Bariloche Atomic Centre
Repositorio Institucional del Centro Atomico Bariloche y el Instituto BalseiroNot a member yet
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Equilibrio magnetohidrodinámico con frontera libre y su aplicación a plasmas de fusión.
Get PDFEl tokamak es un dispositivo toroidal diseñado para confinar magnéticamente un plasma de alta temperatura con el objetivo de obtener energía de la fusión de núcleos livianos, y es considerado el mayor candidato a convertirse en el primer tipo de reactor de fusión nuclear viable. Dentro del plasma, las líneas de campo magnético forman superficies magnéticas cerradas, que pueden ser identificadas por su cantidad de flujo magnético. En este sentido, la ecuación de Grad-Shafranov permite calcular la posición de estas superficies junto con su cantidad de flujo magnético poloidal en la condición de equilibrio de fuerzas magnetohidrodinámico (MHD). Esta última es una ecuación elíptica de segundo orden en general no lineal. En esta tesis estudiamos la solución de la ecuación de Grad-Shafranov que determina el equilibrio MHD como problema de frontera libre, es decir, en el caso en que la forma y posición de la separatriz del plasma resultan de la interacción entre las corrientes que por éste circulan y las corrientes que circulan por las bobina externas del tokamak. La organización del trabajo es la siguiente. En el Capítulo 1 introducimos algunos conceptos de fusión nuclear y presentamos a los reactores tipo Tokamak. Luego, en el Capítulo 2, describimos el modelo MHD para la dinámica macroscópica de un
plasma magnetizado, e introducimos la ecuación de Grad-Shafranov para equilibrios axisimétricos.
En particular, se describen las dos formulaciones más comunes del problema del equilibrio: el problema de frontera fija y el problema de frontera libre. El problema de frontera libre presenta a su vez dos variantes: el problema directo y el problema inverso.
En el Capítulo 3 se desarrollan y validan métodos numéricos para resolver el problema inverso de frontera libre. Finalmente, en el Capítulo 4, se presenta un método iterativo para resolver el problema directo de frontera libre. Como los esquemas de resolución de
este problema sufren en general de una inestabilidad vertical, se describe y valida un método de estabilización y de calibración. El esquema estabilizado y calibrado se utiliza para estudiar equilibrios elongados con alta presión en el plasma
Estudio de las fases magnéticas del Ce(Sc_1-yTi_y)Ge mediante transporte eléctrico en condiciones extremas de campo magnético y temperatura
Get PDFEn las ultimas décadas, el estudio de compuestos intermetálicos basados en Ce llevó al descubrimiento e identificación de nuevos fenómenos físicos y estados fundamentales de la materia. Algunos de estos nuevos fenómenos incluyen las redes de Kondo, los fermiones pesados (como el CeAl_3), la superconductividad no convencional (CeCu_2Si_2), ordenes magnéticos anómalos (CeRh_3B_2), metamagnetismo (CeRu2Si2), inestabilidades de valencia (CeNi), etc. El número creciente de investigaciones en estos sistemas llevo a la propuesta de nuevas teorías y conceptos para la física de la materia condensada.
En este trabajo se presentan los resultados del estudio de las propiedades magnéticas y de transporte de aleaciones en base a dos compuestos tetragonales de cerio que son excepcionales: el CeTiGe, que presenta una transición metamagnética de primer orden a H_c~120 kOe, y el CeScGe, que con TN = 47K es el antiferromagneto en base a cerio con temperatura de orden más elevada. En los rangos de trabajo, 0;05K ≤ T ≤ 300K y H ≤ 16 kOe, se investigan diversos estados magnéticos y transformaciones entre ellos. En particular, se estudian más detalladamente transiciones antiferromagnéticas, ferromagnéticas y transformaciones metamagnéticas tanto entre un estado paramagnético y uno polarizado, como el metamagnetismo más convencional entre un estado antiferromagnético y uno ferromagnético. Las aleaciones basadas en los compuestos estudiados permiten determinar cómo evolucionan las temperaturas de orden, otras temperaturas características y los campos críticos, para así construir diagramas de fases magnéticas y determinar sus interrelaciones.
