Areas at steep slopes in the catchments with high occupation by family farmers in Southern Brazil, even with a high surface covered with regenerated forests, are characterized by the persistence of sources of rural and urban pollution that are undermining the quality of aquatic systems. The unfair use of soil outside its capability, the adoption of inadequate soil tillage systems, the integrated system of animal production (poultry and swine) in quantities environmentally intolerable and the untreated domestic sewage from small villages are the main factors responsible for the input of high amounts of phosphorus into watercourses. In this context, the present doctoral thesis aims (i) monitoring the temporal variation in sediment-bound phosphorus in sub-catchments under different land-use and soil tillage systems and (ii) assessment of the potential of sediments from rural and urban sources to behave as source or sink of phosphorus for aquatic systems. In the Guaporé River catchment, six representative headwater sub-catchments with contrasting land-use and soil management were monitored. The selected sub-catchments were characterized by: (i) predominance of native forest (control); (ii) predominance of areas transformed to agriculture recently, but under conventional tillage CT (sub1); (iii) areas under CT, but with predominance of Ilex plantations (sub2); (iv) predominance of tobacco cultivation of long term under CT (sub3); (v) intensive agriculture under no-tillage NT (sub4); and (vi) intensive agriculture under NT and receiving untreated sewage of a twenty thousand inhabitant town (sub5). In addition, five points of the main river (P1 to P5) were monitored: the first one is located near to the junction of the sub-catchments 4 and 5, and the last one at the outlet of the watershed. Suspended and bed sediments were collected, comprising ten field campaigns performed in the monitoring period of 24 months (October 2012 to October 2014). The different fractions of phosphorus (P) of sediment were analyzed considering the bioavailability. The P sorption-desorption parameters in the sediments were estimated. The conversion of native forest for annual crops production areas promotes the production of sediments with higher amounts of total, inorganic and labile phosphorus. The values of maxima phosphorus adsorption capacity, instantaneous available and potentially available phosphorus forms, desorption rate and mobility index of phosphorus in sediments collected in the different sub-catchments in the following order: native forest < CT < CT with the intensive production of tobacco < NT < NT in the rural area plus urban sewage. A highly positive correlation was observed between different phosphorus fractions (especially the labile phosphorus), as well as different parameters of sorption/desorption, and amounts of iron and aluminum in sediments. It was found the highest amount of labile phosphorus in sediments collected at the end of winter and beginning of spring, particularly in the areas where tobacco is cultivated under CT. / As áreas de bacias hidrográficas declivosas e densamente ocupadas pela agricultura familiar no Sul do Brasil, apesar de apresentarem grande superfície com florestas regeneradas, caracterizam-se pela persistência de fontes de poluição rurais e urbanas que vêm comprometendo a qualidade dos sistemas aquáticos. O uso do solo fora de sua aptidão, a adoção de sistemas de manejo inadequados, o sistema integrado de produção animal (aves e suínos) em quantidades ambientalmente intoleráveis e o não tratamento dos esgotos domésticos das pequenas cidades são fatores responsáveis pelo aporte de grandes quantidades de fósforo aos cursos d água. Nesse contexto, a presente tese de doutorado visa (i) monitorar a variação temporal do fósforo ligado aos sedimentos em sub-bacias com diferentes usos e manejo do solo e (ii) avaliar o potencial dos sedimentos de fontes rurais e urbana em atuarem como fonte ou dreno de fósforo aos sistemas aquáticos.Na Bacia Hidrográfica do Rio Guaporé RS/Brasil foram monitoradas seis sub-bacias de cabeceira representativas de uso da terra e de sistemas de manejo do solo contrastantes. As sub-bacias selecionadas caracterizavam-se por:i) predomínio demata nativa (controle); (ii) predomínio de áreas transformadas em agricultura recentemente, mas sob sistema de cultivo convencional SCC (sub1); (iii) áreas emSCC, mas com predomínio de produção de erva-mate (sub2); (iv) predomínio de áreas emSCC há longa data para cultivo do tabaco (sub3 ); (v) predomínio de agricultura intensiva, mas sob o sistema plantio direto SPD (sub4); e (vi) predomínio de agricultura intensiva sobSPD e recebendo esgoto não tratada de uma cidade com 20 mil habitantes (sub5). Adicionalmente, monitoraram-se cinco pontos no rio principal (P1 a P5), sendo que o primeiro está localizado na junção das sub-bacias 4 e 5 e o último é o exutório da bacia.Coletaram-se sedimentos de fundo e em suspensão, em dez campanhas de campo, durante 24 meses (10/2012 a 10/2014). Foram analisadas as diferentes frações de fósforo no sedimento, de acordo com a biodisponibilidade e estimaram-se os parâmetros de adsortividade e dessortividade do fósforo no sedimento. A conversão da mata nativa para implantação de culturas anuais induz a produção de sedimentos com maiores teores de fósforo total, fósforo inorgânico e fósforo lábil. Os valores da capacidade máxima de adsorção, fósforo instantaneamente disponível, fósforo potencialmente disponível, taxa de dessorção e índice de mobilidade de fósforo dos sedimentos coletados nas diferentes sub-bacias aumentaram na seguinte ordem: mata nativa < SCC < SCC intenso com produção de tabaco < SPD < SPD no meio rural mais esgoto urbano. Foram observadas correlações positivas dasdiferentes frações de fósforo (em especial aquela relacionada ao P lábil), bem como dos diferentes parâmetros de sorção/dessorção, com os teores de ferro e alumínio do sedimento.Foi encontrado maior teor de fósforo lábil nos sedimentos coletados no final do inverno e início da primavera,particularmente naqueles correspondentes aos locais onde se cultiva tabaco em SCC.

