Evaluation of reactivity monitoring techniques at the Yalina – Booster subcritical facility

La gestión de los residuos radiactivos de vida larga producidos en los reactores nucleares constituye uno de los principales desafíos de la tecnología nuclear en la actualidad. Una posible opción para su gestión es la transmutación de los nucleidos de vida larga en otros de vida más corta. Los sistemas subcríticos guiados por acelerador (ADS por sus siglas en inglés) son una de las tecnologías en desarrollo para logar este objetivo. Un ADS consiste en un reactor nuclear subcrítico mantenido en un estado estacionario mediante una fuente externa de neutrones guiada por un acelerador de partículas. El interés de estos sistemas radica en su capacidad para ser cargados con combustibles que tengan contenidos de actínidos minoritarios mayores que los reactores críticos convencionales, y de esta manera, incrementar las tasas de trasmutación de estos elementos, que son los principales responsables de la radiotoxicidad a largo plazo de los residuos nucleares. Uno de los puntos clave que han sido identificados para la operación de un ADS a escala industrial es la necesidad de monitorizar continuamente la reactividad del sistema subcrítico durante la operación. Por esta razón, desde los años 1990 se han realizado varios experimentos en conjuntos subcríticos de potencia cero (MUSE, RACE, KUCA, Yalina, GUINEVERE/FREYA) con el fin de validar experimentalmente estas técnicas. En este contexto, la presente tesis se ocupa de la validación de técnicas de monitorización de la reactividad en el conjunto subcrítico Yalina-Booster. Este conjunto pertenece al Joint Institute for Power and Nuclear Research (JIPNR-Sosny) de la Academia Nacional de Ciencias de Bielorrusia. Dentro del proyecto EUROTRANS del 6º Programa Marco de la UE, en el año 2008 se ha realizado una serie de experimentos en esta instalación concernientes a la monitorización de la reactividad bajo la dirección del CIEMAT. Se han realizado dos tipos de experimentos: experimentos con una fuente de neutrones pulsada (PNS) y experimentos con una fuente continua con interrupciones cortas (beam trips). En el caso de los primeros, experimentos con fuente pulsada, existen dos técnicas fundamentales para medir la reactividad, conocidas como la técnica del ratio bajo las áreas de los neutrones inmediatos y retardados (o técnica de Sjöstrand) y la técnica de la constante de decaimiento de los neutrones inmediatos. Sin embargo, varios experimentos han mostrado la necesidad de aplicar técnicas de corrección para tener en cuenta los efectos espaciales y energéticos presentes en un sistema real y obtener valores precisos de la reactividad. En esta tesis, se han investigado estas correcciones mediante simulaciones del sistema con el código de Montecarlo MCNPX. Esta investigación ha servido también para proponer una versión generalizada de estas técnicas donde se buscan relaciones entre la reactividad el sistema y las cantidades medidas a través de simulaciones de Monte Carlo. El segundo tipo de experimentos, experimentos con una fuente continua e interrupciones del haz, es más probable que sea empleado en un ADS industrial. La versión generalizada de las técnicas desarrolladas para los experimentos con fuente pulsada también ha sido aplicada a los resultados de estos experimentos. Además, el trabajo presentado en esta tesis es la primera vez, en mi conocimiento, en que la reactividad de un sistema subcrítico se monitoriza durante la operación con tres técnicas simultáneas: la técnica de la relación entre la corriente y el flujo (current-to-flux), la técnica de desconexión rápida de la fuente (source-jerk) y la técnica del