Diseño de un módulo de IFMIF para irradiación de envolturas regeneradoras basadas en metales líquidos para reactores de fusión

La fusión nuclear es, hoy en día, una alternativa energética a la que la comunidad internacional dedica mucho esfuerzo. El objetivo es el de generar entre diez y cincuenta veces más energía que la que consume mediante reacciones de fusión que se producirán en una mezcla de deuterio (D) y tritio (T) en forma de plasma a doscientos millones de grados centígrados. En los futuros reactores nucleares de fusión será necesario producir el tritio utilizado como combustible en el propio reactor termonuclear. Este hecho supone dar un paso más que las actuales máquinas experimentales dedicadas fundamentalmente al estudio de la física del plasma. Así pues, el tritio, en un reactor de fusión, se produce en sus envolturas regeneradoras cuya misión fundamental es la de blindaje neutrónico, producir y recuperar tritio (fuel para la reacción DT del plasma) y por último convertir la energía de los neutrones en calor. Existen diferentes conceptos de envolturas que pueden ser sólidas o líquidas. Las primeras se basan en cerámicas de litio (Li2O, Li4SiO4, Li2TiO3, Li2ZrO3) y multiplicadores neutrónicos de Be, necesarios para conseguir la cantidad adecuada de tritio. Los segundos se basan en el uso de metales líquidos o sales fundidas (Li, LiPb, FLIBE, FLINABE) con multiplicadores neutrónicos de Be o el propio Pb en el caso de LiPb. Los materiales estructurales pasan por aceros ferrítico-martensíticos de baja activación, aleaciones de vanadio o incluso SiCf/SiC. Cada uno de los diferentes conceptos de envoltura tendrá una problemática asociada que se estudiará en el reactor experimental ITER (del inglés, “International Thermonuclear Experimental Reactor”). Sin embargo, ITER no puede responder las cuestiones asociadas al daño de materiales y el efecto de la radiación neutrónica en las diferentes funciones de las envolturas regeneradoras. Como referencia, la primera pared de un reactor de fusión de 4000MW recibiría 30 dpa/año (valores para Fe-56) mientras que en ITER se conseguirían <10 dpa en toda su vida útil. Esta tesis se encuadra en el acuerdo bilateral entre Europa y Japón denominado “Broader Approach Agreement “(BA) (2007-2017) en el cual España juega un papel destacable. Estos proyectos, complementarios con ITER, son el acelerador para pruebas de materiales IFMIF (del inglés, “International Fusion Materials Irradiation Facility”) y el dispositivo de fusión JT-60SA. Así, los efectos de la irradiación de materiales en materiales candidatos para reactores de fusión se estudiarán en IFMIF. El objetivo de esta tesis es el diseño de un módulo de IFMIF para irradiación de envolturas regeneradoras basadas en metales líquidos para reactores de fusión. El módulo se llamará LBVM (del inglés, “Liquid Breeder Validation Module”). La propuesta surge de la necesidad de irradiar materiales funcionales para envolturas regeneradoras líquidas para reactores de fusión debido a que el diseño conceptual de IFMIF no contaba con esta utilidad. Con objeto de analizar la viabilidad de la presente propuesta, se han realizado cálculos neutrónicos para evaluar la idoneidad de llevar a cabo experimentos relacionados con envolturas líquidas en IFMIF. Así, se han considerado diferentes candidatos a materiales funcionales de envolturas regeneradoras: Fe (base de los materiales estructurales), SiC (material candidato para los FCI´s (del inglés, “Flow Channel Inserts”) en una envoltura regeneradora líquida, SiO2 (candidato para recubrimientos antipermeación), CaO (candidato para recubrimientos aislantes), Al2O3 (candidato para recubrimientos antipermeación y aislantes) y AlN (material candidato para recubrimientos aislantes). En cada uno de estos materiales se han calculado los parámetros de irradiación más significativos (dpa, H/dpa y He/dpa) en diferentes posiciones de IFMIF. Estos valores se han comparado con los esperados en la primera pared y en la zona regeneradora de tritio de un reactor de fusión. Para ello se ha elegido un reactor tipo HCLL (del inglés, “Helium Cooled Lithium Lead”) por tratarse de uno de los más prometedores. Además, los valores también se han comparado con los que se obtendrían en un reactor rápido de fisión puesto que la mayoría de las irradiaciones actuales se hacen en reactores de este tipo. Como conclusión al análisis de viabilidad, se puede decir que los materiales funcionales para mantos regeneradores líquidos podrían probarse en la zona de medio flujo de IFMIF donde se obtendrían ratios de H/dpa y He/dpa muy parecidos a los esperados en las zonas más irradiadas de un reactor de fusión. Además, con el objetivo de ajustar todavía más los valores, se propone el uso de un moderador de W (a considerar en algunas campañas de irradiación solamente debido a que su uso hace que los valores de dpa totales disminuyan). Los valores obtenidos para un reactor de fisión refuerzan la idea de la necesidad del LBVM, ya que los valores obtenidos de H/dpa y He/dpa son muy inferiores a los esperados en fusión y, por lo tanto, no representativos. Una vez demostrada la idoneidad de IFMIF para irradiar envolturas regeneradoras líquidas, y del estudio de la problemática asociada a las envolturas líquidas, también incluida en esta tesis, se proponen tres tipos de experimentos diferentes como base de diseño del LBVM. Éstos se orientan en las necesidades de un reactor tipo HCLL aunque a lo largo de la tesis se discute la aplicabilidad para otros reactores e incluso se proponen experimentos adicionales. Así, la capacidad experimental del módulo estaría centrada en el estudio del comportamiento de litio plomo, permeación de tritio, corrosión y compatibilidad de materiales. Para cada uno de los experimentos se propone un esquema experimental, se definen las condiciones necesarias en el módulo y la instrumentación requerida para controlar y diagnosticar las cápsulas experimentales. Para llevar a cabo los experimentos propuestos se propone el LBVM, ubicado en la zona de medio flujo de IFMIF, en su celda caliente, y con capacidad para 16 cápsulas experimentales. Cada cápsula (24-22 mm de diámetro y 80 mm de altura) contendrá la aleación eutéctica LiPb (hasta 50 mm de la altura de la cápsula) en contacto con diferentes muestras de materiales. Ésta irá soportada en el interior de tubos de acero por los que circulará un gas de purga (He), necesario para arrastrar el tritio generado en el eutéctico y permeado a través de las paredes de las cápsulas (continuamente, durante irradiación). Estos tubos, a su vez, se instalarán en una carcasa también de acero que proporcionará soporte y refrigeración tanto a los tubos como a sus cápsulas experimentales interiores. El módulo, en su conjunto, permitirá la extracción de las señales experimentales y el gas de purga. Así, a través de la estación de medida de tritio y el sistema de control, se obtendrán los datos experimentales para su análisis y extracción de conclusiones experimentales. Además del análisis de datos experimentales, algunas de estas señales tendrán una función de seguridad y por tanto jugarán un papel primordial en la operación del módulo. Para el correcto funcionamiento de las cápsulas y poder controlar su temperatura, cada cápsula se equipará con un calentador eléctrico y por tanto el módulo requerirá también ser conectado a la alimentación eléctrica. El diseño del módulo y su lógica de operación se describe en detalle en esta tesis. La justificación técnica de cada una de las partes que componen el módulo se ha realizado con soporte de cálculos de transporte de tritio, termohidráulicos y mecánicos. Una de las principales conclusiones de los cálculos de transporte de tritio es que es perfectamente viable medir el tritio permeado en las cápsulas mediante cámaras de ionización y contadores proporcionales comerciales, con sensibilidades en