En primera medida, en este trabajo se estudia la transición metamagnética y el estado fundamental del CeTiGe a partir del efecto que produce alear cada uno de sus elementos constituyentes. Se encontró que aleando cualquiera de los tres elementos los compuestos resultantes presentan una transición metamagnética similar a la del compuesto estequiométrico. En particular, al sustituir con Sc en lugar de Ti el campo crítico de las aleaciones disminuye y presentan un comportamiento distinto a los líquidos de Fermi (\non Fermi liquid") lo cual es un indicio de estar en las cercanías de un punto crítico cuántico.
Posteriormente, en este trabajo estudiamos la evolución de la temperatura de orden al realizar la sustitución de Ti por Sc en el Ce(Sc_1-yTi_y)Ge. Se observa que la temperatura de orden antiferromagnética se reduce más de 4 veces y cambia el tipo de orden magnético pasando a ser ferromagnético con dicha aleación. Otro resultado notable es que en un rango de sustitución intermedio las aleaciones presentan transiciones metamagnéticas entre un estado antiferromagnético y uno ferromagnético.
Para poder realizar gran parte de las mediciones realizadas, como parte de este trabajo se instaló un criostato de dilución en el laboratorio de Bajas Temperatura del Centro Atómico Bariloche, realizándose las calibraciones pertinentes a campo nulo y con campo externo aplicado. También se diseñaron e implementaron distintos métodos de medición de propiedadesde transporte eléctrico bajo campo magnético aplicado
Simulación de la dinámica rotacional de un satélite con apéndices móviles.
Get PDFEn la presente tesis, escrita en el marco del Proyecto Integrador de fin de la carrera de grado de Ingeniería Mecánica del Instituto Balseiro, se estudió la cinemática y dinámica de los cuerpos rígidos para su aplicación en el desarrollo de modelos físicos, matemáticos y computacionales, que permitan la simulación de la dinámica rotacional de satélites con apéndices móviles. El problema específico a resolver es el de la dinámica rotacional de satélites durante el despliegue de alguno de dichos apéndices, como pueden ser paneles solares, antenas, etc. Para ello, se trabajó con las ecuaciones de Newton-Euler en el modelo matemático, y se desarrolló un software escrito en lenguaje C para su resolución. La integración numérica se realizó mediante el uso de la librería LSODE. Se realizaron simulaciones de validación del código realizado, y se simuló el despliegue de la antena radar de un satélite real, efectuado mediante seis despliegues parciales. Se utilizaron datos reales de masas, inercias y geometría del satélite, y mediciones de orientación y velocidad angular del mismo
Desarrollo de un enlace óptico DPSK sobre canales OOK de redes de transporte.
Get PDFEn este trabajo se estudiaron dos esquemas ópticos de modulación tradicional, OOK y DPSK, para evaluar la implementación de un enlace DPSK que utilice una señal OOK como portadora, agregando información en la fase de la misma. Este esquema se denominó DPSK sobre OOK.
Para ello, se implementaron diversas simulaciones numéricas que permitieron analizar el problema. A través de las mismas, se identificó una tasa de transmisión para el enlace DPSK, que minimiza la BER. Además, se planteó y validó un modelo teórico
para el ruido de fase del láser en el receptor.
Finalmente, se realizaron mediciones experimentales para analizar el enlace. Los resultados obtenidos permitieron validar el concepto, ya que fue posible medir una BER del orden de 10-⁴ para el enlace DPSK, funcionando sobre la señal OOK. Sin embargo, se identificaron limitaciones en la implementación, entre las cuales, la principal resultó ser el corrimiento de la frecuencia central del láser
Red urbana de datos meteorológicos.
