Túneles urbanos con ventilación longitudinal y trampillas de extracción de humos

La ventilacion de tuneles urbanos presenta algunos problemas singulares especialmente en lo relativo a la evacuacion de humos provocados por un incendio. Generalmente la solucion adoptada es semi-transversal con trampillas de extraccion. Sin embargo en ciertas circunstancias puede ser preciso combinar estas con un sistema longitudinal basado en aceleradores. En este articulo se presenta la primera realizacion de este tipo proyectada en Espana y se describe el sistema de calculo. Se han preparado programas de calculo que permiten el estudio del acoplamiento de la accion de los ventiladores y el trafico. El modelo de trafico utilizado es macroscopico y corresponde a las curvas clasica que relacionan la intensidad, densidad y velocidad. Se extraen conclusiones relativas a la filosofia de actuacion en caso de incendio. Se muestran ecuaciones utilizadas y los graficos con los resultados obtenidos.

Problemas en los estudios de ventilación de túneles de carretera

En España el esfuerzo para la articulación del territorio mediante vías de comunicación y transporte se ha visto incrementado enormemente en los últimos años. En las nuevas carreteras las exigencias de confort y seguridad se reflejan en la menor dependencia que el trazado presenta respecto a la topografía del terreno lo que a su vez implica la multiplicación del número de obras de ingeniería civil como puentes y túneles. Entre éstos últimos, por las mismas razones, se observa un incremento en el número de túneles con longitudes apreciables y por tanto incapaces de ser ventilados con tiro natural. Quiere ello decir que se han multiplicado las instalaciones de ventilación forzada en túneles de carretera, lo que ha llevado a un mayor conocimiento de los sistemas empleados así como al planteamiento de algunas cuestiones sobre las que es preciso profundizar. En España se dispone en este momento de amplia experiencia en instalaciones construidas con diferentes sistemas de ventilación: longitudinal, transversal, etc. Pero debido probablemente al empleo de calzadas separadas para los diferentes sentidos de tráfico, se observa una tendencia creciente al uso del sistema longitudinal con aceleradores lo que, por otra parte, está en consonancia con lo que sucede en el resto del mundo. La ventilación longitudinal tiene ventajas bien conocidas relativas a su flexibilidad y coste, incluso cuando es preciso recurrir a instalaciones intermedias de pozos auxiliares en túneles de gran longitud. Por otro lado presenta algunos problemas relativos tanto a su funcionamiento interior como a su relación con el exterior. Entre éstos últimos cabe citar el impacto que túneles urbanos largos pueden tener en la contaminación ambiental. En efecto, puesto que la ventilación longitudinal arrastra los contaminantes a lo largo del tubo, el vertido en la boca de aguas abajo suele tener una contaminación superior a la permitida en ambientes urbanos. Es curioso observar cómo se ha movido la tendencia en los estudios de ventilación a discutir no ya los requisitos en el interior sino la calidad exigible en el vertido o los procedimientos para mejorarla. En este sentido puede ser necesario recurrir al uso de chimeneas difusoras,o métodos basados en la precipitación electrostática donde se están proporcionando soluciones ingeniosas y prometedoras. Un problema "exterior" de interés que se presenta cuando se dispone de poco espacio para separar las bocas es la recirculación entre túneles gemelos con diferentes sentidos de tráfico y ventilación. Así puede suceder que los vertidos contaminados procedentes de la salida de un tubo sean aspirados por el gemelo en lugar del aire limpio que se pretendía. En situaciones normales es un fenómeno raro pues el vertido se realiza en forma de chorro y la absorción mediante un sumidero por lo que el cortocircuito suele ser pequeño. La situación se complica cuando la salida se realiza entre taludes altos o cuando sopla viento lateral o frontal que favorece la mezcla. En muchos casos se recurre a muros separados que son muy efectivos incluso con dimensiones moderadas. En este artículo los temas tratados se refieren por el contrario a problemas relacionados con el flujo del aire en el interior del túnel. Como es sabido los proyectos de ventilación en túneles deben contemplar al menos dos situaciones:el funcionamiento en servicio y la respuesta en emergencias, entre las que la más típica es la de incendio. Mientras que en la primera priman los requisitos de confort, en la segunda se trata de cuantificar la seguridad y, en especial, de establecer las estrategias que permitan en primer lugar salvar vidas y además minimizar el deterioro de las instalaciones. Generalmente los índices que se manejan para el confort están relacionados con el contenido en monóxido de carbono y con la opacidad del aire. En ambos casos la ventilación forzada tiene como objetivo introducir la cantidad de aire limpio necesario para reducir las proporciones a niveles admisibles por los usuarios. Son requisitos que se refieren a escenarios con alta probabilidad de ocurrencia y para las que la instalación debe disponer de márgenes de seguridad holgados. Por otro lado la situación accidental se presenta con una frecuencia mucho más baja y los impulsores deben proyectarse para que sean capaces de dar los picos precisos para responder a la estrategia de ventilación que se haya planteado así como para funcionar en ambientes muy agresivos. Es clásica la cita al fuego en el túnel Holland (N. Y) donde la capa de aire fresco a ras de suelo permitió la huida de los pasajeros atrapados y la llegada de equipos de rescate. El tema es de tal importancia que se ha incrementado el número de pruebas a escala real con objeto de familiarizar a los equipos de explotación y extinción con estas situaciones excepcionales a la par que para observar y cuantificar los problemas reales. En los túneles de El Padrún, la Demarcación de Carreteras del Estado de Asturias (MOPTMA) ha invertido un gran esfuerzo en los estudios de seguridad tanto en los aspectos estructurales como funcionales. Se han seguido en ambos casos los pasos tradicionales para el establecimiento de la auténtica experiencia ingenieril es decir la observación de fenómenos, su medición y su interpretación y síntesis mediante modelos abstractos. En el tema concreto de la seguridad frente a situaciones accidentales se han realizado experimentos con un incendio real y con humos fríos y calientes. En este artículo se presentan algunos de los modelos numéricos que, basándose en las enormes posibilidades que ofrecen los medios informáticos actuales, se han construido para identificar fenómenos observados en los experimentos y para estudiar cuestiones que se plantean durante la explotación o el proyecto y para las que todavía no se dispone de un cuerpo de doctrina bien establecido.