el orden de 10-9 Bq/m3. Los resultados son aplicables a todos los experimentos, incluso si son cápsulas a bajas temperaturas o si llevan recubrimientos antipermeación. Desde un punto de vista de seguridad, el conocimiento de la cantidad de tritio que está siendo transportada con el gas de purga puede ser usado para detectar de ciertos problemas que puedan estar sucediendo en el módulo como por ejemplo, la rotura de una cápsula. Además, es necesario conocer el balance de tritio de la instalación. Las pérdidas esperadas el refrigerante y la celda caliente de IFMIF se pueden considerar despreciables para condiciones normales de funcionamiento. Los cálculos termohidráulicos se han realizado con el objetivo de optimizar el diseño de las cápsulas experimentales y el LBVM de manera que se pueda cumplir el principal requisito del módulo que es llevar a cabo los experimentos a temperaturas comprendidas entre 300-550ºC. Para ello, se ha dimensionado la refrigeración necesaria del módulo y evaluado la geometría de las cápsulas, tubos experimentales y la zona experimental del contenedor. Como consecuencia de los análisis realizados, se han elegido cápsulas y tubos cilíndricos instalados en compartimentos cilíndricos debido a su buen comportamiento mecánico (las tensiones debidas a la presión de los fluidos se ven reducidas significativamente con una geometría cilíndrica en lugar de prismática) y térmico (uniformidad de temperatura en las paredes de los tubos y cápsulas). Se han obtenido campos de presión, temperatura y velocidad en diferentes zonas críticas del módulo concluyendo que la presente propuesta es factible. Cabe destacar que el uso de códigos fluidodinámicos (e.g. ANSYS-CFX, utilizado en esta tesis) para el diseño de cápsulas experimentales de IFMIF no es directo. La razón de ello es que los modelos de turbulencia tienden a subestimar la temperatura de pared en mini canales de helio sometidos a altos flujos de calor debido al cambio de las propiedades del fluido cerca de la pared. Los diferentes modelos de turbulencia presentes en dicho código han tenido que ser estudiados con detalle y validados con resultados experimentales. El modelo SST (del inglés, “Shear Stress Transport Model”) para turbulencia en transición ha sido identificado como adecuado para simular el comportamiento del helio de refrigeración y la temperatura en las paredes de las cápsulas experimentales. Con la geometría propuesta y los valores principales de refrigeración y purga definidos, se ha analizado el comportamiento mecánico de cada uno de los tubos experimentales que contendrá el módulo. Los resultados de tensiones obtenidos, han sido comparados con los valores máximos recomendados en códigos de diseño estructural como el SDC-IC (del inglés, “Structural Design Criteria for ITER Components”) para así evaluar el grado de protección contra el colapso plástico. La conclusión del estudio muestra que la propuesta es mecánicamente robusta. El LBVM implica el uso de metales líquidos y la generación de tritio además del riesgo asociado a la activación neutrónica. Por ello, se han estudiado los riesgos asociados al uso de metales líquidos y el tritio. Además, se ha incluido una evaluación preliminar de los riesgos radiológicos asociados a la activación de materiales y el calor residual en el módulo después de la irradiación así como un escenario de pérdida de refrigerante. Los riesgos asociados al módulo de naturaleza convencional están asociados al manejo de metales líquidos cuyas reacciones con aire o agua se asocian con emisión de aerosoles y probabilidad de fuego. De entre los riesgos nucleares destacan la generación de gases radiactivos como el tritio u otros radioisótopos volátiles como el Po-210. No se espera que el módulo suponga un impacto medioambiental asociado a posibles escapes. Sin embargo, es necesario un manejo adecuado tanto de las cápsulas experimentales como del módulo contenedor así como de las líneas de purga durante operación. Después de un día de después de la parada, tras un año de irradiación, tendremos una dosis de contacto de 7000 Sv/h en la zona experimental del contenedor, 2300 Sv/h en la cápsula y 25 Sv/h en el LiPb. El uso por lo tanto de manipulación remota está previsto para el manejo del módulo irradiado. Por último, en esta tesis se ha estudiado también las posibilidades existentes para la fabricación del módulo. De entre las técnicas propuestas, destacan la electroerosión, soldaduras por haz de electrones o por soldadura láser. Las bases para el diseño final del LBVM han sido pues establecidas en el marco de este trabajo y han sido incluidas en el diseño intermedio de IFMIF, que será desarrollado en el futuro, como parte del diseño final de la instalación IFMIF. ABSTRACT Nuclear fusion is, today, an alternative energy source to which the international community devotes a great effort. The goal is to generate 10 to 50 times more energy than the input power by means of fusion reactions that occur in deuterium (D) and tritium (T) plasma at two hundred million degrees Celsius. In the future commercial reactors it will be necessary to breed the tritium used as fuel in situ, by the reactor itself. This constitutes a step further from current experimental machines dedicated mainly to the study of the plasma physics. Therefore, tritium, in fusion reactors, will be produced in the so-called breeder blankets whose primary mission is to provide neutron shielding, produce and recover tritium and convert the neutron energy into heat. There are different concepts of breeding blankets that can be separated into two main categories: solids or liquids. The former are based on ceramics containing lithium as Li2O , Li4SiO4 , Li2TiO3 , Li2ZrO3 and Be, used as a neutron multiplier, required to achieve the required amount of tritium. The liquid concepts are based on molten salts or liquid metals as pure Li, LiPb, FLIBE or FLINABE. These blankets use, as neutron multipliers, Be or Pb (in the case of the concepts based on LiPb). Proposed structural materials comprise various options, always with low activation characteristics, as low activation ferritic-martensitic steels, vanadium alloys or even SiCf/SiC. Each concept of breeding blanket has specific challenges that will be studied in the experimental reactor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). However, ITER cannot answer questions associated to material damage and the effect of neutron radiation in the different breeding blankets functions and performance. As a reference, the first wall of a fusion reactor of 4000 MW will receive about 30 dpa / year (values for Fe-56) , while values expected in ITER would be <10 dpa in its entire lifetime. Consequently, the irradiation effects on candidate materials for fusion reactors will be studied in IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility). This thesis fits in the framework of the bilateral agreement among Europe and Japan which is called “Broader Approach Agreement “(BA) (2007-2017) where Spain plays a key role. These projects, complementary to ITER, are mainly IFMIF and the fusion facility JT-60SA. The purpose of this thesis is the design of an irradiation module to test candidate materials for breeding blankets in IFMIF, the so-called Liquid Breeder Validation Module (LBVM). This proposal is born from the fact that this option was not considered in the conceptual design of the facility. As a first step, in order to study the feasibility of this proposal, neutronic calculations have been performed to estimate irradiation parameters in different materials foreseen for liquid breeding blankets. Various functional materials were considered: Fe (base of structural materials), SiC (candidate material for flow channel inserts, SiO2 (candidate for antipermeation coatings), CaO (candidate for insulating coatings), Al2O3 (candidate for antipermeation and insulating