Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.

Plasmonic nanoparticles for the protection of the final optics in inertial confinement fusion facilities: capabilities and limitations

Final lenses in laser fusion plants. Challenges for the protection of the final lenses. Plasmonic nanoparticles. Radiation resistance

Thermal and mechanical effects of different excitation modes based on low frequency laser modulation in optical hyperthermia

The low frequency modulation of the laser source (menor que30KHz) allows the generation of a pulsed signal that intermittently excites the gold nanorods. The temperature curves obtained for different frequencies and duty cycles of modulation but with equal average power and identical laser parameters, show that the thermal behavior in continuous wave and modulation modes is the same. However, the cell death experiments suggest that the percentage of death is higher in the cases of modulation. This observation allows us to conclude that there are other effects in addition to temperature that contribute to the cellular death. The mechanical effects like sound or pressure waves are expected to be generated from thermal expansion of gold nanorods. In order to study the behavior and magnitude of these processes we have developed a measure device based on ultrasound piezoelectric receivers (25KHz) and a lock-in amplifier that is able to detect the sound waves generated in samples of gold nanorods during laser irradiation providing us a voltage result proportional to the pressure signal. The first results show that the pressure measurements are directly proportional to the concentration of gold nanorods and the laser power, therefore, our present work is focused on determine the real influence of these effects in the cell death process.

Photovoltaic LiNbO3particles: Applications to Biomedicine/Biophotonics

Recently, a novel method to trap and pattern ensembles of nanoparticles has been proposed and tested. It relies on the photovoltaic (PV) properties of certain ferroelectric crystals such as LiNbO3 [1,2]. These crystals, when suitably doped, develop very high electric fields in response to illumination with light of suitable wavelength. The PV effect lies in the asymmetrical excitation of electrons giving rise to PV currents and associated space-charge fields (photorefractive effect). The field generated in the bulk of the sample propagates to the surrounding medium as evanescent fields. When dielectric or metal nanoparticles are deposited on the surface of the sample the evanescent fields give rise to either electrophoretic or dielectrophoretic forces, depending on the charge state of the particles, that induce the trapping and patterning effects [3,4]. The purpose of this work has been to explore the effects of such PV fields in the biology and biomedical areas. A first work was able to show the necrotic effects induced by such fields on He-La tumour cells grown on the surface of an illuminated iron-doped LiNbO3 crystal [5]. In principle, it is conceived that LiNbO3 nanoparticles may be advantageously used for such biomedical purposes considering the possibility of such nanoparticles being incorporated into the cells. Previous experiments using microparticles have been performed [5] with similar results to those achieved with the substrate. Therefore, the purpose of this work has been to fabricate and characterize the LiNbO3 nanoparticles and assess their necrotic effects when they are incorporated on a culture of tumour cells. Two different preparation methods have been used: 1) mechanical grinding from crystals, and 2) bottom-up sol-gel chemical synthesis from metal-ethoxide precursors. This later method leads to a more uniform size distribution of smaller particles (down to around 50 nm). Fig. 1(a) and 1(b) shows SEM images of the nanoparticles obtained with both method. An ad hoc software taking into account the physical properties of the crystal, particullarly donor and aceptor concentrations has been developped in order to estimate the electric field generated in noparticles. In a first stage simulations of the electric current of nanoparticles, in a conductive media, due to the PV effect have been carried out by MonteCarlo simulations using the Kutharev 1-centre transport model equations [6] . Special attention has been paid to the dependence on particle size and [Fe2+]/[Fe3+]. First results on cubic particles shows large dispersion for small sizes due to the random number of donors and its effective concentration (Fig 2). The necrotic (toxicity) effect of nanoparticles incorporated into a tumour cell culture subjected to 30 min. illumination with a blue LED is shown in Fig.3. For each type of nanoparticle the percent of cell survival in dark and illumination conditions has been plot as a function of the particle dilution factor. Fig. 1a corresponds to mechanical grinding particles whereas 1b and 1c refer to chemically synthesized particles with two oxidation states. The light effect is larger with mechanical grinding nanoparticles, but dark toxicity is also higher. For chemically synthesized nanoparticles dark toxicity is low but only in oxidized samples, where the PV effect is known to be larger, the light effect is appreciable. These preliminary results demonstrate that Fe:LiNbO· nanoparticles have a biological damaging effect on cells, although there are many points that should be clarified and much space for PV nanoparticles optimization. In particular, it appears necessary to determine the fraction of nanoparticles that become incorporated into the cells and the possible existence of threshold size effects. This work has been supported by MINECO under grant MAT2011-28379-C03.

