O etanol (álcool etílico) tem sido cada vez mais estudado e testado como combustível alternativo para substituição do uso de alguns derivados de petróleo em motores de combustão interna. O presente trabalho procura abordar o emprego do etanol na forma vaporizada em motores do ciclo Otto, objetivando a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico total. Deste modo, um motor para teste de octanagem (motor CFR) foi equipado com um vaporizador de álcool instalado no coletor de escapamento, e após uma série de ensaios, várias análises puderam ser feitas. Essas considerações procuraram se ater a aspectos como rendimento térmico, relação ar/combustível, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape, assim como potência e eficiência volumétrica, levando em conta, sempre, a sua influência no funcionamento geral do motor. Ficou constatado que o motor movido a etanol vaporizado apresenta rendimento consideravelmente maior, menor consumo de combustível e funcionamento mais suave que aqueles verificados quando o mesmo motor e alimentado com álcool líquido. / The ethanol (ethyl alcohol) has been studied more and more as alternative fuel to replace some petroleum derivatives for internal combustion engines. The attached study examines the application of vaporized ethanol for Otto cycle engines, searching for better levels of total thermal efficiency. Therefore, an engine for test of octane number (CFR motor) was equipped with an alcohol vaporizer installed inside the escape pipe, and after many experiences, several analysis were made. The various analysis included aspects as thermal efficiency, air/fuel ratio, advance ignition, escape temperature, power and volumetric efficiency, always considering their influence on the operation of the engine. It was confirmed that the engine moved by vaporized ethanol presents higher thermal efficiency, smaller fuel consumption and smoother working than in case of alimentation by liquid alcohol.

O álcool etílico ou etanol vem se tornando, neste novo século, uma importante referência para estudos e aplicações que procuram um combustível alternativo ao uso de derivados de petróleo em motores de combustão interna. Neste trabalho, o uso do etanol vaporizado pelos gases de escape em motores do ciclo Otto busca a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico e emissões de poluentes. Assim sendo, um motor de 1.0 litro foi montado em laboratório com um trocador de calor instalado ao lado do coletor de escapamento, e uma série de testes foram feitos, possibilitando uma cuidadosa análise quanto a rendimento térmico, relação ar/álcool, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape e gases de emissão, entre outros aspectos. Conclui-se que o motor a álcool vaporizado, em certos regimes de funcionamento, apresenta rendimento maior e emissões menores que aqueles verificados no motor a álcool líquido. / The ethyl alcohol or ethanol is becoming, in this new century, an important reference for studies and applications that search for an alternative fuel to be used in internal combustion engines, replacing oil derivatives. In this study, an Otto cycle engine is fueled with ethanol vaporized by the exhaust gases, aiming for better levels of thermal efficiency and exhaust emissions. Therefore, a 1.0 liter engine with a heat exchanger connected to the exhaust manifold was prepared in a test bench, and several tests were made, which allowed a criterious analysis about air/alcohol ratio, spark ignition time, exhaust temperature and exhaust emissions, and others. It was concluded that the engine fueled with vaporized alcohol presents, in some operation points, higher thermal efficiency and less emissions compared to the case of engine fueled with liquid alcohol.

