Análise espectral das equações de transporte de nêutrons na formulação de ordenadas discretas em meios multiplicativos

É presentada nesta dissertação uma análise espectral das equações de transporte de nêutrons, independente do tempo, em geometria unidimensional e bidimensional, na formulação de ordenadas discretas (SN), utilizando o modelo de uma velocidade e multigrupo, considerando meios onde ocorrem o fenômeno da fissão nuclear. Esta análise espectral constitui-se na resolução de problemas de autovalores e respectivos autovetores, e reproduz a expressão para a solução geral analítica local das equações SN (para geometria unidimensional) ou das equações nodais integradas transversalmente (geometria retangular bidimensional) dentro de cada região homogeneizada do domínio espacial. Com a solução geral local determinada, métodos numéricos, tais como os métodos de matriz de resposta SN, podem ser derivados. Os resultados numéricos são gerados por programas de computadores implementados em MatLab, versão 2012, a fim de verificar a natureza dos autovalores e autovetores correspondentes no espaço real ou complexo.

Caracterização de um sistema digital de aquisição de imagens radiográficas utilizando nêutrons térmicos e raios gama para a inspeção de componentes mecânicos.

Ensaio não destrutivo é uma ferramenta essencial quando um equipamento, dispositivo ou componente não pode ser submetido a procedimentos destrutivos ou invasivos devido a razões de segurança, alto custo ou outras restrições físicas ou logísticas. Dentro deste quadro radiografias por transmissão com raios gama e nêutrons térmicos são técnicas singulares para inspecionar um objeto e desvendar sua estrutura interna devido à capacidade de atravessar uma vasta gama de materiais utilizados na indústria. Grosso modo, raios gama são mais atenuados por materiais pesados enquanto nêutrons térmicos são mais atenuados por materiais mais leves, tornando-as ferramentas complementares. Este trabalho apresenta os resultados obtidos na inspeção de vários componentes mecânicos, através da radiografia por transmissão com nêutrons térmicos e raios gama. O fluxo de nêutrons térmicos de 4,46x105 n.cm-2.s-1 disponível no canal principal do reator de pesquisa Argonauta do Instituto de Engenharia Nuclear foi usado como fonte para as imagens radiográficas com nêutrons. Raios dekeV emitidos pelo 198Au, também produzido no reator, foram usados como fonte de radiação para radiografias . Imaging Plates, especificamente produzidos para operar com nêutrons térmicos ou com raios X, foram empregados como detectores e dispositivos de armazenamento e captação de imagens para cada uma dessas radiações. Esses dispositivos exibem varias vantagens quando comparados ao filme radiográfico convencional. Com efeito, além de maior sensibilidade e serem reutilizáveis não são necessários câmaras escuras e processamento químico para a revelação. Em vez disso, ele é lido por um feixe de laser que libera elétrons armadilhados na rede cristalina durante a exposição à radiação, fornecendo uma imagem final digital. O desempenho de ambos os sistemas de aquisição de imagens, assim constituído, foi avaliado com respeito à sensibilidade, resolução espacial, linearidade e range dinâmico, incluído uma comparação com sistemas radiográficos com nêutrons empregando filmes e folhas de gadolínio como conversor de nêutrons em partículas carregadas. Além desta caracterização, diversos equipamentos e componentes foram radiografados com ambos os sistemas visando-se avaliar suas capacidades de desvendar a estrutura interna desses objetos e detectar estruturas e estados anormais. Dentro desta abordagem, uma neutrongrafia detectou a presença de material cerâmico remanescente empregado como molde no processo de fabricação nos canais de refrigeração de uma aleta do estator de uma turbina tipo turbo-fan, que deveria estar livre desse material. O reostato danificado de um sensor de pressão automotivo, foi identificado por neutrongrafia, embora nesse caso a radiografia também conseguiu realizar essa tarefa com melhor resolução, corroborando assim as curvas de resolução espacial obtidas na caracterização dos dois sistemas. A homogeneidade da distribuição do material encapsulado em uma gaxeta explosiva de chumbo utilizada na indústria aeroespacial foi igualmente verificada por neutrongrafia porque esse metal é relativamente transparente para nêutrons, mas suficientemente opaco para o explosivo rico em hidrogênio. Diversos outros instrumentos e componentes tais como variômetro, altímetro, bússola aeronáutica, injetor automotivo de combustível, foto-camera, disco rígido de computador, motor de passo, conectores eletrônicos e projéteis foram radiografados com ambos os sistemas visando avaliar suas habilidades em desvendar diferentes peculiaridades em função do agente interrogador.

