Neutronics analyses for fast spectrum nuclear systems and scenario studies for advanced nuclear fuel cycles

The present PhD thesis summarizes the three-years study about the neutronic investigation of a new concept nuclear reactor aiming at the optimization and the sustainable management of nuclear fuel in a possible European scenario. A new generation nuclear reactor for the nuclear reinassance is indeed desired by the actual industrialized world, both for the solution of the energetic question arising from the continuously growing energy demand together with the corresponding reduction of oil availability, and the environment question for a sustainable energy source free from Long Lived Radioisotopes and therefore geological repositories. Among the Generation IV candidate typologies, the Lead Fast Reactor concept has been pursued, being the one top rated in sustainability. The European Lead-cooled SYstem (ELSY) has been at first investigated. The neutronic analysis of the ELSY core has been performed via deterministic analysis by means of the ERANOS code, in order to retrieve a stable configuration for the overall design of the reactor. Further analyses have been carried out by means of the Monte Carlo general purpose transport code MCNP, in order to check the former one and to define an exact model of the system. An innovative system of absorbers has been conceptualized and designed for both the reactivity compensation and regulation of the core due to cycle swing, as well as for safety in order to guarantee the cold shutdown of the system in case of accident. Aiming at the sustainability of nuclear energy, the steady-state nuclear equilibrium has been investigated and generalized into the definition of the ``extended'' equilibrium state. According to this, the Adiabatic Reactor Theory has been developed, together with a New Paradigm for Nuclear Power: in order to design a reactor that does not exchange with the environment anything valuable (thus the term ``adiabatic''), in the sense of both Plutonium and Minor Actinides, it is required indeed to revert the logical design scheme of nuclear cores, starting from the definition of the equilibrium composition of the fuel and submitting to the latter the whole core design. The New Paradigm has been applied then to the core design of an Adiabatic Lead Fast Reactor complying with the ELSY overall system layout. A complete core characterization has been done in order to asses criticality and power flattening; a preliminary evaluation of the main safety parameters has been also done to verify the viability of the system. Burn up calculations have been then performed in order to investigate the operating cycle for the Adiabatic Lead Fast Reactor; the fuel performances have been therefore extracted and inserted in a more general analysis for an European scenario. The present nuclear reactors fleet has been modeled and its evolution simulated by means of the COSI code in order to investigate the materials fluxes to be managed in the European region. Different plausible scenarios have been identified to forecast the evolution of the European nuclear energy production, including the one involving the introduction of Adiabatic Lead Fast Reactors, and compared to better analyze the advantages introduced by the adoption of new concept reactors. At last, since both ELSY and the ALFR represent new concept systems based upon innovative solutions, the neutronic design of a demonstrator reactor has been carried out: such a system is intended to prove the viability of technology to be implemented in the First-of-a-Kind industrial power plant, with the aim at attesting the general strategy to use, to the largest extent. It was chosen then to base the DEMO design upon a compromise between demonstration of developed technology and testing of emerging technology in order to significantly subserve the purpose of reducing uncertainties about construction and licensing, both validating ELSY/ALFR main features and performances, and to qualify numerical codes and tools.

Algorithms and Models For Combinatorial Optimization Problems

In this thesis we present some combinatorial optimization problems, suggest models and algorithms for their effective solution. For each problem,we give its description, followed by a short literature review, provide methods to solve it and, finally, present computational results and comparisons with previous works to show the effectiveness of the proposed approaches. The considered problems are: the Generalized Traveling Salesman Problem (GTSP), the Bin Packing Problem with Conflicts(BPPC) and the Fair Layout Problem (FLOP).

Progettazione del riduttore in un sistema di trasmissione per autoveicoli a propulsione ibrida completa

Questa tesi di laurea descrive il progetto del riduttore, usato per realizzare la trasmissione del moto dal motore elettrico alle ruote di un autoveicolo ibrido o elettrico. Per prima cosa vengono analizzate le caratteristiche richieste al riduttore, definendone il layout ed il rapporto di riduzione; successivamente si studiano le sollecitazioni a cui il rotismo sarà sottoposto, per definire correttamente un ciclo di carico da usare nel dimensionamento dei vari componenti. Fatto ciò, vengono calcolati e modellati i componenti interni del riduttore. Infine viene anche eseguito uno studio funzionale della carcassa che dovrà contenere tali componenti.

