Código híbrido avanzado de motores de plasma de efecto Hall

La propulsión eléctrica constituye hoy una tecnología muy competitiva y de gran proyección de futuro. Dentro de los diversos motores de plasma existentes, el motor de efecto Hall ha adquirido una gran madurez y constituye un medio de propulsión idóneo para un rango amplio de misiones. En la presente Tesis se estudian los motores Hall con geometría convencional y paredes dieléctricas. La compleja interacción entre los múltiples fenómenos físicos presentes hace que sea difícil la simulación del plasma en estos motores. Los modelos híbridos son los que representan un mejor compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Se basan en utilizar un modelo fluido para los electrones y algoritmos de dinámica de partículas PIC (Particle-In- Cell) para los iones y los neutros. Permiten hacer uso de la hipótesis de cuasineutralidad del plasma, a cambio de resolver separadamente las capas límite (o vainas) que se forman en torno a las paredes de la cámara. Partiendo de un código híbrido existente, llamado HPHall-2, el objetivo de la Tesis doctoral ha sido el desarrollo de un código híbrido avanzado que mejorara la simulación de la descarga de plasma en un motor de efecto Hall. Las actualizaciones y mejoras realizadas en las diferentes partes que componen el código comprenden tanto aspectos teóricos como numéricos. Fruto de la extensa revisión de la algoritmia del código HPHall-2 se han conseguido reducir los errores de precisión un orden de magnitud, y se ha incrementado notablemente su consistencia y robustez, permitiendo la simulación del motor en un amplio rango de condiciones. Algunos aspectos relevantes a destacar en el subcódigo de partículas son: la implementación de un nuevo algoritmo de pesado que permite determinar de forma más precisa el flujo de las magnitudes del plasma; la implementación de un nuevo algoritmo de control de población, que permite tener suficiente número de partículas cerca de las paredes de la cámara, donde los gradientes son mayores y las condiciones de cálculo son más críticas; las mejoras en los balances de masa y energía; y un mejor cálculo del campo eléctrico en una malla no uniforme. Merece especial atención el cumplimiento de la condición de Bohm en el borde de vaina, que en los códigos híbridos representa una condición de contorno necesaria para obtener una solución consistente con el modelo de interacción plasma-pared, y que en HPHall-2 aún no se había resuelto satisfactoriamente. En esta Tesis se ha implementado el criterio cinético de Bohm para una población de iones con diferentes cargas eléctricas y una gran dispersión de velocidades. En el código, el cumplimiento de la condición cinética de Bohm se consigue por medio de un algoritmo que introduce una fina capa de aceleración nocolisional adyacente a la vaina y mide adecuadamente el flujo de partículas en el espacio y en el tiempo. Las mejoras realizadas en el subcódigo de electrones incrementan la capacidad de simulación del código, especialmente en la región aguas abajo del motor, donde se simula la neutralización del chorro del plasma por medio de un modelo de cátodo volumétrico. Sin abordar el estudio detallado de la turbulencia del plasma, se implementan modelos sencillos de ajuste de la difusión anómala de Bohm, que permiten reproducir los valores experimentales del potencial y la temperatura del plasma, así como la corriente de descarga del motor. En cuanto a los aspectos teóricos, se hace especial énfasis en la interacción plasma-pared y en la dinámica de los electrones secundarios libres en el interior del plasma, cuestiones que representan hoy en día problemas abiertos en la simulación de los motores Hall. Los nuevos modelos desarrollados buscan una imagen más fiel a la realidad. Así, se implementa el modelo de vaina de termalización parcial, que considera una función de distribución no-Maxwelliana para los electrones primarios y contabiliza unas pérdidas energéticas más cercanas a la realidad. Respecto a los electrones secundarios, se realiza un estudio cinético simplificado para evaluar su grado de confinamiento en el plasma, y mediante un modelo fluido en el límite no-colisional, se determinan las densidades y energías de los electrones secundarios libres, así como su posible efecto en la ionización. El resultado obtenido muestra que los electrones secundarios se pierden en las paredes rápidamente, por lo que su efecto en el plasma es despreciable, no así en las vainas, donde determinan el salto de potencial. Por último, el trabajo teórico y de simulación numérica se complementa con el trabajo experimental realizado en el Pnnceton Plasma Physics Laboratory, en el que se analiza el interesante transitorio inicial que experimenta el motor en el proceso de arranque. Del estudio se extrae que la presencia de gases residuales adheridos a las paredes juegan un papel relevante, y se recomienda, en general, la purga completa del motor antes del modo normal de operación. El resultado final de la investigación muestra que el código híbrido desarrollado representa una buena herramienta de simulación de un motor Hall. Reproduce adecuadamente la física del motor, proporcionando resultados similares a los experimentales, y demuestra ser un buen laboratorio numérico para estudiar el plasma en el interior del motor. Abstract Electric propulsion is today a very competitive technology and has a great projection into the future. Among the various existing plasma thrusters, the Hall effect thruster has acquired a considerable maturity and constitutes an ideal means of propulsion for a wide range of missions. In the present Thesis only Hall thrusters with conventional geometry and dielectric walls are studied. The complex interaction between multiple physical phenomena makes difficult the plasma simulation in these engines. Hybrid models are those representing a better compromise between precision and computational cost. They use a fluid model for electrons and Particle-In-Cell (PIC) algorithms for ions and neutrals. The hypothesis of plasma quasineutrality is invoked, which requires to solve separately the sheaths formed around the chamber walls. On the basis of an existing hybrid code, called HPHall-2, the aim of this doctoral Thesis is to develop an advanced hybrid code that better simulates the plasma discharge in a Hall effect thruster. Updates and improvements of the code include both theoretical and numerical issues. The extensive revision of the algorithms has succeeded in reducing the accuracy errors in one order of magnitude, and the consistency and robustness of the code have been notably increased, allowing the simulation of the thruster in a wide range of conditions. The most relevant achievements related to the particle subcode are: the implementation of a new weighing algorithm that determines more accurately the plasma flux magnitudes; the implementation of a new algorithm to control the particle population, assuring enough number of particles near the chamber walls, where there are strong gradients and the conditions to perform good computations are more critical; improvements in the mass and energy balances; and a new algorithm to compute the electric field in a non-uniform mesh. It deserves special attention the fulfilment of the Bohm condition at the edge of the sheath, which represents a boundary condition necessary to match consistently the hybrid code solution with the plasma-wall interaction, and remained as a question unsatisfactory solved in the HPHall-2 code. In this Thesis, the kinetic Bohm criterion has been implemented for an ion particle population with different electric charges and a large dispersion in their velocities. In the code, the fulfilment of the kinetic Bohm condition is accomplished by an algorithm that introduces a thin non-collisional layer next to the sheaths, producing the ion acceleration, and measures properly the flux of particles in time and space. The improvements made in the electron subcode increase the code simulation capabilities, specially in the region downstream of the thruster, where the neutralization of the plasma jet is simulated using a volumetric cathode model. Without addressing the detailed study of the plasma turbulence, simple models for a parametric adjustment of the anomalous Bohm difussion are implemented in the code. They allow to reproduce the experimental values of the plasma potential and the electron temperature, as well as the discharge current of the thruster. Regarding the theoretical issues, special emphasis has been made in the plasma-wall interaction of the thruster and in the dynamics of free secondary electrons within the plasma, questions that still remain unsolved in the simulation of Hall thrusters. The new developed models look for results closer to reality, such as the partial thermalization sheath model, that assumes a non-Maxwellian distribution functions for primary electrons, and better computes the energy losses at the walls. The evaluation of secondary electrons confinement within the chamber is addressed by a simplified kinetic study; and using a collisionless fluid model, the densities and energies of free secondary electrons are computed, as well as their effect on the plasma ionization. Simulations show that secondary electrons are quickly lost at walls, with a negligible effect in the bulk of the plasma, but they determine the potential fall at sheaths. Finally, numerical simulation and theoretical work is complemented by the experimental work carried out at the Princeton Plasma Physics Laboratory, devoted to analyze the interesting transitional regime experienced by the thruster in the startup process. It is concluded that the gas impurities adhered to the thruster walls play a relevant role in the transitional regime and, as a general recomendation, a complete purge of the thruster before starting its normal mode of operation it is suggested. The final result of the research conducted in this Thesis shows that the developed code represents a good tool for the simulation of Hall thrusters. The code reproduces properly the physics of the thruster, with results similar to the experimental ones, and represents a good numerical laboratory to study the plasma inside the thruster.

Estudios de especiación de arsénico y acumulación de metales en muestras de interés medioambiental : Arsenic speciation and metal accumulation studies in environmental samples

Se ha estudiado la determinación de especies de arsénico y de contenidos totales de arsénico y metales pesados, específicamente cadmio, cromo, cobre, níquel, plomo y cinc, en muestras de interés medioambiental por su elevada capacidad acumuladora de metales, concretamente algas marinas comestibles y plantas terrestres procedentes de suelos contaminados por la actividad minera. La determinación de contenidos totales se ha llevado a cabo mediante espectrometría de emisión atómica con plasma de acoplamiento inductivo (ICP‐AES), así como por espectrometría de fluorescencia atómica con generación de hidruros (HG‐AFS), para bajos contenidos de arsénico. Las muestras fueron mineralizadas en medio ácido y calentamiento en horno de microondas. Los métodos fueron validados a través de su aplicación a materiales de referencia de matriz similar a la de las muestras, certificados en contenidos totales de los elementos seleccionados. Los resultados obtenidos mostraron su elevada capacidad de bioabsorción, especialmente en relación a los elevados contenidos de arsénico encontrados en algunas especies de algas pardas (Phaeophytas). En las plantas, se calcularon los factores de translocación, acumulación y biodisponibilidad de los elementos estudiados, permitiendo identificar a la especie Corrigiola telephiifolia como posible acumuladora de plomo e hiperacumuladora de arsénico. La determinación de especies de arsénico hidrosolubles en las muestras objeto de estudio, se llevó a cabo por cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC) acoplado a ICP‐AES, HG‐ICP‐AES y HG‐AFS, incluyendo una etapa previa de foto‐oxidación. Los métodos desarrollados, mediante intercambio aniónico y catiónico, permitieron la diferenciación de hasta once especies de arsénico. Para el análisis de las muestras, fue necesaria la optimización de métodos de extracción, seleccionándose la extracción asistida por microondas (MAE) con agua desionizada. Asimismo, se realizaron estudios de estabilidad de arsénico total y de las especies hidrosolubles presentes en las algas, tanto sobre la muestra sólida como en sus extractos acuosos, evaluando las condiciones de almacenamiento adecuadas. En el caso de las plantas, la aplicación del diseño factorial de experimentos permitió optimizar el método de extracción y diferenciar entre las especies de arsénico presentes en forma de iones sencillos de mayor movilidad y el arsénico más fuertemente enlazado a componentes estructurales. Los resultados obtenidos permitieron identificar la presencia de arseniato (As(V)) y arsenito (As(III)) en las plantas, así como de ácido monometilarsónico (MMA) y óxido de trimetilarsina (TMAO) en algunas especies. En la mayoría de las algas se encontraron especies tóxicas, tanto mayoritarias (arseniato) como minoritarias (ácido dimetilarsínico (DMA)), así como hasta cuatro arsenoazúcares. Los resultados obtenidos y su estudio a través de la legislación vigente, mostraron la necesidad de desarrollar una reglamentación específica para el control de este tipo de alimentos. La determinación de especies de arsénico liposolubles en las muestras de algas se llevó a cabo mediante HPLC, en modo fase inversa, acoplado a espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo (ICP‐MS) y con ionización por electrospray (ESI‐MS), permitiendo la elucidación estructural de estos compuestos a través de la determinación de sus masas moleculares. Para ello, fue necesaria la puesta a punto de métodos extracción y purificación de los extractos. La metodología desarrollada permitió identificar hasta catorce especies de arsénico liposolubles en las algas, tres de ellas correspondientes a hidrocarburos que contienen arsénico, y once a arsenofosfolípidos, además de dos especies desconocidas. Las masas moleculares de las especies identificadas fueron confirmadas mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC‐MS) y espectrometría de masas de alta resolución (HR‐MS). ABSTRACT The determination of arsenic species and total arsenic and heavy metal contents (cadmium, chromium, cooper, nickel, lead and zinc) in environmental samples, with high metal accumulator capacity, has been studied. The samples studied were edible marine algae and terrestrial plants from soils polluted by mining activities. The determination of total element contents was performed by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP‐AES), as well as by hydride generation atomic fluorescence spectrometry (HG‐AFS) for low arsenic contents. The samples studied were digested in an acidic medium by heating in a microwave oven. The digestion methods were validated against reference materials, with matrix similar to sample matrix and certified in total contents of the elements studied. The results showed the high biosorption capacity of the samples studied, especially regarding the high arsenic contents in some species of brown algae (Phaeophyta division). In terrestrial plants, the translocation, accumulation and bioavailability factors of the elements studied were calculated. Thus, the plant species Corrigiola telephiifolia was identified as possible lead accumulator and arsenic hyperaccumulator. The determination of water‐soluble arsenic species in the samples studied was carried out by high performance liquid chromatography (HPLC) coupled to ICP‐AES, HG‐ICP‐AES and HG‐AFS, including a prior photo‐oxidation step. The chromatographic methods developed, by anion and cation exchange, allowed us to differentiate up to eleven arsenic species. The sample analysis required the optimization of extraction methods, choosing the microwave assisted extraction (MAE) with deionized water. On the other hand, the stability of total arsenic and water‐soluble arsenic species in algae, both in the solid samples and in the water extracts, was studied, assessing the suitable storage conditions. In the case of plant samples, the application of a multivariate experimental design allowed us to optimize the extraction method and differentiate between the arsenic species present as simple ions of higher mobility and the arsenic more strongly bound to structural components. The presence of arsenite (As(III)) and arsenate (As(V)) was identified in plant samples, as well as monomethylarsonic acid (MMA) and trimethylarsine oxide (TMAO) in some cases. Regarding algae, toxic arsenic species were found in most of them, both As(V) and dimethylarsinic acid (DMA), as well as up to four arsenosugars. These results were discussed according to the current legislation, showing the need to develop specific regulations to control this kind of food products. The determination of lipid‐soluble arsenic species in alga samples was performed by reversed‐phase HPLC coupled to inductively coupled plasma and electrospray mass spectrometry (ICP‐MS and ESI‐MS), in order to establish the structure of these compounds by determining the corresponding molecular masses. For this purpose, it was necessary to develop an extraction method, as well as a clean‐up method of the extracts. The method developed permitted the identification of fourteen lipid‐soluble arsenic compounds in algae, corresponding to three arsenic‐hydrocarbons and eleven arsenosugarphospholipids, as well as two unknown compounds. Accurate mass measurements of the identified compounds were performed by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC‐MS) and high resolution mass spectrometry (HR‐MS).