decaimiento de los neutrones inmediatos. Los casos analizados incluyen la variación rápida de la reactividad del sistema (inserción y extracción de las barras de control) y la variación rápida de la fuente de neutrones (interrupción larga del haz y posterior recuperación). ABSTRACT The management of long-lived radioactive wastes produced by nuclear reactors constitutes one of the main challenges of nuclear technology nowadays. A possible option for its management consists in the transmutation of long lived nuclides into shorter lived ones. Accelerator Driven Subcritical Systems (ADS) are one of the technologies in development to achieve this goal. An ADS consists in a subcritical nuclear reactor maintained in a steady state by an external neutron source driven by a particle accelerator. The interest of these systems lays on its capacity to be loaded with fuels having larger contents of minor actinides than conventional critical reactors, and in this way, increasing the transmutation rates of these elements, that are the main responsible of the long-term radiotoxicity of nuclear waste. One of the key points that have been identified for the operation of an industrial-scale ADS is the need of continuously monitoring the reactivity of the subcritical system during operation. For this reason, since the 1990s a number of experiments have been conducted in zero-power subcritical assemblies (MUSE, RACE, KUCA, Yalina, GUINEVERE/FREYA) in order to experimentally validate these techniques. In this context, the present thesis is concerned with the validation of reactivity monitoring techniques at the Yalina-Booster subcritical assembly. This assembly belongs to the Joint Institute for Power and Nuclear Research (JIPNR-Sosny) of the National Academy of Sciences of Belarus. Experiments concerning reactivity monitoring have been performed in this facility under the EUROTRANS project of the 6th EU Framework Program in year 2008 under the direction of CIEMAT. Two types of experiments have been carried out: experiments with a pulsed neutron source (PNS) and experiments with a continuous source with short interruptions (beam trips). For the case of the first ones, PNS experiments, two fundamental techniques exist to measure the reactivity, known as the prompt-to-delayed neutron area-ratio technique (or Sjöstrand technique) and the prompt neutron decay constant technique. However, previous experiments have shown the need to apply correction techniques to take into account the spatial and energy effects present in a real system and thus obtain accurate values for the reactivity. In this thesis, these corrections have been investigated through simulations of the system with the Monte Carlo code MCNPX. This research has also served to propose a generalized version of these techniques where relationships between the reactivity of the system and the measured quantities are obtained through Monte Carlo simulations. The second type of experiments, with a continuous source with beam trips, is more likely to be employed in an industrial ADS. The generalized version of the techniques developed for the PNS experiments has also been applied to the result of these experiments. Furthermore, the work presented in this thesis is the first time, to my knowledge, that the reactivity of a subcritical system has been monitored during operation simultaneously with three different techniques: the current-to-flux, the source-jerk and the prompt neutron decay techniques. The cases analyzed include the fast variation of the system reactivity (insertion and extraction of a control rod) and the fast variation of the neutron source (long beam interruption and subsequent recovery).

