Emission, kinetic and magnetic phenomena in rare-earth and transition metal doped ZnSe single crystals

In this work emission, optical, electrical and magnetic properties of the d- and f- elements doped zinc selenide crystals were investigated within a wide temperature range. Doping was performed in various technological processes: during the growth by chemical vapor transport method; by thermal diffusion from the Bi or Zn melt. Concentration of the doping impurity in the crystals was controlled by amount of the dopant in the source material or by its concentration in the doping media. Special interest in the work was paid to the influence of the different concentrations of Cr and Yb impurities on ZnSe crystals’ properties, correlations between observed effects and similarities with the Ni, Mn and Gd dopants are analysed. Possibility of formation of the excitons bound to the doping d-ions was shown. In contrast to this, it was observed that f-elements do not bound excitons, but prevent formation of excitons bound to some uncontrolled impurities. A mechanism of Cr doping impurity interaction with background impurities and zinc selenide structural defects was proposed based on experimental data. An assumption about resonant energy transfer between double charged chromium ions and complexes based on crystals’ vacancy defects was made. A correlation between emission and magnetic properties of the d- ions doped samples was established. Based on this correlation a mechanism explaining the concentration quench of the emission was proposed. It was found that f-ions bind electrically active shallow and deep donor and acceptor states of background impurity to electrically neutral complexes. This may be observed as “purification” of ZnSe crystals by doping with the rare-earth elements, resulting i tendency of the properties of f-ion doped crystals to the properties of intrinsic crystals, but with smaller concentration of uncontrolled native and impurity defects. A possible interpretation of this effect was proposed. It was shown that selenium substituting impurities decrease efficiency of the Yb doping. Based on this experimental results an attempt to determine ytterbium ion surroundings in the crystal lattice was made. It was shown that co-doping of zinc selenide crystals with the d- and f- ions leads to the combination of the impurities influence on the material’s properties. On the basis of obtained data an interaction mechanism of the d- and f-elements co-dopants was proposed. Guided by the model of the ytterbium ion incorporation in the selenide sublattice of the ZnSe crystals, an assumption about stabilization of single charged chromium ions in the zinc sublattice crystal nodes, by means of formation of the local charge compensating clusters, was made.

Changes in the thermal growing season in Nordic countries during the past century and prospects for the future

Selostus: Termisen kasvukauden muutokset Pohjoismaissa viimeisen vuosisadan aikana ja tulevaisuudessa

Effect of soil wetness on air composition and nitrous oxide emission in a loam soil

Selostus: Maan märkyyden vaikutus ilman koostumukseen ja dityppioksidiemissioon hiuemaassa

Thermal conductivity of low-decomposed Sphagnum peat used as growth medium

Kasvualustana käytetyn heikosti maatuneen rahkaturpeen lämmönjohtavuus

Experimental thermal hydraulic studies on the enhancement of safety of LWRs

The safe use of nuclear power plants (NPPs) requires a deep understanding of the functioning of physical processes and systems involved. Studies on thermal hydraulics have been carried out in various separate effects and integral test facilities at Lappeenranta University of Technology (LUT) either to ensure the functioning of safety systems of light water reactors (LWR) or to produce validation data for the computer codes used in safety analyses of NPPs. Several examples of safety studies on thermal hydraulics of the nuclear power plants are discussed. Studies are related to the physical phenomena existing in different processes in NPPs, such as rewetting of the fuel rods, emergency core cooling (ECC), natural circulation, small break loss-of-coolant accidents (SBLOCA), non-condensable gas release and transport, and passive safety systems. Studies on both VVER and advanced light water reactor (ALWR) systems are included. The set of cases include separate effects tests for understanding and modeling a single physical phenomenon, separate effects tests to study the behavior of a NPP component or a single system, and integral tests to study the behavior of the whole system. In the studies following steps can be found, not necessarily in the same study. Experimental studies as such have provided solutions to existing design problems. Experimental data have been created to validate a single model in a computer code. Validated models are used in various transient analyses of scaled facilities or NPPs. Integral test data are used to validate the computer codes as whole, to see how the implemented models work together in a code. In the final stage test results from the facilities are transferred to the NPP scale using computer codes. Some of the experiments have confirmed the expected behavior of the system or procedure to be studied; in some experiments there have been certain unexpected phenomena that have caused changes to the original design to avoid the recognized problems. This is the main motivation for experimental studies on thermal hydraulics of the NPP safety systems. Naturally the behavior of the new system designs have to be checked with experiments, but also the existing designs, if they are applied in the conditions that differ from what they were originally designed for. New procedures for existing reactors and new safety related systems have been developed for new nuclear power plant concepts. New experiments have been continuously needed.