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.

Analysis of Magnetic Nozzles For Space Plasma Thrusters = Análisis de Toberas Magnéticas para Motores Espaciales de Plasma

Esta tesis presenta un análisis teórico del funcionamiento de toberas magnéticas para la propulsión espacial por plasmas. El estudio está basado en un modelo tridimensional y bi-fluido de la expansión supersónica de un plasma caliente en un campo magnético divergente. El modelo básico es ampliado progresivamente con la inclusión de términos convectivos dominantes de electrones, el campo magnético inducido por el plasma, poblaciones electrónicas múltiples a distintas temperaturas, y la capacidad de integrar el flujo en la región de expansión lejana. La respuesta hiperbólica del plasma es integrada con alta precisión y eficiencia haciendo uso del método de las líneas características. Se realiza una caracterización paramétrica de la expansión 2D del plasma en términos del grado de magnetización de iones, la geometría del campo magnético, y el perfil inicial del plasma. Se investigan los mecanismos de aceleración, mostrando que el campo ambipolar convierte la energía interna de electrones en energía dirigida de iones. Las corrientes diamagnéticas de Hall, que pueden hallarse distribuidas en el volumen del plasma o localizadas en una delgada capa de corriente en el borde del chorro, son esenciales para la operación de la tobera, ya que la fuerza magnética repulsiva sobre ellas es la encargada de confinar radialmente y acelerar axialmente el plasma. El empuje magnético es la reacción a esta fuerza sobre el motor. La respuesta del plasma muestra la separación gradual hacia adentro de los tubos de iones respecto de los magnéticos, lo cual produce la formación de corrientes eléctricas longitudinales y pone el plasma en rotación. La ganancia de empuje obtenida y las pérdidas radiales de la pluma de plasma se evalúan en función de los parámetros de diseño. Se analiza en detalle la separación magnética del plasma aguas abajo respecto a las líneas magnéticas (cerradas sobre sí mismas), necesaria para la aplicación de la tobera magnética a fines propulsivos. Se demuestra que tres teorías existentes sobre separación, que se fundamentan en la resistividad del plasma, la inercia de electrones, y el campo magnético que induce el plasma, son inadecuadas para la tobera magnética propulsiva, ya que producen separación hacia afuera en lugar de hacia adentro, aumentando la divergencia de la pluma. En su lugar, se muestra que la separación del plasma tiene lugar gracias a la inercia de iones y la desmagnetización gradual del plasma que tiene lugar aguas abajo, que permiten la separación ilimitada del flujo de iones respecto a las líneas de campo en condiciones muy generales. Se evalúa la cantidad de plasma que permanece unida al campo magnético y retorna hacia el motor a lo largo de las líneas cerradas de campo, mostrando que es marginal. Se muestra cómo el campo magnético inducido por el plasma incrementa la divergencia de la tobera magnética y por ende de la pluma de plasma en el caso propulsivo, contrariamente a las predicciones existentes. Se muestra también cómo el inducido favorece la desmagnetización del núcleo del chorro, acelerando la separación magnética. La hipótesis de ambipolaridad de corriente local, común a varios modelos de tobera magnética existentes, es discutida críticamente, mostrando que es inadecuada para el estudio de la separación de plasma. Una inconsistencia grave en la derivación matemática de uno de los modelos más aceptados es señalada y comentada. Incluyendo una especie adicional de electrones supratérmicos en el modelo, se estudia la formación y geometría de dobles capas eléctricas en el interior del plasma. Cuando dicha capa se forma, su curvatura aumenta cuanto más periféricamente se inyecten los electrones supratérmicos, cuanto menor sea el campo magnético, y cuanto más divergente sea la tobera magnética. El plasma con dos temperaturas electrónicas posee un mayor ratio de empuje magnético frente a total. A pesar de ello, no se encuentra ninguna ventaja propulsiva de las dobles capas, reforzando las críticas existentes frente a las propuestas de estas formaciones como un mecanismo de empuje. Por último, se presenta una formulación general de modelos autosemejantes de la expansión 2D de una pluma no magnetizada en el vacío. El error asociado a la hipótesis de autosemejanza es calculado, mostrando que es pequeño para plumas hipersónicas. Tres modelos de la literatura son particularizados a partir de la formulación general y comparados. Abstract This Thesis presents a theoretical analysis of the operation of magnetic nozzles for plasma space propulsion. The study is based on a two-dimensional, two-fluid model of the supersonic expansion of a hot plasma in a divergent magnetic field. The basic model is extended progressively to include the dominant electron convective terms, the plasma-induced magnetic field, multi-temperature electron populations, and the capability to integrate the plasma flow in the far expansion region. The hyperbolic plasma response is integrated accurately and efficiently with the method of the characteristic lines. The 2D plasma expansion is characterized parametrically in terms of the ion magnetization strength, the magnetic field geometry, and the initial plasma profile. Acceleration mechanisms are investigated, showing that the ambipolar electric field converts the internal electron energy into directed ion energy. The diamagnetic electron Hall current, which can be distributed in the plasma volume or localized in a thin current sheet at the jet edge, is shown to be central for the operation of the magnetic nozzle. The repelling magnetic force on this current is responsible for the radial confinement and axial acceleration of the plasma, and magnetic thrust is the reaction to this force on the magnetic coils of the thruster. The plasma response exhibits a gradual inward separation of the ion streamtubes from the magnetic streamtubes, which focuses the jet about the nozzle axis, gives rise to the formation of longitudinal currents and sets the plasma into rotation. The obtained thrust gain in the magnetic nozzle and radial plasma losses are evaluated as a function of the design parameters. The downstream plasma detachment from the closed magnetic field lines, required for the propulsive application of the magnetic nozzle, is investigated in detail. Three prevailing detachment theories for magnetic nozzles, relying on plasma resistivity, electron inertia, and the plasma-induced magnetic field, are shown to be inadequate for the propulsive magnetic nozzle, as these mechanisms detach the plume outward, increasing its divergence, rather than focusing it as desired. Instead, plasma detachment is shown to occur essentially due to ion inertia and the gradual demagnetization that takes place downstream, which enable the unbounded inward ion separation from the magnetic lines beyond the turning point of the outermost plasma streamline under rather general conditions. The plasma fraction that remains attached to the field and turns around along the magnetic field back to the thruster is evaluated and shown to be marginal. The plasmainduced magnetic field is shown to increase the divergence of the nozzle and the resulting plasma plume in the propulsive case, and to enhance the demagnetization of the central part of the plasma jet, contrary to existing predictions. The increased demagnetization favors the earlier ion inward separation from the magnetic field. The local current ambipolarity assumption, common to many existing magnetic nozzle models, is critically discussed, showing that it is unsuitable for the study of plasma detachment. A grave mathematical inconsistency in a well-accepted model, related to the acceptance of this assumption, is found out and commented on. The formation and 2D shape of electric double layers in the plasma expansion is studied with the inclusion of an additional suprathermal electron population in the model. When a double layer forms, its curvature is shown to increase the more peripherally suprathermal electrons are injected, the lower the magnetic field strength, and the more divergent the magnetic nozzle is. The twoelectron- temperature plasma is seen to have a greater magnetic-to-total thrust ratio. Notwithstanding, no propulsive advantage of the double layer is found, supporting and reinforcing previous critiques to their proposal as a thrust mechanism. Finally, a general framework of self-similar models of a 2D unmagnetized plasma plume expansion into vacuum is presented and discussed. The error associated with the self-similarity assumption is calculated and shown to be small for hypersonic plasma plumes. Three models of the literature are recovered as particularizations from the general framework and compared.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Evaluación de parámetros que influyen en el transporte de cloruros en hormigón parcialmente saturado

El deterioro del hormigón debido a la presencia del ion cloruro es causa frecuente de problemas en estructuras localizadas en ambiente marino y alta montaña. Su principal efecto consiste en la despasivación del acero de refuerzo embebido en el hormigón y su consecuente inicio de la corrosión del mismo. El ingreso del ion cloruro al interior del hormigón, está condicionado por una serie de parámetros de origen medioambiental e intrínsecos del hormigón. En función de estos parámetros el ingreso de cloruros en el hormigón puede deberse principalmente a los siguientes mecanismos: difusión y succión capilar. El estudio y evaluación de la resistencia del hormigón frente a cloruros, se ha desarrollado principalmente en condiciones saturadas del hormigón. Lo que ha significado que parámetros de importancia no sean considerados. Debido a esto, distintos procesos que suceden en estructuras reales no han sido identificados y estudiados correctamente. En este trabajo, se diseñó un programa de investigación para evaluar los parámetros que influyen en el transporte cloruros en hormigones no saturados. Para esto se diseñaron tres dosificaciones diferentes de hormigón. En la primera se empleó únicamente cemento portland, para el resto se utilizaron adiciones minerales (humo de sílice y escoria de alto horno). El empleo de adiciones se debió a que tienen un papel importante en la durabilidad de hormigones frente a cloruros. Los hormigones fueron dosificados con una relación agua/material cementício de 0,40 para el hormigón elaborado únicamente con cemento portland y 0,45 para las mezclas con adiciones. Para evaluar las propiedades de los hormigones en estado fresco y endurecido se realizaron ensayos vigentes en las normativas. Con los resultados obtenidos se determinaron parámetros de resistencia mecánica, microestructurales, resistencia al transporte de cloruros e higroscópicos. Una vez caracterizados los hormigones, se diseñó una propuesta experimental para estudiar los principales parámetros presentes en estructuras reales con presencia de cloruros. Tanto la concentración de cloruro como las condiciones ambientales se han variado teniendo como referencia las situaciones reales que podrían producirse en ambientes de alta montaña en la zona centro de España. La propuesta experimental consistió en tratar de evaluar la capacidad de los hormigones al transporte de iones en ambientes de alta montaña con presencia de sales fundentes. Para esto se establecieron 5 fases experimentales donde los principales parámetros ambientales y la presencia de iones agresivos sufrieron variaciones. Al término de cada fase se obtuvieron perfiles de penetración de cloruros en los hormigones y se evaluó la influencia de los parámetros presentes en cada fase. Los resultados experimentales se implementaron en un modelo numérico basado en la teoría de elementos finitos, desarrollado por el grupo de investigación del Departamento de Materiales de Construcción. Para esto fue necesario realizar la calibración y validación del modelo numérico para cada hormigón. El calibrado del modelo precisa de datos químicos y microestructurales de cada hormigón, tales como: capacidad de combinación de cloruros y propiedades difusivas e higroscópicas. Para la validación del modelo numérico se realizaron simulaciones de la propuesta experimental. Los resultados obtenidos se compararon con los valores experimentales. Con el objeto de poder estudiar en mayor profundidad la influencia del grado de saturación del hormigón durante la difusión de cloruros, se llevó a cabo una campaña experimental que consideró distintos grados de saturación en los hormigones. Para esto se establecieron en los hormigones cuatro grados de saturación distintos (50%, 60%, 80% y 100%, aproximadamente), posteriormente se expusieron a cloruro de sodio finamente molido. Una vez transcurrido el tiempo necesario se obtuvieron experimentalmente los perfiles de penetración de cloruros para cada grado de saturación y se calcularon los coeficientes de difusión. Los datos obtenidos durante la campaña experimental han demostrado la influencia positiva que ejercen las adiciones en las mezclas de hormigón. Sus principales ventajas son el refinamiento de la red porosa y el aumento en la capacidad de combinación de cloruros, además de mejorar sus propiedades mecánicas. La porosidad total en las mezclas no presentó grandes cambios, sin embargo, el cambio en la distribución del tamaño de poros es importante en las muestras con adiciones. En especial las fabricadas con humo de sílice. Los coeficientes de difusión y migración de cloruros para las mezclas con adiciones disminuyeron significativamente, igual que los valores de resistividad eléctrica. En los ensayos de penetración del agua bajo presión, fueron las muestras con adiciones las que mostraron las menores penetraciones. Los resultados obtenidos al final de la propuesta experimental permitieron estudiar los distintos parámetros involucrados. Se observó claramente que el proceso de difusión provoca el mayor transporte de cloruros hacia el interior del hormigón. Así mismo se comprobó que el lavado superficial y el secado de las probetas, trasladan cloruros hacia las zonas externas del hormigón. El primero debido a una baja concentración de cloruros externa, mientras que el secado provoca el movimiento de la solución de poro hacia las zonas de secado depositando cloruros en ellas. Las medidas higroscópicas permitieron determinar la existencia de dos zonas distintas en el interior del hormigón. La primera se localizó en el rango de 0-10mm, aproximadamente, en ésta se puso de manifiesto una mayor sensibilidad a los cambios experimentados en el exterior de las probetas. La segunda zona se localizó a una profundidad mayor de 10mm, aproximadamente. Se observó claramente una baja influencia de los cambios externos, siendo la difusión de cloruros el principal mecanismo de transporte presente en ella. En cuanto al estudio de la influencia del grado de saturación en la difusión de cloruros, se observó claramente una marcada diferencia entre los coeficientes de difusión de cloruro obtenidos. Para grados de saturación mayores del 80% el mecanismo de penetración de cloruros por difusión existe de forma significativa. Mientras que para valores inferiores los resultados revelaron que las vías de acceso disminuyen (poros conectado con agua) considerablemente limitando en un alto grado la penetración del agresivo. Para grados de saturación inferiores del 50% los valores del coeficiente de difusión son despreciables. The deterioration of concrete due to chloride ions is a frequent problem identified in structures located in marine and high-mountain environments. After entering the outer layer of the concrete, the chlorides tend to penetrate until they reach and then depassivate the steel bars. Subsequently, this induces the deterioration process of the reinforced concrete. This chloride penetration depends on the environmental conditions and intrinsic parameters of the concrete. Several transport mechanisms, such as diffusion, capillary suction and permeability can be present into the concrete. While recent research into the study and evaluation of concretes with chloride presence has been carried out in saturated concrete, it has not considered certain parameters that can modify this condition. Consequently, at the time of writing several processes that take place in real structures have not been identified and studied. In this work a research programme is designed to evaluate the parameters that influence chloride transport into non-saturated concrete. For this, three concrete mixes were designed by using high-early-strength Portland cement and mineral admixtures (silica fume and blast-slag furnace). The water-cement ratio was 0.40 for the concrete made solely with Portland cement and 0.45 for the concretes that used mineral admixtures as a cement replacement. A set of experimental tests were performed to evaluate the concrete properties both in fresh and hardened state. In addition, an experimental simulation was carried out under laboratory conditions in which the main objective was to assess resistance of concrete to chloride penetration under high-mountain conditions with the presence of de-icing salts. The environmental conditions and surface chloride concentration of the concrete used during the experimental simulation were chosen by considering conditions found in the high-mountain environment in central Spain. For the experimental simulation five phases were designed by varying the environmental parameters and concrete surface concentration. At the end of each phase a chloride profile was obtained with the aim of assessing the influence of the parameters on chloride transport. The experimental results were then used to calibrate and validate a numerical model based on finite element theory developed by the research team from the Construction Materials Department in a previous work. In order to carry out model calibration chemical and microstructural data for the concretes was required, such as binding capacity and the diffusive and hygroscopic properties. The experimental results were compared with the numerical simulations and provided a good fit. With the objective of studying the influence of the degree of concrete saturation on chloride diffusion, an experimental programme was designed. This entailed four saturation degrees (50%, 60%, 80% and 100%) being established in several concrete samples. The samples were then exposed to ground sodium chloride. Once the time required was achieved, the chloride profiles and diffusion coefficients were obtained for each saturation degree. The results obtained from the experimental program revealed a positive influence of the mineral admixtures on the concretes. Their effects were reflected in the pore-network refinement and the increase of chloride binding capacity, together with the improvement of the mechanical properties of the concretes. Total porosity did not reveal any notable change, though the pore-size distribution showed a significant degree of change in the concretes with mineral admixtures, specifically the samples prepared through use of silica fume. The chloride diffusion and migration coefficient, as well as the electrical resistivity values, decreased significantly in the concretes with admixtures. In the water penetration under pressure test, the concretes with admixtures presented the lowest penetration depth. The results obtained in the experimental simulation allowed study of the main parameters involved during the chloride penetration processes in non-saturated concretes in the presence of chlorides. According to the results, the diffusion process was the transport mechanism that transferred the greatest amount of chlorides into the concrete samples. In addition, a chloride movement toward external zones of the concrete, caused by the washing of concrete surface and the drying processes, was identified. The washing occurred when the concrete surface came into contact with a low-chloride concentration solution which initiated the outward movement of chloride diffusion. The drying processes corresponded to a movement of pore solution launched by water evaporation from the outer layer. Furthermore, hygroscopic measurements made in the concrete allowed two areas with distinct behavioural patterns to be identified. The first one, located in the range of approximately 0-10mm, showed a greater degree of influence regarding the changes of the external conditions. The second, situated at depths greater than 10mm, displayed a low influence of external conditions. The main process in this area was diffusion. Study of the influence of the degree of concrete saturation on chloride diffusion showed a clear difference among the chloride diffusion coefficients obtained. For degrees of concrete saturation higher than 80%, chloride penetration by diffusion tends to be significant. However, in the case of extent of saturation of lower than 80%, the results revealed that the access zone through which chlorides can penetrate decreased considerably. For degrees of concrete saturation lower than 50%, the chloride diffusion coefficients were negligible.

