la variación de diámetro interior de los tubos está fuertemente influenciada por su posición relativa respecto a la fisura principal, en concordancia con los resultados experimentales. De la comparación de los resultados experimentales y numéricos, se pudo extraer información sobre las propiedades del óxido que de otra manera no habría podido obtenerse. Corrosion of steel is one of the main pathologies affecting reinforced concrete structures exposed to marine environments or to molten salt. When corrosion occurs, an oxide layer develops around the reinforcement surface, which occupies a greater volume than the initial steel; thus, it induces internal pressure on the surrounding concrete that leads to cracking and, eventually, to full-spalling of the concrete cover. During the last years much effort has been devoted to understand the process of cracking; however, there is still a lack of knowledge regarding the mechanical behavior of the oxide layer, which is essential in the prediction of cracking. Thus, a methodology has been developed and applied in this thesis to gain further understanding of the behavior of the steel-oxide-concrete system, combining experiments and numerical simulations. Accelerated corrosion tests were carried out in laboratory conditions, using the impressed current technique. To get experimental information close to the oxide layer, concrete prisms with a smooth steel tube as reinforcement were selected as specimens, which were designed to get a single main crack across the cover. During the tests, the specimens were equipped with instruments that were specially designed to measure the variation of inner diameter and volume of the tubes, and the width of the main crack was recorded using a commercial extensometer that was adapted to the geometry of the specimens. The boundary conditions were carefully designed so that plane current and strain fields were expected during the tests, resulting in nearly uniform corrosion along the length of the tube, so that the tests could be reproduced in numerical simulations. Series of tests were carried out with various current densities and corrosion depths. Complementarily, the fracture behavior of concrete was characterized in independent tests, and the gravimetric loss of the steel tubes was determined by standard means. In all the tests, the main crack grew very slowly during the first microns of corrosion depth, but after a critical corrosion depth it fully developed and opened faster; the current density influenced the critical corrosion depth. The variation of inner diameter and inner volume of the tubes had different trends, which indicates that the deformation of the tube was not uniform. After accelerated corrosion, the specimens were cut into slices, which were used in post-corrosion tests. The pattern of cracking along the reinforcement was investigated in slices that were impregnated under vacuum with resin containing fluorescein to enhance the visibility of cracks under ultraviolet lightening and a study was carried out to assess the presence of oxide into the cracks. In all the specimens, a main crack developed through the concrete cover, which was infiltrated with oxide, and several thin secondary cracks around the reinforcement; the number of cracks diminished with the corrosion depth of the specimen. For specimens with the same corrosion, the number of cracks and their position varied from one specimen to another and between cross-sections of a given specimen, due to the heterogeneity of concrete. Finally, the bond between the steel and the concrete was investigated, using a device designed to push the tubes of steel in the concrete. The curves of stress versus displacement of the tube presented a marked peak, followed by a steady descent, with notably influence of the corrosion depth and the crack width on the residual stress. To simulate cracking of concrete due to corrosion of the reinforcement, a numerical model was implemented. It combines finite elements with an embedded adaptable crack that reproduces cracking of concrete according to the basic cohesive model, and interface elements so-called expansive joint elements, which were specially designed to reproduce the volumetric expansion of oxide and incorporate its mechanical behavior. In the expansive joint element, a debonding effect was implemented consisting of sliding and separation, which was proved to be essential to achieve proper localization of cracks, and was achieved by strongly reducing the shear and the tensile stiffnesses of the oxide. With that model, simulations of the accelerated corrosion tests were carried out on 2- dimensional finite element models of the specimens. For the fracture behavior of concrete, the properties experimentally determined were used as input. For the oxide, initially a fluidlike behavior was assumed with nearly perfect sliding and separation; then the parameters of the expansive joint element were modified to fit the experimental results. Changes in the bulk modulus of the oxide barely affected the results and changes in the remaining parameters had a moderate effect on the predicted crack width; however, the deformation of the tube was very sensitive to variations in the parameters of oxide, due to the flexibility of the tube wall, which was crucial for indirect determination of the constitutive parameters of oxide. Finally, definitive simulations of the tests were carried out. The model reproduced the critical corrosion depth and the final behavior of the experimental curves; it was assessed that the variation of inner diameter of the tubes is highly influenced by its relative position with respect to the main crack, in accordance with the experimental observations. From the comparison of the experimental and numerical results, some properties of the mechanical behavior of the oxide were disclosed that otherwise could not have been measured.

Monte Carlo Neutronics and Thermal-hydraulics coupling applied to Fast Reactors

Un escenario habitualmente considerado para el uso sostenible y prolongado de la energía nuclear contempla un parque de reactores rápidos refrigerados por metales líquidos (LMFR) dedicados al reciclado de Pu y la transmutación de actínidos minoritarios (MA). Otra opción es combinar dichos reactores con algunos sistemas subcríticos asistidos por acelerador (ADS), exclusivamente destinados a la eliminación de MA. El diseño y licenciamiento de estos reactores innovadores requiere herramientas computacionales prácticas y precisas, que incorporen el conocimiento obtenido en la investigación experimental de nuevas configuraciones de reactores, materiales y sistemas. A pesar de que se han construido y operado un cierto número de reactores rápidos a nivel mundial, la experiencia operacional es todavía reducida y no todos los transitorios se han podido entender completamente. Por tanto, los análisis de seguridad de nuevos LMFR están basados fundamentalmente en métodos deterministas, al contrario que las aproximaciones modernas para reactores de agua ligera (LWR), que se benefician también de los métodos probabilistas. La aproximación más usada en los estudios de seguridad de LMFR es utilizar una variedad de códigos, desarrollados a base de distintas teorías, en busca de soluciones integrales para los transitorios e incluyendo incertidumbres. En este marco, los nuevos códigos para cálculos de mejor estimación ("best estimate") que no incluyen aproximaciones conservadoras, son de una importancia primordial para analizar estacionarios y transitorios en reactores rápidos. Esta tesis se centra en el desarrollo de un código acoplado para realizar análisis realistas en reactores rápidos críticos aplicando el método de Monte Carlo. Hoy en día, dado el mayor potencial de recursos computacionales, los códigos de transporte neutrónico por Monte Carlo se pueden usar de manera práctica para realizar cálculos detallados de núcleos completos, incluso de elevada heterogeneidad material. Además, los códigos de Monte Carlo se toman normalmente como referencia para los códigos deterministas de difusión en multigrupos en aplicaciones con reactores rápidos, porque usan secciones eficaces punto a punto, un modelo geométrico exacto y tienen en cuenta intrínsecamente la dependencia angular de flujo. En esta tesis se presenta una metodología de acoplamiento entre el conocido código MCNP, que calcula la generación de potencia en el reactor, y el código de termohidráulica de subcanal COBRA-IV, que obtiene las distribuciones de temperatura y densidad en el sistema. COBRA-IV es un código apropiado para aplicaciones en reactores rápidos ya que ha sido validado con resultados experimentales en haces de barras con sodio, incluyendo las correlaciones más apropiadas para metales líquidos. En una primera fase de la tesis, ambos códigos se han acoplado en estado estacionario utilizando un método iterativo con intercambio de archivos externos. El principal problema en el acoplamiento neutrónico y termohidráulico en estacionario con códigos de Monte Carlo es la manipulación de las secciones eficaces para tener en cuenta el ensanchamiento Doppler cuando la temperatura del combustible aumenta. Entre todas las opciones disponibles, en esta tesis se ha escogido la aproximación de pseudo materiales, y se ha comprobado que proporciona resultados aceptables en su aplicación con reactores rápidos. Por otro lado, los cambios geométricos originados por grandes gradientes de temperatura en el núcleo de reactores rápidos resultan importantes para la neutrónica como consecuencia del elevado recorrido libre medio del neutrón en estos sistemas. Por tanto, se ha desarrollado un módulo adicional que simula la geometría del reactor en caliente y permite estimar la reactividad debido a la expansión del núcleo en un transitorio. éste módulo calcula automáticamente la longitud del combustible, el radio de la vaina, la separación de los elementos de combustible y el radio de la placa soporte en función de la temperatura. éste efecto es muy relevante en transitorios sin inserción de bancos de parada. También relacionado con los cambios geométricos, se ha implementado una herramienta que, automatiza el movimiento de las barras de control en busca d la criticidad del reactor, o bien calcula el valor de inserción axial las barras de control. Una segunda fase en la plataforma de cálculo que se ha desarrollado es la simulació dinámica. Puesto que MCNP sólo realiza cálculos estacionarios para sistemas críticos o supercríticos, la solución más directa que se propone sin modificar el código fuente de MCNP es usar la aproximación de factorización de flujo, que resuelve por separado la forma del flujo y la amplitud. En este caso se han estudiado en profundidad dos aproximaciones: adiabática y quasiestática. El método adiabático usa un esquema de acoplamiento que alterna en el tiempo los cálculos neutrónicos y termohidráulicos. MCNP calcula el modo fundamental de la distribución de neutrones y la reactividad al final de cada paso de tiempo, y COBRA-IV calcula las propiedades térmicas en el punto intermedio de los pasos de tiempo. La evolución de la amplitud de flujo se calcula resolviendo las ecuaciones de cinética puntual. Este método calcula la reactividad estática en cada paso de tiempo que, en general, difiere de la reactividad dinámica que se obtendría con la distribución de flujo exacta y dependiente de tiempo. No obstante, para entornos no excesivamente alejados de la criticidad ambas reactividades son similares y el método conduce a resultados prácticos aceptables. Siguiendo esta línea, se ha desarrollado después un método mejorado para intentar tener en cuenta el efecto de la fuente de neutrones retardados en la evolución de la forma del flujo durante el transitorio. El esquema consiste en realizar un cálculo cuasiestacionario por cada paso de tiempo con MCNP. La simulación cuasiestacionaria se basa EN la aproximación de fuente constante de neutrones retardados, y consiste en dar un determinado peso o importancia a cada ciclo computacial del cálculo de criticidad con MCNP para la estimación del flujo final. Ambos métodos se han verificado tomando como referencia los resultados del código de difusión COBAYA3 frente a un ejercicio común y suficientemente significativo. Finalmente, con objeto de demostrar la posibilidad de uso práctico del código, se ha simulado un transitorio en el concepto de reactor crítico en fase de diseño MYRRHA/FASTEF, de 100 MW de potencia térmica y refrigerado por plomo-bismuto. ABSTRACT Long term sustainable nuclear energy scenarios envisage a fleet of Liquid Metal Fast Reactors (LMFR) for the Pu recycling and minor actinides (MAs) transmutation or combined with some accelerator driven systems (ADS) just for MAs elimination. Design and licensing of these innovative reactor concepts require accurate computational tools, implementing the knowledge obtained in experimental research for new reactor configurations, materials and associated systems. Although a number of fast reactor systems have already been built, the operational experience is still reduced, especially for lead reactors, and not all the transients are fully understood. The safety analysis approach for LMFR is therefore based only on deterministic methods, different from modern approach for Light Water Reactors (LWR) which also benefit from probabilistic methods. Usually, the approach adopted in LMFR safety assessments is to employ a variety of codes, somewhat different for the each other, to analyze transients looking for a comprehensive solution and including uncertainties. In this frame, new best estimate simulation codes are of prime importance in order to analyze fast reactors steady state and transients. This thesis is focused on the development of a coupled code system for best estimate analysis in fast critical reactor. Currently due to the increase in the computational resources, Monte Carlo methods for neutrons transport can be used for detailed full core calculations. Furthermore, Monte Carlo codes are usually taken as reference for deterministic diffusion multigroups codes in fast reactors applications because they employ point-wise cross sections in an exact geometry model and intrinsically account for directional dependence of the ux. The coupling methodology presented here uses MCNP to calculate the power deposition within the reactor. The subchannel code COBRA-IV calculates the temperature and density distribution within the reactor. COBRA-IV is suitable for fast reactors applications because it has been validated against experimental results in sodium rod bundles. The proper correlations for liquid metal applications have been added to the thermal-hydraulics program. Both codes are coupled at steady state using an iterative method and external files exchange. The main issue in the Monte Carlo/thermal-hydraulics steady state coupling is the cross section handling to take into account Doppler broadening when temperature rises. Among every available options, the pseudo materials approach has been chosen in this thesis. This approach obtains reasonable results in fast reactor applications. Furthermore, geometrical changes caused by large temperature gradients in the core, are of major importance in fast reactor due to the large neutron mean free path. An additional module has therefore been included in order to simulate the reactor geometry in hot state or to estimate the reactivity due to core expansion in a transient. The module automatically calculates the fuel length, cladding radius, fuel assembly pitch and diagrid radius with the temperature. This effect will be crucial in some unprotected transients. Also related to geometrical changes, an automatic control rod movement feature has been implemented in order to achieve a just critical reactor or to calculate control rod worth. A step forward in the coupling platform is the dynamic simulation. Since MCNP performs only steady state calculations for critical systems, the more straight forward option without modifying MCNP source code, is to use the flux factorization approach solving separately the flux shape and amplitude. In this thesis two options have been studied to tackle time dependent neutronic simulations using a Monte Carlo code: adiabatic and quasistatic methods. The adiabatic methods uses a staggered time coupling scheme for the time advance of neutronics and the thermal-hydraulics calculations. MCNP computes the fundamental mode of the neutron flux distribution and the reactivity at the end of each time step and COBRA-IV the thermal properties at half of the the time steps. To calculate the flux amplitude evolution a solver of the point kinetics equations is used. This method calculates the static reactivity in each time step that in general is different from the dynamic reactivity calculated with the exact flux distribution. Nevertheless, for close to critical situations, both reactivities are similar and the method leads to acceptable practical results. In this line, an improved method as an attempt to take into account the effect of delayed neutron source in the transient flux shape evolutions is developed. The scheme performs a quasistationary calculation per time step with MCNP. This quasistationary simulations is based con the constant delayed source approach, taking into account the importance of each criticality cycle in the final flux estimation. Both adiabatic and quasistatic methods have been verified against the diffusion code COBAYA3, using a theoretical kinetic exercise. Finally, a transient in a critical 100 MWth lead-bismuth-eutectic reactor concept is analyzed using the adiabatic method as an application example in a real system.

Direct Vlasov simulations of electron-attracting cylindrical Langmuir probes in flowing plasmas

Current collection by positively polarized cylindrical Langmuir probes immersed in flowing plasmas is analyzed using a non-stationary direct Vlasov-Poisson code. A detailed description of plasma density spatial structure as a function of the probe-to-plasma relative velocity U is presented. Within the considered parametric domain, the well-known electron density maximum close to the probe is weakly affected by U. However, in the probe wake side, the electron density minimum becomes deeper as U increases and a rarified plasma region appears. Sheath radius is larger at the wake than at the front side. Electron and ion distribution functions show specific features that are the signature of probe motion. In particular, the ion distribution function at the probe front side exhibits a filament with positive radial velocity. It corresponds to a population of rammed ions that were reflected by the electric field close to the positively biased probe. Numerical simulations reveal that two populations of trapped electrons exist: one orbiting around the probe and the other with trajectories confined at the probe front side. The latter helps to neutralize the reflected ions, thus explaining a paradox in past probe theory.

State of the Art and Future Trends in Grid Codes Applicable to Isolated Electrical Systems

Electrical power systems are changing their traditional structure, which was based on a little number of large generating power plants placed at great distances from loads by new models that tend to split the big production nodes in many smaller ones. The set of small groups which are located close to consumers and provide safe and quality energy is called distributed generation (DG). The proximity of the sources to the loads reduces losses associated with transportation and increases overall system efficiency. DG also favors the inclusion of renewable energy sources in isolated electrical systems or remote microgrids, because they can be installed where the natural resource is located. In both cases, as weak grids unable to get help from other nearby networks, it is essential to ensure appropriate behavior of DG sources to guarantee power system safety and stability. The grid codes sets out the technical requirements to be fulfilled for the sources connected in these electrical networks. In technical literature it is rather easy to find and compare grid codes for interconnected electrical systems. However, the existing literature is incomplete and sparse regarding isolated electrical systems and this happens due to the difficulties inherent in the pursuit of codes. Some countries have developed their own legislation only for their island territory (as Spain or France), others apply the same set of rules as in mainland, another group of island countries have elaborated a complete grid code for all generating sources and some others lack specific regulation. This paper aims to make a complete review of the state of the art in grid codes applicable to isolated systems, setting the comparison between them and defining the guidelines predictably followed by the upcoming regulations in these particular systems.

Native bradyrhizobial symbionts of Lupinus mariae-josephae, a unique endemism thriving in alkaline soils in Eastern Spain

Lupinus mariae-josephae (Lmj) es una especie de lupino endémica de una pequeña y específica área de Comunidad Valenciana (Este de España), donde prospera en suelos alcalinoscalcáreos, un hábitat singular para los altramuces, que crecen preferentemente en suelos ácidos o neutros. Esto hace de Lmj una especie de lupino única. Cuando se inició este trabajo, la extensión conocida de este endemismo abarcaba unos 700 kilómetros cuadrados, confinados en la provincia de Valencia. En esta área, Lmj prospera en pequeñas poblaciones aisladas que contienen un número reducido de plantas por lo que se la consideró una especie en peligro de extinción. Todos los esfuerzos, utilizando estrategias clásicas dirigidas a ampliar el área de crecimiento de Lmj y garantizar su conservación, han tenido un éxito limitado. El trabajo que se presenta está dirigido a mejorar el conocimiento de la ecología de Lmj, en particular la interacción simbiótica que establece con bacterias del suelo denominadas rizobios y se centra en la caracterización fenotípica, filogenética y genómica de esos rizobios. También se investiga la posible contribución de la simbiosis en mejorar la conservación de Lmj. Para este fin, se han estudiado diferentes aspectos que se describen a continuación. El primero objetivo se centró en aislar y estudiar de la diversidad genética de las bacterias endosimbióticas de Lmj. . Se realizó un análisis filogenético de genes esenciales que mostró que las cepas de Lmj pertenecen al género Bradyrhizobium y que presentan una gran diversidad con características fenotípicas y simbióticas diferentes de cepas de Bradyrhizobium que nodulan otras especies de lupinos nativos de España (cepas ISLU). Las cepas estudiadas se dividieron en dos grupos (Clado I y Clado II). El Clado I, incluye a las cepas Lmj, definiendo un nuevo linaje, filogenéticamente relacionado con otras especies de Bradyrhizobium, como B. jicamae y B. elkanii. El Clado II contiene cepas ISLU relacionadas con cepas de B. canariense y B. japonicum que establecen simbiosis con lupinos de suelos ácidos. Otro análisis filogenético basado en genes simbióticos, distribuyó las cepas de Lmj en sólo dos grupos diferentes. La singularidad y gran diversidad de estas cepas en una pequeña área geográfica, hacen de este, un atractivo sistema para el estudio de la evolución y adaptación de las bacterias simbióticas a su respectiva planta huésped. Adicionalmente, se estudio la presencia de bacterias capaces de nodular Lmj en suelos básicos de Chiapas, México. Sorprendentemente, estos suelos contienen bacterias capaces establecer interacciones simbióticas eficientes con Lmj en ensayos de invernadero. A continuación se investigó la taxonomía de los endosimbiontes de Lmj analizando la secuencia de cuatro genes esenciales (16S rRNA, recA, glnII y atpD) y el promedio de identidad de nucleótidos de genomas completos de algunas cepas representativas de la diversidad (ANIm). Se identificaron nuevas especies de Bradyrhizobium dentro del Clado I y se definió una de ellas: 'Bradyrhizobium valentinum' sp. nov (cepa tipo LmjM3T = CECT 8364T, LMG 2761T). También se abordó cómo conservar Lmj en su hábitat natural mediante inoculación con alguna de las cepas aisladas. Se demostró la ausencia de bacterias capaces de nodular Lmj en suelos rojos alcalinos o ‘‘terra rossa’’ de la Península Ibérica y Baleares. Dos cepas, altamente eficientes en cuanto a la fijación de nitrógeno, LmjC y LmjM3T, fueron seleccionadas para ser empleadas como inoculantes. Dos experimentos de campo llevados a cabo en años consecutivos en áreas con características edafoclimáticas similares a las que presentan las poblaciones de Lmj, lograron la reproducción exitosa de la planta. Se concluyó que un ciclo reproductivo exitoso de Lmj es absolutamente dependiente de la inoculación con sus simbiontes naturales y que la simbiosis debe ser considerada un factor esencial en estrategias de conservación de leguminosas en peligro. La obtención de varias secuencias genómicas de cepas aisladas de Lmj y de otras cepas de Bradyrhizobium reveló una alta similitud entre los genomas de las cepas del Clado I, y permitió la identificación de cinco posibles nuevas especies. Además, se estudiaron tres agrupaciones de genes relacionados con la simbiosis (nod, nif y fix) definiendo un nuevo linaje para las cepas de Lmj, diferente del symbiovar “genistearum” de B. canariense y B. japonicum. La baja diversidad encontrada en el análisis filogenético de los genes simbióticos contrasta con la gran diversidad asociada a genes esenciales. La presencia de plásmidos en cepas del género Bradyrhizobium ha sido descrita en muy pocas ocasiones, sin embargo el análisis de la secuencia genómica de la cepa ISLU101, aislada de Lupinus angustifolius, reveló la presencia de un origen de replicación extracromosómico homólogo al operón repABC, presente en el plásmido de Bradyrhizobium sp BTAi1. Gracias a esta secuencia se identificaron genes homólogos en 19 de 72 cepas ISLU. Filogenéticamente, las secuencias de repABC se agruparon en un grupo monofilético con las de pBTAi1 y separadas de los rizobios de crecimiento rápido. Finalmente, se identificaron sistemas de secreción de proteínas de tipo III (T3SS) en nueve genomas de cepas de Lmj. Los T3SS pueden inyectar proteínas efectoras al interior de células vegetales. Su presencia en rizobios se ha relacionado con la gama de hospedador que pueden nodular y puede tener un efecto beneficioso, neutro o perjudicial en la simbiosis. Los T3SS de las cepas de Lmj codifican para una proteína efectora similar a NopE, un efector dependiente de T3SS descrito en B. diazoefficiens USDA 110T. La proteína NopE de la cepa LmjC se ha caracterizado bioquímicamente. ABSTRACT Lupinus mariae-josephae (Lmj) is a lupine species endemic of a unique small area in Valencia region (Eastern Spain) where the lupine plants thrive in alkaline-limed soils, which preferentially grow in acid or neutral soils. This is the type of soils native lupines of Spain. When this work was initiated, the extension of the endemic area of Lmj was of about 700 squared kilometers confined to the Valencia province. In this area, Lmj thrives in small, isolated patches containing a reduced number of plants, and points to an endemism that can easily became endangered or extinct. Consequently, the Valencia Community authorities gave a ‘‘microreserve” status for conservation of the species. All efforts, using classical strategies directed to extend the area of Lmj growth and ensure its conservation have been so far unsuccessful. The work presented here is directed to improve our knowledge of Lmj ecology and it is centered in the characterization of the rhizobial symbiosis by phenotypic, phylogenetic and genomic analysis as well as in investigate the potential contribution of the symbiosis to improve its conservation. To this end, five different topics have been studied, and results are briefly described here. Extensive details can be followed en the attached, published articles. The first topic deals with the indigenous rhizobial symbionts of the Lmj endemism, and its genetic diversity was investigated. The Lmj root symbionts belong to the Bradyrhizobium genus, and phylogenetic analysis based on core genes identified a large diversity of Bradyrhizobium strains with phenotypic and symbiotic characteristics different from rhizobia nodulating other Lupinus spp. native of Spain. The strains were split in two clades. Clade II contained strains close to classical B. canariense and B. japonicum lineages that establish symbioses with lupines in acid soils of the Mediterranean area. Clade I included Lmj strains that define a new lineage, close to other Bradyrhizobium species as B. jicamae and B. elkanii. The phylogenetic analysis based on symbiotic genes identified only two distinct clusters. The singularity and large diversity of these strains in such a small geographical area makes this an attractive system for studying the evolution and adaptation of the rhizobial symbiont to the plant host. Additionally, the presence of bacteria able to nodulate Lmj in basic soils from Chiapas, Mexico was investigated. Surprisingly, these soils contain bacteria able to effectively nodulate and fix nitrogen with Lmj plants in greenhouse assays. In the second topic, the taxonomic status of the endosymbiotic bacteria of Lmj from Valencia endemism and Chiapas was investigated. Results from phylogenetic analysis of core genes and Average Nucleotide Identity (ANIm) using draft genomic sequences identified new Bradyrhizobium species within strains of Clade I of Lmj endosymbiotic bacteria. Only one of these potentially new species has been defined, meanwhile the others are under process of characterization. The name ‘Bradyrhizobium valentinum’ sp. nov. was proposed for the defined species (type strain LmjM3T= CECT 8364T, LMG 2761T). The third topic was directed to conservation of endangered Lmj in its natural habitat. The relevant conclusion of this experimentation is that the symbiosis should be considered as a relevant factor in the conservation strategies for endangered legumes. First, we showed absence of bacteria able to nodulate Lmj in all the inspected ‘‘terra rossa’’ or alkaline red soils of the Iberian Peninsula and Balearic Islands. Then, two efficient nitrogen fixing strains with Lmj plants, LmjC and LmjM3T, were selected as inoculum for seed coating. Two planting experiments were carried out in consecutive years under natural conditions in areas with edapho-climatic characteristics identical to those sustaining natural Lmj populations, and successful reproduction of the plant was achieved. The relevant conclusion from these assays was that the successful reproductive cycle was absolutely dependent on seedling inoculation with effective bradyrhizobia The forth topic deep into the analysis of the genomic of Lmj representative strains. To this end, draft genomic sequences of selected Lmj strains and type strains of Bradyrhizobium spp. were assembled. The comparison analysis of the draft genomic sequences of Lmj strains and related Bradyrhizobium species grouped in Clade I, revealed a high genomic homology among them, and allowed the definition of five potentially new species of Lmj nodulating bacteria. Also, based on the available draft genomic sequences, only three clusters of nod, fix and nif genes from Lmj strains were identified and showed to define a new symbiotic lineage, distant from that of B. canariense and B. japonicum bv. genistearum. The low diversity exhibited by the phylogenetic analysis of symbiotic genes contrast with the large diversity of strains as regards the housekeeping genes analyzed. Besides, the genomic analysis of a Lupinus angustifolius strain ISLU101, revealed the presence of an extrachromosomal replication origin homologous to repABC cluster from plasmid present in Bradyrhizobium spp BTAi1. This repABC cluster gene sequence allowed the identification of extrachromosomic replication origin in 19 out of 72 Bradyrhizobium strains from Lupinus spp., a highly significant result since the absence of plasmids in the Bradyrhizobium genus was traditionally assumed. The repABC gene sequences of these strains grouped them in a unique monophyletic group, related to B. sp. BTAi1 plasmid, but differentiated from the repABC gene cluster of plasmids in fast growing rhizobium strains. The last topic was focused on characterization of type III secreted effectors present in Lmj endosymbiotic bacteria. Type III secretion systems (T3SS) are specialized protein export machineries which can deliver effector proteins into plant cells. The presence of T3SS in rhizobia has frequently been related to the symbiotic nodulation host-range and may have a beneficial or detrimental effect on the symbiosis with legumes. In this context, the presence of T3SS in genomes of nine Lmj strains was investigated, and it was shown the presence of clusters encoding NopE type III-secreted protein similar to the NopE1 and NopE2 of B. diazoefficiens USDA 110T. The putative NopE protein of LmjC strain is at present being characterized regarding its structure and function.