Get PDFEl contenido de este trabajo abarca la implementación de una red de estaciones meteorológicas, desde la generación de datos hasta la presentación en una pagina web. Se instalaron 3 estaciones meteorológicas y se recopilaron datos de la web con un programa. Se implemento un servidor de comunicaciones por protocolo MQTT. Los datos son recibidos y guardados en una base de datos de series temporales por un programa escrito en Python. Finalmente se brindan los datos con Nginx y Grafana
Flujos turbulentos en estructuras periódicas.
Get PDFEl estudio de flujos en medios porosos resulta de interés tanto en la industria como
en la academia debido a que este tipo de flujos aparece en un gran numero de aplicaciones.
Se pueden destacar aplicaciones químicas (p.e. reactores catalíticos), ambientales
(p.e. flujo a través de vegetación), geológicas (p.e. erosión de rocas), mecánicas (p.e.
intercambiadores de calor), nucleares (p.e. reactores de alta temperatura refrigerados
por gas en los cuales combustible y moderador se encuentran dispuestos en arreglos de
esferas apiladas), en la industria del petroleo y del gas (p.e. ingeniería de reservorios,
recuperación asistida de petroleo y producción de gas natural). En las aplicaciones mencionadas
resulta computacionalmente muy costoso, o imposible, resolver los campos de flujo si se consideran las características geométricas de cada poro individualmente. Resulta entonces de interés desarrollar modelos fluidodinámicos para medios porosos que
realicen una descripción macroscópica o estadística del medio.
En este trabajo se realizan contribuciones al modelado macroscópico de medios
porosos utilizando herramientas numéricas que permiten disponer de resultados que
esclarecen aspectos del flujo a través de las estructuras analizadas. Dichos resultados
podrían ser utilizados en el desarrollo de nuevos modelos teóricos para una descripción
del flujo en medios porosos.
Se detallan las características principales de cada una de las herramientas numéricas
utilizadas, los códigos de libre acceso OpenFOAM caracterizado por el uso de modelos
de turbulencia e Incompact-3D que permite obtener flujos tridimensionales basados en
la simulación numérica directa de la ecuación de Navier-Stokes. A su vez, se realiza un
contraste de costos computacionales, grillas necesarias y campos de velocidades obtenidas
en ambos casos. Luego se realizan determinaciones de propiedades macroscópicas
como ser la permeabilidad a partir de la cuantificación de perdidas de carga. También se
cuantifican las perdidas de carga en función del numero de Reynolds para tres porosidades
distintas, adoptando un medio poroso simple representado por barras transversales
de sección cuadrada.
Se presenta un estudio de cantidades turbulentas en estructuras periódicas, donde se
cuantifican magnitudes como la energía cinética turbulenta y la disipación turbulenta
promediadas en el volumen para diversos números de Reynolds. A su vez, se estudia la
energía cinética dispersiva y la disipación dispersiva, cantidades que quedan definidas
como resultantes de una representación basada en el promediado volumétrico en el
elemento representativo de volumen de las variables de interés. Se presentan también
las distribuciones en el medio poroso de los términos correspondientes al balance de
energía cinética turbulenta
Influencia de la estructura cristalina y de la mesoestructura sobre las propiedades físicas de películas delgadas y heteroestructuras basadas en β-FeSe.
Get PDFEl β-FeSe, perteneciente a la familia de superconductores basados en Fe (FeSC), destaca notablemente como un sistema rico para estudiar fenómenos físicos emergentes pertenecientes a la frontera del conocimiento. Este material superconductor, caracterizado
por una estructura tetragonal relativamente simple, posee una estructura electrónica multibanda compleja. Exhibe ademas algunas características disruptivas, como la formación a bajas temperaturas de una fase nematica no magnética que desafía
muchos de los esquemas teóricos propuestos para describir a los FeSC. Posee una temperatura critica superconductora relativamente baja de 9K la cual es, sin embargo, muy susceptible a aumentar, por ejemplo con presión hidrostatica o stress residual.
