Magnetic Attitude Control for Satellites in Polar or Sun-Synchronous Orbits

In this work, a new law for magnetic control of satellites in near-polar orbits is presented. This law has been developed for the UMPSat-2 microsatellite, which has been designed and manufactured by Universidad Politécnica de Madrid, Madrid. The control law is a modification of the B-dot strategy that enables the satellite to control the rotation rate. Besides, the satellite?s equilibrium state is characterized by having the rotation axis perpendicular to the orbit?s plane. The control law described in the present work only needs magnetometers and magnetorquers, as sensors and actuators, respectively, to carry out a successful attitude control on the spacecraft. A description of the analysis is included. Performance and applicability of the proposed method have been demonstrated by control dynamics together with Monte Carlo techniques and by implementing the control law in the UPMSat-2 mission simulator. Results show good performance in terms of acquisition and stability of the satellite rotation rate and orientation with respect to its orbit?s plane.

Differential algebra techniques for space applications

This project investigates the utility of differential algebra (DA) techniques applied to the problem of orbital dynamics with initial uncertainties in the orbital determination of the involved bodies. The use of DA theory allows the splitting of a common Monte Carlo simulation in two parts: the generation of a Taylor map of the final states with regard to the perturbation in the initial coordinates, and the evaluation of the map for many points. A propagator is implemented exploiting DA techniques, and tested in the field of asteroid impact risk monitoring with the potentially hazardous 2011 AG5 and 2007 VK184 as test cases. Results show that the new method is able to simulate 2.5 million trajectories with a precision good enough for the impact probability to be accurately reproduced, while running much faster than a traditional Monte Carlo approach (in 1 and 2 days, respectively).

Performance of artificial neural networks and genetical evolved artificial neural networks unfolding techniques

With the Bonner spheres spectrometer neutron spectrum is obtained through an unfolding procedure. Monte Carlo methods, Regularization, Parametrization, Least-squares, and Maximum Entropy are some of the techniques utilized for unfolding. In the last decade methods based on Artificial Intelligence Technology have been used. Approaches based on Genetic Algorithms and Artificial Neural Networks have been developed in order to overcome the drawbacks of previous techniques. Nevertheless the advantages of Artificial Neural Networks still it has some drawbacks mainly in the design process of the network, vg the optimum selection of the architectural and learning ANN parameters. In recent years the use of hybrid technologies, combining Artificial Neural Networks and Genetic Algorithms, has been utilized to. In this work, several ANN topologies were trained and tested using Artificial Neural Networks and Genetically Evolved Artificial Neural Networks in the aim to unfold neutron spectra using the count rates of a Bonner sphere spectrometer. Here, a comparative study of both procedures has been carried out.

Diseño basado en técnicas de fiabilidad del tratamiento de mejora del terreno mediante columnas de grava

