Impatto ambientale dei rifiuti e degli sprechi agroalimentari in Europa e in Italia

Nonostante il fatto che una gran parte del mondo viva ancora oggi a livelli di sussistenza, i dati in nostro possesso ci indicano che le attività umane stanno esaurendo le risorse ambientali del pianeta. La causa di questo eccessivo sfruttamento delle risorse è da ricercare nei pattern non sostenibili di produzione e consumo dei paesi sviluppati. La preoccupazione per le conseguenze sull'ambiente e la lotta al cambiamento climatico hanno posto le politiche ambientali al centro dell'attenzione internazionale. Il Protocollo di Kyoto e la Commissione Europea hanno stabilito degli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra, rispettivamente del 12% entro il 2012 e del 20% entro il 2020. All'interno del Protocollo di Kyoto l'obiettivo per l'Italia è ridurre del 6,5% le emissioni di gas serra nazionali rispetto al 1990. Le politiche mirate alla riduzione delle emissioni di gas serra hanno in genere come obiettivo gli impianti energetici e i trasporti. Poca attenzione viene data alla filiera agroalimentare pur sapendo che l'agricoltura ha un forte impatto sull'ambiente e recenti studi stimano che circa il 50% del cibo prodotto viene perso o buttato via dalla produzione al consumo. Alla luce di questi dati, il mio lavoro di tesi ha avuto come obiettivo quello di quantificare i rifiuti e gli sprechi agroalimentari in Europa e in Italia e stimare l'impatto ambientale associato. I dati raccolti in questa tesi mettono in evidenza l'importanza di migliorare l'efficienza della filiera agroalimentare per ridurre l'impatto ambientale nazionale e rispettare gli accordi internazionali sulla lotta ai cambiamenti climatici.

Validation of the CFD code NEPTUNE for a full scale simulator for decay heat removal systems with in-pool heat exchangers

In the present work, a multi physics simulation of an innovative safety system for light water nuclear reactor is performed, with the aim to increase the reliability of its main decay heat removal system. The system studied, denoted by the acronym PERSEO (in Pool Energy Removal System for Emergency Operation) is able to remove the decay power from the primary side of the light water nuclear reactor through a heat suppression pool. The experimental facility, located at SIET laboratories (PIACENZA), is an evolution of the Thermal Valve concept where the triggering valve is installed liquid side, on a line connecting two pools at the bottom. During the normal operation, the valve is closed, while in emergency conditions it opens, the heat exchanger is flooded with consequent heat transfer from the primary side to the pool side. In order to verify the correct system behavior during long term accidental transient, two main experimental PERSEO tests are analyzed. For this purpose, a coupling between the mono dimensional system code CATHARE, which reproduces the system scale behavior, with a three-dimensional CFD code NEPTUNE CFD, allowing a full investigation of the pools and the injector, is implemented. The coupling between the two codes is realized through the boundary conditions. In a first analysis, the facility is simulated by the system code CATHARE V2.5 to validate the results with the experimental data. The comparison of the numerical results obtained shows a different void distribution during the boiling conditions inside the heat suppression pool for the two cases of single nodalization and three volume nodalization scheme of the pool. Finaly, to improve the investigation capability of the void distribution inside the pool and the temperature stratification phenomena below the injector, a two and three dimensional CFD models with a simplified geometry of the system are adopted.

Numerical optimization,modeling and system evaluation of a thermophotovoltaic hybrid panel

Photovoltaic (PV) solar panels generally produce electricity in the 6% to 16% efficiency range, the rest being dissipated in thermal losses. To recover this amount, hybrid photovoltaic thermal systems (PVT) have been devised. These are devices that simultaneously convert solar energy into electricity and heat. It is thus interesting to study the PVT system globally from different point of views in order to evaluate advantages and disadvantages of this technology and its possible uses. In particular in Chapter II, the development of the PVT absorber numerical optimization by a genetic algorithm has been carried out analyzing different internal channel profiles in order to find a right compromise between performance and technical and economical feasibility. Therefore in Chapter III ,thanks to a mobile structure built into the university lab, it has been compared experimentally electrical and thermal output power from PVT panels with separated photovoltaic and solar thermal productions. Collecting a lot of experimental data based on different seasonal conditions (ambient temperature,irradiation, wind...),the aim of this mobile structure has been to evaluate average both thermal and electrical increasing and decreasing efficiency values obtained respect to separate productions through the year. In Chapter IV , new PVT and solar thermal equation based models in steady state conditions have been developed by software Dymola that uses Modelica language. This permits ,in a simplified way respect to previous system modelling softwares, to model and evaluate different concepts about PVT panel regarding its structure before prototyping and measuring it. Chapter V concerns instead the definition of PVT boundary conditions into a HVAC system . This was made trough year simulations by software Polysun in order to finally assess the best solar assisted integrated structure thanks to F_save(solar saving energy)factor. Finally, Chapter VI presents the conclusion and the perspectives of this PhD work.