Utilizing the Internet of Things to promote energy awareness and efficiency at discrete production processes: Practices and methodology

El actual contexto de fabricación, con incrementos en los precios de la energía, una creciente preocupación medioambiental y cambios continuos en los comportamientos de los consumidores, fomenta que los responsables prioricen la fabricación respetuosa con el medioambiente. El paradigma del Internet de las Cosas (IoT) promete incrementar la visibilidad y la atención prestada al consumo de energía gracias tanto a sensores como a medidores inteligentes en los niveles de máquina y de línea de producción. En consecuencia es posible y sencillo obtener datos de consumo de energía en tiempo real proveniente de los procesos de fabricación, pero además es posible analizarlos para incrementar su importancia en la toma de decisiones. Esta tesis pretende investigar cómo utilizar la adopción del Internet de las Cosas en el nivel de planta de producción, en procesos discretos, para incrementar la capacidad de uso de la información proveniente tanto de la energía como de la eficiencia energética. Para alcanzar este objetivo general, la investigación se ha dividido en cuatro sub-objetivos y la misma se ha desarrollado a lo largo de cuatro fases principales (en adelante estudios). El primer estudio de esta tesis, que se apoya sobre una revisión bibliográfica comprehensiva y sobre las aportaciones de expertos, define prácticas de gestión de la producción que son energéticamente eficientes y que se apoyan de un modo preeminente en la tecnología IoT. Este primer estudio también detalla los beneficios esperables al adoptar estas prácticas de gestión. Además, propugna un marco de referencia para permitir la integración de los datos que sobre el consumo energético se obtienen en el marco de las plataformas y sistemas de información de la compañía. Esto se lleva a cabo con el objetivo último de remarcar cómo estos datos pueden ser utilizados para apalancar decisiones en los niveles de procesos tanto tácticos como operativos. Segundo, considerando los precios de la energía como variables en el mercado intradiario y la disponibilidad de información detallada sobre el estado de las máquinas desde el punto de vista de consumo energético, el segundo estudio propone un modelo matemático para minimizar los costes del consumo de energía para la programación de asignaciones de una única máquina que deba atender a varios procesos de producción. Este modelo permite la toma de decisiones en el nivel de máquina para determinar los instantes de lanzamiento de cada trabajo de producción, los tiempos muertos, cuándo la máquina debe ser puesta en un estado de apagada, el momento adecuado para rearrancar, y para pararse, etc. Así, este modelo habilita al responsable de producción de implementar el esquema de producción menos costoso para cada turno de producción. En el tercer estudio esta investigación proporciona una metodología para ayudar a los responsables a implementar IoT en el nivel de los sistemas productivos. Se incluye un análisis del estado en que se encuentran los sistemas de gestión de energía y de producción en la factoría, así como también se proporcionan recomendaciones sobre procedimientos para implementar IoT para capturar y analizar los datos de consumo. Esta metodología ha sido validada en un estudio piloto, donde algunos indicadores clave de rendimiento (KPIs) han sido empleados para determinar la eficiencia energética. En el cuarto estudio el objetivo es introducir una vía para obtener visibilidad y relevancia a diferentes niveles de la energía consumida en los procesos de producción. El método propuesto permite que las factorías con procesos de producción discretos puedan determinar la energía consumida, el CO2 emitido o el coste de la energía consumida ya sea en cualquiera de los niveles: operación, producto o la orden de fabricación completa, siempre considerando las diferentes fuentes de energía y las fluctuaciones en los precios de la misma. Los resultados muestran que decisiones y prácticas de gestión para conseguir sistemas de producción energéticamente eficientes son posibles en virtud del Internet de las Cosas. También, con los resultados de esta tesis los responsables de la gestión energética en las compañías pueden plantearse una aproximación a la utilización del IoT desde un punto de vista de la obtención de beneficios, abordando aquellas prácticas de gestión energética que se encuentran más próximas al nivel de madurez de la factoría, a sus objetivos, al tipo de producción que desarrolla, etc. Así mismo esta tesis muestra que es posible obtener reducciones significativas de coste simplemente evitando los períodos de pico diario en el precio de la misma. Además la tesis permite identificar cómo el nivel de monitorización del consumo energético (es decir al nivel de máquina), el intervalo temporal, y el nivel del análisis de los datos son factores determinantes a la hora de localizar oportunidades para mejorar la eficiencia energética. Adicionalmente, la integración de datos de consumo energético en tiempo real con datos de producción (cuando existen altos niveles de estandarización en los procesos productivos y sus datos) es esencial para permitir que las factorías detallen la energía efectivamente consumida, su coste y CO2 emitido durante la producción de un producto o componente. Esto permite obtener una valiosa información a los gestores en el nivel decisor de la factoría así como a los consumidores y reguladores. ABSTRACT In today‘s manufacturing scenario, rising energy prices, increasing ecological awareness, and changing consumer behaviors are driving decision makers to prioritize green manufacturing. The Internet of Things (IoT) paradigm promises to increase the visibility and awareness of energy consumption, thanks to smart sensors and smart meters at the machine and production line level. Consequently, real-time energy consumption data from the manufacturing processes can be easily collected and then analyzed, to improve energy-aware decision-making. This thesis aims to investigate how to utilize the adoption of the Internet of Things at shop floor level to increase energy–awareness and the energy efficiency of discrete production processes. In order to achieve the main research goal, the research is divided into four sub-objectives, and is accomplished during four main phases (i.e., studies). In the first study, by relying on a comprehensive literature review and on experts‘ insights, the thesis defines energy-efficient production management practices that are enhanced and enabled by IoT technology. The first study also explains the benefits that can be obtained by adopting such management practices. Furthermore, it presents a framework to support the integration of gathered energy data into a company‘s information technology tools and platforms, which is done with the ultimate goal of highlighting how operational and tactical decision-making processes could leverage such data in order to improve energy efficiency. Considering the variable energy prices in one day, along with the availability of detailed machine status energy data, the second study proposes a mathematical model to minimize energy consumption costs for single machine production scheduling during production processes. This model works by making decisions at the machine level to determine the launch times for job processing, idle time, when the machine must be shut down, ―turning on‖ time, and ―turning off‖ time. This model enables the operations manager to implement the least expensive production schedule during a production shift. In the third study, the research provides a methodology to help managers implement the IoT at the production system level; it includes an analysis of current energy management and production systems at the factory, and recommends procedures for implementing the IoT to collect and analyze energy data. The methodology has been validated by a pilot study, where energy KPIs have been used to evaluate energy efficiency. In the fourth study, the goal is to introduce a way to achieve multi-level awareness of the energy consumed during production processes. The proposed method enables discrete factories to specify energy consumption, CO2 emissions, and the cost of the energy consumed at operation, production and order levels, while considering energy sources and fluctuations in energy prices. The results show that energy-efficient production management practices and decisions can be enhanced and enabled by the IoT. With the outcomes of the thesis, energy managers can approach the IoT adoption in a benefit-driven way, by addressing energy management practices that are close to the maturity level of the factory, target, production type, etc. The thesis also shows that significant reductions in energy costs can be achieved by avoiding high-energy price periods in a day. Furthermore, the thesis determines the level of monitoring energy consumption (i.e., machine level), the interval time, and the level of energy data analysis, which are all important factors involved in finding opportunities to improve energy efficiency. Eventually, integrating real-time energy data with production data (when there are high levels of production process standardization data) is essential to enable factories to specify the amount and cost of energy consumed, as well as the CO2 emitted while producing a product, providing valuable information to decision makers at the factory level as well as to consumers and regulators.

