Un sole in miniatura sulla Terra, capace di generare una quantità sbalorditiva di energia pulita, sicura e controllabile, indispensabile per garantire l’esponenziale e irrefrenabile crescita del bisogno energetico sul nostro pianeta.
Un processo di reazione nucleare, il sole in miniatura, alimentato da una materia prima assolutamente comune, economica e facilmente reperibile: l’idrogeno contenuto nell’acqua del mare. La quasi totale assenza di rischi nella controllabilità della reazione e la trascurabile produzione di scorie nocive per l’ambiente e per la vita di umani e animali.
Tutto questo, e molto altro, è la sintesi della generazione di energia per fusione nucleare, il fenomeno fisico che alimenta il nostro Sole. Osservata da generazioni di studiosi e riprodotta in piccolissima scala già negli anni Trenta, la fusione nucleare sta ora prendendo forma grazie ai progressi della fisica e delle tecnologie. La sua reale fattibilità sarà tecnicamente e scientificamente dimostrata fra pochi anni grazie ad un grande progetto di ricerca finanziato da Unione Europea, Cina, India, Giappone, Corea, Russia e Stati Uniti, che si concretizzerà con la costruzione di un gigantesco reattore sperimentale a Cadarache, nel sud della Francia. ITER, questo il nome del progetto e del reattore, sarà completato e avviato nel 2020 e dovrà dimostrare di poter produrre per almeno 30 minuti una quantità di energia 10 volte superiore a quella impiegata per alimentarlo: 500 MW prodotti a fronte di 50 MW di consumo effettivo. L’auspicabile successo dell’esperimento servirà da propulsore ad un secondo progetto, già in corso e denominato DEMO, che dovrebbe portare nei successivi 15-20 anni alla realizzazione del primo, vero impianto industriale per la produzione di energia elettrica da fusione nucleare.
Tra le varie soluzioni possibili per realizzare un sistema di fusione dell’atomo, ITER utilizza quella basata sul confinamento magnetico della reazione. Il nucleo della fusione è costituito da plasma, uno stato della materia che, nel reattore di ITER, si raggiunge riscaldandola a temperature superiori ai 150 milioni di °C. L’avvicinamento di coppie di atomi del plasma fino a raggiungere la loro fusione è possibile per mezzo di una spinta impressa da un campo magnetico di enorme intensità. Raggiunta la fusione delle particelle atomiche in un unico nucleo, lo stesso assume una massa inferiore alla somma delle particelle stesse con il conseguente sprigionamento di grandissime quantità di energia. Dopo l’innesco, il sistema magnetico continua la sua opera con il confinamento del plasma in una porzione di spazio che consente di sfruttare il calore limitando le sollecitazioni alle pareti della camera di contenimento.
La Spezia, affacciata sul mar Ligure al confine tra Liguria e Toscana, è sede di ASG Superconductors, una tra le aziende italiane alle quali è stata affidata la realizzazione di alcuni dei componenti principali di ITER. ASG produce, nelle sue sedi di Genova e La Spezia, magneti di ogni dimensione, superconduttivi e tradizionali, utilizzati per la costruzione di macchine per risonanza magnetica innovative e per il bombardamento controllato di cellule tumorali (progetti IBA e CNAO), per la fisica sperimentale delle alte energie – ha fornito parte dei magneti che costituiscono il Large Hadron Collider (LHC), il grande acceleratore di particelle del CERN di Ginevra – e per la fusione nucleare.
Alberto Barutti e Bruno Caserza sono rispettivamente i responsabili del controllo qualità di ASG e dello stabilimento di La Spezia.
“La realizzazione di un magnete toroidale come quello richiesto per ITER – illustra Barutti – richiede l’applicazione di tecnologie estremamente avanzate e complesse. Le dimensioni delle bobine sono notevoli e il campo magnetico richiesto è così grande che per produrlo nel rispetto dell’efficienza globale del sistema è necessario utilizzare materiali superconduttori, che sono una delle nostre specialità. Abbiamo quindi realizzato qui a La Spezia uno stabilimento unicamente dedicato alla costruzione degli avvolgimenti che costituiranno il magnete di confinamento del reattore. