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.

Estudio energético de renovables en una explotación ganadera

Este trabajo tiene por objetivo el estudio de ahorro energético en una explotación ganadera. Para ello, se contempla la posibilidad de sustituir los sistemas actuales por otros alimentados de energía solar, geotérmica o eólica. La energía obtenida a partir de la producción de metano a través de la utilización de los purines no se contempla, debido a que son utilizados como abono en las parcelas colindantes. PUNTOS TRATADOS Se parte de que, en la explotación, la calefacción es de gas natural y la electricidad es generada por un grupo electrógeno. Estudio de la irradiancia de la zona y de la cantidad de paneles solares y baterías necesarios para hacer la explotación ganadera autosuficiente. Estudio del potencial eólico de la zona y de la cantidad de aerogeneradores y baterías necesarios para hacer la explotación ganadera autosuficiente. Estudio del potencial calorífico de la zona y de la cantidad de tubos, bombas de calor y baterías necesarios para hacer la explotación ganadera autosuficiente. Cálculo de los costes de la instalación solar, eólica y geotérmica. Comparación de los resultados obtenidos anteriormente y breve discusión sobre el sistema elegido. ABSTRACT OBJETIVES This job has got like objective the energetic saving study in a cattle exploitation. For it, it is contemplated the possibility of replacing the current systems with others fed on solar, wind and geothermal power. Energy obtained across production of methane across animal organic wastes it is not contemplated, because they are used as fertilizer on adjacent smallholdings. TREATED POINTS It is parted of that, in the exploitation, heating is propane and electricity is generated by an electrical generator. Study about irradiance on the place and quantity of solar panels and batteries to doing self-sufficient the cattle exploitation. Study about wind potential on the place and quantity of wind generators and batteries to doing self-sufficient the cattle exploitation. Study about calorific potential into ground and quantity of pipes, heat pumps and batteries to doing self-sufficient the cattle exploitation. Calculation about solar, wind and geothermal installation costs. Comparison about results have been obtained and brief discussion about chosen system

Desarrollo de un sistema de optimización económica para instalaciones de régimen especial

. Este proyecto tiene por objeto el desarrollo y la implantación de un sistema de optimización económica de instalaciones de producción de Régimen Especial, en una compañía eléctrica que representa a este tipo de instalaciones para su participación en los distintos mercados de electricidad. Inicialmente, se analizarán las opciones de participación en los distintos mercados de cada tecnología, en función de la legislación a la que pudieran estar acogidas las instalaciones del Régimen Especial; según tamaño y tipología de instalaciones, características o combustibles utilizados. En segundo lugar, se estudiará la relación entre dichas instalaciones y los distintos organismos reguladores del mercado; la Comisión Nacional de la Energía, el Ministerio de Industria y Turismo, Red Eléctrica de España y el Operador del mercado eléctrico. Posteriormente, se realizará un modelo de análisis estático de la situación actual de los mercados eléctricos, su estructura y funcionamiento, obteniendo para cada tipo de instalación el escenario de optimización de base, a partir del cual se podrá desarrollar el modelo dinámico que permitirá conocer en cualquier momento cuál será la mejor opción técnico-económica para cada tipo de instalación, optimizando así el presupuesto de las instalaciones objeto del estudio. Finalmente, este modelo se implementará en los sistemas de la compañía eléctrica, como una herramienta que permitirá asegurar la optimización en tiempo real a las instalaciones a las que representa en el mercado, optimizando sus propios costes a través de la implementación de este sistema automático y logrando así maximizar los ingresos de la compañía eléctrica. ABSTRACT DEVELOPMENT OF A SYSTEM OF ECONOMIC OPTIMIZATION FOR PLANTS OF SPECIAL REGIME. This project takes as an object the development and the implantation of a system of economic optimization of facilities of production of Special Regime, in an electrical company that it represents to this type of facilities for his participation in the different markets of electricity. Initially, there will be analyzed the options of participation in the different markets of every technology, depending on the legislation to which there could be received the facilities of the Special Regime; according to size and typology of facilities, characteristics or used fuels. Secondly, the relation will be studied between the above mentioned facilities and the different regulatory organisms of the market; the National Commission of the Energy, the Department of Industry and Tourism, Electrical Network of Spain and the Operator of the electrical market. Later, there will carry out a model of static analysis of the current situation of the electrical markets, his structure and functioning, obtaining for every type of installation the scene of base optimization, from which there will be able to develop the dynamic model who will allow to know at any time which will be the best technical - economic option for every type of installation, optimizing this way the budget of the facilities I object of the study. Finally, this model will be implemented in the systems of the electrical company, as a tool that will allow to assure the real time optimization to the facilities to which it represents on the market, optimizing his own costs across the implementation of this automatic system and managing this way to maximize the income of the electrical company.