O setor de transporte é um exemplo de atividade econômica que depende fundamentalmente das cadeias produtivas do petróleo, gás natural e biocombustíveis para sua operação, além de ser um dos principais consumidores da energia primária do país. Portanto, qualquer melhoria nos processos de produção e uso final dos combustíveis veiculares, repercute favoravelmente tanto na utilização dos recursos energéticos e o desempenho do setor, quanto no impacto ambiental e na economia nacional. Nesse sentido, faz-se necessário o desenvolvimento de uma metodologia que permita avaliar as diferentes rotas de produção e uso final, para determinar as principais fontes de degradação da energia e quantificar o impacto ambiental por meio de uma ferramenta apropriada. Uma valiosa ferramenta é a análise exergética ampliada, a qual provê uma oportunidade de quantificar os requerimentos exergéticos totais e não renováveis e as eficiências globais e, desse modo, perseguir e priorizar o uso daquelas fontes de energia mais favoráveis e amigáveis com o meio ambiente. A exergoeconomia, que visa à distribuição racional dos custos exergéticos entre os diversos produtos de uma mesma planta, usa a quantidade de exergia de cada produto como base para a distribuição da exergia despendida no respectivo processo. Desta forma, neste trabalho se apresenta uma análise comparativa sobre as rotas de produção e uso final dos combustíveis derivados do petróleo e o gás natural (inclusive o hidrogênio produzido da reforma a vapor), etanol, biodiesel, além da análise da geração e distribuição da eletricidade na matriz elétrica brasileira. Propõe-se o uso dos custos exergéticos unitários renováveis e não renováveis e as emissões de CO2 como indicadores para avaliar a intensidade exergética renovável e não renovável, o impacto ambiental e o desempenho termodinâmico no uso final. Este procedimento permite hierarquizar os diferentes processos de conversão de energia na produção e uso final de combustíveis veiculares, a fim de determinar as melhores opções para o setor de transporte. / Transportation sector is an example of economic activity that fundamentally depends on the supply chains of oil, natural gas and biofuels for its operation, as well as being a major consumer of primary energy in the country. Therefore, any improvement that could be achieved in the vehicle fuels production and end use processes, favorably affects both the use of energy resources and industry performance, as well as the environmental impact and the national economy. Accordingly, it is necessary to develop a methodology based on a suitable tool to evaluate the different routes of fuel production and end use, so that the main sources of energy degradation and the environmental impact can be determined and quantified. A valuable tool that serves that purpose is the extended exergy analysis, which provides an opportunity to quantify the total and non-renewable exergy requirements and overall efficiencies, and thereby pursue and prioritize the use of the most environmentally friendly sources of energy. Exergoeconomy, which attempts to rationally distribute the exergy cost among the several products of a single plant, uses the amount of exergy of each product as the basis for the distribution of exergy expended in the respective process. Thus, this work presents a comparative analysis of the production routes and end use of vehicles fuels derived from petroleum and natural gas (including hydrogen produced from methane steam reforming), ethanol, biodiesel, besides of the analysis of generation and distribution of electricity in the Brazilian electricity mix. Moreover, the renewable and non-renewable unit exergy costs and CO2 emissions are proposed as indicators, able to assess the renewable and non-renewable specific exergy consumption, the environmental impact and the thermodynamic performance of transportation sector. This procedure allows to hierarchize the exergy conversion processes in the production and end use of transportation fuels, in order to determine the best options for the transportation sector.

O processamento de petróleo e seus derivados é analisado pela aplicação combinada e sistemática da Primeira e da Segunda Lei da Termodinâmica, análise exergética, permitindo a localização dos principais processos destruidores da capacidade de realização de trabalho ao longo da cadeia de processamento. Após a localização das irreversibilidades, diversas opções para melhoria dos processos são avaliadas. A exergia consumida nos processos é dividida em renovável e não renovável e posteriormente repartida, junto com as respectivas emissões de CO2, entre as diversas correntes de cada unidade de processamento. Para uma repartição racional dos fluxos exergéticos e de CO2, a análise exergoeconômica foi utilizada. Um sistema, que permite interações cíclicas entre a cadeia produtiva dos principais combustíveis utilizados no Brasil e a produção de eletricidade, foi elaborado a fim de permitir uma comparação entre os diversos combustíveis levando em consideração toda a cadeia produtiva. Esta comparação está fundamentada no consumo de exergia renovável e não renovável e nas emissões de CO2. Pode-se concluir que o coque de petróleo é o combustível que mais emite CO2, em seguida, encontram-se o carvão e a gasolina. O diesel hidrotratado vem após a gasolina, devido principalmente ao consumo de hidrogênio pelo hidrotratamento. Embora o diesel convencional emita mais SOx e NOx, este diesel exige menos exergia não renovável e emite menos CO2 que o diesel hidrotratado. O hidrogênio, se produzido da forma convencional (reforma a vapor de hidrocarbonetos leves), é o combustível mais intenso em exergia não renovável e com emissão de CO2 próxima ao valor da gasolina e maior que o valor obtido para o diesel convencional. O etanol se mostra uma boa alternativa ao uso dos derivados de petróleo, mesmo considerando configurações típicas para as usinas sucroalcooleiras. / The oil processing is analyzed by the combined and systematic application of the First and Second Laws of Thermodynamics, exergy analysis, allowing the location of the processes responsable for the main destructions of work capability along the processing chain. After the location of irreversibilities, several options for improving processes efficiency are evaluated. The exergy consumed in the processes is divided into renewable and non-renewable and then distributed, along with their CO2 emissions, among the various currents of each processing unit. For a rational distribution of the exergy and CO2 flows, exergoeconomy analysis takes place. A system that allows cyclical interactions between the productive chain of the main fuels used in Brazil and electricity production, is designed to allow the comparison among different fuels taking into account the entire production chain. This comparison is based on renewable and non-renewable exergy consumption and CO2 emissions. It can be concluded that the petroleum coke is the fuel that emits more CO2 followed by coal and gasoline. The hydrotreated diesel comes after gasoline, mainly due to the consumption of hydrogen for hydrotreating. Although conventional diesel emit more NOx and SOx, this diesel requires less non-renewable exergy and emits less CO2 than hydrotreated diesel. Hydrogen, if produced in the conventional way (steam reforming of light hydrocarbons) is the fuel most intense in nonrenewable exergy consumption and has CO2 emission near the value of gasoline and higher than the value obtained for conventional diesel. Ethanol is a good alternative to the use of petroleum derived fuels, even considering typical configurations for sugarcane mills.