Compatibilidad de Orius laevigatus (Fieber) (Hemiptera: Anthocoridae) y Nesidiocoris tenuis (Reuter)(Hemiptera: Miridae), depredadores importantes en cultivos hortícolas protegidos, con nuevas barreras físicas selectivas y modernos plaguicidas

La nueva legislación en materia fitosanitaria se dirige hacia una Gestión Integrada de Plagas (GIP). Estos programas dan preferencia a aquellos métodos más respetuosos y sostenibles con el medio ambiente, siendo piezas claves en ellos el control biológico, el físico y otros de carácter no químico. Sin embargo, el uso de insecticidas selectivos es a veces necesario para el adecuado manejo de plagas en cultivos hortícolas. Por ello, el objetivo general de este estudio es aportar conocimientos para mejorar el control de plagas en cultivos hortícolas, mediante la integración de tres estrategias de lucha: biológica, física y química. Una parte de este trabajo ha consistido en el estudio de los posibles efectos que mallas tratadas con insecticida (bifentrin) pudieran provocar mediante diferentes ensayos de laboratorio, invernadero y campo, en los enemigos naturales Orius laevigatus (Fieber) (Hemiptera: Anthocoridae) (depredador de trips), Nesidiocoris tenuis (Reuter) (Hemiptera: Miridae) (depredador de mosca blanca y Tuta absoluta (Meirick) (Lepidoptera: Gelechiidae)), y otros agentes de biocontrol comúnmente usados en cultivos hortícolas protegidos. Este tipo de mallas se han empleado con éxito en entomología médica para controlar mosquitos vectores de la malaria, y actualmente se está trabajando en su desarrollo para uso agrícola como método de exclusión, y método directo de control de plagas. En los ensayos realizados en laboratorio, O. laevigatus y N. tenuis no fueron capaces de detectar la presencia de bifentrin en el ensayo de preferencia. Además, no se produjo mortalidad a corto plazo (72 horas) en ambos chinches depredadores. Por el contrario, se registró una elevada mortalidad cuando se expusieron por contacto a la malla tratada durante 72 horas en cajas de dimensiones reducidas (10 cm de diámetro X 3 cm de altura). En ensayos llevados a cabo bajo condiciones más reales de exposición, en un invernadero experimental con jaulas de 25 X 25 X 60 cm de altura, no se produjo ningún efecto en la mortalidad a corto plazo (72 horas) o en los parámetros reproductivos de O. laevigatus y N. tenuis. Finalmente, en ensayos de campo realizados en túneles semi-comerciales (8 m de largo X 6,5 m de ancho X 2,6 m de altura), ni las condiciones ambientales [temperatura, humedad relativa, radiación ultravioleta (UV) y fotosintéticamente activa (PAR)], ni los enemigos naturales, se vieron afectados por la presencia de la malla tratada con bifentrin en el cultivo. Sin embargo, los resultados no fueron concluyentes, debido al bajo establecimiento de los agentes de biocontrol liberados. Por lo tanto, más estudios son necesarios en invernaderos comerciales para confirmar los resultados preliminares de compatibilidad. Además, en este trabajo se han evaluado los efectos letales (mortalidad) y subletales (parámetros reproductivos) de seis modernos insecticidas sobre los chinches depredadores O. laevigatus y N. tenuis, mediante ensayos de laboratorio y persistencia. Los ensayos se realizaron por contacto residual, aplicando los insecticidas a la dosis máxima de campo sobre placas de cristal (laboratorio) o plantas (persistencia). Los productos fitosanitarios se seleccionaron por representar a un grupo de modernos plaguicidas con modos de acción en principio más selectivos para los enemigos naturales que antiguos plaguicidas como organoclorados, oroganofosforados o carbamatos, y por su uso frecuente en cultivos hortícolas donde O. laevigatus y N. tenuis están presentes. Todos ellos están incluidos o en proceso de inclusión en la lista comunitaria de sustancias activas para uso agrícola, Anexo I de la Directiva 91/414/CEE: abamectina y emamectina (avermectinas neurotóxicas, activadoras del canal del cloro), deltametrina (piretroide neurotóxico, modulador del canal del sodio, control positivo), flubendiamida (neurotóxico, modulador del receptor de rianodina), spinosad (naturalito neurotóxico, agonistas/antagonistas del receptor de nicotínico acetilcolina) y spiromesifen (inhibidor de la acetil CoA carboxilasa). El estudio mostró que O. laevigatus fue más susceptible a los insecticidas que N. tenuis. Además, los resultados revelaron que flubendiamida y spiromesifen fueron compatibles con los dos enemigos naturales estudiados, y por tanto se podrían usar en programas de GIP. Por el contrario, los insecticidas abamectina, deltametrina, emamectina y spinosad no fueron selectivos para ninguno de los chinches depredadores. Sin embargo, los estudios de persistencia demostraron que a pesar de que estos insecticidas no proporcionaron selectividad fisiológica, pueden proporcionar selectividad ecológica en algunos casos. Abamectina, deltametrina, emamectina y spinosad podrían ser compatibles con N. tenuis si el enemigo natural es introducido en el cultivo 4 días después de su aplicación. En el caso de O. laevigatus, abamectina, deltametrina y spinosad se clasificaron como persistentes, por lo tanto es necesario completar el estudio con experimentos de semi-campo y campo que determinen si es posible su uso conjunto en programas de GIP. Por otro lado, emamectina podría ser compatible con O. laevigatus si el enemigo natural es introducido en el cultivo 7 días después de su aplicación. Por último, se ha comprobado la selectividad de tres insecticidas aceleradores de la muda (MACs) (metoxifenocida, tebufenocida y RH-5849) sobre O. laevigatus y N. tenuis. Además de realizar