En el año 2012 se han reportado aumentos sorprendentes del orden de 50K en capas ultranas de β-FeSe sobre sustratos de SrTiO_3 que implicaron un nuevo record para los FeSC y la intensicación del estudio sobre películas delgadas.
El propósito general del presente trabajo fue la investigacion experimental de las
propiedades físicas de sistemas mesoestructurados basados en β-FeSe. Con tal n, emprendimos la tarea de fabricar por sputtering películas delgadas y heteroestructuras artificiales complejas como multicapas y superredes. Para caracterizar las muestras
empleamos diferentes técnicas complementarias, con especial énfasis en la correlación entre las propiedades de transporte y las características estructurales en las escalas atómicas y mesoscopicas.
Para fabricar y optimizar las propiedades de películas delgadas de β-FeSe crecidas por sputtering realizamos una exploración amplia e integral del espacio de parametros de control asociados al proceso de crecimiento. De este modo, avanzamos de forma iterativa, consiguiendo optimizar las propiedades de las muestras. Obtuvimos muestras superconductoras texturadas con propiedades semejantes a las observadas en muestras macroscopicas. En el rango de espesores nominales de 300 nm, conseguimos un onset
superconductor a Tc,on ~12 K, lo que implica un aumento significativo respecto a los valores reportados en monocristales macroscopicos de muy buena calidad (~ 9 K) y con films obtenidos por sputtering ( ~10 K).
Mediante un análisis detallado de la influencia de la estructura cristalina y de la mesoestructura sobre las propiedades de transporte eléctrico revelamos la susceptibilidad de los sistemas basados en β-FeSe a modificarse debido a distintos tipos de perturbaciones. Esta versatilidad nos permitió estudiar diferentes fenómenos físicos. Por ejemplo, al disminuir el espesor nominal de los films observamos un crossover superconductoraislante. Por otro lado, encontramos que films monocristalinos tetragonales delgados de β-FeSe pueden no presentar superconductividad y ser aislantes.
A partir de la evolución asociada al cambio de espesor, estudiamos el crossover superconductor-aislante, develando el origen del mismo. En general, concomitante a dicho crossover existe una compleja evolución estructural y morfológica. Dentro de un esquema de crecimiento tipo Volmer-Weber, las islas iniciales están caracterizadas por una naturaleza epitaxial. Al aumentar el espesor nominal, la tensión relaja emergiendo un régimen texturado. Esto implica que la percolacion de granos es condición necesaria para que el mecanismo de conduccion macroscopico re eje la naturaleza semimetalica y superconductora del β-FeSe. Ademas, mostramos que en muestras monocristalinas la naturaleza aislante emerge correlacionada con una importante distorsión estructural.
Por otro lado, probamos la influencia del desorden asociado a una morfologa texturada sobre algunas propiedades de transporte atribuidas a detalles sutiles de la estructura electronica multibanda del β-FeSe. En el estado normal, encontramos que
algunas características distintivas de la fase nemática como cambios en la resistividad, magnetorresistencia transversal positiva y una inversión de signo del coeficiente Hall, son robustas frente al tipo y grado de desorden presente en los films. Sin embargo,
no observamos otros indicios como un efecto Hall no lineal. El carácter multibanda también se manifiesta en las propiedades superconductoras, por ejemplo en una anisotrop a dependiente de temperatura. El grado de desorden se refleja en una anisotropa
intermedia entre muestras monocristalinas macroscopicas con y sin mezclas de fases.
