Core physics and safety analysis of Generation-IV Sodium Fast Reactors using existing and newly developed computational tools

El futuro de la energía nuclear de fisión dependerá, entre otros factores, de la capacidad que las nuevas tecnologías demuestren para solventar los principales retos a largo plazo que se plantean. Los principales retos se pueden resumir en los siguientes aspectos: la capacidad de proporcionar una solución final, segura y fiable a los residuos radiactivos; así como dar solución a la limitación de recursos naturales necesarios para alimentar los reactores nucleares; y por último, una mejora robusta en la seguridad de las centrales que en definitiva evite cualquier daño potencial tanto en la población como en el medio ambiente como consecuencia de cualquier escenario imaginable o más allá de lo imaginable. Siguiendo estas motivaciones, la Generación IV de reactores nucleares surge con el compromiso de proporcionar electricidad de forma sostenible, segura, económica y evitando la proliferación de material fisible. Entre los sistemas conceptuales que se consideran para la Gen IV, los reactores rápidos destacan por su capacidad potencial de transmutar actínidos a la vez que permiten una utilización óptima de los recursos naturales. Entre los refrigerantes que se plantean, el sodio parece una de las soluciones más prometedoras. Como consecuencia, esta tesis surgió dentro del marco del proyecto europeo CP-ESFR con el principal objetivo de evaluar la física de núcleo y seguridad de los reactores rápidos refrigerados por sodio, al tiempo que se desarrollaron herramientas apropiadas para dichos análisis. Efectivamente, en una primera parte de la tesis, se abarca el estudio de la física del núcleo de un reactor rápido representativo, incluyendo el análisis detallado de la capacidad de transmutar actínidos minoritarios. Como resultado de dichos análisis, se publicó un artículo en la revista Annals of Nuclear Energy [96]. Por otra parte, a través de un análisis de un hipotético escenario nuclear español, se evalúo la disponibilidad de recursos naturales necesarios en el caso particular de España para alimentar una flota específica de reactores rápidos, siguiendo varios escenarios de demanda, y teniendo en cuenta la capacidad de reproducción de plutonio que tienen estos sistemas. Como resultado de este trabajo también surgió una publicación en otra revista científica de prestigio internacional como es Energy Conversion and Management [97]. Con objeto de realizar esos y otros análisis, se desarrollaron diversos modelos del núcleo del ESFR siguiendo varias configuraciones, y para diferentes códigos. Por otro lado, con objeto de poder realizar análisis de seguridad de reactores rápidos, son necesarias herramientas multidimensionales de alta fidelidad específicas para reactores rápidos. Dichas herramientas deben integrar fenómenos relacionados con la neutrónica y con la termo-hidráulica, entre otros, mediante una aproximación multi-física. Siguiendo este objetivo, se evalúo el código de difusión neutrónica ANDES para su aplicación a reactores rápidos. ANDES es un código de resolución nodal que se encuentra implementado dentro del sistema COBAYA3 y está basado en el método ACMFD. Por lo tanto, el método ACMFD fue sometido a una revisión en profundidad para evaluar su aptitud para la aplicación a reactores rápidos. Durante ese proceso, se identificaron determinadas limitaciones que se discutirán a lo largo de este trabajo, junto con los desarrollos que se han elaborado e implementado para la resolución de dichas dificultades. Por otra parte, se desarrolló satisfactoriamente el acomplamiento del código neutrónico ANDES con un código termo-hidráulico de subcanales llamado SUBCHANFLOW, desarrollado recientemente en el KIT. Como conclusión de esta parte, todos los desarrollos implementados son evaluados y verificados. En paralelo con esos desarrollos, se calcularon para el núcleo del ESFR las secciones eficaces en multigrupos homogeneizadas a nivel nodal, así como otros parámetros neutrónicos, mediante los códigos ERANOS, primero, y SERPENT, después. Dichos parámetros se utilizaron más adelante para realizar cálculos estacionarios con ANDES. Además, como consecuencia de la contribución de la UPM al paquete de seguridad del proyecto CP-ESFR, se calcularon mediante el código SERPENT los parámetros de cinética puntual que se necesitan introducir en los típicos códigos termo-hidráulicos de planta, para estudios de