Bariloche Atomic Centre
Repositorio Institucional del Centro Atomico Bariloche y el Instituto BalseiroNot a member yet
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Re-diseño de un componente satelital con requerimientos mecánicos aplicando metodologías de optimización topológica y manufactura aditivas
Full text linkEl objetivo del presente trabajo es estudiar la posible reducción del peso de un soporte de Star Tracker, conservando su desempeño mecánico, a partir de la aplicación de técnicas de optimización topológica. Por ser componentes de satélites, la reducción del peso tiene un impacto económico directo por el ahorro de combustible durante el lanzamiento.
Se buscó cumplir este objetivo aplicando técnicas de optimización topológica sobre el soporte original, y considerando su fabricación por medio de manufactura aditiva de metales. La optimización topológica permitió encontrar una distribución optimizada de la materia aplicando una reducción del volumen. Por la complejidad de la geometría obtenida, se considera la utilización de manufactura aditiva para la construcción del soporte.
La verificación del desempeño de los soportes se realizó por medio de análisis de elementos finitos. Todos los análisis se realizaron bajo la hipótesis de comportamiento lineal elástico de los materiales involucrados. Por un lado, se realizó un análisis de las tensiones en el soporte para los 24 casos de carga establecidos. Por otro lado, se realizó un análisis modal de los soportes, y finalmente la falla por pandeo. Además, se verifica el cumplimiento de una serie de requerimientos geométricos, dimensionales y eléctricos.
Se cumplió satisfactoriamente con los objetivos planteados, quedando como trabajo a futuro el análisis térmico del soporte optimizado
Cálculo del equilibrio MHD a partir de información experimental en tokamaks avanzados
Full text linkLa tecnología para obtener energía aprovechable de la fusión de núcleos livianos se encuentra aún en desarrollo. Si bien este tipo de reacciones se han logrado en el laboratorio hace muchos años, aún no se ha logrado fabricar un reactor capaz de liberar más potencia
producida por fusión que la necesaria para mantener las condiciones requeridas, en forma estacionaria o casi-estacionaria. El próximo paso en esta carrera tecnológica es la construcción de ITER (International Thermonuclear Reactor) que, usando un plasma producido por una configuración tipo tokamak, ha sido diseñado para liberar una potencia de fusión diez veces mayor que la potencia de calentamiento requerida para mantener las condiciones del plasma que forman los reactivos. Para lograr este objetivo, se requiere lograr un plasma con buena estabilidad en las condiciones que permiten una cantidad de reacciones de fusión suficientemente grande. Para lograr esto se debe tener un modelo preciso del plasma y su estructura interna y un buen sistema de control de sus perfiles, entre otros requisitos. La mayoría de este tipo de modelos requieren como insumo la configuración de campo en estado de equilibrio de fuerzas magnetohidrodinámicas (equilibrio MHD). De los numerosos métodos y códigos para resolver el equilibrio MHD que existen a día de hoy, la mayoría lo hacen partiendo de información que no se puede obtener directamente en forma experimental. Para obtener la configuración magnética en la práctica se recurren a códigos de reconstrucción del equilibrio que resuelven una aproximación linealizada del problema y ajustan parámetros para aproximar lo mejor posible una serie de observables (problema de minimización con restricciones). Aunque esta estrategia permite describir adecuadamente los campos en experimentos actuales, su adaptación al diseño de escenarios y estrategias de control en plasmas con nuevas condiciones puede volverse un factor limitante.
