Estudio de la digestión anaerobia en dos fases para el tratamiento de las aguas residuales de despulpe del beneficiado húmedo del café

Debido al aumento de los estándares de calidad exigidos internacionalmente, así como por una mayor presión sobre la industria mediante legislaciones ambientales más rigurosas, el sector cafetalero está obligado a buscar, a través de la investigación, un sistema adecuado de tratamiento para las aguas residuales generadas en el beneficiado húmedo del café. En este trabajo se evaluó el funcionamiento de la digestión anaerobia para el tratamiento de las aguas residuales de despulpe. Para ello, se utilizaron dos sistemas anaerobios, uno en una etapa (UASB), y otro con separación de fases (2PUASB). Se investigó el efecto en la digestión anaerobia de tres cargas orgánicas volumétricas (OLR) y de las dos configuraciones de reactor usadas. Los valores de OLR de operación en el sistema UASB variaron en un intervalo de 3.6-4.1 kgCOD m-3 d-1, con una tasa de recirculación del efluente de 1.0. El sistema 2PUASB fue alimentado con OLR similares a las que se emplearon en el sistema en una etapa. El reactor de acidificación fue cargado a 11.0 kgCOD m-3 d-1, mientras que en el reactor metanogénico varió en el intervalo de 2.6-4.67 kgCOD m-3 d-1. El uso de reactores UASB en una etapa y en dos fases, bajo las mismas condiciones de operación ya descritas, propiciaron el logro de una eficiencia de degradación de COD total superior al 75% y al 85% para la COD soluble, respectivamente. Sin embargo, el sistema en dos fases mostró mejores resultados en el tratamiento de este tipo de agua residual, no solo en cuanto a eficiencia de eliminación de la carga orgánica contaminante así como una menor concentración de ácidos grasos volátiles (VFA) en el efluente. Obtenidas las mejores condiciones de trabajo, fue evaluada la separación de fases bajo el efecto de la recirculación. Los grupos de fermentaciones producidos fueron similares a los obtenidos en el experimento sin recirculación, indicando que está última no afectó la composición relativa de los VFA del reactor anaerobio, por lo que no cambió el patrón de degradación del residuo. Una tasa de recirculación de 1.0 del efluente del reactor metanogénico al reactor acidogénico mejoró significativamente el proceso, ya que se incrementó la conversión de los VFA (31%), la eliminación de la fracción total y soluble del residuo tratado (6.5%) y la reducción del consumo de alcalinizante (39%); manteniendo similares producciones de metano. El uso de la digestión anaerobia en dos fases demostró una mejora en la estabilidad del proceso y un incremento de la eficiencia de operación y de la producción de metano, respectivamente.Tesis Doctoral Yans Guardia Puebla Abstract ix ABSTRACT Due to the increase of quality standards internationally demanded, as well as for a greater pressure on the industry by means of more rigorous environmental legislations, the coffee sector is forced to search, through the research, an appropriated treatment system for coffee wet wastewaters generated. In this work the performance of the anaerobic digestion for the coffee wet wastewater treatment was evaluated. For it, two anaerobic systems, one in single-stage (UASB), and another with two-phase (2PUASB) were used. The effect in the anaerobic digestion of three organic loading rates (OLR) and of two reactor configurations used was investigated. OLR operation values in UASB system varied in an interval of 3.6-4.1 kgCOD m-3 d-1, with a recycle rate of the effluent of 1.0. 2PUASB system was fed with OLR similar to those that were used in the reactor in a stage. The acidification reactor was loaded to 11.0 kgCOD m-3 d-1, whereas in the methanogenic reactor varied in the interval of 2.6-4.67 kgCOD m-3 d-1. The use of single-stage and two-phase UASB reactors, under the same operation conditions already before described, a total COD removal efficiency of 75% and 85% for the soluble COD removal efficiency, respectively, was achieved. However, two-phase system showed better results in the treatment of this wastewater type, not only as for removal efficiency of loading organic polluting as well as a smaller volatile fatty acid (VFA) concentration in the effluent. Obtained the best work conditions, the two-phase system under the effect of the recycle was evaluated. Fermentations groups produced were similar to those obtained in the experiment without recycle, indicating that it last one do not affect the relative composition of VFA of the anaerobic reactor, for that reason the degradation pattern of the residue does not change. A recycle rate of 1.0 of the effluent of the methanogenic reactor to the acidogenic reactor improved the process significantly, since it was increased the VFA conversion (31%), the removal of total and soluble fraction of the residue treated (6.5%) and the decrease of the alkalinity consumption (39%); maintaining similar methane productions. The use of the two-phase anaerobic digestion demonstrated to an improvement in the stability of the process and an increase of the operation efficiency and methane production, respectively.

