Two-phase CFD analyses in fuel assembly sub-channels of Pressurized Water Reactors under swirl conditions

Single-phase CFD calculations are already widely applied in nuclear industry for the thermal-hydraulic design optimization of fuel assemblies (FA). In contrast, two-phase CFD-applications are still in the state of development. The work presented in this thesis shows contributions towards the detailed two-phase modeling of boiling flows under swirl conditions in sub-channel geometries of pressurized water reactors (PWR) FAs, including a realistic description of the critical heat flux (CHF)-phenomena and identification of two-phase indicators characterizing CHF-phenomena. The numerical simulations were conducted with a 3-D CFD code (STAR CD) for various types of swirl generating components in FA. New insights regarding local void distribution in sub-channels under swirl conditions were obtained, which are relevant for CHF (“bubble pockets”). Furthermore, an enhanced wall partitioning model provides a more realistic description of the steep increase of the rod temperature due to CHF. Presented validation studies showed good agreement with the available experiments under PWR conditions for the radial void distributions at non-CHF conditions as well as for the CHF prediction. The results performed in this thesis show the incentives and chances of two-phase CFD applications for the development of thermal-hydraulically optimized PWR spacer grids with regard to heat transfer and improvement to the CHF behaviour.Einphasige CFD Analysen stellen für typische thermohydraulische Fragestellungen aus dem Kernkraftwerksbereich bereits jetzt ein wichtiges Werkzeug für die Brennelement (BE)¬Auslegung dar. Die zweiphasige CFD-Modellierung befindet sich dagegen in der Entwicklungsphase. Die in dieser Dissertation präsentierten Arbeiten zeigen Fortschritte für die detaillierte zweiphasige Modellierung drallbehafteter Strömungen im Unterkanal eines BEs des Druckwasserreaktors (DWR) einschließlich der realistischen Beschreibung des kritischen Wärmestroms (CHF) sowie die Bestimmung zweiphasiger Indikatoren, welche das Auftreten von CHF-Phänomen beschreiben. Verschiedene drallerzeugende Komponenten im BE wurden mit dem 3-D CFD-Code STAR-CD modelliert. Es wurden neue Erkenntnisse zur lokalen Blasenverteilung in Unterkanälen unter Drallbedingungen gewonnen, die für CHF relevant sind (“bubble pockets”). Durch eine Modifikation des Wärmeübergangsmodells (heat partitioning model) wird der starke Anstieg der Stabtemperatur infolge CHF realistischer beschrieben. Die durchgeführten Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Experimenten unter DWR-Bedingungen für die radialen Blasenverteilungen und für die Bestimmung von CHF. Die vorliegenden Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen den Nutzen und die Möglichkeiten von zweiphasigen CFD-Anwendungen für die Entwicklung und die thermohydraulische Optimierung von DWR-Abstandshaltern bezüglich des Wärmeübergangs und der Verbesserung des CHF-Verhaltens.Модели однофазовой среды в вычислительной гидродинамике (англ. CFD) являются уже сейчас важным инструментом для решения типичных термогидравлических задач в ядерной энергетике, например, при конструировании тепловыделяющих сборок (ТВС). Двухфазовое моделирование, в сравнении с однофазовым, находится на сегодняшний момент в стадии развития. Данная диссертация связана с совершенствованием двухфазовой модели в направлении улучшения детализации вихревого течения внутри ячейки ТВС в условиях работы двухконтурного ядерного реактора (тип PWR). Также в работе показана возможность более реалистичного описания феномена кризиса теплоотдачи и определения двухфазовых индикаторов, характеризующих критический тепловой поток (англ. CHF). Комплекс расчетов выполнен для различных интенсификаторов теплоотдачи, размещенных на дистанционирующих решетках TBC. Расчеты производились с помощью программного обеспечения STAR-CD, позволяющего моделировать трехмерные гидродинамические системы. Полученные новые данные о локальном распределении пузырьков в ячейках с вихревым течением дали важную информацию для идентификации критического теплового потока. Усовершенствование модели теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) позволило более реалистично описать резкое повышение температуры на поверхности ТВЭЛа при достижении критических условий. Полученные результаты численного моделирования для радиальных распределений пузырьков при нормальных условиях работы PWR и также для определения критического теплового потока показали хорошее совпадение с известными экспериментальными данными. Представленные в диссертации результаты показывают возможности применения двухфазовых CFD-расчётов для разработки и термогидравлической оптимизации дистанционирующих решеток с целью улучшения теплообмена и характеристик критического теплового потока в двухконтурном ядерном реакторе типа PWR