Modeling of Pressurizer Using APROS and TRACE Thermal Hydraulic Codes

Diplomityön tavoitteena on paineistimen yksityiskohtainen mallintaminen APROS- ja TRACE- termohydrauliikkaohjelmistoja käyttäen. Rakennetut paineistinmallit testattiin vertaamalla laskentatuloksia paineistimen täyttymistä, tyhjentymistä ja ruiskutusta käsittelevistä erilliskokeista saatuun mittausdataan. Tutkimuksen päätavoitteena on APROSin paineistinmallin validoiminen käyttäen vertailuaineistona PACTEL ATWS-koesarjan sopivia paineistinkokeita sekä MIT Pressurizer- ja Neptunus- erilliskokeita. Lisäksi rakennettiin malli Loviisan ydinvoimalaitoksen paineistimesta, jota käytettiin turbiinitrippitransientin simulointiin tarkoituksena selvittää mahdolliset voimalaitoksen ja koelaitteistojen mittakaavaerosta johtuvat vaikutukset APROSin paineistinlaskentaan. Kokeiden simuloinnissa testattiin erilaisia noodituksia ja mallinnusvaihtoehtoja, kuten entalpian ensimmäisen ja toisen kertaluvun diskretisointia, ja APROSin sekä TRACEn antamia tuloksia vertailtiin kattavasti toisiinsa. APROSin paineistinmallin lämmönsiirtokorrelaatioissa havaittiin merkittävä puute ja laskentatuloksiin saatiin huomattava parannus ottamalla käyttöön uusi seinämälauhtumismalli. Työssä tehdyt TRACE-simulaatiot ovat osa United States Nuclear Regulatory Commissionin kansainvälistä CAMP-koodinkehitys-ja validointiohjelmaa.

Termodesorptiolaitoksen päästöt

Tässä diplomityössä tutkittiin pilaantuneen maan puhdistamiseen käytettävän termodesorptiolaitoksen päästöjä ilmaan. Tarkasteluun otettiin raskasmetallit ja happamista päästöistä rikkidioksidi (SO2) ja vetykloridi (HCl).Näiden haitta-aineiden puhdistusta tutkittiin mittaamalla niiden pitoisuuksia ennen ja jälkeen kaasunpuhdistuksen. Tutkimuksessa havaittiin raskasmetallien sekä happamien yhdisteiden puhdistuvan käytössä olevalla tekniikalla erittäin hyvin. Viranomaisten asettamat päästöraja-arvot alitettiinselvästi.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

Development of the Acoustic Emission Based Diagnostics Concept for the Rotary Lime Kiln

Reaaliaikainen, ennakoiva kunnonvalvonta on erittäin tärkeä osa modernin tehtaan tai tuotantolinjan toimintaa. Diplomityön teettäjä haluaa edelleen kehittää akustiseen emissioon perustuvaa kunnonvalvonta järjestelmäänsä, jotta siitä olisi enemmän hyötyä asiakkaalle. Diplomityö sisältää johdannonakustiseen emissioon ja akustisiin emissio sensoreihin. Työn tavoitteena oli kehittää päätöksentekojärjestelmä, jota käytettäisiin työn teettäjän valmistamien sensoreiden antaman tiedon automatisoituun analysointiin. Työssä on vertailtu kolmea eri ohjelmistotoimittajaa ja heidän ohjelmiaan, ja tehty ehdotus hankittavasta ohjelmistosta. Lisäksi työssä on kehitetty ohjeita, joiden avulla ohjelmisto ohjelmoidaan tuottamaan reaaliaikaista tietoa ja huolto-ohjeita sen käyttäjille. Lisäksi työssä annetaan ehdotuksia kunnonvalvonta- ja päätöksentekojärjestelmän edelleen kehittämiseen.

Validation Studies of Thermal-hydraulic Code for Safety Analysis of Nuclear Power Plants

This thesis gives an overview of the validation process for thermal hydraulic system codes and it presents in more detail the assessment and validation of the French code CATHARE for VVER calculations. Three assessment cases are presented: loop seal clearing, core reflooding and flow in a horizontal steam generator. The experience gained during these assessment and validation calculations has been used to analyze the behavior of the horizontal steam generator and the natural circulation in the geometry of the Loviisa nuclear power plant. The cases presented are not exhaustive, but they give a good overview of the work performed by the personnel of Lappeenranta University of Technology (LUT). Large part of the work has been performed in co-operation with the CATHARE-team in Grenoble, France. The design of a Russian type pressurized water reactor, VVER, differs from that of a Western-type PWR. Most of thermal-hydraulic system codes are validated only for the Western-type PWRs. Thus, the codes should be assessed and validated also for VVER design in order to establish any weaknesses in the models. This information is needed before codes can be used for the safety analysis. Theresults of the assessment and validation calculations presented here show that the CATHARE code can be used also for the thermal-hydraulic safety studies for VVER type plants. However, some areas have been indicated which need to be reassessed after further experimental data become available. These areas are mostly connected to the horizontal stem generators, like condensation and phase separation in primary side tubes. The work presented in this thesis covers a large numberof the phenomena included in the CSNI code validation matrices for small and intermediate leaks and for transients. Also some of the phenomena included in the matrix for large break LOCAs are covered. The matrices for code validation for VVER applications should be used when future experimental programs are planned for code validation.

