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.

Monte Carlo simulation of the WENDI-2 neutron dosimeter

Il presente lavoro di tesi, sviluppato nell’arco di sei mesi presso l’Institut Supérieur Industriel de Bruxelles (ISIB) in collaborazione con Ion Beam Application Group (IBA, Louvain la Neuve), ha come principale soggetto lo studio della risposta del rem meter WENDI-2 commercializzato da Thermo Scientific. Lo studio si è basato principalmente sull’uso del codice Monte Carlo MCNPX 2.5.0, simulando la risposta del detector sia in caso di campi di radiazione neutronica monoenergetici sia in corrispondenza di spettri neutronici continui. La prima fase è stata dedicata alla modellizzazione MCNPX del rem counter, consentendo così la valutazione della sua funzione risposta. Questa è stata ricostruita interpolando 93 punti, ciascuno calcolato in corrispondenza di un singolo valore di energia di una sorgente puntiforme, compreso tra 1 meV e 5 GeV. In tal caso è stata rilevata un’ottima corrispondenza tra i risultati ottenuti e quelli riportati nella letteratura scientifica esistente. In una seconda fase, al fine di ottenere informazioni sulla risposta di WENDI II in corrispondenza di campi complessi di radiazione, simulazioni MCNPX sono state realizzate riproducendo un ambiente di lavoro esistente presso la sede IBA di Louvain la Neuve: la risposta del detector è stata valutata in corrispondenza di 9 diverse posizioni all’interno di un bunker contenente un ciclotrone PET (18 MeV H-), implicando la rilevazione di campi di radiazione neutronica continui ed estesi dalle energie termiche fino a 18 MeV. I risultati ottenuti sono stati infine comparati con i valori di dose ambiente equivalente calcolata nelle stesse condizioni di irraggiamento.

Pulsed plasma thruster ignition system: investigation, test design and results

Fra i sistemi di propulsione elettrica per satelliti, il Pulsed Plasma Thruster, PPT, è quello dal design più semplice. È anche il primo sistema di propulsione elettrica utilizzato in un satellite artificiale, ossia ZOND-2 lanciato nel 1964 dall’Unione Sovietica. Tuttavia, dopo circa 50 anni di ricerca, la comprensione teorica e sperimentale di questo dispositivo rimane limitata. Questo elaborato di tesi magistrale indaga sul sottosistema di accensione del PPT, cercando di mettere in luce alcuni aspetti legati al lifetime della spark plug, SP. Tale SP, o candela, è l’attuatore del sottosistema di accensione. Questa produce una scintilla sulla sua superficie, la quale permette la realizzazione della scarica elettrica principale fra i due elettrodi del motore. Questa scarica crea una sottile parete di plasma che, per mezzo della forza elettromagnetica di Lorentz, produce la spinta del PPT. Poiché la SP si trova all’interno del catodo del motore e si affaccia nella camera di scarica, questa soffre di fenomeni di corrosione e di deposizione carbonacea proveniente dal propellente. Questi fenomeni possono limitare notevolmente il lifetime della SP. I parametri connessi alla vita operativa della SP sono numerosi. In questo elaborato si è analizzata la possibilità di utilizzare una elettronica di accensione della candela alternativa alla classica soluzione che utilizza un trasformatore. Il sottosistema di accensione classico e quello nuovo sono stati realizzati e testati, per metterne in luce le differenze ed i possibili vantaggi/svantaggi.

Neutron radiation resistance of photomultipliers for the LUCID detector in the ATLAS experiment at LHC

Durante il Long Shutdown 1 di LHC sono stati cambiati i fotomoltiplicatori del rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS. I due modelli candidati per la sostituzione sono stati sottoposti a test di resistenza alla radiazione di gamma e neutroni. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, risposta spettrale, guadagno relativo e assoluto, prima e dopo l’irraggiamento con neutroni. L’unica differenza di rilievo riguarda un aumento della dark current, gli altri parametri non presentano variazioni entro la precisione delle misure. Non ci sono differenze sostanziali tra i due modelli per quanto riguarda la resistenza alle radiazioni.