On the Extension of the Analytic Nodal Diffusion Solver ANDES to Sodium Fast Reactors

Within the framework of the Collaborative Project for a European Sodium Fast Reactor, the reactor physics group at UPM is working on the extension of its in-house multi-scale advanced deterministic code COBAYA3 to Sodium Fast Reactors (SFR). COBAYA3 is a 3D multigroup neutron kinetics diffusion code that can be used either as a pin-by-pin code or as a stand-alone nodal code by using the analytic nodal diffusion solver ANDES. It is coupled with thermalhydraulics codes such as COBRA-TF and FLICA, allowing transient analysis of LWR at both fine-mesh and coarse-mesh scales. In order to enable also 3D pin-by-pin and nodal coupled NK-TH simulations of SFR, different developments are in progress. This paper presents the first steps towards the application of COBAYA3 to this type of reactors. ANDES solver, already extended to triangular-Z geometry, has been applied to fast reactor steady-state calculations. The required cross section libraries were generated with ERANOS code for several configurations. The limitations encountered in the application of the Analytic Coarse Mesh Finite Difference (ACMFD) method –implemented inside ANDES– to fast reactors are presented and the sensitivity of the method when using a high number of energy groups is studied. ANDES performance is assessed by comparison with the results provided by ERANOS, using a mini-core model in 33 energy groups. Furthermore, a benchmark from the NEA for a small 3D FBR in hexagonal-Z geometry and 4 energy groups is also employed to verify the behavior of the code with few energy groups.

An educational initiative between the Universidad Politécnica de Madrid and Spanish Young Generation in Nuclear (Jóvenes Nucleares): The Seminar of Nuclear Safety in Advanced Reactors

Jóvenes Nucleares (Spanish Young Generation in Nuclear, JJNN) is a non-profit organization and a commission of the Spanish Nuclear Society (SNE). The Universidad Politécnica de Madrid (Technical University of Madrid, UPM) is one of the most prestigious technical universities of Spain, and has a very strong curriculum in nuclear engineering training and research. Finishing 2009, JJNN and the UPM started to plan a new and first-of-a-kind Seminar in Nuclear Safety focused on the Advanced Reactors (Generation III, III+ and IV). The scope was to make a general description of the safety in the new reactors, comparing them with the built Generation II reactors from a technical point of view but simple and without the need of strong background in nuclear engineering to try to be interesting for the most number of people possible.

Aplicación de un tratamiento biológico a las aguas residuales provenientes de una destilería de alcohol de caña, utilizando un reactor UASB