En esta tesis se introduce un esquema numérico para obtener la configuración de campo magnético de equilibrio MHD en tokamaks, y configuraciones axisimétricas en general, a partir de información experimental. La información requerida es una estimación del perfil de presión en función del radio menor del toroide y el perfil radial de ángulo de inclinación del campo magnético en el plano ecuatorial. El perfil de presión se puede inferir a partir de la emisión de ciclotrón de los electrones del plasma, mientras que el ángulo del campo magnético se determina rutinariamente mediante una técnica denominada Motional Stark Effect (MSE). A partir de esta información, el esquema iterativo propuesto permite obtener y resolver la ecuación diferencial de Grad-Shafranov que describe el equilibrio. Para la resolución de este problema inverso, se emplea una secuencia de problemas diferenciales no lineales de segundo orden, que se aproximan mediante el método de elementos finitos. Además de introducir y validar el esquema numérico, se analiza la estructura y distribución de corrientes en los escenarios de operación previstos para ITER
Análisis del nivel de automatismo de sistemas robóticos en la industria nuclear
Full text linkLa aplicación de automatismos en la industria nuclear provee múltiples beneficios, especialmente en el apartado de seguridad. Por lo que es necesario implementar metodologías claras a la hora de evaluar cada actividad y alcanzar un nivel de automatización adecuado que permita un desarrollo óptimo de las funciones de la planta. Es reconocido internacionalmente que esta metodología, en la industria nuclear, está guiada a través del uso de las normas NUREG-0711 [2]. El objetivo principal de estas normas es lograr que la carga de trabajo de los operadores en conjunto a la conciencia de la situación y el trabajo en equipo sean los adecuados para la operación segura del reactor
Desarrollo de materiales avanzados con morfología controlada para electrodos de baterías de ion de litio
Full text linkLas baterías de ion de litio dominan el mercado de almacenamiento energético tanto en dispositivos portátiles como en vehículos eléctricos, y su uso en aplicaciones estacionarias es cada vez más amplio. Además, se prevé un incremento acelerado en la demanda de almacenamiento durante las próximas décadas, debido principalmente a la electrificación total del transporte. Este escenario plantea la necesidad de desarrollar baterías que ofrezcan mayor rango de autonomía, mayor tiempo de vida útil y altas velocidades de carga, buscando reducir el impacto ambiental desde su fabricación hasta su disposición final, y precios competitivos frente a los vehículos de motor de combustión interna. Estos factores dependen sustancialmente de las propiedades de los materiales activos de los electrodos.
El óxido de litio manganeso (LiMn_2O_4) es un material activo catódico que presenta buenas propiedades electroquímicas, toxicidad reducida y costos moderados de obtención. Sin embargo, el material en volumen sufre un acelerado decaimiento de la capacidad de carga debido a la degradación de su superficie por contacto con el electrolito, y un bajo coeficiente de difusión del Li+, lo cual limita la velocidad de carga.
Una de las estrategias utilizadas para mejorar el desempeño electroquímico es el uso de materiales activos nanoestructurados, ya que estos presentan propiedades distintas en comparación con su contraparte en volumen (bulk). Debido a que estas propiedades están íntimamente relacionadas con las características morfológicas de las nanopartículas, la posibilidad de controlar la morfología permite ajustar las propiedades del material optimizando el funcionamiento del mismo.
Esta tesis se enfocó en la síntesis con morfología controlada de nanopartículas de LiMn_2O_4 como estrategia para abordar los problemas que presenta el material en volumen. La síntesis se basó en el método de descomposición térmica de precursores organometálicos asistida por surfactantes, seguido de un tratamiento térmico en aire. El control de la morfología se realizó mediante el ajuste de parámetros de la síntesis. Las muestras se caracterizaron química, estructural y microestructuralmente mediante difracción de rayos X, difracción de electrones, espectroscopía de pérdida de energía de electrones y microscopía electrónica de transmisión. Las propiedades electroquímicas se evaluaron mediante técnicas de ciclado galvanostático, voltamperometría cíclica y espectroscopía de impedancia electroquímica.