Emissividade de neutrinos pelo processo Urca direto na presença de um campo magnético

As estrelas de nêutrons nascem com altas temperaturas (~ 1011 K) e durante alguns segundos sofrem um rápido resfriamento por emissão de neutrinos. O processo Urca direto é o principal mecanismo para explicar essa perda de energia. O problema do resfriamento das estrelas de nêutrons é um problema de grande interesse porque seu entendimento pode fornecer informações importantes sobre a constituição do interior da estrela. Na literatura existente até o momento, a emissividade de neutrinos é calculada considerando os núcleons como partículas não relativísticas quando considerados todos os níveis de Landau das partículas carregadas. Por outro lado, a emissividade de neutrinos para núcleons relativísticos é calculada considerando somente o primeiro nível de Landau (para campo magnético forte). Para campos magnéticos fracos, onde mais de um nível de Landau é ocupado, é usada a emissividade correspondente à do campo nulo. Neste trabalho aplicamos a teoria de Weinberg-Salan para interações fracas no cálculo da emissividade de neutrinos com e sem campo magnético presente, num cálculo totalmente relativístico para os núcleons e considerando todos os níveis de Landau. Esta é a contribuição original do trabalho. Para descrever a matéria a altas densidades, utilizamos uma teoria relativística de campo médio a temperatura zero que inclui apenas o octeto bariônico e os léptons mais leves. São apresentados os resultados para a emissividade de neutrinos, onde é evidente a ocupação dos diferentes níveis de Landau como função do campo magnético.

Estudo de pressão de poros a partir de dados de poços no Terciário da Bacia de Campos

O trabalho aqui apresentado teve como objetivo, avaliar o método de Eaton (1975) aplicado ao cálculo de pressão de poros das formações rochosas em subsuperfície, utilizando dados de perfis de poços no que diz respeito a porosidade, tais como, o Tempo de Transito da onda compressional, Resistividade, Densidade e Neutrão. Posteriormente foi avaliado o resultado alcançado por esta técnica e confrontado com o dado obtido pelo registro de pressão real da formação, adquirido pela ferramenta de perfilagem MDT. Distribuídos em 6 poços perfurados na porção sul da Bacia de Campos, o intervalo cronoestratigráfico estudado está compreendido no período geológico Terciário, e os registros de pressão real da formação foram adquiridos nos reservatórios turbidíticos da Formação Carapebus (Eoceno). Apesar de existir um mecanismo causador de anomalia de pressão na bacia (Desequilíbrio de Compactação Difícil migração dos fluidos ao longo do tempo geológico) devido ao forte aporte sedimentar sustentado pelo soerguimento da Serra do Mar no Eoceno, os resultados encontrados não apontaram qualquer tipo de alteração nas respostas dos perfis utilizados, onde a referência foi a assinatura do perfil sônico em um trend normal de compactação compreendido por rochas argilosas dentro do intervalo cronoestratigráfico estudado. O presente trabalho atesta que a boa calibração do trend de ompactação normal em rochas argilosas, juntamente com a similaridade entre o resultado obtido pelo cálculo da pressão de poros a partir do perfil sônico, e os valores reais registrados diretamente na formação, pela ferramenta de registro de pressões (MDT), comprovam a aplicabilidade do método de Eaton (1975) para o cálculo de geopressões a partir de um conjunto básico de perfis de poços tais como: Raios Gama, Resistividade, Velocidade Acústica, Densidade e Neutrão

Condições de contorno tipo albedo para cálculos globais de reatores nucleares com o modelo de dois grupos de energia na formulação de transporte SN em geometria bidimensional cartesiana

Os eventos de fissão nuclear, resultados da interação dos nêutrons com os núcleos dos átomos do meio hospedeiro multiplicativo, não estão presentes em algumas regiões dos reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais. Nesses domínios espaciais não há geração de potência nuclear térmica e, além disso, comprometem a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares. Propomos nesta tese uma estratégia visando a aumentar a eficiência computacional dessas simulações eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas (baffle e refletor) em torno do núcleo ativo. Apresentamos algumas modelagens e discutimos a eficiência da aplicação dessas condições de contorno aproximadas tipo albedo para uma e duas regiões nãomultiplicativas, na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. A denominação Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definida como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta denominação latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e, nesta tese, este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Estas condições de contorno tipo albedo SN não-convencional substituem aproximadamente as regiões de baffle e refletor no em torno do núcleo ativo do reator, desprezando os termos de fuga transversal no interior dessas regiões. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta tese, são exatas. Por eficiência computacional entende-se a análise da precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos considerando dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.