E.D.A.R. de Valverde del Júcar

Este proyecto, tiene por objeto, definir las diferentes obras e instalaciones necesarias para poder realizar, de acuerdo con la normativa vigente, el tratamiento de la totalidad de las aguas residuales producidas en el municipio de Valverde del Júcar, situando en la provincia de Cuenca. Las obras que se consideran incluidas en la construcción de la E.D.A.R. de Valverde del Júcar son las siguientes: Bombeo de las aguas residuales a tratar. Toma de entrada de las aguas residuales a la estación de tratamiento Instalaciones de tratamiento de las aguas residuales (E.D.A.R.) Restitución del efluente tratado Instalaciones de energía eléctrica, agua potable y telefonía necesarias para el funcionamiento correcto de la estación. Carretera de acceso a la planta.

Neighborhood-corrected interface discontinuity factors for multi-group pin-by-pin diffusion calculations for LWR

Performing three-dimensional pin-by-pin full core calculations based on an improved solution of the multi-group diffusion equation is an affordable option nowadays to compute accurate local safety parameters for light water reactors. Since a transport approximation is solved, appropriate correction factors, such as interface discontinuity factors, are required to nearly reproduce the fully heterogeneous transport solution. Calculating exact pin-by-pin discontinuity factors requires the knowledge of the heterogeneous neutron flux distribution, which depends on the boundary conditions of the pin-cell as well as the local variables along the nuclear reactor operation. As a consequence, it is impractical to compute them for each possible configuration; however, inaccurate correction factors are one major source of error in core analysis when using multi-group diffusion theory. An alternative to generate accurate pin-by-pin interface discontinuity factors is to build a functional-fitting that allows incorporating the environment dependence in the computed values. This paper suggests a methodology to consider the neighborhood effect based on the Analytic Coarse-Mesh Finite Difference method for the multi-group diffusion equation. It has been applied to both definitions of interface discontinuity factors, the one based on the Generalized Equivalence Theory and the one based on Black-Box Homogenization, and for different few energy groups structures. Conclusions are drawn over the optimal functional-fitting and demonstrative results are obtained with the multi-group pin-by-pin diffusion code COBAYA3 for representative PWR configurations.

Pre-Feasibility Study of Hybrid Wind Power-H-2 System Connected to Electrical Grid

The growth of wind power as an electric energy source is profitable from an environmental point of view and improves the energetic independence of countries with little fossil fuel resources. However, the wind resource randomness poses a great challenge in the management of electric grids. This study raises the possibility of using hydrogen as a mean to damp the variability of the wind resource. Thus, it is proposed the use of all the energy produced by a typical wind farm for hydrogen generation, that will in turn be used after for suitable generation of electric energy according to the operation rules in a liberalized electric market.

Use of STATCOM in wind farms with fixed-speed generators for grid code compliance

The increasing penetration of wind energy into power systems has pushed grid operators to set new requirements for this kind of generating plants in order to keep acceptable and reliable operation of the system. In addition to the low voltage ride through capability, wind farms are required to participate in voltage support, stability enhancement and power quality improvement. This paper presents a solution for wind farms with fixed-speed generators based on the use of STATCOM with braking resistor and additional series impedances, with an adequate control strategy. The focus is put on guaranteeing the grid code compliance when the wind farm faces an extensive series of grid disturbances.

