APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

The main objective of the present thesis is to perform simulations to see the viability of the res- onant extraction in the existing ALBA booster preliminary to the design of the electron-beamline. We have considered the resonance behavior of the beam in the horizontal plane excited by one of the appropriate booster sextupole and select trajectories with a spiral step that overcomes a septum in the extraction channel similar to the one in the current booster-to-storage transfer line. The particle tracking simulations were performed with AT MATLAB.

The problem of the transition from the current state of the energy sector with intensive use of fossil fuel plants to low-carbon energy production is one of the main challenges for the world energy system. Future energy production will mainly rely on wind and solar energy and hydraulic sources. However, these sources of energy are variable by nature, meaning that the energy system must also include plants with a high level of flexibility to be able to react quickly to power deficits in the grid. One of the technologies that produces energy without CO2 emissions is nuclear plants. In the present work we analyze the use of advanced small modular reactors (SMRs) of Generation IV with high flexibility to contribute in solving the problem of energy production during transition and further periods. In the thesis two different configurations of electric plants that use as a main source very high temperature SMR and their performance in realistic future energy demand scenarios are studied. Different approaches to increase the plant performance and adaptability to the electricity demand are considered. Also, indicators of plant adaptability to a given energy demand scenario are introduced and analyzed. The obtained results allow to conclude that power plants based on high temperature SMRs studied in this work provide a satisfactory solution of the problem of flexible energy production necessary to achieve the zero-emission goal.

The climate change is a global problem that is affecting the environment of our planet and whose main cause is the use of energy sources with associated emissions of pollutants. In this work a proposal of two models (M1 and M2) of an integrated system that includes a nuclear reactor with a gas turbine to produce electricity and thermal energy in a clean way is presented. The reactor considered in the proposal is a high temperature helium cooled nuclear reactor similar to the GTHTR300. The useful thermal energy of cogeneration is used to produce hydrogen by methanol steam reforming (MSR) in a catalytic reactor. The main data have been extracted from reports of the pilot plant of the Laboratory of Catalysis of the INTE, Technical University of Catalonia situated in the EEBE campus. As one of the results it has been obtained the quantity of hydrogen produced per unit of thermal energy produced by the nuclear reactor. According to the proposal, the hydrogen will be stored and subsequently consumed in a fuel cell of the PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type. As an example, supply of electric energy to off-grid homes in Spain is considered. In addition, an indicator called coefficient of performance (COP), has been introduced that allows to characterize the efficiency of the two proposed models.

Rotating-coil magnetometers, which rely on induction-coil arrays, are commonly used for magnetic measurements of particle accelerator magnets. In order to characterize magnetic fields with high accuracy using the induced voltages, it is essential to calibrate the geometry of the coils. In this thesis we present an innovative method of calibration of the coil radius of rotation which is necessary for determination of the field gradient. The method, called rotating calibration method, is based on two well-known measurement techniques: single-stretched wire and rotating induction-coils. The flux measured with a rotating induction-coil over the entire length of a reference quadrupole magnet is cross-calibrated with a single-stretched wire measurement. In the experimental validation of the method, the radius of rotation of several coils has been calibrated with an accuracy of 10 µm on a radius of 30 mm. The advantage of this method is that the calibration is performed under the same conditions in which the rotating-coil magnetometers are used for measuring accelerator magnets. In the thesis also a proposal for calibration of other geometric factors of a coil by using higher order multipoles is presented.

Aquest treball pretén desenvolupar i donar una visió general del sistema de control del microtró d'electrons, que s'està desenvolupant a l'Institut de Tècniques Energètiques (INTE) de la UPC. En concret s'ampliaran i completaran els sistemes de seguretat i el sistema de desplaçament dels imants d'extracció del feix a l'interior del microtró. El treball defineix, les característiques del sistema de seguretat del Laboratori on s'instal·larà el microtró, el mòdul de control d'aquest sistema amb els seus components i la programació en Arduino del propi mòdul. També es defineixen les característiques i la programació del mòdul que controla el moviment dels imants. Per validar el correcte funcionament d'aquests sistemes, s'han construït unes maquetes que simulen els sistemes reals del microtró, els paràmetres i components d'aquestes maquetes també es desglossen en aquest treball. Amb les proves dutes a terme durant la realització del treball, s'ha corroborat el correcte funcionament del sistema de seguretat del laboratori, el sistema d'interlocks de seguretat, i els mòduls mencionats anteriorment del sistema de control. Aquest treball serveix de base per a futures modificacions d'aquest sistema de control del microtró que segueix en desenvolupament i constantment rebent modificacions fins a que es completi.

