Calculation of the eigenfunctions of the two-group neutron diffusion equation and application to modal decomposition of BWR instabilities

In this thesis, numerical methods aiming at determining the eigenfunctions, their adjoint and the corresponding eigenvalues of the two-group neutron diffusion equations representing any heterogeneous system are investigated. First, the classical power iteration method is modified so that the calculation of modes higher than the fundamental mode is possible. Thereafter, the Explicitly-Restarted Arnoldi method, belonging to the class of Krylov subspace methods, is touched upon. Although the modified power iteration method is a computationally-expensive algorithm, its main advantage is its robustness, i.e. the method always converges to the desired eigenfunctions without any need from the user to set up any parameter in the algorithm. On the other hand, the Arnoldi method, which requires some parameters to be defined by the user, is a very efficient method for calculating eigenfunctions of large sparse system of equations with a minimum computational effort. These methods are thereafter used for off-line analysis of the stability of Boiling Water Reactors. Since several oscillation modes are usually excited (global and regional oscillations) when unstable conditions are encountered, the characterization of the stability of the reactor using for instance the Decay Ratio as a stability indicator might be difficult if the contribution from each of the modes are not separated from each other. Such a modal decomposition is applied to a stability test performed at the Swedish Ringhals-1 unit in September 2002, after the use of the Arnoldi method for pre-calculating the different eigenmodes of the neutron flux throughout the reactor. The modal decomposition clearly demonstrates the excitation of both the global and regional oscillations. Furthermore, such oscillations are found to be intermittent with a time-varying phase shift between the first and second azimuthal modes.

Centrifuge Modeling of Sandy Slopes

Slope failure occurs in many areas throughout the world and it becomes an important problem when it interferes with human activity, in which disasters provoke loss of life and property damage. In this research we investigate the slope failure through the centrifuge modeling, where a reduced-scale model, N times smaller than the full-scale (prototype), is used whereas the acceleration is increased by N times (compared with the gravity acceleration) to preserve the stress and the strain behavior. The aims of this research “Centrifuge modeling of sandy slopes” are in extreme synthesis: 1) test the reliability of the centrifuge modeling as a tool to investigate the behavior of a sandy slope failure; 2) understand how the failure mechanism is affected by changing the slope angle and obtain useful information for the design. In order to achieve this scope we arranged the work as follows: Chapter one: centrifuge modeling of slope failure. In this chapter we provide a general view about the context in which we are working on. Basically we explain what is a slope failure, how it happens and which are the tools available to investigate this phenomenon. Afterwards we introduce the technology used to study this topic, that is the geotechnical centrifuge. Chapter two: testing apparatus. In the first section of this chapter we describe all the procedures and facilities used to perform a test in the centrifuge. Then we explain the characteristics of the soil (Nevada sand), like the dry unit weight, water content, relative density, and its strength parameters (c,φ), which have been calculated in laboratory through the triaxial test. Chapter three: centrifuge tests. In this part of the document are presented all the results from the tests done in centrifuge. When we talk about results we refer to the acceleration at failure for each model tested and its failure surface. In our case study we tested models with the same soil and geometric characteristics but different angles. The angles tested in this research were: 60°, 75° and 90°. Chapter four: slope stability analysis. We introduce the features and the concept of the software: ReSSA (2.0). This software allows us to calculate the theoretical failure surfaces of the prototypes. Then we show in this section the comparisons between the experimental failure surfaces of the prototype, traced in the laboratory, and the one calculated by the software. Chapter five: conclusion. The conclusion of the research presents the results obtained in relation to the two main aims, mentioned above.