Central geotérmica de alta entalpía en La Jacetania

El presente documento tiene como objeto la construcción de una central geotérmica de alta entalpía, estimulada con tecnología EGS, para la generación de electricidad, en el municipio de Jaca, provincia de Huesca. El desarrollo de esta memoria se inicia con una aproximación al recurso geotérmico y a su explotación -centrándose en la producción eléctrica a partir del mismo- tanto a nivel mundial como a nivel nacional, teniendo en cuenta la normativa vigente de aplicación en cada caso y las ventajas que supone el uso de este recurso frente a otras alternativas. Seguidamente, se indican los parámetros que permiten caracterizar dicho recurso, así como las diferentes tecnologías con las cuáles éste es aprovechable. Una vez enmarcado de manera global el recurso y sus distintas formas de aprovechamiento, y justificada convenientemente la decisión de ejecución y la idoneidad de su ubicación, se procede finalmente a resumir de forma concisa pero suficiente los datos previos necesarios para desarrollar el proyecto, los aspectos fundamentales de su diseño y el conjunto de características técnico-administrativas que se deben tener en cuenta para su ejecución y explotación.

Parque eólico offshore "Sierra de Irta"

Teniendo en cuenta que está prevista la construcción y desarrollo de un gran polígono industrial en las cercanías del Término Municipal de Peñíscola (Castellón), se pretende que parte del abastecimiento de energía eléctrica a dicho polígono provenga del Parque Eólico Offshore “Sierra de Irta”. Una de las razones de da sentido a esta idea es la creación de una nueva instalación de generación de energía renovable que cause la mínima afección posible al Parque Natural Sierra de Irta, enclavado en las proximidades de Peñíscola. Además se pretende aprovechar el potencial energético de los vientos de la zona, pues según unos estudios realizados anteriormente presentan unas características óptimas para las instalaciones eólicas.

Central de ciclo combinado de Lemóiz

El presente proyecto desarrolla el diseño de un central de ciclo combinado de 800MW de potencia nominal y establece los parámetros para su construcción. La central se ha diseñado con una configuración 1×1, es decir, turbina de gas, generador y turbina de vapor engranadas en un mismo eje, constituyendo un grupo de potencia de 400MW. La central se compone de dos de estos grupos, alimentado cada uno por una caldera de recuperación. La evacuación de gases de combustión se efectúa por medio de una chimenea de 13m de diámetro interior y 80m de altura, fabricada en hormigón armado. El circuito de refrigeración abierto, vertiendo directamente el agua de refrigeración al mar, se ha diseñado para producir un impacto mínimo sobre el medio marino. Se ha proyectado para aprovechar todo lo posible las estructuras existentes en el emplazamiento, pertenecientes a la construcción de la Central Nuclear de Lemóiz. No se ha considerado necesario para la construcción de la central demoler los edificios de la central nuclear, por haber espacio suficiente en la explanada adyacente. Se reducen así los costes de acondicionamiento del terreno.

E.D.A.R. San Miguel de Serrezuela

Este proyecto tiene por objeto definir las diferentes obras e instalaciones necesarias para poder realizar, de acuerdo con la normativa vigente, el tratamiento de la totalidad de las aguas residuales producidas en los municipios de San Miguel de Serrezuela y Pascualcobo con una previsión de vida útil de 25 años. Las obras que se consideran incluidas en la construcción de la E.D.A.R. de San Miguel de Serrezuela son las siguientes: - Conducción de las aguas negras desde las poblaciones emisarias hasta la E.D.A.R. - Toma de entrada de las aguas residuales a la estación de tratamiento - Instalaciones de tratamiento de las aguas residuales (E.D.A.R.)- Restitución al arroyo del Moral del efluente tratado - Instalaciones de energía eléctrica, agua potable y telefonía necesarias para el funcionamiento correcto de la estación. - Acondicionamiento del camino de acceso existente a la planta. Así mismo se pretende la consecución en todo momento de unos requisitos mínimos de calidad, costes y funcionalidad que se pueden resumir en: - Buena relación coste/calidad. - Introducción de nuevas técnicas ya experimentadas con resultados óptimos. - Establecimiento de equilibrio entre los costes de primera inversión y los de mantenimiento. - Facilitar la explotación y mantenimiento de la instalación. - Reducción de costes de mantenimiento. - Aspecto estético de la instalación agradable.