CAPES / Os corpos hídricos têm suas características afetadas pela poluição difusa, por meio do carreamento de poluentes pelo escoamento superficial nos eventos de chuvas ou também por despejos pontuais. Esta pesquisa foi realizada nas cavas do Parque das Águas em Pinhais/PR e teve por objetivo avaliar a qualidade das águas e sedimentos dos corpos hídricos e a sua correlação com a poluição difusa. Foram analisadas algumas variáveis físico-químicas, bacteriológicas e de compostos orgânicos HPAs e n-Alcanos em 6 pontos, que podem indicar possíveis alterações na qualidade desses corpos hídricos. Estas cavas deverão futuramente ser destinadas para uso de recreação de contato secundário, como pesca e esportes náuticos pela LEI No 189/87 - Pinhais, indicando que as águas dessas cavas devem atender a resolução CONAMA 357/05, que estabelece limites para parâmetros físico- químicos, biológicos e de espécies metálicas que possam causar danos à saúde e ao ambiente. Para embasar a discussão dos resultados para HPAs e espécies metálicas em sedimento, utilizou-se a resolução CONAMA 344/04. Os limites indicados pelas resoluções do CONAMA 357/05 e 344/04, são valores de segurança. Com base nos resultados obtidos, identificou-se a influência das chuvas nas concentrações das variáveis analisadas. Através da comparação dos resultados com a Resolução CONAMA 357/05 para água doce de classe 2, pôde ser constatado que os parâmetros salinidade, OD, turbidez, amônia, nitrito, nitrato estão de acordo com os limites impostos pela resolução, a DBO a para maioria dos pontos analisados apresentou-se dentro dos limites, porém em um dos pontos excedeu o limite. Para Coliformes termotolerantes, a maior parte dos pontos se apresentou dentro dos limites estabelecidos pela resolução. A variável Sulfeto não atende a CONAMA 357/05. Dos sete metais analisados em água cádmio e ferro apresentam-se acima do limite para o CONAMA 357/05. Os metais cobre, zinco, cádmio, níquel e chumbo em sedimentos estão dentro do limite da resolução CONAMA 344/04, mas em alguns pontos amostrados os HPAs indicaram contaminação por elementos de origem petrogênica quando confrontados com os limites indicados nesta mesma resolução. Para evitar que os limites sejam excedidos, visto que alguns dos pontos amostrados estão muito próximos, ou extrapolando os limites indicados, faz-se necessário evitar a entrada de poluente nas cavas do parque em questão, devido ao grande risco de perder a qualidade destes corpos hídricos e prejudicar a sua função para a sociedade. A pesquisa permitiu identificar que o incremento da carga poluente é potencializado pelo escoamento superficial das chuvas, inferindo desta forma, a necessidade do controle da poluição difusa para a área do parque. Uma das possíveis soluções seria a implantação de sistemas de wetlands construídos, que podem funcionar como barreiras para a entrada de poluentes, principalmente nas cavas mais próximas às estruturas viárias pavimentadas. / The water bodies have the characteristics affected by diffuse pollution through the drift of pollutants in the runoff from rain events or also by occasional evictions. This research was conducted in pools of the Water Park in Pinhais/PR and aimed to assess the quality of waters and sediments of water bodies and their correlation with diffuse pollution. The analyses from some physico-chemical, bacteriological and organic compounds PAHs and n-alkanes in 6 points, indicated possible changes in the quality of these water bodies. These pools will be designed for future use of secondary contact recreation such as fishing and water sports in the LAW 189/87 - Pinhais-PR, indicating that the water pools must answer these CONAMA Resolution 357/05, which sets limits for physical- chemical, biological and metal species that may cause damage to health and the environment. To support the discussion of the results for PAHs in sediment and metal species, is used the CONAMA Resolution 344/04. The limits given by CONAMA resolutions 357/05 and 344/04, are safety values. Based on these results, we identified the influence of rainfall in the concentrations of all variables. By comparing the results with CONAMA Resolution 357/05 for freshwater class 2, it might be noted that the parameters salinity, dissolved oxygen, turbidity, ammonia, nitrite, nitrate comply with the limits imposed by resolution, for the DBO Most points analyzed was within the limits, but in one of the exceeded limit. For Fecal coliform, most points are presented within the limits established by resolution. The variable sulfide does not meet CONAMA 357/05. Of the seven metals analyzed in water cadmium and iron are found above the ceiling for CONAMA 357/05. The metals copper, zinc, cadmium, nickel and lead in sediments are within the limit of CONAMA Resolution 344/04, but in some sampling sites indicated PAH contamination source elements petrogenic when confronted with the limits specified in this same resolution. To avoid the exceeding the limits, since some of the points are very close, or extrapolating the limits, it is necessary prevent the entry of polluting the pools of the park in question, due to the high risk of losing the quality of these bodies water and impair its function for society. The research identified that the increase in pollution load is powered by the runoff of rainfall, implying thus the need for control of diffuse pollution to the park area. One of the possible solutions would be the deployment of constructed wetlands, which can act as barriers to the entry of pollutants, mainly pools nearest paved road structures.