Estimativa de fontes externas uniformes de nêutrons em regiões combustíveis para uma distribuição prescrita de potência

Projetos de reatores nucleares foram classificados em quatro gerações (Gen) pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da América (DOE), quando o DOE introduziu o conceito de reatores de geração IV (Gen IV). Reatores Gen IV são um conjunto de projetos de reator nuclear, em sua maioria teóricos, atualmente sendo pesquisados. Entre os projetos Gen IV, incluem-se os projetos dos ADS (Accelerator Driven Systems), que são sistemas subcríticos estabilizados por fontes externas estacionárias de nêutrons. Estas fontes externas de nêutrons são normalmente geradas a partir da colisão de prótons com alta energia contra os núcleos de metais pesados presentes no núcleo do reator, fenômeno que é conhecido na literatura como spallation, e os prótons são acelerados num acelerador de partículas que é alimentado com parte da energia gerada pelo reator. A criticalidade de um sistema mantido por reações de fissão em cadeia depende do balanço entre a produção de nêutrons por fissão e a remoção por fuga pelos contornos e absorção de nêutrons. Um sistema está subcrítico quando a remoção por fuga e absorção ultrapassa a produção por fissão e, portanto, tende ao desligamento. Entretanto, qualquer sistema subcrítico pode ser estabilizado pela inclusão de fontes estacionárias de nêutrons em seu interior. O objetivo central deste trabalho é determinar as intensidades dessas fontes uniformes e isotrópicas de nêutrons, que se deve inserir em todas as regiões combustíveis do sistema, para que o mesmo estabilize-se gerando uma distribuição prescrita de potência elétrica. Diante do exposto, foi desenvolvido neste trabalho um aplicativo computacional em linguagem Java que estima as intensidades dessas fontes estacionárias de nêutrons, que devem ser inseridas em cada região combustível para que estabilizem o sistema subcrítico com uma dada distribuição de potência definida pelo usuário. Para atingir este objetivo, o modelo matemático adotado foi a equação unidimensional de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas (SN) e o convencional método de malha fina diamond difference (DD) foi utilizado para resolver numericamente os problemas SN físicos e adjuntos. Resultados numéricos para dois problemas-modelos típicos são apresentados para ilustrar a acurácia e eficiência da metodologia proposta.

Singing flames - The coupling of acoustics and combustion

An overview of the physics of the interaction between sound and flames is presented. The flame dynamics are investigated through experiment and computer modelling. The complementary rôles of wave analysis, low-order models for unsteady combustion, Computational Fluid Dynamics and experiment are illustrated by examples of oscillations in gas turbine combustors and in generic premixed ducted flames. The potential for 'antisound' and passive acoustic absorbers to eliminate the instability is also discussed.

Interfacial immobilization of monoclonal antibody and detection of human prostate-specific antigen.

Antibody orientation and its antigen binding efficiency at interface are of particular interest in many immunoassays and biosensor applications. In this paper, spectroscopic ellipsometry (SE), neutron reflection (NR), and dual polarization interferometry (DPI) have been used to investigate interfacial assembly of the antibody [mouse monoclonal anti-human prostate-specific antigen (anti-hPSA)] at the silicon oxide/water interface and subsequent antigen binding. It was found that the mass density of antibody adsorbed at the interface increased with solution concentration and adsorption time while the antigen binding efficiency showed a steady decline with increasing antibody amount at the interface over the concentration range studied. The amount of antigen bound to the interfacial immobilized antibody reached a maximum when the surface-adsorbed amount of antibody was around 1.5 mg/m(2). This phenomenon is well interpreted by the interfacial structural packing or crowding. NR revealed that the Y-shaped antibody laid flat on the interface at low surface mass density with a thickness around 40 Å, equivalent to the short axial length of the antibody molecule. The loose packing of the antibody within this range resulted in better antigen binding efficiency, while the subsequent increase of surface-adsorbed amount led to the crowding or overlapping of antibody fragments, hence reducing the antigen binding due to the steric hindrance. In situ studies of antigen binding by both NR and DPI demonstrated that the antigen inserted into the antibody layer rather than forming an additional layer on the top. Stability assaying revealed that the antibody immobilized at the silica surface remained stable and active over the monitoring period of 4 months. These results are useful in forming a general understanding of antibody interfacial behavior and particularly relevant to the control of their activity and stability in biosensor development.