Este trabalho apresenta os resultados obtidos com o desenvolvimento de um sistema robusto como uma alternativa de reconhecimento da qualidade de vapor de álcool combustível e do poder calorífico do gás combustível GLP em um nariz eletrônico. Foram implementadas duas metodologias experimentais para a extração de atributos dos padrões de vapor de álcool combustível e de gás GLP. Na primeira abordagem de tratamento dos dados, foram usados um Sistema de Inferência Fuzzy (FIS), e dois algoritmos de treinamento de Redes Neurais Artificiais (RNA) para reconhecer padrões de vapor de álcool combustível: a Backpropagation e Learning Vector Quantization. A segunda abordagem para o tratamento dos dados foi desenvolver um sistema reconhecedor do poder calorífico do gás GLP robusto à perda aleatória de um dos sensores. Foram usados três sistemas. No primeiro foi implementada uma RNA para reconhecer todos os dados que simulavam a falha de um sensor aleatório. O resultado desse sistema foi de 97% de acertos. O segundo implementou sete RNA’s treinadas com subconjuntos dos dados de entrada, tais que seis RNA’s foram treinadas com um sensor diferente com falha; e a sétima RNA foi treinada com dados dos sensores sem falhas. O resultado desse sistema foi de 99% de acertos. O terceiro implementou uma Máquina de Comitê Estática Ensemble constituída de dez RNA’s em paralelo para resolver o problema. O resultado foi de 97% de acertos. As RNA’s tiveram melhores respostas que os FIS. Foram sugeridas algumas formas de implementação em hardware do sistema reconhecedor em sistemas pré-fabricados com DSP’s e micro-controladores. / This work shows the results of a robust system development as an alternative to recognize the quality of an alcohol fuel vapor sample and Liquid Petrol Gas (LPG) heat power in an electric nose. Two experimental methodologies were implemented to extract the features of alcohol fuel vapor and LPG gas patterns. The first approach to process the data used an Fuzzy Inference System (FIS) and two training algorithms of Artificial Neural Networks (ANN) to recognize alcohol fuel vapor patterns: Backpropagation and Learning Vector Quantization. The second approach consists of process data to develop an LPG heat power recognizing system robust to one-random-sensor-loss. Three systems were used. The first implemented an ANN to recognize all data that simulated the failure of a random sensor. This system had 97% of right responses. The second implemented seven ANN’s trained with input data subsets, such that six ANN’s were trained with a different failure sensor, and the seventh ANN was trained with data of all sensors without failure. This system had 99% of right responses. The third implemented an Ensemble Static Learning Machine containing ten parallel RNA’s to solve the problem. The result were 97% of right responses. RNA’s had better results than FIS. Some ways of hardware implementation of the recognizing system were suggested in DSP and micro-controllers pre-built systems.