seguridad. En concreto, dichos parámetros sirvieron para el análisis del impacto que tienen los actínidos minoritarios en el comportamiento de transitorios. Concluyendo, la tesis presenta una aproximación sistemática y multidisciplinar aplicada al análisis de seguridad y comportamiento neutrónico de los reactores rápidos de sodio de la Gen-IV, usando herramientas de cálculo existentes y recién desarrolladas ad' hoc para tal aplicación. Se ha empleado una cantidad importante de tiempo en identificar limitaciones de los métodos nodales analíticos en su aplicación en multigrupos a reactores rápidos, y se proponen interesantes soluciones para abordarlas. ABSTRACT The future of nuclear reactors will depend, among other aspects, on the capability to solve the long-term challenges linked to this technology. These are the capability to provide a definite, safe and reliable solution to the nuclear wastes; the limitation of natural resources, needed to fuel the reactors; and last but not least, the improved safety, which would avoid any potential damage on the public and or environment as a consequence of any imaginable and beyond imaginable circumstance. Following these motivations, the IV Generation of nuclear reactors arises, with the aim to provide sustainable, safe, economic and proliferationresistant electricity. Among the systems considered for the Gen IV, fast reactors have a representative role thanks to their potential capacity to transmute actinides together with the optimal usage of natural resources, being the sodium fast reactors the most promising concept. As a consequence, this thesis was born in the framework of the CP-ESFR project with the generic aim of evaluating the core physics and safety of sodium fast reactors, as well as the development of the approppriated tools to perform such analyses. Indeed, in a first part of this thesis work, the main core physics of the representative sodium fast reactor are assessed, including a detailed analysis of the capability to transmute minor actinides. A part of the results obtained have been published in Annals of Nuclear Energy [96]. Moreover, by means of the analysis of a hypothetical Spanish nuclear scenario, the availability of natural resources required to deploy an specific fleet of fast reactor is assessed, taking into account the breeding properties of such systems. This work also led to a publication in Energy Conversion and Management [97]. In order to perform those and other analyses, several models of the ESFR core were created for different codes. On the other hand, in order to perform safety studies of sodium fast reactors, high fidelity multidimensional analysis tools for sodium fast reactors are required. Such tools should integrate neutronic and thermal-hydraulic phenomena in a multi-physics approach. Following this motivation, the neutron diffusion code ANDES is assessed for sodium fast reactor applications. ANDES is the nodal solver implemented inside the multigroup pin-by-pin diffusion COBAYA3 code, and is based on the analytical method ACMFD. Thus, the ACMFD was verified for SFR applications and while doing so, some limitations were encountered, which are discussed through this work. In order to solve those, some new developments are proposed and implemented in ANDES. Moreover, the code was satisfactorily coupled with the thermal-hydraulic code SUBCHANFLOW, recently developed at KIT. Finally, the different implementations are verified. In addition to those developments, the node homogenized multigroup cross sections and other neutron parameters were obtained for the ESFR core using ERANOS and SERPENT codes, and employed afterwards by ANDES to perform steady state calculations. Moreover, as a result of the UPM contribution to the safety package of the CP-ESFR project, the point kinetic parameters required by the typical plant thermal-hydraulic codes were computed for the ESFR core using SERPENT, which final aim was the assessment of the impact of minor actinides in transient behaviour. All in all, the thesis provides a systematic and multi-purpose approach applied to the assessment of safety and performance parameters of Generation-IV SFR, using existing and newly developed analytical tools. An important amount of time was employed in identifying the limitations that the analytical nodal diffusion methods present when applied to fast reactors following a multigroup approach, and interesting solutions are proposed in order to overcome them.