coatings) and AlN (candidate for insulation coating material). For each material, the most significant irradiation parameters have been calculated (dpa, H/dpa and He/dpa) in different positions of IFMIF. These values were compared to those expected in the first wall and breeding zone of a fusion reactor. For this exercise, a HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) type was selected as it is one of the most promising options. In addition, estimated values were also compared with those obtained in a fast fission reactor since most of existing irradiations have been made in these installations. The main conclusion of this study is that the medium flux area of IFMIF offers a good irradiation environment to irradiate functional materials for liquid breeding blankets. The obtained ratios of H/dpa and He/dpa are very similar to those expected in the most irradiated areas of a fusion reactor. Moreover, with the aim of bringing the values further close, the use of a W moderator is proposed to be used only in some experimental campaigns (as obviously, the total amount of dpa decreases). The values of ratios obtained for a fission reactor, much lower than in a fusion reactor, reinforce the need of LBVM for IFMIF. Having demonstrated the suitability of IFMIF to irradiate functional materials for liquid breeding blankets, and an analysis of the main problems associated to each type of liquid breeding blanket, also presented in this thesis, three different experiments are proposed as basis for the design of the LBVM. These experiments are dedicated to the needs of a blanket HCLL type although the applicability of the module for other blankets is also discussed. Therefore, the experimental capability of the module is focused on the study of the behavior of the eutectic alloy LiPb, tritium permeation, corrosion and material compatibility. For each of the experiments proposed an experimental scheme is given explaining the different module conditions and defining the required instrumentation to control and monitor the experimental capsules. In order to carry out the proposed experiments, the LBVM is proposed, located in the medium flux area of the IFMIF hot cell, with capability of up to 16 experimental capsules. Each capsule (24-22 mm of diameter, 80 mm high) will contain the eutectic allow LiPb (up to 50 mm of capsule high) in contact with different material specimens. They will be supported inside rigs or steel pipes. Helium will be used as purge gas, to sweep the tritium generated in the eutectic and permeated through the capsule walls (continuously, during irradiation). These tubes, will be installed in a steel container providing support and cooling for the tubes and hence the inner experimental capsules. The experimental data will consist of on line monitoring signals and the analysis of purge gas by the tritium measurement station. In addition to the experimental signals, the module will produce signals having a safety function and therefore playing a major role in the operation of the module. For an adequate operation of the capsules and to control its temperature, each capsule will be equipped with an electrical heater so the module will to be connected to an electrical power supply. The technical justification behind the dimensioning of each of these parts forming the module is presented supported by tritium transport calculations, thermalhydraulic and structural analysis. One of the main conclusions of the tritium transport calculations is that the measure of the permeated tritium is perfectly achievable by commercial ionization chambers and proportional counters with sensitivity of 10-9 Bq/m3. The results are applicable to all experiments, even to low temperature capsules or to the ones using antipermeation coatings. From a safety point of view, the knowledge of the amount of tritium being swept by the purge gas is a clear indicator of certain problems that may be occurring in the module such a capsule rupture. In addition, the tritium balance in the installation should be known. Losses of purge gas permeated into the refrigerant and the hot cell itself through the container have been assessed concluding that they are negligible for normal operation. Thermal hydraulic calculations were performed in order to optimize the design of experimental capsules and LBVM to fulfill one of the main requirements of the module: to perform experiments at uniform temperatures between 300-550ºC. The necessary cooling of the module and the geometry of the capsules, rigs and testing area of the container were dimensioned. As a result of the analyses, cylindrical capsules and rigs in cylindrical compartments were selected because of their good mechanical behavior (stresses due to fluid pressure are reduced significantly with a cylindrical shape rather than prismatic) and thermal (temperature uniformity in the walls of the tubes and capsules). Fields of pressure, temperature and velocity in different critical areas of the module were obtained concluding that the proposal is feasible. It is important to mention that the use of fluid dynamic codes as ANSYS-CFX (used in this thesis) for designing experimental capsules for IFMIF is not direct. The reason for this is that, under strongly heated helium mini channels, turbulence models tend to underestimate the wall temperature because of the change of helium properties near the wall. Therefore, the different code turbulence models had to be studied in detail and validated against experimental results. ANSYS-CFX SST (Shear Stress Transport Model) for transitional turbulence model has been identified among many others as the suitable one for modeling the cooling helium and the temperature on the walls of experimental capsules. Once the geometry and the main purge and cooling parameters have been defined, the mechanical behavior of each experimental tube or rig including capsules is analyzed. Resulting stresses are compared with the maximum values recommended by applicable structural design codes such as the SDC- IC (Structural Design Criteria for ITER Components) in order to assess the degree of protection against plastic collapse. The conclusion shows that the proposal is mechanically robust. The LBVM involves the use of liquid metals, tritium and the risk associated with neutron activation. The risks related with the handling of liquid metals and tritium are studied in this thesis. In addition, the radiological risks associated with the activation of materials in the module and the residual heat after irradiation are evaluated, including a scenario of loss of coolant. Among the identified conventional risks associated with the module highlights the handling of liquid metals which reactions with water or air are accompanied by the emission of aerosols and fire probability. Regarding the nuclear risks, the generation of radioactive gases such as tritium or volatile radioisotopes such as Po-210 is the main hazard to be considered. An environmental impact associated to possible releases is not expected. Nevertheless, an appropriate handling of capsules, experimental tubes, and container including purge lines is required. After one day after shutdown and one year of irradiation, the experimental area of the module will present a contact dose rate of about 7000 Sv/h, 2300 Sv/h in the experimental capsules and 25 Sv/h in the LiPb. Therefore, the use of remote handling is envisaged for the irradiated module. Finally, the different possibilities for the module manufacturing have been studied. Among the proposed techniques highlights the electro discharge machining, brazing, electron beam welding or laser welding. The bases for the final design of the LBVM have been included in the framework of the this work and included in the intermediate design report of IFMIF which will be developed in future, as part of the IFMIF facility final design.

