Control rod drop surveillance using two friction coefficients

In the case of large burnup, a control rod (CR) guide tube in the pressurized water reactor of a commercial nuclear power plant might bend. As a consequence, a CR drop experiment may indicate an event of a CR partially inserted and whether the CR should be deemed inoperable. Early prevention of such an event can be achieved by measuring two friction coefficients: the hydraulic coefficient and the sliding coefficient. The hydraulic coefficient hardly changes, so that the curvature of the guide tube can only be detected thanks to a variation of the sliding coefficient. A simple model for the CR drop is established and validated with CR drop experiments. If tmx denotes the instant of CR maximum velocity, a linear relationship between (tmx)_2 and the sliding coefficient is found.

BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Corteza y gravedad: el plano del suelo como estrategia en la arquitectura contemporánea

Es, en el encuentro de los edificios con el terreno, donde el suelo como realidad se transforma en cualidad arquitectónica. La presente tesis aborda el estudio del plano del suelo, haciendo una revisión crítica de la arquitectura como mecanismo de pensamiento proyectual. Este análisis se enmarca a partir de los años sesenta, por considerar que es cuando comienza a evidenciarse la ruptura respecto a la herencia del Movimiento Moderno. Es entonces cuando la arquitectura marca un punto de inflexión, y empiezan a surgir diferentes actitudes metodológicas respecto al suelo, totalmente nuevas. Las clásicas acciones de encuentro como posar, elevar o enterrar fueron poco a poco sustituidas por otras más complejas como plegar, inclinar o esponjar. Utilizando como marco de restricción los encuentros o desencuentros del objeto arquitectónico con el terreno, se analiza el suelo como estrategia arquitectónica tratando de demostrar como su manipulación puede ser una eficaz herramienta con la que establecer relaciones específicas con el lugar. La capacidad que presenta el suelo, como elemento arquitectónico, de explorar y modificar las características de cada entorno, hacen de esta superficie una eficiente forma de contextualización. Por tanto, la manipulación del suelo que aquí se plantea, opera transcodificando los elementos específicos de cada lugar y actúa como estrategia arquitectónica que pone en relación al edificio con el contexto, modificando las particularidades formales de dicho plano. Frente a la tendencia que reduce la expresión arquitectónica a una simple apariencia formal autónoma, se plantea la manipulación del plano del suelo como mecanismo de enraizamiento con el lugar, enfatizando para ello la condición terrestre de la arquitectura. El plano del suelo es el que ata al edificio mediante la gravedad a la corteza terrestre. En realidad se trata de realzar el carácter mediador del suelo en la arquitectura, definiendo para ello el establecimiento de elementos comunes entre realidades distintas, potenciando el valor del suelo como herramienta que puede transcodificar el entorno, trasformando su datos en elementos arquitectónicos concretos. En este proceso de traducción de información, el suelo pasa de ser un objeto pasivo a ser uno operativo, convirtiéndose en parte activa de las acciones que sobre él se ejercen. La tesis tiene también como propósito demostrar cómo, la clave de la rápida evolución que el suelo como estrategia arquitectónica ha sufrido en los últimos años, mucho debe a la expansión del suelo en otras artes como en la escultura, y mas concretamente en el landart. Surgen entonces nuevas disciplinas, en las que se propone la comprensión del lugar en los proyectos desarrollando una visión integral del mundo natural, convirtiéndolo en un tejido viviente y conector que pone en relación las actividades que sustenta. También encontramos en Utzon, y sus plataformas geológicas, al precursor de la importancia que más tarde se le daría al plano del suelo en la arquitectura, ya que inicia cierta actitud crítica, que hizo avanzar hacia una arquitectura más expresiva que requería nuevos mecanismos que la relacionasen con el suelo que los soportaba, proponiendo con sus plataformas una transformación infraestructural del suelo. Con su interpretación transcultural de las estructuras espaciales arquetípicas mayas, chinas y japonesas, irá enriqueciendo el panorama arquitectónico, adquiriendo de este modo más valor el contexto que acabará por ser entendido de forma más compleja. Los proyectos de arquitectura en muchas ocasiones se han convertido en territorios propicios de especulación donde construir teoría arquitectónica. Desde este contexto se analizan cuatro estrategias de suelo a través del estudio de cuatro posiciones arquitectónicas muy significativas desde el punto de vista de la manipulación del plano del suelo, que construyen una interesante metodología proyectual con la que operar. Los casos de estudio, propuestos son; la Terminal Pasajeros (1996-2002) en Yokohama del estudio FOA, la Casa de la Música (1999-2005) de OMA en Oporto, el Memorial Judío (1998-2005) de Berlín de Peter Eisenman, y por último el Museo MAXXI (1998-2009) de Zaha Hadid en Roma. Descubrir las reglas, referencias y metodologías que cada uno nos propone, nos permite descubrir cuáles son los principales posicionamientos en relación al proyecto y su relación