CAPES / Os corpos hídricos têm suas características afetadas pela poluição difusa, por meio do carreamento de poluentes pelo escoamento superficial nos eventos de chuvas ou também por despejos pontuais. Esta pesquisa foi realizada nas cavas do Parque das Águas em Pinhais/PR e teve por objetivo avaliar a qualidade das águas e sedimentos dos corpos hídricos e a sua correlação com a poluição difusa. Foram analisadas algumas variáveis físico-químicas, bacteriológicas e de compostos orgânicos HPAs e n-Alcanos em 6 pontos, que podem indicar possíveis alterações na qualidade desses corpos hídricos. Estas cavas deverão futuramente ser destinadas para uso de recreação de contato secundário, como pesca e esportes náuticos pela LEI No 189/87 - Pinhais, indicando que as águas dessas cavas devem atender a resolução CONAMA 357/05, que estabelece limites para parâmetros físico- químicos, biológicos e de espécies metálicas que possam causar danos à saúde e ao ambiente. Para embasar a discussão dos resultados para HPAs e espécies metálicas em sedimento, utilizou-se a resolução CONAMA 344/04. Os limites indicados pelas resoluções do CONAMA 357/05 e 344/04, são valores de segurança. Com base nos resultados obtidos, identificou-se a influência das chuvas nas concentrações das variáveis analisadas. Através da comparação dos resultados com a Resolução CONAMA 357/05 para água doce de classe 2, pôde ser constatado que os parâmetros salinidade, OD, turbidez, amônia, nitrito, nitrato estão de acordo com os limites impostos pela resolução, a DBO a para maioria dos pontos analisados apresentou-se dentro dos limites, porém em um dos pontos excedeu o limite. Para Coliformes termotolerantes, a maior parte dos pontos se apresentou dentro dos limites estabelecidos pela resolução. A variável Sulfeto não atende a CONAMA 357/05. Dos sete metais analisados em água cádmio e ferro apresentam-se acima do limite para o CONAMA 357/05. Os metais cobre, zinco, cádmio, níquel e chumbo em sedimentos estão dentro do limite da resolução CONAMA 344/04, mas em alguns pontos amostrados os HPAs indicaram contaminação por elementos de origem petrogênica quando confrontados com os limites indicados nesta mesma resolução. Para evitar que os limites sejam excedidos, visto que alguns dos pontos amostrados estão muito próximos, ou extrapolando os limites indicados, faz-se necessário evitar a entrada de poluente nas cavas do parque em questão, devido ao grande risco de perder a qualidade destes corpos hídricos e prejudicar a sua função para a sociedade. A pesquisa permitiu identificar que o incremento da carga poluente é potencializado pelo escoamento superficial das chuvas, inferindo desta forma, a necessidade do controle da poluição difusa para a área do parque. Uma das possíveis soluções seria a implantação de sistemas de wetlands construídos, que podem funcionar como barreiras para a entrada de poluentes, principalmente nas cavas mais próximas às estruturas viárias pavimentadas. / The water bodies have the characteristics affected by diffuse pollution through the drift of pollutants in the runoff from rain events or also by occasional evictions. This research was conducted in pools of the Water Park in Pinhais/PR and aimed to assess the quality of waters and sediments of water bodies and their correlation with diffuse pollution. The analyses from some physico-chemical, bacteriological and organic compounds PAHs and n-alkanes in 6 points, indicated possible changes in the quality of these water bodies. These pools will be designed for future use of secondary contact recreation such as fishing and water sports in the LAW 189/87 - Pinhais-PR, indicating that the water pools must answer these CONAMA Resolution 357/05, which sets limits for physical- chemical, biological and metal species that may cause damage to health and the environment. To support the discussion of the results for PAHs in sediment and metal species, is used the CONAMA Resolution 344/04. The limits given by CONAMA resolutions 357/05 and 344/04, are safety values. Based on these results, we identified the influence of rainfall in the concentrations of all variables. By comparing the results with CONAMA Resolution 357/05 for freshwater class 2, it might be noted that the parameters salinity, dissolved oxygen, turbidity, ammonia, nitrite, nitrate comply with the limits imposed by resolution, for the DBO Most points analyzed was within the limits, but in one of the exceeded limit. For Fecal coliform, most points are presented within the limits established by resolution. The variable sulfide does not meet CONAMA 357/05. Of the seven metals analyzed in water cadmium and iron are found above the ceiling for CONAMA 357/05. The metals copper, zinc, cadmium, nickel and lead in sediments are within the limit of CONAMA Resolution 344/04, but in some sampling sites indicated PAH contamination source elements petrogenic when confronted with the limits specified in this same resolution. To avoid the exceeding the limits, since some of the points are very close, or extrapolating the limits, it is necessary prevent the entry of polluting the pools of the park in question, due to the high risk of losing the quality of these bodies water and impair its function for society. The research identified that the increase in pollution load is powered by the runoff of rainfall, implying thus the need for control of diffuse pollution to the park area. One of the possible solutions would be the deployment of constructed wetlands, which can act as barriers to the entry of pollutants, mainly pools nearest paved road structures.