Desarrollo metodológico de evaluación y aplicación de la sostenibilidad como base en los modelos educativos, para la evolución e innovación de la enseñanza de la arquitectura: modelo educativo de estudio México y España

La arquitectura y la construcción deben generar un bien común para la sociedad y medio ambiente, los arquitectos tienen la responsabilidad de mitigar muchos efectos negativos que se generan en esta profesión; esto no es posible si los estudiantes egresan con un conocimiento nulo sobre la arquitectura sostenible; por lo que surge la inquietud de desarrollar la presente tesis, con el objetivo de aportar de una forma sutil al desarrollo de la arquitectura compartiendo conocimiento para generar conocimiento, ya que la investigación que a continuación se desarrolla está enfocada al desarrollo de la arquitectura sostenible en el campo de la formación de los estudiantes, donde se pueda enlazar los nuevos requerimientos profesionales planteados desde la sostenibilidad. La formación del arquitecto ha intentado abordar el conocimiento humanístico, técnico, cultural, tecnológico, calculo estructural, instalaciones y construcciones; sin embargo, se ha dejado a un lado lo que abarca la arquitectura sostenible, como calidad de vida, diseño bioclimático, energías renovables, normativas sostenibles, economía viable, emisiones, contaminación y residuos generados, materiales, elementos constructivos sostenibles, mancha urbana, huella ecológica, impacto ambiental y análisis del ciclo de vida, entre otras estrategias o elementos. A través de la investigación científica y profunda que se ha realizado, se busca conformar el conocimiento sistemático que contribuya a la resolución de los problemas de nuestra sociedad, ambiente y educación, con la elaboración de un sistema metodológico de evaluación y aplicación de sostenibilidad en los modelos educativos. Para desarrollar el sistema de evaluación y aplicación, se desarrolla una metodología de investigación donde se justifica la necesidad de la creación de dicho sistema, en base al análisis de la situación actual del medio ambiente y la relación directa con la arquitectura, construcción y conocimientos adquiridos en la formación de los estudiantes de arquitectura, donde se demuestra la importancia de la educación de la arquitectura sostenible en el desarrollo de las sociedades. En base al análisis de metodologías y sistemas que evalúan la sostenibilidad de los edificios y los sistemas que evalúan la educación, se propone uno propio para evaluar las asignaturas de los modelos educativos en base a elementos sostenibles propuestos. La presente investigación se enmarca en una estrategia general de promover la evaluación y aplicación de la sostenibilidad en los modelos educativos de las escuelas de arquitectura a nivel internacional; como caso de estudio se evaluará el plan de estudios llamado Minerva, de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla en México, donde he realizado una estancia de investigación y la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid en España, donde he cursado el doctorado. ABSTRACT Architecture and construction must generate a common good for the society and environment, the architects have the responsibility of mitigating many negative effects that are generated in this profession; this is not possible if the students graduate with a void knowledge on the sustainable architecture that is why the concern for developing the present thesis, with the aim to contribute to the development of the architecture sharing knowledge to generate knowledge, seeing as the investigation that later develops is focused on the development of the sustainable architecture in about the student’s professional training, where it could connect the new professional requirements raised from the sustainability. The architect’s professional training has tried to approach the humanistic, technical, cultural, technological knowledge, structural calculation, fittings and constructions; nevertheless, there has been left aside what includes the sustainable architecture, as quality of life, design bioclimatic, renewable energies, sustainable regulations, viable economy, emission, pollution and generated, material residues, constructive sustainable elements, urban spot, ecological fingerprint, environmental impact and analysis of the life cycle, between other strategies or elements. Across the scientific and deep research that has been realized, it reaches to make up the systematic knowledge that he contributes to the resolution of the problems of our society, environment and education, with the production of a methodological system of evaluation and application of sustainability in the educational models. To develop the system of evaluation and application, there is a methodology of research where it justifies itself the need of the creation of the above mentioned system, on the basis of the analysis of the current situation of the environment and the direct relationship with the architecture, construction and knowledge acquired in the architecture student’s education, where there is demonstrated the matter of the education of the sustainable architecture in the development of the companies. Based on the analysis of methodologies and systems that evaluate the sustainability of the buildings and the systems that evaluate the education, there is one own proposes to evaluate the subjects of the educational models on the basis of sustainable proposed elements. The present research places in a general strategy of promoting the evaluation and application of the sustainability in the educational models of the schools of architecture worldwide; since case of study will evaluate the study plan called Minerva, of the Meritorious Autonomous University of It Populates in Mexico, where I have realized a stay of researching and the Technical Top School of Architecture of the Technical University of Madrid in Spain, where the PHD has been done.