En primer lugar, se sintetizaron nanopartículas de LiMn_2O_4, cuya capacidad de carga y descarga inicial resultó comparable con los valores reportados en la bibliografía para este material. Sin embargo, esta capacidad decae rápidamente durante el ciclado, posiblemente debido a la degradación de la superficie por contacto con el electrolito. Para evaluar la capacidad de controlar la morfología, se sintetizaron nanopartículas core/shell de composición LiMn_2O_4/Li_2O, cuya cáscara podría proteger la superficie del material, además de proveer litio adicional para compensar posibles pérdidas. Esta muestra presentó mayor capacidad de carga inicial, sin embargo, se obtuvieron valores casi nulos en los ciclos siguientes. Esto puede atribuirse a la descomposición del electrolito por reacciones secundarias del material agregado como cáscara. Finalmente, se generaron nanoestructuras huecas de LiMn_2O_4. Si bien la capacidad de carga y descarga inicial fue ligeramente inferior en comparación con las muestras anteriores, esta muestra presentó una mejor estabilidad en condiciones de ciclado, lo cual está relacionado con las características morfológicas de las nanoestructuras. Se determinó además que, tanto las nanopartículas como las nanoestructuras huecas, presentan coeficientes de difusión de Li+ elevados en comparación con los valores reportados para el material en volumen, indicando que la cinética resultó favorecida debido a las dimensiones nanométricas del material
Simulación de radiocirugía craneal estereotáctica guiada por resonancia magnética funcional
Full text linkEl objetivo de este trabajo fue reconocer e incorporar redes neuronales en estado de reposo (RSN) a los sistemas de planificación a partir de estudios rs-fMRI y simular planes de tratamientos de radiocirugía craneal estereotáctica (SRS) con la información anatómica tradicional y la información funcional de las RSN. La SRS es una técnica no invasiva utilizada para tratar lesiones intracraneales a través de múltiples haces que entregan altas dosis al objetivo en pocas fracciones. Las dosis recibidas por las regiones funcionales pueden ser reducidas a través su incorporación como órganos en riesgo (OAR) en el proceso de planificación de radioterapia. Se utilizaron tres pacientes con tumores cerebrales para el desarrollo de los planes de tratamiento, contaban con estudios 3DGRE-T1, rs-fMRI y CT. Para encontrar las redes neuronales en estado de reposo RSN se realizó un análisis bidimensional de componentes independientes (ICA) con la función MELODIC, seguido de un proceso semiautomático de clasificación combinando FIX y la clasificación manual. Posteriormente se seleccionaron las redes visual, motora y DMN para ser incorporadas al TPS, para ello se desarrolló un programa en Python que permite la conversión de archivos NIfTI a DICOM, el programa consideró la integridad de los datos, adaptación del marco de referencia NIfTI al sistema DICOM y la asignación de UID. El procedimiento semiautomático para clasificar y reconocer las RSN demostró una eficiencia comparable a la clasificación manual, con una reducción considerable del tiempo requerido en esta tarea. Se convirtió y adecuó satisfactoriamente las RSN Nifti al formato DICOM, siendo reconocidos y asignados correctamente a los pacientes en el TPS. Al incorporar las redes visual, motor y DMN como fOAR en los planes de tratamiento utilizando técnicas de VMAT coplanar y no-coplanar, se pudo reducir con éxito las dosis de la red visual en 15 % y 18 % aproximadamente, sin comprometer la dosis del objetivo ni superar los límites de los OAR convencionales. Este estudio demostró la factibilidad de incorporar RSNs en los planes de tratamiento en RT con una posible aplicación clínica
Diseño y caracterización de láseres de cascada cuántica en el infrarrojo medio
Full text linkCon el objetivo de desarrollar las capacidades de diseño, fabricación y caracterización de láseres de cascada cuántica en el rango infrarrojo en el Centro Atómico Bariloche, se caracterizaron las propiedades ópticas y eléctricas de un láser de cascada cuántica de 3 THz. A partir de estos resultados, se verificó el correcto funcionamiento del sistema de medición comparando los resultados con mediciones previas realizadas en otro laboratorio. Además, se realizaron simulaciones de esta estructura empleando dos modelos desarrollados previamente y se verificó que las energías de emisión y la ganancia estimadas son compatibles con lo medido experimentalmente.
En segundo lugar, se desarrollaron dos técnicas de caracterización de materiales mediante experimentos de luminiscencia. Una de ellas se focaliza en determinar, ajustando por medio de un método de Montecarlo, los grosores de capas en heteroestructuras realizando un barrido de luminiscencia en la dirección transversal a las capas. La otra técnica desarrollada se basa en determinar la concentración de Si en GaAs:Si mediante el máximo del pico de luminiscencia de este material medido a 77 K y a temperatura
ambiente; para ello se realizaron curvas de calibración con mediciones de efecto Hall y de capacitancia electroquímica. Ambos métodos desarrollados aun carecen de precisión, pero resultaron prácticos para tener una primera y rápida medición de estas
propiedades.
Seguidamente, se completó el estudio de espectros de fotoluminiscencia a 5 K y 77 K de heteroestructuras crecidas en el Centro Atómico Bariloche y, junto con mediciones previas, se verificó que es posible crecer muestras periódicas, complejas y de buena
calidad.
