Dipartimento di Fisica - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Fisica dell'Università della Calabria.

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Author: search.filters.author.Agostino, Raffaele GiuseppeStart date: 2020

Search Results

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    Monte Carlo neutronic calculations for the design of VESPA shielding at the European Spallation Source
    (Università della Calabria, 2020-12-14) Scionti, Jimmy; Cipparrone, Gabriella; Agostino, Raffaele Giuseppe; Gorini, Giuseppe
    The European Spallation Source (ESS) is the next world’s most powerful pulsed neutron source, under construction in Lund, in the south of Sweden. Many scientific and industrial fields will benefit from ESS, like pharmaceutical drugs, manufacturing, biotechnology, information technology, chemistry, and so on. The facility will produce neutrons by spallation reactions, induced by high energetic protons, accelerated up to the energy of 2 GeV and eventually conveyed to impinge on a rotating tungsten target. Neutrons will then pass through a complex moderator system and will be delivered to the experimental stations of a suite of instruments through dedicated beamlines. Each instrument has a unique experimental station, neutron guide and design that are optimized and conceived for a specific scientific research field. ESS will be capable of producing neutrons with energies up to that of the incident proton beam. Such high energetic neutrons constitute a matter of particular care for radiological protection purposes. In fact, neutrons represent a higher concern respect to charged particles due to the fact that they carry no electric charge. Therefore, they can’t interact with matter by mean of the coulomb force, which dominates the energy loss mechanism for charged particles. In particular slow neutrons, of energy up to a few eV, are likely to be absorbed by the atomic nuclei by radiative capture reactions, that lead to the emission of gamma particles. Similarly to neutrons, gammas carry no electric charge, but their interaction mechanisms in matter differ from those of neutrons, and depend on the atomic number Z of the nuclei [1]. Both neutron and gamma radiations are an issue for radiological protection in neutron facilities, due to their higher penetrability respect to charged particles. In particular, being able to attenuate and shield that radiation down to acceptable limits is a crucial aspect within the ESS project. The radiological shielding of each component of the facility, from the accelerator down to the beam-lines, is an essential matter of studies and investigations at ESS. Shielding studies can be thought as a type of optimization studies. In fact, the typical purpose is to minimize a radiological quantity, usually the dose, in some particular area of interest, by choosing appropriate materials. The choice is bound to the attenuating capability of the selected materials for the given radiation, to the cost and to the available space that set geometrical constraints. The studies described in this thesis are focused on the design of an appropriate shielding for the beam-line of VESPA, one of the instruments under construction at ESS. VESPA is a joint venture between Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR, Italy) and Science and Technology Facilities Council (STFC, United Kingdom). The acronym VESPA stands for Vibrational Excitation Spectrometer using Pyrolytic-graphite Analyser. As the name suggest, it is a high-resolution broadband chemical spectrometer, enhanced with diffraction capabilities, fully dedicated for in-situ research. It will be capable of providing simultaneous dynamic and structural data on chemical bondings, intra-molecular and inter-molecular interactions and on the vibrational dynamics. VESPA is a 60m long straight instrument, in line of sight with ESS moderator. Most of the instrument, about 45 m, will be built in an area that will be frequently accessed by workers, scientists, ESS personnel and so on. Therefore, the radiation coming from the instrument has to be strongly attenuate by an adequate shielding structure, so to not constitute a radiological hazard. The studies for the shielding of VESPA presented here, were performed by mean of the Monte Carlo transport code MCNP and auxiliary codes like CombLayer and ADVANTG. The investigation benefited from the Common Shielding Project at ESS, that aims to standardize the shielding structures for all the participating instruments, as well as to provide a common teamwork for discussing and validating the investigations. Part of this thesis aims to describe the Monte Carlo method, with a particular care for the variance reduction techniques, especially those that were used in the MCNP calculations. A large part of the thesis is related to the characterization of the sources used in the simulations. The shielding for VESPA is investigated through studying the neutron and photon dose rate maps. The proposed design, in compliance with the Common Shielding requirements and the dose requirements, is given toward the end of the thesis. The last chapter of the thesis is an addendum about the early simulations aimed to design an essential component of the instrument.