Set up of a procedure for correlation analysis between current discharge and dose delivery in a pulsed power plasma device for medical application

This thesis work aims to find a procedure for isolating specific features of the current signal from a plasma focus for medical applications. The structure of the current signal inside a plasma focus is exclusive of this class of machines and a specific analysis procedure has to be developed. The hope is to find one or more features that shows a correlation with the dose erogated. The study of the correlation between the current discharge signal and the dose delivered by a plasma focus could be of some importance not only for the practical application of dose prediction but also for expanding the knowledge anbout the plasma focus physics. Vatious classes of time-frequency analysis tecniques are implemented in order to solve the problem.

Study of a pulsed LED set-up to characterise the light response of SiPM sensors for the EIC dRICH detector

L’Electron Ion Collider (EIC) è un futuro acceleratore di particelle che ha l’obiettivo di approfondire le nostre conoscenze riguardo l’interazione forte, una delle quattro interazioni fondamentali della natura, attraverso collisioni di elettroni su nuclei e protoni. L’infrastruttura del futuro detector comprende un sistema d’identificazione basato sull’emissione di luce Cherenkov, un fenomeno che permette di risalire alla massa delle particelle. Una delle configurazioni prese in considerazione per questo sistema è il dual-radiator RICH, basato sulla presenza di due radiatori all’esterno dei quali si trovano dei fotorivelatori. Un’opzione per questi sensori sono i fotorivelatori al silicio SiPM, oggetto di questo lavoro di tesi. L’obiettivo dell’attività è lo studio di un set-up per la caratterizzazione della risposta di sensori SiPM a basse temperature, illuminati attraverso un LED. Dopo un’analisi preliminare per determinare le condizioni di lavoro, si è trovato che la misura è stabile entro un errore del 3.5%.

Heat-transfer enhancement with pulsed jets in turbulent pipe flow at high-Reynolds number

Improving heat transfer is a critical area of ​​research in various fields such as thermal engineering, energy conversion and aeronautical engineering. The aim of this thesis is to present the design, construction and testing of an experimental setup for the study of heat transfer enhancement in a turbulent boundary layer using cross-flow pulsed jets. The set-up is designed to generate and control pulsed jets, measure heat transfer and acquire all parameters related to wind tunnel flow and is also capable of varying the parameters of the pulsed jets, such as frequency, amplitude and the duty cycle, in order to study the effects on the increase in heat transfer. The thesis describes the design phases, the construction process and the final successful testing of the plant. The test results verify the functionality and accuracy of the set-up and ensure that it can be used to perform a full experimental campaign to investigate heat transfer enhancement using cross-flow pulsed jets in a turbulent layer boundary.

Effect of Pulsed Electric Field in combination with Vacuum Drying on quality of Thai basil leaves.

Il progetto di questa tesi ha l’obiettivo di analizzare l’effetto dei Campi Elettrici Pulsati (PEF) sulla qualità delle foglie di basilico tailandese, essiccate sottovuoto. Nell’esperimento sono stati utilizzati i Campi Elettrici Pulsati a elettroporazione reversibile, come pretrattamento di essiccazione, e si è visto come questi influenzino la durata del trattamento di essiccazione. Dai risultati si può notare che essi riducono il tempo di processo in campioni sottoposti a 20°C, ma all’aumentare della temperatura tale effetto sembra essere meno significativo, come si può osservare già a 40°C. Una volta che le foglie sono state esposte ai Campi Elettrici Pulsati, vengono lasciate a riposo per 24 ore in un ambiente umido a temperatura ambiente prima di essere essiccate, per raggiungere buoni risultati qualitativi. I campioni, così analizzati, hanno una buona capacità di reidratazione, una bassa conduttività durante il processo di reidratazione e preservano meglio il colore durante l’esperimento, rispetto alle foglie che non sono state sottoposte ai Campi Elettrici Pulsati, né alle successive 24 ore di riposo.