Finalmente, se lograron fabricar las primeras muestras de láseres de cascada cuántica de 11 μm en el Centro Atómico Bariloche. Se realizaron las respectivas caracterizaciones eléctricas sin obtener resultados concluyentes sobre la existencia de emisión estimulada. Paralelamente, se realizaron simulaciones de este láser variando parámetros en su estructura a fin de estimar sus efectos en la longitud de onda de emisión
Modelado de hábitats fragmentados mediante redes complejas en el marco de la ecología de la conservación
Full text linkSe implementó un modelo metapoblacional espacialmente explícito para la simulación de un sistema depredador-presa inmerso en un hábitat fragmentado, compuesto por un conjunto de parches habitables conectados mediante enlaces de dispersión lenta. Un formalismo particularmente adecuado para describir este tipo de hábitats es el de la teoría de grafos. Específicamente, en este trabajo se implementaron Redes de Umbral Geográfico, cuyos nodos poseen coordenadas espaciales y donde las conexiones se establecen por proximidad. Para agregar un mayor nivel de detalle al modelo, se utilizaron multigrafos, por lo que cada especie posee su propio conjunto de aristas, de manera que la probabilidad de acceder a un parche dado es distinta para presas y depredadores.
Se encontró una amplia región del espacio de fases en la cual la coexistencia entre ambas especies es posible. La exploración de la especificidad en la dieta del depredador y de la presión de depredación reveló una alta sensibilidad del sistema a los valores de los parámetros utilizados. Esto es relevante desde un punto de vista ecológico, ya que remarca el hecho de que ciertos ecosistemas pueden sufrir modificaciones sustanciales frente a pequeños cambios en la forma en la que las especies interactúan. Otro resultado
destacable es que las presas presentan un efecto de refugio: el tiempo de vida medio es mayor en los parches donde el depredador tiene baja conectividad.
Por ultimo, se estudió el impacto de diferentes estrategias para la destrucción y reconstrucción de parches. Se encontró que el sistema presenta histéresis, es decir, la densidad de ambas especies puede diferir para un mismo número de parches removidos según se esté ejecutando un proceso de destrucción o de restauración de la red. Esta diferencia está asociada a la fragmentación de la componente gigante en subgrafos pequeños, donde la supervivencia se ve dificultada ya que las fluctuaciones estocásticas se hacen comparables al tamaño del subsistema.
La destrucción de nodos donde la presa posee grado elevado resultó la más perjudicial para el ecosistema en su conjunto, ya que la componente gigante de la presa se fragmenta mucho antes que la del depredador. De forma analogía, aquellas estrategias que priorizan la restauración de parches donde la presa tiene mayor grado son las más eficientes para la recuperación simultánea de ambas especies, ya que la presa percibe una rápida mejora en la conectividad. Este aumento en su colonización efectiva se traduce
en un incremento en su densidad, beneficiando indirectamente a los depredadores. Por el contrario, si los parches que se restauran maximizan el flujo de depredadores en la red, el impacto sobre las presas es muy negativo, por lo que no es una estrategia recomendable si lo que se busca es una recuperación homogénea del ecosistema. Los hábitats fragmentados resultan ubicuos en la naturaleza. La destrucción de estos ecosistemas es considerada la mayor causa de la pérdida de biodiversidad actual.