estudios para evaluar la toxicidad en laboratorio de los insecticidas por contacto residual e ingestión (principal modo de acción de los MAC´s), se extrajo RNA de los insectos y con el cDNA obtenido se secuenció y clonó el dominio de unión al ligando (LBD) del receptor de ecdisona correspondiente a O. laevigatus (OlEcR-LBD) y N. tenuis (NtEcR-LBD). Posteriormente, se obtuvo la configuración en tres dimensiones del LBD y se estudió el acoplamiento de las moléculas de los tres insecticidas en la cavidad que forman las 12 α-hélices que constituyen el EcR-LBD. En el caso de N. tenuis se debe mencionar que no fue posible la obtención de la secuencia completa del LBD. Sin embargo, se obtuvo una secuencia parcial (hélice 6-hélice 11), que mostró una alta conservación de aminoácidos con respecto a la obtenida en O. laevigatus. Los ensayos de toxicidad mostraron que metoxifenocida, tebufenocida y RH-5849 no produjeron ningún efecto nocivo en ambos depredadores. Además, los estudios de modelado por homología y acoplamiento molecular llevados a cabo con O. laevigatus, también indicaron que los MACs no produjeron ningún efecto deletéreo en este enemigo natural. Por lo tanto, estos compuestos pueden ser aplicados de manera segura en programas de GIP en los cuales O. laevigatus y N. tenuis estén presentes. ABSTRACT The new pesticide legislation on pest control is aimed at integrated pest management (IPM). These programs are based on the most environmentally sustainable approaches, where biological, physical control and other non-chemical methods are the cornerstone. However, selective pesticides are often required for pest management on horticultural crops. Therefore, the main goal of this study is to provide knowledge to improve pest control on horticultural crops through the integration of three strategies: biological, physical and chemical. Firstly, the effects of insecticide treated nets (bifenthrin) were evaluated in different laboratory, greenhouse and field experiments on the natural enemies Orius laevigatus (Fieber) (Hemiptera: Anthocoridae) (predator of thrips), Nesidiocoris tenuis (Reuter) (Hemiptera: Miridae) (predator of whiteflies and Tuta absoluta (Meirick) (Lepidoptera: Gelechiidae)), and other biocontrol agents commonly used on protected horticultural crops. These types of nets have been successfully used in medical entomology to control mosquito malaria vectors, and work is currently being done on their use as exclusion barriers and as a direct method of pest control in agriculture. In experiments made under laboratory conditions, O. laevigatus and N. tenuis were not able to detect the presence of bifenthrin in a dual-choice test. Furthermore, no shortterm mortality (72 hours) was recorded on both predatory bugs. In contrast, a high mortality rate was found when they were exposed by contact to the bifenthrin-treated net for 72 hours in small cages (10 cm diameter X 3 cm high). In assays carried out under more realistic conditions of exposure, in an experimental greenhouse with cages of 25 X 25 X 60 cm high, short-term mortality (72 hours) and reproductive parameters were not affected. Lastly, in field experiments carried out in semi-commercial tunnels (8 m long X 6.5 m width X 2.6 m high), neither environmental conditions [temperature, relative humidity, ultraviolet (UV) and photosynthetically active radiation (PAR)] nor natural enemies were affected by the presence of the bifenthrin-treated net on the crop. However, results were not conclusive, mainly due to a low settlement of the released biocontrol agents, and further studies are needed in commercial greenhouses to confirm our preliminary results of compatibility. Secondly, the lethal (mortality) and sublethal effects (reproductive parameters) of six modern pesticides on the predatory bugs O. laevigatus and N. tenuis has been evaluated through laboratory and persistence experiments. Trials were carried out by residual contact, applying the insecticides to the maximum field recommended concentration on glass plates (laboratory) or plants (persistence). Insecticides were chosen as representatives of modern pesticides with a more selective mode of action on natural enemies than organochlorine, organophosphorus and carbamate insecticides. Moreover, they were also chosen because of their frequent use on horticultural crops where O. laevigatus and N. tenuis are present. All of them have been included or have been requested for inclusion in the community list of active substances on the agricultural market, Annex I of the European Directive 91/414/EEC: abamectin and emamectin (neurotoxic avermectins, chloride channel activators), deltamethrin (neutotoxic pyrethroid, sodium channel modulator, positive commercial standard), flubendiamide (neurotoxic, rianodine receptor modulator), spinosad (neurotoxic naturalyte, nicotinic acetylcholine receptor allosteric activator) and spiromesifen (inhibitors of acetyl CoA carboxylase). The study showed that O. laevigatus was more susceptible to all the studied pesticides than N. tenuis. In addition, the research results indicated no impact of flubendiamide and spiromesifen on the two natural enemies studied under laboratory conditions. Consequently, both pesticides are candidates to be included in IPM programmes where these biocontrol agents are present. On the other hand, abamectin, deltamethrin, emamectin and spinosad were not selective for both predatory bugs in laboratory experiments. However, persistence test demonstrated that in spite of the lack of physiological selectivity, these pesticides can provide ecological selectivity in some cases. Abamectin, deltamethrin, emamectin