Comparación de técnicas geofísicas para determinación de contaminación de suelos agrícolas

El objetivo del presente trabajo es evaluar los métodos de prospección geofísica que, además de servir para la caracterización hidrológica superficial en una finca de investigación vitivinícola, alcance la mayor resolutividad para la localización de contaminantes agrícolas. Con este fin se ha realizado, en primer lugar una revisión teórica de los métodos de prospección geofísica que, a priori, pueden considerarse más adecuados por cuanto reflejan en mayor medida las variaciones físicas derivadas de los efluentes químicos agrícolas de baja salinidad. Para alcanzar el objetivo del proyecto se ha realizado una serie de perfiles eléctricos de Tomografía Eléctrica y Polarización Inducida, además de un Sondeo de Resonancia Magnética Nuclear Se han obtenido mediante las técnicas tomográficas una caracterización del subsuelo para la determinación de la litología en profundidad con variaciones laterales bruscas, así como la porosidad de estas formaciones. La sección de cargabilidad (PI) ha permitido la detección de iones disueltos en el agua subterránea. Combinando estos resultados, con los obtenidos por Resonancia Magnética en la localización de las masas de agua y la permeabilidad de las rocas circundantes, somos capaces de determinar los agentes contaminantes así como su movilidad y distribución. La conclusión es que el método que resulta más efectivo para detección de contaminantes sería la combinación de todos ellos, puesto que son complementarios entre sí. ABSTRACT The main goal of this project is to evaluate the methods of geophysical prospection, also serving for surface hydrologic characterization in a research farm wine, reaching the most resoluteness for locating agricultural pollutants. To this end was made, first a theoretical review of geophysical prospecting methods that may be considered more suitable, a priori, as they reflect more closely the physical changes resulting from agricultural chemical measure low salinity. Reaching the objective of the project has made a series of Electrical Tomography profiles (ET) and Induced Polarization profiles (IP) also has conducted a drilling of Nuclear Magnetic Resonance (RMN). It was obtained by tomography characterization techniques for determining subsurface litho logy in depth and abrupt lateral variations, as well as the porosity of these formations. The chargeability Section (IP) has enabled detection of ions dissolved in groundwater. Combining these results with those that was obtained by Nuclear Magnetic Resonance with the location of groundwater body and the surrounding rocks permeability, we are able to determine the pollutants and the mobility and distribution of contaminants. The bottom line is the method more effective for detection of contaminants would be the combination of all of them because they are complementary in the environmental study.

Modelización de las propiedades radiativas e interacción de láseres ultraintensos con la materia

Desde el año 2004 el código ARWEN ha sido utilizado con éxito para simular y diseñar experimentos relacionados con blancos para fusión por confinamiento inercial [146], astrofísica de laboratorio [145], plasmas como amplificadores de láseres de rayos X [107] o plasmas creados por láser para la medición de espectros de transmisión. Para la realización de estas simulaciones es necesario, además de métodos de alto orden precisos y que presenten buenas propiedades conservativas, conocer ciertas propiedades de los plasmas. En el caso de la fluidodinámica y la conducción electrónica necesitaremos conocer la ecuación de estado [94, 49, 36], y para el transporte de la radiación será preciso disponer de los datos de absorción y emisión [104, 95, 40]. Hasta el año 2009 ARWEN dependía de códigos externos para la generación de estas tablas de opacidad, careciendo de control sobre los métodos empleados para su generación. Además estos códigos asumían equilibrio local termodinámico (LTE), limitando su validez a rangos de alta densidad y baja temperatura. En el marco de esta tesis se ha desarrollado el código BIGBART para la generación de tablas detalladas de opacidad y emisividad para su uso en el módulo de transporte de radiación. De esta forma el grupo dispondrá de su propia herramienta de generación de propiedades radiativas. El código desarrollado es capaz de tratar plasmas en estado fuera de equilibrio (non-LTE) mediante el modelo colisional-radiativo, extendiendo así el rango de validez de las tablas generadas. El trabajo desarrollado para implementar un código LTE/non-LTE estacionario es el siguiente Cálculo de estructura y datos atómicos. Se ha acoplado en código FAC a BIGBART, incorporando la capacidad para generar potenciales atómicos para una configuración y el cálculo de funciones de onda de electrones en orbitales ligados y libres. Aproximaciones y métodos para la obtención de tasas y secciones eficaces de procesos. Se han incluido y programado los modelos implementados en FAC para el cálculo de secciones eficaces de fotoionización, y tasas de decaimiento de emisión espontánea y autoionización. Además se ha incluido el modelo Plane-Wave Born (PWBA) para el cálculo de las secciones eficaces de ionización y excitación colisional. Modelos para la obtención de la distribución de estados iónicos dentro del plasma. Se ha programado un solver LTE basado en la ecuación de Saha-Boltzmann con efectos de ionización por presión debida a los iones adyacentes. También se ha implementado un modelo non-LTE colisionalradiativo para la resolución del sistema de ecuaciones que nos permite obtener la densidad de estados iónicos fuera de equilibrio. Modelo non-LTE RADIOM. Se ha implementado el modelo RADIOM para aproximar efectos de no-equilibrio mediante cálculos LTE a una temperatura equivalente, menor o igual que la temperatura electrónica real. Cálculo de las propiedades espectrales de absorción y emisión. Se han implementado los modelos para el cálculo de los perfiles espectrales de absorción y emisión para procesos entre niveles ligados, ligado-libre y librelibre. Aprovechando el trabajo realizado en este sentido, durante el transcurso de esta tesis se amplió el código BIGBART para tratar problemas con dependencia temporal. La extensión para tratar este tipo de problemas se orientó a la simulación numérica de la interacción de láseres ultra intensos en el rango XUV/rayos X. Para ello, además de adaptar el modelo non-LTE colisionalradiativo se incluyeron procesos adicionales asociados a la interacción de la materia con fotones altamente energéticos. También se han incluido modelos para el cálculo de las propiedades ópticas, y por ende las propiedades dieléctricas de la materia irradiada, de gran interés en algunas aplicaciones novedosas de estos láseres intensos. Debido a la naturaleza fuertemente fuera de equilibrio en la interacción de fotones de alta energía con la materia, se incluyó el tratamiento de la distribución de electrones libres fuera de equilibrio en la aproximación de Fokker-Planck, tanto para condiciones degeneradas como no degeneradas. El trabajo desarrollado en el código non-LTE con dependencia temporal es el siguiente Procesos asociados a láseres intensos XUV/rayos X. Se ha implementado el cálculo de procesos radiativos estimulados de absorción y emisión por el láser. También se han incluido procesos asociados a la creación de vacantes en capas internas electrónicas (Shake), además de doble autoionización y doble fotoionización. Cálculo de propiedades ópticas y dieléctricas en blancos sólidos. Se ha implementado un modelo para la absorción por bremsstrahlung inverso en blancos en estado sólido. Con el coeficiente de extinción debido a procesos de fotoabsorción resonante, fotoionización y bremsstrahlung inverso se obtiene el ´ındice de refracción mediante la relación de Kronig-Kramers. Electrones fuera de equilibrio. Se ha tratado la evolución de la distribución de electrones, cuando no está justificado asumir que es Maxwelliana o de Fermi-Dirac, mediante la aproximación de Fokker-Planck para la colisión entre electrones libres. En la resolución de la ecuación de Fokker-Planck se han incluido los procesos inelásticos por colisiones con iones y términos fuente por interacción con el láser y otros procesos. ABSTRACT Since 2004 the ARWEN code has been successfully used to simulate and design targets for inertial confinement fusion experiments [146], laboratory astrophysics [145], plasmas as X-ray lasers amplifiers [107] or laser created plasmas for measuring transmission spectra. To perform these simulations it is necessary, in addition to high order precise methods with good conservative properties, to know certain properties of plasmas. For fluid dynamic and electronic conduction we need to know the equation of state [94, 49, 36], and for radiation transport it will be necessary to have the data of the absorption and emission [104, 95, 40]. Until 2009 ARWEN depended on external codes to generate these opacity tables, lacking of control over the methods used for their generation. Besides, these codes assumed local thermodynamic equilibrium (LTE), limiting their validity ranges to high densities and low temperatures. As part of this thesis it has been developed the BIGBART code for generating detailed opacity and emissivity tables for use in the radiation transport module. This group will have its own tool for the generation of radiative properties. The developed code is capable of treating plasmas out of equilibrium (non-LTE) by means of a collisional-radiative model, extending the range of validity of the generated tables. The work to implement an LTE/non-LTE steady-state code is as follows Calculation of structure and atomic data. the FAC code was coupled to BIGBART, incorporating the ability to generate atomic potentials for calculating configuration wave functions for bound and free electrons. Approaches and methods for obtaining cross sections and processes rates. We have included and reprogrammed in Fortran the models implemented in FAC for calculation of photoionization cross sections and decay rates of spontaneous emission and autoionization. We also included the Plane- Wave Born (PWBA) model to calculate the cross sections of ionization and collisional excitation. Models for the obtention of the distribution of ionic states within the plasma. We programmed a LTE solver based on the Saha-Boltzmann equation with pressure ionization effects due to adjacent ions. It has also been implemented a non-LTE collisional-radiative model for solving the system of equations that allows us to obtain the density of ionic states out of equilibrium. Non-LTE RADIOM model. We have implemented the non-LTE RADIOM model to approximate non-equilibrium effects with LTE data at an equivalent temperature, lower or equal to the actual electronic temperature. Calculation of the spectral absorption and emission properties. Models have been implemented for the calculation of the spectral profiles of absorption and emission processes between bound levels, free-bound and free-free. Taking advantage of the work done in this direction throughout the course of this thesis the code BIGBART was extended to treat time-dependent problems. The extension to treat such problems is oriented to the numerical simulation of the interaction of ultra intense lasers in the XUV/X-ray range. For this range, in addition to adapting the non-LTE collisional-radiative model, additional processes associated with the interaction of matter with high energy photons. We also included models for calculation of the optical properties, and therefore the dielectric properties of the irradiated material, of great interest in some novel applications of these intense lasers. Due to the strong non-equilibrium nature of the interaction of high energy photons with matter, we included the treatment of the distribution of free electrons out of equilibrium in the Fokker-Planck approximation for both degenerate and non-degenerate conditions. The work in the non-LTE time-dependent code is as follows Processes associated with intense XUV/X-ray lasers. We have implemented the calculation of stimulated radiative processes in absorption and emission. Also we included processes associated with the creation of electronic vacancies in inner shells (Shake), double autoionization and double photoionization. Calculation of optical and dielectric properties in solid targets. We have implemented a model for inverse bremsstrahlung absorption in solid targets. With the extinction coefficient from resonant photoabsorption, photoionization and inverse bremsstrahlung the refractive index is obtained by the Kramers-Kronig relation. Electrons out of equilibrium. We treat the evolution of the electron distribution, when it is not justified to assume a Maxwellian or Fermi-Dirac distribution, by the Fokker-Planck approximation for collisions between electrons. When solving the Fokker-Planck equation we included inelastic collision processes with ions and source terms by interaction with the laser and other processes.