Identification of the method to quantify soluble fibre and the effect of the source of fibre on the ileal and faecal digestibility of soluble and insoluble fibre in rabbits = Identificación del método para cuantificar la fibra soluble y el efecto de la fuente de fibra en la digestibilidad ileal y fecal de la fibra soluble e insoluble en conejos

La presente tesis constituye un avance en el estudio de los métodos para cuantificar la fibra soluble y los efectos de las fracciones de fibra y las fuentes de fibra sobre la digestión de las diferentes fracciones de fibra (soluble e insoluble) en el conejo. Hay un efecto positivo de la fibra soluble sobre la salud intestinal de los conejos y, por ende, una reducción de la mortalidad en animales destetados. Pese a esto, no está claro si estos efectos se deben específicamente a la fracción soluble. Por lo que los objetivos generales de esta tesis fueron: 1) comparar diferentes metodologías químicas e in vitro para cuantificar la fibra soluble y estudiar las posibles interferencias en la cuantificación de la fibra soluble por las mucinas, y viceversa, 2) determinar los efectos de la fibra, el lugar de fermentación, el método para valorar la fibra soluble e insoluble, y la corrección de la fibra soluble por el contenido intestinal de mucinas sobre la digestibilidad de las distintas fracciones de la fibra y 3) evaluar los efectos individuales de las fracciones soluble e insoluble de la fibra de pulpa de remolacha y de manzana, sobre la digestibilidad de la fibra soluble e insoluble y los parámetros digestivos. Para ello se llevaron a cabo 4 estudios. En el primer estudio se compararon diferentes metodologías químicas e in vitro para valorar la fibra soluble de diferentes alimentos y se estudió la posible interferencia en la determinación de la fibra soluble y mucinas. Para ello se utilizaron seis ingredientes (pulpa de remolacha, pectinas de pulpa de remolacha, pulpa de remolacha lavada, paja de cereal, cascarilla de girasol y lignocelulosa) y siete piensos de conejos con diferentes niveles de fibra soluble. En un primer experimento se analizó la fibra dietética total (FDT), la fibra dietética insoluble (FDI), la fibra dietética soluble (FDS), la fibra neutro detergente corregida por cenizas y proteínas (aFNDmo-pb), y la digestibilidad in vitro 2 pasos pepsina/pancreatina (residuo corregido por cenizas y proteína, ivMSi2) de los ingredientes y piensos. Además la fibra soluble se calculó mediante la diferencia entre FDT-FDI (FDSFDI), FDT- ivMSi2 (FDSivMSi2), y FDT - aFNDmo-pb (FDSaFNDmo-pb). Cuando la fibra soluble se determinó directamente como FDS o se calculó como FDT-FDI no se observaron diferencias (109 g/kg MS, en promedio). Sin embargo, cuando la fibra soluble se calculó como FDT - aFNDmo-pb su valor fue un 40% menor (153 g/kg MS. P < 0,05), mientras que la FDSFDI (124 g/kg MS) no fue diferente a ninguna de las otras metodologías. La correlación entre los tres métodos fue elevada (r > 0,96. P < 0,001. n = 13), pero disminuyó o incluso desapareció cuando la pulpa o las pectinas de la remolacha fueron excluidas del análisis. En un segundo experimento, se comparó el método ivDMi2 usando crisoles (método de referencia) con una modificación del mismo usando bolsas ANKOM digeridas individualmente o en colectivo para simplificar la determinación de la FDSivMSi2. La FDSivMSi2 no difirió entre los métodos comparados. En un tercer experimento, se analizó la posible interferencia entre la determinación de la fibra soluble y las mucinas intestinales. Se observó un contenido de FDT y de mucinas elevado en las muestras de pectinas de remolacha (994 y 709 g/kg MS), así como en el moco intestinal de conejo (571 y 739 g/kg MS) cuando se aplicó el método de mucinas por precipitación con etanol. Sin embargo, después de aplicar una pectinasa en el material precipitado, la cantidad de mucinas recuperadas en las muestras de pectinas de remolacha fue cercana a cero, mientras que en el moco intestinal fue similar a los resultados previos al uso de la enzima. Con los resultados de este ensayo se estimaron los carbohidratos de mucinas retenidos en los contenidos digestivos y se propuso una corrección para la determinación de la digestibilidad de la FDT y fibra soluble. En conclusión, la contaminación de las mucinas de la digesta con fibra soluble se soluciona usando pectinasas. El segundo estudio se centró en estudiar: 1) el efecto del tipo de fibra, 2) el sitio de fermentación, 3) el método para cuantificar fibra y 4) la corrección por mucinas sobre la digestibilidad de la fibra. Para ello se formularon tres piensos con diferentes niveles de fibra soluble (FDT-aFNDmo-pb). Un pienso bajo en fibra soluble (LSF. 85 g/kg DM), un pienso medio en fibra soluble (MSF. 102 g/kg DM), y un pienso alto en fibra soluble (HSF. 145 g/kg DM). Estos piensos se obtuvieron reemplazando un 50% del heno del alfalfa en el pienso MSF por una mezcla de pulpa de manzana y remolacha (HSF) o por una mezcla de cascarilla de avena y proteína de soja (LSF). Se utilizaron 30 conejas canuladas para determinar la digestibilidad ileal y fecal. La digestibilidad cecal se calculó mediante diferencia entre la digestibilidad fecal e ileal. La fibra insoluble se determinó como aFNDmo-pb, IDF, e ivMSi2, mientras que la fibra soluble se calculó como FDSFDI, FDSaFNDmo-pb, y FDSivMSi2. La digestibilidad de la FDT y la fibra soluble se corrigieron por las mucinas. La concentración de mucinas en la digesta ileal y fecal, aumento desde el grupo LSF hasta el grupo con el pienso HSF (P < 0,01). La corrección por mucinas aumentó las digestibilidades de la FDT y la fibra soluble a nivel ileal, mientras que a nivel cecal las redujo. (P < 0.01). El coeficiente de digestibilidad ileal de FDT aumentó desde el grupo LSF al grupo HSF (0,12 vs. 0,281. P < 0,01), sin diferencias en el coeficiente de digestibilidad cecal (0,264), por lo que la tendencia a nivel fecal entre los grupos se mantuvo. El coeficiente de digestibilidad ileal de la fibra insoluble aumento desde el grupo con el pienso LSF al grupo con el pienso HSF (0,113 vs. 0,210. P < 0,01), sin diferencias a nivel cecal (0,139) y sin efecto del método usado, resultando en una digestibilidad elevada a nivel fecal, con tendencias similares a las observadas a nivel ileal. El coeficiente de digestibilidad de la FND fue elevada en comparación con la FDI o la ivMSi2 (P > 0.01). El coeficiente de la digestibilidad ileal de la fibra soluble fue mayor en el grupo LSF respecto al grupo LSF (0,436 vs. 0,145. P < 0,01) y el método no afectó a esta determinación. El coeficiente de la digestibilidad cecal de la fibra soluble se redujo desde el grupo LSF hasta el grupo HSF (0,721 vs. 0,492. P < 0,05). El valor más bajo de digestibilidad cecal y fecal de fibra soluble fue medido con el método FDSaFNDmo-pb (P < 0,01). Se observó una alta correlación entre las digestibilidades de la fibra soluble determinada como FDSFDI, FDSaFNDmo-pb, y FDSivMSi2, por lo tanto la información proporcionada por una u otra metodología fueron similares. Sin embargo, cuando se compararon con efectos fisiológicos (producción de mucinas y peso del ciego y pH del ciego de un trabajo previo), la FDSaFNDmo-pb globalmente mostró estar mejor correlacionado con estos parámetros fisiológicos. En conclusión, la corrección por mucinas es necesaria para determinar la digestibilidad ileal de la FDT y fibra soluble, mientras que la elección de uno u otro método es menos relevante. La inclusión de pulpa de manzana y remolacha incrementa la cantidad de FDT que desaparece antes de llegar al ciego. En el tercer estudio se estudió el efecto de la fracción fibrosa soluble e insoluble de la pulpa de remolacha y el método de cuantificación de la fibra soluble e insoluble sobre la digestibilidad de la fibra y algunos parámetros digestivos. Para ello se formularon cuatro piensos con niveles similares de fibra insoluble (315g aFNDmo-pb/kg MS) y proteína (167 g/kg MS). El pienso control contuvo el nivel más bajo de fibra soluble (30,3 g/kg, con cascarilla de girasol y paja como fuente de fibra). Un segundo pienso se obtuvo mediante la sustitución de 60 g de almidón/kg del pienso control por pectinas de remolacha (82,9 g fibra soluble/kg MS). Los otras dos piensos resultaron de la sustitución parcial de las fuentes de fibra del pienso control por la fracción insoluble de la pulpa de remolacha y la pulpa de remolacha entera (42.2 y 82.3 g fibra soluble/kg MS, respectivamente). Cincuenta y seis conejos en cebo (14/pienso), de 2,4  0.21 kg de peso, fueron usados para determinar la digestibilidad ileal y fecal de la FDT, FDI, aFNDmo-pb, FDSFDI, y FDSaFNDmo-pb. La concentración de mucinas en el íleon y heces se utilizaron para corregir la digestibilidad de la FDT y fibra soluble. También se midió el peso de diferentes segmentos del tracto digestivo y el pH del contenido digestivo. Los conejos alimentados con el pienso de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostraron los consumos más bajos con respecto a los demás grupos (124 vs. 139 g/d, respectivamente. P < 0,05). El flujo de mucinas ileales fue más alto (P < 0.05) en el grupo alimentado con el pienso de pectinas de remolacha (9,0 g/d en promedio) que los del grupo control (4,79 g/d), mostrando los otros dos grupos valores intermedios, sin detectarse diferencias a nivel fecal. La digestibilidad ileal de la FDT (corregida por mucinas) y la fibra insoluble no se vieron afectadas por el tipo de pienso. El método usado para determinar la fibra insoluble afectó su digestibilidad ileal (0,123 para FDI vs. 0,108 para aFNDmo-pb. P < 0.01). De todas formas, los métodos no afectaron al cálculo de la fibra fermentada antes del ciego (4,9 g/d en promedio). Los conejos alimentados con el pienso de pulpa de remolacha y con el pienso con la fracción insoluble de la pulpa de remolacha mostraron las digestibilidades fecales más altas de la fibra insoluble (0,266 en promedio vs. 0,106 del grupo control), mientras que en los animales del pienso con pectinas esta digestibilidad fue un 47% mayor respecto al pienso control (P < 0,001). La digestibilidad fecal de la fibra insoluble fue un 20% más alta cuando se usó la FND en lugar de FDI para determinarla (P < 0.001). Esto hizo variar la cantidad de fibra insoluble fermentada a lo largo del tracto digestivo (9,5 ó 7,5 g/d cuando fue calculada como FDI o aFNDmo-pb, respectivamente. P < 0,001). Las digestibilidades ileales de la fibra soluble fueron positivas cuando los análisis de fibra soluble de los contenidos ileales fueron corregidos por mucinas, (P < 0,001) excepto para la digestibilidad ileal de la FDSIDF del grupo control. Una vez corregidas por mucinas, los conejos alimentados con los piensos que contuvieron la fracción soluble de la pulpa de remolacha (pienso de pectina y pulpa de remolacha) mostraron una mayor digestibilidad ileal de la fibra soluble, respecto al grupo control (0,483 vs. -0,010. P = 0.002), mientras que el grupo del pienso de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostró un valor intermedio (0,274). La digestibilidad total de la fibra soluble fue similar entre todos los grupos (0.93). Los conejos alimentados con pulpa de remolacha y su fracción insoluble mostraron los pesos relativos más altos del estómago respecto a los del pienso control y de pectinas (11 y 56 % respectivamente; P < 0,05). Por otra parte, el peso relativo del ciego aumentó en los animales que consumieron tanto la fracción soluble como insoluble de la pulpa de remolacha, siendo un 16% más pesados (P < 0,001) que el grupo control. El pH del contenido cecal fue más bajo en los animales del grupo de pulpa de remolacha que en los del grupo control (5,64 vs. 6,03; P < 0,001), mientras que los del grupo de pectinas y de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostraron valores intermedios. En conclusión, el efecto positivo de la pulpa de remolacha en el flujo de mucinas a nivel ileal se debe a la fracción soluble e insoluble de la pulpa de remolacha. La mitad de la fibra soluble de la pulpa de remolacha desaparece antes de llegar al ciego, independientemente si esta proviene de pectinas puras o de la pulpa de remolacha. El pH cecal esta mejor correlacionado con la cantidad de FDT que desaparece antes del ciego más que con la que se degrada en el ciego. En el último estudio se estudiaron los efectos de la fibra soluble e insoluble de la pulpa de manzana sobre la digestibilidad de la fibra y algunos parámetros digestivos. Cuatro dietas fueron formuladas con niveles similares de fibra insoluble (aFNDmo-pb 32,4%) y proteína (18,6% ambos en base seca). El pienso control contuvo el nivel más bajo de fibra soluble (46 g de fibra soluble/kg, con cascarilla de girasol y paja de cereales como la fuentes de fibra). Un segundo pienso fue obtenido mediante la sustitución de 60 g de almidón/kg del pienso control por pectinas de manzana (105 g fibra soluble/kg). Los otros dos piensos se obtuvieron por la substitución de parte de las fuentes de fibra del pienso control por pulpa de manzana o pulpa de manzana despectinizada (93 y 71 g de fibra soluble/kg, respectivamente). La digestibilidad fecal fue determinada en 23 conejos/pienso con 1.68 ± 0.23 kg de peso vivo, los cuales fueron sacrificados a los 60 d edad para recolectar su contenido digestivo para determinar digestibilidad ileal y otros parámetros digestivos. La fibra soluble de manzana (pectinas y pulpa entera) estimuló el flujo ileal de mucinas (P = 0,002), pero no asi la pulpa despectinizada. La corrección por mucinas incrementó la digestibilidad de la FDT y la fibra soluble a nivel fecal, y especialmente a nivel ileal. Cerca de la mitad de la fibra soluble proveniente de los piensos con cualquiera de las fracciones de la pulpa de manzana fue degradada a nivel ileal, sin mostrar diferencias entre los grupos (46 y 86% en promedio a nivel ileal y fecal respectivamente). La inclusión de pulpa despectinizada de manzana mejoró la digestibilidad de la FND a nivel fecal (P < 0,05) pero no a nivel ileal. El contenido cecal de los conejos alimentados con la pulpa de manzana tuvieron el pH cecal más ácido que los del pienso control (5,55 vs. 5,95. P < 0,001), mientras que los animales con el pienso de pectinas de manzana y de pulpa de manzana despectinizada mostraron valores intermedios. En conclusión los efectos positivo de la pulpa de manzana en el flujo de mucinas se debió principalmente a la fracción soluble de la pulpa de manzana. La mitad de la fibra soluble fue degradada antes del ciego independientemente de si esta provino de las pectinas o de la pulpa de manzana. El pH cecal estuvo mejor correlacionado con la cantidad de FDT fermentada en todo el tracto digestivo y antes de llegar al ciego que con la que se degradó en el ciego. Al integrar los resultados de los estudio 2, 3 y 4 se concluyó que la corrección de mucinas de los contenidos digestivos al determinar FDT y fibra soluble es necesaria para ajustar los cálculos de su digestibilidad. Esta corrección es mucho más importante a nivel ileal y en dietas bajas en fibra soluble. Por otra parte, la FDT desapareció en proporciones importantes antes de llegar al ciego, especialmente en piensos que contienen pulpa de remolacha o de manzana o alguna fracción soluble o insoluble de las mismas y estas diferencias observadas entre los piensos a nivel ileal se correlacionaron mejor con el pH cecal, lo que indicaría que la FDT se solubilizó antes de llegar al ciego y una vez en esté fermentó. Estos resultados implican que determinar la fibra soluble como FDSaFNDmo-pb es la mejor opción y que en la determinación de la digestibilidad de la FDT y fibra soluble se debe considerar la corrección por mucinas especialmente a nivel ileal y en piensos bajos en fibra soluble. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing the knowledge of the methods to quantify soluble fibre and the effects of the fibre fractions and source of fibre on the site the digestion of different fractions of fibre (soluble and insoluble) in the rabbit. There is a positive effect of soluble fibre on rabbit digestive health and therefore on the reduction of mortality in weaning rabbits. Nevertheless, it is no so clear that the effects of soluble fibre on rabbits are due particularly to this fraction. This thesis aims: 1) to compare the quantification of soluble fibre in feeds using different chemical and in vitro approaches, and to study the potential interference between soluble fibre and mucin determinations, 2) to identify the effects of type of fibre, site of fermentation, method to quantify insoluble and soluble fibre, and correction of the intestinal soluble fibre content for intestinal mucin on the digestibility of fibre fractions and 3) to evaluate the individual effect of soluble and insoluble fibre from sugar beet pulp and apple pulp on ileal and faecal soluble and insoluble digestibility and digestive traits. These objectives were developed in four studies: The first study compared the quantification of soluble fibre in feeds using different chemical and in vitro approaches, and studied the potential interference between soluble fibre and mucin determinations. Six ingredients, sugar beet pulp (SBP), SBP pectins, insoluble SBP, wheat straw, sunflower hulls and lignocellulose, and seven rabbit diets, differing in soluble fibre content, were evaluated. In experiment 1, ingredients and diets were analysed for total dietary fibre (TDF), insoluble dietary fibre (IDF), soluble dietary fibre (SDF), aNDFom (corrected for protein, aNDFom-cp) and 2-step pepsin/pancreatin in vitro DM indigestibility (corrected for ash and protein, ivDMi2). Soluble fibre was estimated by difference using three procedures: TDF - IDF (SDFIDF), TDF - ivDMi2 (SDFivDMi2), and TDF - aNDFom-cp (SDFaNDFom-cp). Soluble fibre determined directly (SDF) or by difference, as SDFivDMi2 were not different (109 g/kg DM, on average). However, when it was calculated as SDFaNDFom-cp the value was 40% higher (153 g/kg DM, P < 0.05), whereas SDFIDF (124 g/kg DM) did not differ from any of the other methods. The correlation between the four methods was high (r ≥ 0.96. P ≤ 0.001. n = 13), but it decreased or even disappeared when SBP pectins and SBP were excluded and a lower and more narrow range of variation of soluble fibre was used. In experiment 2, the ivDMi2 using crucibles (reference method) were compared to those made using individual or collective ankom bags in order to simplify the determination of SDFivDMi2. The ivDMi2 was not different when using crucibles or individual or collective ankom bags. In experiment 3, the potential interference between soluble fibre and intestinal mucin determinations was studied using rabbit intestinal raw mucus, digesta and SBP pectins, lignocelluloses and a rabbit diet. An interference was observed between the determinations of soluble fibre and crude mucin, as the content of TDF and apparent crude mucin were high in SBP pectins (994 and 709 g/kg DM) and rabbit intestinal raw mucus (571 and 739 g/kg DM). After a pectinase treatment, the coefficient of apparent mucin recovery of SBP pectins was close to zero, whereas that of rabbit mucus was not modified. An estimation of the crude mucin carbohydrates retained in digesta TDF is proposed to correct TDF and soluble fibre digestibility. In conclusion, the values of soluble fibre depend on the methodology used. The contamination of crude mucin with soluble fibre is avoided using pectinase. The second study focused on the effect of type of fibre, site of fermentation, method for quantifying insoluble and soluble dietary fibre, and their correction for intestinal mucin on fibre digestibility. Three diets differing in soluble fibre were formulated (85 g/kg DM soluble fibre, in the low soluble fibre [LSF] diet; 102 g/kg DM in the medium soluble fibre [MSF] diet; and 145 g/kg DM in the high soluble fibre [HSF] diet). They were obtained by replacing half of the dehydrated alfalfa in the MSF diet with a mixture of beet and apple pulp (HSF diet) or with a mix of oat hulls and soybean protein (LSF diet). Thirty rabbits with ileal T-cannulas were used to determine total tract apparent digestibility (CTTAD) and ileal apparent digestibility (CIAD). Caecal digestibility was determined by difference between CTTAD and CIAD. Insoluble fibre was measured as aNDFom-cp, IDF, and ivDMi2, whereas soluble fibre was calculated as SDFaNDFom-cp, SDFIDF, SDFivDMi2. The intestinal mucin content was used to correct the TDF and soluble fibre digestibility. Ileal and faecal concentration of mucin increased from the LSF to the HSF diet group (P < 0.01). Once corrected for intestinal mucin, The CTTAD and CIAD of TDF and soluble fibre increased whereas caecal digestibility decreased (P < 0.01). The CIAD of TDF increased from the LSF to the HSF diet group (0.12 vs. 0.281. P < 0.01), with no difference in the caecal digestibility (0.264), resulting in a higher CTTAD from the LSF to the HSF diet group (P < 0.01). The CIAD of insoluble fibre increased from the LSF to the HSF diet group (0.113 vs. 0.21. P < 0.01), with no difference in the caecal digestibility (0.139) and no effect of fibre method, resulting in a higher CTTAD for rabbits fed the HSF diet compared with the MSF and LSF diets groups (P < 0.01). The CTTAD of aNDFom-cp was higher compared with IDF or ivDMi2 (P < 0.01). The CIAD of soluble fibre was higher for the HSF than for the LSF diet group (0.436 vs. 0.145. P < 0.01) and fibre method did not affect it. Caecal soluble fibre digestibility decreased from the LSF to the HSF diet group (0.721 vs. 0.492. P < 0.05). The lowest caecal and faecal soluble fibre digestibility was measured using SDFaNDFom-cp (P < 0.01). There was a high correlation among the digestibilities of soluble fibre measured as SDFaNDFom-cp, SDFIDF, and SDFivDMi2. Therefore, these methodologies provide similar information. However, the method that seems to be globally better related to the physiological traits (ileal flow of mucins, and relative weight of the caecum and caecal pH from previous work) was the SDFaNDFom-cp. In conclusion, a correction for intestinal mucin is necessary for ileal TDF and soluble fibre digestibility whereas the selection of the fibre method has a minor relevance. The inclusion of sugar beet and apple pulp increased the amount of TDF fermented in the small intestine. The third study examined the effect of fibre fractions of sugar beet pulp (SBP) and the method for quantifying soluble and insoluble fibre on soluble and insoluble fibre digestibility and digestive traits. Four diets were formulated with similar level of insoluble fibre (aNDFom-cp: 315 g/kg DM) and protein (167 g/kg DM). Control diet contained the lowest level of soluble fibre (30.3 g/kg DM, including sunflower hulls and straw as sole sources of fibre). A second diet was obtained by replacing 60 g starch/kg of control diet with SBP pectins (82.9 g soluble fibre/kg DM). Two more diets were obtained by replacing part of the fibrous sources of the control diet with either insoluble SBP fibre or SBP (42.2 and 82.3 g soluble fibre/kg DM, respectively). Fifty six (14/diet) rabbits weighing 2.40  0.213 kg were used to determine faecal and ileal digestibility of total dietary fibre (TDF), insoluble dietary fibre (IDF), neutral detergent fibre corrected for ash and CP (aNDFom-cp) and soluble fibre estimated as SDFaNDFom-cp and SDFIDF. Faecal and ileal mucin content was used to correct TDF and soluble fibre digestibility. It was also recorded weight of digestive segments and digesta pH. Rabbits fed insoluble SBP showed the lowest feed intake with respect to the other 3 diets (124 vs. 139 g/d, respectively. P < 0.05). Ileal mucin flow was higher (P < 0.05) in animals fed pectin and SBP diets (9.0 g/d, as average) than those fed control diet (4.79 g/d), showing InsSBP group an intermediate value. No differences on mucin content were detected at faecal level. There was no diet effect on the CIAD of TDF (corrected for mucin) and insoluble fibre. Fibre methodology influenced the CIAD of insoluble fibre (0.123 for IDF vs. 0.108 for aNDFom-cp. P < 0.01). Anyway, the amount of insoluble fibre fermented before the caecum did not differ between both methods (4.9 g/d, on average). Rabbits fed insoluble SBP and SBP diets showed the highest CTTAD of insoluble fibre (0.266 on average vs. 0.106 for control group), whereas those fed pectin diet had an intermediate value (0.106. P < 0.001). The CTTAD of insoluble fibre measured with IDF was higher than that measured with aNDFom-cp (by 20%. P < 0.001). It led that the amount of insoluble fibre fermented along the digestive tract were different (9.5 or 7.5 g/d when calculated as IDF or aNDFom-cp, respectively; P < 0.001). When the CIAD of soluble fibre was corrected for mucin they became positive (P < 0.001) except for control group measured as SDFIDF. Once corrected for mucin content, rabbits fed soluble fibre from SBP (pectin and SBP groups) showed higher CIAD of soluble fibre than control group (0.483 vs. -0.019. respectively), whereas the value for insoluble SBP group was intermediate 0.274. The CTTAD of soluble fibre (mucin corrected) was similar among diets 0.93. Rabbits fed with SBP and insoluble SBP diets showed higher total digestive tract and stomach relative weight than those fed pectin and control diets (by 11 and 56 %. respectively, P < 0.05). The caecal relative weight did not differ in rabbits fed pectin, insoluble SBP, and SBP diets (62 g/kg BW, as average) and they were on average 16% higher (P < 0.001) than in control group. Caecal content of rabbits fed SBP diet was more acid than those fed control diet (5.64 vs. 6.03. P < 0.001), whereas those from pectin and insoluble SBP diets showed intermediate values. In conclusion, the positive effect of SBP fibre on ileal mucin flow was due to both its soluble and insoluble fibre fraction. Half of the soluble SBP fibre was degraded before the caecum independently it came from pectin or SBP. The caecal pH correlated better with the ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. The last study examined the effect of soluble and insoluble fibre of apple pulp on fibre digestibility and digestive traits. Four diets were formulated with similar level of insoluble fibre (aNDFom-cp: 324 g/kg DM) and protein (18.6 g/kg DM). Control diet contained the lowest level of soluble fibre (46 g soluble fibre/kg DM, including oat hulls and straw as sole sources of fibre). A second diet was obtained by replacing 60 g starch/kg of control diet with apple pectins (105 g soluble fibre/kg DM). Two more diets were obtained by substituting part of the fibrous sources of the control diet by either apple pulp or depectinized apple pulp (93 and 71 g soluble fibre/kg, respectively). The CTTAD was determined in 23 rabbits/diet weighing 1.68  0.23 kg BW, and 23 rabbits/diet were slaughtered at 60 d of age to collect ileal digesta to determine CIAD and record other digestive traits. Soluble fibre from apple stimulated ileal flow of mucin (P = 0.002), but depectinized apple pulp did not. The correction for mucin increased the digestibility of crude protein, total dietary fibre, and soluble fibre at faecal, but especially at ileal level, depending in this case on the diet. Around half of the soluble fibre in diets containing any fibre fraction from apple was degraded at ileal level, with no differences among these diets (0.46 vs. 0.066 for control group, P=0.046). Faecal soluble fibre digestibility was 0.86 on average for all groups). Inclusion of the apple insoluble fibre improved NDF digestibility at faecal (0.222 vs. 0.069. P < 0.05) but not at ileal level. Caecal content of rabbits fed apple pulp diet was more acid than those fed control diet (5.55 vs. 5.95. P < 0.001), whereas those from pectin and depectinised apple pulp diets showed intermediate values. In conclusion, the positive effect of apple fibre on ileal mucin flow was mainly due to its soluble fibre fraction. Half of the soluble apple fibre was degraded before the caecum independently it came from pectin or apple pulp. The caecal pH correlated better with the total and ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. The results obtained in the studies 2, 3 and 4 were considered together. These results showed that the mucin correction is necessary when the TDF and soluble fibre digestibility is determined, and it correction is more important at ileal level and in diets with low level of soluble fibre. On another hand, incrementing the soluble fibre using sugar beet and apple pulp increased the amount of TDF disappear before the caecum. Moreover, the caecal pH correlated better with the ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. This suggests that an ileal fibre solubilisation may occur rather than ileal fermentation. Therefore the implications of this work were that: the estimation of soluble fibre as SDFaNDFom-cp is an adequate method considering its correlation with the physiological effects; and the TDF and soluble fibre digestibility must be corrected with intestinal mucins, especially when the ileal digestibility is determined.