Risk of Leaching in Soils Amended by Compost and digestate from Municipal Solid Waste

New European directives have proposed the direct application of compost and digestate produced from municipal solid wastes as organic matter sources in agricultural soils. Therefore information about phosphorus leaching from these residues when they are applied to the soil is increasingly mportant. Leaching experiments were conducted to determine the P mobility in compost and digestate mixtures, supplying equivalent amounts to 100 kg P ha?1 to three different types of soils. The tests were performed in accordance with CEN/TS 14405:2004 analyzing the maximum dissolved reactive P and the kinetic rate in the leachate. P biowaste fractionation indicated that digestate has a higher level of available P than compost has. In contrast, P losses in leaching experiments with soil-compost mixtureswere higher than in soil-digestate mixtures. For bothwastes, therewas no correlation between disolved reactive P lost and the water soluble P.The interaction between soil and waste, the long experimentation time, and the volume of leachate obtained caused the waste?s wettability to become an influential parameter in P leaching behavior. The overall conclusion is that kinetic data analysis provides valuable information concerning the sorption mechanism that can be used for predicting the large-scale behavior of soil systems.

Yield, nutrient utilization and soil properties in a melon crop amended with wine-distillery waste

In Spain, large quantities of wine are produced every year (3,339,700 tonnes in 2011) (FAO, 2011) with the consequent waste generation. During the winemaking process, solid residues like grape stalks are generated, as well as grape marc and wine lees as by-products. According to the Council Regulation (EC) 1493/1999 on the common organization of the wine market, by-products coming from the winery industry must be sent to alcohol-distilleries to generate exhausted grape marc and vinasses. With an adequate composting treatment, these wastes can be applied to soils as a source of nutrients and organic matter. A three-year field experiment (2011, 2012 and 2013) was carried out in Ciudad Real (central Spain) to study the effects of wine-distillery waste compost application in a melon crop (Cucumis melo L.). Melon crop has been traditionally cultivated in this area with high inputs of water and fertilizers, but no antecedents of application of winery wastes are known. In a randomized complete block design, four treatments were compared: three compost doses consisted of 6.7 (D1), 13.3 (D2) and 20 t compost ha-1 (D3), and a control treatment without compost addition (D0). The soil was a shallow sandy-loam (Petrocalcic Palexeralfs) with a depth of 0.60 m and a discontinuous petrocalcic horizon between 0.60 and 0.70 m, slightly basic (pH 8.4), poor in organic matter (0.24%), rich in potassium (410 ppm) and with a medium level of phosphorus (22.1 ppm). During each growing period four harvests were carried out and total and marketable yield (fruits weighting <1 kg or visually rotten were not considered), fruit average weight and fruit number per plant were determined. At the end of the crop cycle, four plants per treatment were sampled and the nutrient content (N, P and K) was determined. Soil samplings (0-30 cm depth) were carried before the application of compost and at the end of each growing season and available N and P, as well as exchangeable K content were analyzed. With this information, an integrated analysis was carried out with the aim to evaluate the suitability of this compost as organic amendment.

Ammonia and Greenhouse Gases Emission from Slurry Storage with impermeable Cover and Landspreading of Cattle Slurry

Intensive farm systems handle large volume of livestock wastes, resulting in adverse environmental effects, such as gaseous losses into the atmosphere in form of ammonia (NH3) and greenhouse gases (GHG), i.e. methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O). In this study, the manure management continuum of slurry storage with impermeable cover and following cattle slurry band spreading and incorporation to soil was assessed for NH3 and GHG emissions. The experiment was conducted in an outdoor covered storage (flexible bag system) (study I), which collected the slurry produced in 7 dairy cattle farms (2,000 m3 slurry) during 12 days in the northern Spain.

Fabricación, caracterización y utilización de biochar como sustituto de la turba en la preparación de sustratos de cultivo

Este trabajo aborda el estudio del uso de restos de poda, lodos de depuradora y diferentes biochares obtenidos a partir de dichos residuos, así como biochar comercial, como componentes de sustratos de cultivo en sustitución de la turba. Para ello, se han llevado a cabo varios experimentos usando dichos residuos originales y pirolizados, de forma individual o mezclándolos en distintas proporciones con turba con el fin de estudiar sus características químicas e hidrofísicas, su posible fitotoxicidad y el cultivo en macetas de Lactuca sativa. Los resultados obtenidos indican que es posible preparar sustratos de cultivo adecuados a partir de algunos de estos materiales, logrando así una forma de recuperación y valorización de los mismos, a la vez que se minimiza el consumo de turba. En general, la adición de biochar de restos de poda a la turba mejora la germinación y aumenta el crecimiento de Lactuca sativa respecto a la utilización de turba sola. ABSTRACT This research deals with the study of the use of pruning wastes, sewage sludges and different biochars obtained from these materials, as well as a commercial biochar, as growing media components to replace peat. Several experiments were conducted using original wastes and pyrolyzed ones, individually or mixed in different proportions with peat, in order to study their chemical and hydrophysical characteristics, its possible phytotoxicity and the pot cultivation of Lactuca sativa. The results obtained indicate that it is possible to prepare suitable growing media from some of these materials, not only achieving a recovery and valorisation of them, but also minimizing the consumption of peat. In general, the addition of pruning waste biochar to peat improves germination and increases the growth of Lactuca sativa in comparison with peat alone.