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    Sviluppo di materiali innovativi per adsorbimento H2 e realizzazione di una unità dimostrativa di bombola
    (Università della Calabria, 2020-09-05) Pedicini, Rolando; Cipparrone, Gabriella; Agostino, Raffaele Giuseppe
    The research activity carried out during this three-year of PhD was directed towards the synthesis of new materials for the hydrogen storage. In particular, the PEEK was used as a basic polymeric matrix; this is an aromatic polymer, heat-resistant of which many properties are known. This base material does not show such chemical-physical characteristics that it can be used to bind and release H2 molecules, moreover, not being a porous material, cannot even think of a physical bond with H2. A functionalization reaction was necessary in which a certain percentage of chlorosulfonic groups on the aromatic ring of the polymer was introduced. This reaction resulted in both a slight increase in the surface area (from 9 to 19 m2/g) and also a morphological variation of the material was observed. To give the possibility to hydrogen to bind, presumably in a chemical way to the polymer, the chloride was exchanged with the permanganate ion, coming from a solution of KMnO4, that act like a precursor, which in an acidic environment is reduced to MnO2. The importance of the synthesis parameters such as time and temperature and the concentration of the precursor was verified. From the study of these parameters, different materials have been synthesized with a metal oxide load ranging from 7 to 80 wt%. The X-ray study showed that the Mn oxide synthesised is of the Birnessite type, having a characteristic lamellar structure, needle-like structure with characteristic peaks located at 2q = 12 °, 37 ° and 66 °. It was found that the increase in the percentage of oxide in the composite material is almost directly proportional to the absorption capacity. From absorption measurements by Sievert apparatus at 110 °C / 60bar, particularly interesting results were obtained, reaching 1 wt% of H2 absorption with materials having a load of 80 wt% of Mn oxide. It has been seen how the increase of the synthesis temperature at 80 °C and 95 °C does not involve any variation from the H2 adsorption but changes, probably, the structure of the oxide clusters which tend to be smaller in size. Moreover, from post volumetric measurement analysis, evident differences were found, in fact the initial MnO2 (IV) was reduced in Mn2O3 (III). For this reason, the synthesis temperature was decreased to 50 °C, reducing the analysis temperature from 110 °C to 50 °C by operating at 40 bars, in these conditions, over 3 wt% of H2 absorption was revealed, moreover, a reversible trend after three cycles of abs / des was obtained. These results seem to suggest a chemical interaction between hydrogen and the material. This material was then selected as an absorbent material to be introduced into a laboratory prototype tank (having a volume of 20L) that powered a 10W fuel cell. After increasing the material synthesis from 2 to 10 g, leaving all the chemical-physical and H2 absorption properties unaltered, the tank was designed considering some of the basic characteristics of the material. To characterize the tank two tests were designed: an electrochemical one in which the prototype was directly connected to the tank and the cell power and its life in real time was followed. Through this test, a power system had achieved a value of about 10W for an average time of 6min, less than the expected time of 20min, due to H2 losses in the tank / cell system. This problem was also recorded using the other method through mass flow and P sensors at the inlet and outlet of the tank. Considering that the system is a small demonstration developed on a laboratory scale and the components used were probably unsuitable for this purpose, by making the necessary changes and shrewdness, the H2 losses can be eliminated and, consequently, the life of the tank can reach the ideal value.
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    Nanostructured materials for energy: synthesis and chemical-physical characterization for gas adsorption applications
    (Università della Calabria, 2021-07-16) Conte, Giuseppe; Cipparrone, Gabriella; Agostino, Raffaele Giuseppe; Policicchio, Alfonso
    Il termine nanoscienze definisce lo studio di fenomeni e tecniche di manipolazione dei materiali su scala atomica e molecolare, dove le proprietà differiscono notevolmente da quelle osservate su scale maggiori. Attualmente la ricerca scientifica dedica grandi sforzi alla comprensione degli effetti nanometrici sulle proprietà fisico-chimiche della materia, in quanto possono essere utilizzate anche su scala diversa per sviluppare processi e prodotti caratterizzati da nuove funzioni e prestazioni, applicabili in vari settori tra cui salute, società dell'informazione, energia, trasporti, sicurezza e spazio. Relativamente alle nanoscienze, la progettazione, lo sviluppo e la creazione di materiali, sistemi e dispositivi attraverso il controllo della materia su scala nanometrica sono definite come nanotecnologie. Tra di esse, esistono tecniche e processi di preparazione in grado di ottenere materiali nanoporosi per applicazioni nel settore chimico, energetico o dei trasporti.Proprio in tale ambito si inquadra questo lavoro di tesi che è focalizzato sullo sviluppo e la caratterizzazione di nanostrutture porose per l’adsorbimento gas. In settori strategici come quello dell’energia e dei trasporti “verdi”, immagazzinare e distribuire alcune tipologie di gas in maniera ecosostenibile ed innovativa, riducendo al contempo i costi energetici, è diventata una sfida tecnologica significativa. Ad esempio, l'aumento