Residuos orgánicos como fuentes de fósforo

En este trabajo, se han llevado a cabo distintos experimentos en laboratorio, con el objetivo de estudiar el efecto de la aplicación de residuos orgánicos como fuentes de P en las pérdidas de este elemento, que se producen en suelo, tanto por escorrentía superficial como por lixiviación. El interés por evaluar las pérdidas de P se debe a la necesidad de conocer mejor los factores que influyen en los procesos de pérdidas de este elemento y así, poder reducir los problemas de eutrofización de aguas, tanto superficiales como subterráneas, provocadas por un exceso de este nutriente, junto con otros como el nitrógeno. Los trabajos experimentales que se han llevado a cabo se detallan a continuación: Se ha realizado el estudio de las formas de P contenidas en una serie de 14 residuos orgánicos, de distinto origen y tratamiento (compost, lodos, purines y digestato), comparando la información aportada por tres protocolos de fraccionamientos de P diferentes, seleccionados entre los principales métodos utilizados: protocolo de fraccionamiento de Ruttemberg (1992), protocolo de Normas, medidas y ensayos (Ruban et al., 2001a) y protocolo de Huang et al. (2008). Todos los métodos de fraccionamiento empleados aportaron información útil para conocer las formas de P de los residuos, a pesar de que alguno de ellos fue descrito para sedimentos o suelos. Sin embargo, resulta difícil comparar los resultados entre unos y otros, ya que cada uno emplea extractantes y tiempos de ensayos diferentes. Las cantidades de P total determinadas por cada método mantienen una relación lineal, aunque el método SMT, por ser más directo, obtiene las cantidades más elevadas para todos los residuos. Los métodos secuenciales (métodos de Huang y Ruttemberg), a pesar de ser más largos y tediosos, aportan información más detallada de la disponibilidad de las formas de P, y con ello, permiten obtener una mejor estimación de las pérdidas potenciales de este elemento tras su aplicación en suelo. Se han encontrado relaciones positivas entre las fracciones determinadas por estos dos métodos. Así mismo, se encuentra una correlación entre las formas solubles de P y la concentración de los iones [Ca + Fe + Al] de los residuos, útiles como indicadores de la disponibilidad de este elemento. Sin embargo, el protocolo SMT, no obtiene información de la solubilidad o disponibilidad de las formas de P contenidas, ni las formas determinadas mantienen relaciones directas con las de los otros métodos, con excepción del P total. Para el estudio del comportamiento de los residuos aplicados en suelos, se pusieron a punto sistemas de lluvia simulada, con el objetivo de caracterizar las pérdidas de P en la escorrentía superficial generada. Por otra parte, se emplearon columnas de suelos enmendados con residuos orgánicos, para el estudio de las pérdidas de P por lixiviación. Los ensayos de simulación de lluvia se llevaron a cabo de acuerdo al “National Phosphorus Research proyect“ (2001), que consigue simular eventos sucesivos de lluvia en unas condiciones semejantes a la realidad, empleando cajas llenas de suelo del horizonte superficial, con residuos aplicados tanto superficialmente como mediante mezcla con el propio suelo. Los ensayos se realizaron con seis residuos de diferente naturaleza y sometidos a distintos tratamientos. Se encontraron diferencias significativas en las pérdidas de las formas de P analizadas, tanto disueltas como particuladas, en las aguas de escorrentía generadas. En general, las pérdidas en el primer evento de lluvia tras la aplicación de los residuos fueron mayores a las generadas en el segundo evento, predominando las formas de P particuladas respecto a las disueltas en ambos. Se encontró una relación positiva entre las pérdidas de P en las aguas de escorrentía generadas en cada ensayo, con los contenidos de P soluble en agua y fácilmente disponible de los residuos empleados, determinados por los protocolos de fraccionamientos secuenciales. Además, se emplearon los modelos matemáticos desarrollados por Vadas et al. (2005, 2007), de evaluación de las pérdidas de P por escorrentía para fertilizantes y estiércoles. La predicción de estos modelos no se cumple en el caso de todos los residuos. Las distintas propiedades físicas de los residuos pueden afectar a las diferencias entre las pérdidas experimentales y las esperadas. Los ensayos de simulación del proceso de lixiviación se llevaron a cabo en columnas de percolación, con suelos enmendados con residuos orgánicos, de acuerdo a la norma “CEN/TS 14405–2004: Caracterización de los residuos – Test de comportamiento de lixiviación – Test de flujo ascendente”. Las pérdidas de P por procesos de lixiviación de agua, han sido despreciadas durante mucho tiempo respecto a las pérdidas por escorrentía. Sin embargo, se ha demostrado que deben tenerse en consideración, principalmente en algunos tipos de suelos o zonas cercanas a acuíferos. Se utilizaron tres suelos de distinta procedencia para los ensayos, de manera que se pudo estudiar la influencia del tipo de suelo en las pérdidas de P para cada tipo de residuo (purín, compost, digestato y lodo de EDAR). Los índices de adsorción de P determinados para cada suelo permiten evaluar aquellos que presentarán más riesgo de producir pérdidas de este elemento al aplicarse fuentes externas de P, encontrando una relación positiva entre ambos. Las pérdidas de P en los lixiviados varían en función tanto del residuo como del suelo empleado. Para el compost, el purín y el lodo, se encontró una relación entre las pérdidas generadas en el agua lixiviada de las columnas y las formas de P soluble contenidas en los residuos. Sin embargo, en el caso del digestato, no existía esta correlación. Las pérdidas para este residuo fueron en todos los casos menores a las estimadas, considerando las formas de P contenido. El estudio de la mojabilidad, propiedad física del residuo que evalúa la capacidad de interacción residuo-agua, permitió explicar el comportamiento anómalo de este residuo, con una mayor resistencia a que el agua entrara en su estructura y por tanto, una mayor dificultad de solubilizar el P contenido en el propio residuo, que en el caso de otros residuos. En general, podemos considerar que el estudio de las formas de P más disponibles o solubles en agua, aporta información útil de las pérdidas potenciales de P. Sin embargo, es necesario estudiar las propiedades físicas de los residuos orgánicos aplicados y la capacidad de adsorción de P de los suelos, para estimar las pérdidas de P y con ello, colaborar a controlar los procesos de eutrofización en aguas. ABSTRACT This dissertation explores the effect of organic wastes application as sources of P in losses of this element that occur by both surface runoff and leaching in soil. To do so, diverse laboratory experiments are conducted and presented here. Evaluating P losses is necessary to better understand the factors that influence the processes behind the loss of this element. Reducing P losses reduces eutrophication problems of both surface water and groundwater caused by an excess of this nutrient, along with other as nitrogen. Details of the experiments are presented below: The first experiment studies the forms of P contained in a series of 14 organic wastes of different origin and treatment (compost, sludge, slurry and digestate), comparing the information provided by three methods of P fractionation. The methods selected were: Ruttemberg protocol (1992); Standards, Measurements and Testing protocol (Ruban et al., 2001a); and Huang protocol (Huang et al., 2008). All fractionation methods employed successfully contribute to our knowledge of P forms in wastes, even though one of them was originally described for sediments or soils information. However, it is difficult to compare results among each other, as each protocol employs different extractants and time in the trials. Total amounts of P obtained by each method show a linear relationship, although the SMT method, which is more direct, obtains the highest amounts for all residues. Sequential methods (Huang and Ruttemberg’s protocols), despite being longer and more tedious, provide more detailed information on the availability of the forms of P. Therefore, allow the estimation of the potential losses of P after application in soil. Furthermore, positive relationships have been found among fractions obtained by these methods. Positive relationship has been found also among soluble forms of P and the concentration of ions Fe + Ca + Al, which is useful as an indicator of the availability of this element. However, the SMT protocol does not collect information about solubility or availability of forms of P contained; neither do certain forms maintain direct relations with the forms from other methods, with the exception of total P methods. To study the behavior of wastes applied to soils two experiments were conducted. Simulated rain systems were prepared to characterize P losses in the surface runoff generated. In addition, columns of soils amended with organic waste were developed for the study of P leaching losses. Simulated rain systems were carried out according to the ’National Phosphorus Research Project’ (2001), which manages to simulate successive rainfall events in conditions resembling reality. The experiment uses boxes filled with soil from the surface horizon amended with residues, both superficially and by mixing with the soil. Tests were conducted with six residues of different type and subjected to diverse treatments. Findings show significant differences in losses of the P forms analyzed in the generated runoff water, in both solution and particulate forms. In general, losses in the first rainfall event after application of waste were higher than the losses generated in the second event, predominating particulate forms of P over dissolved forms in both events. In all trials, a positive relationship was found between various P forms determined by sequential fractionation protocols (water soluble P and readily available P forms) and P losses in runoff. Furthermore, results from Vadas´s mathematical models (Vadas et al., 2005; 2007) to assess P losses by runoff fertilizers and manures indicate that the prediction of this model is not fulfilled in the case of all residues. The diverse physical properties of wastes may affect the differences between experimental and expected losses. Finally, leaching simulation processes were carried out in percolation columns, filled with soils amended with organic wastes, following the ‘CEN/TS 14405-2004 standard: Characterization of waste - Leaching behavior test - Test Flow ascending ’. P losses by leaching have been neglected for a long time with respect to runoff losses. However, findings corroborate previous studies showing that these P losses have to be taken into account, especially in certain types of soils and in zones near aquifers. To study the influence of soil type on P losses, experiments were carried out with three different soils and for each type of waste (manure, compost, digestate and sludge WWTP). Each soil’s P adsorption rates allow assessing which soils imply a higher risk of P losses when external sources of P are applied. P losses in leachate vary according to the type of soil employed and according to the specific residue. In the case of compost, manure and sludge, there is a relationship between leaching losses and residues’ soluble forms of P. The exception being the digestate, where there was no such correlation. Digestate P losses by leaching were lower than expected in all cases considering the forms of P contained. Moreover, examining digestate wettability -- that is, the physical property of the residue that assesses the capacity of waste-water interaction -- allowed explaining the anomalous behavior of this residue. Digestate has a high resistance to water entering its structure and thus higher difficulty to solubilize the P contained. Overall, studying the more available or soluble P forms provides useful information about the potential loss of P. However, this dissertation shows that it is necessary to examine the physical properties of organic residues applied as well as the P adsorption capacity of soils to estimate P losses, and thus to control eutrophication in water.

Comportamiento frente a la durabilidad de morteros de reparación de cemento modificados con polímeros