Formation and Control of Trace Metal Emissions in Co-Firing of Biomass, Peat, and Wastes in Fluidised Bed Combustors

Environmentally harmful consequences of fossil fuel utilisation andthe landfilling of wastes have increased the interest among the energy producers to consider the use of alternative fuels like wood fuels and Refuse-Derived Fuels, RDFs. The fluidised bed technology that allows the flexible use of a variety of different fuels is commonly used at small- and medium-sized power plants ofmunicipalities and industry in Finland. Since there is only one mass-burn plantcurrently in operation in the country and no intention to build new ones, the co-firing of pre-processed wastes in fluidised bed boilers has become the most generally applied waste-to-energy concept in Finland. The recently validated EU Directive on Incineration of Wastes aims to mitigate environmentally harmful pollutants of waste incineration and co-incineration of wastes with conventional fuels. Apart from gaseous flue gas pollutants and dust, the emissions of toxic tracemetals are limited. The implementation of the Directive's restrictions in the Finnish legislation is assumed to limit the co-firing of waste fuels, due to the insufficient reduction of the regulated air pollutants in the existing flue gas cleaning devices. Trace metals emission formation and reduction in the ESP, the condensing wet scrubber, the fabric filter, and the humidification reactor were studied, experimentally, in full- and pilot-scale combustors utilising the bubbling fluidised bed technology, and, theoretically, by means of reactor model calculations. The core of the model is a thermodynamic equilibrium analysis. The experiments were carried out with wood chips, sawdust, and peat, and their refuse-derived fuel, RDF, blends. In all, ten different fuels or fuel blends were tested. Relatively high concentrations of trace metals in RDFs compared to the concentrations of these metals in wood fuels increased the trace metal concentrations in the flue gas after the boiler ten- to hundred-folds, when RDF was co-fired with sawdust in a full-scale BFB boiler. In the case of peat, lesser increase in trace metal concentrations was observed, due to the higher initial trace metal concentrations of peat compared to sawdust. Despite the high removal rate of most of the trace metals in the ESP, the Directive emission limits for trace metals were exceeded in each of the RDF co-firing tests. The dominat trace metals in fluegas after the ESP were Cu, Pb and Mn. In the condensing wet scrubber, the flue gas trace metal emissions were reduced below the Directive emission limits, whenRDF pellet was used as a co-firing fuel together with sawdust and peat. High chlorine content of the RDFs enhanced the mercuric chloride formation and hence the mercury removal in the ESP and scrubber. Mercury emissions were lower than theDirective emission limit for total Hg, 0.05 mg/Nm3, in all full-scale co-firingtests already in the flue gas after the ESP. The pilot-scale experiments with aBFB combustor equipped with a fabric filter revealed that the fabric filter alone is able to reduce the trace metal concentrations, including mercury, in the flue gas during the RDF co-firing approximately to the same level as they are during the wood chip firing. Lower trace metal emissions than the Directive limits were easily reached even with a 40% thermal share of RDF co-firing with sawdust.Enrichment of trace metals in the submicron fly ash particle fraction because of RDF co-firing was not observed in the test runs where sawdust was used as the main fuel. The combustion of RDF pellets with peat caused an enrichment of As, Cd, Co, Pb, Sb, and V in the submicron particle mode. Accumulation and release oftrace metals in the bed material was examined by means of a bed material analysis, mass balance calculations and a reactor model. Lead, zinc and copper were found to have a tendency to be accumulated in the bed material but also to have a tendency to be released from the bed material into the combustion gases, if the combustion conditions were changed. The concentration of the trace metal in the combustion gases of the bubbling fluidised bed boiler was found to be a summary of trace metal fluxes from three main sources. They were (1) the trace metal flux from the burning fuel particle (2) the trace metal flux from the ash in the bed, and (3) the trace metal flux from the active alkali metal layer on the sand (and ash) particles in the bed. The amount of chlorine in the system, the combustion temperature, the fuel ash composition and the saturation state of the bed material in regard to trace metals were discovered to be key factors affecting therelease process. During the co-firing of waste fuels with variable amounts of e.g. ash and chlorine, it is extremely important to consider the possible ongoingaccumulation and/or release of the trace metals in the bed, when determining the flue gas trace metal emissions. If the state of the combustion process in regard to trace metals accumulation and/or release in the bed material is not known,it may happen that emissions from the bed material rather than the combustion of the fuel in question are measured and reported.