Struttura nuvolosa del temporale

La tesi descrive in modo analitico la formazione del temporale e i suoi stadi di vita, i tipi di temporale suddivisi in base alla struttura e le nubi accessorie, particolari formazioni nuvolose che appartengono al temporale e alla sua evoluzione.

Power Transient Analysis of Experimental Devices for Jules Horowitz Material Testing Reactor (JHR)

The objective of this thesis is the power transient analysis concerning experimental devices placed within the reflector of Jules Horowitz Reactor (JHR). Since JHR material testing facility is designed to achieve 100 MW core thermal power, a large reflector hosts fissile material samples that are irradiated up to total relevant power of 3 MW. MADISON devices are expected to attain 130 kW, conversely ADELINE nominal power is of some 60 kW. In addition, MOLFI test samples are envisaged to reach 360 kW for what concerns LEU configuration and up to 650 kW according to HEU frame. Safety issues concern shutdown transients and need particular verifications about thermal power decreasing of these fissile samples with respect to core kinetics, as far as single device reactivity determination is concerned. Calculation model is conceived and applied in order to properly account for different nuclear heating processes and relative time-dependent features of device transients. An innovative methodology is carried out since flux shape modification during control rod insertions is investigated regarding the impact on device power through core-reflector coupling coefficients. In fact, previous methods considering only nominal core-reflector parameters are then improved. Moreover, delayed emissions effect is evaluated about spatial impact on devices of a diffuse in-core delayed neutron source. Delayed gammas transport related to fission products concentration is taken into account through evolution calculations of different fuel compositions in equilibrium cycle. Provided accurate device reactivity control, power transients are then computed for every sample according to envisaged shutdown procedures. Results obtained in this study are aimed at design feedback and reactor management optimization by JHR project team. Moreover, Safety Report is intended to utilize present analysis for improved device characterization.

Experimental and Numerical Analysis of Gas Forced Convection through Microtubes and Micro Heat Exchangers

The last decade has witnessed very fast development in microfabrication technologies. The increasing industrial applications of microfluidic systems call for more intensive and systematic knowledge on this newly emerging field. Especially for gaseous flow and heat transfer at microscale, the applicability of conventional theories developed at macro scale is not yet completely validated; this is mainly due to scarce experimental data available in literature for gas flows. The objective of this thesis is to investigate these unclear elements by analyzing forced convection for gaseous flows through microtubes and micro heat exchangers. Experimental tests have been performed with microtubes having various inner diameters, namely 750 m, 510 m and 170 m, over a wide range of Reynolds number covering the laminar region, the transitional zone and also the onset region of the turbulent regime. The results show that conventional theory is able to predict the flow friction factor when flow compressibility does not appear and the effect of fluid temperature-dependent properties is insignificant. A double-layered microchannel heat exchanger has been designed in order to study experimentally the efficiency of a gas-to-gas micro heat exchanger. This microdevice contains 133 parallel microchannels machined into polished PEEK plates for both the hot side and the cold side. The microchannels are 200 µm high, 200 µm wide and 39.8 mm long. The design of the micro device has been made in order to be able to test different materials as partition foil with flexible thickness. Experimental tests have been carried out for five different partition foils, with various mass flow rates and flow configurations. The experimental results indicate that the thermal performance of the countercurrent and cross flow micro heat exchanger can be strongly influenced by axial conduction in the partition foil separating the hot gas flow and cold gas flow.

Development of a method for plasma - induced combustion of intermediate to low-level radioactive waste

This work demonstrates that the plasma - induced combustion of intermediate to low-level radioactive waste is a suitable method for volume reduction and stabilization. Weaknesses of existing facilities can be overcome with novel developments. Plasma treatment of LILW has a high economical advantage by volume reduction for storage in final repositories.