Motivados por la perspectiva de inducir nuevos fenómenos físicos, propusimos usar capas de β-FeSe en la construcción de heteroestructuras artificiales complejas como multicapas y superredes. Abordamos diferentes estrategias con el fin de desarrollar
dicha capacidad experimental. Por un lado, buscamos inducir superconductividad en muestras aislantes monocristalinas de β-FeSe. Ademas, estudiamos efectos de interfase entre el FeSe y otros materiales candidatos a formar parte de las heteroestructuras complejas como el FeTe y el Fe_3O_4. Encontramos indicios claros de que la implantación de iones de Li+ en muestras aislantes es una estrategia apropiada para modificar la densidad de portadores de carga y por lo tanto surge como una táctica viable para eventualmente inducir superconductividad en las mismas. Por otro lado, como primer paso para estudiar efectos de interfase entre el β -FeSe y el Fe_1+δTe logramos depositar, al menos parcialmente, FeSe sobre monocristales de Fe_1+δTe, encontrando indicios de
superconductividad. Sin embargo, aun persisten ciertos desafíos como el control de la interdifusión y evitar la degradación de los cristales de FeTe debido al proceso.
Para estudiar los efectos de interfase entre β-FeSe y Fe_3O_4, fabricamos bicapas de FeSe/Fe_3O_4. Los resultados obtenidos sugieren que las propiedades de transporte de la capa de FeSe se ven afectadas por la intensidad de la transición de Verwey propia del
oxido.
Dimos los primeros pasos hacia la fabricación de superredes de FeSe/STO. Este tipo de heteroestructura ha sido sugerida como una plataforma prometedora para desarrollar superconductividad de alta temperatura crtica. Construimos satisfactoriamente heteroestructuras complejas constituidas por arreglos periódicos de capas de FeSe y STO de unas pocas celdas unidad, resultado inédito, con perspectivas razonables de optimizar la epitaxialidad y llegar al límite de una sola celda unidad de FeSe. Si bien, en
esta etapa inicial no encontramos indicios de superconductividad, nuestros resultados
sugieren que dopar electronicamente estas superredes es una va plausible para inducir superconductividad en las mismas
Interacción funcional entre neuronas: aplicación en la retina
Get PDFLa función principal de las neuronas es la de codificar información: pueden codificar la información de un estimulo, transmitir ordenes a otras regiones o servir de enlace para otras neuronas, entre otras cosas. Al estudiar como una población de neuronas codifica información externa, es común que se analice la dependencia de esta información con la actividad individual de cada neurona, ignorando las correlaciones dentro de la población. Si bien esto contribuye en gran parte a caracterizar neuronas y poblaciones de ellas, se ha encontrado que las neuronas realizan cómputos complejos, a ´un en capas de bajo nivel, gracias a las interacciones entre neuronas de una misma capa. Por lo tanto, es necesario estudiar el comportamiento conjunto de las neuronas en la codificación.
Existen modelos que incorporan las interacciones entre pares de neuronas y que logran describir mejor el comportamiento de algunas poblaciones de neuronas. No obstante, no proveen una perspectiva completa a la hora de entender el origen de las correlaciones o la función que cumplen en la codificación del estímulos. En este trabajo proponemos una forma de entender esta codificación al buscar no solo las características del estimulo que inducen una respuesta de una determinada neurona sensorial, sino también aquellas que modulan la interacción entre esta y una neurona vecina de su mismo nivel.
Para ello, planteamos una distribución de probabilidad conjunta para el disparo de dos neuronas considerando que la correlación entre ellas es guiada por campos receptivos en el estímulo. A fin de poder calcular los parámetros de este modelo en datos experimentales construimos un estimador que discrimina los campos receptivos individuales de los de interacción, a ´un en casos de pocas muestras. Aplicamos el modelo a mediciones de células ganglionares de la retina de ratón. Encontramos evidencia de campos receptivos de la interacción inhibitorios y los resultados fueron consistentes con los obtenidos por el modelo marginal.
Además, las pruebas de validación hechas sobre el modelo muestran una mejora en la capacidad de predicción de datos en comparación al modelo de probabilidad marginal en tres de cuatro casos estudiados
Cálculo neutrónico de reactores híbridos fusión-fisión.