En este trabajo se llevó a cabo el tratamiento de vinazas mediante dos tecnologías anaerobias. Se dividió en cuatro estudios técnicos. El primero fue el arranque y estabilización del reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), en dónde se evaluó la estabilización mediante la eficiencia de remoción de DQO y la granulación del lodo. El segundo estudio evaluó el rendimiento del reactor UASB frente a diferentes Cva. El tercer estudio evaluó el efecto del TRH sobre la eficiencia del reactor UASB, y el cuarto de ellos fue evaluar el rendimiento del RABF (Reactor Anaerobio de Biomasa Fija). El reactor UASB de 2,6 L de capacidad, fue arrancado por lotes, con seis ensayos utilizando vinaza como sustrato. Se obtuvieron eficiencias de remoción en DQO en un rango de 79-91%, en los seis lotes. Se obtuvo formación de gránulos con diámetro (Ø) de 0,85-1,15 mm y un coeficiente de esfericidad (Є) de 0,7-0,77. Se logró la granulación de lodos tras 2 meses de operación. Alcanzada la estabilización del reactor UASB, se siguió una operación en flujo continuo. Las Cva probadas de 1, 2, 4 y 6 gDQO/L.d para el reactor UASB dan una respuesta bastante favorable con respecto al rendimiento del reactor, ya que presento eficiencias de remoción de DQOs del 51 hasta el 76%, eficiencias similares a los reportados por la literatura. En el estudio de TRH se operó con Cva de 6 gDQO/L.d y los TRH fueron de 24, 12 ,5 ,3 y 1 día. El % de eliminación de DQO fue de 51, 60, 57, 60 y 63 % remoción en DQOsoluble, respectivamente. Se alcanzó una producción de biogás máximo de 5.283 ml/d, pero al reducir el TRH se observó una reducción proporcional del volumen total de biogás. El %CH4 contenido en el biogás aumento al disminuir el TRH, reflejando valores de 80 al 92 % de CH4. El RABF con un volumen de 8,2 L, utilizo tubos de plástico corrugado como medio de soporte para las bacterias. Se aplicaron las siguientes Cva; 0,5, 1, 3 y 6 gDQO/L.d. El reactor RABF presento una excelente remoción de la materia orgánica (80% DQOs), una producción de biogás estable, y un contenido en CH4 del biogás muy interesante. Sin embargo, para una Cva superior a 3 gDQO/L.d empezó un comportamiento inesperado de reducción de capacidad. Las condiciones hidrodinámicas del reactor UASB son decisivas para la formación de los gránulos, condición previa para iniciar el flujo continuo. Al operar el reactor UASB en modo continuo, se pudo evaluar las mejores condiciones de operación para este tipo de residuo (vinaza). La Cva de 6 gDQO/L.d para el reactor UASB alimentado con vinaza bruta representa el límite de su capacidad. Sin embargo, al aumentar la Cva se genera una mayor producción de biogás y metano. La eficiencia de remoción de la DQO soluble es independiente del TRH, para una Cva de 6 g DQO/L•d y las condiciones de TRH probadas (24, 12, 5, 3 y 1 días). Los valores de remoción de DQO alcanzados son un poco superior a los valores de biodegradabilidad anaerobia de la vinaza observados de 50 %. De manera general, la reducción del TRH o bien la dilución de la vinaza no presenta un efecto significativo sobre la remoción de la materia orgánica soluble, pero si lo presenta en la remoción de sulfatos reduciendo indirectamente su toxicidad. El soporte termoplástico inoculado en el RABF y alimentado con vinaza bruta, actuó como un filtro, además de obtener buenos resultados en eliminación de DQO, pero dada las dimensiones y la altura del relleno se frena la evacuación del metano. This work was carried out by treatment vinasses with two anaerobic technologies. It was divided into four technical studies. The first was the start up and stabilization Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor, where the stability was evaluated by the removal efficiency of COD and sludge granulation. The second study evaluated the performance of the UASB reactor against different OLR. The third study evaluated the effect of HRT on the efficiency of the UASB reactor, and the fourth of which was evaluate the performance Fixed Biomass Anaerobic (FBA) reactor. The UASB reactor of 2,6 L capacity, was started in batch, with six assays using vinasse as substrate. Were obtained removal efficiencies of COD in the range of 79- 91% in the six batches. Forming granules were obtained with a diameter (Ø) of 0,85- 1,15 mm and sphericity coefficient (Є) of 0,7 to 0,77. Sludge granulation was achieved after 2 months of operation. Once stabilization is achieved of the UASB reactor, it was followed by a continuous flow operation. The OLR tested 1, 2, 4 and 6 gCOD/L.d for UASB reactor gives a very favorable response regarding the performance of the reactor, as presented COD5 removal efficiencies of 51 to 76%, similar efficiencies those reported in the literature The HRT study was operated with an OLR of 6 gCOD/L.d and HRT were 24, 12, 5, 3 and 1 day. The removal efficiency was 51, 60, 57, 60 and 63% in soluble COD, respectively. It reached a maximum biogas production of 5.283 ml / d, but by reducing the HRT showed a proportional reduction in the total volume of biogas. The %CH4 content in the biogas increased with decreasing TRH, reflecting values of 80 to 92% of CH4. The FBA reactor with a volume of 8,2 L, used corrugated plastic tubes as carrier for bacteria transportation. The following OLR was applied, 0,5, 1, 3 and 6 gCOD/L.d. The FBA reactor showed an excellent removal of organic matter (80% CODS), a stable biogas production, and CH4 content very interesting. However, for more than 3 gCOD/L.d OLR began with unexpected behavior of capacity reduction. The UASB reactor hydrodynamic conditions are decisive for the formation of the granules, precondition to start the continuous flow. By operating the UASB reactor in continuous mode, it was possible to evaluate the best operating conditions for this type of waste (vinasse). The OLR of 6 gCOD/L.d for the UASB reactor fed with raw vinasse represents the limit of its capacity. However, with increasing OLR creates increased biogas production and methane. The removal efficiency of soluble COD is independent of HRT for OLR of 6 gCOD/L.d and HRT conditions tested (24, 12, 5, 3 and 1 day). COD Removal values achieved are slightly higher than the values of the vinasse anaerobic biodegradability of observed at 50%. Generally, reduction of HRT or vinasse dilution does not present a significant effect on the removal of the soluble organic matter; however if it occurs in the removal of sulfate reducing indirectly its toxicity. The thermoplastic support inoculated in FBA reactor and fed with raw vinasse, acted as a filter, in addition to obtaining good results in COD removal, but given the size and height of the filling slows evacuation of methane.