Design and development of compact optical systems = Diseño y desarrollo de sistemas ópticos compactos

Esta tesis considera dos tipos de aplicaciones del diseño óptico: óptica formadora de imagen por un lado, y óptica anidólica (nonimaging) o no formadora de imagen, por otro. Las ópticas formadoras de imagen tienen como objetivo la obtención de imágenes de puntos del objeto en el plano de la imagen. Por su parte, la óptica anidólica, surgida del desarrollo de aplicaciones de concentración e iluminación, se centra en la transferencia de energía en forma de luz de forma eficiente. En general, son preferibles los diseños ópticos que den como resultado sistemas compactos, para ambos tipos de ópticas (formadora de imagen y anidólica). En el caso de los sistemas anidólicos, una óptica compacta permite tener costes de producción reducidos. Hay dos razones: (1) una óptica compacta presenta volúmenes reducidos, lo que significa que se necesita menos material para la producción en masa; (2) una óptica compacta es pequeña y ligera, lo que ahorra costes en el transporte. Para los sistemas ópticos de formación de imagen, además de las ventajas anteriores, una óptica compacta aumenta la portabilidad de los dispositivos, que es una gran ventaja en tecnologías de visualización portátiles, tales como cascos de realidad virtual (HMD del inglés Head Mounted Display). Esta tesis se centra por tanto en nuevos enfoques de diseño de sistemas ópticos compactos para aplicaciones tanto de formación de imagen, como anidólicas. Los colimadores son uno de los diseños clásicos dentro la óptica anidólica, y se pueden utilizar en aplicaciones fotovoltaicas y de iluminación. Hay varios enfoques a la hora de diseñar estos colimadores. Los diseños convencionales tienen una relación de aspecto mayor que 0.5. Con el fin de reducir la altura del colimador manteniendo el área de iluminación, esta tesis presenta un diseño de un colimador multicanal. En óptica formadora de imagen, las superficies asféricas y las superficies sin simetría de revolución (o freeform) son de gran utilidad de cara al control de las aberraciones de la imagen y para reducir el número y tamaño de los elementos ópticos. Debido al rápido desarrollo de sistemas de computación digital, los trazados de rayos se pueden realizar de forma rápida y sencilla para evaluar el rendimiento del sistema óptico analizado. Esto ha llevado a los diseños ópticos modernos a ser generados mediante el uso de diferentes técnicas de optimización multi-paramétricas. Estas técnicas requieren un buen diseño inicial como punto de partida para el diseño final, que será obtenido tras un proceso de optimización. Este proceso precisa un método de diseño directo para superficies asféricas y freeform que den como resultado un diseño cercano al óptimo. Un método de diseño basado en ecuaciones diferenciales se presenta en esta tesis para obtener un diseño óptico formado por una superficie freeform y dos superficies asféricas. Esta tesis consta de cinco capítulos. En Capítulo 1, se presentan los conceptos básicos de la óptica formadora de imagen y de la óptica anidólica, y se introducen las técnicas clásicas del diseño de las mismas. El Capítulo 2 describe el diseño de un colimador ultra-compacto. La relación de aspecto ultra-baja de este colimador se logra mediante el uso de una estructura multicanal. Se presentará su procedimiento de diseño, así como un prototipo fabricado y la caracterización del mismo. El Capítulo 3 describe los conceptos principales de la optimización de los sistemas ópticos: función de mérito y método de mínimos cuadrados amortiguados. La importancia de un buen punto de partida se demuestra mediante la presentación de un mismo ejemplo visto a través de diferentes enfoques de diseño. El método de las ecuaciones diferenciales se presenta como una herramienta ideal para obtener un buen punto de partida para la solución final. Además, diferentes técnicas de interpolación y representación de superficies asféricas y freeform se presentan para el procedimiento de optimización. El Capítulo 4 describe la aplicación del método de las ecuaciones diferenciales para un diseño de un sistema óptico de una sola superficie freeform. Algunos conceptos básicos de geometría diferencial son presentados para una mejor comprensión de la derivación de las ecuaciones diferenciales parciales. También se presenta un procedimiento de solución numérica. La condición inicial está elegida como un grado de libertad adicional para controlar la superficie donde se forma la imagen. Basado en este enfoque, un diseño anastigmático se puede obtener fácilmente y se utiliza como punto de partida para un ejemplo de diseño de un HMD con una única superficie reflectante. Después de la optimización, dicho diseño muestra mejor rendimiento. El Capítulo 5 describe el método de las ecuaciones diferenciales ampliado para diseños de dos superficies asféricas. Para diseños ópticos de una superficie, ni la superficie de imagen ni la correspondencia entre puntos del objeto y la imagen pueden ser prescritas. Con esta superficie adicional, la superficie de la imagen se puede prescribir. Esto conduce a un conjunto de tres ecuaciones diferenciales ordinarias implícitas. La solución numérica se puede obtener a través de cualquier software de cálculo numérico. Dicho procedimiento también se explica en este capítulo. Este método de diseño da como resultado una lente anastigmática, que se comparará con una lente aplanática. El diseño anastigmático converge mucho más rápido en la optimización y la solución final muestra un mejor rendimiento. ABSTRACT We will consider optical design from two points of view: imaging optics and nonimaging optics. Imaging optics focuses on the imaging of the points of the object. Nonimaging optics arose from the development of concentrators and illuminators, focuses on the transfer of light energy, and has wide applications in illumination and concentration photovoltaics. In general, compact optical systems are necessary for both imaging and nonimaging designs. For nonimaging optical systems, compact optics use to be important for reducing cost. The reasons are twofold: (1) compact optics is small in volume, which means less material is needed for mass-production; (2) compact optics is small in size and light in weight, which saves cost in transportation. For imaging optical systems, in addition to the above advantages, compact optics increases portability of devices as well, which contributes a lot to wearable display technologies such as Head Mounted Displays (HMD). This thesis presents novel design approaches of compact optical systems for both imaging and nonimaging applications. Collimator is a typical application of nonimaging optics in illumination, and can be used in concentration photovoltaics as well due to the reciprocity of light. There are several approaches for collimator designs. In general, all of these approaches have an aperture diameter to collimator height not greater than 2. In order to reduce the height of the collimator while maintaining the illumination area, a multichannel design is presented in this thesis. In imaging optics, aspheric and freeform surfaces are useful in controlling image aberrations and reducing the number and size of optical elements. Due to the rapid development of digital computing systems, ray tracing can be easily performed to evaluate the performance of optical system. This has led to the modern optical designs created by using different multi-parametric optimization techniques. These techniques require a good initial design to be a starting point so that the final design after optimization procedure can reach the optimum solution. This requires a direct design method for aspheric and freeform surface close to the optimum. A differential equation based design method is presented in this thesis to obtain single freeform and double aspheric surfaces. The thesis comprises of five chapters. In Chapter 1, basic concepts of imaging and nonimaging optics are presented and typical design techniques are introduced. Readers can obtain an understanding for the following chapters. Chapter 2 describes the design of ultra-compact collimator. The ultra-low aspect ratio of this collimator is achieved by using a multichannel structure. Its design procedure is presented together with a prototype and its evaluation. The ultra-compactness of the device has been approved. Chapter 3 describes the main concepts of optimizing optical systems: merit function and Damped Least-Squares method. The importance of a good starting point is demonstrated by presenting an example through different design approaches. The differential equation method is introduced as an ideal tool to obtain a good starting point for the final solution. Additionally, different interpolation and representation techniques for aspheric and freeform surface are presented for optimization procedure. Chapter 4 describes the application of differential equation method in the design of single freeform surface optical system. Basic concepts of differential geometry are presented for understanding the derivation of partial differential equations. A numerical solution procedure is also presented. The initial condition is chosen as an additional freedom to control the image surface. Based on this approach, anastigmatic designs can be readily obtained and is used as starting point for a single reflective surface HMD design example. After optimization, the evaluation shows better MTF. Chapter 5 describes the differential equation method extended to double aspheric surface designs. For single optical surface designs, neither image surface nor the mapping from object to image can be prescribed. With one more surface added, the image surface can be prescribed. This leads to a set of three implicit ordinary differential equations. Numerical solution can be obtained by MATLAB and its procedure is also explained. An anastigmatic lens is derived from this design method and compared with an aplanatic lens. The anastigmatic design converges much faster in optimization and the final solution shows better performance.