Estudiar el impacto que las diferentes estrategias de restauración pueden tener en la recuperación de estos hábitats es de vital importancia para la toma de decisiones en la gestión de los recursos naturales y para el desarrollo de políticas optimas de conservación
Caracterización del espacio perceptual de dispositivos hápticos
Full text linkLa percepción sensorial es un sistema de representación y transmisión de información análogo a los sistemas de comunicación desarrollados por el hombre. En el canal sensorial, los fenómenos físicos que producen las señales en el mundo externo juegan el papel del emisor, y el sujeto que experimenta y decodifica dichas señales juega el rol del receptor. La neurociencia de sistemas tiene una larga historia de estudios que muestran cómo los humanos codifican y transmiten información visual y auditiva, pero existe mucho menos información acerca de las estrategias utilizadas en otras modalidades sensoriales. Este trabajo propone el estudio del sentido del tacto, con el objetivo de establecer las pautas con las cuales se debe diseñar un alfabeto de símbolos para transmitir información háptica de manera ´optima. Este objetivo es relevante a la hora de desarrollar dispositivos de sustitución para ciegos y disminuidos visuales, y también, para el desarrollo de tecnologías táctiles que permitan una experiencia inmersiva en entornos de realidad virtual. La construcción de un código optimo requiere que el alfabeto de estímulos haga un uso eficiente del espacio físico que alberga a todas las posibles señales. Esto implica utilizar tantos símbolos como sea posible discriminar, por lo cual, es crucial tener una buena caracterización de la forma en que los usuarios discriminan estímulos vibrotáctiles. Esta caracterización fue realizada con experimentos psicofísicos de discriminación. Trabajamos con la controladora háptica comercial DRV 2605L, que es relativamente económica y ampliamente usada en la industria, y permite generar un catálogo de 123 efectos vibrotáctiles estandarizados. Los efectos fueron enviados a un motorcito comercial económico de tipo masa rotante excéntrica, que funcionó como actuador mecánico y transmisor de señales. Una población de 30 voluntarios sanos recibió pares de vibraciones sobre el dedo índice y cada usuario reportó si las vibraciones se sentían como iguales o como distintas. Estos reportes nos permitieron identificar las características físicas que más modulan la capacidad de discriminar estímulos táctiles. Las dos características más relevantes resultaron ser la máxima aceleración de las vibraciones, y la duración total del estímulo. Observamos que la discriminabilidad sigue la así llamada Ley de Weber o Fracción de Weber, ampliamente estudiada en otras modalidades sensoriales, que indica que el umbral de discriminación es proporcional a la magnitud del estímulo. Los factores de proporcionalidad encontrados fueron del 6% para el caso de la aceleración máxima, y del 12% para el caso de la duración. Para construir el código ´optimo, definimos una noción de distancia perceptual entre pares de estímulos táctiles, que representa la medida en que un dado usuario percibe, desde el punto de vista de su experiencia subjetiva, cuán distintas son las dos vibraciones. A partir de esta noción de distancia, utilizamos técnicas de geometría no euclideana para definir una transformación que mapea las propiedades físicas de un dado estímulo en coordenadas perceputales, de forma que en el nuevo espacio, la distancia euclídea entre estímulos es igual a la distancia perceptual. La forma inhomogénea en que se distribuyen los estímulos generados por la controladora en el espacio perceptual permite concluir que las vibraciones utilizadas por dispositivos comerciales no hacen un uso eficiente del alfabeto de entrada, e indica en qué dirección hay que modificar el código para optimizarlo.
Nota del autor: la estructura de este manuscrito presenta recursos literarios no comunes en la literatura científica, como la nomenclatura empleada en los títulos de las secciones. Atribuyo la razón de los mismos a mi búsqueda de reflejar mi admiración, respeto, gratitud y más sincero elogio a las obras literarias redactadas por el profesor J.R.R. Tolkien
Ingeniería de Floquet para el transporte de carga en sistemas bidimensionales
Full text linkEn este trabajo se estudian algunos efectos producidos por la interacción entre ciertos materiales bidimensionales y la radiación electromagnética. Más precisamente, estudiaremos el disulfuro de tungsteno WS2 (como representante de la familia de dicalcogenuros de metales de transición) y el grafeno en el régimen Hall. El primero de estos materiales es un aislante ordinario, mientras que el segundo exhibe características de un aislante topológicamente no trivial. Observaremos que, sometidos a iluminación, el primero adquiere propiedades de no
equilibrio equivalentes a las de un aislante topológico. En particular, en ambos casos se forman brechas de cuasienergía (una extensión del concepto de energía válida para este tipo de sistemas) que pueden albergar estados de borde conductores en su interior. Estos estados,
como se puede mostrar en el caso del grafeno irradiado, son quirales y robustos: poseen un sentido de propagación bien definido y que no cambia si la muestra posee imperfecciones, es decir, son robustos frente al desorden.