An investigation into the residual stresses in an aluminium 2024 test weld

This paper uses finite element (FE) analysis to examine the residual stresses generated during the TIG welding of aluminium aerospace alloys. It also looks at whether such an approach could be useful for evaluating the effectiveness of various residual stress control techniques. However, such simulations cannot be founded in a vacuum. They require accurate measurements to refine and validate them. The unique aspect of this work is that two powerful engineering techniques are combined: FE modelling and neutron diffraction. Weld trials were performed and the direct measurement of residual strain made using the ENGIN neutron diffraction strain scanning facility. The predicted results show an excellent agreement with experimental values. Finally this model is used to simulate a weld made using a "Low Stress No Distortion" (LSND) technique. Although the stress reduction predicted is only moderate, the study suggests the approach to be a quick and efficient means of optimising such techniques.

Broadband ultrafast pulse generation with double wall carbon nanotubes

Materials with nonlinear optical properties are much sought after for ultrafast photonic applications. Mode-locked lasers can generate ultrafast pulses using saturable absorbers[1]. Currently, the dominant technology is based on semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs). However, narrow tuning range (tens of nm), complex fabrication and packaging limit their applications[2]. Single wall nanotubes (SWNTs) and graphene offer simpler and cost-effective solutions[1]. Broadband operation can be achieved in SWNTs using a distribution of tube diameters[1,3], or by using graphene[4-8], due to the gapless linear dispersion of Dirac electrons[8,9]. © 2011 IEEE.

Characterization of dynamic nonlinear absorption of carbon nanotube saturable absorber

Dynamic nonlinear absorption of composite-type single-wall carbon nanotube saturable absorbers is characterized using both femtosecond and picosecond pump pulses. Results are compared with numerical simulations based on two commonly used saturable absorber models. © 2010 Optical Society of America.

Properties of tetrahedral amorphous carbon prepared by vacuum arc deposition

The structural, optical, electrical and physical properties of amorphous carbon deposited from the filtered plasma stream of a vacuum arc were investigated. The structure was determined by electron diffraction, neutron diffraction and energy loss spectroscopy and the tetrahedral coordination of the material was confirmed. The measurements gave a nearest neighbour distance of 1.53 Å, a bond angle of 110 and a coordination number of four. A model is proposed in which the compressive stress generated in the film by energetic ion impact produces pressure and temperature conditions lying well inside the region of the carbon phase diagram within which diamond is stable. The model is confirmed by measurements of stress and plasmon energy as a function of ion energy. The model also predicts the formation of sp2-rich materials on the surface owing to stress relaxation and this is confirmed by a study of the surface plasmon energy. Some nuclear magnetic resonance, infrared and optical properties are reported and the behaviour of diodes using tetrahedral amorphous carbon is discussed. © 1991.

The mechanical integrity of fuel pin cladding in a pulsed-beam accelerator driven subcritical reactor

The Accelerator Driven Subcritical Reactor (ADSR) is one of the reactor designs proposed for future nuclear energy production. Interest in the ADSR arises from its enhanced and intrinsic safety characteristics, as well as its potential ability to utilize the large global reserves of thorium and to burn legacy actinide waste from other reactors and decommissioned nuclear weapons. The ADSR concept is based on the coupling of a particle accelerator and a subcritical core by means of a neutron spallation target interface. One of the candidate accelerator technologies receiving increasing attention, the Fixed Field Alternating Gradient (FFAG) accelerator, generates a pulsed proton beam. This paper investigates the impact of pulsed proton beam operation on the mechanical integrity of the fuel pin cladding. A pulsed beam induces repetitive temperature changes in the reactor core which lead to cyclic thermal stresses in the cladding. To perform the thermal analysis aspects of this study a code that couples the neutron kinetics of a subcritical core to a cylindrical geometry heat transfer model was developed. This code, named PTS-ADS, enables temperature variations in the cladding to be calculated. These results are then used to perform thermal fatigue analysis and to predict the stress-life behaviour of the cladding. © 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The effect of beam interruptions on the integrity of ADSR fuel pin cladding: A thermo-mechanical analysis

During its lifetime in the core, the cladding of an Accelerator Driven Subcritical Reactor (ADSR) fuel pin is expected to experience variable stresses due to frequent interruptions in the accelerator proton beam. This paper investigates the thermal fatigue damage in the cladding due to repetitive and unplanned beam interruptions under certain operational conditions. Beam trip data was obtained for four operating high power proton accelerators, among which the Spallation Neutron Source (SNS) superconducting accelerator was selected for further analysis. 9Cr-1Mo-Nb-V (T91) steel was selected as the cladding material because of its proven compatibility with proposed ADSR design concepts. The neutronic, thermal and stress analyses were performed using the PTS-ADS, a code that has been specifically developed for studying the dynamic response to beam-induced transients in accelerator driven subcritical systems. The lifetime of the fuel cladding in the core was estimated for three levels of allowed pin power and specific operating conditions. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.