El auge que ha surgido en los últimos años por la reparación de edificios y estructuras construidas con hormigón ha llevado al desarrollo de morteros de reparación cada vez más tecnológicos. En el desarrollo de estos morteros por parte de los fabricantes, surge la disyuntiva en el uso de los polímeros en sus formulaciones, por no encontrarse justificado en ocasiones el trinomio prestaciones/precio/aplicación. En esta tesis se ha realizado un estudio exhaustivo para la justificación de la utilización de estos morteros como morteros de reparación estructural como respuesta a la demanda actual disponiéndolo en tres partes: En la primera parte se realizó un estudio del arte de los morteros y sus constituyentes. El uso de los morteros se remonta a la antigüedad, utilizándose como componentes yeso y cal fundamentalmente. Los griegos y romanos desarrollaron el concepto de morteros de cal, introduciendo componentes como las puzolanas, cales hidraúlicas y áridos de polvo de mármol dando origen a morteros muy parecidos a los hormigones actuales. En la edad media y renacimiento se perdió la tecnología desarrollada por los romanos debido al extenso uso de la piedra en las construcciones civiles, defensivas y religiosas. Hubo que esperar hasta el siglo XIX para que J. Aspdin descubriese el actual cemento como el principal compuesto hidraúlico. Por último y ya en el siglo XX con la aparición de moléculas tales como estireno, melanina, cloruro de vinilo y poliésteres se comenzó a desarrollar la industria de los polímeros que se añadieron a los morteros dando lugar a los “composites”. El uso de polímeros en matrices cementantes dotan al mortero de propiedades tales como: adherencia, flexibilidad y trabajabilidad, como ya se tiene constancia desde los años 30 con el uso de caucho naturales. En la actualidad el uso de polímeros de síntesis (polivinialacetato, estireno-butadieno, viniacrílico y resinas epoxi) hacen que principalmente el mortero tenga mayor resistencia al ataque del agua y por lo tanto aumente su durabilidad ya que se minimizan todas las reacciones de deterioro (hielo, humedad, ataque biológico,…). En el presente estudio el polímero que se utilizó fue en estado polvo: polímero redispersable. Estos polímeros están encapsulados y cuando se ponen en contacto con el agua se liberan de la cápsula formando de nuevo el gel. En los morteros de reparación el único compuesto hidraúlico que hay es el cemento y es el principal constituyente hoy en día de los materiales de construcción. El cemento se obtiene por molienda conjunta de Clínker y yeso. El Clínker se obtiene por cocción de una mezcla de arcillas y calizas hasta una temperatura de 1450-1500º C por reacción en estado fundente. Para esta reacción se deben premachacar y homogeneizar las materias primas extraídas de la cantera. Son dosificadas en el horno con unas proporciones tales que cumplan con unas relación de óxidos tales que permitan formar las fases anhidras del Clínker C3S, C2S, C3A y C4AF. De la hidratación de las fases se obtiene el gel CSH que es el que proporciona al cemento de sus propiedades. Existe una norma (UNE-EN 197-1) que establece la composición, especificaciones y tipos de cementos que se fabrican en España. La tendencia actual en la fabricación del cemento pasa por el uso de cementos con mayores contenidos de adiciones (cal, puzolana, cenizas volantes, humo de sílice,…) con el objeto de obtener cementos más sostenibles. Otros componentes que influyen en las características de los morteros son: - Áridos. En el desarrollo de los morteros se suelen usar naturales, bien calizos o silícicos. Hacen la función de relleno y de cohesionantes de la matriz cementante. Deben ser inertes - Aditivos. Son aquellos componentes del mortero que son dosificados en una proporción menor al 5%. Los más usados son los superplastificantes por su acción de reductores de agua que revierte en una mayor durabilidad del mortero. Una vez analizada la composición de los morteros, la mejora tecnológica de los mismos está orientada al aumento de la durabilidad de su vida en obra. La durabilidad se define como la capacidad que éste tiene de resistir a la acción del ambiente, ataques químicos, físicos, biológicos o cualquier proceso que tienda a su destrucción. Estos procesos dependen de factores tales como la porosidad del hormigón y de la exposición al ambiente. En cuanto a la porosidad hay que tener en cuenta la distribución de macroporos, mesoporos y microporos de la estructura del hormigón, ya que no todos son susceptibles de que se produzca el transporte de agentes deteriorantes, provocando tensiones internas en las paredes de los mismos y destruyendo la matriz cementante Por otro lado los procesos de deterioro están relacionados con la acción del agua bien como agente directo o como vehículo de transporte del agente deteriorante. Un ambiente que resulta muy agresivo para los hormigones es el marino. En este caso los procesos de deterioro están relacionados con la presencia de cloruros y de sulfatos tanto en el agua de mar como en la atmosfera que en combinación con el CO2 y O2 forman la sal de Friedel. El deterioro de las estructuras en ambientes marinos se produce por la debilitación de la matriz cementante y posterior corrosión de las armaduras que provocan un aumento de volumen en el interior y rotura de la matriz cementante por tensiones capilares. Otras reacciones que pueden producir estos efectos son árido-álcali y difusión de iones cloruro. La durabilidad de un hormigón también depende del tipo de cemento y su composición química (cementos con altos contenidos de adición son más resistentes), relación agua/cemento y contenido de cemento. La Norma UNE-EN 1504 que consta de 10 partes, define los productos para la protección y reparación de estructuras de hormigón, el control de calidad de los productos, propiedades físico-químicas y durables que deben cumplir. En esta Norma se referencian otras 65 normas que ofrecen los métodos de ensayo para la evaluación de los sistemas de reparación. En la segunda parte de esta Tesis se hizo un diseño de experimentos con diferentes morteros poliméricos (con concentraciones de polímero entre 0 y 25%), tomando como referencia un mortero control sin polímero, y se estudiaron sus propiedades físico-químicas, mecánicas y durables. Para mortero con baja proporción de polímero se recurre a sistemas monocomponentes y para concentraciones altas bicomponentes en la que el polímero está en dispersión acuosa. Las propiedades mecánicas medidas fueron: resistencia a compresión, resistencia a flexión, módulo de elasticidad, adherencia por tracción directa y expansión-retracción, todas ellas bajo normas UNE. Como ensayos de caracterización de la durabilidad: absorción capilar, resistencia a carbonatación y adherencia a tracción después de ciclos hielo-deshielo. El objeto de este estudio es seleccionar el mortero con mejor resultado general para posteriormente hacer una comparativa entre un mortero con polímero (cantidad optimizada) y un mortero sin polímero. Para seleccionar esa cantidad óptima de polímero a usar se han tenido en cuenta los siguientes criterios: el mortero debe tener una clasificación R4 en cuanto a prestaciones mecánicas al igual que para evaluar sus propiedades durables frente a los ciclos realizados, siempre teniendo en cuenta que la adición de polímero no puede ser elevada para hacer el mortero competitivo. De este estudio se obtuvieron las siguientes conclusiones generales: - Un mortero normalizado no cumple con propiedades para ser clasificado como R3 o R4. - Sin necesidad de polímero se puede obtener un mortero que cumpliría con R4 para gran parte de las características medidas - Es necesario usar relaciones a:c< 0.5 para conseguir morteros R4, - La adición de polímero mejora siempre la adherencia, abrasión, absorción capilar y resistencia a carbonatación - Las diferentes proporciones de polímero usadas siempre suponen una mejora tecnológica en propiedades mecánicas y de durabilidad. - El polímero no influye sobre la expansión y retracción del mortero. - La adherencia se mejora notablemente con el uso del polímero. - La presencia de polímero en los morteros mejoran las propiedades relacionadas con la acción del agua, por aumento del poder cementante y por lo tanto de la cohesión. El poder cementante disminuye la porosidad. Como consecuencia final de este estudio se determinó que la cantidad óptima de polímero para la segunda parte del estudio es 2.0-3.5%. La tercera parte consistió en el estudio comparativo de dos morteros: uno sin polímero (mortero A) y otro con la cantidad optimizada de polímero, concluida en la parte anterior (mortero B). Una vez definido el porcentaje de polímeros que mejor se adapta a los resultados, se plantea un nuevo esqueleto granular mejorado, tomando una nueva dosificación de tamaños de áridos, tanto para el mortero de referencia, como para el mortero con polímeros, y se procede a realizar los ensayos para su caracterización física, microestructural y de durabilidad, realizándose, además de los ensayos de la parte 1, mediciones de las propiedades microestructurales que se estudiaron a través de las técnicas de porosimetría de mercurio y microscopia electrónica de barrido (SEM); así como propiedades del mortero en estado fresco (consistencia, contenido de aire ocluido y tiempo final de fraguado). El uso del polímero frente a la no incorporación en la formulación del mortero, proporcionó al mismo de las siguientes ventajas: - Respecto a sus propiedades en estado fresco: El mortero B presentó mayor consistencia y menor cantidad de aire ocluido lo cual hace un mortero más trabajable y más dúctil al igual que más resistente porque al endurecer dejará menos huecos en su estructura interna y aumentará su durabilidad. Al tener también mayor tiempo de fraguado, pero no excesivo permite que la manejabilidad para puesta en obra sea mayor, - Respecto a sus propiedades mecánicas: Destacar la mejora en la adherencia. Es una de las principales propiedades que confiere el polímero a los morteros. Esta mayor adherencia revierte en una mejora de la adherencia al soporte, minimización de las posibles reacciones en la interfase hormigón-mortero y por lo tanto un aumento en la durabilidad de la reparación ejecutada con el mortero y por consecuencia del hormigón. - Respecto a propiedades microestructurales: la porosidad del mortero con polímero es menor y menor tamaño de poro critico susceptible de ser atacado por agentes externos causantes de deterioro. De los datos obtenidos por SEM no se observaron grandes diferencias - En cuanto a abrasión y absorción capilar el mortero B presentó mejor comportamiento como consecuencia de su menor porosidad y su estructura microscópica. - Por último el comportamiento frente al ataque de sulfatos y agua de mar, así como al frente de carbonatación, fue más resistente en el mortero con polímero por su menor permeabilidad y su menor porosidad. Para completar el estudio de esta tesis, y debido a la gran importancia que están tomando en la actualidad factores como la sostenibilidad se ha realizado un análisis de ciclo de vida de los dos morteros objeto de estudio de la segunda parte experimental.In recent years, the extended use of repair materials for buildings and structures made the development of repair mortars more and more technical. In the development of these mortars by producers, the use of polymers in the formulations is a key point, because sometimes this use is not justified when looking to the performance/price/application as a whole. This thesis is an exhaustive study to justify the use of these mortars as a response to the current growing demand for structural repair. The thesis is classified in three parts:The first part is the study of the state of the art of mortars and their constituents.In ancient times, widely used mortars were based on lime and gypsum. The Greeks and Romans developed the concept of lime mortars, introducing components such as pozzolans, hydraulic limes and marble dust as aggregates, giving very similar concrete mortars to the ones used currently. In the middle Age and Renaissance, the technology developed by the Romans was lost, due to the extensive use of stone in the civil, religious and defensive constructions. It was not until the 19th century, when J. Aspdin discovered the current cement as the main hydraulic compound. Finally in the 20th century, with the appearance of molecules such as styrene, melanin, vinyl chloride and polyester, the industry began to develop polymers which were added to the binder to form special "composites".The use of polymers in cementitious matrixes give properties to the mortar such as adhesion, Currently, the result of the polymer synthesis (polivynilacetate, styrene-butadiene, vynilacrylic and epoxy resins) is that mortars have increased resistance to water attack and therefore, they increase their durability since all reactions of deterioration are minimised (ice, humidity, biological attack,...). In the present study the polymer used was redispersible polymer powder. These polymers are encapsulated and when in contact with water, they are released from the capsule forming a gel.In the repair mortars, the only hydraulic compound is the cement and nowadays, this is the main constituent of building materials. The current trend is centered in the use of higher contents of additions (lime, pozzolana, fly ash, silica, silica fume...) in order to obtain more sustainable cements. Once the composition of mortars is analyzed, the technological improvement is centred in increasing the durability of the working life. Durability is defined as the ability to resist the action of the environment, chemical, physical, and biological attacks or any process that tends to its destruction. These processes depend on factors such as the concrete porosity and the environmental exposure. In terms of porosity, it be considered, the distribution of Macropores and mesopores and pores of the concrete structure, since not all of them are capable of causing the transportation of damaging agents, causing internal stresses on the same walls and destroying the cementing matrix.In general, deterioration processes are related to the action of water, either as direct agent or as a transport vehicle. Concrete durability also depends on the type of cement and its chemical composition (cement with high addition amounts are more resistant), water/cement ratio and cement content. The standard UNE-EN 1504 consists of 10 parts and defines the products for the protection and repair of concrete, the quality control of products, physical-chemical properties and durability. Other 65 standards that provide the test methods for the evaluation of repair systems are referenced in this standard. In the second part of this thesis there is a design of experiments with different polymer mortars (with concentrations of polymer between 0 and 25%), taking a control mortar without polymer as a reference and its physico-chemical, mechanical and durable properties were studied. For mortars with low proportion of polymer, 1 component systems are used (powder polymer) and for high polymer concentrations, water dispersion polymers are used. The mechanical properties measured were: compressive strength, flexural strength, modulus of elasticity, adhesion by direct traction and expansion-shrinkage, all of them under standards UNE. As a characterization of the durability, following tests are carried out: capillary absorption, resistance to carbonation and pull out adhesion after freeze-thaw cycles. The target of this study is to select the best mortar to make a comparison between mortars with polymer (optimized amount) and mortars without polymer. To select the optimum amount of polymer the following criteria have been considered: the mortar must have a classification R4 in terms of mechanical performance as well as in durability properties against the performed cycles, always bearing in mind that the addition of polymer cannot be too high to make the mortar competitive in price. The following general conclusions were obtained from this study: - A standard mortar does not fulfill the properties to be classified as R3 or R4 - Without polymer, a mortar may fulfill R4 for most of the measured characteristics. - It is necessary to use relations w/c ratio < 0.5 to get R4 mortars - The addition of polymer always improves adhesion, abrasion, capillary absorption and carbonation resistance - The different proportions of polymer used always improve the mechanical properties and durability. - The polymer has no influence on the expansion and shrinkage of the mortar - Adhesion is improved significantly with the use of polymer. - The presence of polymer in mortars improves the properties related to the action of the water, by the increase of the cement power and therefore the cohesion. The cementitious properties decrease the porosity. As final result of this study, it was determined that the optimum amount of polymer for the second part of the study is 2.0 - 3.5%. The third part is the comparative study between two mortars: one without polymer (A mortar) and another with the optimized amount of polymer, completed in the previous part (mortar B). Once the percentage of polymer is defined, a new granular skeleton is defined, with a new dosing of aggregate sizes, for both the reference mortar, the mortar with polymers, and the tests for physical, microstructural characterization and durability, are performed, as well as trials of part 1, measurements of the microstructural properties that were studied by scanning electron microscopy (SEM) and mercury porosimetry techniques; as well as properties of the mortar in fresh State (consistency, content of entrained air and final setting time). The use of polymer versus non polymer mortar, provided the following advantages: - In fresh state: mortar with polymer presented higher consistency and least amount of entrained air, which makes a mortar more workable and more ductile as well as more resistant because hardening will leave fewer gaps in its internal structure and increase its durability. Also allow it allows a better workability because of the longer (not excessive) setting time. - Regarding the mechanical properties: improvement in adhesion. It is one of the main properties which give the polymer to mortars. This higher adhesion results in an improvement of adhesion to the substrate, minimization of possible reactions at the concrete-mortar interface and therefore an increase in the durability of the repair carried out with mortar and concrete. - Respect to microstructural properties: the porosity of mortar with polymer is less and with smaller pore size, critical to be attacked by external agents causing deterioration. No major differences were observed from the data obtained by SEM - In terms of abrasion and capillary absorption, polymer mortar presented better performance as a result of its lower porosity and its microscopic structure. - Finally behavior against attack by sulfates and seawater, as well as to carbonation, was better in the mortar with polymer because of its lower permeability and its lower porosity. To complete the study, due to the great importance of sustainability for future market facts, the life cycle of the two mortars studied was analysed.