con el lugar. Las propuestas aquí expuestas abordan una nueva forma de entender el suelo, que hizo avanzar a la arquitectura hacia nuevos modos de encuentro con el terreno. Nos permite también establecer cuáles son las principales aportaciones arquitectónicas del suelo, como estrategia arquitectónica, que han derivado en su reformulación. Dichas contribuciones abren nuevas formas de abordar la arquitectura basadas en el movimiento y en la flexibilidad funcional, o en la superposición de flujos de información y circulación. También plantean nuevas vías desdibujando la figura contra el fondo, y refuerzan la idea del suelo como plataforma infraestructural que ya había sido enunciada por Utzon. Se trata en definitiva de proponer la exploración de la superficie del suelo como el elemento más revelador de las formas emergentes del espacio. ABSTRACT Where the building hits the ground, it is where the latter as reality becomes architectural quality. This thesis presents the study of the ground plane, making a critical review of architecture as a mechanism of projectual thought. This analysis starts from the sixties, because it is when the break begins to be demonstrated with regard to the inheritance of the Modern Movement. It is then when architecture marks a point of inflexion, and different, completely new methodological attitudes to the ground start to emerge. The classic meeting action like place, raise or bury are gradually replaced by more complex operations such as fold, bend or fluff up. Framing it within the meetings or disagreements between architectural object and ground, we analyzed it as architectural strategy trying to show how handling can be an effective tool to establish a specific relationship with the place. The capacity ground has, as an architectural element, to explore and modify the characteristics of each environment, makes this area an efficient tool for contextualization. Therefore, the manipulation of ground that is analyzed here, operates transcoding the specifics of each place and acts as architectural strategy that relates to the building with the context, modifying the structural peculiarities of such plane. Opposite to the reductive tendency of the architectural expression to a simple formal autonomous appearance, the manipulation of the ground plane is considered as a rooting mechanism place that emphasises the earthly condition of architecture. The ground plane is the one that binds the building by gravity to the earth’s crust. In fact, it tries to study the mediating character of the ground in architecture, defining for it to establish commonalities among different realities, enhancing the value of the ground as a tool that can transcode the environment, transforming its data into specific architectural elements. In this process of translating information, the ground goes from being a liability, to become active part of the actions exerted on the object. The thesis also tries to demonstrate how the key of the rapid evolution that the ground likes architectural strategy has gone through recently, much due to its use expansion in other arts such as sculpture. New disciplines arise then, in which one proposes the local understanding in the projects, developing an integral vision of the natural world and turning it into an element linking the activities it supports. We also find in Utzon, and his geological platforms, the precursor of the importance that later would be given to the ground plane in architecture, since it initiates a certain critical attitude, which advances towards a more expressive architecture, with new mechanisms that relate to the ground that it sits in, proposing with its platforms an infrastructural transformation of the ground. With his transcultural interpretation of the spatial archetypal structures, he will enrich the architectural discourse, making the context become understood in more complex ways. Architectural projects in many cases have become territories prone to architectural theory speculation. Within this context, four strategies are analyzed through the study of four very significant architectural positions, from the point of view of handling the ground plane, and the project methodology within which to operate. The case studies analyzed are; Passenger Terminal (1996-2002) in Yokohama from FOA, The House of the music (1999-2005) the OMA in Oporto, The Jew monument (1998-2005) in Berlin the Peter Eisenman, and finally the MAXXI Museum (1998-2009) the Zaha Hadid in Rome. Discovering the rules, references and methodologies that each of those offer, it allows to discover what the main positions are regarding the building and its relationship with the place where it is located. The proposals exposed here try to shed a different light on the ground, which architecture advancing in new ways on how meet it. The crossing of the different studied positions, allows us to establish what the main contributions of ground as architectural strategy are. Such contributions open up new approaches to architecture based on movement and functional flexibility, overlapping information flow and circulation, consider new ways that blur the figure against the background, and reinforce the idea of ground as infrastructural platform, already raised by Utzon. Summarizing, it tries to propose the exploration of the ground plane as the most revealing form of spatial exploration.