Proyecto de urbanización del polígono industrial El Álamo. Depuración

Este proyecto tiene por objeto definir las diferentes obras e instalaciones necesarias para poder realizar, de acuerdo con la normativa vigente, el tratamiento de la totalidad de las aguas residuales procedentes del casco urbano del municipio de El Álamo y de su nuevo Polígono Industrial cuyo proyecto de urbanización se llevará a cabo conjuntamente. Las obras que se consideran incluidas en la construcción de la E.D.A.R. de El Álamo son las siguientes: - Bombeo de las aguas residuales a tratar, desde el emisario a la planta. - Toma de entrada de las aguas residuales a la estación de tratamiento. - Instalaciones de tratamiento de las aguas residuales. - Restitución al río Guadarrama del efluente tratado. - Instalaciones de energía eléctrica, agua potable y telefonía necesarias para el funcionamiento correcto de la estación. - Vía de acceso a la planta.

E.D.A.R. de Toledo Oeste

El objeto de este proyecto es definir las obras e instalaciones necesarias para tratar, de acuerdo a la normativa vigente, las aguas residuales de la ciudad de Toledo Oeste, a excepción de las del barrio “Polígono”, Santa Bárbara y las del Polígono industrial de Santa María de Benquerencia, de la misma localidad. Las obras de las que se compone la E.D.A.R. de la Ciudad de Toledo Oeste engloban: • Bombeo de las aguas residuales a tratar, desde el emisario a la planta de nueva construcción. • Toma de entrada de las aguas residuales a la estación de tratamiento • Instalaciones de tratamiento de las aguas residuales (E.D.A.R.) • Restitución al río Tajo del efluente tratado • Instalaciones de energía eléctrica, agua potable y telefonía necesarias para el funcionamiento correcto de la estación. • Carretera de acceso a la planta desde el Camino de Los Lavaderos

Optimizing three-phase planar transformer construction

A three-phase transformer with flat conductor layers is proposed in this article. This arrangement is used for high current density transformers. Cost effectiveness in planar magnetic are related with the optimization in the number of layers in each winding. This fact takes more relevance for the medium and high power three-phase transformers where the number of parallels to achieve the required DCR is increased. The proposed method allows the use of off-the-shell core shapes that are used for single phase transformers. Cost impact is significant and design implications become more flexible. The proposed solution has been validated and compared using the conventional and the proposed methodologies to design a high power (20 kW) transformer.

Power system stability of a small sized isolated network supplied by a combined wind-pumped storage generation system: a case study in the Canary Islands

Massive integration of renewable energy sources in electrical power systems of remote islands is a subject of current interest. The increasing cost of fossil fuels, transport costs to isolated sites and environmental concerns constitute a serious drawback to the use of conventional fossil fuel plants. In a weak electrical grid, as it is typical on an island, if a large amount of conventional generation is substituted by renewable energy sources, power system safety and stability can be compromised, in the case of large grid disturbances. In this work, a model for transient stability analysis of an isolated electrical grid exclusively fed from a combination of renewable energy sources has been studied. This new generation model will be installed in El Hierro Island, in Spain. Additionally, an operation strategy to coordinate the generation units (wind, hydro) is also established. Attention is given to the assessment of inertial energy and reactive current to guarantee power system stability against large disturbances. The effectiveness of the proposed strategy is shown by means of simulation results.