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.

Tratamiento de vinazas de alcohol de caña en un reactor UASB

Para la realización de este artículo, se evaluó el rendimiento del reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) utilizando vinazas de alcohol de caña como sustrato.

Plasma–wall interaction in laser inertial fusion reactors: novel proposals for radiation tests of first wall materials

Dry-wall laser inertial fusion (LIF) chambers will have to withstand strong bursts of fast charged particles which will deposit tens of kJ m−2 and implant more than 1018 particles m−2 in a few microseconds at a repetition rate of some Hz. Large chamber dimensions and resistant plasma-facing materials must be combined to guarantee the chamber performance as long as possible under the expected threats: heating, fatigue, cracking, formation of defects, retention of light species, swelling and erosion. Current and novel radiation resistant materials for the first wall need to be validated under realistic conditions. However, at present there is a lack of facilities which can reproduce such ion environments. This contribution proposes the use of ultra-intense lasers and high-intense pulsed ion beams (HIPIB) to recreate the plasma conditions in LIF reactors. By target normal sheath acceleration, ultra-intense lasers can generate very short and energetic ion pulses with a spectral distribution similar to that of the inertial fusion ion bursts, suitable to validate fusion materials and to investigate the barely known propagation of those bursts through background plasmas/gases present in the reactor chamber. HIPIB technologies, initially developed for inertial fusion driver systems, provide huge intensity pulses which meet the irradiation conditions expected in the first wall of LIF chambers and thus can be used for the validation of materials too.