Apresenta-se o desenho, construção e caracterização de uma plataforma experimental para a obtenção de imagens magnéticas bidimensionais (2D) geradas pela distribuição não uniforme em gel de vaselina de micro-partículas magnéticas (magnetita- Fe3O4), acomodadas em fantomas magnéticos de geometrias irregulares. A instrumentação é basicamente formada por um arranjo multicanal de 12-sensores magnetorresistivos de última geração (modelo HMC 1001/1002 da Honeywell), os quais convertem os sinais magnéticos, a serem medidas, em voltagens diferenciais, que posteriormente passam-se pela etapa de condicionamento analógico multisinais, e adquiridos por uma placa de aquisição PCI de 16 canais simples, e geradas pelas fontes magnéticas (fantomas) as quais eram posicionadas acima de uma tabua porta-fantoma a qual era acionada por um sistema de posicionamento x-y, utilizando-se dois motores de passo controlados via porta paralela. A obtenção e processamento das imagens de forma automática foi levado acabo por médio da ferramenta computacional SmaGimFM v1.0 (grupo de scripts escritos pelo autor, em LABVIEW v8.1 e Matlab v7.3). A montagem experimental foi desenhada para realizar o scan numa área de ate (20x18) cm2. O sistema consegue medir campos na ordem de poucos nano-teslas (10-9 T). Foi demostrado experimentalmente que: a detectibilidade do sistema está na ordem de 100 pT/?Hz; a resolução, o menor valor da indução magnética detectada e a resolução espacial dos sensores foi aproximadamente de (3±1) nT e (3.0± 0.1) mm, respectivamente, este último obtido para uma distancia sensor-fonte média de (6.0± 0.1) mm. O nível de ruído ambiental médio foi corroborado experimentalmente no valor de 10 nT. O fator de Calibração para todos os sensores alimentados com 8V, foi aproximadamente de 10-6 T/V, confirmando o valor da sensibilidade nominal oferecida pelo vendedor no data-sheet dos sensores. Os multisinais sempre foram pré-processadas para a remoção dos offset, e posteriormente era realizadas uma interpolação bi-cúbica, para gerar imagens magnéticas com uma alta resolução espacial da ordem de (256x256) pixels. A funções de transferência da modulação e espalhamento pontual do sistema foram estudados e os sensores foram espaçados e fixados de acordo com os resultados destes estudos. Nesta tese todas as imagens cruas foram geradas pelo mapeamento da resposta do sistema multicanal de magnetômetros a pequenas distancias e geradas pela presença de micropartículas de magnetita (Fe3O4) não tratada termicamente e dispersada em oitos fantomas planares com geometrias complexas e chamados como: PhMão; PhNum; PhLines; PhCinco; PhTrês; PhCircle; PhQuadSmall e PhQuadBig. As imagens magnéticas de cada um destes fantomas é apresentada. A cada experimento, estes fantomas eram magnetizados pela ação de um pulso magnético uniforme no volume dos fantomas, com um valor aproximadamente de 81.6 mT, e produzido por um sistema de bobinas par de Helmholtz. Para fazer o registro experimental das imagens magnéticas, os fantomas foram posicionados a uma altura fixa em relação aos sensores, e movidos numa direção de scan, assim nos detectores observávamos as voltagens gerados pela variação no campo remanente devido às diferentes concentrações de micro-partículas magnéticas magnetizadas foram medidos e controlados por um computador pessoal. Usando as imagens cruas (imagens ruidosas e borradas) e outras informações a priori, foram obtidas as imagens reconstruídas das fontes do campo magnético, tais como, a distribuição de partículas ferrimagnéticas no interior dos fantomas, a qual é relacionada com a susceptibilidade magnética das amostras. Encontrar as imagens das fontes magnéticas, é resolver o problema magnético associado, e nosso trabalho estas restaurações foram realizadas usando-se os seguintes algoritmos numéricos de deconvolução, filtragem espacial de Wiener e Fourier, o filtragem Pseudo-inversa, o método do gradiente conjugado e os procedimentos de regularização de Tikhonov e Decomposição de Valores singulares truncados, dentre outros. Estes procedimentos foram implementados e testados. As imagens reconstruídas das fontes magnéticas de quatro fantomas são apresentadas. Estas técnicas foram programadas computacionalmente por médio de um conjunto de scripts chamados de SmaGimFM v1.0, estes foram escritos nos linguagens computacionais MATLAB® desde a MathWorks Inc.; e LABVIEW desde a National Instruments Inc. Estes resultados preliminares mostram que o sistema de imagens apresenta potencial para ser aplicada em estudos na área da Física Médica, onde imagens com moderada para alta resolução espacial e baixa amplitude da indução magnética são exigidas. Contudo, podemos afirmar que à distância sensor-fonte é crítica e afeta a resolução das imagens. O sistema é capaz de registrar imagens na ordem de 10-9 T, e sua elevada resolução espacial indica que pode ser testada como uma nova técnica biomagnética para gerar imagens em 2D de partículas magnéticas dentro de objetos, na região do campo próximo, para futuras aplicações médicas / We have designed and build a magnetic imaging system for obtaining experimental noisy and blurred magnetic images from distribution of ferromagnetic tracers (magnetite Fe3O4). The main part of the magnetic imaging system was formed by a linear array composed of 12-magnetoresistive sensors from Honeywell Inc. (HMC 1001). These sensors are microcircuits with a configuration of wheatstone-bridge and convert magnetic fields into differential voltage, which after pass for the multichannel signal stage can be to measure magnetic signals