High power beam dump project for the accelerator prototype LIPAc: Cooling design and analysis

En el campo de la fusión nuclear y desarrollándose en paralelo a ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), el proyecto IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) se enmarca dentro de las actividades complementarias encaminadas a solucionar las barreras tecnológicas que aún plantea la fusión. En concreto IFMIF es una instalación de irradiación cuya misión es caracterizar materiales resistentes a condiciones extremas como las esperadas en los futuros reactores de fusión como DEMO (DEMOnstration power plant). Consiste de dos aceleradores de deuterones que proporcionan un haz de 125 mA y 40 MeV cada uno, que al colisionar con un blanco de litio producen un flujo neutrónico intenso (1017 neutrones/s) con un espectro similar al de los neutrones de fusión [1], [2]. Dicho flujo neutrónico es empleado para irradiar los diferentes materiales candidatos a ser empleados en reactores de fusión, y las muestras son posteriormente examinadas en la llamada instalación de post-irradiación. Como primer paso en tan ambicioso proyecto, una fase de validación y diseño llamada IFMIFEVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) se encuentra actualmente en desarrollo. Una de las actividades contempladas en esta fase es la construcción y operación de una acelarador prototipo llamado LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). Se trata de un acelerador de deuterones de alta intensidad idéntico a la parte de baja energía de los aceleradores de IFMIF. Los componentes del LIPAc, que será instalado en Japón, son suministrados por diferentes países europeos. El acelerador proporcionará un haz continuo de deuterones de 9 MeV con una potencia de 1.125 MW que tras ser caracterizado con diversos instrumentos deberá pararse de forma segura. Para ello se requiere un sistema denominado bloque de parada (Beam Dump en inglés) que absorba la energía del haz y la transfiera a un sumidero de calor. España tiene el compromiso de suministrar este componente y CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) es responsable de dicha tarea. La pieza central del bloque de parada, donde se para el haz de iones, es un cono de cobre con un ángulo de 3.5o, 2.5 m de longitud y 5 mm de espesor. Dicha pieza está refrigerada por agua que fluye en su superficie externa por el canal que se forma entre el cono de cobre y otra pieza concéntrica con éste. Este es el marco en que se desarrolla la presente tesis, cuyo objeto es el diseño del sistema de refrigeración del bloque de parada del LIPAc. El diseño se ha realizado utilizando un modelo simplificado unidimensional. Se han obtenido los parámetros del agua (presión, caudal, pérdida de carga) y la geometría requerida en el canal de refrigeración (anchura, rugosidad) para garantizar la correcta refrigeración del bloque de parada. Se ha comprobado que el diseño permite variaciones del haz respecto a la situación nominal siendo el flujo crítico calorífico al menos 2 veces superior al nominal. Se han realizado asimismo simulaciones fluidodinámicas 3D con ANSYS-CFX en aquellas zonas del canal de refrigeración que lo requieren. El bloque de parada se activará como consecuencia de la interacción del haz de partículas lo que impide cualquier cambio o reparación una vez comenzada la operación del acelerador. Por ello el diseño ha de ser muy robusto y todas las hipótesis utilizadas en la realización de éste deben ser cuidadosamente comprobadas. Gran parte del esfuerzo de la tesis se centra en la estimación del coeficiente de transferencia de calor que es determinante en los resultados obtenidos, y que se emplea además como condición de contorno en los cálculos mecánicos. Para ello por un lado se han buscado correlaciones cuyo rango de aplicabilidad sea adecuado para las condiciones del bloque de parada (canal anular, diferencias de temperatura agua-pared de decenas de grados). En un segundo paso se han comparado los coeficientes de película obtenidos a partir de la correlación seleccionada (Petukhov-Gnielinski) con los que se deducen de simulaciones fluidodinámicas, obteniendo resultados satisfactorios. Por último se ha realizado una validación experimental utilizando un prototipo y un circuito hidráulico que proporciona un flujo de agua con los parámetros requeridos en el bloque de parada. Tras varios intentos y mejoras en el experimento se han obtenido los coeficientes de película para distintos caudales y potencias de calentamiento. Teniendo en cuenta la incertidumbre de las medidas, los valores experimentales concuerdan razonablemente bien (en el rango de 15%) con los deducidos de las correlaciones. Por motivos radiológicos es necesario controlar la calidad del agua de refrigeración y minimizar la corrosión del cobre. Tras un estudio bibliográfico se identificaron los parámetros del agua más adecuados (conductividad, pH y concentración de oxígeno disuelto). Como parte de la tesis se ha realizado asimismo un estudio de la corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada con el doble fin de determinar si puede poner en riesgo la integridad del componente, y de obtener una estimación de la velocidad de corrosión para dimensionar el sistema de purificación del agua. Se ha utilizado el código TRACT (TRansport and ACTivation code) adaptándalo al caso del bloque de parada, para lo cual se trabajó con el responsable (Panos Karditsas) del código en Culham (UKAEA). Los resultados confirman que la corrosión del cobre en las condiciones seleccionadas no supone un problema. La Tesis se encuentra estructurada de la siguiente manera: En el primer capítulo se realiza una introducción de los proyectos IFMIF y LIPAc dentro de los cuales se enmarca esta Tesis. Además se describe el bloque de parada, siendo el diseño del sistema de rerigeración de éste el principal objetivo de la Tesis. En el segundo y tercer capítulo se realiza un resumen de la base teórica así como de las diferentes herramientas empleadas en el diseño del sistema de refrigeración. El capítulo cuarto presenta los resultados del relativos al sistema de refrigeración. Tanto los obtenidos del estudio unidimensional, como los obtenidos de las simulaciones fluidodinámicas 3D mediante el empleo del código ANSYS-CFX. En el quinto capítulo se presentan los resultados referentes al análisis de corrosión del circuito de refrigeración del bloque de parada. El capítulo seis se centra en la descripción del montaje experimental para la obtención de los valores de pérdida de carga y coeficiente de transferencia del calor. Asimismo se presentan los resultados obtenidos en dichos experimentos. Finalmente encontramos un capítulo de apéndices en el que se describen una serie de experimentos llevados a cabo como pasos intermedios en la obtención del resultado experimental del coeficiente de película. También se presenta el código informático empleado para el análisis unidimensional del sistema de refrigeración del bloque de parada llamado CHICA (Cooling and Heating Interaction and Corrosion Analysis). ABSTRACT In the nuclear fusion field running in parallel to ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) as one of the complementary activities headed towards solving the technological barriers, IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) project aims to provide an irradiation facility to qualify advanced materials resistant to extreme conditions like the ones expected in future fusion reactors like DEMO (DEMOnstration Power Plant). IFMIF consists of two constant wave deuteron accelerators delivering a 125 mA and 40 MeV beam each that will collide on a lithium target producing an intense neutron fluence (1017 neutrons/s) with a similar spectra to that of fusion neutrons [1], [2]. This neutron flux is employed to irradiate the different material candidates to be employed in the future fusion reactors, and the samples examined after irradiation at the so called post-irradiative facilities. As a first step in such an ambitious project, an engineering validation and engineering design activity phase called IFMIF-EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activities) is presently going on. One of the activities consists on the construction and operation of an accelerator prototype named LIPAc (Linear IFMIF Prototype Accelerator). It is a high intensity deuteron accelerator identical to the low energy part of the IFMIF accelerators. The LIPAc components, which will be installed in Japan, are delivered by different european countries. The accelerator supplies a 9 MeV constant wave beam of deuterons with a power of 1.125 MW, which after being characterized by different instruments has to be stopped safely. For such task a beam dump to absorb the beam energy and take it to a heat sink is needed. Spain has the compromise of delivering such device and CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas) is responsible for such task. The central piece of the beam dump, where the ion beam is stopped, is a copper cone with an angle of 3.5o, 2.5 m long and 5 mm width. This part is cooled by water flowing on its external surface through the channel formed between the copper cone and a concentric piece with the latter. The thesis is developed in this realm, and its objective is designing the LIPAc beam dump cooling system. The design has been performed employing a simplified one dimensional model. The water parameters (pressure, flow, pressure loss) and the required annular channel geometry (width, rugoisty) have been obtained guaranteeing the correct cooling of the beam dump. It has been checked that the cooling design allows variations of the the beam with respect to the nominal position, being the CHF (Critical Heat Flux) at least twice times higher than the nominal deposited heat flux. 3D fluid dynamic simulations employing ANSYS-CFX code in the beam dump cooling channel sections which require a more thorough study have also been performed. The beam dump will activateasaconsequenceofthe deuteron beam interaction, making impossible any change or maintenance task once the accelerator operation has started. Hence the design has to be very robust and all the hypotheses employed in the design mustbecarefully checked. Most of the work in the thesis is concentrated in estimating the heat transfer coefficient which is decisive in the obtained results, and is also employed as boundary condition in the mechanical analysis. For such task, correlations which applicability range is the adequate for the beam dump conditions (annular channel, water-surface temperature differences of tens of degrees) have been compiled. In a second step the heat transfer coefficients obtained from the selected correlation (Petukhov- Gnielinski) have been compared with the ones deduced from the 3D fluid dynamic simulations, obtaining satisfactory results. Finally an experimental validation has been performed employing a prototype and a hydraulic circuit that supplies a flow with the requested parameters in the beam dump. After several tries and improvements in the experiment, the heat transfer coefficients for different flows and heating powers have been obtained. Considering the uncertainty in the measurements the experimental values agree reasonably well (in the order of 15%) with the ones obtained from the correlations. Due to radiological reasons the quality of the cooling water must be controlled, hence minimizing the copper corrosion. After performing a bibligraphic study the most adequate water parameters were identified (conductivity, pH and dissolved oxygen concentration). As part of this thesis a corrosion study of the beam dump cooling circuit has been performed with the double aim of determining if corrosion can pose a risk for the copper beam dump , and obtaining an estimation of the corrosion velocitytodimension the water purification system. TRACT code(TRansport and ACTivation) has been employed for such study adapting the code for the beam dump case. For such study a collaboration with the code responsible (Panos Karditsas) at Culham (UKAEA) was established. The work developed in this thesis has supposed the publication of three articles in JCR journals (”Journal of Nuclear Materials” y ”Fusion Engineering and Design”), as well as presentations in more than four conferences and relevant meetings.

Technology and characterization of GaN-HEMTs devices: high temperature and trapping effects