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2018-10-23T17:20:41Z No. of bitstreams: 1 Wagner_Franca_2018.pdf: 1672761 bytes, checksum: cbabb751327c3b80926b9fbde714a9e3 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-23T17:20:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Wagner_Franca_2018.pdf: 1672761 bytes, checksum: cbabb751327c3b80926b9fbde714a9e3 (MD5) Previous issue date: 2018-05-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The global primary energy mix is mostly composed by nonrenewable resources and the use of which uses contributes to increase the greenhouse gas emissions. The consumption of oil and coal, responsible for attending 60% of the total energy demand between 1970 and 2015, is more likely to enhance the air pollution than the consumption of natural gas. Besides, some authors announce the impossibility of sustaining the demand of oil with conventional type only at around 2050, because of technical and economic constraints over the reserves. Technology has been playing a roll giving more flexibility to the interfuel substitution among fossil fuels, in many applications. That gives the opportunity to increase the share of natural gas in the primary mix, while reducing the consumptions of the other two. Moreover, the reserves of natural gas are larger in comparison with the ones of oil, allowing it to alleviate the pressure over the latter. From those perspectives, increasing the use of natural gas would contribute to reduce the negative environment externality and the extension of a possible shock to be unleashed in the energy supply. The objective of this dissertation is to seek for a substitutability between natural gas and the others fossil fuels in the primary energy demand, using the Morishima Elasticity of Substitution, between 1970 and 2015. The model started with a Translog cost function to obtain the input demand equations of each fuel and their cost share functions, applying Shephard’s lemma. The parameters of the econometric regression were estimated by the Seemingly Unrelated Regressions method, as means to measure the price elasticity, the Allen Elasticity of Substitution and the Morishima Elasticity of Substitution. The model was applied to the United States due to their significance in the global context of energy. The results showed that a single conclusion for the period as a whole is statistically insignificant. Based on own-price elasticities, there were clearly three structural brakes, statistically significant, which divided the time series in four intervals. In the interval 1970-1981, the natural gas had a complementary relation with oil and both were substitutes for coal. In the intervals 1982-1995 and 1996-2008, there was substitutability among natural gas and oil, although limited. In the most recent interval, all of the fuels were complements to each other. Putting together the elasticities of substitution and the price elasticities analysis, we conclude that factors exogenous to the free market relations, such as government interventions, were determinants to demand decisions. The lack of a continuous and consistent relation of substitution between natural gas and the other two fossil fuels, warns that the concerns presented in this work may have being neglected and a transition from a polluted and finite mix to another cleaner and renewable, bridged by natural gas, is not occurring in the world’s largest economy. / A matriz mundial de energia primária é composta predominantemente por recursos não renováveis e cujo consumo contribui para a intensificação do efeito estufa. O consumo do petróleo e do carvão, combustíveis que supriram mais de 60% da demanda total de energia entre 1970 e 2015, é mais intensivo na geração de poluentes do que o consumo do gás natural. Além disso, alguns autores datam para próximo de 2050 a impossibilidade de sustentar a demanda de petróleo, pelo esgotamento técnico e econômico das reservas do tipo convencional. A tecnologia vem dando flexibilidade para que haja a substituição dentre os combustíveis fósseis, em várias aplicações. Isso gera a oportunidade de aumentar o consumo do menos poluidor, o gás natural, em substituição aos outros dois. O gás natural também possui reservas relativamente maiores do que as do petróleo, o que permite a ele aliviar parte da pressão colocada sobre este último. Por estas perspectivas, aumentar a participação do gás natural contribui para a mitigação da externalidade ambiental e reduz a magnitude de uma possível crise causada por um choque de oferta. O objetivo geral desta dissertação é responder se há uma relação de substituição entre o gás natural e os outros combustíveis fósseis na demanda de energia primária, pela Elasticidade de Substituição de Morishima, no período entre 1970 e 2015. O modelo partiu de uma função de custos do tipo Translog para chegar às equações de demanda condicionada de cada combustível e às equações de participação de custo, aplicando o lema de Shepard. Os parâmetros da regressão econométrica foram estimados pelo método Seemingly Unrelated Regressions e usados para os cálculos das elasticidades da demanda aos preços, de substituição de Allen e de substituição de Morishima. O modelo foi aplicado aos Estados Unidos, dada a significância deste país no contexto mundial de energia. Os resultados mostraram que uma única conclusão para todo o período é estatisticamente insignificante. Com base nas elasticidades aos próprios preços, foi possível identificar três quebras estruturais, estatisticamente significativas, dividindo o período em quatro intervalos. No intervalo 1970-1981, o gás natural se mostrou complementar ao petróleo e, estes dois, substitutos ao carvão. Nos intervalos 1982-1995 e 1996-2008 foi identificada uma relação de substituibilidade entre o gás natural e o petróleo, apesar de limitada. No mais recente, todos os combustíveis tiveram relações de complementariedade. Aliando estas às interpretações das elasticidades-preço, concluiu-se que fatores externos ao mercado, como interferências de governo, foram mais determinantes para as decisões de demanda. Não ter sido possível encontrar uma relação de substituição entre o gás natural e os outros dois fósseis, de forma contínua e consistente, deixa o alerta de que as preocupações levantadas podem estar sendo negligenciadas e que a transição de uma matriz predominantemente suja e finita para outra mais limpa e renovável, mediada pelo gás natural, não está em curso na maior economia do mundo.