and spinosad could be compatible with N. tenuis if the mirid bug is released 4 days after the insecticide treatment on the crop. With regard to O. laevigatus, abamectin, deltamethrin and spinosad were classified as persistent in our assays, thus the study should be completed with semi-field and field experiments in order to ascertain their possible joint use in IPM programs. In contrast, emamectin could be compatible with O. laevigatus if the pirate bug is released 7 days after the insecticide treatment on the crop. Finally, the selectivity of three moulting accelerating compounds (MACs) (methoxyfenozide, tebufenozide and RH-5849) has also been evaluated on O. laevigatus and N. tenuis. In addition to laboratory experiments to evaluate the toxicity of the insecticides by residual contact and ingestion, molecular approaches were used as well. RNA of both insects was isolated, cDNA was subsequently synthesized and the complete sequence of the ligand binding domain (LBD) of the ecdysone receptor of O. laevigatus (OlEcR-LBD) and N. tenuis (NtEcR-LBD) were determined. Afterwards, the three dimensional structure of LBD was constructed. Finally, the docking of the insecticide molecules in the cavity delineated by the 12 α-helix that composed the EcRLBD was performed. In the case of N. tenuis, it should be noted that in spite of intensive efforts, we did not manage to complete the sequence for the LBD.However, a partial sequence of the LBD was obtained (helix 6-helix 11), and a strong conservation between the amino acids of N. tenuis and O. laevigatus was observed. Results showed no biological activity of methoxyfenozide, tebufenozide and RH-5849, on both predatory bugs. Moreover, modeling of the OlEcR-LBD and docking experiments also suggested that MACs were devoid of any deleterious effect on O. laevigatus. Therefore, our results indicate that these compounds could be safely applied in IPM programs in which O. laevigatus and N. tenuis are present.

Características y problemática de los tabiques de separación entre cantones en sistemas de ventilación de tipo (semi-) transversal

El objetivo principal de la ventilación es garantizar las condiciones de explotación en servicio y de seguridad en caso de incendio en el interior del túnel. En la mayoría de los túneles de una cierta importancia esto se consigue mediante la disposición de instalaciones mecánicas de ventilación que permiten forzar el desplazamiento del aire de la forma deseada. Los principios de funcionamiento que pueden encontrarse en la práctica son muy diversos aunque pueden clasificarse según el comportamiento del aire en el interior del túnel (PIARC, Circular Francesa) o en función de si existen o no elementos de separación entre la zona reservada a la circulación de los vehículos y los conductos de ventilación (Recomendaciones suizas). Siguiendo este último principio de clasificación, los que no presentan losa intermedia son aquellos en los que se emplean aceleradores y/o pozos de ventilación para conseguir las condiciones adecuadas. En cuanto a los sistemas que presentan losa intermedia existen dos principalmente el transversal y el semitransversal. En los sistemas de tipo transversal, durante el funcionamiento en servicio, en un tramo determinado del túnel el aporte de aire fresco es el mismo que el de extracción de tal forma que, en condiciones de igualdad de presión entre sus extremos, no existe corriente longitudinal. En cuanto a la sección transversal, el conducto de aire viciado debe situarse en la parte superior ocupando la sección superior de la bóveda de tal forma que permita la extracción de humos en caso de incendio a través de exutorios. En cambio, el aporte de aire fresco se suele realizar mediante aberturas situadas al nivel de la calzada o en la parte superior (aunque es desaconsejable) alimentadas desde conductos que pueden ir situados bajo la calzada o compartiendo la sección superior, en cuyo caso se dispone un tabique de separación entre ambos. En los sistemas de tipo semitransversal, durante el funcionamiento en servicio, se pretende dar a cada zona del túnel la cantidad de aire fresco necesario para diluir los contaminantes que allí se producen. El aire fresco se introduce a lo largo de todo el túnel a través de una serie de aberturas que comunican un conducto auxiliar situado en un falso techo del túnel. El aire contaminado sale a través de las bocas. Para prevenir el caso de incendio este tipo de ventilación puede estar preparada para invertir el sentido del aire y pasar a una aspiración a lo largo del túnel o en zonas localizadas. En este caso se denomina semitransversal reversible. En el caso de túneles de gran longitud es habitual la subdivisión del túnel en zonas o cantones que son alimentados desde una misma estación de ventilación, para lo que es preciso dividir el conducto de distribución en dos o más partes, quedando una de las secciones destinada a la distribución de aire al interior del túnel y la otra como transición al siguiente cantón. En el caso de sistemas de ventilación de tipo semitransversal reversible cada uno de los conductos puede ser empleado tanto para el aporte de aire fresco (sobrepresión) como la extracción de humos en caso de incendio (subpresión). Si a esto se añade la disposición de sistemas de ventiladores redundantes que permitan el auxilio en caso de fallo de algún equipo, es necesaria la disposición de complejos sistemas de registros para conectar los ventiladores. El tabique de separación entre los conductos se ve por tanto sometido a diferencias de presiones según el modo de funcionamiento, por lo que son precisos distintos escenarios de hipótesis de carga.