Los transistores de alta movilidad electrónica basados en GaN han sido objeto de una extensa investigación ya que tanto el GaN como sus aleaciones presentan unas excelentes propiedades eléctricas (alta movilidad, elevada concentración de portadores y campo eléctrico crítico alto). Aunque recientemente se han incluido en algunas aplicaciones comerciales, su expansión en el mercado está condicionada a la mejora de varios asuntos relacionados con su rendimiento y habilidad. Durante esta tesis se han abordado algunos de estos aspectos relevantes; por ejemplo, la fabricación de enhancement mode HEMTs, su funcionamiento a alta temperatura, el auto calentamiento y el atrapamiento de carga. Los HEMTs normalmente apagado o enhancement mode han atraído la atención de la comunidad científica dedicada al desarrollo de circuitos amplificadores y conmutadores de potencia, ya que su utilización disminuiría significativamente el consumo de potencia; además de requerir solamente una tensión de alimentación negativa, y reducir la complejidad del circuito y su coste. Durante esta tesis se han evaluado varias técnicas utilizadas para la fabricación de estos dispositivos: el ataque húmedo para conseguir el gate-recess en heterostructuras de InAl(Ga)N/GaN; y tratamientos basados en flúor (plasma CF4 e implantación de F) de la zona debajo de la puerta. Se han llevado a cabo ataques húmedos en heteroestructuras de InAl(Ga)N crecidas sobre sustratos de Si, SiC y zafiro. El ataque completo de la barrera se consiguió únicamente en las muestras con sustrato de Si. Por lo tanto, se puede deducir que la velocidad de ataque depende de la densidad de dislocaciones presentes en la estructura, ya que el Si presenta un peor ajuste del parámetro de red con el GaN. En relación a los tratamientos basados en flúor, se ha comprobado que es necesario realizar un recocido térmico después de la fabricación de la puerta para recuperar la heteroestructura de los daños causados durante dichos tratamientos. Además, el estudio de la evolución de la tensión umbral con el tiempo de recocido ha demostrado que en los HEMTs tratados con plasma ésta tiende a valores más negativos al aumentar el tiempo de recocido. Por el contrario, la tensión umbral de los HEMTs implantados se desplaza hacia valores más positivos, lo cual se atribuye a la introducción de iones de flúor a niveles más profundos de la heterostructura. Los transistores fabricados con plasma presentaron mejor funcionamiento en DC a temperatura ambiente que los implantados. Su estudio a alta temperatura ha revelado una reducción del funcionamiento de todos los dispositivos con la temperatura. Los valores iniciales de corriente de drenador y de transconductancia medidos a temperatura ambiente se recuperaron después del ciclo térmico, por lo que se deduce que dichos efectos térmicos son reversibles. Se han estudiado varios aspectos relacionados con el funcionamiento de los HEMTs a diferentes temperaturas. En primer lugar, se han evaluado las prestaciones de dispositivos de AlGaN/GaN sobre sustrato de Si con diferentes caps: GaN, in situ SiN e in situ SiN/GaN, desde 25 K hasta 550 K. Los transistores con in situ SiN presentaron los valores más altos de corriente drenador, transconductancia, y los valores más bajos de resistencia-ON, así como las mejores características en corte. Además, se ha confirmado que dichos dispositivos presentan gran robustez frente al estrés térmico. En segundo lugar, se ha estudiado el funcionamiento de transistores de InAlN/GaN con diferentes diseños y geometrías. Dichos dispositivos presentaron una reducción casi lineal de los parámetros en DC en el rango de temperaturas de 25°C hasta 225°C. Esto se debe principalmente a la dependencia térmica de la movilidad electrónica, y también a la reducción de la drift velocity con la temperatura. Además, los transistores con mayores longitudes de puerta mostraron una mayor reducción de su funcionamiento, lo cual se atribuye a que la drift velocity disminuye más considerablemente con la temperatura cuando el campo eléctrico es pequeño. De manera similar, al aumentar la distancia entre la puerta y el drenador, el funcionamiento del HEMT presentó una mayor reducción con la temperatura. Por lo tanto, se puede deducir que la degradación del funcionamiento de los HEMTs causada por el aumento de la temperatura depende tanto de la longitud de la puerta como de la distancia entre la puerta y el drenador. Por otra parte, la alta densidad de potencia generada en la región activa de estos transistores conlleva el auto calentamiento de los mismos por efecto Joule, lo cual puede degradar su funcionamiento y Habilidad. Durante esta tesis se ha desarrollado un simple método para la determinación de la temperatura del canal basado en medidas eléctricas. La aplicación de dicha técnica junto con la realización de simulaciones electrotérmicas han posibilitado el estudio de varios aspectos relacionados con el autocalentamiento. Por ejemplo, se han evaluado sus efectos en dispositivos sobre Si, SiC, y zafiro. Los transistores sobre SiC han mostrado menores efectos gracias a la mayor conductividad térmica del SiC, lo cual confirma el papel clave que desempeña el sustrato en el autocalentamiento. Se ha observado que la geometría del dispositivo tiene cierta influencia en dichos efectos, destacando que la distribución del calor generado en la zona del canal depende de la distancia entre la puerta y el drenador. Además, se ha demostrado que la temperatura ambiente tiene un considerable impacto en el autocalentamiento, lo que se atribuye principalmente a la dependencia térmica de la conductividad térmica de las capas y sustrato que forman la heterostructura. Por último, se han realizado numerosas medidas en pulsado para estudiar el atrapamiento de carga en HEMTs sobre sustratos de SiC con barreras de AlGaN y de InAlN. Los resultados obtenidos en los transistores con barrera de AlGaN han presentado una disminución de la corriente de drenador y de la transconductancia sin mostrar un cambio en la tensión umbral. Por lo tanto, se puede deducir que la posible localización de las trampas es la región de acceso entre la puerta y el drenador. Por el contrario, la reducción de la corriente de drenador observada en los dispositivos con barrera de InAlN llevaba asociado un cambio significativo en la tensión umbral, lo que implica la existencia de trampas situadas en la zona debajo de la puerta. Además, el significativo aumento del valor de la resistencia-ON y la degradación de la transconductancia revelan la presencia de trampas en la zona de acceso entre la puerta y el drenador. La evaluación de los efectos del atrapamiento de carga en dispositivos con diferentes geometrías ha demostrado que dichos efectos son menos notables en aquellos transistores con mayor longitud de puerta o mayor distancia entre puerta y drenador. Esta dependencia con la geometría se puede explicar considerando que la longitud y densidad de trampas de la puerta virtual son independientes de las dimensiones del dispositivo. Finalmente se puede deducir que para conseguir el diseño óptimo durante la fase de diseño no sólo hay que tener en cuenta la aplicación final sino también la influencia que tiene la geometría en los diferentes aspectos estudiados (funcionamiento a alta temperatura, autocalentamiento, y atrapamiento de carga). ABSTRACT GaN-based high electron mobility transistors have been under extensive research due to the excellent electrical properties of GaN and its related alloys (high carrier concentration, high mobility, and high critical electric field). Although these devices have been recently included in commercial applications, some performance and reliability issues need to be addressed for their expansion in the market. Some of these relevant aspects have been studied during this thesis; for instance, the fabrication of enhancement mode HEMTs, the device performance at high temperature, the self-heating and the charge trapping. Enhancement mode HEMTs have become more attractive mainly because their use leads to a significant reduction of the power consumption during the stand-by state. Moreover, they enable the fabrication of simpler power amplifier circuits and high-power switches because they allow the elimination of negativepolarity voltage supply, reducing significantly the circuit complexity and system cost. In this thesis, different techniques for the fabrication of these devices have been assessed: wet-etching for achieving the gate-recess in InAl(Ga)N/GaN devices and two different fluorine-based treatments (CF4 plasma and F implantation). Regarding the wet-etching, experiments have been carried out in InAl(Ga)N/GaN grown on different substrates: Si, sapphire, and SiC. The total recess of the barrier was achieved after 3 min of etching in devices grown on Si substrate. This suggests that the etch rate can critically depend on the dislocations present in the structure, since the Si exhibits the highest mismatch to GaN. Concerning the fluorine-based treatments, a post-gate thermal annealing was required to recover the damages caused to the structure during the fluorine-treatments. The study of the threshold voltage as a function of this annealing time has revealed that in the case of the plasma-treated devices it become more negative with the time increase. On the contrary, the threshold voltage of implanted HEMTs showed a positive shift when the annealing time was increased, which is attributed to the deep F implantation profile. Plasma-treated HEMTs have exhibited better DC performance at room temperature than the implanted devices. Their study at high temperature has revealed that their performance decreases with temperature. The initial performance measured at room temperature was recovered after the thermal cycle regardless of the fluorine treatment; therefore, the thermal effects were reversible. Thermal issues related to the device performance at different temperature have been addressed. Firstly, AlGaN/GaN HEMTs grown on Si substrate with different cap layers: GaN, in situ SiN, or in situ SiN/GaN, have been assessed from 25 K to 550 K. In situ SiN cap layer has been demonstrated to improve the device performance since HEMTs with this cap layer have exhibited the highest drain current and transconductance values, the lowest on-resistance, as well as the best off-state characteristics. Moreover, the evaluation of thermal stress impact on the device performance has confirmed the robustness of devices with in situ cap. Secondly, the high temperature performance of InAlN/GaN HEMTs with different layouts and geometries have been assessed. The devices under study have exhibited an almost linear reduction of the main DC parameters operating in a temperature range from room temperature to 225°C. This was mainly due to the thermal dependence of the electron mobility, and secondly to the drift velocity decrease with temperature. Moreover, HEMTs with large gate length values have exhibited a great reduction of the device performance. This was attributed to the greater decrease of the drift velocity for low electric fields. Similarly, the increase of the gate-to-drain distance led to a greater reduction of drain current and transconductance values. Therefore, this thermal performance degradation has been found to be dependent on both the gate length and the gate-to-drain distance. It was observed that the very high power density in the active region of these transistors leads to Joule self-heating, resulting in an increase of the device temperature, which can degrade the device performance and reliability. A simple electrical method have been developed during this work to determine the channel temperature. Furthermore, the application of this technique together with the performance of electro-thermal simulations have enabled the evaluation of different aspects related to the self-heating. For instance, the influence of the substrate have been confirmed by the study of devices grown on Si, SiC, and Sapphire. HEMTs grown on SiC substrate have been confirmed to exhibit the lowest self-heating effects thanks to its highest thermal conductivity. In addition to this, the distribution of the generated heat in the channel has been demonstrated to be dependent on the gate-to-drain distance. Besides the substrate and the geometry of the device, the ambient temperature has also been found to be relevant for the self-heating effects, mainly due to the temperature-dependent thermal conductivity of the layers and the substrate. Trapping effects have been evaluated by means of pulsed measurements in AlGaN and InAIN barrier devices. AlGaN barrier HEMTs have exhibited a de crease in drain current and transconductance without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-to-drain access region. On the contrary, InAIN barrier devices have showed a drain current associated with a positive shift of threshold voltage, which indicated that the traps were possibly located under the gate region. Moreover, a significant increase of the ON-resistance as well as a transconductance reduction were observed, revealing the presence of traps on the gate-drain access region. On the other hand, the assessment of devices with different geometries have demonstrated that the trapping effects are more noticeable in devices with either short gate length or the gate-to-drain distance. This can be attributed to the fact that the length and the trap density of the virtual gate are independent on the device geometry. Finally, it can be deduced that besides the final application requirements, the influence of the device geometry on the performance at high temperature, on the self-heating, as well as on the trapping effects need to be taken into account during the device design stage to achieve the optimal layout.

Desarrollo de conglomerados con la incorporación de cenizas volantes procedentes de la incineración de residuos sólidos urbanos

Esta tesis presenta los resultados de la investigación realizada sobre la inertización de cenizas volantes procedentes de residuos sólidos urbanos y su posterior encapsulación en distintas matrices de mortero. Durante el proceso de inertización, se ha logrado la inertización de éste residuo tóxico y peligroso (RTP) y también su valorización como subproducto. De esta forma se dispone de nueva “materia prima” a bajo coste y la eliminación de un residuo tóxico y peligroso con la consiguiente conservación de recursos naturales alternativos. La caracterización química de las cenizas analizadas refleja que éstas presentan altas concentraciones de cloruros, Zn y Pb. Durante la investigación se ha desarrollado un proceso de inertización de las cenizas volantes con bicarbonato sódico (NaHCO3) que reduce en un 99% el contenido en cloruros y mantiene el pH en valores óptimos para que la concentración de los metales pesados en el lixiviado sea mínima debido a su estabilización en forma de carbonatos insolubles. Se han elaborado morteros con cuatro tipos distintos de cementos (CEM-I, CEM-II, CAC y CSA) incorporando cenizas volantes inertizadas en una proporción igual a un 10% en peso del árido utilizado. Los morteros ensayados abarcan distintas dosificaciones tanto en la utilización de áridos con distintos diámetros (0/2 y 0/4), como en la relación cemento/árido (1/1 y 1/3). Se han obtenido las propiedades físicas y mecánicas de estos morteros mediante ensayos de Trabajabilidad, Estabilidad Dimensional, Carbonatación, Porosidad y Resistencias Mecánicas. De igual forma, se presentan resultados de ensayos de lixiviación de Zn, Pb, Cu y Cd, sobre probetas monolíticas de los morteros con los mejores comportamientos físico/mecánicos, donde se ha analizado el contenido en iones de dichos metales pesados lixiviados mediante determinación voltamperométrica de redisolución anódica Se concluye que todos los morteros ensayados son técnicamente aceptables, siendo los más favorables los elaborados con Cemento de Sulfoaluminato de Calcio (CSA) y con Cemento de Aluminato de Calcio (CAC). En este último caso, se mejoran las resistencias a compresión de los morteros de referencia en más de un 48%, y las resistencias a flexión en más de un 67%. De igual forma, los ensayos de lixiviado revelan la completa encapsulación de los iones de Zn y la mitigación en el lixiviado de los iones de Pb. Ambos morteros podrían ser perfectamente validos en actuaciones en las que se necesitase un producto de fraguado rápido, altas resistencias iniciales y compensación de las retracciones con una elevada estabilidad dimensional. En base a esto, el material podría ser utilizado como mortero de reparación en viales y pavimentos que requiriesen altas prestaciones, tales como: soleras industriales, pistas de aterrizaje, aparcamientos, etc. O bien, para la confección de elementos prefabricados sin armaduras estructurales, dada su elevada resistencia a flexión. ABSTRACT This dissertation presents the results of a research on inerting fly ash from urban solid waste and its subsequent encapsulation in mortar matrixes. The inerting of this hazardous toxic waste, as well as its valorization as a by-product has been achieved. In this way, a new "raw material" is available through a simple process and the toxic and hazardous waste is eliminated, and consequently, conservation of alternative natural resources is strengthened. Chemical analysis of the ashes analyzed shows high concentrations of soluble chlorides, Zn and Pb. An inerting process of fly ash with sodium bicarbonate (NaHCO3) has been developed which reduces 99% the content of chlorides and maintains pH at optimal values, so that the concentration of heavy metals in the leachate is minimum, due to its stabilization in the form of insoluble carbonates. Mortars with four different types of cements (CEM-I, CEM-II, CAC and CSA) have been developed by the addition of inertized fly ash in the form of carbonates, in the proportion of 10% in weight of the aggregates used. The samples tested include different proportions in the use of aggregates with different sizes (0/2 and 0/4), and in the cement/aggregate ratio (1/1 and 1/3). Physical/mechanical properties of these mortars have been studied through workability, dimensional stability, carbonation, porosity and mechanic strength tests. Leaching tests of Zn, Pb, Cu and Cd ions are also being performed on monolithic samples of the best behavioral mortars. The content in leachated heavy metal ions is being analyzed through stripping voltammetry determination. Conclusions drawn are that the tested CAC and CSA cement mortars present much better behavior than those of CEM-I and CEM-II cement. The results are especially remarkable for the CAC cement mortars, improving reference mortars compression strengths in more than 48%, and also bending strengths in more than 67%. Leaching tests confirm that the encapsulation of Zn and Pb is achieved and leachate of both ions is mitigated within the mortar matrixes. For the above stated reasons, it might be concluded that mortars made with calcium aluminate cements or calcium sulfoaluminate with the incorporation of treated fly ash, may be perfectly valid for uses in which a fast-curing product, with high initial strength and drying shrinkage compensation with a high dimensional stability is required. Based on this, the material could be used as repair mortar for structures, roads and industrial pavements requiring high performance, such as: industrial floorings, landing tracks, parking lots, etc. Alternatively, it could also be used in the manufacture of prefabricated elements without structural reinforcement, given its high bending strength.

Low Work-Function Thermionic Emission and Orbital-Motion-Limited Ion Collection at Bare-Tether Cathodic Contact