dell'uso di combustibili puliti e alternativi a quelli tradizionali (es. idrogeno, gas naturale, bio-metano) nell'industria automobilistica dipende molto dallo sviluppo di soluzioni di stoccaggio avanzate. In particolare, l'idrogeno può anche svolgere un ruolo fondamentale nei processi power to gas (PtG), ovvero di conversione dell'energia in eccesso proveniente da fonti rinnovabili (FER), rispondendo al problema dell'intermittenza di alcune di esse (solare ed eolico). In questo caso, la sfida è lo stoccaggio di idrogeno. Le forme tradizionali di stoccaggio come la compressione e liquefazione sono opzioni costose, mentre lo stoccaggio con materiali allo stato solido potrebbe rappresentare una soluzione interessante. Allo stesso tempo, il continuo aumento dei gas serra in atmosfera, ha portato a porre la necessità di implementare soluzioni finalizzate alla cattura o stoccaggio/utilizzo dell’anidride carbonica (CCS/U) per la mitigazione dei cambiamenti climatici. Anche se esistono già metodi di stoccaggio della CO2 (assorbimento in solventi, assorbimenti chimici, etc.), alcuni problemi come l'elevata volatilità o degradabilità hanno reso necessario trovare metodi alternativi più efficaci. Pertanto, la crescente necessità di immagazzinare alcune tipologie di gas con maggiore efficienza e sicurezza ha spinto la ricerca scientifica verso lo sviluppo di materiali adsorbenti nanostrutturati che siano in grado di migliorare questi requisiti, avere costi di produzione ridotti e capacità di rilasciare le specie assorbite senza dispendio di energia. La necessità di ottenere un addensamento del gas in condizioni termodinamiche distanti da quelle di liquefazione ha spinto la comunità scientifica ad approfondire lo studio del fenomeno della condensazione per fisisorbimento di strati molecolari sulle superfici dei materiali ad alta superficie specifica. Combinando la bassa entalpia di condensazione del gas, dovuto agli effetti dei deboli potenziali dispersivi e di interazioni che non prevedono la formazione di legame chimico, con lo sviluppo di materiali costituiti essenzialmente da superfici (materiali nano porosi) si possono sviluppare sistemi per ottenere la condensazione reversibile di grandi quantità di gas in condizioni di pressione e temperature vicini a quelle ambiente. A tal fine, una serie di materiali solidi porosi dalla struttura opportunamente ingegnerizzata (ad esempio zeoliti, strutture metallo-organiche, polimeri, carboni attivati, etc.), sono stati sviluppati e investigati durante il lavoro di ricerca focalizzando l’attenzione sulla reversibilità dei processi di adsorbimento. Tra gli adsorbenti studiati, i materiali a base di carbonio hanno mostrato una buona efficacia nella separazione e nello stoccaggio di varie specie gassose evidenziando anche vantaggi nei metodi di produzione semplici e a basso costo. Attraverso il loro utilizzo, inoltre, è possibile sviluppare una tecnologia di stoccaggio del gas reversibile e sostenibile basata sul metodo del fisisorbimento. Carboni attivati con struttura nanoporosa sono stati sviluppati e preparati in laboratorio studiando ed analizzando in dettaglio i processi di formazione della porosità e, successivamente, caratterizzando il loro comportamento all’adsorbimento dei vari gas. Allo stesso tempo, al fine di effettuare un confronto, sono state testate altre tipologie di materiali porosi sviluppate e preparate in collaborazione con gruppi di ricerca di altri dipartimenti, università o istituti. Tutti i materiali analizzati, sono stati caratterizzati con tecniche di porosimetria a 77 K e testati per l’adsorbimento delle principali specie gassose di interesse energetico, ossia CO2, CH4 e H2. Le condizioni termodinamiche (pressione e temperatura) utilizzate nelle misurazioni sono state variate in base alla tipologia di gas e agli studi effettuati. Particolare attenzione è stata posta allo studio ed analisi della struttura porosa, che insieme al parametro area di superficie specifica (SSA), influenza fortemente le proprietà chimicofisiche dei materiali e i meccanismi di interazione all’interfaccia solido-gas. Pertanto, nella valutazione delle capacità di stoccaggio per i diversi gas, la dimensione e distribuzione dei pori si è dimostrata una variabile significativa da considerare nello studio di un materiale. Per comprendere a fondo questi sistemi e il loro comportamento è stato, quindi, necessario l’utilizzo di diverse tecniche e metodi di analisi tra cui: Microscopia elettronica a scansione (SEM) e Microscopia elettronica a trasmissione (TEM), Diffrazione a raggi X (XRD), Analisi a raggi X a dispersione energetica (EDX), Spettroscopia a infrarossi in trasformata di Fourier (FTIR), tecniche volumetriche di tipo Sievert. Il lavoro di ricerca effettuato, quindi, ha portato allo sviluppo di varie metodologie per la preparazione e la sintesi di materiali con elevata superficie specifica. Quest’ultime consentono di controllare i processi di formazione della porosità permettendo di ottenere strutture nano porose omogenee adatte per l'adsorbimento di diverse specie gassose. Le nanostrutture sintetizzate hanno mostrato elevate capacità di stoccaggio, processi ciclici e alta reversibilità che, uniti al basso costo dei precursori utilizzati, rappresentano un’ottima base di partenza per l’implementazione di soluzione tecnologiche alternative a problematiche e/o esigenze del settore energetico e dei trasporti, in particolare, nella gestione ed utilizzo dell’idrogeno. I risultati raggiunti durante le attività sperimentali, svolte anche in collaborazione con altri dipartimenti, istituti di ricerca ed università, hanno portato alla redazione di una serie di lavori scientifici presentati a conferenze e pubblicati su riviste internazionali peer-reviewed.