about of 10-9 T. The system is capable of scanning planar samples with dimensions up to (16x18) cm square. A full experimental characterization of the magnetic imaging system was carried out. The calibration factor for all sensor supplied by 8 V, was approximately 10-6 T/V, confirming the data sheet nominal properties from the vendor. The spatial resolution and the resolution of the magnetic imaging system were experimentally confirmed to be 3 mm and 3 nT, respectively. The spectral density noise was about , for the experimental conditions used in these studies. The signals were pre-processed for offset remove and the interpolation for spatial resolution improves and generates images of (256x256) pixels. The point spread and modulation transference functions of multi-sensor system were studied and the sensors were spaced accordingly. In this thesis, all raw images were generated by mapping the response of the magnetoresistive magnetometers multichannel array at short distances due to the presence of uncooked magnetite powder dispersed in eight planar phantoms with complex geometries and called as: PhMão; PhNum; PhLines; PhCinco; PhTrês; PhCircle; PhQuadSmall and PhQuadBig. These phantoms were magnetized by a uniform pulse field of approximately of 81.6 mT produced by a Helmholtz coil system. The samples were moved under the magnetoresistive sensors and the voltages generated by the variation in remanent magnetic field due to different magnetized ferromagnetic particles concentrations were recorded and controlled by a personal computer. Using the experimental noisy and blurred magnetic field images (raw images), and some another, a priori information\'s, the reconstruction of the magnetic field source images, such as, the distribution of ferromagnetic particles inner of the phantoms which are related with magnetic susceptibility, was obtained by various inverse problem solution algorithms\', such as, the spatial Wiener and Fourier filtering, the Pseudo-inverse filtering; the conjugated gradient and Tikhonov and Decomposition of Truncated Singular Values approaches and others. These procedures were implemented by mean of the scripts set called SmaGimFM v1.0, that we developed using the MATLAB® language from MathWorks Inc. A preliminary result shows that this magnetic imaging system join to some deconvolution technique can be considered efficient to be used in functional images of the gastrointestinal tract, where a moderate resolution is required. We can affirm that at a distance sensor-source choose is a critical parameter and affects the resolution of the images; and we can conclude that this magnetic images method can be successfully used to generate planar blurred magnetic images and magnetic field sources images in the near field region at macroscopic level generated by ferromagnetic materials.

Advanced computational tools are applied to simulate a nuclear power plant (NPP) control rod assembly ejection (CRE) accident. The impact of these reactivity-initiated accidents (RIAs) on core reactivity behavior, 3D power distribution and stochastic reactivity estimation are evaluated. The three tools used are: the thermal-hydraulic (TH) RELAP5 (R5) code, the neutronic (NK) PARCS (P3D) code, and the coupled version P3D/R5, with specially developed linkage using the environment code MATLAB. This study considers three different-size cores: NPP1 (2772 MWt); NPP2 (530 MWt); and NPP3 (1061 MWt). The three cores have the same general design and control rod assembly (CRA) positions, and the ejected CRA has similar worth and at the same rod ejection pace. The CRE is assessed under both hot zero power (HZP) and hot full power (HFP) conditions. The analyses indicate that RIA modeling and simulation should be carried out through a systematic coding and configuration approaches, otherwise the results will not capture the true transient behavior of the core under analysis. The simulation of one code depends on the appropriate configuration of parameters generated by the other code and on the correct determination of the TH/NK mapping weight factors for the various mesh regions in each of the models. From the design point of view, the standalone codes predict milder magnitude of power and reactivity increase compared to the coupled P3D/R5 simulation. The magnitudes of reduced peak power and reactivity become larger as the core size shrinks. The HFP simulation shows that the three NPPs have the same transient peak value, but the post-transient steady power is lower for a smaller core. The HZP analysis indicates that the transient peak is lower for the smaller core, but the post-transient power occurs at the same level. The three-dimensional (3D) power distributions are different among the HFP and HZP cases, but do not depend on the size of the core. The results indicate: i) HFP: core power increases in the area surrounding the ejected rod/bank assembly, and this increase becomes lower as the NPPs shrinks however, the power is well-distributed after the transient; and ii) HZP: the area surrounding the CRA stays hotter, but the 3D peak assembly factor becomes lower, during and after the transients, as the NPPs shrinks. These features confirm that the smaller cores yield a safer response to a given inserted reactivity compared to larger cores. A stochastic extended Kalman filter (EKF) algorithm is implemented to estimate the reactivity based on the reactor power profile, after the addition of random noise. The inverse point kinetics (IPK) deterministic method is also implemented and the results of the application of EKF