Multilevel Domain Decomposition Algorithms for Monolithic Fluid-Structure Interaction Problems with Application to Haemodynamics

Finite element techniques for solving the problem of fluid-structure interaction of an elastic solid material in a laminar incompressible viscous flow are described. The mathematical problem consists of the Navier-Stokes equations in the Arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation coupled with a non-linear structure model, considering the problem as one continuum. The coupling between the structure and the fluid is enforced inside a monolithic framework which computes simultaneously for the fluid and the structure unknowns within a unique solver. We used the well-known Crouzeix-Raviart finite element pair for discretization in space and the method of lines for discretization in time. A stability result using the Backward-Euler time-stepping scheme for both fluid and solid part and the finite element method for the space discretization has been proved. The resulting linear system has been solved by multilevel domain decomposition techniques. Our strategy is to solve several local subproblems over subdomain patches using the Schur-complement or GMRES smoother within a multigrid iterative solver. For validation and evaluation of the accuracy of the proposed methodology, we present corresponding results for a set of two FSI benchmark configurations which describe the self-induced elastic deformation of a beam attached to a cylinder in a laminar channel flow, allowing stationary as well as periodically oscillating deformations, and for a benchmark proposed by COMSOL multiphysics where a narrow vertical structure attached to the bottom wall of a channel bends under the force due to both viscous drag and pressure. Then, as an example of fluid-structure interaction in biomedical problems, we considered the academic numerical test which consists in simulating the pressure wave propagation through a straight compliant vessel. All the tests show the applicability and the numerical efficiency of our approach to both two-dimensional and three-dimensional problems.

Polimeri tiofenici funzionali e loro applicazioni nel fotovoltaico

Recentemente, sempre più attenzione è stata rivolta all' utilizzo di coloranti organici come assorbitori di luce per la preparazione di strati fotoattivi in celle solari organiche (OPV). I coloranti organici presentano un'elevata abilità nella cattura della luce solare grazie all'elevato coefficiente di estinzione molare e buone proprietà fotofisiche. Per questi motivi sono eccellenti candidati per l'incremento della conversione fotoelettrica in OPV. In questa tesi viene descritta una nuova strategia per l'incorporazione di derivati porfirinici in catena laterale a copolimeri tiofenici. Gli studi svolti hanno dimostrato che poli(3-bromoesil)tiofene può essere variamente funzionalizzato con idrossitetrafenilporfirina (TPPOH), per l'ottenimento di copolimeri utilizzabili come materiali p-donatori nella realizzazione di OPV. I copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esil tiofene] P[T6Br-co-T6TPP] contenenti differenti quantità di porfirina, sono stati sintetizzati sia con metodi non regiospecifici che regiospecifici, con lo scopo di confrontarene le proprietà e di verificare se la strutture macromolecolare che presenta una regiochimica di sostituzione sempre uguale, promuove o meno il trasporto della carica elettrica, migliorando di conseguenza l'efficienza. E' stato inoltre effettuato un ulteriore confronto tra questi derivati e derivati simili P[T6H-co-T6TPP] che non contengono l'atomo di bromo in catena laterale con lo scopo di verificare se l'assenza del gruppo reattivo, migliora o meno la stabilità termica e chimica dei film polimerici, agendo favorevolmete sulle performance dei dispositivi fotovoltaici. Tutti i copolimeri sono stati caratterizzati con differenti tecniche: spettroscopia NMR, FT-IR e UV-Vis, analisi termiche DSC e TGA, e GPC. Le celle solari Bulk Heterojunction, preparate utilizzando PCBM come materiale elettron-accettore e i copolimeri come materilai elettron-donatori, sono state testate utilizzando un multimetro Keithley e il Solar Simulator.

Modello matematico dell'integrazione audio-visiva e del suo sviluppo in un ambiente multisensoriale

L'integrazione multisensoriale è la capacità da parte del sistema nervoso centrale di integrare informazioni provenienti da diverse sorgenti sensoriali. In particolare, l'integrazione audio-visiva avviene anche nelle cortecce visive e acustiche, in principio ritenute puramente unisensoriali. L'integrazione audio-visiva non è un'abilità innata, ma si sviluppa progressivamente nel tempo sulla base dell'esperienza. In questa Tesi viene presentato un modello matematico di rete neurale in grado di simulare lo sviluppo in un ambiente multisensoriale dei neuroni delle cortecce primarie visive e uditive nei primi mesi di vita di un neonato, e gli effetti dell'integrazione audio-visiva successivi a tale addestramento. In particolare il modello vuole mostrare, a partire da una condizione basale in cui i neuroni visivi e acustici non sono in grado di discriminare spazialmente la posizione degli input esterni e in cui non sussiste alcuna correlazione tra le due aree corticali primarie visive e uditive, come l'addestramento migliori la precisione della percezione spaziale degli stimoli esterni e come si stabiliscano tra le due aree in esame dei collegamenti stabili a lungo termine. Terminato l'addestramento, si verifica se la rete sia in grado di riprodurre gli effetti di integrazione audio-visiva nella corteccia primaria, quali la "cattura" dello stimolo acustico da parte di quello visivo (ventriloquismo) e il rafforzamento della risposta neurale allo stimolo acustico se contemporaneamente accompagnato da uno stimolo visivo nella stessa posizione spaziale (enhancement). Il modello potrebbe essere utilizzato in futuro anche per simulare altri fenomeni illusori come il fenomeno offline del ventriloquismo e il ventriloquismo a livello temporale.