Investigación sobre fermentaciones metánicas de desechos estacionales

En el campo agrícola se producen una serie de desechos orgánicos, que por un lado representan serios problemas de contaminación ambiental y por otro el desperdicio de valores energéticos importantes. Es decir una acción contraria a la sostenibilidad que debe buscarse en este siglo XXI. Entre estos productos agrícolas pueden citarse la pulpa de café, residuos herbáceos, bagazo de caña y la fracción insoluble de estiércol de ganado porcino conocida como cerdaza. Un problema añadido para dar solución adecuada es la disponibilidad de estos solo en cortas épocas del año. Todo lo anterior ha sido el origen de la presente investigación, para dar solución adecuada tanto en el aprovechamiento de biogás como en la reducción de la contaminación. La investigación descrita en este documento contempla el desarrollo de los siguientes aspectos: 1) Caracterización y problemática de cada uno de los productos señalados, 2) la solución al problema mediante el proceso de digestión anaerobia con fases separadas con el aprovechamiento del biogás generados y 3) recomendaciones para el arranque del proceso de digestión anaerobia y su mantenimiento en una alternancia de los productos citados. En la primera etapa de la fase experimental se estimó el rendimiento específico de metano para los diferentes sustratos, utilizando reactores batch configurados en una y dos fases concluyendo que la digestión anaerobia en dos fases presenta diferentes ventajas sobre la digestión monoetapa. En general se obtuvo un mayor rendimiento en la producción de metano, una reducción en los tiempos de retención, mayor eficiencia en la eliminación de los sólidos volátiles agregados, y una mayor estabilidad en el proceso reflejado en el mantenimiento de valores de pH en los rangos de operación recomendados. Seguidamente, al comparar dos procesos para la puesta en marcha de digestores metanogénicos operados en forma continua, se concluye que las variables determinantes en la estabilidad del sistema son la alcalinidad total presente en el digestor, el establecimiento de la población de microorganismos y la carga orgánica aplicada. Las dos primeras están determinadas por la calidad y proporción del inóculo suministrado al inicio del proceso. La alternación de sustratos suministrados al sistema de digestión en dos fases, permitió determinar el impacto sobre el desempeño del mismo, registrando una reducción en la producción de biogás, la riqueza de metano y la eficiencia de eliminación de sólidos volátiles durante los primeros días de operación luego del cambio de sustrato. Este periodo corresponde al proceso de aclimatación de los microorganismos el cual requirió de 20 días para asimilar los componentes del nuevo sustrato. Finalmente, entre los sustratos analizados, la menor carga orgánica de operación para mantener la operación del sistema en continuo corresponde a la pulpa de café con 0.1 kg SV/m3. La composición de este sustrato favorece la rápida acumulación de acidez volátil en el sistema, proporcionando una tendencia a la acidificación. Sin embargo, al controlar las cargas orgánicas volumétricas, el sistema permaneció operando sin necesidad de adición de alcalinizantes. La aplicación de los resultados de la presente investigación a la problemática de residuos de café es alentadora, comprobando que el sistema puede ser operado en continuo alternando residuos boreales y pulpa de café, ambos sustratos disponibles en las plantas de procesamiento de la cereza de café. ABSTRACT In the agricultural field there are series of organic wastes, which in one hand are the source of serious problems of environmental pollution and in the other, they represent a residue that could be used as a feedstock with significant energy values. These actions are contrary to efforts towards sustainability, which should be a priority in this century. Among agricultural residues with significant abundance, the coffee pulp, herbaceous waste, sugarcane bagasse and the insoluble fraction of pig manure can be mentioned. An added problem to the development of appropriate treatment systems, which provides a solution to the disposal of such wastes, is the limited availability of these feedstocks only in short seasons. These arguments have been the source of our research, in order to provide properly measures to biogas usage and pollution reduction. The research presented in this document includes the approaches to the following aspects. 1) Characterization and problems regarding the selected feedstocks 2) the solution to the problem by anaerobic digestion process with separate phases and 3) recommendations for starting the process of anaerobic digestion and its maintenance with alternation of the products listed For the first stage of the experimental phase, the specific methane yield of the selected feedstocks was estimated using batch reactors configured in one and two phases. It was concluded that two-phase anaerobic digestion offered distinct advantages over the single-stage digestion. In general a higher methane production yields, lower retention times, higher efficiency in volatile solids removal, and increased stability among the process were obtained. When comparing two processes for starting up methanogenic digesters, it is concluded that the variables that determine the stability of the system are the total alkalinity in the digester, the establishment of the population of microorganisms and the organic load. The first variables are influenced by the proportion and quality of the inoculum supplied at the beginning of the process. The alternation of substrates gave as a result a negative impact on system performance, recording a reduction on biogas production, the methane concentration and the efficiency of volatile solids removal. The situation was observed during the first days of operation after the change of feeding. This period corresponds to the process of acclimatization of the microorganisms which required 20 days to assimilate new substrate components. Finally, among substrates studied, the lowest organic load applied to maintain a continuous operation of the system, corresponds to the coffee pulp with 0.1 kg VS / m3. The composition of this substrate promotes a rapid accumulation of volatile acidity within the system, providing a tendency to acidification. However, by controlling organic loads, the operating system remained stable without addition of alkalizing components. The application of the results of this research to the problem of coffee waste is promising, proving that an anaerobic system can be operated continuously by alternating boreal waste and coffee pulp, both substrates available in coffee processing plants.