Técnicas de evacuación de humos y gases en túneles

La construcción de una red amplia de infraestructuras para una región supone un indudable enriquecimiento. En España, para lograr este objetivo y debido a una orografía considerablemente montañosa, ha sido necesario potenciar la creación de túneles de carretera y ferrocarril aunque solo recientemente se ha comenzado a prestar atención a aspectos considerados secundarios como la seguridad, el mantenimiento o la explotación. En España, afortunadamente, la eterna lucha entre coste y seguridad va decantándose a favor de la segunda en gran parte debido a la presión de la opinión pública, no siempre objetiva ni razonable. El procedimiento habitual para la elección del sistema de ventilación pasa por la definición y posterior estudio de los distintos casos que pueden presentarse en el túnel. En este artículo se hacer referencia a los sistemas de ventilación principal, como son ventilación longitudinal natural, ventilación longitudinal natural con pozo, ventilación longitudinal con ventiladores en pozo, ventilación longitudinal con ventiladores de chorro , ventilación longitudinal en pozo y aceleradores, ventilación semi-transversal con inyección de aire fresco, ventilación transversal total, ventilación pseudo-transversal y sistemas mixtos. Existen otros conjuntos de ventilación a los que se presta a veces menos atención que a los anteriores aunque son fundamentales en el funcionamiento del túnel especialmente para los casos de incendio, como son refugios, nichos y locales técnicos. El ventilador es una turbomáquina que absorbe energía mecánica en el eje y la emplea en transportar gases a unas presiones suficientemente bajas para poder considerarlo incompresible. Los ventiladores se clasifican en función de la dirección del flujo en el rodete como axiales si el flujo sale en la dirección del eje de giro del rodete o centrífugo(de flujo radial) si el flujo sale en dirección normal a aquél. Dentro de los ventiladores axiales existen dos configuraciones diferentes empleadas habitualmente en túneles, los ventiladores axiales de gran potencia y los ventiladores de chorro. El sistema de ventilación depende en gran medida del seguimiento de los parámetros que intervienen en su control para poder intervenir de forma correctiva y preventiva para asegurar el cumplimiento de los niveles de calidad del aire exigidos. Para ello se emplea un numeroso tipo de equipos que permiten monitorizar el comportamiento del túnel. El artículo concluye haciendo referencia a equipamientos de seguridad.

Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

High power beam dump project for the accelerator prototype LIPAc: Cooling design and analysis

En el campo de la fusión nuclear y desarrollándose en paralelo a ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), el proyecto IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) se enmarca dentro de las actividades complementarias encaminadas a solucionar las barreras tecnológicas que aún plantea la fusión. En concreto IFMIF es una instalación de irradiación cuya misión es caracterizar materiales resistentes a condiciones extremas como las esperadas en los futuros reactores de fusión como DEMO (DEMOnstration power plant). Consiste de dos aceleradores de deuterones que proporcionan un haz de 125 mA y 40 MeV cada uno, que al colisionar con un blanco de litio producen un flujo neutrónico intenso (1017 neutrones/s) con un espectro similar al de los neutrones de fusión [1], [2]. Dicho flujo neutrónico es empleado para irradiar los diferentes materiales candidatos a ser empleados en reactores de fusión, y las muestras son posteriormente examinadas en la llamada instalación de post-irradiación. Como primer paso en tan ambicioso proyecto, una fase de validación y diseño llamada IFMIFEVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) se encuentra actualmente en desarrollo. Una de las actividades contempladas en esta fase es la construcción y operación de una acelarador prototipo llamado LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). Se trata de un acelerador de deuterones de alta intensidad idéntico a la parte de baja energía de los aceleradores de IFMIF. Los componentes del LIPAc, que será instalado en Japón, son suministrados por diferentes países europeos. El acelerador proporcionará un haz continuo de deuterones de 9 MeV con una potencia de 1.125 MW que tras ser caracterizado con diversos instrumentos deberá pararse de forma segura. Para ello se requiere un sistema denominado bloque de parada (Beam Dump en inglés) que absorba la energía del haz y la transfiera a un sumidero de calor. España tiene el compromiso de suministrar este componente y CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) es responsable de dicha tarea. La pieza central del bloque de parada, donde se para el haz de iones, es un cono de cobre con un ángulo de 3.5o, 2.5 m de longitud y 5 mm de espesor. Dicha pieza está refrigerada por agua que fluye en su superficie externa por el canal que se forma entre el cono de cobre y otra pieza concéntrica con éste. Este es el marco en que se desarrolla la presente tesis, cuyo objeto es el diseño del sistema de refrigeración del bloque de parada del LIPAc. El diseño se ha realizado utilizando un modelo simplificado unidimensional. Se han obtenido los parámetros del agua (presión, caudal, pérdida de carga) y la geometría requerida en el canal de refrigeración (anchura, rugosidad) para garantizar la correcta refrigeración del bloque de parada. Se ha comprobado que el diseño permite variaciones del haz respecto a la situación nominal siendo el flujo crítico calorífico al menos 2 veces superior al nominal. Se han realizado asimismo simulaciones fluidodinámicas 3D con ANSYS-CFX en aquellas zonas del canal de refrigeración que lo requieren. El bloque de parada se activará como consecuencia de la interacción del haz de partículas lo que impide cualquier cambio o reparación una vez comenzada la operación del acelerador. Por ello el diseño ha de ser muy robusto y todas las hipótesis utilizadas en la realización de éste deben ser