Katedra za aplikativno fiziko

L2-7190 (C) Raziskave kontaminacije z radionulidi vlažnih zemljin ob odlagališču jedrskih odpadkov

Sofinancer: Agencija za radionuklidne odpadke RS

Vodja: Korošak Dean

Trajanje: 1. 7. 2004 – 30. 6. 2007

Obseg: 0,30 FTE in 200 ur brez plače

DEJAVNOST          

ARRS KLASIFIKACIJA: 2.03.00 – Tehniške vede / Energetika

CERIF KLASIFIKACIJA: T160 – Jedrsko inženirstvo, T270 – Okoljska tehnologija, nadzor onesnaženja

KLJUČNE BESEDE: kontaminacija, radionuklidi, zemljine, vlaga, dielektrična spektroskopija, obsevanje, anomalna difuzija

POROČILO O REALIZACIJI PROGRAMA RAZISKOVALNEGA PROJEKTA

Razumevanje transportnih mehanizmov povezanih s prenosom vode in delcev skozi kompleksne porozne snovi, na primer zemljine, je ključno za uspešno reševanje številnih okoljskih problemov, kot je denimo identifikacijo primernih struktur za skladišče radioaktivnih odpadkov in izrabljenega jedrskega goriva (RAO in IJG). Za Republiko Slovenijo je strateško bistvenega pomena, da kot država z razvito jedrsko tehnologijo  spremlja, razvija in izvaja najsodobnejše raziskovalne pristope tudi k problemu migracije radionuklidov v naravnih strukturah.

Do kontaminacije tal v okolici odlagališča radioaktivnih odpadkov lahko pride tudi s pronicanjem vlage (ali vode) skozi zemljino, zato je nujno poznati in uvesti več komplementarnih metod detekcije kontaminacije vlažnih zemljin in identificirati ključne parametre, ki določajo migracijo radionuklidov na velikih časovnih skalah. V okviru projekta smo te ključne parametre poskušali detektirati z uporabo dielektrične spektroskopije na vzorcih vlažnih poroznih snovi. Eksperimenti so potekali na vzorcih gline z različno vsebnostjo vode, ki je sestavni del pregrad za preprečevanje transporta kontaminantov in na vzorcih cementa pri različnih vodocementnih faktorjih. Dielektrični odziv vzorcev je pokazal podobno frekvenčno odvisnosti v območju nizkih frekvenc pri vseh vzorcih: potenčno naraščanje prevodnosti pri zelo nizkih frekvencah in prehod v nasičenje pri približno 10 kHz. Pri tem smo opazili odvisnost eksponenta potenčnega dela frekvenčnega odziva prevodnosti, n<1, od vsebnosti vode v vzorcih gline in časa hidratacije cemetnih vzorcev. S ciljem povezati dinamiko gibanja ionov (kontaminantov) v vlažnih poroznih snoveh z značilnostmi dielektričnega odziva smo večino dela v projektu namenili razumevanj fizikalnih pojavov, ki vodijo do opažene disperzije prevodnosti in postavitev teoretičnega modela s katerim smo lahko opisali glavne značilnosti izmerjenih spektrov.

Bistvena ugotovitev je, da moramo za opis gibanja iona v kompleksni porozni snovi uporabiti počasno kinetiko, ki jo formalno vpeljemo s frakcijskim (Riemann-Liouville) diferencialnim operatorjem reda p<1 (oziroma v stohastičnem opisu s frakcijsko Langevinovo enačbo), v makroskopskem opisu pa migracijo delcev opišemo anomalno (sub)difuzijo. Pri tem smo povezali vrednost eksponenta potenčne frekvenčne odvisnosti prevodnosti n z redom frakcijskega odvoda n. Uporabili smo fizikalni model gibanja lahkega delca (iona v porah snovi) med velikimi nepremičnimi delci (v našem primeru površine por). V okviru tega modela smo lahko parametre frekvenčne odvisnosti prevodnosti izrazimo s snovnimi lastnostmi porozne materije: specifično površino (npr. delcev gline), gostoto delcev, temperaturo, maso ionov.

Tako lokalna dinamika delcev kot tudi migracija delcev na večjih skalah sta odvisni tudi od strukture in povezanosti por v snovi. Da bi razumeli medsebojno povezanost transporta in strukture smo v sodelovanju z raziskovalnimi partnerji z Univerze v Nottinghamu raziskovali strukturo zemljin s pomočjo rentgenske računalniške tomografije, ki omogoča 3D analizo porozne strukture. Z analizo binarnih slik tomografskih prerezov vzorcev zemljin smo postavili model mreže povezanosti posameznih por. Pokazali smo, da lahko, za izbrano funkcijo povezanosti por, porozno strukturo zemljine opišemo s kompleksno mrežo, ki kaže topološke značilnosti t.i. scale-free mrež s potenčno odvisnostjo stopnje povezanosti por. Z analizo naključnega gibanja po mrežnih modelih poroznih zemljin smo pokazali, da je lahko transport v takšnih sistemih anomalen.