Principi e metodi della robotica evolutiva

L’intelligenza artificiale, ovvero lo studio e la progettazione di sistemi intelligenti, mira a riprodurre alcuni aspetti dell’intelligenza umana, come il linguaggio e il ragionamento deduttivo, nei computer. La robotica, invece, cerca spesso di ricreare nei robot comportamenti adattativi, come l’abilità di manipolare oggetti o camminare, mediante l’utilizzo di algoritmi in grado di generare comportamenti desiderati. Una volta realizzato uno di questi algoritmi specificamente per una certa abilità, si auspica che tale algoritmo possa essere riutilizzato per generare comportamenti più complessi fino a che il comportamento adattativo del robot non si mostri ad un osservatore esterno come intelligente; purtroppo questo non risulta sempre possibile e talvolta per generare comportamenti di maggiore complessità è necessario riscrivere totalmente gli algoritmi. Appare quindi evidente come nel campo della robotica l’attenzione sia incentrata sul comportamento, perché le azioni di un robot generano nuove stimolazioni sensoriali, che a loro volta influiscono sulle sue azioni future. Questo tipo di intelligenza artificiale (chiamata propriamente embodied cognition) differisce da quella propriamente detta per il fatto che l’intelligenza non emerge dall’introspezione ma dalle interazioni via via più complesse che la macchina ha con l’ambiente circostante. Gli esseri viventi presenti in natura mostrano, infatti, alcuni fenomeni che non sono programmati a priori nei geni, bensì frutto dell’interazione che l’organismo ha con l’ambiente durante le varie fasi del suo sviluppo. Volendo creare una macchina che sia al contempo autonoma e adattativa, si devono affrontare due problemi: il primo è relativo alla difficoltà della progettazione di macchine autonome, il secondo agli ingenti costi di sviluppo dei robot. Alla fine degli anni ’80 nasce la robotica evolutiva che, traendo ispirazione dall’evoluzione biologica, si basa sull’utilizzo di software in grado di rappresentare popolazioni di robot virtuali e la capacità di farli evolvere all’interno di un simulatore, in grado di rappresentare le interazioni tra mente e corpo del robot e l’ambiente, per poi realizzare fisicamente solo i migliori. Si utilizzano algoritmi evolutivi per generare robot che si adattano, anche dal punto di vista della forma fisica, all’ambiente in cui sono immersi. Nel primo capitolo si tratterà di vita ed evoluzione artificiali, concetti che verranno ripresi nel secondo capitolo, dedicato alle motivazioni che hanno portato alla nascita della robotica evolutiva, agli strumenti dei quali si avvale e al rapporto che ha con la robotica tradizionale e le sue declinazioni. Nel terzo capitolo si presenteranno i tre formalismi mediante i quali si sta cercando di fornire un fondamento teorico a questa disciplina. Infine, nel quarto capitolo saranno mostrati i problemi che ancora oggi non hanno trovato soluzione e le sfide che si devono affrontare trattando di robotica evolutiva.

Telemonitoraggio domiciliare dei parametri vitali per pazienti affetti da patologie croniche o in fase acuta

L’Italia è il secondo Paese più longevo al mondo (preceduto dal Giappone), con un’aspettativa di vita di circa 81,5 anni. L’attuale percentuale degli over 65 è di circa il 20% ma si prevede che nel 2050 tale percentuale possa raggiungere il 34%. Dal punto di vista economico è necessario trovare soluzioni che conducano ad una contenuta e ridotta spesa sanitaria sul bilancio statale, conservando la qualità e l’efficienza dei servizi ospedalieri. Dal punto di vista sociale l’obiettivo è quello di poter assistere l’anziano, non più completamente autosufficiente, nelle cure offrendo anche supporto psicologico e la sicurezza di non essere abbandonato a sé stesso. Il raggiungimento di tali obiettivi ha un’unica parola chiave: casa; cioè far in modo che l’anziano, ma in generale il paziente, possa ricevere cura ed assistenza nella propria casa, grazie alla combinazione sinergica del servizio di assistenza domiciliare e della Telemedicina.