cuidadosamente comprobadas. Gran parte del esfuerzo de la tesis se centra en la estimación del coeficiente de transferencia de calor que es determinante en los resultados obtenidos, y que se emplea además como condición de contorno en los cálculos mecánicos. Para ello por un lado se han buscado correlaciones cuyo rango de aplicabilidad sea adecuado para las condiciones del bloque de parada (canal anular, diferencias de temperatura agua-pared de decenas de grados). En un segundo paso se han comparado los coeficientes de película obtenidos a partir de la correlación seleccionada (Petukhov-Gnielinski) con los que se deducen de simulaciones fluidodinámicas, obteniendo resultados satisfactorios. Por último se ha realizado una validación experimental utilizando un prototipo y un circuito hidráulico que proporciona un flujo de agua con los parámetros requeridos en el bloque de parada. Tras varios intentos y mejoras en el experimento se han obtenido los coeficientes de película para distintos caudales y potencias de calentamiento. Teniendo en cuenta la incertidumbre de las medidas, los valores experimentales concuerdan razonablemente bien (en el rango de 15%) con los deducidos de las correlaciones. Por motivos radiológicos es necesario controlar la calidad del agua de refrigeración y minimizar la corrosión del cobre. Tras un estudio bibliográfico se identificaron los parámetros del agua más adecuados (conductividad, pH y concentración de oxígeno disuelto). Como parte de la tesis se ha realizado asimismo un estudio de la corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada con el doble fin de determinar si puede poner en riesgo la integridad del componente, y de obtener una estimación de la velocidad de corrosión para dimensionar el sistema de purificación del agua. Se ha utilizado el código TRACT (TRansport and ACTivation code) adaptándalo al caso del bloque de parada, para lo cual se trabajó con el responsable (Panos Karditsas) del código en Culham (UKAEA). Los resultados confirman que la corrosión del cobre en las condiciones seleccionadas no supone un problema. La Tesis se encuentra estructurada de la siguiente manera: En el primer capítulo se realiza una introducción de los proyectos IFMIF y LIPAc dentro de los cuales se enmarca esta Tesis. Además se describe el bloque de parada, siendo el diseño del sistema de rerigeración de éste el principal objetivo de la Tesis. En el segundo y tercer capítulo se realiza un resumen de la base teórica así como de las diferentes herramientas empleadas en el diseño del sistema de refrigeración. El capítulo cuarto presenta los resultados del relativos al sistema de refrigeración. Tanto los obtenidos del estudio unidimensional, como los obtenidos de las simulaciones fluidodinámicas 3D mediante el empleo del código ANSYS-CFX. En el quinto capítulo se presentan los resultados referentes al análisis de corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada. El capítulo seis se centra en la descripción del montaje experimental para la obtención de los valores de pérdida de carga y coeficiente de transferencia del calor. Asimismo se presentan los resultados obtenidos en dichos experimentos. Finalmente encontramos un capítulo de apéndices en el que se describen una serie de experimentos llevados a cabo como pasos intermedios en la obtención del resultado experimental del coeficiente de película. También se presenta el código informático empleado para el análisis unidimensional del sistema de refrigeración del bloque de parada llamado CHICA (Cooling and Heating Interaction and Corrosion Analysis). ABSTRACT In the nuclear fusion field running in parallel to ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) as one of the complementary activities headed towards solving the technological barriers, IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) project aims to provide an irradiation facility to qualify advanced materials resistant to extreme conditions like the ones expected in future fusion reactors like DEMO (DEMOnstration Power Plant). IFMIF consists of two constant wave deuteron accelerators delivering a 125 mA and 40 MeV beam each that will collide on a lithium target producing an intense neutron fluence (1017 neutrons/s) with a similar spectra to that of fusion neutrons [1], [2]. This neutron flux is employed to irradiate the different material candidates to be employed in the future fusion reactors, and the samples examined after irradiation at the so called post-irradiative facilities. As a first step in such an ambitious project, an engineering validation and engineering design activity phase called IFMIF-EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) is presently going on. One of the activities consists on the construction and operation of an accelerator prototype named LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). It is a high intensity deuteron accelerator identical to the low energy part of the IFMIF accelerators. The LIPAc components, which will be installed in Japan, are delivered by different european countries. The accelerator supplies a 9 MeV constant wave beam of deuterons with a power of 1.125 MW, which after being characterized by different instruments has to be stopped safely. For such task a beam dump to absorb the beam energy and take it to a heat sink is needed. Spain has the compromise of delivering such device and CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) is responsible for such task. The central piece of the beam dump, where the ion beam is stopped, is a copper cone with an angle of 3.5o, 2.5 m long and 5 mm width. This part is cooled by water flowing on its external surface through the channel formed between the copper cone and a concentric piece with the latter. The thesis is developed in this realm, and its objective is designing the LIPAc beam dump cooling system. The design has been performed employing a simplified one dimensional model. The water parameters (pressure, flow, pressure loss) and the required annular channel geometry (width, rugoisty) have been obtained guaranteeing the correct cooling of the beam dump. It