and IPK are compared to the P3D/R5 simulation. The following sophisticated strategies made the EKF algorithm robust and accurate: the system is modeled by a set of continuous time nonlinear stochastic differential equations; the code uses a time step directly based on the power measured and applies that to the model for online discretization and linearization; filter tuning goes automatically up from the first time step; and the state noise covariance matrix is updated online at each time step. It was found that the IPK reactivity has higher noise content compared to the EKF reactivity for all cases. Thus, the EKF presents superior and more accurate results. Furthermore, under a small reactivity insertion, the IPK reactivity varies widely from positive to negative values: this variation is not observed within the EKF. A sensitivity analysis for three distinct standard deviation (SD) noise measurements suggests that EKF is superior to IPK method, independent of the noise load magnitude. As the noise content increases, the error between the IPK and P3D/R5 reactivity also increases. A sensitivity analysis for five distinct carry-over effects of different random noise loads indicates that the random addition of different noise loads to the reactor power does not change the overall performance of both algorithms. / Este trabalho aplica métodos computacionais avançados para simular a ejeção de barras de controle (CRE) em uma planta térmica nuclear (NPP). São avaliados o impacto da ocorrência de acidentes iniciados por reatividade (RIAs) na reatividade total, na distribuição da potência em três dimensões (3D) e na determinação da reatividade. As ferramentas utilizadas são: o código termo-hidráulico (TH) RELAP5 (R5), o código neutrônico (NK) PARCS (P3D), a versão acoplada P3D/R5, e o ambiente computacional MATLAB. Este estudo considera três reatores nucleares de diferentes tamanhos: NPP1 (2772 MWT); NPP2 (530 MWt); e NPP3 (1061 MWt). Os três núcleos possuem projeto similar e idêntica posição dos grupos das barras de controle (CRA), além do mesmo valor de reatividade diferencial das CRA ejetadas e idêntica velocidade de ejeção. A ocorrência da CRE é avaliada sob condições de hot zero power (HZP) e de hot full power (HFP). As análises indicam que a modelagem e a simulação de RIAs devem ser realizadas sistematicamente, caso contrário os resultados não irão refletir o comportamento em regime transitório do núcleo. A simulação de um modelo em um código depende da apropriada configuração de parâmetros gerados pelo outro código e da determinação adequada do mapeamento TH/NK para as várias malhas dos modelos. Do ponto de vista de projeto, a utilização de códigos independentes resulta em cálculos de potência e reatividade conservadores em comparação com os resultados utilizando-se P3D/R5. Os picos de potência e de reatividade são menores à medida que o núcleo encolhe. A simulação em condições de HFP resulta em valores de pico de potência similares durante transitório para as três NPPs, mas a potência de pós-transitórios é menor para o menor núcleo. A análise em condições de HZP também indica que o valor máximo durante o transitório é menor para o menor núcleo, mas o pós-transitórios ocorre aos mesmos níveis de potência das demais NPPS. A distribuição de potência em 3D também apresenta resultados distintos para condições de HFP e HZP, mas tais resultados são independentes do tamanho do núcleo: i) HFP: há um aumento da potência do núcleo em torno da CRE, mas tal comportamento diminui para núcleos menores - no entanto, a potência é bem distribuída após o transitório; e ii) HZP: há aumento de potência na área do CRE, mas o pico de potência em 3D é menor durante e depois dos transitórios para núcleos menores. Tais características indicam que os núcleos menores respondem de forma mais segura quando da inserção de reatividade em comparação a reatores de maiores dimensões. O método estocástico de filtragem de Kalman estendido (EKF) foi codificado para estimar a reatividade com base no perfil de potência da NPP, após a adição de ruído aleatório. O método determinístico da cinética pontual inversa (IPK) também foi implementado e os resultados da aplicação dos algoritmos do EKF e IPK foram comparados com os resultados da simulação do P3D/R5. As seguintes estratégias, implementadas neste trabalho, possibilitaram a aplicação robusta e precisa do EKF: o sistema foi modelado por um conjunto de equações diferenciais não-lineares estocásticas de tempo contínuo; o algoritmo obtém o passo de tempo diretamente da potência medida e aplica-o ao modelo para a discretização e linearização online; o ajuste do filtro ocorre automaticamente a partir do primeiro passo de tempo; e a matriz de covariância do ruído no estado é atualizada online. Verificou-se que a reatividade calculada pelo método IPK possui maior nível de ruído quando comparada ao EKF para todos os casos estudados. Portanto, o EKF apresenta resultados superiores e mais precisos. Além disso, sob uma pequena inserção de reatividade, a reatividade calculada pelo método IPK varia consideravelmente de valores positivos para negativos: esta variação não é observada com o EKF. Uma análise de sensibilidade para três desvios padrão (SD) sugere que o algoritmo EKF é superior ao método IPK, independente da magnitude do ruído. Com o aumento da magnitude do ruído, o erro entre as reatividades calculadas pelo IPK e pelo P3D/R5 aumenta. A análise de sensibilidade para cinco ruídos aleatórios indica que a adição de ruído na potência do reator não altera o desempenho global de ambos os algoritmos.