Advanced aspects of radiation protection in the use of particle accelerators in the medical field

In this work, the well-known MC code FLUKA was used to simulate the GE PETrace cyclotron (16.5 MeV) installed at “S. Orsola-Malpighi” University Hospital (Bologna, IT) and routinely used in the production of positron emitting radionuclides. Simulations yielded estimates of various quantities of interest, including: the effective dose distribution around the equipment; the effective number of neutron produced per incident proton and their spectral distribution; the activation of the structure of the cyclotron and the vault walls; the activation of the ambient air, in particular the production of 41Ar, the assessment of the saturation yield of radionuclides used in nuclear medicine. The simulations were validated against experimental measurements in terms of physical and transport parameters to be used at the energy range of interest in the medical field. The validated model was also extensively used in several practical applications uncluding the direct cyclotron production of non-standard radionuclides such as 99mTc, the production of medical radionuclides at TRIUMF (Vancouver, CA) TR13 cyclotron (13 MeV), the complete design of the new PET facility of “Sacro Cuore – Don Calabria” Hospital (Negrar, IT), including the ACSI TR19 (19 MeV) cyclotron, the dose field around the energy selection system (degrader) of a proton therapy cyclotron, the design of plug-doors for a new cyclotron facility, in which a 70 MeV cyclotron will be installed, and the partial decommissioning of a PET facility, including the replacement of a Scanditronix MC17 cyclotron with a new TR19 cyclotron.

Improvement of photon transport model by including coupled photon-electron transport and kernel refinement

The first part of this work deals with the inverse problem solution in the X-ray spectroscopy field. An original strategy to solve the inverse problem by using the maximum entropy principle is illustrated. It is built the code UMESTRAT, to apply the described strategy in a semiautomatic way. The application of UMESTRAT is shown with a computational example. The second part of this work deals with the improvement of the X-ray Boltzmann model, by studying two radiative interactions neglected in the current photon models. Firstly it is studied the characteristic line emission due to Compton ionization. It is developed a strategy that allows the evaluation of this contribution for the shells K, L and M of all elements with Z from 11 to 92. It is evaluated the single shell Compton/photoelectric ratio as a function of the primary photon energy. It is derived the energy values at which the Compton interaction becomes the prevailing process to produce ionization for the considered shells. Finally it is introduced a new kernel for the XRF from Compton ionization. In a second place it is characterized the bremsstrahlung radiative contribution due the secondary electrons. The bremsstrahlung radiation is characterized in terms of space, angle and energy, for all elements whit Z=1-92 in the energy range 1–150 keV by using the Monte Carlo code PENELOPE. It is demonstrated that bremsstrahlung radiative contribution can be well approximated with an isotropic point photon source. It is created a data library comprising the energetic distributions of bremsstrahlung. It is developed a new bremsstrahlung kernel which allows the introduction of this contribution in the modified Boltzmann equation. An example of application to the simulation of a synchrotron experiment is shown.

Severe Accident Simulation of Small Modular Reactors

Since the Three Mile Island Unit 2 (TMI-2), accident in 1979 which led to the meltdown of about one half of the reactor core and to limited releases of radioactive materials to the environment, an important international effort has been made on severe accident research. The present work aims to investigate the behaviour of a Small Modular Reactor during severe accident conditions. In order to perform these analyses, a SMR has been studied for the European reference severe accident analysis code ASTEC, developed by IRSN and GRS. In the thesis will be described in detail the IRIS Small Modular Reactor; the reference reactor chosen to develop the ASTEC input deck. The IRIS model was developed in the framework of a research collaboration with the IRSN development team. In the thesis will be described systematically the creation of the ASTEC IRIS input deck: the nodalization scheme adopted, the solution used to simulate the passive safety systems and the strong interaction between the reactor vessel and the containment. The ASTEC SMR model will be tested against the RELAP-GOTHIC coupled code model, with respect to a Design Basis Accident, to evaluate the capability of the ASTEC code on reproducing correctly the behaviour of the nuclear system. Once the model has been validated, a severe accident scenario will be simulated and the obtained results along with the nuclear system response will be analysed.