has been checked that the cooling design allows variations of the the beam with respect to the nominal position, being the CHF (Critical Heat Flux) at least twice times higher than the nominal deposited heat flux. 3D fluid dynamic simulations employing ANSYS-CFX code in the beam dump cooling channel sections which require a more thorough study have also been performed. The beam dump will activateasaconsequenceofthe deuteron beam interaction, making impossible any change or maintenance task once the accelerator operation has started. Hence the design has to be very robust and all the hypotheses employed in the design mustbecarefully checked. Most of the work in the thesis is concentrated in estimating the heat transfer coefficient which is decisive in the obtained results, and is also employed as boundary condition in the mechanical analysis. For such task, correlations which applicability range is the adequate for the beam dump conditions (annular channel, water-surface temperature differences of tens of degrees) have been compiled. In a second step the heat transfer coefficients obtained from the selected correlation (Petukhov- Gnielinski) have been compared with the ones deduced from the 3D fluid dynamic simulations, obtaining satisfactory results. Finally an experimental validation has been performed employing a prototype and a hydraulic circuit that supplies a flow with the requested parameters in the beam dump. After several tries and improvements in the experiment, the heat transfer coefficients for different flows and heating powers have been obtained. Considering the uncertainty in the measurements the experimental values agree reasonably well (in the order of 15%) with the ones obtained from the correlations. Due to radiological reasons the quality of the cooling water must be controlled, hence minimizing the copper corrosion. After performing a bibligraphic study the most adequate water parameters were identified (conductivity, pH and dissolved oxygen concentration). As part of this thesis a corrosion study of the beam dump cooling circuit has been performed with the double aim of determining if corrosion can pose a risk for the copper beam dump , and obtaining an estimation of the corrosion velocitytodimension the water purification system. TRACT code(TRansport and ACTivation) has been employed for such study adapting the code for the beam dump case. For such study a collaboration with the code responsible (Panos Karditsas) at Culham (UKAEA) was established. The work developed in this thesis has supposed the publication of three articles in JCR journals (”Journal of Nuclear Materials” y ”Fusion Engineering and Design”), as well as presentations in more than four conferences and relevant meetings.

Sistema de simulación de escenarios de ciclos avanzados de combustible nuclear en transición = Simulation system for advanced fuel cycle transition scenarios

El estudio de los ciclos del combustible nuclear requieren de herramientas computacionales o "códigos" versátiles para dar respuestas al problema multicriterio de evaluar los actuales ciclos o las capacidades de las diferentes estrategias y escenarios con potencial de desarrollo en a nivel nacional, regional o mundial. Por otra parte, la introducción de nuevas tecnologías para reactores y procesos industriales hace que los códigos existentes requieran nuevas capacidades para evaluar la transición del estado actual del ciclo del combustible hacia otros más avanzados y sostenibles. Brevemente, esta tesis se centra en dar respuesta a las principales preguntas, en términos económicos y de recursos, al análisis de escenarios de ciclos de combustible, en particular, para el análisis de los diferentes escenarios del ciclo del combustible de relativa importancia para España y Europa. Para alcanzar este objetivo ha sido necesaria la actualización y el desarrollo de nuevas capacidades del código TR_EVOL (Transition Evolution code). Este trabajo ha sido desarrollado en el Programa de Innovación Nuclear del CIEMAT desde el año 2010. Esta tesis se divide en 6 capítulos. El primer capítulo ofrece una visión general del ciclo de combustible nuclear, sus principales etapas y los diferentes tipos utilizados en la actualidad o en desarrollo para el futuro. Además, se describen las fuentes de material nuclear que podrían ser utilizadas como combustible (uranio y otros). También se puntualizan brevemente una serie de herramientas desarrolladas para el estudio de estos ciclos de combustible nuclear. El capítulo 2 está dirigido a dar una idea básica acerca de los costes involucrados en la generación de electricidad mediante energía nuclear. Aquí se presentan una clasificación de estos costos y sus estimaciones, obtenidas en la bibliografía, y que han sido evaluadas y utilizadas en esta tesis. Se ha incluido también una breve descripción del principal indicador económico utilizado en esta tesis, el “coste nivelado de la electricidad”. El capítulo 3 se centra en la descripción del código de simulación desarrollado para el estudio del ciclo del combustible nuclear, TR_EVOL, que ha sido diseñado para evaluar diferentes opciones de ciclos de combustibles. En particular, pueden ser evaluados las diversos reactores con, posiblemente, diferentes tipos de combustibles y sus instalaciones del ciclo asociadas. El módulo de evaluaciones económica de TR_EVOL ofrece el coste nivelado de la electricidad haciendo uso de las cuatro fuentes principales de información económica y de la salida del balance de masas obtenido de la simulación del ciclo en TR_EVOL. Por otra parte, la estimación de las incertidumbres en los costes también puede ser efectuada por el código. Se ha efectuado un proceso de comprobación cruzada de las funcionalidades del código y se descrine en el Capítulo 4. El proceso se ha aplicado en cuatro etapas de acuerdo con las características más importantes de TR_EVOL, balance de masas, composición isotópica y análisis económico. Así, la primera etapa ha consistido en el balance masas del ciclo de combustible nuclear actual de España. La segunda etapa se ha centrado en la comprobación