Aplicación integral en construcción de materiales eco-eficientes con incorporación de cenizas de biomasa

El empleo de biomasa como combustible para la generación de bio-energía va en aumento en la actualidad, debido a su impacto medioambiental nulo en cuanto a las emisiones de CO2. Por lo tanto la generación de cenizas de biomasa, residuo de la producción de esta energía, constituye un problema medioambiental con un claro impacto social y económico. Este tipo de ceniza tiene contenidos en óxidos que la hacen atractiva para su empleo como sustituto parcial del cemento Portland, lo cual proporciona una salida eco-eficiente a este residuo, reduciendo al mismo tiempo la emisión de gases de efecto invernadero asociada a la fabricación del cemento. Esta investigación se centra en el desarrollo de nuevos e innovadores materiales base-cemento eco-eficientes que incorporan ceniza de biomasa para su aplicación integral en construcción. Para ello, se emplea una ceniza de biomasa (CB) procedente de un combustor de lecho fluidizado, cuya biomasa de combustión es principalmente restos de corteza de eucalipto, suministrada por el grupo ENCE-Navia (Asturias). El trabajo desarrollado en la presente tesis doctoral, tiene como primera fase la caracterización de esta ceniza y el análisis de viabilidad de su valorización en materiales base-cemento. Dentro de este análisis, se propone la activación de la ceniza CB mediante tratamiento hidrotermal (TH) en diferentes condiciones de medio activante, temperatura y tiempo de proceso, con el objetivo de favorecer la formación de fases hidratadas que potencien la valorización de la ceniza en el campo de los materiales de construcción. Como fase hidratada de interés se obtiene la fase tobermorita (Ca2.25(Si3O7.5(OH)1.5)(H2O)), precursora del gel C-S-H, responsable del desarrollo de resistencias mecánicas en los materiales base-cemento. El proceso de TH se optimiza para la síntesis más eficiente de esta fase. El estudio posterior de las propiedades mecánicas y micro-estructurales de pastas de cemento eco-eficientes que incorporan la ceniza CB y la ceniza tratada hidrotermalmente, CB-TH, confirma una mayor viabilidad de incorporación de la ceniza CB como sustituto parcial del cemento Portland. Como siguiente paso en el desarrollo de estos innovadores materiales base-cemento eco-eficientes se amplía el estudio multi-escalar de los materiales que incorporan CB mediante diferentes ensayos físico-mecánicos y de durabilidad. Los resultados indican que la presencia de la ceniza de biomasa no tiene efectos negativos sobre las propiedades físicas de los morteros eco-eficientes estudiados. Sin embargo, la adición de CB proporciona una mejor durabilidad del material al producir modificaciones de la microestructura que dificultan el transporte de agentes agresivos. Por otro lado, los morteros con un 10 y 20% de sustitución parcial de cemento por la ceniza de biomasa CB (CB-10 y CB-20) presentan una resistencia a compresión de 53.3 y 50.5 MPa a 28 días de curado, respectivamente. Estos morteros son comparables con un cemento Portland tradicional tipo CEM I de clase de resistencia 42.5 R. Por último, y con el fin de proporcionar la apertura de estos nuevos cementos eco-eficientes al mercado en el campo de los materiales de construcción, se estudian propiedades concretas relacionadas con diferentes tipos de aplicaciones. Concretamente se estudian en detalle las propiedades relativas a la aplicación en baldosas de mortero y los resultados indican unas prestaciones del material eco-eficiente con incorporación de CB similares o mejoradas con respecto al cemento Portland. Se analiza también la viabilidad de aplicación estructural de los cementos eco-eficientes desarrollados mediante el estudio de la adherencia al acero, que resulta similar a la del material de referencia. En cuanto a los resultados de extracción y caracterización de la fase acuosa de los poros, en todas las matrices eco-eficientes se obtiene un pH que garantiza la pasivación de la armadura. Sin embargo, el alto contenido en cloruros de dicha fase acuosa sugiere la conveniencia de realizar un análisis más detallado para la aplicación de los nuevos materiales eco-eficientes en hormigón armado. Se comprueba que todas las matrices que incorporan CB en porcentajes entre un 10 y un 90%, se pueden considerar adecuadas como nuevos materiales de construcción más eco-eficientes en aplicaciones con distintos niveles de exigencias mecánicas y sin problemas ambientales asociados con procesos de lixiviación. Con el presente trabajo de investigación se completan los objetivos iniciales de la tesis, con la obtención de nuevos e innovadores materiales base-cemento eco-eficientes que incorporan cenizas de biomasa (CB) con aplicación integral en el campo de la construcción. ABSTRACT The use of biomass as a fuel for the generation of bio-energy is increasing nowadays, due to its zero environmental impact in terms of CO2 emissions. Therefore the generation of biomass ash, a by-product of this energy, is an environmental problem with a clear social and economic impact. This type of ash contains oxides that make it attractive to be used as a partial replacement of Portland cement, providing an eco-efficient solution to this residue, while reducing the emission of greenhouse gases associated with the production of cement. The present research is focused on the development of new and innovative eco-efficient cement-based materials that incorporate biomass ash for their comprehensive application in construction. For this purpose a biomass ash (CB) is used from a fluidized bed forest combustor mainly fed with the bark of eucalyptus trees, provided by the ENCE-Navia (Asturias) group. The work includes in the first stage the characterization of the raw materials and the analysis of viability of their valorization in cement-based materials. Within this analysis, the activation of the ash is proposed by hydrothermal treatment (HT) in different conditions of activation medium, temperature and process duration, aiming an enhanced formation of hydrated phases to improve the ash valorization in the construction materials field. As an interesting hydrated phase, the tobermorite (Ca2.25(Si3O7.5(OH)1.5)(H2O)) is obtained from the process. This phase is considered as a precursor of the gel C-S-H, responsible for the development of mechanical strength in cement-based materials. HT process is optimized for the most efficient synthesis of tobermorite. The analysis of mechanical and microstructural properties of eco-efficient cement pastes incorporating CB ash and hydrothermally treated ash, CB-TH, confirms an improved viability of incorporation of CB ash as a partial replacement for Portland cement in the case. As a next step in the development of these innovative eco-efficient cement-based materials, a multiscale study of the materials that incorporate CB by different physical-mechanical and durability tests is carried out. The results indicate that the presence of biomass ash does not give rise to negative effects on the physical properties of the eco-efficient mortars analyzed. Nevertheless, the addition of CB produces a better durability performance due to microstructural modifications that hinder the transport of aggressive agents through the material. Moreover, mortars with a 10% and 20% of partial substitution of cement by the CB biomass ash (CB-10 and CB-20) show a compressive resistance of 53.3 and 50.5 MPa at 28 days of curing, respectively. These mortars are comparable to an ordinary Portland cement type CEM I with a resistance class of 42.5R. Finally, and in order to provide the opening of these new eco-efficient cement to the market in the field of construction materials, certain properties specifically related to different types of applications are studied. Among these, the properties concerning the application in mortar tiles are analyzed and the results indicate a similar, or even better performance of the eco-efficient mortar that incorporates CB, with respect to Portland cement. The viability of structural application of the developed eco-efficient cement is also performed considering the study of the adhesion to steel, with results similar to those of the reference material. Regarding the results of extraction and analysis of the aqueous phase of the pores, a pH value guaranteeing reinforcement passivation is obtained for all the eco-efficient matrices. However, high chloride content is obtained suggesting the suitability of a more detailed study to evaluate the application of these new eco-efficient materials in reinforced concrete. It is established that all the matrices incorporating CB in percentages between 10 and 90% may be considered adequate as new more eco-efficient construction materials in applications with different levels of mechanical demand and without environmental problems associated to leaching processes. In this research the initial objectives of the thesis are fulfilled by obtaining new and innovative eco-efficient cement-based materials that incorporate biomass ashes (CB) with comprehensive application in the construction field.