El treball consisteix en el desenvolupament i implementació d'un mòdul programat en entorn LabVIEW, a la interfície gràfica d'usuari (GUI) d'un accelerador d'electrons de 12 MeV de tipus race-track microtron (RTM) que s'està construint a l'Institut de Tècniques Energètiques (INTE) de la UPC. L'objectiu d'aquest mòdul és el d'afegir a la consola d'operador la funcionalitat de controlar el canvi entre els tres possibles estats del microtró: Warming up, Standby i Ready, tot comprovant que es compleixen certes condicions, alhora que es realitzen diferents accions com ara el bloqueig d'algunes funcionalitats o l'enviament de comandes als microcontroladors dels diferents sistemes de l'accelerador. En el marc del projecte del microtró, està previst que el mòdul de canvi d'estat s'implementi al programa principal del GUI ja existent. En aquest treball també es presenten proves del seu funcionament i comunicació

In this project it has been realised the technical design of the system of security of the Laboratory of Particle accelerators (LAP) situated at the room CS1.5 of the edifice C of the EEBE. This design has carried out tracking the guidelines of the specific rule for radioactive installations,since the accelerator that will be at this laboratory will generate big levels of radiation. In addition to the design, it has been realised a demonstrativemodelto simulate the operation of the system and so prove the programming of the PLC S7-1200. Initially, it has been realised a technical survey of the components used at this project to know his operations and connections. Once understood the possibilities of each element, it has proceeded to design a first diagram of the system, tracking at all times the marked guidelines of the Standard ANSI N43.1, that specifies how to do security systems in radioactive installations. Validated this first design it has been made the technical design, including the GRACET and the electrical diagrams of the system. Like this then, with the technical design it has proceeded to make the programming of the PLC Siemens S7-1200 and the demonstrative model to validate the correct operation of the programming. Finally,the programming realised at the PLC S7-1200 is correct and functions according to the technical design previously posed.

A lo largo de esta Memoria se expone el trabajo realizado en la confección del módulo de control de dosis del microtrón, un acelerador de electrones, de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) que, tal como está previsto, será utilizado para experimentos de irradiación de diversos materiales, en particular materiales biológicos, con el haz electrones. La función de este módulo es calcular, controlar y monitorizar de un modo seguro la dosis, o el tiempo, que se requiera para la irradiación de una muestra. El desarrollo de este sistema está dividido en dos estructuras, software y hardware. En ambas se estudia la comunicación por diversos protocolos utilizando prototipos basados en Arduino y en lenguaje de programación C/C++, tanto con distintos módulos que componen el microtrón, como con una cámara de ionización para medir la dosis absorbida por una muestra en sesiones de irradiación. En la parte software, se ha desarrollado un código para microcontroladores Arduino que permite la comunicación del operador del microtrón con el módulo de control de dosis para el seguimiento de sesiones de irradiación de muestras y se han realizado pruebas de su funcionamiento. Además, también se ha programado la lectura mediante el protocolo RS232 de la dosis medida por la cámara de ionización. En la parte hardware, se ha desarrollado una protoshield para Arduino que proporciona la comunicación con el electrómetro de la cámara de ionización y que permite manipular un relé del sistema de bloqueo (interlock) del microtrón, implementando de este modo la seguridad eficiente en la irradiación de materiales. Una vez acabado el proyecto, se ha obtenido un módulo del sistema de control del microtrón capaz de comunicarse por Ethernet y a través del puerto serie y de configurar y monitorizar una sesión de irradiación en base a parámetros introducidos por el operador en función de tiempo, o de dosis, específicos.