Plasma–wall interaction in laser inertial fusion reactors: novel proposals for radiation tests of first wall materials

Dry-wall laser inertial fusion (LIF) chambers will have to withstand strong bursts of fast charged particles which will deposit tens of kJ m−2 and implant more than 1018 particles m−2 in a few microseconds at a repetition rate of some Hz. Large chamber dimensions and resistant plasma-facing materials must be combined to guarantee the chamber performance as long as possible under the expected threats: heating, fatigue, cracking, formation of defects, retention of light species, swelling and erosion. Current and novel radiation resistant materials for the first wall need to be validated under realistic conditions. However, at present there is a lack of facilities which can reproduce such ion environments. This contribution proposes the use of ultra-intense lasers and high-intense pulsed ion beams (HIPIB) to recreate the plasma conditions in LIF reactors. By target normal sheath acceleration, ultra-intense lasers can generate very short and energetic ion pulses with a spectral distribution similar to that of the inertial fusion ion bursts, suitable to validate fusion materials and to investigate the barely known propagation of those bursts through background plasmas/gases present in the reactor chamber. HIPIB technologies, initially developed for inertial fusion driver systems, provide huge intensity pulses which meet the irradiation conditions expected in the first wall of LIF chambers and thus can be used for the validation of materials too.

The seminar of nuclear safety in advanced reactors and the seminar of nuclear fusion: two formative initiatives from Universidad Politécnica de Madrid and spanish young Generation in Nuclear (Jóvenes Nucleares)

panish Young Generation in Nuclear (Jóvenes Nucleares) is a commission of the Spanish Nuclear Society (SNE), whose main goals are to spread knowledge about nuclear energy among the society. Following this motivation, two Seminars have been carried out with the collaboration of the Technical University of Madrid: The Seminar of Nuclear Safety in Advanced Reactors (SRA) and the Seminar of Nuclear Fusion (SFN). The first one, which has been celebrated every year since 2010, aims to show clearly the advances that have been obtained in the section of safety with the new reactors, from a technical but simple point of view and without needing great previous nuclear engineering knowledge. The second one, which first edition was held in 2011, aims to give a general overview of the past, present and future situation of nuclear fusion technology, and was born as a result of the increasing interest of our Spanish Young Generation members in this technology.

Nanostructured tungsten as a first wall material for the future nuclear fusion reactors

The lack of materials able to withstand the severe radiation conditions (high thermal loads and atomistic damage) expected in fusion reactors is the actual bottle neck for fusion to become a reality. The main requisite for plasma facing materials (PFM) is to have excellent structural stability since severe cracking or mass loss would hamper their protection role which turns out to be unacceptable. Additional practical requirements for plasma facing materials are among others: (i) high thermal shock resistance, (ii) high thermal conductivity (iii) high melting point (iv) low physical and chemical sputtering, and (v) low tritium retention.

Analysis of a Spanish energy scenario with Generation IV nuclear reactors

The advantages of fast-spectrum reactors consist not only of an efficient use of fuel through the breeding of fissile material and the use of natural or depleted uranium, but also of the potential reduction of the amount of actinides such as americium and neptunium contained in the irradiated fuel. The first aspect means a guaranteed future nuclear fuel supply. The second fact is key for high-level radioactive waste management, because these elements are the main responsible for the radioactivity of the irradiated fuel in the long term. The present study aims to analyze the hypothetical deployment of a Gen-IV Sodium Fast Reactor (SFR) fleet in Spain. A nuclear fleet of fast reactors would enable a fuel cycle strategy different than the open cycle, currently adopted by most of the countries with nuclear power. A transition from the current Gen-II to Gen-IV fleet is envisaged through an intermediate deployment of Gen-III reactors. Fuel reprocessing from the Gen-II and Gen-III Light Water Reactors (LWR) has been considered. In the so-called advanced fuel cycle, the reprocessed fuel used to produce energy will breed new fissile fuel and transmute minor actinides at the same time. A reference case scenario has been postulated and further sensitivity studies have been performed to analyze the impact of the different parameters on the required reactor fleet. The potential capability of Spain to supply the required fleet for the reference scenario using national resources has been verified. Finally, some consequences on irradiated final fuel inventory are assessed. Calculations are performed with the Monte Carlo transport-coupled depletion code SERPENT together with post-processing tools.

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.

Monte Carlo Neutronics and Thermal-hydraulics coupling applied to Fast Reactors

Un escenario habitualmente considerado para el uso sostenible y prolongado de la energía nuclear contempla un parque de reactores rápidos refrigerados por metales líquidos (LMFR) dedicados al reciclado de Pu y la transmutación de actínidos minoritarios (MA). Otra opción es combinar dichos reactores con algunos sistemas subcríticos asistidos por acelerador (ADS), exclusivamente destinados a la eliminación de MA. El diseño y licenciamiento de estos reactores innovadores requiere herramientas computacionales prácticas y precisas, que incorporen el conocimiento obtenido en la investigación experimental de nuevas configuraciones de reactores, materiales y sistemas. A pesar de que se han construido y operado un cierto número de reactores rápidos a nivel mundial, la experiencia operacional es todavía reducida y no todos los transitorios se han podido entender completamente. Por tanto, los análisis de seguridad de nuevos LMFR están basados fundamentalmente en métodos deterministas, al contrario que las aproximaciones modernas para reactores de agua ligera (LWR), que se benefician también de los métodos probabilistas. La aproximación más usada en los estudios de seguridad de LMFR es utilizar una variedad de códigos, desarrollados a base de distintas teorías, en busca de soluciones integrales para los transitorios e incluyendo incertidumbres. En este marco, los nuevos códigos para cálculos de mejor estimación ("best estimate") que no incluyen aproximaciones conservadoras, son de una importancia primordial para analizar estacionarios y transitorios en reactores rápidos. Esta tesis se centra en el desarrollo de un código acoplado para realizar análisis realistas en reactores rápidos críticos aplicando el método de Monte Carlo. Hoy en día, dado el mayor potencial de recursos computacionales, los códigos de transporte neutrónico por Monte Carlo se pueden usar de manera práctica para realizar cálculos detallados de núcleos completos, incluso de elevada heterogeneidad material. Además, los códigos de Monte Carlo se toman normalmente como referencia para los códigos deterministas de difusión en multigrupos en aplicaciones con reactores rápidos, porque usan secciones eficaces punto a punto, un modelo geométrico exacto y tienen en cuenta intrínsecamente la dependencia angular de flujo. En esta tesis se presenta una metodología de acoplamiento entre el conocido código MCNP, que calcula la generación de potencia en el reactor, y el código de termohidráulica de subcanal COBRA-IV, que obtiene las distribuciones de temperatura y densidad en el sistema. COBRA-IV es un código apropiado para aplicaciones en reactores rápidos ya que ha sido validado con resultados experimentales en haces de barras con sodio, incluyendo las correlaciones más apropiadas para metales líquidos. En una primera fase de la tesis, ambos códigos se han acoplado en estado estacionario utilizando un método iterativo con intercambio de archivos externos. El principal problema en el acoplamiento neutrónico y termohidráulico en estacionario con códigos de Monte Carlo es la manipulación de las secciones eficaces para tener en cuenta el ensanchamiento Doppler cuando la temperatura del combustible aumenta. Entre todas las opciones disponibles, en esta tesis se ha escogido la aproximación de pseudo materiales, y se ha comprobado que proporciona resultados aceptables en su aplicación con reactores rápidos. Por otro lado, los cambios geométricos originados por grandes gradientes de temperatura en el núcleo de reactores rápidos resultan importantes para la neutrónica como consecuencia del elevado recorrido libre medio del neutrón en estos sistemas. Por tanto, se ha desarrollado un módulo adicional que simula la geometría del reactor en caliente y permite estimar la reactividad debido a la expansión del núcleo en un transitorio. éste módulo calcula automáticamente la longitud del combustible, el radio de la vaina, la separación de los elementos de combustible y el radio de la placa soporte en función de la temperatura. éste efecto es muy relevante en transitorios sin inserción de bancos de parada. También relacionado con los cambios geométricos, se ha implementado una herramienta que, automatiza el movimiento de las barras de control en busca d la criticidad del reactor, o bien calcula el valor de inserción axial las barras de control. Una segunda fase en la plataforma de cálculo que se ha desarrollado es la simulació dinámica. Puesto que MCNP sólo realiza cálculos estacionarios para sistemas críticos o supercríticos, la solución más directa que se propone sin modificar el código fuente de MCNP es usar la aproximación de factorización de flujo, que resuelve por separado la forma del flujo y la amplitud. En este caso se han estudiado en profundidad dos aproximaciones: adiabática y quasiestática. El método adiabático usa un esquema de acoplamiento que alterna en el tiempo los cálculos neutrónicos y termohidráulicos. MCNP calcula el modo fundamental de la distribución de neutrones y la reactividad al final de cada paso de tiempo, y COBRA-IV calcula las propiedades térmicas en el punto intermedio de los pasos de tiempo. La evolución de la amplitud de flujo se calcula resolviendo las ecuaciones de cinética puntual. Este método calcula la reactividad estática en cada paso de tiempo que, en general, difiere de la reactividad dinámica que se obtendría con la distribución de flujo exacta y dependiente de tiempo. No obstante, para entornos no excesivamente alejados de la criticidad ambas reactividades son similares y el método conduce a resultados prácticos aceptables. Siguiendo esta línea, se ha desarrollado después un método mejorado para intentar tener en cuenta el efecto de la fuente de neutrones retardados en la evolución de la forma del flujo durante el transitorio. El esquema consiste en realizar un