Analisi e simulazione FEM del processo di infusione sottovuoto "VARI" di una passerella nautica

Tesi svolta presso l'azienda “Riba composites S.r.l.” con lo scopo di riprogettare una passerella nautica utilizzata in imbarcazioni a vela da competizione, attualmente realizzata mediante formatura in autoclave di tessuti pre-impregnati, per il processo produttivo di Vacuum Assisted Resin Injection (VARI). La formatura in autoclave di tessuti pre-­impregnati è una delle tecnologie più onerose, tra i vari processi produttivi nel settore dei materiali compositi, ma assicura proprietà meccaniche e livelli estetici superlativi. L’obiettivo della Riba Composites è ridurre i costi di produzione per offrire un prodotto dalle proprietà analoghe a un prezzo più competitivo. Nella fase di riprogettazione ci siamo affidati a un software di calcolo agli elementi finiti che simula il processo del VARI, l’applicativo PAM-­RTM, del gruppo ESI. Al fine di ottenere una simulazione quanto più precisa possibile del processo, abbiamo realizzato molteplici prove sperimentali per ricavare i valori di compressibilità e permeabilità dei rinforzi da inserire nel software FEM.

Electrothermal characterization and nonlinear modelling of GaN transistors for telecommunication circuit design

This thesis starts showing the main characteristics and application fields of the AlGaN/GaN HEMT technology, focusing on reliability aspects essentially due to the presence of low frequency dispersive phenomena which limit in several ways the microwave performance of this kind of devices. Based on an equivalent voltage approach, a new low frequency device model is presented where the dynamic nonlinearity of the trapping effect is taken into account for the first time allowing considerable improvements in the prediction of very important quantities for the design of power amplifier such as power added efficiency, dissipated power and internal device temperature. An innovative and low-cost measurement setup for the characterization of the device under low-frequency large-amplitude sinusoidal excitation is also presented. This setup allows the identification of the new low frequency model through suitable procedures explained in detail. In this thesis a new non-invasive empirical method for compact electrothermal modeling and thermal resistance extraction is also described. The new contribution of the proposed approach concerns the non linear dependence of the channel temperature on the dissipated power. This is very important for GaN devices since they are capable of operating at relatively high temperatures with high power densities and the dependence of the thermal resistance on the temperature is quite relevant. Finally a novel method for the device thermal simulation is investigated: based on the analytical solution of the tree-dimensional heat equation, a Visual Basic program has been developed to estimate, in real time, the temperature distribution on the hottest surface of planar multilayer structures. The developed solver is particularly useful for peak temperature estimation at the design stage when critical decisions about circuit design and packaging have to be made. It facilitates the layout optimization and reliability improvement, allowing the correct choice of the device geometry and configuration to achieve the best possible thermal performance.

Progetto e realizzazione di riferimenti in tensione simmetrici in tecnologia CMOS

La tesi tratta del progetto e della realizzazione di un riferimento in tensione simmetrico e stabile in temperatura, realizzato in tecnologia CMOS. Nella progettazione analogica ad alta precisione ha assunto sempre più importanza il problema della realizzazione di riferimenti in tensione stabili in temperatura. Nella maggior parte dei casi vengono presentati Bandgap, ovvero riferimenti in tensione che sfruttano l'andamento in temperatura dell'energy gap del silicio al fine di ottenere una tensione costante in un ampio range di temperatura. Tale architettura risulta utile nei sistemi ad alimentazione singola compresa fra 0 e Vdd essendo in grado di generare una singola tensione di riferimento del valore tipico di 1.2V. Nella tesi viene presentato un riferimento in tensione in grado di offrire le stesse prestazioni di un Bandgap per quanto riguarda la variazione in temperatura ma in grado di lavorare sia in sistemi ad alimentazione singola che ad alimentazione duale. Il circuito proposto e' in grado di generare due tensioni, simmetriche rispetto a un riferimento dato, del valore nominale di ±450mV. All'interno della tesi viene descritto il progetto di due diverse architetture, entrambe in grado di generare le tensioni con le specifiche richieste. Le due architetture sono poi state confrontate analizzando in particolare la stabilità in temperatura, la potenza dissipata, il PSRR (Power Supply Rejection Ratio) e la simmetria delle tensioni generate. Al termine dell'analisi è stato poi implementato su silicio il circuito che garantiva le prestazioni migliori. In sede di disegno del layout su silicio sono stati affrontati i problemi derivanti dall'adattamento dei componenti al fine di ottenere una maggiore insensibilità del circuito stesso alle incertezze legate al processo di realizzazione. Infine sono state effettuate le misurazioni attraverso una probe station a 4 sonde per verificare il corretto funzionamento del circuito e le sue prestazioni.