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:59:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Willian Secco.pdf: 1974581 bytes, checksum: 429ddde6626b1b1db2dede74db8d187b (MD5) Previous issue date: 2013-02-08 / The biofuel has been assuming an incresingly important role on the environmental and economic impacts caused by fossil fuels. The biodiesel represents one of the most important biofuel in the current scenery of the expanding renewable fuels, in the energy matrix. The transesterification has prevailed as the companies, which produce this biofuel, most used process. Furthermore, the chicken oil, offal of the slaughtering industry, has good position to contribute with the expansion and diversification of biodiesel, in regions naturally vocationated by the development of the chicken slaughter industry. Moreover, this kind of oil does not compete with the food chain. The reaction of the chicken oil with short-chains alcohols using heterogeneous catalyst allow greatly the cost-cutting, by the fact that heterogeneous catalyst can be reusable in the process of the production of the biodiesel, and also because the chicken oil is an offal of low added value; the same does not occur with the homogeneous catalyst. Given this, the aim of this work was to evaluate some catalysts in the production of esters from the crude and neutral chicken oil. The following catalysts were evaluated: Amberlyst-15, Aberlite IR-120, KSF, ZnO, CaO e methanol as alcohol reagent. The preliminary reactions occurred at 60°C e 80°C, with 5% of catalyst relative to the mass of oil, time of reaction of 5 hours and molar ratio alcohol:oil of 9:1. In this conditions, the catalyst which showed higher conversions, around 77% in esters in the preliminary tests, was the calcium oxide (CaO). A pretreatment was made with the chicken oil, with the aim of improve its properties, reducing its acidity, and with that, a performance comparative outline was made between the crude oil and the neutral one. This comparision allowed the analysis of the use effect of heterogeneuous catalysts that preaches the benefits of using impure oils in biodiesel production reactions. New tests were made with the catalyst CaO by an experimental design in which 3 variables of the transesterification reaction were evaluated: temperature, molar ratio alcohol:oil, and percentage by weight of catalyst. The highest conversions were obtained in the order of 79.8% and 83% for crude and neutral oil respectively, in the conditions of 90ºC of temperature, molar ratio alcohol:oil of 6:1 and 4% in weight of catalyst. The kinetics of the reaction was also evaluated in the following conditions: temperatures of 40ºC, 60ºC and 80ºC, methanol molar ratio: 9:1 oil and 4% by weight of catalyst; in the kinetics tests were obtained conversions of up to 94.11% ester with reaction time of 24 hours. The obtained data of the best performance of the kinetics were used for the evaluation of the mathematical modeling. / Os biocombustíveis tem assumido um papel cada vez mais importante diante dos impactos ambientais e econômicos causados pelos combustíveis fósseis. O biodiesel figura como um dos mais importantes biocombustíveis no atual cenário de ampliação de combustíveis renováveis na matriz energética. A transesterificação tem prevalecido como sendo o processo mais empregado pelas indústrias produtoras desse biocombustível. Além disso, o óleo de frango, resíduo da indústria frigorífica, tem boas condições de contribuir com a ampliação e diversificação da oferta de biodiesel em regiões naturalmente vocacionadas pelo desenvolvimento da indústria de abate de frango. Ademais, esse tipo de óleo não compete com a cadeia de alimentos. A reação do óleo de frango com álcoois de cadeia curta empregando catalisadores heterogêneos possibilitam largamente a redução de custos, pelo fato de que catalisadores heterogêneos podem ser reutilizados no processo de produção de biodiesel, e também pelo fato de o óleo de frango ser um resíduo de baixo valor agregado; o mesmo não ocorre com a catálise homogênea. Diante disso, o objetivo desse trabalho foi avaliar alguns catalisadores na produção de ésteres a partir do óleo de frango bruto e neutro. Foram avaliados os seguintes catalisadores: Amberlyst-15, Aberlite IR-120, KSF, ZnO, CaO e metanol como álcool reagente. As reações preliminares ocorreram a 60°C e 80°C, com 5% de catalisador em relação a massa de óleo, tempo de reação de 5 horas e razão molar álcool:óleo de 9:1. Nessas condições, o catalisador que apresentou maiores conversões, em torno de 77% em ésteres nos ensaios preliminares, foi o óxido de cálcio (CaO). Foi realizado um pré-tratamento com o óleo de frango, visando melhorar suas propriedades, reduzindo sua acidez, e com isso, esboçou-se