cálculo cuasiestacionario por cada paso de tiempo con MCNP. La simulación cuasiestacionaria se basa EN la aproximación de fuente constante de neutrones retardados, y consiste en dar un determinado peso o importancia a cada ciclo computacial del cálculo de criticidad con MCNP para la estimación del flujo final. Ambos métodos se han verificado tomando como referencia los resultados del código de difusión COBAYA3 frente a un ejercicio común y suficientemente significativo. Finalmente, con objeto de demostrar la posibilidad de uso práctico del código, se ha simulado un transitorio en el concepto de reactor crítico en fase de diseño MYRRHA/FASTEF, de 100 MW de potencia térmica y refrigerado por plomo-bismuto. ABSTRACT Long term sustainable nuclear energy scenarios envisage a fleet of Liquid Metal Fast Reactors (LMFR) for the Pu recycling and minor actinides (MAs) transmutation or combined with some accelerator driven systems (ADS) just for MAs elimination. Design and licensing of these innovative reactor concepts require accurate computational tools, implementing the knowledge obtained in experimental research for new reactor configurations, materials and associated systems. Although a number of fast reactor systems have already been built, the operational experience is still reduced, especially for lead reactors, and not all the transients are fully understood. The safety analysis approach for LMFR is therefore based only on deterministic methods, different from modern approach for Light Water Reactors (LWR) which also benefit from probabilistic methods. Usually, the approach adopted in LMFR safety assessments is to employ a variety of codes, somewhat different for the each other, to analyze transients looking for a comprehensive solution and including uncertainties. In this frame, new best estimate simulation codes are of prime importance in order to analyze fast reactors steady state and transients. This thesis is focused on the development of a coupled code system for best estimate analysis in fast critical reactor. Currently due to the increase in the computational resources, Monte Carlo methods for neutrons transport can be used for detailed full core calculations. Furthermore, Monte Carlo codes are usually taken as reference for deterministic diffusion multigroups codes in fast reactors applications because they employ point-wise cross sections in an exact geometry model and intrinsically account for directional dependence of the ux. The coupling methodology presented here uses MCNP to calculate the power deposition within the reactor. The subchannel code COBRA-IV calculates the temperature and density distribution within the reactor. COBRA-IV is suitable for fast reactors applications because it has been validated against experimental results in sodium rod bundles. The proper correlations for liquid metal applications have been added to the thermal-hydraulics program. Both codes are coupled at steady state using an iterative method and external files exchange. The main issue in the Monte Carlo/thermal-hydraulics steady state coupling is the cross section handling to take into account Doppler broadening when temperature rises. Among every available options, the pseudo materials approach has been chosen in this thesis. This approach obtains reasonable results in fast reactor applications. Furthermore, geometrical changes caused by large temperature gradients in the core, are of major importance in fast reactor due to the large neutron mean free path. An additional module has therefore been included in order to simulate the reactor geometry in hot state or to estimate the reactivity due to core expansion in a transient. The module automatically calculates the fuel length, cladding radius, fuel assembly pitch and diagrid radius with the temperature. This effect will be crucial in some unprotected transients. Also related to geometrical changes, an automatic control rod movement feature has been implemented in order to achieve a just critical reactor or to calculate control rod worth. A step forward in the coupling platform is the dynamic simulation. Since MCNP performs only steady state calculations for critical systems, the more straight forward option without modifying MCNP source code, is to use the flux factorization approach solving separately the flux shape and amplitude. In this thesis two options have been studied to tackle time dependent neutronic simulations using a Monte Carlo code: adiabatic and quasistatic methods. The adiabatic methods uses a staggered time coupling scheme for the time advance of neutronics and the thermal-hydraulics calculations. MCNP computes the fundamental mode of the neutron flux distribution and the reactivity at the end of each time step and COBRA-IV the thermal properties at half of the the time steps. To calculate the flux amplitude evolution a solver of the point kinetics equations is used. This method calculates the static reactivity in each time step that in general is different from the dynamic reactivity calculated with the exact flux distribution. Nevertheless, for close to critical situations, both reactivities are similar and the method leads to acceptable practical results. In this line, an improved method as an attempt to take into account the effect of delayed neutron source in the transient flux shape evolutions is developed. The scheme performs a quasistationary calculation per time step with MCNP. This quasistationary simulations is based con the constant delayed source approach, taking into account the importance of each criticality cycle in the final flux estimation. Both adiabatic and quasistatic methods have been verified against the diffusion code COBAYA3, using a theoretical kinetic exercise. Finally, a transient in a critical 100 MWth lead-bismuth-eutectic reactor concept is analyzed using the adiabatic method as an application example in a real system.

