Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.

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).

Liquid-crystal electro-optic modulator based on electrohydrodynamic effects

A new method of light modulation is reported. This method is based on the electro-optical properties of nematic materials and on the use of a new wedge structure. The advantages of this structure are the possibility of modulating nonpolarized light and the improved signal-to-noise ratio. The highest modulating frequency obtained is 25 kHz.

Laser pulse shaping with liquid crystals

A method of unpolarized laser pulses shaping is reported. The basis of the method is the use of an hybrid optical bistable device with nematic liquid-crystals, similar to the one previously reported by us. A sample of the input light constrols, by an asymmetrical electronic comparator, a 1 x 2 electro-optical total switch. The output pulses are reshaped and maintain the same polarization properties as the input light. From triangular input light signals, symmetriacl and asymmetrical output pulses have been obtained. The minimum pulse width achieved was 0.1 msec. A representation of the output versus input light signals gives an hysteresys cycle in the asymmetrical case.

Digital light beam deflector with liquid crystals

In this communication we report a new method for deflecting a laser beam with liquid crystals cells. In order to improve previous response times of these cells, we use a wedge structure with twisted orientation.

Rapid microbiological detection method based on ultrasonic instrumentation

Los métodos de detección rápida de microorganismos se están convirtiendo en una herramienta esencial para el control de calidad en el área de la biotecnología, como es el caso de las industrias de alimentos y productos farmacéuticos y bioquímicos. En este escenario, el objetivo de esta tesis doctoral es desarrollar una técnica de inspección rápida de microoganismos basada en ultrasonidos. La hipótesis propuesta es que la combinación de un dispositivo ultrasónico de medida y un medio líquido diseñado específicamente para producir y atrapar burbujas, pueden constituir la base de un método sensible y rápido de detección de contaminaciones microbianas. La técnica presentada es efectiva para bacterias catalasa-positivas y se basa en la hidrólisis del peróxido de hidrógeno inducida por la catalasa. El resultado de esta reacción es un medio con una creciente concentración de burbujas. Tal medio ha sido estudiado y modelado desde el punto de vista de la propagación ultrasónica. Las propiedades deducidas a partir del análisis cinemático de la enzima se han utilizado para evaluar el método como técnica de inspección microbiana. En esta tesis, se han investigado aspectos teóricos y experimentales de la hidrólisis del peróxido de hidrógeno. Ello ha permitido describir cuantitativamente y comprender el fenómeno de la detección de microorganismos catalasa-positivos mediante la medida de parámetros ultrasónicos. Más concretamente, los experimentos realizados muestran cómo el oxígeno que aparece en forma de burbujas queda atrapado mediante el uso de un gel sobre base de agar. Este gel fue diseñado y preparado especialmente para esta aplicación. A lo largo del proceso de hidrólisis del peróxido de hidrógeno, se midió la atenuación de la onda y el “backscattering” producidos por las burbujas, utilizando una técnica de pulso-eco. Ha sido posible detectar una actividad de la catalasa de hasta 0.001 unidades/ml. Por otra parte, este estudio muestra que por medio del método propuesto, se puede lograr una detección microbiana para concentraciones de 105 células/ml en un periodo de tiempo corto, del orden de unos pocos minutos. Estos resultados suponen una mejora significativa de tres órdenes de magnitud en comparación con otros métodos de detección por ultrasonidos. Además, la sensibilidad es competitiva con modernos y rápidos métodos microbiológicos como la detección de ATP por bioluminiscencia. Pero sobre todo, este trabajo muestra una metodología para el desarrollo de nuevas técnicas de detección rápida de bacterias basadas en ultrasonidos. ABSTRACT In an industrial scenario where rapid microbiological methods are becoming essential tools for quality control in the biotechnological area such as food, pharmaceutical and biochemical; the objective of the work presented in this doctoral thesis is to develop a rapid microorganism inspection technique based on ultrasounds. It is proposed that the combination of an ultrasonic measuring device with a specially designed liquid medium, able to produce and trap bubbles could constitute the basis of a sensitive and rapid detection method for microbial contaminations. The proposed technique is effective on catalase positive microorganisms. Well-known catalase induced hydrogen peroxide hydrolysis is the fundamental of the developed method. The physical consequence of the catalase induced hydrogen peroxide hydrolysis is an increasingly bubbly liquid medium. Such medium has been studied and modeled from the point of view of ultrasonic propagation. Properties deduced from enzyme kinematics analysis have been extrapolated to investigate the method as a microbial inspection technique. In this thesis, theoretical and experimental aspects of the hydrogen peroxide hydrolysis were analyzed in order to quantitatively describe and understand the catalase positive microorganism detection by means of ultrasonic measurements. More concretely, experiments performed show how the produced oxygen in form of bubbles is trapped using the new gel medium based on agar, which was specially designed for this application. Ultrasonic attenuation and backscattering is measured in this medium using a pulse-echo technique along the hydrogen peroxide hydrolysis process. Catalase enzymatic activity was detected down to 0.001 units/ml. Moreover, this study shows that by means of the proposed method, microbial detection can be achieved down to 105 cells/ml in a short time period of the order of few minutes. These results suppose a significant improvement of three orders of magnitude compared to other ultrasonic detection methods for microorganisms. In addition, the sensitivity reached is competitive with modern rapid microbiological methods such as ATP detection by bioluminescence. But above all, this work points out a way to proceed for developing new rapid microbial detection techniques based on ultrasound.