Emission Trading and Tradable Green Certificates Impacts on the Business Activity of Vattenfall Oy

Ihmisen toiminnan vaikutus ilmakehään johtaa todennäköisesti ilmastonmuutoksiin. Eräs näistä muutoksista on maapallon keskilämpötilan nousu, joka aiheutuu kasvihuonekaasujen lisääntyneestä pitoisuudesta ilmakehässä. Vaikutusten vähentämiseksi on hiilidioksidipäästöjä vähennettävä. Kioton pöytäkirja asettaa allekirjoittaneille maille päästövelvoitteet. Euroopan unionin tulee vähentää kasvihuonekaasupäästöjään 8%:lla. Eräs vähennysmekanismeista on päästökauppa. Päästökauppa on sekä keino suojella ympäristöä että ympäristöpoliittinen instrumentti kasvihuonekaasupäästövähennysten kustannusten keventämiseksi. Päästökauppa ei suoranaisesti vähennä kasvihuonekaasupäästöjä, vaan tasaa niitä maiden ja laitosten välillä. Uusiutuvan energian käytön edistäminen sekä kansainvälisesti että kansallisesti johtaa suoriin kasvihuonekaasupäästöjen vähenemiseen. Euroopan unionin jäsenvaltiot ovat asettaneet kansalliset viitearvot uusituvan sähkön kulutukselle. Saavuttaakseen nämä viitearvot maiden tulee tukea uusiutuvia energialähteitä eri menetelmin kuten vihreillä sertifikaateilla. Päästökauppa ja kaupattavat vihreät sertifikaatit tulevat vaikuttamaan energiantuottajien liiketoimintaan. Työssä on tutkittu päästökaupan ja vihreiden sertifikaattien vaikutuksia Vattenfall Kaukolämpö Oy:n, Vattenfall Sähköntuotanto Oy:n ja Vamy Oy:n liiketoimintaan.

Unification of Emission Measurements in Paper and Pulp Mills

Tässä diplomityössä tavoitteena on selvittää käytännöt ja menetelmät, joilla UPM-Kymmenen sellu-, paperi- ja vaneritehtaat ympäri maailman mittaavat ja laskevat ilmapäästönsä. Tämä tehdään kyselylomakkeella, joka lähetetään tehtaiden ympäristöpäälliköille. Kaikki tärkeimmät seikat ilmapäästöihin liittyen, kuten vaaditut jatkuvatoimiset mittaukset, jaksottaiset mittaukset, raportointikäytäntö, kalibrointi jne. kysytään lomakkeessa. Kyselylomakkeessa painotetaan mittauskäytäntöä sellutehtaissa sekä energiantuotannossa. Saatujen tulosten perusteella annetaan ehdotuksia sekä ohjeita tulevaisuutta varten, jotta mittaustulosten kokoaminen helpottuisi ja vertailukelpoisuus paranisi. Työn kirjallisuusosuudessa selvitetään yleisimmät päästölähteet sekä päästökomponentit paperi –ja selluteollisuudessa. Näiden ei toivottujen yhdisteiden syntymekanismit sekä menetelmät niiden poistamiseksi savukaasuista on myös lyhyesti kuvailtu. Myös erilaiset analysointi- ja näytteenottomenetelmät on kerrottu. Erot tehtaiden ympäristöluvissa käydään läpi, jakaen tehtaat kolmeen maantieteelliseen ryhmään. Lupakäytäntöjen osalta Suomen osuutta on painotettu, sillä UPM-Kymmene on varsin Suomikeskeinen yhtiö tehtaiden lukumääriin ja sijainteihin katsottuna. Viranomaismääräykset sekä päästörajat muutamista tehtaista on esitetty havainnollistaakseen alueellisia eroja.

Development of rotating drum under mechanical and thermal load

A variable temperature field sets exacting demands to the structure under mechanical load. Most of all the lifetime of the rotating drum structure depends on temperature differences between parts inside the drum. The temperature difference was known because of the measurements made before. The list of demands was created based on customers’ needs. The limits of this paper were set to the inner structure of the drum. Creation of ideas for the inner structure was started open minded. The main principle in the creation process was to create new ideas for the function of the product with the help of sub-functions. The sub-functions were created as independent as possible. The best sub-functions were combined together and the new working principles were created based on them. Every working principle was calculated separately and criticized at the end of the calculation process. The main objective was to create the new kind of structure, which is not based too much to the old, inoperative structure. The affect of own weight of the inner structure to the stress values was quite small but it was also taken into consideration when calculating the maximum stress value of the structure. Because of very complex structures all of the calculations were made with the help of the ProE – Mechanica software. The fatigue analyze was made also for the best structure solution.