Drifting plasma collection by a positive biased tether wire in LEO-like plasma conditions: current measurement and plasma diagnostic

BETs is a three-year project financed by the Space Program of the European Commission, aimed at developing an efficient deorbit system that could be carried on board any future satellite launched into Low Earth Orbit (LEO). The operational system involves a conductive tape-tether left bare to establish anodic contact with the ambient plasma as a giant Langmuir probe. As a part of this project, we are carrying out both numerical and experimental approaches to estimate the collected current by the positive part of the tether. This paper deals with experimental measurements performed in the IONospheric Atmosphere Simulator (JONAS) plasma chamber of the Onera-Space Environment Department. The JONAS facility is a 9- m3 vacuum chamber equipped with a plasma source providing drifting plasma simulating LEO conditions in terms of density and temperature. A thin metallic cylinder, simulating the tether, is set inside the chamber and polarized up to 1000 V. The Earth's magnetic field is neutralized inside the chamber. In a first time, tether collected current versus tether polarization is measured for different plasma source energies and densities. In complement, several types of Langmuir probes are used at the same location to allow the extraction of both ion densities and electron parameters by computer modeling (classical Langmuir probe characteristics are not accurate enough in the present situation). These two measurements permit estimation of the discrepancies between the theoretical collection laws, orbital motion limited law in particular, and the experimental data in LEO-like conditions without magnetic fields. In a second time, the spatial variations and the time evolutions of the plasma properties around the tether are investigated. Spherical and emissive Langmuir probes are also used for a more extensive characterization of the plasma in space and time dependent analysis. Results show the ion depletion because of the wake effect and the accumulation of- ions upstream of the tether. In some regimes (at large positive potential), oscillations are observed on the tether collected current and on Langmuir probe collected current in specific sites.

Floating Bare Tether as Upper Atmosphere Probe

Use of a (bare) conductive tape electrically floating in LEO as an effective e-beam source that produces artificial auroras, and is free of problems that have marred standard beams, is considered. Ambient ions impacting the tape with KeV energies over most of its length liberate secondary electrons, which race down the magnetic field and excite neutrals in the E-layer, resulting in auroral emissions. The tether would operate at night-time with both a power supply and a plasma contactor off; power and contactor would be on at daytime for reboost. The optimal tape thickness yielding a minimum mass for an autonomous system is determined; the alternative use of an electric thruster for day reboost, depending on mission duration, is discussed. Measurements of emission brightness from the spacecraft could allow determination of the (neutral) density vertical profile in the critical E-layer; the flux and energy in the beam, varying along the tether, allow imaging line-of-sight integrated emissions that mix effects with altitude-dependent neutral density and lead to a brightness peak in the beam footprint at the E-layer. Difficulties in tomographic inversion, to determine the density profile, result from beam broadening, due to elastic collisions, which flattens the peak, and to the highly nonlinear functional dependency of line-of-sight brightness. Some dynamical issues are discussed.

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.

Estudio de la respuesta dinámica transversal de viaductos altos de líneas de ferrocarril de alta velocidad bajo la acción de cargas de uso