Sostenibilidad en el sector de la construcción. Sostenibilidad en estructuras y puentes ferroviarios

La escasez de recursos, el cambio climático, la pobreza y el subdesarrollo, los desastres naturales, son solo algunos de los grandes retos a que se enfrenta la humanidad y a los que la economía verde y el desarrollo sostenible tienen que dar respuesta. El concepto sostenible surge a raíz de la necesidad de lograr en todas las actividades humanas un nuevo equilibrio con el medioambiente, la sociedad y la economía, es decir un desarrollo más sostenible. La construcción supone en este nuevo concepto un sector básico, con grandes impactos en los recursos, los residuos, las emisiones, la biodiversidad, el paisaje, las necesidades sociales, la integración, el desarrollo económico del entorno, etc. Es por ello, que la construcción sostenible tiene una importancia esencial como demuestra su amplia aplicación teórica y práctica ya en proyectos de planificación urbana y de edificación. En la ingeniería civil estas aproximaciones son todavía mínimas, aunque ya se están considerando ciertos criterios de sostenibilidad en proyectos de construcción. La construcción consume muchos recursos naturales, económicos y tiene gran incidencia social. En la actualidad su actividad consume un 30% de los recursos extraídos de la tierra y la energía, y en consecuencia genera el 30% de los gases de efecto invernadero y residuos sólidos del mundo (EEA, 2014). Este impacto debería suponer una gran responsabilidad para los profesionales y gobiernos que toman cada día las decisiones de diseño e inversión en la construcción, y su máxima eficiencia debería estar muy presente entre los objetivos. En esta tesis doctoral se plantea un nuevo modelo para la evaluación de la sostenibilidad en los proyectos mediante un sistema de indicadores, basados en las áreas de estudio de las certificaciones de sostenibilidad existentes y en un análisis multi-criterio de cada uno de los axiomas de la sostenibilidad. Como reto principal se marca la propuesta de una metodología que permita identificar, priorizar y seleccionar los indicadores y las variables más importantes de lo que es considerado como una construcción sostenible en el caso de infraestructuras ferroviarias, más concretamente en puentes ferroviarios, y que además sirva para priorizar nuevos proyectos que se adapten a los nuevos objetivos del desarrollo sostenible: el respeto al medioambiente, la integración social y la económica. El objetivo es la aplicación de estos indicadores desde las etapas más tempranas del proyecto: planificación, diseño de alternativas y selección de alternativas. Para ello, en primer lugar, se ha realizado un análisis en profundidad de los distintas organizaciones de certificación de la sostenibilidad mundiales y se ha desarrollado una comparativa entre ellas, detallando el funcionamiento de las más extendidas (BREEAM, LEED, VERDE, DGNB). Tras esto, se ha analizado la herramienta matemática MIVES de análisis multi-criterio para su aplicación, en la tesis, a las infraestructuras ferroviarias. En la segunda parte se desarrolla para las estructuras ferroviarias un nuevo modelo de indicadores, un sistema de ayuda a la decisión multi-criterio basado en los tres axiomas de las sostenibilidad (sociedad, medioambiente y economía), articulados en un árbol de requerimientos inspirado en el método MIVES, que propone una metodología para el caso de las infraestructuras ferroviarias. La metodología MIVES estructura el proceso de decisión en tres ramas: Requisitos, componentes y ciclo de vida. Estas ramas definen los límites de los sistemas. El eje de los requisitos del árbol de los requisitos o se estructura en tres niveles que corresponden al requisito específico: criterios e indicadores. Además, es necesario definen la función del valor para cada indicador, definen el peso de importancia de cada elemento del árbol y finalmente con el calcular el valor de cada alternativa selecciona el mejor de él. La generación de este árbol de requerimientos en estructuras ferroviarias y la medición de los parámetro es original para este tipo de estructuras. Por último, tras el desarrollo de la metodología, se ha aplicado la propuesta metodológica mediante la implementación práctica, utilizando el método propuesto con 2 puentes ferroviarios existentes. Los resultados han mostrado que la herramienta es capaz de establecer una ordenación de las actuaciones coherente y suficientemente discriminante como para que el decisor no tenga dudas cuando deba tomar la decisión. Esta fase, es una de las grandes aportaciones de la tesis, ya que permite diferenciar los pesos obtenidos en