Application of numerical methods to earthquake stability assessment of slopes

Questo documento descrive gran parte del lavoro svolto durante un periodo di studio di sei mesi all’International Centre for Geohazards (ICG) di Oslo. Seguendo la linea guida dettata nel titolo, sono stati affrontati diversi aspetti riguardanti la modellazione numerica dei pendii quali l’influenza delle condizioni al contorno e delle proporzioni del modello, la back-analysis di eventi di scivolamento e l’applicazione delle analisi di stabilità monodimensionali. La realizzazione di semplici modelli con il programma agli elementi finiti PLAXIS (Brinkgreve et al., 2008) ha consentito di analizzare le prestazioni dei modelli numerici riguardo all’influenza delle condizioni al contorno confrontandoli con un calcolo teorico del fattore di amplificazione. Questa serie di test ha consentito di stabilire alcune linee guida per la realizzazione di test con un buon livello di affidabilità. Alcuni case-history, in particolare quello di Las Colinas (El Salvador), sono stati modellati allo scopo di applicare e verificare i risultati ottenuti con i semplici modelli sopracitati. Inoltre sono state svolte analisi di sensitività alla dimensione della mesh e ai parametri di smorzamento e di elasticità. I risultati hanno evidenziato una forte dipendenza dei risultati dai parametri di smorzamento, rilevando l’importanza di una corretta valutazione di questa grandezza. In ultima battuta ci si è occupati dell’accuratezza e dell’applicabilità dei modelli monodimensionali. I risultati di alcuni modelli monodimensionali realizzati con il software Quiver (Kaynia, 2009) sono stati confrontati con quelli ottenuti da modelli bidimensionali. Dal confronto è risultato un buon grado di approssimazione accompagnato da un margine di sicurezza costante. Le analisi monodimensionali sono poi state utilizzate per la verifica di sensitività. I risultati di questo lavoro sono qui presentati e accompagnati da suggerimenti qualitativi e quantitativi per la realizzazione di modelli bidimensionali affidabili. Inoltre si descrive la possibilità di utilizzare modelli monodimensionali in caso d’incertezze sui parametri. Dai risultati osservati emerge la possibilità di ottenere un risparmio di tempo nella realizzazione di importanti indagini di sensitività.

In vitro characterization of the three-dimensional strain pattern in human vertebrae affected by metastases

La colonna vertebrale è la principale sede di metastasi, le quali possono alterare la normale distribuzione dei tessuti ossei e ridurre la capacità della vertebra di sostenere carichi. L’instabilità spinale causata dalle metastasi, tuttavia, è di difficile determinazione. La caratterizzazione meccanica delle vertebre metastatiche permetterebbe di identificare e, di conseguenza trattare, quelle ad alto rischio di frattura. In questo studio, ho valutato il comportamento meccanico a rottura di vertebre umane affette da metastasi misurando in vitro il campo di deformazione. Undici provini, costituiti da due vertebre centrali, una metastatica e una sana, sono stati preparati e scansionati applicando carichi graduali di compressione in una micro-tomografia computerizzata (μCT). Le deformazioni principali sono state misurate attraverso un algoritmo globale di Digital Volume Correlation (DVC) e successivamente sono state analizzate. Lo studio ha rivelato che le vertebre con metastasi litiche raggiungono deformazioni maggiori delle vertebre sane. Invece, le metastasi miste non assicurano un comportamento univoco in quanto combinano gli effetti antagonisti delle lesioni litiche e blastiche. Dunque la valutazione è stata estesa a possibili correlazioni tra il campo di deformazione e la microstruttura della vertebra. L'analisi ha identificato le regioni in cui parte la frattura (a più alta deformazione), senza identificare, in termini microstrutturali, una zona preferenziale di rottura a priori. Infatti, alcune zone con un pattern trabecolare denso, presunte più rigide, hanno mostrato deformazioni maggiori di quelle dei tessuti sani, sottolineando l’importanza della valutazione della qualità del tessuto osseo. Questi risultati, generalizzati su un campione più ampio, potrebbero essere utilizzati per implementare nuovi criteri negli attuali sistemi di valutazione dell'instabilità spinale.

Characterization of in-gap electronic states in two-dimensional single crystal PEA2PbBr4 perovskite for X-ray detection

Hybrid Organic-Inorganic Halide Perovskites (HOIPs) include a large class of materials described with the general formula ABX3, where A is an organic cation, B an inorganic cation and X an halide anion. HOIPs show excellent optoelectronic characteristics such as tunable band gap, high adsorption coefficient and great mobility life-time. A subclass of these materials, the so-called two- dimensional (2D) layered HOIPs, have emerged as potential alternatives to traditional 3D analogs to enhance the stability and increase performance of perovskite devices, with particular regard in the area of ionizing radiation detectors, where these materials have reached truly remarkable milestones. One of the key challenges for future development of efficient and stable 2D perovskite X-ray detector is a complete understanding of the nature of defects that lead to the formation of deep states. Deep states act as non-radiative recombination centers for charge carriers and are one of the factors that most hinder the development of efficient 2D HOIPs-based X-ray detectors. In this work, deep states in PEA2PbBr4 were studied through Photo-Induced Current Transient Spectroscopy (PICTS), a highly sensitive spectroscopic technique capable of detecting the presence of deep states in highly resistive ohmic materials, and characterizing their activation energy, capture cross section and, under stringent conditions, the concentration of these states. The evolution of deep states in PEA 2 PbBr 4 was evaluated after exposure of the material to high doses of ionizing radiation and during aging (one year). The data obtained allowed us to evaluate the contribution of ion migration in PEA2PbBr4. This work represents an important starting point for a better understanding of transport and recombination phenomena in 2D perovskites. To date, the PICTS technique applied to 2D perovskites has not yet been reported in the scientific literature.