Es conocido que las dimensiones de los puentes de ferrocarril han ido cambiando debido a las estrictas condiciones de trazado impuestas en las líneas de alta velocidad. Además, la creciente preocupación de la sociedad por cuidar y proteger el medio ambiente, reflejado en la correspondiente normativa, ha generado nuevos condicionantes en el diseño de estas infraestructuras. En concreto, se ha limitado el movimiento de grandes volúmenes de terreno particularmente en los espacios protegidos. Por estas razones, hoy en día se proyectan y construyen puentes de ferrocarril más altos y más largos en todo el mundo. En España se han construido varios viaductos de pilas altas para líneas de alta velocidad. Ejemplos de estas infraestructuras son el Viaducto O’Eixo y el Viaducto de Barbantiño, situados en la línea de alta velocidad Madrid-Galicia, Estos viaductos altos se caracterizan por tener una mayor flexibilidad lateral y una frecuencia fundamental de oscilación baja, de hasta 0.2 Hz. La respuesta dinámica de este tipo de estructura puede aumentar como consecuencia de la aproximación entre la frecuencias propias de la misma y las de excitación debidas al paso del tren y a la acción del viento. Por lo tanto, estas estructuras pueden presentar problemas a la hora de cumplir con las limitaciones impuestas en las normas de diseño de puentes de ferrocarril, y otras, para garantizar la seguridad del tráfico y el confort de los viajeros. La respuesta dinámica lateral de viaductos de pilas altas no ha sido suficientemente estudiada en la literatura científica. Se pueden intuir varios de los motivos para explicar esta carencia. El primero es la relativamente reciente aparición de este tipo de viaductos asociados al desarrollo de la alta velocidad. Por otro lado, se hace necesario, para estudiar este tema, construir nuevos modelos numéricos adecuados para el estudio de la interacción dinámica lateral del puente y del tren. La interacción entre el puente y un tren viajando sobre él es un problema dinámico no lineal, dependiente del tiempo y de acoplamiento entre los dos subsistemas que intervienen (vehículo y puente). Los dos subsistemas, que pueden ser modelados como estructuras elásticas, interaccionan el uno con el otro a través de las fuerzas de contacto, que tiene una marcada naturaleza no lineal por el rozamiento entre rueda y carril, y por la geometría de los perfiles de estos dos elementos en contacto. En esta tesis, se desarrolla la formulación completa de un modelo no lineal de interacción tren-vía-puente-viento que reproduce adecuadamente las fuerzas laterales de contacto rueda-carril, fuerzas que van a tener una gran influencia en los índices de seguridad del tráfico. Este modelo se ha validado a partir de casos resueltos en la literatura científica, y de medidas experimentales tomadas en eventos dinámicos ocurridos en los viaductos de Arroyo de Valle y Arroyo de las Piedras. Puentes altos que han estado monitorizados en servicio durante dos años. En los estudios realizados en este trabajo, se cuantifican, empleando el modelo construido, los niveles de seguridad del tráfico y de confort de los pasajeros de trenes ligeros de alta velocidad, como el tren articulado AVE S-100, que viajan sobre viaductos altos sometidos, o no, a fuertes vientos laterales racheados. Finalmente, se ha obtenido el grado de mejora de la seguridad del tráfico y del confort de los viajeros, cuando se emplean pantallas anti-viento en el tablero y amortiguadores de masa sintonizados en la cabeza de las pilas de un viaducto alto. Resultando, el uso simultaneo de estos dos dispositivos (pantallas y amortiguadores de masa), en puentes altos de líneas de alta velocidad, una opción a considerar en la construcción de estas estructuras para elevar significativamente el nivel de servicio de las mismas. It is known that dimensions of railway bridges have been changing due to the strict high-speed lines layout parameters. Moreover, the growing concern of society to take care of and protect the environment, reflected in the corresponding regulations, has created new environment requirements for the design of these infrastructures. Particularly, the mentioned regulations do not allow designers to move far from terrain to build these railway lines. Due to all these reasons, longer and higher railway bridges are being designed and built around the world. In Spain, several high pier railway viaducts have been built for high speed lines. Barbantiño Viaduct and Eixo Viaduct, belonging to the Madrid-Galicia high speed line, are examples of this kind of structures. These high viaducts have great lateral flexibility and a low fundamental vibration frequency of down to 0.2 Hz. The dynamic response of high speed railway bridges may increase because of the approximation between the natural viaduct frequencies and the excitation ones due to the train travel and the wind action. Therefore, this bridge response could not satisfy the serviceability limits states, for traffic safety and for passenger comfort, considered by the design standards of high speed bridges. It is difficult to find papers in the scientific literature about the lateral response of high-speed trains travel over long viaducts with high piers. Several reasons could explain this issue. On one hand, the construction of this kind of viaduct is relatively recent and it is associated to the development of the high speed railway. On the other hand, in order to study the dynamic lateral interaction between the train and the high bridge, it is necessary to build new numerical and complex models. The interaction between the bridge-track subsystem and the vehicle subsystem travelling over the bridge is a coupling, nonlinear and time dependent problem. Both subsystems, train and bridge, which can be modelled as elastic structures, interact each other through the contact forces. These forces have a strong nonlinear nature due to the friction and the geometry of rail and wheel profiles. In this thesis, the full formulation of a train-track-bridge-wind nonlinear interaction model is developed. This model can reproduce properly the lateral contact wheel-rail forces, which have a great influence on traffic safety indices. The validation of the model built has been reached through interaction solved cases found in the scientific literature and experimental measures taken in dynamic events which happened at Arroyo de las Piedras and Arroyo del Valle Viaducts. These high bridges have been controlled during two years of service by means of structural health monitoring. In the studies carried out for this thesis, the levels of traffic safety and passenger comfort are quantified using the interaction model built, in the cases of high speed and light trains, as AVE S-100, travelling over high pier bridges and with or without lateral turbulent winds acting. Finally, the improvement rate of the traffic safety and passenger comfort has been obtained, when wind barriers are used at the bridge deck and tuned mass dampers are installed at the pier heads of a high viaduct. The installation of both devices, wind barriers and tuned mass damper, at the same time, turned out to be a good option to be considered in the design of high pier railway viaducts, to improve significantly the serviceability level of this kind of structures.