Progettazione e sviluppo di estensioni per AContent

In questo documento di tesi viene descritta la progettazione e la realizzazione di estensioni per il sistema di authoring AContent. L'idea è di creare un'estensione dell'authoring tool che implementi il concetto di template ovvero strumenti di grande efficacia e di facile utilizzo nelle fasi di redazione dei contenuti. Si prevede di aggiungerli ad AContent senza la necessità di integrare un intero motore di template ma utilizzando strutture dati esistenti e specifiche standard di e-learning. I servizi aggiuntivi da offrire agli autori sono stati organizzati secondo tre approcci diversi da cui sono emersi tre livelli di template. Il Template di Layout che determina l'aspetto grafico dei contenuti, il Template di Pagina che definisce la struttura di ogni singola pagina e il Template di Struttura che propone e imposta un modello per la struttura dell'intero contenuto didattico. Il documento è costituito da una seconda parte di progetto che va a coinvolgere il sistema ATutor e pone grande attenzione sulle caratteristiche di interoperabilità fra l'authoring AContent e il LCMS ATutor. Lo scopo è quello di estendere le funzionalità di integrazione dei contenuti del sistema così da presentare materiale didattico esterno archiviato in AContent. Viene trattata l'integrazione di LTI all'interno dei due sistemi considerati assegnando i ruoli di Tool Provider (AContent), fornitore di contenuti didattici remoti e Tool Consumer (ATutor), richiedente di tali contenuti. Sono considerati, infine, i due moduli di ATutor AContent Repository e External Tool che si occupano di importare materiale didattico da AContent tramite il Web Service REST. Si prevede la loro modifica affinché, attraverso il canale di comunicazione LTI stabilito, siano in grado di creare dei Live Content Link ovvero riferimenti a contenuti remoti (esterni alla piattaforma utilizzata) aggiornati in tempo reale. Infatti, a differenza di una normale importazione di un LO esterno è previsto che venga creano un "riferimento". In questo modo, la modifica di una pagina sul Tool Provider AContent si ripercuoterà istantaneamente su tutti i contenuti dei Tool Consumer che hanno instaurato un Live Content Link con il provider.