Rezultati projekta so nam omogočili ustvarjanje čvrstih raziskovalnih povezav s skupino za okoljske znanosti Univerze v Nottinghamu (prof. dr. Sacha Mooney) ter s skupino za mehaniko mehkih snovi Univerze Hohai v Nanjingu (prof. dr. Wen Chen)(pravkar odobren skupni dveletni kitajsko-slovenski projekt).

Z raziskovalnim delom v okviru projekta smo dosegli nov korak k razumevanju disperzije dielektričnega odziva poroznih snovi z različno vsebnostjo vode. Vpeljali smo nov opis frekvenčno odvisne prevodnosti, ki temelji na dinamiki ionov v porozni strukturi. Dodatno smo raziskovali strukturo poroznih zemljin in prispevali nov pogled na topologijo povezanosti por z modelom kompleksne mreže. Ocenjujem, da smo ob začetku projekta zastavljene cilje, docela realizirali in v nekaterih pogledih tudi presegli. Poglobljen študij temeljnih fizikalnih procesov in želja po detaljnem razumevanju skozi eksperimente opaženih pojavov, sta zahtevala več časa kot smo ga imeli na voljo, da bi lahko projekt zaključili z razvito aplikacijo. To načrtujemo v nadaljevanju raziskovalnega dela tudi po (formalnem) zaključku projekta pri čemer nas podpira tudi sofinancer.

1. izpeljali, testirali in objavili smo rezultate vključevanja Forcheimerjevega člena, ki kot dodatek Darcy Brinkmanovi gibalni enačbi popisuje učinke vrtinčenja zaradi povečane hitrosti tekočine pri toku skozi porozno snov. Nova numerična shema je temeljila na uporabi Forcheimerjevega modela s poudarkom na določitvi vpliva dodatnega (Forcheimerjevega) vztrajnostnega člena v gibalni enačbi na hitrost in skupni prenos toplote. Bistven zaključek tega sklopa je, da vključitev dodatnega močno nelinearnega člena povzroča minimalno zmanjšanje prenosa toplote, kakor tudi minimalno zmanjšanje hitrosti v območju, pri čemer pa je numerična shema bistveno bolj kompleksna, kar vodi do povečanja računskega časa. Izkaže se, da za inženirske potrebe tega člena ne kaže vključevati v model, saj je njegov vpliv približno enak numerični napaki, ta ugotovitev pa sovpada z ugotovitvami iz literature, ki temeljijo na uporabi drugih aproksimativnih numeričnih metod
2. izpeljali in testirali smo numerični model za opis konvektivnega toka stisljive tekočine v porozni snovi. Model vnaša v osnovno shemo nove nelinearnosti in dodatno tlačno enačbo, saj je pri obravnavanju stisljivih tokov tlak termodinamična veličina, odvisna od gostote in temperature. Z vsemi potrebnimi spremenljivkami je bil dopolnjen numerični program v katerem vezan sistem močno nelinearnih parcialnih diferencialnih enačb rešujemo z uporabo robno območne integralske metode. V tem sklopu se je pokazalo, da bo potrebno v prihodnosti izpeljati model s spremenljivo poroznostjo.
3. izpeljali, testirali in objavili smo rezultate vključevanja enačbe koncentracije v obstoječ numerični model za modeliranje transportnih pojavov v porozni snovi. Konkretno smo podrobno obdelali pojav naravne konvekcije zaradi dvojne difuzije, kjer se zaradi spremembe v gostoti, ki jo povzročajo razlike v temperaturi in koncentraciji, inducirajo vzgonske sile, ki povzročijo gibanje tekočine v porah porozne snovi. Numerično smo modelirali ta pojav v vertikalni kotanji, v horizontalnem sloju in v geometriji, kjer imamo opravka z dvema različno propustnima poroznima deloma. Tudi v tem sklopu smo dosegli odlično ujemanje z rezultati dobljenimi z drugimi aproksimativnimi metodami, kar še utrjuje uporabnost robno območne integralske metode.

1. we derived, tested and published the results of adding the so called Forcheimer inertia term which, if added to Darcy-Brinkman momentum equation, takes into account the effect of high velocity of the fluid in porous media. The Brinkman-Forcheimer extended Darcy model is used to examine the influence of the additional inertia term. The inclusion of the Forcheimer term in the momentum equation leads to a reduction of the heat transfer rate and velocity but the results indicate that the effect is minimal. The numerical code becomes more complex and also the computation time required to achieve convergence is increased.  Therefore it is possible to conclude that in the range covered by engineering problems the Forcheimer term is not really relevant to the calculation of the global heat transfer, as reported in the literature in which the calculations were performed with other numerical methods;
2. we derived and tested numerical model for compressible fluid flow in porous media. In this work the model is modified and extended to capture the compressible fluid state. A numerical model consist of coupled highly nonlinear partial differential equations was again solved with the boundary domain integral method. The main finding from this part of our investigation is that in the future we should implement a model where porosity will be a function (changeable porosity);
3. we derived, tested and publish the results of adding the concentration equation in our numerical model for solving transport phenomena in porous media. We focus our attention mainly on double diffusive natural convection where the density differences, due to the effects of combined temperature and concentration buoyancy, inducing the fluid motion. The problem was tested on several examples: convection in vertical porous cavity, convection in horizontal porous layer and convection in a cavity where two porous layers with different permeabilities are present. Here also we achieved an excellent agreement with published results obtained with other numerical approximation methods and we can confirm that the boundary domain integral method is an effective alternative to those methods.