Design of a Semi-analytical Method to Describe Plasma-Wall Interactions

Electric probes are objects immersed in the plasma with sharp boundaries which collect of emit charged particles. Consequently, the nearby plasma evolves under abrupt imposed and/or naturally emerging conditions. There could be localized currents, different time scales for plasma species evolution, charge separation and absorbing-emitting walls. The traditional numerical schemes based on differences often transform these disparate boundary conditions into computational singularities. This is the case of models using advection-diffusion differential equations with source-sink terms (also called Fokker-Planck equations). These equations are used in both, fluid and kinetic descriptions, to obtain the distribution functions or the density for each plasma species close to the boundaries. We present a resolution method grounded on an integral advancing scheme by using approximate Green's functions, also called short-time propagators. All the integrals, as a path integration process, are numerically calculated, what states a robust grid-free computational integral method, which is unconditionally stable for any time step. Hence, the sharp boundary conditions, as the current emission from a wall, can be treated during the short-time regime providing solutions that works as if they were known for each time step analytically. The form of the propagator (typically a multivariate Gaussian) is not unique and it can be adjusted during the advancing scheme to preserve the conserved quantities of the problem. The effects of the electric or magnetic fields can be incorporated into the iterative algorithm. The method allows smooth transitions of the evolving solutions even when abrupt discontinuities are present. In this work it is proposed a procedure to incorporate, for the very first time, the boundary conditions in the numerical integral scheme. This numerical scheme is applied to model the plasma bulk interaction with a charge-emitting electrode, dealing with fluid diffusion equations combined with Poisson equation self-consistently. It has been checked the stability of this computational method under any number of iterations, even for advancing in time electrons and ions having different time scales. This work establishes the basis to deal in future work with problems related to plasma thrusters or emissive probes in electromagnetic fields.

Atmospheric parameters, spectral indexes and their relation to CPV spectral performance

Air Mass and atmosphere components (basically aerosol (AOD) and precipitable water (PW)) define the absorption of the sunlight that arrive to Earth. Radiative models such as SMARTS or MODTRAN use these parameters to generate an equivalent spectrum. However, complex and expensive instruments (as AERONET network devices) are needed to obtain AOD and PW. On the other hand, the use of isotype cells is a convenient way to characterize spectrally a place for CPV considering that they provide the photocurrent of the different internal subcells individually. Crossing data from AERONET station and a Tri-band Spectroheliometer, a model that correlates Spectral Mismatch Ratios and atmospheric parameters is proposed. Considering the amount of stations of AERONET network, this model may be used to estimate the spectral influence on energy performance of CPV systems close to all the stations worldwide.

Contribución al estudio de las metodologías de cálculo realista con incertidumbre (BEPU), dentro del análisis determinista de seguridad de plantas nucleares