de la composición isotópica del flujo de masas mediante el la simulación del ciclo del combustible definido en el proyecto CP-ESFR UE. Las dos últimas etapas han tenido como objetivo validar el módulo económico. De este modo, en la tercera etapa han sido evaluados los tres principales costes (financieros, operación y mantenimiento y de combustible) y comparados con los obtenidos por el proyecto ARCAS, omitiendo los costes del fin del ciclo o Back-end, los que han sido evaluado solo en la cuarta etapa, haciendo uso de costes unitarios y parámetros obtenidos a partir de la bibliografía. En el capítulo 5 se analizan dos grupos de opciones del ciclo del combustible nuclear de relevante importancia, en términos económicos y de recursos, para España y Europa. Para el caso español, se han simulado dos grupos de escenarios del ciclo del combustible, incluyendo estrategias de reproceso y extensión de vida de los reactores. Este análisis se ha centrado en explorar las ventajas y desventajas de reprocesado de combustible irradiado en un país con una “relativa” pequeña cantidad de reactores nucleares. Para el grupo de Europa se han tratado cuatro escenarios, incluyendo opciones de transmutación. Los escenarios incluyen los reactores actuales utilizando la tecnología reactor de agua ligera y ciclo abierto, un reemplazo total de los reactores actuales con reactores rápidos que queman combustible U-Pu MOX y dos escenarios del ciclo del combustible con transmutación de actínidos minoritarios en una parte de los reactores rápidos o en sistemas impulsados por aceleradores dedicados a transmutación. Finalmente, el capítulo 6 da las principales conclusiones obtenidas de esta tesis y los trabajos futuros previstos en el campo del análisis de ciclos de combustible nuclear. ABSTRACT The study of the nuclear fuel cycle requires versatile computational tools or “codes” to provide answers to the multicriteria problem of assessing current nuclear fuel cycles or the capabilities of different strategies and scenarios with potential development in a country, region or at world level. Moreover, the introduction of new technologies for reactors and industrial processes makes the existing codes to require new capabilities to assess the transition from current status of the fuel cycle to the more advanced and sustainable ones. Briefly, this thesis is focused in providing answers to the main questions about resources and economics in fuel cycle scenario analyses, in particular for the analysis of different fuel cycle scenarios with relative importance for Spain and Europe. The upgrade and development of new capabilities of the TR_EVOL code (Transition Evolution code) has been necessary to achieve this goal. This work has been developed in the Nuclear Innovation Program at CIEMAT since year 2010. This thesis is divided in 6 chapters. The first one gives an overview of the nuclear fuel cycle, its main stages and types currently used or in development for the future. Besides the sources of nuclear material that could be used as fuel (uranium and others) are also viewed here. A number of tools developed for the study of these nuclear fuel cycles are also briefly described in this chapter. Chapter 2 is aimed to give a basic idea about the cost involved in the electricity generation by means of the nuclear energy. The main classification of these costs and their estimations given by bibliography, which have been evaluated in this thesis, are presented. A brief description of the Levelized Cost of Electricity, the principal economic indicator used in this thesis, has been also included. Chapter 3 is focused on the description of the simulation tool TR_EVOL developed for the study of the nuclear fuel cycle. TR_EVOL has been designed to evaluate different options for the fuel cycle scenario. In particular, diverse nuclear power plants, having possibly different types of fuels and the associated fuel cycle facilities can be assessed. The TR_EVOL module for economic assessments provides the Levelized Cost of Electricity making use of the TR_EVOL mass balance output and four main sources of economic information. Furthermore, uncertainties assessment can be also carried out by the code. A cross checking process of the performance of the code has been accomplished and it is shown in Chapter 4. The process has been applied in four stages according to the most important features of TR_EVOL. Thus, the first stage has involved the mass balance of the current Spanish nuclear fuel cycle. The second stage has been focused in the isotopic composition of the mass flow using the fuel cycle defined in the EU project CP-ESFR. The last two stages have been aimed to validate the economic module. In the third stage, the main three generation costs (financial cost, O&M and fuel cost) have been assessed and compared to those obtained by ARCAS project, omitting the back-end costs. This last cost has been evaluated alone in the fourth stage, making use of some unit cost and parameters obtained from the bibliography. In Chapter 5 two groups of nuclear fuel cycle options with relevant importance for Spain and Europe are analyzed in economic and resources terms. For the Spanish case, two groups of fuel cycle scenarios have been simulated including reprocessing strategies and life extension of the current reactor fleet. This analysis has been focused on exploring the advantages and disadvantages of spent fuel reprocessing in a country with relatively small amount of nuclear power plants. For the European group, four fuel cycle scenarios involving transmutation options have been addressed. Scenarios include the current fleet using Light Water Reactor technology and open fuel cycle, a full replacement of the initial fleet with Fast Reactors burning U-Pu MOX fuel and two fuel cycle scenarios with Minor Actinide transmutation in a fraction of the FR fleet or in dedicated Accelerator Driven Systems. Finally, Chapter 6 gives the main conclusions obtained from this thesis and the future work foreseen in the field of nuclear fuel cycle analysis.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.