Capacitive load based on IGBTs for on-site characterization of PV arrays

This paper describes the practical design of a portable capacitive load based on insulated gate bipolar transistors (IGBTs), which is used to measure the I–V characteristics of PV arrays with short-circuit currents up to 80 A and open circuit voltages up to 800 V. Such measurement allows on-site characterization of PV arrays under real operating conditions and also provides information for the detection of potential array anomalies, such as broken cells or defective connections. The presented I–V load is easy to reproduce and low-cost, characteristics that are within the reach of small-scale organizations involved in PV electrification projects.

Induction of ovulation in rabbits by adding Lecirelin to the seminal dose: In vitro and in vivo effects of different excipients.

This study evaluates the effect of Lecirelin (Dalmarelin®, Fatro, Italy) diluted in different excipients (benzilic alcohol, benzoic acid and paraben) added to a seminal dose on LH concentrations, progesterone concentrations and ovarian status in rabbits. The in vitro effect on spermatozoa was also tested. A total of 100 multiparous female rabbits were divided into 5 groups, which at the moment of AI, received 0.2 mL (5 μg/dose) intramuscular (im) inoculation of Lecirelin (control) or the same Lecirelin dose administered intravaginally (iv) with the seminal dose alone (Lecirelin group) or with benzilic alcohol (Lecirelin BA group), benzoic acid (Lecirelin BAc group) or parabens (Lecirelin PA group) as an excipient. After 7 days, 10 rabbits per group were euthanized to analyze their ovarian status. In the control group, a high LH peak was detected 30 min post AI, while in the iv groups a slight increase in LH occurred after 120 min. The ovulation and fertility rate was similar in control and Lecirelin groups, while the lowest fertility rate was detected in the Lecirelin BA group. In a second experiment, the semen samples collected from male rabbits were diluted in TALP (control) or mixed with the 5 μg of Lecirelin solutions used in the first experiment. The highest percentage of capacitated sperm (68.3%) was recorded in the Lecirelin PA. The lowest percentages were observed in the Lecirelin BA and BAc groups. In conclusion, the iv administration of Lecirelin represents an alternative method for simplifying rabbit insemination procedures.

3-D modeling of perimeter recombination in GaAs diodes and its influence on concentrator solar cells

This paper describes a complete modelling of the perimeter recombination of GaAs diodes which solves most unknowns and suppresses the limitations of previous models. Because of the three dimensional nature of the implemented model, it is able to simulate real devices. GaAs diodes on two epiwafers with different base doping levels, sizes and geometries, namely square and circular are manufactured. The validation of the model is achieved by fitting the experimental measurements of the dark IV curve of the manufactured GaAs diodes. A comprehensive 3-D description of the occurring phenomena affecting the perimeter recombination is supplied with the help of the model. Finally, the model is applied to concentrator GaAs solar cells to assess the impact of their doping level, size and geometry on the perimeter recombination.

La forma del agua. Temas e invariantes en el jardín y el paisaje. Análisis de casos (Holanda-España, 1548-1648)