um comparativo de desempenho entre o óleo bruto e o óleo neutro. Tal comparativo permitiu a análise do efeito do emprego de catalisadores heterogêneos que prega o benefício do uso de óleos impuros nas reações de produção de biodiesel. Foram realizados novos testes com o catalisador CaO por meio de um planejamento experimental no qual foram avaliados 3 variáveis da reação de transesterificação: temperatura, razão molar álcool:óleo, e percentagem mássica de catalisador. As maiores conversões obtidas foram da ordem de 79,8% e 83% para os óleos bruto e neutro respectivamente, nas condições de 90ºC de temperatura, razão molar álcool:óleo de 6:1 e 4% em massa de catalisador. Avaliou-se também a cinética da reação nas seguintes condições: temperaturas de 40ºC, 60ºC e 80ºC, razão molar metanol:óleo de 9:1 e 4% em massa de catalisador; nos ensaios cinéticos foram obtidos conversões de até 94,11% de éster com tempo reacional de 24 horas. Os dados obtidos do melhor desempenho da cinética foram empregados para a avaliação da modelagem matemática.

Este trabalho apresenta e consolida uma metodologia alternativa para a determinação de taxas de reação nuclear ao longo da direção radial das pastilhas combustíveis sem necessidade de intensos fluxos neutrônicos. Esta técnica se baseia na irradiação de um disco de UO2 inserido no interior de uma vareta combustível desmontável no núcleo do reator IPEN/MB-01. Após a irradiação são realizadas várias espectrometrias gama do disco utilizando um detector HPGe alternando sequencialmente 6 colimadores de chumbo com diâmetros diferentes. Consequentemente, as reações nucleares de captura radiativa que ocorrem nos átomos de 238U, juntamente com as fissões que ocorrem em ambos 235U e 238U são mensuradas em função de 6 regiões radiais distintas do disco combustível. As correções de eficiência geométrica devido à introdução dos colimadores no sistema de detecção HPGe são determinadas através do código MCNP-5. As medidas de taxa de fissão são realizadas utilizando o 99Mo como radionuclídeo traçador. Esse radionuclídeo foi estudado e provou-se ideal para estas medidas por possuir um comportamento linear de formação, alto rendimento de fissão e principalmente por emitir fótons de baixa energia. As medidas foram efetuadas irradiando discos de UO2 (com enriquecimento de 4,3%) na posição central do reator IPEN/MB-01 a potência de 100 Watts durante uma hora. Algumas medidas foram realizadas utilizando uma luva de cádmio envolta na vareta combustível para determinar as taxas de reação nuclear na faixa de energia epitérmica. Os resultados experimentais obtidos são comparados a cálculos de taxa de reação nuclear via MCNP-5 utilizando a biblioteca de dados ENDF/B-VII.0, os quais apresentaram discrepâncias de no máximo 9% para as taxas de captura no 238U e 14% para as taxas de fissão no U na faixa epitérmica. Foram obtidos valores máximos de 4,5% para incertezas relativas as taxas de captura total e epitérmica e para as taxas de fissão total e epitérmica valores máximos de 11,3%. / This research presents and consolidates an alternative methodology for determining nuclear reaction rates along the radial direction of the fuel pellets which does not require high neutron flux. This technique is based on irradiating a thin UO2 disk inserted into a removable fuel rod at the IPEN/MB-01 reactor core. Several gamma spectrometries are performed after irradiation using a HPGe detector. Six lead collimators with different diameters are sequentially alternated during this process, thus, the nuclear radioactive capture which occurs in 238U and the fissions which occur in both 235U and 238U are measured according to six different radial regions of the fuel disk. Geometric efficiency corrections due to the introduction of collimators in HPGe detection system are determined by MCNP-5 code. The fission rate measurements are performed using the 99Mo. This radionuclide was studied and proved ideal for these measurements because it is formed in linear behavior in the reactor core, have a high yield fission and emits low-energy photons. Measurements were performed irradiating UO2 disks (with 4.3% enrichment) in the central position of the IPEN/MB-01 core at 100 watts power level during one hour. Some measurements were performed using a cadmium glove wrapped in the fuel rod to determine the nuclear reaction rates in the epithermal energy range. The experimental results obtained are compared with nuclear reaction rate calculations by means of MCNP-5 with ENDF/B-VII.0 data library showing discrepancies of up to 9% in 238U capture rates and 14% for U fission rates for epithermal energies. Uncertainties regarding the nuclear capture rates have maximum values of 4.5% and the fission rates has maximum values of 11.3%.