Get PDFLos reactores híbridos de fusión-fisión constituyen una alternativa interesante para la generación de energía nuclear, ya que presentan ventajas respecto de la fisión y la fusión consideradas separadamente. Esto se debe a que permitirán disminuir los requisitos de operación de los reactores de fusión y serán capaces de utilizar como combustible físil elementos separados a partir del reprocesamiento de los elementos combustibles gastados de las centrales nucleares de fisión. Además, serán intrínsecamente seguros, ya que la región físil se encontrará subcrítica, por lo que las reacciones de fisión cesarán si la fuente externa se apaga.
El objetivo de este trabajo es generar herramientas capaces de acoplar los comportamientos neutrónicos de un reactor híbrido, conformado por una fuente de neutrones de fusión, producidos por un reactor nuclear tipo tokamak y un manto físil con combustibles compuestos por actínidos menores y refrigerados por sodio.
El reactor se modela mediante el código de transporte neutrónico OpenMC, el cual fue validado mediante el cálculo de dos benchmarks de reactores de espectro rápido. Para simular la fuente externa de neutrones debida a las reacciones de fusión, se modela el plasma mediante la resolución de la ecuación de Grad-Shafranov para diferentes geometrías, y se calcula la distribución espacial de dichas reacciones.
Considerando que la fuente posee una geometría toroidal, resulta necesario muestrear la distribución de la fuente a fin de generar el archivo necesario para ejecutar el código neutrónico.
Una vez modeladas las geometrías, las composiciones y la fuente externa del reactor híbrido, se procede a evaluar los resultados obtenidos para diferentes parámetros de operación, como ser potencia de fisión, potencia de fusión, factores de multiplicación y
autosostenibilidad de producción de tritio
Dinámica de movimiento animal y dispersión de semillas: modelos teóricos y experimentos.
Get PDFEsta tesis se enmarca en el análisis de las propiedades colectivas emergentes en sistemas complejos. Dentro de este marco general, focalizamos nuestro trabajo en el estudio de sistemas formados por unidades dinámicas en un contexto interdisciplinario con la Biología. En particular, inspirados en el movimiento que realiza un animal forrajero en un sustrato del cual se alimenta, trabajamos en la caracterización de sistemas ecológicos que involucran el desplazamiento animal en un hábitat heterogéneo en situaciones en
que las poblaciones y el hábitat se acoplan y configuran mutuamente.
Por un lado, desarrollamos modelos teóricos de movimiento con foco en los comportamientos que surgen de decisiones y estrategias individuales. En particular, desarrollamos un modelo basado en el movimiento que realiza un caminante con memoria en un sustrato del cual obtiene su alimento. Encontramos que las caminatas resultantes se distinguen de caminatas aleatorias en la medida que el caminante use eficientemente esta memoria. Ademas, desarrollamos un modelo basado en estrategias de uso del recurso:
la cantidad de alimento que ingiere en los sitios que visita define su estrategia y determina el tipo de caminata resultante.
Por otro lado, desarrollamos un modelo teórico de movimiento con foco en el proceso de dispersión de semillas mediado por animales. Para modelar la dinámica de las semillas utilizamos un sistema de ecuaciones diferenciales acopladas con retardo.
Usamos diferentes métodos para aproximar la solución, mediante los cuales propusimos que la vegetación avanza como un frente de onda y logramos caracterizar como depende la velocidad de ese avance con el retardo entre la ingesta de semillas por animales y su
deposición en un nuevo sitio. Desarrollamos, ademas, un modelo simulado que valida este comportamiento en 1D y lo extiende a 2D.
Por ultimo, en esta tesis trabajamos en el desarrollo de un sistema de monitoreo de movimiento animal usando técnicas de radiotelemetría. El objetivo fue diseñar, desarrollar, caracterizar y utilizar este sistema para rastrear los movimientos de la especie animal que inspiro nuestro trabajo: el marsupial monito del monte (Dromiciops gliroides). Esta etapa experimental se realizo de manera interdisciplinaria en un grupo formado por biólogos, físicos e ingenieros en electrónica