Comparative Life Cycle Assessment of the Conventional Façade SOS Natura and the Natural Water Tank Façade

The construction industry produces great environmental impacts to the planet. In order to tackle this problem, the European Union has put into effect Regulation No 305/2011, which compels the construction products manufacturers to carry out environmental performance studies of these products and thus make public the impact they cause on the environment. The aim of this research is to make known the environmental impacts of the SOS Natura Conventional Façade (CF) solution, obtained within the research project "SOS Natura, Vegetal Architectural Solutions" developed by the Department of Construction and Technology in Architecture of the School of Architecture of the Technical University of Madrid (Spain). In addition, we report an environmental comparative with the Natural Water Tank Façade (NWTF), studied previously by the same work group and included in the same research project.We present as well an uncertainty analysis for both façades. Following the study conducted we conclude that the NWTF profile has a slightly better environmental behaviour when compared to the CF profile for the entire life cycle in most of the impact categories analysed in this study. However it should also be noted that, in detail and at stage level, the NWTF presents a higher environmental impact than the CF.

Estrutura espacial urbana e mobilidade: o caso da Região Metropolitana de São Paulo

A metrópole de São Paulo é a maior e mais importante aglomeração urbana do Brasil e está entre as dez maiores áreas urbanas do mundo. No entanto, a forma como acessibilidade espacial ocorre gera um fardo para a população e para a atividade econômica. Este trabalho pretende contribuir para a discussão de como melhorar a acessibilidade na Região Metropolitana de São Paulo estudando as características e impactos de estruturas espaciais urbana, analisando criticamente a estrutura espacial da metrópole e proporcionando sugestões de melhorias a fim de proporcionar uma mobilidade mais sustentável. Os procedimentos metodológicos incluem uma revisão bibliográfica sobre o tema e uma caracterização da estrutura espacial da Região Metropolitana de São Paulo, considerando a alocação de população, alocação de empregos e os padrões de deslocamento para os modais individual, coletivo e não motorizado. Apresentamos um relato da evolução recente, com dados das pesquisas de origem e destino realizadas pelo Metrô em 1997 e 2007 e da pesquisa de mobilidade de 2012. Também realizamos uma caracterização mais aprofundada com os dados da pesquisa de 2007. As cidades se desenvolvem com base no trade-off entre proximidade e mobilidade: a fim de maximizar as possibilidades de interação, as pessoas e as empresas tendem a se localizar onde o deslocamento necessário para executar essas interações requer menos custos financeiros, perda de tempo e desconforto. Esse processo molda a alocação espacial de atividades, que define parcialmente os hábitos de transporte. A estrutura espacial urbana pode ser caracterizada por sua escala (padrões compacto ou disperso), arranjo de densidades (padrão disperso ou clusterizado) e arranjo de atividade (padrão monocêntrico ou policêntrico). Estruturas espaciais com padrão mais compacto apresentam menores distâncias de viagem, reduzindo o impacto ambiental das viagens e viabilizando o transporte não motorizado e coletivo, e levam a um uso mais eficiente da terra, menor custo de infraestrutura e maior equidade no acesso ao transporte. Já estruturas clusterizadas policêntricas são associadas com maior facilidade de acesso à terra. Existe um debate sobre a capacidade de estruturas policêntricas resultarem em uma aproximação generalizada de empregos e residências. A Região Metropolitana de São Paulo apresenta um padrão monocêntrico na escala metropolitana, com fortes movimentos pendulares da periferia para o centro expandido da iii capital. Durante o período de análise, foi observada uma realocação da população para áreas mais centrais da cidade e uma centralização dos empregos ainda mais forte, resultando no agravamento dos movimentos pendulares. Existe uma clara divisão modal por renda: as classes mais altas utilizam majoritariamente automóveis, enquanto as classes mais baixas utilizam majoritariamente transporte coletivo e não motorizado. Para o futuro, o novo plano diretor tem o mérito de caminhar na direção do desenvolvimento urbano orientado pelo transporte sustentável, porém os níveis de densidade máxima permitidos ainda são parecidos com o do plano anterior e a largura dos eixos de adensamento é restrita. Acreditamos ser vantajoso um aumento do adensamento em áreas próximas dos empregos; geração de polos de adensamento em áreas mais afastadas dos empregos, mas próximas das infraestruturas de transporte coletivo de alta velocidade, e desencorajamento do adensamento em áreas com baixa acessibilidade. Também é necessária uma gestão integrada dos transportes, provendo infraestrutura para viagens não motorizadas e viagens intermodais, e uma gestão dos impactos negativos do adensamento.

