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Simulación computacional de materiales de interés nuclear
Computational modelling of nuclear materials
No se puede poner en duda, el hecho de que la producción de energía ha estado conduciendo, y continuará haciéndolo, el progreso tecnológico de la civilización. Lo que la convierte en un componente muy importante del desarrollo económico y del crecimiento de las naciones, y en definitiva de la forma de vida moderna. Se estima que la demanda de energía en el año 2040 será el doble que la del 2010. Esta demanda no puede ser satisfecha mediante el uso de combustibles fósiles como carbón y petróleo. Esto sin contar con que este tipo de combustibles contribuyen de manera significativa al efecto invernadero y por lo tanto al calentamiento global, y a otros problemas de contaminación. Aunque se han iniciado varios programas de investigación y desarrollo [tales como el de secuestro de carbono y el de turbinas de vapor supercríticas] para lograr que la generación de energía a partir de combustibles fósiles sea más limpia, estos, por si sólo, no alcanzan para resolver el problema, y eso sin tener en cuenta el problema de la escasez de esta clase de combustibles. Dentro de este escenario, muchos países han visto a la generación de energía nuclear una alternativa limpia y factible de ser implementada. La construcción a gran escala de plantas nucleares requiere que se aborden cuestiones difíciles en cuanto a la consecución de la viabilidad económica, la mejora de la seguridad de funcionamiento, la gestión eficiente de los residuos y la utilización de recursos, así como la no proliferación de armas, todos los cuales están influenciados por el diseño del reactor nuclear sistema que se elija. Con este objetivo los diseñadores de reactores están adoptando nuevos enfoques que se engloban en la denominada cuarta generación de reactores [GIV]. En relación a la no proliferación es importante también el desarrollo de combustibles con bajo enriquecimiento para ser usados en reactores experimentales y de investigación. El objetivo general de este trabajo de tesis doctoral ha sido aplicar el modelado atomístico al estudio de propiedades tanto mecánicas como térmicas de diversos candidatos a combustibles de reactores nucleares, tanto para reactores de GIV como para reactores de investigación. En lo referente a GIV se realizó el estudio de torio puro y carburo y dióxido del mismo. Para esto se emplearon técnicas ab initio, dinámica de redes y dinámica molecular. En estos estudios se utilizaron tanto códigos computacionales comerciales como otros desarrollados expresamente para esta tesis. En lo relacionado con combustibles para reactores de investigación se investigaron las propiedades del intermetálico U2 Mo, una fase poco estudiada de la aleación UMo. Finalmente se desarrolló un código de monte carlo cinético para estudiar la difusión mediada por vacancias que tiene lugar en los materiales expuestos a la radiación.
There are no doubt about the fact that energy production has been driving thet echnological progress of civilization. This issue makes it a very important component of economic development and growth of nations, and ultimately the modern lifestyle. It is estimated that energy demand in 2040 will be double that of 2010. This demand can not be met by using fossil fuels like coal and oil. Not to mention that this type of fuels contribute significantly to greenhouse effect and hence to global warming and other pollution problems. Although several programs of research have been initiated [such as carbon sequestration and the supercritical steam turbines] to make power generation from fossil fuels cleaner, these alone are not enough to solve the problem, and that regardless of the problem of shortage of such fuels. Within this scenario, many countries have seen the nuclear generating as a clean alternative feasible to be implemented. Large-scale nuclear plant construction requires that challenging questions be addressed regarding the achievement of economic viability, improved operating safety, efficient waste management and resource utilization, as well as weapons nonproliferation, all of which are influenced by the design of the nuclear reactor system that is chosen. For this purpose reactor designers are adopting new approaches that fall into the so-called fourth generation reactors [GIV]. Related to the issue of nonproliferation is very important to develop low rich fuels for experimental and research nuclear reactors. The overall objective of this doctoral thesis was to apply the atomistic modeling to the study of both mechanical and thermal properties of various candidates for nuclear reactor fuel for both reactors GIV and research reactors. Related to the developed of nuclear fuels for GIV reactors the study of pure thorium carbide and dioxide thereof was performed. For this purpose ab initio techniques, network dynamics and molecular dynamics were employed. In these studies commercial computer codes and other devloped expressly for this thesis were used. In relation to fuels for research reactors, thermical and sctructural properties of the intermetallic U2 Mo, a phase understudied of the UMO alloy, were investigated. Finally, a kinetic monte carlo code to study the diffusion mediated vacancies occurring in materials exposed to radiation was developed.
Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología, mención física. Director: Mosca, Hugo O.