[pt] A finalidade desta tese é propor estimadores pontuais para os coeficientes de escalonabilidade associados à Teoria de Resposta ao Item não Paramétrica (TRIN), a saber: Hij, Hi e H, e seus respectivos estimadores da variância, baseados na abordagem da amostragem de populações finitas. Com o objetivo de investigar empiricamente a qualidade destes estimadores são consideradas as populações de referência que são formadas pelos alunos que frequentavam o 9° ano do Ensino Fundamental, na rede pública, em áreas urbanas dos Estados de Roraima e do Rio de Janeiro, que participaram da Prova Brasil 2007. As respostas obtidas destes alunos a um conjunto de 10 itens dicotomizados que mensuram o capital econômico da sua família foram usadas na construção dos coeficientes de escalonabilidade do Modelo de Homogeneidade Monótona da TRIN. Repetidas amostras foram selecionadas de cada população de referência empregando dois planos amostrais: AC1S (amostragem por conglomerados em único estágio) e AC2-SAEB (com seleção de escolas e turmas, estratificação e sorteio das unidades do primeiro estágio com probabilidade proporcional a uma medida de tamanho da escola. A estimação pontual é baseada no Modelo de Superpopulação. Duas técnicas foram tratadas para a estimação da variância: método do Conglomerado Primário e Delete - 1 Jackknife. As medidas usuais: vício relativo, erro relativo médio, intervalo de confiança e efeito do plano amostral são usadas para a avaliação da qualidade dos estimadores em termos das propriedades de vício e precisão. O estudo assinala que os estimadores pontuais apresentam boas propriedades e, além disto, o estimador da variância corrigido pelo fator de correção de população finita é o mais apropriado em termos de vício e precisão. O plano amostral complexo adotado teve impacto na estimação pontual e da variância dos estimadores dos coeficientes de escalonabilidade. / [en] The purpose of this thesis is to propose estimators for the coefficients of scalability associated with Non Parametric Item Response Theory (NIRT), namely: Hij, Hi and H, and their variance estimators, based on the approach of sampling finite populations. To investigate empirically the quality of these estimators are considered the reference populations that are formed by students attending the 9th year of elementary school, in public, in urban areas of the states of Roraima and Rio de Janeiro, who participated Prova Brasil 2007. The responses of students to a set of 10 dichotomized items that measure the economic status of their families were used in the construction of the coefficients of scalability of the Homogeneity Model. Repeated samples were selected from each reference population using two sampling plans: AC1S (cluster sampling single stage) and AC2-SAEB (with selecting schools and classes, stratification and draw units of the first stage with probability proportional to a measure of school size). The point estimate is based on the approach of the Model Overpopulation. Two techniques were treated to estimate the variance: Ultimate Cluster method and Delete - 1 Jackknife. The usual measures: relative bias, mean relative error, confidence intervals and effect of the sampling plan is used to assess the quality of the estimators in terms of the properties of bias and accuracy. The study notes that the estimators have good properties and, in addition, the estimator of the variance corrected by the correction factor for finite population is the most appropriate in terms of accuracy and bias. The complex sampling (AC2-SAEB) impacted the point estimate and variance of the estimators of the coefficients of scalability.

Extracting useful knowledge from data sets is a key concept in modern information systems. Consequently, the need of efficient techniques to extract the desired knowledge has been growing over time. Machine learning is a research field dedicated to the development of techniques capable of enabling a machine to \"learn\" from data. Many techniques have been proposed so far, but there are still issues to be unveiled specially in interdisciplinary research. In this thesis, we explore the advantages of network data representation to develop machine learning techniques based on dynamical processes on networks. The network representation unifies the structure, dynamics and functions of the system it represents, and thus is capable of capturing the spatial, topological and functional relations of the data sets under analysis. We develop network-based techniques for the three machine learning paradigms: supervised, semi-supervised and unsupervised. The random walk dynamical process is used to characterize the access of unlabeled data to data classes, configuring a new heuristic we call ease of access in the supervised paradigm. We also propose a classification technique which combines the high-level view of the data, via network topological characterization, and the low-level relations, via similarity measures, in a general framework. Still in the supervised setting, the modularity and Katz centrality network measures are applied to classify multiple observation sets, and an evolving network construction method is applied to the dimensionality reduction problem. The semi-supervised paradigm is covered by extending the ease of access heuristic to the cases in which just a few labeled data samples and many unlabeled samples are available. A semi-supervised technique based on interacting forces is also proposed, for which we provide parameter heuristics and stability analysis via a Lyapunov function. Finally, an unsupervised network-based technique uses the concepts of pinning control and consensus time from dynamical processes to derive a similarity measure used to cluster data. The data is represented by a connected and sparse network in which nodes are dynamical elements. Simulations on benchmark data sets and comparisons to well-known machine learning techniques are provided for all proposed techniques. Advantages of network data representation and dynamical processes for machine learning are highlighted in all cases / A extração de conhecimento útil a partir de conjuntos de dados é um conceito chave em sistemas de informação modernos. Por conseguinte, a necessidade de técnicas eficientes para extrair o conhecimento desejado vem crescendo ao longo do tempo. Aprendizado de máquina é uma área de pesquisa dedicada ao desenvolvimento de técnicas capazes de permitir que uma máquina \"aprenda\" a partir de conjuntos de dados. Muitas técnicas já foram propostas, mas ainda há questões a serem reveladas especialmente em pesquisas interdisciplinares. Nesta tese, exploramos as vantagens da representação de dados em rede para desenvolver técnicas de aprendizado de máquina baseadas em processos dinâmicos em redes. A representação em rede unifica a estrutura, a dinâmica e as funções do sistema representado e, portanto, é capaz de capturar as relações espaciais, topológicas e funcionais dos conjuntos de dados sob análise. Desenvolvemos técnicas baseadas em rede para os três