Rational development of protein formulations in solid and solution states

Development of protein formulations in the solid and solution state involves stability studies during long-term storage (2-3 years). A long-term study of a protein under conditions leading to its rapid physical and chemical degradation often results in excessive use of resources and severe time constraints. To minimize these problems, a thorough preformulation study of protein behavior under different conditions is necessary. An in depth understanding of the properties of proteins in both the solution and solid state may subsequently result in selection of conditions leading to adequate stability during storage. Preformulation studies of a protein in solution often involve a three step approach. In this method a protein is first characterized under a range of conditions (e.g. pH, temperature, etc.), and the data is then summarized in the form of an empirical phase diagram. This information is then used to design a high throughput screening approach to identify stabilizing compounds. This approach was employed for preformulation studies of vaccines against Clostridium difficile ( C. difficile)-associated disease. Such vaccines contain formaldehyde treated toxoids A and B in free or adjuvant bound form. Studies of C. difficile toxins and toxoids under a range of conditions revealed a stabilizing effect of formaldehyde crosslinking on the thermal stability of the toxoids. Furthermore, screening for stabilizing compounds resulted in the identification of conditions and specific compounds that lead to enhanced thermal stability of free and bound to adjuvant toxoids. Preformulation studies of proteins in the solid state usually involve characterization of an amorphous solid in general (e.g. moisture content, crystallinity, structural relaxation, etc.) and specific protein properties (e.g. extent of protein structure preservation). Unfortunately, these characteristics of the solid and protein cannot usually predict protein stability during storage. Therefore, a more in depth understanding of amorphous matrices is needed. To understand the role of interactions between protein and expient as well as the homogeneity of protein/excipient mixtures, a study of a model system containing human Growth Hormone (hGH) and sugars (sucrose and trehalose) was performed. This study revealed that the extent of protein/excipient interaction can be used to describe the degree of homogeneity of a lyophilized mixture which can be related to the cryo- and lyo-protecting properties of the excipients. Additionally, it was seen that the rate of structural relaxation is proportional to the rate of insoluble aggregate formation. These studies of proteins in solution and the solid state allowed for the identification of conditions for long term stability studies of C. difficile vaccines and contributed to our understanding of the role of interactions between protein and excipient in lyophilized solids

Impact of Screw and Edge Dislocation on the Thermal Conductivity of Nanowires and Bulk GaN

We report on thermal transport properties of wurtzite GaN in the presence of dislocations, by using molecular dynamics simulations. A variety of isolated dislocations in a nanowire configuration were analyzed and found to reduce considerably the thermal conductivity while impacting its temperature dependence in a different manner. We demonstrate that isolated screw dislocations reduce the thermal conductivity by a factor of two, while the influence of edge dislocations is less pronounced. The relative reduction of thermal conductivity is correlated with the strain energy of each of the five studied types of dislocations and the nature of the bonds around the dislocation core. The temperature dependence of the thermal conductivity follows a physical law described by a T$^{-1}$ variation in combination with an exponent factor which depends on the material's nature, the type and the structural characteristics of the dislocation's core. Furthermore, the impact of the dislocations density on the thermal conductivity of bulk GaN is examined. The variation and even the absolute values of the total thermal conductivity as a function of the dislocation density is similar for both types of dislocations. The thermal conductivity tensors along the parallel and perpendicular directions to the dislocation lines are analyzed. The discrepancy of the anisotropy of the thermal conductivity grows in increasing the density of dislocations and it is more pronounced for the systems with edge dislocations

Порівняльна характеристика фізичного стану жінок 30–49 років за показниками фізичної підготовленості залежно від умісту жирового компонента маси тіла.