El proyecto geotécnico de columnas de grava tiene todas las incertidumbres asociadas a un proyecto geotécnico y además hay que considerar las incertidumbres inherentes a la compleja interacción entre el terreno y la columna, la puesta en obra de los materiales y el producto final conseguido. Este hecho es común a otros tratamientos del terreno cuyo objetivo sea, en general, la mejora “profunda”. Como los métodos de fiabilidad (v.gr., FORM, SORM, Monte Carlo, Simulación Direccional) dan respuesta a la incertidumbre de forma mucho más consistente y racional que el coeficiente de seguridad tradicional, ha surgido un interés reciente en la aplicación de técnicas de fiabilidad a la ingeniería geotécnica. Si bien la aplicación concreta al proyecto de técnicas de mejora del terreno no es tan extensa. En esta Tesis se han aplicado las técnicas de fiabilidad a algunos aspectos del proyecto de columnas de grava (estimación de asientos, tiempos de consolidación y aumento de la capacidad portante) con el objetivo de efectuar un análisis racional del proceso de diseño, considerando los efectos que tienen la incertidumbre y la variabilidad en la seguridad del proyecto, es decir, en la probabilidad de fallo. Para alcanzar este objetivo se ha utilizado un método analítico avanzado debido a Castro y Sagaseta (2009), que mejora notablemente la predicción de las variables involucradas en el diseño del tratamiento y su evolución temporal (consolidación). Se ha estudiado el problema del asiento (valor y tiempo de consolidación) en el contexto de la incertidumbre, analizando dos modos de fallo: i) el primer modo representa la situación en la que es posible finalizar la consolidación primaria, parcial o totalmente, del terreno mejorado antes de la ejecución de la estructura final, bien sea por un precarga o porque la carga se pueda aplicar gradualmente sin afectar a la estructura o instalación; y ii) por otra parte, el segundo modo de fallo implica que el terreno mejorado se carga desde el instante inicial con la estructura definitiva o instalación y se comprueba que el asiento final (transcurrida la consolidación primaria) sea lo suficientemente pequeño para que pueda considerarse admisible. Para trabajar con valores realistas de los parámetros geotécnicos, los datos se han obtenido de un terreno real mejorado con columnas de grava, consiguiendo, de esta forma, un análisis de fiabilidad más riguroso. La conclusión más importante, obtenida del análisis de este caso particular, es la necesidad de precargar el terreno mejorado con columnas de grava para conseguir que el asiento ocurra de forma anticipada antes de la aplicación de la carga correspondiente a la estructura definitiva. De otra forma la probabilidad de fallo es muy alta, incluso cuando el margen de seguridad determinista pudiera ser suficiente. En lo que respecta a la capacidad portante de las columnas, existen un buen número de métodos de cálculo y de ensayos de carga (tanto de campo como de laboratorio) que dan predicciones dispares del valor de la capacidad última de las columnas de grava. En las mallas indefinidas de columnas, los resultados del análisis de fiabilidad han confirmado las consideraciones teóricas y experimentales existentes relativas a que no se produce fallo por estabilidad, obteniéndose una probabilidad de fallo prácticamente nula para este modo de fallo. Sin embargo, cuando se analiza, en el contexto de la incertidumbre, la capacidad portante de pequeños grupos de columnas bajo zapatas se ha obtenido, para un caso con unos parámetros geotécnicos típicos, que la probabilidad de fallo es bastante alta, por encima de los umbrales normalmente admitidos para Estados Límite Últimos. Por último, el trabajo de recopilación sobre los métodos de cálculo y de ensayos de carga sobre la columna aislada ha permitido generar una base de datos suficientemente amplia como para abordar una actualización bayesiana de los métodos de cálculo de la columna de grava aislada. El marco bayesiano de actualización ha resultado de utilidad en la mejora de las predicciones de la capacidad última de carga de la columna, permitiendo “actualizar” los parámetros del modelo de cálculo a medida que se dispongan de ensayos de carga adicionales para un proyecto específico. Constituye una herramienta valiosa para la toma de decisiones en condiciones de incertidumbre ya que permite comparar el coste de los ensayos adicionales con el coste de una posible rotura y , en consecuencia, decidir si es procedente efectuar dichos ensayos. The geotechnical design of stone columns has all the uncertainties associated with a geotechnical project and those inherent to the complex interaction between the soil and the column, the installation of the materials and the characteristics of the final (as built) column must be considered. This is common to other soil treatments aimed, in general, to “deep” soil improvement. Since reliability methods (eg, FORM, SORM, Monte Carlo, Directional Simulation) deals with uncertainty in a much more consistent and rational way than the traditional safety factor, recent interest has arisen in the application of reliability techniques to geotechnical engineering. But the specific application of these techniques to soil improvement projects is not as extensive. In this thesis reliability techniques have been applied to some aspects of stone columns design (estimated settlements, consolidation times and increased bearing capacity) to make a rational analysis of the design process, considering the effects of uncertainty and variability on the safety of the project, i.e., on the probability of failure. To achieve this goal an advanced analytical method due to Castro and Sagaseta (2009), that significantly improves the prediction of the variables involved in the design of treatment and its temporal evolution (consolidation), has been employed. This thesis studies the problem of stone column settlement (amount and speed) in the context of uncertainty, analyzing two failure modes: i) the first mode represents the situation in which it is possible to cause primary consolidation, partial or total, of the improved ground prior to implementation of the final structure, either by a pre-load or because the load can be applied gradually or programmed without affecting the structure or installation; and ii) on the other hand, the second mode implies that the improved ground is loaded from the initial instant with the final structure or installation, expecting that the final settlement (elapsed primary consolidation) is small enough to be allowable. To work with realistic values of geotechnical parameters, data were obtained from a real soil improved with stone columns, hence producing a more rigorous reliability analysis. The most important conclusion obtained from the analysis of this particular case is the need to preload the stone columns-improved soil to make the settlement to occur before the application of the load corresponding to the final structure. Otherwise the probability of failure is very high, even when the deterministic safety margin would be sufficient. With respect to the bearing capacity of the columns, there are numerous methods of calculation and load tests (both for the field and the laboratory) giving different predictions of the ultimate capacity of stone columns. For indefinite columns grids, the results of reliability analysis confirmed the existing theoretical and experimental considerations that no failure occurs due to the stability failure mode, therefore resulting in a negligible probability of failure. However, when analyzed in the context of uncertainty (for a case with typical geotechnical parameters), results show that the probability of failure due to the bearing capacity failure mode of a group of columns is quite high, above thresholds usually admitted for Ultimate Limit States. Finally, the review of calculation methods and load tests results for isolated columns, has generated a large enough database, that allowed a subsequent Bayesian updating of the methods for calculating the bearing capacity of isolated stone columns. The Bayesian updating framework has been useful to improve the predictions of the ultimate load capacity of the column, allowing to "update" the parameters of the calculation model as additional load tests become available for a specific project. Moreover, it is a valuable tool for decision making under uncertainty since it is possible to compare the cost of further testing to the cost of a possible failure and therefore to decide whether it is appropriate to perform such tests.

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).