El espacio geográfico, entendido como territorio que da soporte a la vida y a la civilización, ha estado siempre fuertemente supeditado a la presencia de agua. Desde la Prehistoria el hombre otorgó al agua, junto a otros elementos que aseguraban o protegían su vida, un valor superior, por encima de lo humano. Paralelamente y de manera natural, el jardín, en sus inicios en estrecha relación con la agricultura y con el paisaje, fue el ámbito idóneo para la creación de nuevas formas acuáticas artificiales. Este proceso dio lugar a un extenso repertorio de formas compositivas que parece que tuvo en el Renacimiento un punto de inflexión, en el que se observa como la mayoría de recursos y configuraciones básicas del agua estaban ya plenamente establecidas. Esta evolución y sus resultados ha sido el objeto de la primera parte de la tesis: su objetivo ha sido analizar cómo el agua configura, cualifica o puede llegar a construir el jardín y el territorio en el que se inserta, así como establecer las posibles relaciones entre estos dos ámbitos de estudio. Aunque la historia es su fundamento, el planteamiento aquí ha sido más bien conceptual; estudiando los componentes acuáticos desde un punto de vista fundamentalmente compositivo. Esta indagación previa ha sido indispensable para llegar a entender en profundidad los modos en los que el agua se muestra en el jardín y en el paisaje renacentista y manierista, momentos en que se insertan los dos casos de estudio que constituyen la segunda parte de la tesis. Sin caer en un determinismo geográfico extremo, puede admitirse que el jardín, como manifestación cultural intrínsecamente ligada al entorno, depende fuertemente del territorio en el que se asienta; hecho particularmente evidente en aquellas regiones en las que su especial geografía ha sido un claro factor condicionante de su historia. Por ello, Holanda y España han sido las dos localizaciones elegidas para profundizar en este estudio; no tanto por su estrecha relación política y cultural, sino por su profundo y sugerente contraste de medio físico y climático. La Península Ibérica, geográficamente el término del mundo conocido en Occidente hasta el final de la Edad Media, y por esta circunstancia convertida en destino, en territorio de permanencia y fusión, estará además supeditada en la mayoría de su territorio a la falta de agua, siendo a la vez heredera directa del universo y la tradición del jardín meridional originario de Oriente. En el extremo opuesto, Holanda, espacio de transición entre el mar y la tierra firme “real”, es un territorio permeado de humedad y surcado con generosidad por grandes ríos. El país, con una relación ambivalente con el agua, unas veces como amenaza y otras como fuente de nuevas oportunidades, será por el contrario especialmente favorable para el desarrollo de un modelo de jardín septentrional. Un jardín del norte, que no obstante, no surgirá de despejar los bosques, como en el arquetipo nórdico, sino que crecerá sobre planicies antes saturadas de agua o directamente anegadas. El marco temporal de los dos casos concretos ha considerado como fecha inicial 1548, momento en el que Felipe II, aún príncipe, realizó su primer viaje a los Países Bajos, y entró en contacto con el modelo holandés. La extensa producción posterior de jardines de Felipe II, siempre con el agua como protagonista, tuvo como destacado referente la adaptación al suelo y la geografía hispánicos de dicho modelo. Como fecha final se fija 1648, justo un siglo después, fecha coincidente con la firma de la Paz de Westfalia, tratado que supone la total reorganización política del territorio europeo y la pérdida de la hegemonía española en Europa. En Holanda sólo dos años después nacerá Guillermo III de Orange, estatúder de las Provincias Unidas, también futuro rey de Inglaterra, Escocia e Irlanda. Para entonces en Holanda ya se había asistido al desarrollo de un arte propio de jardín, íntimamente ligado al agua, sorprendentemente no demasiado bien conocido y que será uno de los temas de esta investigación. Finalmente, se propone una lectura conjunta de toda esta serie de intervenciones que tienen como argumento el agua, en la que se integra la información procedente de distintos campos de estudio, cada una con su metodología particular. El resultado es una tesis en la que el jardín y el territorio son tratados desde un nuevo y enriquecedor punto de vista. ABSTRACT Geographical space, understood as the territory that provides support to human life and civilization, has always been strongly subjected to the presence of water. From Prehistory man gave to water, along with other elements that ensured or protected life, a higher value than the merely human. At the same time and in a natural way, the garden, in its beginnings with a close relationship with agriculture and landscape, soon developed as the appropriate ground for the creation of new artificial aquatic forms, in a process that seems to have a turning point in the Renaissance, when most of the basic waterworks and resources were already fully established. This development and its outcomes are the subjects of the first part of the thesis: its scope has been to analyse how water configures, qualifies and might even help to construct the garden or landscape attached to it; and to establish the possible links between these two fields of study. Although history based, the point of view here is mainly conceptual, studying the water components understood as composite elements. This exploratory research has been essential to deeply understand the water patterns shown in the Renaissance and Mannerist garden and landscape, periods in which the two case studies are inserted. Without falling in extreme determinism, it can be accepted however, that garden, as a cultural expression linked to environment, is strongly dependant on territorial setting; something particularly evident in those areas where specific geography has been a clear history conditioning factor. This is the reason that leads to choose the Netherlands and Spain to deepen this study, no so much for their interesting cultural and politics relations as for the suggestive and profound contrast of their physical environment and climate. The Iberian Peninsula, geographically the limit of the known world in Occident until the end of the Medium Age, and by this circumstance understood as endpoint, more a destination than a crossroad, a territory of permanence and fusion, but also subjected to water shortage; is thus associated with the universe and tradition of the meridional garden imported from Orient. In the opposite, the Netherlands, a transitional space between the sea and the “real” firm land, is a territory permeated by water and crossed by big rivers. Always with an ambivalent relationship with water, sometimes seen as a threat and sometimes as a source of new opportunities, it was in the other hand the adequate land for the development of a special model of Northern garden. A garden that will not arise, however, from the clearing of woods as in the Nordic archetype, but that will grow on plains originally saturated of water or directly waterlogged. The timeframe of the two cases has 1548 as the initial year, moment in which Philip II, yet prince, made his first trip to the Low Lands and imbibed the Dutch garden model. The later and bountiful garden works of the king, always with the water as the main focus, adapted the imported model to the Spanish ground and geography. The final date is fixed in 1648, just a century after, in coincidence with the Westfalia Peace; a treaty that implied the total political reorganization of the European territory and the end of the Spanish hegemony in the continent. In Holland, only two years later, William III of Orange, Stadtholder of the United Provinces and also future king of England, Scotland and Ireland, was born. But by then the Netherlands had developed an own garden art, closely linked to water. This type garden, surprisingly not very well known, and its relationship with water, will be other of the addressing questions of this work. Finally, the investigation merges the different interventions that have water as an argument, integrating all the fields considered with their particular methodological approaches. The final result is a thesis in which garden and territory are treated from a new and enriching perspective.