Tecnologia construtiva de fachada em chapas delgadas estruturadas em light steel framing.

Aumento da produtividade, melhorias na qualidade dos produtos, redução de custos e de impactos ambientais são essenciais para a capacidade competitiva das empresas. A execução da fachada faz parte do caminho crítico da obra, por ser um subsistema que associa as funções de fechamento, acabamento, iluminação e ventilação e ainda por incorporar sistemas prediais; apresenta, por isso também, um alto custo direto em relação aos outros subsistemas do edifício. A tecnologia construtiva de fachadas em chapas delgadas com estrutura em Light Steel Framing (LSF) é uma alternativa viável para aumentar a produtividade e reduzir os prazos de obra, com qualidade e desempenho, e pode trazer benefícios em relação a atividades intensas em mão de obra como é o caso da alvenaria de vedação e de seus revestimentos. O presente trabalho tem por objetivo sistematizar e analisar o conhecimento relativo a essa tecnologia construtiva de fachada. O método adotado compreende revisão bibliográfica. Como contribuição, o trabalho reúne um conjunto organizado de informações sobre os principais sistemas disponíveis no mercado contemplando: a caracterização do sistema de fachada, de suas camadas e dos perfis leves de aço e a sistematização das principais avaliações técnicas de sistemas existentes em outros países, reunindo normas técnicas de produtos e de execução. Acredita-se que a reunião e organização das informações, antes dispersas em diversas referências, têm potencial para subsidiar o meio técnico para tomada de decisão quanto ao uso adequado da nova tecnologia.

Avaliação do ciclo de vida de blocos de concreto do mercado brasileiro: alvenaria e pavimentação.

A construção civil é responsável por relevante impacto ao meio ambiente, da extração das materiais-primas até a disposição dos seus resíduos em aterros. A avaliação do ciclo de vida (ACV) é uma ferramenta que possibilita a estimativa dos impactos ambientais potenciais do setor de forma sistemática. A simplificação da ACV, pelo uso de dados secundários e redução do escopo do estudo, facilita sua implementação como ferramenta de promoção da sustentabilidade. O objetivo dessa dissertação é estimar faixas dos cinco principais indicadores do setor de blocos de concreto do mercado brasileiro pela simplificação da ACV: consumo de materiais, energia incorporada, emissão de CO2, água e geração de resíduos. Este estudo foi o piloto do Projeto ACV Modular, iniciativa do Conselho Brasileiro de Construção Sustentável em parceria da Associação Brasileira de Cimento Portland e da Associação Brasileira da Indústria de Blocos de Concreto. O inventário foi desenvolvido com 33 fábricas localizadas em diferentes regiões do Brasil, estas sendo responsáveis por aproximadamente 50% da produção nacional. Os produtos selecionados foram blocos para pavimentação e alvenaria (estruturais e de vedação) considerados mais representativos no mercado. A fronteira do sistema adotada foi do berço ao portão da fábrica. O indicador de consumo de materiais não foi apresentado para garantir a confidencialidade dos dados das empresas, pois o teor de cimento foi dado direto informado no formulário. O indicador de resíduos não pode ser gerado devido a diferentes interpretações adotadas pelos fabricantes ao registrar seus dados. O indicador de água, apesar de incluir todo o consumo informado pela fábrica, apresentou valores muito baixos, alguns próximos a zero. O consumo de cimento, não o teor de clínquer, foi responsável por parcela significativa do CO2 e da energia incorporada do bloco, com participação de 62 a 99% das emissões de CO2. Assim, entre as empresas analisadas, mesmo com igual rota tecnológica, os insumos utilizados, a formulação do concreto, a eficiência de compactação da vibro prensa e o sistema produtivo tiveram maior influência nos indicadores de materiais, energia e CO2.

Mineração oceânica: uma alternativa sustentável para o aproveitamento de areias quartzosas.

Este estudo apresenta ao Departamento de Engenharia de Minas e Petróleo (PMI) da Escola Politécnica da USP, e também a toda a sociedade, a importância que os oceanos têm com relação às suas riquezas minerais. Pretende ainda mostrar a grande responsabilidade que um empreendimento mineiro no fundo do mar precisa ter, com relação aos impactos ambientais, sendo possível minerar em regiões profundas no oceano promovendo a sustentabilidade. A ideia da mineração oceânica/submarina está ainda sendo amadurecida, este é o momento adequado para se propor metodologias de trabalho submarino sustentáveis; mitigar seus impactos. Este trabalho abrange o tema de maneira ampla, abordando o aspecto histórico, legal, ambiental, bem como questões técnicas de engenharia de minas, como sondagem submarina, caracterização tecnológica, lavra submarina, beneficiamento de minério oceânico e descarte de rejeitos. O trabalho apresenta os passos e resultados de um caso real de exploração oceânica. Trata-se de um estudo para viabilizar economicamente a extração e o beneficiamento de areia marinha, para fins industriais, proveniente da Baía de Guanabara (RJ). O trabalho apresenta desde o planejamento da amostragem no fundo do mar, execução destes trabalhos, caracterização tecnológica, simulação de processo e estudos específicos do uso industrial da areia após beneficiamento. Apresenta ainda uma proposta de rota de processo para a areia marinha e questões ligadas à lavra e ao descarte de rejeitos.