El análisis determinista de seguridad (DSA) es el procedimiento que sirve para diseñar sistemas, estructuras y componentes relacionados con la seguridad en las plantas nucleares. El DSA se basa en simulaciones computacionales de una serie de hipotéticos accidentes representativos de la instalación, llamados escenarios base de diseño (DBS). Los organismos reguladores señalan una serie de magnitudes de seguridad que deben calcularse en las simulaciones, y establecen unos criterios reguladores de aceptación (CRA), que son restricciones que deben cumplir los valores de esas magnitudes. Las metodologías para realizar los DSA pueden ser de 2 tipos: conservadoras o realistas. Las metodologías conservadoras utilizan modelos predictivos e hipótesis marcadamente pesimistas, y, por ello, relativamente simples. No necesitan incluir un análisis de incertidumbre de sus resultados. Las metodologías realistas se basan en hipótesis y modelos predictivos realistas, generalmente mecanicistas, y se suplementan con un análisis de incertidumbre de sus principales resultados. Se les denomina también metodologías BEPU (“Best Estimate Plus Uncertainty”). En ellas, la incertidumbre se representa, básicamente, de manera probabilista. Para metodologías conservadores, los CRA son, simplemente, restricciones sobre valores calculados de las magnitudes de seguridad, que deben quedar confinados en una “región de aceptación” de su recorrido. Para metodologías BEPU, el CRA no puede ser tan sencillo, porque las magnitudes de seguridad son ahora variables inciertas. En la tesis se desarrolla la manera de introducción de la incertidumbre en los CRA. Básicamente, se mantiene el confinamiento a la misma región de aceptación, establecida por el regulador. Pero no se exige el cumplimiento estricto sino un alto nivel de certidumbre. En el formalismo adoptado, se entiende por ello un “alto nivel de probabilidad”, y ésta corresponde a la incertidumbre de cálculo de las magnitudes de seguridad. Tal incertidumbre puede considerarse como originada en los inputs al modelo de cálculo, y propagada a través de dicho modelo. Los inputs inciertos incluyen las condiciones iniciales y de frontera al cálculo, y los parámetros empíricos de modelo, que se utilizan para incorporar la incertidumbre debida a la imperfección del modelo. Se exige, por tanto, el cumplimiento del CRA con una probabilidad no menor a un valor P0 cercano a 1 y definido por el regulador (nivel de probabilidad o cobertura). Sin embargo, la de cálculo de la magnitud no es la única incertidumbre existente. Aunque un modelo (sus ecuaciones básicas) se conozca a la perfección, la aplicación input-output que produce se conoce de manera imperfecta (salvo que el modelo sea muy simple). La incertidumbre debida la ignorancia sobre la acción del modelo se denomina epistémica; también se puede decir que es incertidumbre respecto a la propagación. La consecuencia es que la probabilidad de cumplimiento del CRA no se puede conocer a la perfección; es una magnitud incierta. Y así se justifica otro término usado aquí para esta incertidumbre epistémica: metaincertidumbre. Los CRA deben incorporar los dos tipos de incertidumbre: la de cálculo de la magnitud de seguridad (aquí llamada aleatoria) y la de cálculo de la probabilidad (llamada epistémica o metaincertidumbre). Ambas incertidumbres pueden introducirse de dos maneras: separadas o combinadas. En ambos casos, el CRA se convierte en un criterio probabilista. Si se separan incertidumbres, se utiliza una probabilidad de segundo orden; si se combinan, se utiliza una probabilidad única. Si se emplea la probabilidad de segundo orden, es necesario que el regulador imponga un segundo nivel de cumplimiento, referido a la incertidumbre epistémica. Se denomina nivel regulador de confianza, y debe ser un número cercano a 1. Al par formado por los dos niveles reguladores (de probabilidad y de confianza) se le llama nivel regulador de tolerancia. En la Tesis se razona que la mejor manera de construir el CRA BEPU es separando las incertidumbres, por dos motivos. Primero, los expertos defienden el tratamiento por separado de incertidumbre aleatoria y epistémica. Segundo, el CRA separado es (salvo en casos excepcionales) más conservador que el CRA combinado. El CRA BEPU no es otra cosa que una hipótesis sobre una distribución de probabilidad, y su comprobación se realiza de forma estadística. En la tesis, los métodos estadísticos para comprobar el CRA BEPU en 3 categorías, según estén basados en construcción de regiones de tolerancia, en estimaciones de cuantiles o en estimaciones de probabilidades (ya sea de cumplimiento, ya sea de excedencia de límites reguladores). Según denominación propuesta recientemente, las dos primeras categorías corresponden a los métodos Q, y la tercera, a los métodos P. El propósito de la clasificación no es hacer un inventario de los distintos métodos en cada categoría, que son muy numerosos y variados, sino de relacionar las distintas categorías y citar los métodos más utilizados y los mejor considerados desde el punto de vista regulador. Se hace mención especial del método más utilizado hasta el momento: el método no paramétrico de Wilks, junto con su extensión, hecha por Wald, al caso multidimensional. Se decribe su método P homólogo, el intervalo de Clopper-Pearson, típicamente ignorado en el ámbito BEPU. En este contexto, se menciona el problema del coste computacional del análisis de incertidumbre. Los métodos de Wilks, Wald y Clopper-Pearson requieren que la muestra aleatortia utilizada tenga un tamaño mínimo, tanto mayor cuanto mayor el nivel de tolerancia exigido. El tamaño de muestra es un indicador del coste computacional, porque cada elemento muestral es un valor de la magnitud de seguridad, que requiere un cálculo con modelos predictivos. Se hace especial énfasis en el coste computacional cuando la magnitud de seguridad es multidimensional; es decir, cuando el CRA es un criterio múltiple. Se demuestra que, cuando las distintas componentes de la magnitud se obtienen de un mismo cálculo, el carácter multidimensional no introduce ningún coste computacional adicional. Se prueba así la falsedad de una creencia habitual en el ámbito BEPU: que el problema multidimensional sólo es atacable desde la extensión de Wald, que tiene un coste de computación creciente con la dimensión del problema. En el caso (que se da a veces) en que cada componente de la magnitud se calcula independientemente de los demás, la influencia de la dimensión en el coste no se puede evitar. Las primeras metodologías BEPU hacían la propagación de incertidumbres a través de un modelo sustitutivo (metamodelo o emulador) del modelo predictivo o código. El objetivo del metamodelo no es su capacidad predictiva, muy inferior a la del modelo original, sino reemplazar a éste exclusivamente en la propagación de incertidumbres. Para ello, el metamodelo se debe construir con los parámetros de input que más contribuyan a la incertidumbre del resultado, y eso requiere un análisis de importancia o de sensibilidad previo. Por su simplicidad, el modelo sustitutivo apenas supone coste computacional, y puede estudiarse exhaustivamente, por ejemplo mediante muestras aleatorias. En consecuencia, la incertidumbre epistémica o metaincertidumbre desaparece, y el criterio BEPU para metamodelos se convierte en una probabilidad simple. En un resumen rápido, el regulador aceptará con más facilidad los métodos estadísticos que menos hipótesis necesiten; los exactos más que los aproximados; los no paramétricos más que los paramétricos, y los frecuentistas más que los bayesianos. El criterio BEPU se basa en una probabilidad de segundo orden. La probabilidad de que las magnitudes de seguridad estén en la región de aceptación no sólo puede asimilarse a una probabilidad de éxito o un grado de cumplimiento del CRA. También tiene una interpretación métrica: representa una distancia (dentro del recorrido de las magnitudes) desde la magnitud calculada hasta los límites reguladores de aceptación. Esta interpretación da pie a una definición que propone esta tesis: la de margen de seguridad probabilista. Dada una magnitud de seguridad escalar con un límite superior de aceptación, se define el margen de seguridad (MS) entre dos valores A y B de la misma como la probabilidad de que A sea menor que B, obtenida a partir de las incertidumbres de A y B. La definición probabilista de MS tiene varias ventajas: es adimensional, puede combinarse de acuerdo con las leyes de la probabilidad y es fácilmente generalizable a varias dimensiones. Además, no cumple la propiedad simétrica. El término margen de seguridad puede aplicarse a distintas situaciones: distancia de una magnitud calculada a un límite regulador (margen de licencia); distancia del valor real de la magnitud a su valor calculado (margen analítico); distancia desde un límite regulador hasta el valor umbral de daño a una barrera (margen de barrera). Esta idea de representar distancias (en el recorrido de magnitudes de seguridad) mediante probabilidades puede aplicarse al estudio del conservadurismo. El margen analítico puede interpretarse como el grado de conservadurismo (GC) de la metodología de cálculo. Utilizando la probabilidad, se puede cuantificar el conservadurismo de límites de tolerancia de una magnitud, y se pueden establecer indicadores de conservadurismo que sirvan para comparar diferentes métodos de construcción de límites y regiones de tolerancia. Un tópico que nunca se abordado de manera rigurosa es el de la validación de metodologías BEPU. Como cualquier otro instrumento de cálculo, una metodología, antes de poder aplicarse a análisis de licencia, tiene que validarse, mediante la comparación entre sus predicciones y valores reales de las magnitudes de seguridad. Tal comparación sólo puede hacerse en escenarios de accidente para los que existan valores medidos de las magnitudes de seguridad, y eso ocurre, básicamente en instalaciones experimentales. El objetivo último del establecimiento de los CRA consiste en verificar que se cumplen para los valores reales de las magnitudes de seguridad, y no sólo para sus valores calculados. En la tesis se demuestra que una condición suficiente para este objetivo último es la conjunción del cumplimiento de 2 criterios: el CRA BEPU de licencia y un criterio análogo, pero aplicado a validación. Y el criterio de validación debe demostrarse en escenarios experimentales y extrapolarse a plantas nucleares. El criterio de licencia exige un valor mínimo (P0) del margen probabilista de licencia; el criterio de validación exige un valor mínimo del margen analítico (el GC). Esos niveles mínimos son básicamente complementarios; cuanto mayor uno, menor el otro. La práctica reguladora actual impone un valor alto al margen de licencia, y eso supone que el GC exigido es pequeño. Adoptar valores menores para P0 supone menor exigencia sobre el cumplimiento del CRA, y, en cambio, más exigencia sobre el GC de la metodología. Y es importante destacar que cuanto mayor sea el valor mínimo del margen (de licencia o analítico) mayor es el coste computacional para demostrarlo. Así que los esfuerzos computacionales también son complementarios: si uno de los niveles es alto (lo que aumenta la exigencia en el cumplimiento del criterio) aumenta el coste computacional. Si se adopta un valor medio de P0, el GC exigido también es medio, con lo que la metodología no tiene que ser muy conservadora, y el coste computacional total (licencia más validación) puede optimizarse. ABSTRACT Deterministic Safety Analysis (DSA) is the procedure used in the design of safety-related systems, structures and components of nuclear power plants (NPPs). DSA is based on computational simulations of a set of hypothetical accidents of the plant, named Design Basis Scenarios (DBS). Nuclear regulatory authorities require the calculation of a set of safety magnitudes, and define the regulatory acceptance criteria (RAC) that must be fulfilled by them. Methodologies for performing DSA van be categorized as conservative or realistic. Conservative methodologies make use of pessimistic model and assumptions, and are relatively simple. They do not need an uncertainty analysis of their results. Realistic methodologies are based on realistic (usually mechanistic) predictive models and assumptions, and need to be supplemented with uncertainty analyses of their results. They are also termed BEPU (“Best Estimate Plus Uncertainty”) methodologies, and are typically based on a probabilistic representation of the uncertainty. For conservative methodologies, the RAC are simply the restriction of calculated values of safety magnitudes to “acceptance regions” defined on their range. For BEPU methodologies, the RAC cannot be so simple, because the safety magnitudes are now uncertain. In the present Thesis, the inclusion of uncertainty in RAC is studied. Basically, the restriction to the acceptance region must be fulfilled “with a high certainty level”. Specifically, a high probability of fulfillment is required. The calculation uncertainty of the magnitudes is considered as propagated from inputs through the predictive model. Uncertain inputs include model empirical parameters, which store the uncertainty due to the model imperfection. The fulfillment of the RAC is required with a probability not less than a value P0 close to 1 and defined by the regulator (probability or coverage level). Calculation uncertainty is not the only one involved. Even if a model (i.e. the basic equations) is perfectly known, the input-output mapping produced by the model is imperfectly known (unless the model is very simple). This ignorance is called epistemic uncertainty, and it is associated to the process of propagation). In fact, it is propagated to the probability of fulfilling the RAC. Another term used on the Thesis for this epistemic uncertainty is metauncertainty. The RAC must include the two types of uncertainty: one for the calculation of the magnitude (aleatory uncertainty); the other one, for the calculation of the probability (epistemic uncertainty). The two uncertainties can be taken into account in a separate fashion, or can be combined. In any case the RAC becomes a probabilistic criterion. If uncertainties are separated, a second-order probability is used; of both are combined, a single probability is used. On the first case, the regulator must define a level of fulfillment for the epistemic uncertainty, termed regulatory confidence level, as a value close to 1. The pair of regulatory levels (probability and confidence) is termed the regulatory tolerance level. The Thesis concludes that the adequate way of setting the BEPU RAC is by separating the uncertainties. There are two reasons to do so: experts recommend the separation of aleatory and epistemic uncertainty; and the separated RAC is in general more conservative than the joint RAC. The BEPU RAC is a hypothesis on a probability distribution, and must be statistically tested. The Thesis classifies the statistical methods to verify the RAC fulfillment in 3 categories: methods based on tolerance regions, in quantile estimators and on probability (of success or failure) estimators. The former two have been termed Q-methods, whereas those in the third category are termed P-methods. The purpose of our categorization is not to make an exhaustive survey of the very numerous existing methods. Rather, the goal is to relate the three categories and examine the most used methods from a regulatory standpoint. Special mention deserves the most used method, due to Wilks, and its extension to multidimensional variables (due to Wald). The counterpart P-method of Wilks’ is Clopper-Pearson interval, typically ignored in the BEPU realm. The problem of the computational cost of an uncertainty analysis is tackled. Wilks’, Wald’s and Clopper-Pearson methods require a minimum sample size, which is a growing function of the tolerance level. The sample size is an indicator of the computational cost, because each element of the sample must be calculated with the predictive models (codes). When the RAC is a multiple criteria, the safety magnitude becomes multidimensional. When all its components are output of the same calculation, the multidimensional character does not introduce additional computational cost. In this way, an extended idea in the BEPU realm, stating that the multi-D problem can only be tackled with the Wald extension, is proven to be false. When the components of the magnitude are independently calculated, the influence of the problem dimension on the cost cannot be avoided. The former BEPU methodologies performed the uncertainty propagation through a surrogate model of the code, also termed emulator or metamodel. The goal of a metamodel is not the predictive capability, clearly worse to the original code, but the capacity to propagate uncertainties with a lower computational cost. The emulator must contain the input parameters contributing the most to the output uncertainty, and this requires a previous importance analysis. The surrogate model is practically inexpensive to run, so that it can be exhaustively analyzed through Monte Carlo. Therefore, the epistemic uncertainty due to sampling will be reduced to almost zero, and the BEPU RAC for metamodels includes a simple probability. The regulatory authority will tend to accept the use of statistical methods which need a minimum of assumptions: exact, nonparametric and frequentist methods rather than approximate, parametric and bayesian methods, respectively. The BEPU RAC is based on a second-order probability. The probability of the safety magnitudes being inside the acceptance region is a success probability and can be interpreted as a fulfillment degree if the RAC. Furthermore, it has a metric interpretation, as a distance (in the range of magnitudes) from calculated values of the magnitudes to acceptance regulatory limits. A probabilistic definition of safety margin (SM) is proposed in the thesis. The same from a value A to other value B of a safety magnitude is defined as the probability that A is less severe than B, obtained from the uncertainties if A and B. The probabilistic definition of SM has several advantages: it is nondimensional, ranges in the interval (0,1) and can be easily generalized to multiple dimensions. Furthermore, probabilistic SM are combined according to the probability laws. And a basic property: probabilistic SM are not symmetric. There are several types of SM: distance from a calculated value to a regulatory limit (licensing margin); or from the real value to the calculated value of a magnitude (analytical margin); or from the regulatory limit to the damage threshold (barrier margin). These representations of distances (in the magnitudes’ range) as probabilities can be applied to the quantification of conservativeness. Analytical margins can be interpreted as the degree of conservativeness (DG) of the computational methodology. Conservativeness indicators are established in the Thesis, useful in the comparison of different methods of constructing tolerance limits and regions. There is a topic which has not been rigorously tackled to the date: the validation of BEPU methodologies. Before being applied in licensing, methodologies must be validated, on the basis of comparisons of their predictions ad real values of the safety magnitudes. Real data are obtained, basically, in experimental facilities. The ultimate goal of establishing RAC is to verify that real values (aside from calculated values) fulfill them. In the Thesis it is proved that a sufficient condition for this goal is the conjunction of 2 criteria: the BEPU RAC and an analogous criterion for validation. And this las criterion must be proved in experimental scenarios and extrapolated to NPPs. The licensing RAC requires a minimum value (P0) of the probabilistic licensing margin; the validation criterion requires a minimum value of the analytical margin (i.e., of the DG). These minimum values are basically complementary; the higher one of them, the lower the other one. The regulatory practice sets a high value on the licensing margin, so that the required DG is low. The possible adoption of lower values for P0 would imply weaker exigence on the RCA fulfillment and, on the other hand, higher exigence on the conservativeness of the methodology. It is important to highlight that a higher minimum value of the licensing or analytical margin requires a higher computational cost. Therefore, the computational efforts are also complementary. If medium levels are adopted, the required DG is also medium, and the methodology does not need to be very conservative. The total computational effort (licensing plus validation) could be optimized.

Stability analysis of a free falling pararotor

The pararotor is a decelerator device based on the autorotation of a rotating wing. When it is dropped, it generates an aerodynamic force parallel to the main motion direction, acting as a decelerating force. In this paper, the rotational motion equations are shown for the vertical flight without any lateral wind component and some simplifying assumptions are introduced to obtain analytic solutions of the motion. First, the equilibrium state is obtained as a function of the main parameters. Then the equilibrium stability is analyzed. The motion stability depends on two nondimensional parameters, which contain geometric, inertia, and aerodynamic characteristics of the device. Based on these two parameters a stability diagram can be defined. Some stability regions with different types of stability trajectories (nodes, spirals, focuses) can be identified for spinning motion around axes close to the major, minor, and intermediate principal axes. It is found that the blades contribute to stability in a case of spin around the intermediate principal inertia axis, which is otherwise unstable. Subsequently, the equations for determining the angles of nutation and spin of the body are obtained, thus defining the orientation of the body for a stationary motion and the parameters on which that position depends.