The current relevance of the research. The paper is devoted to the research of fat body content influence on the parameters of physical state at 30-years women. It was determined that increasing of fat body content at 30–49 years women negatively affects speed, active spine flexibility, explosive strength, agility, power dynamic endurance of muscles of upper limb girdle and lower extremities, speed-power endurance of abdominal muscles, static fatigue of gluteal muscles and total endurance. Goal of research is to investigate the parameters of physical preparation of 30–49 years women depending on fat body content. Results of research: It is established the dependence between speed, active spine flexibility, explosive strength, agility, power dynamic endurance of muscles of upper limb girdle and lower extremities, speed-power endurance of abdominal muscles, static fatigue of gluteal muscles, total endurance and fat body content. The increasing fat body content at 30–36 years women leads to more negative effects compare to 37–49 years women. Conclusions. It is proved the reasonability of creation of special water fitness program for 30–49 years women. The purpose of such program is improving of physical qualities. Актуальність. У статті досліджено вплив умісту жирового компонента маси тіла на показники фізичної підготовленості в жінок 30–49 років. Установлено, що перевищення жирового компонента в жінок 30–49 років негативно вплинуло на прояв швидкості, активної гнучкості хребта, вибуховоїсили, спритності, силової динамічної витривалості м’язів плечового пояса й нижніх кінцівок, швидкісно-силової витривалості м’язів черевного преса, силової статичної витривалості сідничних м’язів та загальної витривалості. Завдання роботи –дослідити показники фізичної підготовленості жінок 30–49 років залежно від умісту жирового компонента маси тіла. Результати роботи. Установлено залежність прояву швидкості, активної гнучкості хребта, вибухової сили, спритності, силової динамічної витривалості м’язів плечового пояса й нижніх кінцівок, швидкісно-силової витривалості м’язів черевного преса, силової статичної витривалості сідничних м’язів і загальної витривалості від умісту жирового компонента. Перевищення вмісту жирового компонентавжінок30–36роківпризводитьдобільшнегативнихнаслідків,ніжу37–49-річних.Висновки.Доведена доцільність розробки програми занять аквафітнесом для жінок 30–49 років, спрямованих на покращення фізичних якостей, які зазнають найбільших інволюційних змін

Location Differences in the Character of the Institutional Religiosity of the Volyn Residents

Згідно з даними емпіричних досліджень, зокрема Лабораторії соціологічних досліджень СНУ імені Лесі Українки (2010, 2015), високий рівень релігійної й віросповідної самоідентифікації жителів Волинської області є відмінним для жителів міста Луцька та сільської місцевості (89 і 75 % відповідно), однаково (по 7 %) в обох випадках не змогли вказати конфесійної належності. Поселенські відмінності спостерігаємо в показниках частоти відвідування церкви й моління. «Лише у релігійні свята» та частіше церкву відвідує 83 % містян і 80 % селян; «один раз на тиждень» та частіше молиться 56 і 60 % відповідно. Сумарно тих, хто молиться щодня чи декілька разів на тиждень, однакова кількість серед обох порівнюваних груп населення, проте більше містян зазвичай молиться щодня (34 %), а селян – декілька разів на тиждень (25 %). Тих, хто ніколи цього не робить поза церквою, дуже мало. Тренди додаткових релігійних практик мають такі особливості: топовою практикою є проведення спільних обрядів у сім’ї, конкретизація практик допомоги призводить до зниження участі в них. Показник звернення до священика як лідера громади є найнижчим. Загалом сільське населення вирізняється більшою активністю щодо релігійних практик. Найважливішою для всіх жителів області є віра в Бога та цінність цієї віри; найменше вірять у безсмертя душі, особливо селяни. Вони також значно сильніше вірять у божественну причинність людських страждань у цьому світі, у фатальність долі, хоча першочерговоюпричиною в обох когортах уважають «злі вчинки людей». Загалом більшість жителів Волині, особливо сільської місцевості, тяжіють до традиційної релігії з підтриманням сімейної обрядовості. According to research data of the Sociological Group «Rating» (in cooperation with the SOCIS, and the Razumkov Center, and KIIS (2015)) and the Laboratory of Sociological Researches of the Lesya Ukrainka Eastern European National University (2010, 2015) a high level of the religious and confessional self-identification of residents of Volyn region was found. Thus, the inhabitants of the city of Lutsk have a higher level of religiosity than residents of rural areas (89 and 75 % respectively), while about 7% of the population in both types of location could not indicate a religious or church attendance. Besides the Ukrainian Orthodox Church of Kiev and Moscow Patriarchates, there are also Catholics, and Evangelists, and Baptists, and others in Volyn region. It is important that the other religions have a small share of believers, but they are historically formed and geographically cover the entire territory of the region. The frequency of the church visits and the prayers also have location differences. In particular, the category «only in religious holidays» is a Median and a Mode of the frequency of attending the church – in this way and more often 83 % of the city residents and 80 % of the villagers visit the church. The category «once a week» is a Median of the frequency of prayer both for the residents of Lutsk and for the villagers (56 and 60 % pray once a week and more often, respectively). The sum of those who pray daily and several times a week is the same among the two compared cohorts, but usually the city residents pray every day (the Mode is 34%), and villagers pray several times a week (the Mode is 25 %). Those who never pray outside the church have very little. Trends of the additional religious practices do not depend on the location of residence, and have the following features: the realization of family rituals is the top-practice, the specifying of the practice of helping leads to a decrease the participation in them. The rate of appeal to the priest as the leader of the community is the lowest. In general, the rural population is more active in religious practices. Faith in God and the value of this faith are the most important components of the «religious faith» for all the inhabitants of the region; they believe in the immortality of the soul least (among the villagers – 23 %, among the residents of Lutsk – 7 %). Parishioners believe that human actions are the cause of human suffering in this world (60 % of the villagers and 54% of the city residents strongly agree with this), and God's punishment for sin also (58 and 42 %, respectively), some believe in a particular destination or fate (50 and 25 %, respectively). Villagers believe in the divine causality of human suffering in this world, and in the fatalities of destiny much stronger. In general, the majority of Volyn residents, especially in rural location, tend to a traditional religion with a domination of family rituals