Combined simulation-optimization methodology for the design of environmental conscious absorption systems

This work addresses the optimization of ammonia–water absorption cycles for cooling and refrigeration applications with economic and environmental concerns. Our approach combines the capabilities of process simulation, multi-objective optimization (MOO), cost analysis and life cycle assessment (LCA). The optimization task is posed in mathematical terms as a multi-objective mixed-integer nonlinear program (moMINLP) that seeks to minimize the total annualized cost and environmental impact of the cycle. This moMINLP is solved by an outer-approximation strategy that iterates between primal nonlinear programming (NLP) subproblems with fixed binaries and a tailored mixed-integer linear programming (MILP) model. The capabilities of our approach are illustrated through its application to an ammonia–water absorption cycle used in cooling and refrigeration applications.

Complejos turísticos residenciales: análisis del crecimiento del turismo residencial en el Mediterráneo español y en el Litoral Nordestino (Brasil) y su impacto socio-ambiental

Entre las diversas formas de turismo que aparecen a partir de la segunda mitad del siglo pasado, el turismo residencial surge como uno de los principales fenómenos en los escenarios brasileño e internacional. El crecimiento de esta actividad ha sido un factor importante para la generación de empleo e ingresos en los municipios del litoral sudeste de Brasil y de la costa española mediterránea. Pero recientemente, se observa un crecimiento acelerado de esta modalidad de turismo en la costa del Nordeste de Brasil. Este proceso ha generado beneficios económicos para la región al igual que impactos socioambientales. El primer objetivo de este artículo fue realizar un enfoque exploratorio, identificando el escenario de la oferta y la demanda de la construcción de complejos turísticos residenciales en el Nordeste brasileño por medio del relevamiento de sites y entrevistas a las inmobiliarias, constructoras, incorporadoras, operadoras hoteleras y organismos públicos. Los resultados de la investigación muestran el gran interés del capital internacional en construir mega proyectos de segunda residencia en el nordeste, adaptados a la demanda internacional, principalmente europea. El segundo objetivo fue comparar y analizar la evolución, las etapas y las características del turismo residencial en la costa española mediterránea, como ejemplo de modelo consolidado, con la actividad en el Nordeste brasileño, como modelo en expansión. Se verificó que ambas regiones turísticas fueron afectadas por la crisis económica y por deficiencias estructurales de sus respectivos modelos, las cuales potencian impactos económicos y socioambientales.

Canales, sifones y almenaras: el impacto ambiental de las infraestructuras del Canal de Isabel II (Madrid)

El presente artículo tiene como finalidad, valorar el impacto ambiental de las conducciones del Canal de Isabel II en el contexto del paisaje. Partimos de la idea según la cual, las infraestructuras del Canal de Isabel II, y más que formar parte del paisaje por el que se extienden, son el propio paisaje. Nuestra zona de estudio es el noroeste de la Comunidad de Madrid (síntesis de la interacción de los propios agentes naturales, de la ocupación humana y de los usos del suelo), área a la que nos aproximarnos a través de la investigación de la integración paisajística, entendida ésta como una estrategia de intervención en el territorio, que tiene como objetivo principal orientar las transformaciones del paisaje o corregir las ya realizadas, para conseguir su adaptación al propio paisaje. En definitiva, nos encontramos ante la necesidad de ajustar un objeto o actuación territorial a las características fisonómicas de un paisaje dado, o de algunos de sus componentes, así como a su carácter y a sus contenidos semánticos.

Multi-objective optimization of environmentally conscious chemical supply chains under demand uncertainty

In this work, we analyze the effect of demand uncertainty on the multi-objective optimization of chemical supply chains (SC) considering simultaneously their economic and environmental performance. To this end, we present a stochastic multi-scenario mixed-integer linear program (MILP) with the unique feature of incorporating explicitly the demand uncertainty using scenarios with given probability of occurrence. The environmental performance is quantified following life cycle assessment (LCA) principles, which are represented in the model formulation through standard algebraic equations. The capabilities of our approach are illustrated through a case study. We show that the stochastic solution improves the economic performance of the SC in comparison with the deterministic one at any level of the environmental impact.

Handling of Uncertainty in Life Cycle Inventory by Correlated Multivariate Lognormal Distributions: Application to the Design of Supply Chain Networks

Poster presented in the 24th European Symposium on Computer Aided Process Engineering (ESCAPE 24), Budapest, Hungary, June 15-18, 2014.

Handling of Uncertainty in Life Cycle Inventory by Correlated Multivariate Lognormal Distributions: Application to the Design of Supply Chain Networks

In this work, we analyze the effect of incorporating life cycle inventory (LCI) uncertainty on the multi-objective optimization of chemical supply chains (SC) considering simultaneously their economic and environmental performance. To this end, we present a stochastic multi-scenario mixed-integer linear programming (MILP) coupled with a two-step transformation scenario generation algorithm with the unique feature of providing scenarios where the LCI random variables are correlated and each one of them has the desired lognormal marginal distribution. The environmental performance is quantified following life cycle assessment (LCA) principles, which are represented in the model formulation through standard algebraic equations. The capabilities of our approach are illustrated through a case study of a petrochemical supply chain. We show that the stochastic solution improves the economic performance of the SC in comparison with the deterministic one at any level of the environmental impact, and moreover the correlation among environmental burdens provides more realistic scenarios for the decision making process.