cada una de las áreas de estudio y donde la toma de decisión puede variar dependiendo de las necesidades del decisor, la ubicación del puente de estudio etc. ABSTRACT Scarce resources, climate change, poverty and underdevelopment, natural disasters are just some of the great challenges facing humanity and to which the green economy will have to respond. The sustainable concept arises from the need for all human activities in a new equilibrium with the environment, society and the economy, which is known as sustainable development. The construction industry is part of this concept, because of its major impacts on resources, waste, emissions, biodiversity, landscape, social needs, integration, economical development, environment, etc. Therefore, sustainable construction has a critical importance as already demonstrated by its wide application and theoretical practice in urban planning and building projects. In civil engineering, these approaches are still minimal, although some criteria are already taken into account for sustainability in infrastructure projects. The construction industry requires a lot of natural resources, has a real economic relevance and a huge social impact. Currently, it consumes 40% of produced power as well as natural resources extracted from the earth and thus leads to an environmental impact of 40% regarding greenhouse gas emissions and solid wastes (EEA 2014). These repercussions should highly concern our governments and professional of this industry on the decisions they take regarding investments and designs. They must be inflexible in order to ensure that the main concern has to be a maximum efficiency. Major events like the COP21 held in Paris in December 2015 are a concrete signal of the worldwide awareness of the huge impact of each industry on climate. In this doctoral thesis a new model for the evaluation of the sustainability in the projects by means of a system of indicators, based on the areas of study of the existing certifications of sustainability and on an analysis considers multi-criterion of each one of the axioms of the sustainability. The primary aim of this thesis is to study the mode of application of sustainability in projects through a system of indicators. . The main challenge consists of create a methodology suitable to identify, prioritize and select the most important indicators which define if a building is sustainable in the specific case of railway infrastructures. The methodology will help to adapt future projects to the new goals of sustainable development which are respect of nature, social integration and economic relevance. A crucial point is the consideration of these indicators from the very beginning steps of the projects: planning, design and alternatives reflections. First of all, a complete inventory of all world energy certification organizations has been made in order to compare the most representative ones regarding their way of functioning (BREEAM, LEED, VERDE, DGNB). After this, mathematical tool MIVES of analysis has been analyzed multi-criterion for its application, in the thesis, to railway infrastructures. The second part of the thesis is aimed to develop a new model of indicators, inspired by the MIVES method, consisting in a decision-making system based on the 3 foundations of sustainability: nature impact, social concerns, and economic relevance. The methodology MIVES structures the decision process in three axes: Requirements, components and life cycle. These axes define the boundaries of the systems. The axis of requirements o tree requirements is structured in three levels corresponding to specific requirement: criteria and indicators. In addition, is necessary define the value function for each indicator, define the weight of importance of each element of the tree and finally with the calculate the value of each alternative select the best of them. The generation of this tree requirements in railway structures and measuring the parameter is original for this type of structures. Finally, after the development of the methodology, it has validated the methodology through practical implementation, applying the proposed method 2 existing railway bridges. The results showed that the tool is able to establish a coherent management of performances and discriminating enough so that the decision maker should not have doubts when making the decision. This phase, is one of the great contributions of the thesis, since it allows to differentiate the weights obtained in each one from the study areas and where the decision making can vary depending on the necessities of the decisor, the location of the bridge of study etc.