paradigmas de aprendizado de máquina: supervisionado, semissupervisionado e não supervisionado. O processo dinâmico de passeio aleatório é utilizado para caracterizar o acesso de dados não rotulados às classes de dados configurando uma nova heurística no paradigma supervisionado, a qual chamamos de facilidade de acesso. Também propomos uma técnica de classificação de dados que combina a visão de alto nível dos dados, por meio da caracterização topológica de rede, com relações de baixo nível, por meio de medidas de similaridade, em uma estrutura geral. Ainda no aprendizado supervisionado, as medidas de rede modularidade e centralidade Katz são aplicadas para classificar conjuntos de múltiplas observações, e um método de construção evolutiva de rede é aplicado ao problema de redução de dimensionalidade. O paradigma semissupervisionado é abordado por meio da extensão da heurística de facilidade de acesso para os casos em que apenas algumas amostras de dados rotuladas e muitas amostras não rotuladas estão disponíveis. É também proposta uma técnica semissupervisionada baseada em forças de interação, para a qual fornecemos heurísticas para selecionar parâmetros e uma análise de estabilidade mediante uma função de Lyapunov. Finalmente, uma técnica não supervisionada baseada em rede utiliza os conceitos de controle pontual e tempo de consenso de processos dinâmicos para derivar uma medida de similaridade usada para agrupar dados. Os dados são representados por uma rede conectada e esparsa na qual os vértices são elementos dinâmicos. Simulações com dados de referência e comparações com técnicas de aprendizado de máquina conhecidas são fornecidos para todas as técnicas propostas. As vantagens da representação de dados em rede e de processos dinâmicos para o aprendizado de máquina são evidenciadas em todos os casos

Extracting useful knowledge from data sets is a key concept in modern information systems. Consequently, the need of efficient techniques to extract the desired knowledge has been growing over time. Machine learning is a research field dedicated to the development of techniques capable of enabling a machine to \"learn\" from data. Many techniques have been proposed so far, but there are still issues to be unveiled specially in interdisciplinary research. In this thesis, we explore the advantages of network data representation to develop machine learning techniques based on dynamical processes on networks. The network representation unifies the structure, dynamics and functions of the system it represents, and thus is capable of capturing the spatial, topological and functional relations of the data sets under analysis. We develop network-based techniques for the three machine learning paradigms: supervised, semi-supervised and unsupervised. The random walk dynamical process is used to characterize the access of unlabeled data to data classes, configuring a new heuristic we call ease of access in the supervised paradigm. We also propose a classification technique which combines the high-level view of the data, via network topological characterization, and the low-level relations, via similarity measures, in a general framework. Still in the supervised setting, the modularity and Katz centrality network measures are applied to classify multiple observation sets, and an evolving network construction method is applied to the dimensionality reduction problem. The semi-supervised paradigm is covered by extending the ease of access heuristic to the cases in which just a few labeled data samples and many unlabeled samples are available. A semi-supervised technique based on interacting forces is also proposed, for which we provide parameter heuristics and stability analysis via a Lyapunov function. Finally, an unsupervised network-based technique uses the concepts of pinning control and consensus time from dynamical processes to derive a similarity measure used to cluster data. The data is represented by a connected and sparse network in which nodes are dynamical elements. Simulations on benchmark data sets and comparisons to well-known machine learning techniques are provided for all proposed techniques. Advantages of network data representation and dynamical processes for machine learning are highlighted in all cases / A extração de conhecimento útil a partir de conjuntos de dados é um conceito chave em sistemas de informação modernos. Por conseguinte, a necessidade de técnicas eficientes para extrair o conhecimento desejado vem crescendo ao longo do tempo. Aprendizado de máquina é uma área de pesquisa dedicada ao desenvolvimento de técnicas capazes de permitir que uma máquina \"aprenda\" a partir de conjuntos de dados. Muitas técnicas já foram propostas, mas ainda há questões a serem reveladas especialmente em pesquisas interdisciplinares. Nesta tese, exploramos as vantagens da representação de dados em rede para desenvolver técnicas de aprendizado de máquina baseadas em processos dinâmicos em redes. A representação em rede unifica a estrutura, a dinâmica e as funções do sistema representado e, portanto, é capaz de capturar as relações espaciais, topológicas e funcionais dos conjuntos de dados sob análise. Desenvolvemos técnicas baseadas em rede para os três paradigmas de aprendizado de máquina: supervisionado, semissupervisionado e não supervisionado. O processo dinâmico de passeio aleatório é utilizado para caracterizar o acesso de dados não rotulados às classes de dados configurando uma nova heurística no paradigma supervisionado, a qual chamamos de facilidade de acesso. Também propomos uma técnica de classificação de dados que combina a visão de alto nível dos dados, por meio da caracterização topológica de rede, com relações de baixo nível, por meio de medidas de similaridade, em uma estrutura geral. Ainda no aprendizado supervisionado, as medidas de rede modularidade e centralidade Katz são aplicadas para classificar conjuntos de múltiplas observações, e um método de construção evolutiva de rede é aplicado ao problema de redução de dimensionalidade. O paradigma semissupervisionado é abordado por meio da extensão da heurística de facilidade de acesso para os casos em que apenas algumas amostras de dados rotuladas e muitas amostras não rotuladas estão disponíveis. É também proposta uma técnica semissupervisionada baseada em forças de interação, para a qual fornecemos heurísticas para selecionar parâmetros e uma análise de estabilidade mediante uma função de Lyapunov. Finalmente, uma técnica não supervisionada baseada em rede utiliza os conceitos de controle pontual e tempo de consenso de processos dinâmicos para derivar uma medida de similaridade usada para agrupar dados. Os dados são representados por uma rede conectada e esparsa na qual os vértices são elementos dinâmicos. Simulações com dados de referência e comparações com técnicas de aprendizado de máquina conhecidas são fornecidos para todas as técnicas propostas. As vantagens da representação de dados em rede e de processos dinâmicos para o aprendizado de máquina são evidenciadas em todos os casos