Restauro del complesso di villa Cavalli tra conservazione e valorizzazione

L’attenzione dei pochi automobilisti che oggi passano velocemente per via Cavalli, nella frazione di Santa Maria Nuova, sotto il comune di Bertinoro (FC), non viene attirata dal palazzo settecentesco seminascosto dalla vegetazione che cresce incolta. L’edificio potrebbe passare per un casolare di campagna abbandonato, senza alcuna pretesa di bellezza, mutilato dei suoi terreni. Solo salendo lo scalone dissestato si può scoprire la ricchezza delle decorazione interne, stucchi baroccheggianti con maschere di volti provenienti da terre lontane e abbondanti cornucopie che circondano lo stemma della famiglia Cavalli. La piccola cappella della villa, in perfetto stato di conservazione, mostra, con un trionfo di stucchi, l’assunzione della Vergine al cielo, osservata dai santi Pietro e Paolo. Le quattro stanze centrali del piano nobile sono finemente dipinte con paesaggi marini e lacustri, stanze sepolcrali egizie e atrii di templi antichi. La ravennate famiglia dei marchesi Cavalli, una delle più ricche della zona nel XVIII e XIX secolo, utilizzava la villa come luogo di villeggiatura e come casino per la caccia. Testimonianze della loro presenza sono conservate nelle mappe storiche all’Archivio del Comune di Bertinoro e nell’Archivio parrocchiale di Santa Maria Nuova, dove si trovano descrizioni della ricchezza sia dell’edificio che delle terre possedute dai marchesi. Il complesso di villa Cavalli ha subito numerosi passaggi di proprietà dal 1900 ad oggi, è stato utilizzato come magazzino, pollaio, essiccatoio per il tabacco e le sue proprietà sono state frazionate fino a ridursi al piccolo parco presente oggi. Poiché gli attuali proprietari non possono garantire né la manutenzione ordinaria né quella straordinaria e il complesso è tutelato dal D. Lgs. 42/2004 Codice dei Beni Culturali e del Paesaggio è stato messo all’asta per tre volte, l’ultima nel dicembre 2011, senza risultato. La tesi sviluppa un’analisi dello stato di fatto della villa e del parco, partendo dal suo inserimento nel territorio fino allo studio dei dettagli costruttivi, per giungere ad un’ipotesi di progetto che vede il complesso strettamente legato a Santa Maria Nuova e alla sua gente. L’edificio fungerà da centro culturale, con mostre permanenti e temporanee, laboratori didattici, ludoteca per bambini e ospiterà la sede distaccata della biblioteca del comune di Bertinoro, ora inserita in un edificio di Santa Maria Nuova ma con dimensioni estremamente limitate. Si intendono effettuare interventi di consolidamento strutturale su tutti i solai della villa, su volte e copertura, con un atteggiamento di delicatezza verso il piano nobile, agendo dal piano inferiore e da quello superiore. Capitoli specifici trattano il restauro delle finiture e delle superfici dipinte e stuccate, per finire con l’intervento di adeguamento impiantistico e di valorizzazione del parco.

Studio e stabilizzazione di insalate di IV gamma

Negli ultimi 50 anni il mercato alimentare è stato caratterizzato da profondi cambiamenti influenzati soprattutto da evoluzioni sociali e da notevoli mutamenti delle abitudini alimentari (Riquelme et al., 1994). La costante diffusione dei grandi supermarket ed il recente interesse verso la salute e l’ambiente, nonché la modifica dello stile di vita da parte del consumatore, hanno portato le industrie alimentari a sviluppare nuovi metodi di conservazione e di distribuzione e tipologie di prodotti innovative, come i prodotti ortofrutticoli minimamente trasformati. La perdita di qualità dei prodotti ortofrutticoli minimamente trasformati è il risultato di complessi meccanismi chimici e biochimici che si traducono macroscopicamente in modificazioni a carico del colore, delle texture e delle caratteristiche organolettiche (Mencarelli & Massantini, 1994). A fronte dei suddetti fenomeni degradativi, in un contesto di incrementale aumento della domanda dei prodotti freschi, sani, ad elevata convenience e senza additivi chimici (Day, 2002) l’introduzione delle atmosfere protettive per la conservazione degli alimenti è risultata strategica per prolungare la shelf-life ed il mantenimento qualitativo dei prodotti freschi (Jeyas & Jeyamkondan, 2002). Le attuali tecnologie disponibili per le industrie alimentari permettono l’applicazione di condizioni di atmosfera modificata sia in fase di stoccaggio di prodotti ortofrutticoli sia in fase di condizionamento. Il primo obiettivo è generalmente la parziale rimozione dell’O2 e l’aumento dei livelli di CO2 nell’ambiente circostante il prodotto. Oltre ai gas usati tradizionalmente per la realizzazione delle atmosfere modificate, quali N2 e CO2, recentemente è aumentato l’interesse verso i potenziali effetti benefici di nuovi gas, quali argon (Ar) e protossido d’azoto (N2O). Questi ultimi, ora permessi in Europa per uso alimentare, sono risultati efficaci nell’inibizione della crescita microbica e delle reazioni enzimatiche degradative, a carico soprattutto del colore e della consistenza dei vegetali minimamente processati (Spencer, 1995; Kader et al., 1989; Watada et al., 1996). Premesso questo, in tale lavoro di tesi è stata effettuata una ricerca sugli effetti di N2, N2O e Ar e di differenti trattamenti ad immersione, noti come dipping (con acido ascorbico, acido citrico e cloruro di calcio), sul metabolismo di prodotti ortofrutticoli. In particolare, per ciò che concerne la parte sperimentale, gli obiettivi principali sono stati quelli di approfondire le potenzialità di tali gas e dipping nel mantenimento qualitativo (colore, consistenza, metabolismo respiratorio) e di verificare l’efficacia di interventi combinati di dipping e MAP (atmosfera modificata) nel prolungamento della shelf-life del prodotto. Questa sperimentazione è stata effettuata su due varietà di lattuga: una da cespo (Iceberg) e una da taglio (Lattughino).