El Treball de Fi de Grau que es presenta és un primer estudi de les característiques del blindatge de la sala on s'ubicarà el microtró de 12MeV de la UPC. Es tracta d'un accelerador d'electrons compacte de tipus race-track microtron (RTM), que es destinarà principalment a la irradiació de materials per a projectes de recerca. L'estudi s'ha realitzat amb la nalitat d'obtenir dades del nivell de radiació que produirà l'aparell als espais circumdants quan es posi en funcionament, de cara a la futura elaboració de la documentació necessària que caldrà presentar al Consejo de Seguridad Nuclear perquè n'autoritzi la posada en marxa. El projecte de disseny i construcció de la instal.lació és coordinat per l'Institut de Tècniques Energètiques (INTE), i actualment l'equip està duent a terme les tasques de l'última etapa de desenvolupament dels seus sistemes principals. Els càlculs s'han realitzat mitjançant simulacions pel mètode de Monte Carlo amb el codi PENELOPE/penEasy. Com que l'aparell encara no està operatiu, ha estat necessari de nir un conjunt d'hipòtesis sobre les condicions de funcionament. S'ha estudiat un cas d'irradiació de materials lleugers i un de pesats, a energies diferents. S'ha obtingut la taxa de dosi efectiva en diversos punts de control situats al Laboratori d'Acceleradors de Partícules, on s'hi troba el búnquer en el que s'emplaçarà el microtró, i als espais adjacents. Aquests valors permeten estudiar diversos règims de funcionament en quant a hores d'irradiació dedicades a cada tipus de mostra i categoria de les zones on es controla la dosi. Els resultats mostren la viabilitat del blindatge per a la utilització del microtró per a la irradiació de materials, aplicant certes restriccions en funció de les característiques de la mostra. En particular, per a la irradiació de materials d'elevat nombre atòmic, es proposa limitar les hores de funcionament o afegir un blindatge local de plom al voltant de la zona experimental. S'ha realitzat un estudi addicional amb dos documents emprats per al disseny de blindatges: la Norma DIN 6847-2, àmpliament utilitzada a la Comunitat Europea (CE), i la norma de protecció radiològica aprovada per la Federació Russa; amb l'objectiu d'obtenir valors de referència estimats amb els que contrastar els resultats de les simulacion

The present project is dedicated to the design of a HV/UHV movable chamber for the synchrotron ALBA, conceived for testing components used at this facility.The vacuum requirement of the chamber operation and its geometry constrainall the stages of the design. Starting from a given setof technical specifications,a conceptual design of the chamber was carried out using the NXdesign software.The materialof the chamber walls, portsand vacuum system components will be selected. Regarding the vacuum system, a calculation of the pumping time required forachieving HV is carried out. The HV and UHV steady stateswere studied using the MolFlow+ code. Results obtained in these simulations give pressure profiles inside the chamber for a number of ion pumps that allows to select the most optimal one. The project also includesthe validation of the mechanical model created in NX software by comparing it to the model obtained by the ALBA group by means of the finite elementanalysis

L' institut de Tècniques Energètiques (INTE) de la UPC està desenvolupant un accelerador compacte d'electrons de tipus microtró. L'objectiu del treball és estudiar la distribució del nivell de buit dins de la cambra de buit del Microtró mitjançant els programari Molflow+ del CERN. Aquest software permet fer simulacions de la pressió dins d'un sistema d'ultra-buit per bombeig tant en règim estacionari com transitori. El treball començarà amb la validació de l'eina de càlcul a partir de casos senzills disponibles a la bibliografia. Un cop verificada la seva correcta utilització, es partirà d'un model del microtró en Molflow+ ja existent que caldrà acabar de desenvolupar per tal de quantificar el nivell de pressió a les zones més crítiques tenint en compte les condicions d'operació més properes a la realitat i la seva evolució en el temps. Amb els resultats obtinguts es farà una valoració crítica del seu disseny i s'intentaran aportar millores al mateix en cas de ser necessari.