Análisis de sistemas de protección y seguridad de muros de vidrio frente a cargas explosivas

El objetivo principal de este proyecto es el estudio y análisis de dos sistemas de seguridad y protección para muros de vidrio en terminales de transporte, frente a ondas de choque ocasionadas por la detonación de cargas explosivas. Se ha ensayado en primer lugar un adhesivo de seguridad y protección ("Ultra S400") colocado en la cara expuesta a la detonación y un sistema de bandejas metálicas ("kalzip"), tanto en el exterior como en el interior, en el segundo ensayo. Los ensayos se han instrumentado con captadores de presión, acelerómetros, sismógrafos y con cámaras convencionales y de alta velocidad, ésta última nos ha permitido calcular la velocidad de choque en el primero de los ensayos. El análisis de las presiones ha permitido caracterizar la explosión y compararla con los valores de referencia para el TNT del manual norteamericano UFC 3-340. El diseño de los ensayos se ha hecho conforme a las normas ISO y GSA de modo que los resultados han permitido clasificar las diferentes configuraciones de muro cortina ensayadas. ABSTRACT The main objective of this thesis is the analysis and evaluation of two safety and protective systems for glass walls at transportation terminals, against impact waves caused by the detonation of an explosive charge. It has been tested in first place, a safety and protective adhesive ("Ultra S400"), located at the exposed side of the explosion, and a system consisting of some metallic trays ("kalzip"), both inside and outside, for the second experiment. The tests have been monitored by pressure captures, accelerometer, seismographs, conventional cameras, and high-speed cameras, which allow us to determine the impact speed in the first experiment. The analysis of the pressure enables the characterization of the explosion and its comparison against typical TNT reference values from the UFC 3-340 North American manual. The design of the tests has been made according to ISO and GSA standards. Therefore, the results allow us to classify different patterns of curtain walls tested.

Evaluación del tamaño óptimo de mallado para la modelización mediante elementos finitos de losas de hormigón frente a cargas explosivas

Los elementos estructurales empleados en construcción no han sido en general diseñados para soportar acciones impulsivas, como la detonación de artefactos explosivos. Desde el siglo pasado el mundo ha sufrido ataques terroristas en los que en muchos casos se han producido explosiones que causaron víctimas, heridos y la destrucción de las construcciones próximas. Debido a este hecho, instituciones públicas y privadas comenzaron a mostrar interés por el comportamiento de los elementos estructurales que componen sus instalaciones. El hormigón armado es uno de los principales materiales utilizados en las estructuras de obras debido a sus buenas características, cuyo análisis y modelización en deformaciones dinámicas supone un campo de desafíos al que se está prestando gran atención en los últimos años. LS-DYNA® es un programa basado en elementos finitos capaz de simular problemas reales complejos en el que se han desarrollado distintos modelos de hormigón. Tres de esos modelos (K&C, RHT y CSCM) son evaluados con losas de distintos tamaños de mallado de elementos finitos frente a la detonación de 2 kg de TNT situados a 1 m de distancia. Dichos modelos son simulados y se obtienen los valores de las aceleraciones máximas en unos determinados puntos de las losas. Los valores son sometidos a la aplicación del Método GCI (Grid Convergence Index) para una relación de refinamiento de mallado no constante, cuyos resultados se comparan con aquellos registrados en los acelerómetros empleados durante la primera fase de ensayos del Proyecto SEGTRANS. Mediante el análisis de los resultados obtenidos se determina cual es el modelo de material y tamaño de mallado más adecuado que pueda emplearse en un futuro para poder modelar estructuras más complejas y con niveles de explosivo más elevados.