O IPEN/CNEN-SP fabrica combustíveis para uso no seu reator nuclear de pesquisas, o IEA-R1. Para qualificar os seus combustíveis tem que comprovar o bom desempenho destes sob irradiação. Como o Brasil não possui reator nuclear de pesquisa com altos fluxos de nêutrons ou células quentes apropriadas para a realização de exames pós-irradiação de combustíveis nucleares, o IPEN/CNEN-SP conduziu um programa de qualificação operacional de elementos combustíveis empregando compostos de urânio já internacionalmente testados sob irradiação e qualificados para uso em reatores de pesquisas, obtendo experiência nas etapas de desenvolvimento tecnológico de fabricação de placas combustíveis, irradiação e ensaios não destrutivos pós-irradiação. Foram fabricados e irradiados diretamente no núcleo do IEA-R1, com sucesso, elementos combustíveis contendo dispersões com baixas frações volumétricas de combustível. Entretanto, existem planos no IPEN/CNEN-SP para aumentar a densidade de urânio dos seus combustíveis. O objetivo deste trabalho de tese consistiu no estudo e proposição de aplicação de um conjunto de métodos não destrutivos para a qualificação dos combustíveis a dispersão de U3O8-Al e U3Si2-Al com alta densidade de urânio fabricados no IPEN/CNEN-SP. Para tanto, foram considerados os recursos de irradiação e a aplicação, na piscina do reator IEA-R1, de métodos não destrutivos disponíveis na Instituição. A proposta consiste em especificar, fabricar e irradiar miniplacas combustíveis, nas densidades máximas já qualificadas internacionalmente e efetuar acompanhamento das condições gerais das mesmas, ao longo do período de irradiação, por meio de métodos não destrutivos na piscina do reator. Além dos métodos de inspeção visual e de sipping já empregados na Instituição, foi concluída a infraestrutura para realização de ensaios dimensionais sub-aquáticos para a avaliação do inchamento das miniplacas combustíveis irradiadas. As análises dos resultados darão subsídios para avaliar e decidir a continuidade ou não das irradiações das miniplacas, até que sejam alcançadas as queimas estipuladas para os testes de irradiação no IEA-R1. / IPEN/CNEN-SP manufactures fuels to be used in its nuclear research reactor the IEA-R1. To qualify those fuels, it is necessary to check if they have a good performance under irradiation. As Brazil doesnt have nuclear research reactors with high neutron fluxes, or suitable hot cells for carrying out post-irradiation examination of nuclear fuels, IPEN/CNEN-SP has conducted a fuel qualification program based on the use of uranium compounds, internationally tested and qualified to be used in research reactors, and has gotten experience in the technological development stages for the manufacturing of fuel plates, irradiation and non-destructive post-irradiation testing. Fuel elements containing low volume fractions of fuel in the dispersion were manufactured and irradiated successfully directly in the core of the IEA-R1. However, there are plans to increase the uranium density of these fuels. The objective of this thesis work was to study and to propose a set of non-destructive methods to qualify the dispersions fuels U3O8-Al e U3Si2-Al with high uranium density produced at IPEN/CNEN-SP. For that, the irradiation resources in the IEA-R1, and the application of non-destructive methods in the reactor pool available in the Institution were considered. The proposal is to specify, manufacture and irradiate fuel miniplates in IEA-R1 at the maximum densities, qualified internationally, and to monitor their general conditions during the period of irradiation, using non-destructive methods in the reactor pool. In addition to the non-destructives visual inspection and sipping methods, already used at the Institution, the infrastructure for dimensional sub-aquatic testing to evaluate the swelling of irradiated fuel miniplates was completed. The analyses of the results will provide means to assess and decide whether or not to continue with the irradiation of miniplates, until the desired burnup for the irradiation tests at IEA-R1 are reached.