Ukrainian Society under Conditions of Total Anomy

The presence of specific phenomena of post-soviet anomy such as the criminalization of judicial and legal system, «state capture», double institutionalization and others aggravates the condition of social disorganization of Ukrainian society. Determination of the degree of influence of anomy on society as a whole and on selected groups is the main goal of this study. The author has used a technique construction of Index of Anomic Demoralization, Cynicism Index, and two Indexes of Social Well-being on the datasets of national surveys (1992–2012) of the Institute of Sociology of the National Academy of Sciences of Ukraine. All indexes for the entire period are quite high and they indicate the total anomy of Ukrainian society. After having analyzed the indicators of anomy in regional, age and sex, and professional and labour aspects, the author came to the following conclusions: (1) indications of anomy and cynicism are aggravated from the West to the East of the country, while the inhabitants of the Southwest and Kyiv feel less demoralized; inhabitants of the South-eastern part of Ukraine – are more demoralized; social well-being of the rural population is significantly worse than that of the inhabitants of large cities; (2) age differences as an indicator of generational change are more significant than regional, it signifies the integrity of the Ukrainian society; (3) professional and labour Ukrainians’ differences according to indicators of anomy and cynicism are the most significant. The results confirm the need to reform public institutions, the involvement of professionals in all spheres of public life

Specific phenomena of post-soviet anomy (Belarus, Russia, Ukraine)

Ключевой особенностью постсоветской аномии является тотальная деморализация населения, снижение уровня которой происходит крайне медленно, порой за счет частичного увеличения уровня аномического безразличия. В украинском и российском обществах сильнее, чем в белорусском, проявляются феномены криминализации судебно-правовой системы, «захвата государства»; во всех трех – коррумпированности социума «кругом знакомых», его ценностно-нормативной системы, а также двойной институционализации. Наличие двойного институционального пространства позволяет выжить гражданам в сложных социально-экономических условиях, тем самым легитимируя соответствующий механизм ненормативной регуляции, ставший вследствие длительного влияния аномии нормой. Это значительно усложняет процесс «излечения» обществ от недуга, несовместимого с либерально-демократическим его устройством и претендующего называться гражданским. Согласно теоретическим рассмотрениям перспективы преодоления последствий постсоветской аномии в Украине, Беларуси, России лежат в русле (1) контроля за выполнением законов и наличия равенства перед законом, (2) активизации неинституционального пространства, способного выполнять функцию соединительного моста между социумом и властью и т.д. Первое направление в большей мере зависит от политики власти, второе – требует (3) открытости социума, возможностей получения личного опыта иной его упорядоченности, иных норм и ценностей, (4) накопления «критической массы» тех, кто не желает и не следует двойным нормам и ценностям. The total demoralization of the population is a core peculiarity post-Soviet anomy reduction of which is very slow, sometimes through partial increase in the level of anomic indifference. Phenomena criminalization of judicial and legal system, «state capture» manifest in the Ukrainian and Russian societies stronger than in Belarus, phenomena corruptness society by «circle of acquaintances» and corruptness its values and norms of the system as well as a double institutionalization manifest the same in all three societies. The double institutional space allows citizens to survive in difficult socio-economic conditions, thereby legitimating the appropriate mechanism of non-normative regulation that has become the norm by prolonged influence of anomy. This is a significant increasing complexity of the process «healing» from the anomy of any society that aspire to liberal-democratic order and claims to be civil. According to theoretical considerations prospects for overcoming the consequences of the post-Soviet anomy in Ukraine, Belarus and Russia are within (1) control the implementation of laws and the availability the equality of all before the law and, (2) activation of non-institutional space that can function as a connecting bridge between the society and power, etc. The first direction depends more on authority policy, the second – requires (3) openness of society, opportunities for personal experience of another of its ordering of, of other norms and values, (4) the accumulation of a «critical mass» of those who do not want and do not live according to the double norms and values and standards