Cache-aware development of high integrity real-time systems

Cost, performance and availability considerations are forcing even the most conservative high-integrity embedded real-time systems industry to migrate from simple hardware processors to ones equipped with caches and other acceleration features. This migration disrupts the practices and solutions that industry had developed and consolidated over the years to perform timing analysis. Industry that are confident with the efficiency/effectiveness of their verification and validation processes for old-generation processors, do not have sufficient insight on the effects of the migration to cache-equipped processors. Caches are perceived as an additional source of complexity, which has potential for shattering the guarantees of cost- and schedule-constrained qualification of their systems. The current industrial approach to timing analysis is ill-equipped to cope with the variability incurred by caches. Conversely, the application of advanced WCET analysis techniques on real-world industrial software, developed without analysability in mind, is hardly feasible. We propose a development approach aimed at minimising the cache jitters, as well as at enabling the application of advanced WCET analysis techniques to industrial systems. Our approach builds on:(i) identification of those software constructs that may impede or complicate timing analysis in industrial-scale systems; (ii) elaboration of practical means, under the model-driven engineering (MDE) paradigm, to enforce the automated generation of software that is analyzable by construction; (iii) implementation of a layout optimisation method to remove cache jitters stemming from the software layout in memory, with the intent of facilitating incremental software development, which is of high strategic interest to industry. The integration of those constituents in a structured approach to timing analysis achieves two interesting properties: the resulting software is analysable from the earliest releases onwards - as opposed to becoming so only when the system is final - and more easily amenable to advanced timing analysis by construction, regardless of the system scale and complexity.

L'insediamento minerario di Formignano. Progetto di conservazione e valorizzazione dell'esistente all'interno di un parco naturalistico.

Il progetto di tesi vede come oggetto l’insediamento minerario zolfifero di Formignano. Il lotto si trova in un parco naturalistico di grande bellezza, all’interno di un fitto sistema di itinerari cicloturistici che attirano appassionati da tutta Italia. La storia di questo luogo è stata ricostruita grazie ai rilievi effettuati nel 1985 da Giordano Conti e grazie alle fonti dell’Archivio Storico di Cesena, che hanno permesso uno studio approfondito del complesso di edifici, dei suoi momenti di accrescimento e del rapporto con il parco circostante. L’analisi è proseguita con una fase di ricerca puntuale sulla consistenza materica dei fabbricati e di indagine dello stato di conservazione. Il complesso sistema di edifici si trova in uno stato di conservazione precario dove le strutture sono fortemente compromesse. Questo ha portato all’elaborazione di un programma di rifunzionalizzazione dell’insediamento e alla definizione di molteplici interventi che si adattassero ad ogni caso specifico. L’idea di base prevede una valorizzazione del lotto e del parco naturalistico che lo circonda, realizzando un centro polifunzionale. Da queste ricerche e questi studi sull’insediamento sono emerse le principali criticità che hanno portato alla definizione di un progetto che vede l’utilizzo di due macrocategorie di interventi, applicati a due edifici, e applicabili a tutto il lotto: da una parte, per gli edifici in buono stato di conservazione, si prevedono operazioni dedicate alla manutenzione e al restauro vero e proprio delle strutture; dall’altra parte, per gli edifici di cui rimangono solo pochi resti, si prevedono opere legate alla riprogettazione. Secondo questa logica si è realizzato un progetto che miri alla valorizzazione, al recupero e alla riprogettazione dell’insediamento, e che possa avere sempre un atteggiamento di rispetto per l’identità dei manufatti e del parco in cui è inserito.