El treball que es presenta té com a principals objectius el disseny magnètic i el disseny conceptual d'un ondulador ferromagnètic helicoïdal. Un ondulador és un tipus de dispositiu d'inserció que es troba a l'anell d'emmagatzematge d'un sincrotró i que corba la trajectòria dels electrons mitjançant camps magnètics periòdics per a obtenir llum de sincrotró amb unes característiques específiques. Aquest ondulador ha de formar part d'una futura línia de llum del Sincrotró ALBA que rebrà el nom de LOREA, LOw-energy ultra-high-REsolution Angular photoemission for complex materials, i que estarà dedicada a experiments en el rang de la llum ultraviolada i els raigs X tous. Primerament, es realitza la modelització magnètica de l'ondulador mitjançant el programa d'anàlisi d'elements finits OPERA-3D i s'estudia la forma del camp magnètic en un període de l'ondulador. A partir d'aquesta informació, es modifica el perfil del pol a conveniència per tal d'homogeneïtzar el camp magnètic i la seva integral. També s'estudien altres aspectes del camp magnètic com la saturació o la relació entre la mida de l'entreferro i el camp. Tot seguit, es desenvolupa un disseny per a les bobines de l'ondulador encarregades de generar el camp magnètic. Es descriu el conductor que s'empra per al bobinat i, també, com es realitzen les connexions entre conductors. S'especifica l'alimentació elèctrica que requereix una bobina i s'estudien les seves necessitats de refrigeració. Per últim, s'utilitza el programa de disseny assistit per ordinador NX per a resoldre alguns aspectes del disseny mecànic conceptual de les bobines. Es proposa un procediment de muntatge de les bobines i s'estudia com els conductors de les bobines es poden extreure de l'ondulador. Després, es fa una representació completa de l'ondulador.

El objetivo del presente trabajo es el diseño, ensamblaje y pruebas del funcionamiento de un módulo de alimentación de alta tensión del cañón de electrones que forma parte del microtrón de pista que se está construyendo en la UPC. También se ha realizado un estudio dedicado a la radiación de fuga emitida por el magnetrón y se ha obtenido una estimación de la intensidad de la radiación de frenado producida. En la fase previa al montaje del divisor de tensión, se han estudiado los dispositivos que pueden influir en su comportamiento del módulo como el cañón de electrones y el magnetrón. También se han hecho simulaciones con el programa PSpice que son comprobadas mediante cálculos analíticos. Los valores de los parámetros de los dispositivos son obtenidos en los laboratorios mediante voltímetros, sistemas modulares y, en el caso de las pruebas de rigidez dieléctrica del aire, generadores de tensión de alto voltaje. Para dichas pruebas y en otros aspectos como la distribución de las resistencias sobre la placa o la selección de componentes, se ha contado con la asesoría de expertos en la materia. El montaje del prototipo del divisor de tensión se ha realizado en laboratorio del microtrón de la ETSEIB de la UPC con el fin de realizar pruebas de pulsos de baja tensión. Estas pruebas indican que el comportamiento de los pulsos es el adecuado y que cumple con los límites de los parámetros determinados para su diseño. Será necesario hacer pruebas con pulsos de alta tensión antes de su uso para verificar que los picos de tensión que se generan se encuentran dentro de los límites. Finalmente se ha comprobado que la dosis equivalente de radiación en tejido humano generado por el magnetrón, está muy por debajo del límite máximo según la normativa de protección radiológica. Los cálculos realizados en este trabajo han sido sobreestimados para obtener resultados conservadores y garantizar la seguridad del personal.