Una amarra electrodinámica (electrodynamic tether) opera sobre principios electromagnéticos intercambiando momento con la magnetosfera planetaria e interactuando con su ionosfera. Es un subsistema pasivo fiable para desorbitar etapas de cohetes agotadas y satélites al final de su misión, mitigando el crecimiento de la basura espacial. Una amarra sin aislamiento captura electrones del plasma ambiente a lo largo de su segmento polarizado positivamente, el cual puede alcanzar varios kilómetros de longitud, mientras que emite electrones de vuelta al plasma mediante un contactor de plasma activo de baja impedancia en su extremo catódico, tal como un cátodo hueco (hollow cathode). En ausencia de un contactor catódico activo, la corriente que circula por una amarra desnuda en órbita es nula en ambos extremos de la amarra y se dice que ésta está flotando eléctricamente. Para emisión termoiónica despreciable y captura de corriente en condiciones limitadas por movimiento orbital (orbital-motion-limited, OML), el cociente entre las longitudes de los segmentos anódico y catódico es muy pequeño debido a la disparidad de masas entre iones y electrones. Tal modo de operación resulta en una corriente media y fuerza de Lorentz bajas en la amarra, la cual es poco eficiente como dispositivo para desorbitar. El electride C12A7 : e−, que podría presentar una función de trabajo (work function) tan baja como W = 0.6 eV y un comportamiento estable a temperaturas relativamente altas, ha sido propuesto como recubrimiento para amarras desnudas. La emisión termoiónica a lo largo de un segmento así recubierto y bajo el calentamiento de la operación espacial, puede ser más eficiente que la captura iónica. En el modo más simple de fuerza de frenado, podría eliminar la necesidad de un contactor catódico activo y su correspondientes requisitos de alimentación de gas y subsistema de potencia, lo que resultaría en un sistema real de amarra “sin combustible”. Con este recubrimiento de bajo W, cada segmento elemental del segmento catódico de una amarra desnuda de kilómetros de longitud emitiría corriente como si fuese parte de una sonda cilíndrica, caliente y uniformemente polarizada al potencial local de la amarra. La operación es similar a la de una sonda de Langmuir 2D tanto en los segmentos catódico como anódico. Sin embargo, en presencia de emisión, los electrones emitidos resultan en carga espacial (space charge) negativa, la cual reduce el campo eléctrico que los acelera hacia fuera, o incluso puede desacelerarlos y hacerlos volver a la sonda. Se forma una doble vainas (double sheath) estable con electrones emitidos desde la sonda e iones provenientes del plasma ambiente. La densidad de corriente termoiónica, variando a lo largo del segmento catódico, podría seguir dos leyes distintas bajo diferentes condiciones: (i) la ley de corriente limitada por la carga espacial (space-charge-limited, SCL) o (ii) la ley de Richardson-Dushman (RDS). Se presenta un estudio preliminar sobre la corriente SCL frente a una sonda emisora usando la teoría de vainas (sheath) formada por la captura iónica en condiciones OML, y la corriente electrónica SCL entre los electrodos cilíndricos según Langmuir. El modelo, que incluye efectos óhmicos y el efecto de transición de emisión SCL a emisión RDS, proporciona los perfiles de corriente y potencial a lo largo de la longitud completa de la amarra. El análisis muestra que en el modo más simple de fuerza de frenado, bajo condiciones orbitales y de amarras típicas, la emisión termoiónica proporciona un contacto catódico eficiente y resulta en una sección catódica pequeña. En el análisis anterior, tanto la transición de emisión SCL a RD como la propia ley de emisión SCL consiste en un modelo muy simplificado. Por ello, a continuación se ha estudiado con detalle la solución de vaina estacionaria de una sonda con emisión termoiónica polarizada negativamente respecto a un plasma isotrópico, no colisional y sin campo magnético. La existencia de posibles partículas atrapadas ha sido ignorada y el estudio incluye tanto un estudio semi-analítico mediante técnica asintóticas como soluciones numéricas completas del problema. Bajo las tres condiciones (i) alto potencial, (ii) R = Rmax para la validez de la captura iónica OML, y (iii) potencial monotónico, se desarrolla un análisis asintótico auto-consistente para la estructura de plasma compleja que contiene las tres especies de cargas (electrones e iones del plasma, electrones emitidos), y cuatro regiones espaciales distintas, utilizando teorías de movimiento orbital y modelos cinéticos de las especies. Aunque los electrones emitidos presentan carga espacial despreciable muy lejos de la sonda, su efecto no se puede despreciar en el análisis global de la estructura de la vaina y de dos capas finas entre la vaina y la región cuasi-neutra. El análisis proporciona las condiciones paramétricas para que la corriente sea SCL. También muestra que la emisión termoiónica aumenta el radio máximo de la sonda para operar dentro del régimen OML y que la emisión de electrones es mucho más eficiente que la captura iónica para el segmento catódico de la amarra. En el código numérico, los movimientos orbitales de las tres especies son modelados para potenciales tanto monotónico como no-monotónico, y sonda de radio R arbitrario (dentro o más allá del régimen de OML para la captura iónica). Aprovechando la existencia de dos invariante, el sistema de ecuaciones Poisson-Vlasov se escribe como una ecuación integro-diferencial, la cual se discretiza mediante un método de diferencias finitas. El sistema de ecuaciones algebraicas no lineal resultante se ha resuelto de con un método Newton-Raphson paralelizado. Los resultados, comparados satisfactoriamente con el análisis analítico, proporcionan la emisión de corriente y la estructura del plasma y del potencial electrostático. ABSTRACT An electrodynamic tether operates on electromagnetic principles and exchanges momentum through the planetary magnetosphere, by continuously interacting with the ionosphere. It is a reliable passive subsystem to deorbit spent rocket stages and satellites at its end of mission, mitigating the growth of orbital debris. A tether left bare of insulation collects electrons by its own uninsulated and positively biased segment with kilometer range, while electrons are emitted by a low-impedance active device at the cathodic end, such as a hollow cathode, to emit the full electron current. In the absence of an active cathodic device, the current flowing along an orbiting bare tether vanishes at both ends and the tether is said to be electrically floating. For negligible thermionic emission and orbital-motion-limited (OML) collection throughout the entire tether (electron/ion collection at anodic/cathodic segment, respectively), the anodic-to-cathodic length ratio is very small due to ions being much heavier, which results in low average current and Lorentz drag. The electride C12A7 : e−, which might present a possible work function as low as W = 0.6 eV and moderately high temperature stability, has been proposed as coating for floating bare tethers. Thermionic emission along a thus coated cathodic segment, under heating in space operation, can be more efficient than ion collection and, in the simplest drag mode, may eliminate the need for an active cathodic device and its corresponding gas-feed requirements and power subsystem, which would result in a truly “propellant-less” tether system. With this low-W coating, each elemental segment on the cathodic segment of a kilometers-long floating bare-tether would emit current as if it were part of a hot cylindrical probe uniformly polarized at the local tether bias, under 2D probe conditions that are also applied to the anodic-segment analysis. In the presence of emission, emitted electrons result in negative space charge, which decreases the electric field that accelerates them outwards, or even reverses it, decelerating electrons near the emitting probe. A double sheath would be established with electrons being emitted from the probe and ions coming from the ambient plasma. The thermionic current density, varying along the cathodic segment, might follow two distinct laws under different con ditions: i) space-charge-limited (SCL) emission or ii) full Richardson-Dushman (RDS) emission. A preliminary study on the SCL current in front of an emissive probe is presented using the orbital-motion-limited (OML) ion-collection sheath and Langmuir’s SCL electron current between cylindrical electrodes. A detailed calculation of current and bias profiles along the entire tether length is carried out with ohmic effects considered and the transition from SCL to full RDS emission is included. Analysis shows that in the simplest drag mode, under typical orbital and tether conditions, thermionic emission provides efficient cathodic contact and leads to a short cathodic section. In the previous analysis, both the transition between SCL and RDS emission and the current law for SCL condition have used a very simple model. To continue, considering an isotropic, unmagnetized, colissionless plasma and a stationary sheath, the probe-plasma contact is studied in detail for a negatively biased probe with thermionic emission. The possible trapped particles are ignored and this study includes both semianalytical solutions using asymptotic analysis and complete numerical solutions. Under conditions of i) high bias, ii) R = Rmax for ion OML collection validity, and iii) monotonic potential, a self-consistent asymptotic analysis is carried out for the complex plasma structure involving all three charge species (plasma electrons and ions, and emitted electrons) and four distinct spatial regions using orbital motion theories and kinetic modeling of the species. Although emitted electrons present negligible space charge far away from the probe, their effect cannot be neglected in the global analysis for the sheath structure and two thin layers in between the sheath and the quasineutral region. The parametric conditions for the current to be space-chargelimited are obtained. It is found that thermionic emission increases the range of probe radius for OML validity and is greatly more effective than ion collection for cathodic contact of tethers. In the numerical code, the orbital motions of all three species are modeled for both monotonic and non-monotonic potential, and for any probe radius R (within or beyond OML regime for ion collection). Taking advantage of two constants of motion (energy and angular momentum), the Poisson-Vlasov equation is described by an integro differential equation, which is discretized using finite difference method. The non-linear algebraic equations are solved using a parallel implementation of the Newton-Raphson method. The results, which show good agreement with the analytical results, provide the results for thermionic current, the sheath structure, and the electrostatic potential.

Proprioceptive force estimation and control for teleoperation in radioactive environments

A medida que se incrementa la energía de los aceleradores de partículas o iones pesados como el CERN o GSI, de los reactores de fusión como JET o ITER, u otros experimentos científicos, se va haciendo cada vez más imprescindible el uso de técnicas de manipulación remota para la interacción con el entorno sujeto a la radiación. Hasta ahora la tasa de dosis radioactiva en el CERN podía tomar valores cercanos a algunos mSv para tiempos de enfriamiento de horas, que permitían la intervención humana para tareas de mantenimiento. Durante los primeros ensayos con plasma en JET, se alcanzaban valores cercanos a los 200 μSv después de un tiempo de enfriamiento de 4 meses y ya se hacía extensivo el uso de técnicas de manipulación remota. Hay una clara tendencia al incremento de los niveles de radioactividad en el futuro en este tipo de instalaciones. Un claro ejemplo es ITER, donde se esperan valores de 450 Sv/h en el centro del toroide a los 11 días de enfriamiento o los nuevos niveles energéticos del CERN que harán necesario una apuesta por niveles de mantenimiento remotos. En estas circunstancias se enmarca esta tesis, que estudia un sistema de control bilateral basado en fuerza-posición, tratando de evitar el uso de sensores de fuerza/par, cuyo contenido electrónico los hace especialmente sensitivos en estos ambientes. El contenido de este trabajo se centra en la teleoperación de robots industriales, que debido a su reconocida solvencia y facilidad para ser adaptados a estos entornos, unido al bajo coste y alta disponibilidad, les convierte en una alternativa interesante para tareas de manipulación remota frente a costosas soluciones a medida. En primer lugar se considera el problema cinemático de teleoperación maestro-esclavo de cinemática disimilar y se desarrolla un método general para la solución del problema en el que se incluye el uso de fuerzas asistivas para guiar al operador. A continuación se explican con detalle los experimentos realizados con un robot ABB y que muestran las dificultades encontradas y recomendaciones para solventarlas. Se concluye el estudio cinemático con un método para el encaje de espacios de trabajo entre maestro y esclavo disimilares. Posteriormente se mira hacia la dinámica, estudiándose el modelado de robots con vistas a obtener un método que permita estimar las fuerzas externas que actúan sobre los mismos. Durante la caracterización del modelo dinámico, se realizan varios ensayos para tratar de encontrar un compromiso entre complejidad de cálculo y error de estimación. También se dan las claves para modelar y caracterizar robots con estructura en forma de paralelogramo y se presenta la arquitectura de control deseada. Una vez obtenido el modelo completo del esclavo, se investigan diferentes alternativas que permitan una estimación de fuerzas externas en tiempo real, minimizando las derivadas de la posición para minimizar el ruido. Se comienza utilizando observadores clásicos del estado para ir evolucionando hasta llegar al desarrollo de un observador de tipo Luenberger-Sliding cuya implementación es relativamente sencilla y sus resultados contundentes. También se analiza el uso del observador propuesto durante un control bilateral simulado en el que se compara la realimentación de fuerzas obtenida con las técnicas clásicas basadas en error de posición frente a un control basado en fuerza-posición donde la fuerza es estimada y no medida. Se comprueba como la solución propuesta da resultados comparables con las arquitecturas clásicas y sin embargo introduce una alternativa para la teleoperación de robots industriales cuya teleoperación en entornos radioactivos sería imposible de otra manera. Finalmente se analizan los problemas derivados de la aplicación práctica de la teleoperación en los escenarios mencionados anteriormente. Debido a las condiciones prohibitivas para todo equipo electrónico, los sistemas de control se deben colocar a gran distancia de los manipuladores, dando lugar a longitudes de cable de centenares de metros. En estas condiciones se crean sobretensiones en controladores basados en PWM que pueden ser destructivas para el sistema formado por control, cableado y actuador, y por tanto, han de ser eliminadas. En este trabajo se propone una solución basada en un filtro LC comercial y se prueba de forma extensiva que su inclusión no produce efectos negativos sobre el control del actuador. ABSTRACT As the energy on the particle accelerators or heavy ion accelerators such as CERN or GSI, fusion reactors such as JET or ITER, or other scientific experiments is increased, it is becoming increasingly necessary to use remote handling techniques to interact with the remote and radioactive environment. So far, the dose rate at CERN could present values near several mSv for cooling times on the range of hours, which allowed human intervention for maintenance tasks. At JET, they measured values close to 200 μSv after a cooling time of 4 months and since then, the remote handling techniques became usual. There is a clear tendency to increase the radiation levels in the future. A clear example is ITER, where values of 450 Sv/h are expected in the centre of the torus after 11 days of cooling. Also, the new energetic levels of CERN are expected to lead to a more advanced remote handling means. In these circumstances this thesis is framed, studying a bilateral control system based on force-position, trying to avoid the use of force/torque sensors, whose electronic content makes them very sensitive in these environments. The contents of this work are focused on teleoperating industrial robots, which due its well-known reliability, easiness to be adapted to these environments, cost-effectiveness and high availability, are considered as an interesting alternative to expensive custom-made solutions for remote handling tasks. Firstly, the kinematic problem of teloperating master and slave with dissimilar kinematics is analysed and a new general approach for solving this issue is presented. The solution includes using assistive forces in order to guide the human operator. Coming up next, I explain with detail the experiments accomplished with an ABB robot that show the difficulties encountered and the proposed solutions. This section is concluded with a method to match the master’s and slave’s workspaces when they present dissimilar kinematics. Later on, the research studies the dynamics, with special focus on robot modelling with the purpose of obtaining a method that allows to estimate external forces acting on them. During the characterisation of the model’s parameters, a set of tests are performed in order to get to a compromise between computational complexity and estimation error. Key points for modelling and characterising robots with a parallelogram structure are also given, and the desired control architecture is presented. Once a complete model of the slave is obtained, different alternatives for external force estimation are review to be able to predict forces in real time, minimizing the position differentiation to minimize the estimation noise. The research starts by implementing classic state observers and then it evolves towards the use of Luenberger- Sliding observers whose implementation is relatively easy and the results are convincing. I also analyse the use of proposed observer during a simulated bilateral control on which the force feedback obtained with the classic techniques based on the position error is compared versus a control architecture based on force-position, where the force is estimated instead of measured. I t is checked how the proposed solution gives results comparable with the classical techniques and however introduces an alternative method for teleoperating industrial robots whose teleoperation in radioactive environments would have been impossible in a different way. Finally, the problems originated by the practical application of teleoperation in the before mentioned scenarios are analysed. Due the prohibitive conditions for every electronic equipment, the control systems should be placed far from the manipulators. This provokes that the power cables that fed the slaves devices can present lengths of hundreds of meters. In these circumstances, overvoltage waves are developed when implementing drives based on PWM technique. The occurrence of overvoltage is very dangerous for the system composed by drive, wiring and actuator, and has to be eliminated. During this work, a solution based on commercial LC filters is proposed and it is extensively proved that its inclusion does not introduce adverse effects into the actuator’s control.