Micro-FEM models based on micro-CT reconstructions for the in vitro characterization of the elastic properties of trabecular bone tissue.

This master’s thesis describes the research done at the Medical Technology Laboratory (LTM) of the Rizzoli Orthopedic Institute (IOR, Bologna, Italy), which focused on the characterization of the elastic properties of the trabecular bone tissue, starting from october 2012 to present. The approach uses computed microtomography to characterize the architecture of trabecular bone specimens. With the information obtained from the scanner, specimen-specific models of trabecular bone are generated for the solution with the Finite Element Method (FEM). Along with the FEM modelling, mechanical tests are performed over the same reconstructed bone portions. From the linear-elastic stage of mechanical tests presented by experimental results, it is possible to estimate the mechanical properties of the trabecular bone tissue. After a brief introduction on the biomechanics of the trabecular bone (chapter 1) and on the characterization of the mechanics of its tissue using FEM models (chapter 2), the reliability analysis of an experimental procedure is explained (chapter 3), based on the high-scalable numerical solver ParFE. In chapter 4, the sensitivity analyses on two different parameters for micro-FEM model’s reconstruction are presented. Once the reliability of the modeling strategy has been shown, a recent layout for experimental test, developed in LTM, is presented (chapter 5). Moreover, the results of the application of the new layout are discussed, with a stress on the difficulties connected to it and observed during the tests. Finally, a prototype experimental layout for the measure of deformations in trabecular bone specimens is presented (chapter 6). This procedure is based on the Digital Image Correlation method and is currently under development in LTM.

Isolamento, variabilità ed espressione del gene PIMT in Girasole

Il vigore è un aspetto rilevante della qualità delle sementi, strettamente connesso al loro status fisiologico, al genotipo e alle condizioni di stoccaggio. Stress ossidativi e danni alle macromolecole sono alla base del deterioramento del seme, che è equipaggiato con sistemi protettivi e di riparazione. Uno di questi coinvolge l’L-isoaspartil metiltransferasi (PIMT) che ripara i misfolding proteici catalizzando la riconversione in aspartato dell’isoaspartile anomalo accumulato. Scopo di questo studio era valutare il possibile ruolo del meccanismo di riparazione di PIMT nel vigore del seme in girasole. Per questo il relativo gene è stato isolato e caratterizzato, la variabilità allelica determinata su un campione di linee inbred e l’espressione genica misurata in risposta all’invecchiamento accelerato (aging) e al priming. La sequenza codificante ottenuta è costituita da 4 esoni e contiene i 5 domini caratteristici delle metiltransferasi. Il gene mostra elevata similarità con gli ortologhi vegetali e scarsa diversità nucleotidica nei genotipi coltivati rappresentativi della variabilità della specie. Nella sequenza aminoacidica, comunque, sono state rinvenute tre sostituzioni che potrebbero influenzare la funzionalità enzimatica. Dal punto di vista fisiologico i genotipi considerati hanno esibito notevole variabilità di risposte ai trattamenti, sia in termini di vigore che di espressione genica. Aging e priming hanno prodotto generalmente gli effetti attesi, rispettivamente negativi e positivi, sulla germinabilità e sulla sua velocità. In generale l’espressione di PIMT è risultata massima nel seme secco, come riportato altrove, e ridotta dall’aging. Anche il priming ha diminuito l’espressione rispetto al seme quiescente, mentre il suo effetto dopo l’aging è risultato genotipo-dipendente. Tuttavia, nelle condizioni descritte, non si sono evidenziate correlazioni significative tra vigore ed espressione di PIMT, tali da suggerire un chiaro ruolo di questo meccanismo nella qualità fisiologica del seme.