Naslov: Pretok spinov nosilcev električnega naboja v sistemih kovina/polprevodnik

Sodelovanje: Slovenija – Ukrajina

Šifra projekta: BI-UA/07-08-008

Financer: Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS

Nosilca: prof. dr. CVIKL Bruno  in prof. dr. Petro GORLEY, Nacionalna univerza Černivci, Černivci

Trajanje: 1. 7. 2007 – 30. 6. 2009

POVZETEK

V okviru mednarodnega sodelovanja raziskovalci delujejo tudi na potencialno zelo pomembnem področju spintronike, kot neizogibne prihodnosti mikro- in nanoelektronike in na tak način v danem trenutku tvorijo jedro, ki je sposobno slediti razvoju novega tehnološkega procesa oziroma nove tehnologije.

Na področju spintronike je bila pozornost raziskovalcev, izhajajoč iz obveznosti mednarodnega sodelovanja, usmerjena tudi na raziskave možnosti uporabe spina nosilcev naboja, kot dodatne prostostne stopnje za prenos informacij. V zapisanem smislu so se zgoraj opisani eksperimenti, podkrepljeni z ustrezno numerično analizo, pokazali kot nadvse obetavna pot, ki omogoča tvorbo močno dopirane mejne plasti nanostrukturnih razsežnosti na stiku ferromagnetna elektroda/organski polprevodnik, kot predpogoja za injektiranje spinsko polariziranih nosilcev naboja v organski polprevodnik.

Rezultati sodelovanja v okviru zapisanega bilateralnega projekta se odražajo v soavtorstvu štirih objavljenih referatih na mednarodni konferenci.

Naslov: Modeliranje akustičnih in dielektričnih lastnosti poroznih snovi s frakcijsko dinamiko

Šifra projekta: BI-CN/07-09-022
Sodelovanje: Slovenija – Kitajska
Financer: Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS
Vodja: izr. prof. dr. Korošak Dean
Trajanje: 1. 7. 2007–30. 6. 2009

POROČILO

V okviru bilateralnega projekta sodelujemo s skupino prof. dr. Wen Chena s Hohai Univerze v Nanjingu. S sodelavci skušamo modelirati akustični in dielektrični odziv kompleksnih snovi z uporabo posplošenega diferencialnega računa – frakcijskega integrala in odvoda. V letu 2007 smo začrtali potek raziskav in načrtovali raziskovalni obisk na Kitajskem v jeseni 2008. V okviru tega obiska bodo izvedene tudi meritve akustičnih spektrov vzorcev, katerih dielektrični odziv smo že izmerili.

V sklopu slovensko-ukrajinskega bilateralnega raziskovalnega projekta, BI – UA/07-08-008, z naslovom Spin injection processes at metal/semiconductor structures sta v obdobju od 9. do 24. septembra prof. dr. Petro Gorley in doc. dr. Serghi Bilichuk obiskala Fakulteto za gradbeništvo Univerze v Mariboru in Institut J. Stefan Ljubljana. Obisk, ki ga je materialno omogočilo MVSZT, je bil namenjen koordinaciji raziskav v naslednjem obdobju, poleg tega pa tudi aktivni udeležbi na mednarodni konferenci MIDEM. Oba gosta sta po ogledu nekaterih laboratorijev Inštituta, na seminarskih predavanjih odseka F-8, predstavila rezultate raziskav na področju spintronike njunih sodelavcev na Oddelku za fizikalno elektroniko, Fakultete za fiziko, Nacionalne univerze Cernivci iz Ukrajine.

V maju 2007 je bil gost Katedre za aplikativno fiziko prof. dr. Sacha Jon Mooney z Univerze v Nottinghamu. Z njim sodelujemo pri raziskavah porozne strukture snovi in je tudi predvideni somentor doktorske disertacije mladega raziskovalca Marka Samca. Ob obisku prof. Mooneya smo začrtati potek eksperimentov za leto 2008. Z uporabo rentgenske računalniške tomografije (X-CT) bomo dobili 3-D slike strukture mejne plasti med cementom in zemljino, ki bodo podlaga za konstrukcijo kompleksnih mrežnih modelov porozne strukture. Vzorci tal bodo odvzeti na izbranih lokacijah v Sloveniji (v začetku leta 2008) in nato prepeljani v Veliko Britanijo na tomografsko slikanje strukture z vrhunsko napravo X-CT na Univerzi v Nottinghamu (v prvi polovici 2008).