Revising the Emergency Management Requirements for new generation reactors

The paper presents the application of a new risk-informed methodology for the identification of the Emergency Management Requirements (EMR) to a Generation II, Large size Reactor and a Generation III+ Small Modular Reactor. The results obtained in this test case demonstrate that the actual EMR is conservative, as expected, for the GenII reactor, while the new methodology could be applied for the definition of EMRs for the new generation Nuclear Power Plants, with a possible reduction of the emergency area without loss of safety level. By adopting both probabilistic and deterministic approaches, the study addresses possible accidents and corresponding release scenarios for the two types of reactor, calculates the areas where the accidents have an impact on the population and defines the new EMR considering the health effects on the population.

Potential issues related to emergency core cooling system strainers performance at boiling water reactors: application to Cofrentes NPP (Spain)

From the 60s to the 90s, a great number of events related to the Emergency Core Cooling Systems Strainers have been happened in all kind of reactors all over the world. Thus, the Nuclear Regulatory Commission of the USA emitted some Bulletins to address the concerns about the adequacy of Emergency Core Cooling Systems (ECCS) strainer performance at boiling water reactors (BWR). In Spain the regulatory body (Consejo de Seguridad Nuclear, CSN) adopted the USA regulation and Cofrentes NPP installed new strainers with a considerable bigger size than the old strainers. The nuclear industry conducted significant and extensive research, guidance development, testing, reviews, and hardware and procedure changes during the 90s to resolve the issues related to debris blockage of BWR strainers. In 2001 the NRC and CSN closed the Bulletins. Thereafter, the strainers issues were moved to the PWR reactors. In 2004 the NRC issued a Generic Letter (GL). It requested the resolution of several effects which were not noted in the past. The GL regarded to be resolved by the PWR reactors but the NRC in USA and the CSN in Spain have requested that the BWR reactors investigate differences between the methodologies used by the BWRs and PWRs. The developments and improvements done for Cofrentes NPP are detailed. Studies for this plant show that the head loss due to the considered debris is at most half of the limited head loss for the ECCS strainer and the NPSH (Net Positive Suction Head) required for the ECCS pumps is at least three times lower than the NPSH available.