Digital light beam deflector with liquid cristal (1980)

In this letter , we report a new method for óptical switching based on the electro-optical properties of liquid crystal materials and, in particular, of the nematic type. The basis of this new method is the use of twisted wedge structure that has not been reported before elsewhere. In the past several years , great efforts in integrated optics have been made to develop optical switching devices with fast speed by using electro-optic, acousto-optic or magneto -optic materials. A mechanically operated óptical switch made of grade-index rod 1enses and e1ectromagnets has been proposed too . Switches of this kind include one input and two output waveguides and, depending on the app1ied voltage, one incident light on the switch exits either in one or another of the two output waveguides.

Laser pulse shaping with liquid crystals (1982)

In this paper we report a new method of laser pulse shaping by the use of liquid crystals as non linear materials. The basis of this method is similar to the one reported by us for an hybrid optical bistable device, but with a different electronic circuitry and feedback.

Preliminary results of the relation between ice viscosity and water content using an inverse method

One of the outstanding problems of the modelling of temperate ice dynamics is the limited knowledge on the rheology of temperate ice and, in particular, on how the rate factor depends on the liquid water content. Though it is well known that the rate factor depends strongly on the water content, in practice the only available experimentally-based relationship is that by Duval (1977), which is only valid for water contents up to 1%. However, actual water contents found in temperate and polythermal glaciers are sometimes substantially larger.

One-dimensional self-similar solution of the dynamics of axisymmetric slender liquid bridges

In this paper the dynamics of axisymmetric, slender, viscous liquid bridges having volume close to the cylindrical one, and subjected to a small gravitational field parallel to the axis of the liquid bridge, is considered within the context of one-dimensional theories. Although the dynamics of liquid bridges has been treated through a numerical analysis in the inviscid case, numerical methods become inappropriate to study configurations close to the static stability limit because the evolution time, and thence the computing time, increases excessively. To avoid this difficulty, the problem of the evolution of these liquid bridges has been attacked through a nonlinear analysis based on the singular perturbation method and, whenever possible, the results obtained are compared with the numerical ones.

One-dimensional linear analysis of the liquid injection or removal in a liquid bridge

The filling-withdrawal process of a long liquid bridge is analyzed using a one-dimensional linearized model for the dynamics of the liquid column. To carry out this study, a well-known standard operational method (Laplace transform) has been used, and time variation of both liquid velocity field and interface shape are obtained.

Influence of a liquid on the natural frequencies of almost circular plates

In this work, the influence of the surrounding fluid on the dynamic characteristics of almost circular plates is investigated. First the natural frequencies and normal modes for the plates in vacuum are calculated by a perturbation procedure. The method is applied for the case of elliptical plates with a low value of eccentricity. The results are compared with other available methods for this type of plates with good agreement. Next, the effect of the fluid is considered. The normal modes of the plate in vacuum are used as a base to express the vibration mode of the coupled plate-fluid system. By applying the Hankel transformation the nondimensional added virtual mass 2 increment (NAVMI) are calculated for elliptical plates. Results of the NAVMI factors and the effect of the fluid on the natural frequencies are given and it is shown that when the eccentricity of the plate is reduced to zero (circular plate) the known results of the natural frequencies for circular plates surrounded by liquid are recovered.