A miniaturização de uma biocélula a combustível (BC) enzimática de glicose/O2 para aplicação em dispositivos bioeletrônicos implantáveis representa um grande desafio em eletroquímica moderna. Isso porque é preciso desenvolver bioeletrodos com alta atividade bioeletrocatalítica, com enzimas fortemente ligadas a superfície eletródica. Além disso, o próprio processo de micromanipulação é desafiador, uma vez que é desejável obter biocélulas miniaturizadas e com alta densidade de potência. Assim, propõe-se aqui o desenvolvimento de uma BC que atenda os requisitos supracitados. Para isso, desenvolveram-se bioânodos e biocátodos compostos por folhas de grafeno individuais modificadas com as enzimas glicose desidrogenase (GDh) e bilirrubina oxidase (BOx), respectivamente. Eletrodos de grafeno com área de 10-3 cm2 e espessura de 0,9 ± 0,2 nm foram utilizados em um microchip de Si/SiO2. Observou-se que o grafeno transferido para o microchip permanecia com contaminações de cobre, mesmo após a utilização dos métodos químicos tradicionais de remoção desse metal. A presença de cobre é decorrente do processo de fabricação do grafeno, neste caso, a deposição química em fase vapor (CVD). Para remover qualquer resíduo deste metal, submeteu-se o grafeno a um procedimento de remoção eletroquímica de cobre, denominada aqui como e-etching. Uma vez não observada qualquer corrente faradaica residual associada às impurezas, obtiveram-se os bioeletrodos com a GDh e a BOx. Para a imobilização enzimática, utilizou-se a ligação covalente via funcionalização com o ácido 4-aminobenzóico. As curvas de polarização de estado quase-estacionário obtidas com os bioeletrodos em tampão fosfato pH 7,0 revelaram correntes de onset para oxidação de glicose em -0,13 V e redução de oxigênio em 0,45 V. Por fim, os eletrodos foram utilizados em uma BC sem membrana, operando no microchip de Si/SiO2, em eletrólito tampão fosfato saturado com O2 e glicose 8,0 mmol L-1. A BC apresentou um potencial de circuito aberto em 0,55 V, com densidade de potência volumétrica igual a 1,7 W cm-3, o maior valor reportado até os dias de hoje para uma BC. / The miniaturization of a glucose/O2 enzymatic biofuel cell (BFC) for application in implantable bioelectronic devices is a challenge in electrochemistry. For this purpose, the necessity of bioelectrodes development with high biocatalytic activity such as enzymes strongly attached to electrode surfaces is a current trend. Moreover, the micromanipulation procedure itself is a challenge since the obtention of BFCs with high power density is desirable. Then, the present study shows the partial results obtained in the development of a glucose/O2 BFC with the characteristics exemplified. For the later, bioanodes and biocathodes were obtained with single graphene flakes modified with the enzymes glucose dehydrogenase (GDh) and bilirubin oxidase (BOx), respectively. Graphene flakes electrodes with area of about 10-3 cm2 and thickness of 0,9 ± 0,2 nm were used in a Si/SiO2 microchip. It was observed that transferred graphene to the microchip remained with copper/copper oxide contamination even after the use of conventional methodologies for the remotion of the metal from single graphene foils. The presence of the remaining copper is due to the fabrication process of graphene by chemical vapor deposition (CVD). For the remotion of remaining impurities from graphene, the electrochemical remotion of copper from graphene was carried out in acidic media by the so called e-etching procedure. Since no residual faradaic current was observed due to metal/metal oxide impurities in graphene electrodes, the bioelectrodes were obtained with the enzymes GDh and BOx. The covalent functionalisation of graphene with 4-aminobenzoic acid via diazonium coupling reaction was used for the enzymatic immobilization. The quasi-stationary polarization curves obtained with the bioelectrodes in phosphate buffer pH = 7,0 showed onset oxidation current for glucose at -0.13V and reduction of molecular oxygen starting at +0.45V. Finally, the bioelectrodes were used in a membraneless BFC operating in a Si/SiO2 microchip under saturated oxygen and glucose 8 mmol L-1 in the electrolyte media. The BFC showed an open circuit potential at 0.55V and volumetric power density of 1.7 W cm-3, the highest value reported for an enzymatic BFC so far.