La interacción entre el láser y estos materiales se introduce en los elementos de salto entre los sitios de la red. Esto puede hacerse tanto en un modelo continuo cuanto en la aproximación de enlace fuerte. De esta forma se introduce una dependencia temporal en el hamiltoniano de
estos sistemas que podemos suponer periódica en el tiempo con el mismo período del láser. Con esta suposición el nuevo hamiltoniano puede tratarse usando el formalismo de Floquet. Los objetos de nuestros estudio serán dos: las bandas de cuasienergía o de Floquet, que son una extensión para sistemas dependientes del tiempo de las bandas de Bloch usuales, y la conductancia o transmitancia dc (en el formalismo que Landauer-Büttiker que usaremos ambas cantidades son equivalentes). Esta última será calculada en dispositivos de dos (grafeno y disulfuro de tungsteno) y seis (grafeno) terminales. Notaremos que, mientras que en sistemas estáticos la correlación entre bandas de energía y conductancia es bastante clara, este no es el caso en sistemas iluminados (o en general, forzados).
El caso del grafeno iluminado en el régimen Hall es de especial interés ya que un campo magnético determina un régimen aislante particular o topológicamente distinto de un aislante ordinario, y que se modifica al someter la muestra a iluminación. Por otra parte, el hecho de que en el régimen Hall el transporte de carga se dé principalmente en los bordes, hace este problema cualitativamente distinto al del WS2, donde hay que separar las contribuciones de estados localizados en los bordes y lejos de estos. Además, la conductancia Hall muestra una dependencia con la helicidad del láser incidente, invirtiendo su signo cuando la helicidad del láser cambia. Esto permite la manipulación de la señal Hall simplemente modificando el sentido de polarización del láser.
Además, discutiremos algunos resultados concernientes a sistemas con desorden en grafeno, con el objetivo de determinar en qué medida los resultados anteriores se mantienen o se modifican. Finalmente presentaremos las conclusiones a las que se ha arribado en esta tesis
Efecto de inestabilidades de desgarramiento (NTM) sobre el confinamiento de partículas alfa en reactores de fusión nuclear
Full text linkEn este trabajo se estudió el efecto de inestabilidades de desgarramiento neoclásico (NTM) sobre el confinamiento de partículas alfa en reactores de fusión nuclear. En estudios previos realizados por el departamento de Fusión Nuclear y Física de Plasmas del Centro Atómico Bariloche [1] se observó que cuando la frecuencia del NTM coincide con la frecuencia de precesión de las partículas atrapadas, se produce un incremento significativo de las pérdidas. Motivados por estas observaciones, en este proyecto se planteo como objetivo el análisis de este fenómeno para las condiciones de operación, geometría y dimensiones del futuro reactor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
Esto se hizo mediante simulaciones numéricas empleando el código de orbita completa FOCUS [2] que resuelve las trayectorias de las partículas alfa con los campos de equilibrio más las perturbaciones producidas por la inestabilidad. Antes de realizar las simulaciones se efectúo un análisis preliminar para determinar la distribución inicial de las partículas alfa. A partir de este se implementó un generador de partículas que crea una población de alfas con una distribución espacial dada por la tasa de reacciones de fusión y en velocidad dada por la distribución de frenamiento. Los campos de equilibrio así como los perfiles de densidad de iones y temperatura se obtuvieron del trabajo de Montes [3] y la perturbación se calculó e incluyó en la simulación a partir de una corriente perturbada con una metodología como la descrita por Igochine [4].
Se llevaron a cabo simulaciones preliminares sin perturbación para caracterizar las frecuencias de precesión y rebote de las partículas para el escenario de operación contemplado que fue el escenario estándar de ITER. Posteriormente se incluyó la perturbación y se realizaron análisis paramétricos respecto del tamaño de isla y la frecuencia del NTM. Inicialmente no se observó ningún efecto de la frecuencia del NTM sobre
la distribución de frecuencias de las partículas perdidas. Esto se atribuyó a que las islas magnéticas del modo estudiado (2/1) se encontraban muy lejos de la región con alta concentración de partículas. Entonces, se realizaron simulaciones con un perfil de densidad de alfas achatado intentando modelar el efecto que tendría una inestabilidad de tipo diente de sierra [5] las cuales suelen preceder a las NTM. Las simulaciones
realizadas con los perfiles modificados mostraron un incremento en las perdidas respecto de los casos anteriores y del caso con isla estática pero hace falta mayor análisis para obtener conclusiones definitivas. Finalmente se plantearon los pasos a seguir para continuar con el análisis de este fenómeno en un estudio posterior