El projecte exposat a continuació tracta de la realització del procés de condicionament de cavitats, dut a terme a l'empresa CELLS (Consorci per a la Construcció, Equipament i Explotació del Laboratori de Llum de Sincrotró) durant el període Febrer - Juny de 2014, dins la instal·lació més coneguda com a Sincrotró ALBA. En aquesta memòria es pretén reflectir tant el procés de condicionament de cavitats i els seus resultats com ara els coneixements teòrics adquirits inicialment encarats a conèixer el funcionament d'una font de llum de sincrotró i en concret d'una planta de radiofreqüència. Juntament amb la tasca de condicionament, també s'incorporen a la memòria altres tasques realitzades en l'entorn de la principal i que en complementen alguns conceptes. La primera part del desenvolupament del projecte consisteix en l'adquisició de la base formativa necessària per conèixer els diferents dispositius amb els quals es treballarà dia a dia en la realització del nucli del projecte: el condicionament de cavitats. A partir d'aquí, es procedeix a realitzar una segona etapa d'aplicació d'aquests coneixements sobre la planta de radiofreqüència del laboratori, lloc on es desenvolupa el projecte, per posteriorment poder iniciar amb garanties la tasca central del projecte. La metodologia de treball en la realització del condicionament consisteix en l'operació amb la planta de radiofreqüència mitjançant sistemes de control governats des d'un ordenador. A partir de les dades de diagnòstic del sistema i mitjançant el sistema de control, es segueix el protocol establert per tal d'aconseguir reintroduir (o introduir per primer cop) el nivell nominal de voltatge a la cavitat a condicionar, sense que es produeixin arcs elèctrics en ella. Els resultats recollits durant la realització del projecte, bàsicament gràfics de diagnòstic i reculls de dades de mostreig, mostren clarament la consecució de l'objectiu que persegueix el condicionament de cavitats. Observant sobretot l'evolució de mesures de buit, alhora que el comportament de la cavitat enfront els augments de potència realitzats es pot concloure que el procés de condicionament ha estat realitzat correctament. A banda de l'èxit en el condicionament de la cavitat, cal fer èmfasis també en l'aprenentatge general realitzat entorn als acceleradors de partícules, camp molt específic i inexplorat fins aleshores i sobre el qual s'ha pogut obtenir una visió força privilegiada gràcies al desenvolupament del projecte.

El projecte que es presenta té com a principal objectiu el disseny del blindatge necessari d'un accelerador compacte d'electrons de 12 MeV de tipus Microtró de Pista (Race-Track Microtron en anglès, acrònim RTM) que està en procés de construcció per l'Institut de Tècniques Energètiques (INTE) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). S'estudien dos sistemes de blindatge, ubicats tots dos en una sala de l'edifici K2M del Parc UPC del Campus Nord. En el primer cas, s'analitza un blindatge estructural que consisteix en recobriments addicionals de formigó a les parets existents a la sala. El segon sistema està basat en un blindatge local format per una cambra cilíndrica de plom que envolta l'accelerador. El càlcul de blindatge es realitza mitjançant PENELOPE, un codi de simulació per Monte Carlo del transport d'electrons, fotons i positrons en la matèria. Com a fonts de radiació es consideren principalment la radiació secundària produïda per la interacció del feix primari amb una copa de Faraday en les proves inicials de posada a punt de l'equip i la radiació de fuites originada en la unitat principal de l'accelerador degut a les pèrdues originades per interacció del feix amb elements interns del Microtró. En les simulacions amb PENELOPE també es contempla la radiació terciària produïda per possibles dispersions en les parets secundàries. Cal destacar, que donada la complexitat del Microtró, la simulació amb PENELOPE és l'únic mètode per determinar la radiació de fuita de forma realista. Es presenten els resultats obtinguts mitjançant gràfics que relacionen taxa de dosi en funció de l'espessor. A partir d'aquests s'obtenen les primeres capes decimorreductores i la capa decimorreductora d'equilibri (CDRs i la CDReq). També es mostren els mapes de distribució de taxa de dosi per espessors i situacions d'interès. Utilitzant aquests resultats es calcula l'espessor de material per als dos esquemes de blindatge indicats que proporcionen la protecció radiològica suficient en el període de proves i la posta en marxa del Microtró. Finalment, els resultats es comparen amb estimacions realitzades en base a la Norma DIN 6847 part 2.

It is well known that, when accelerated electrons from a linear accelerator interact with a high atomic number (Z) target material, electromagnetic radiation (bremsstrahlung) is produced. In the present work some aspects of the generation of the bremsstrahlung radiation by linear accelerators of electrons are studied, namely the relation between the dose and parameters of the accelerating structure and beam characteristics is investigated. We carry out numerical simulations of the relative dose rate at fixed maximal beam energy and analyze its dependence on the length of the accelerating cells, power of the electromagnetic field dissipated in them and average energy and energy spread of the output beam. The simulation of the acceleration of the electrons in the accelerator is done with the RTMTRACE code.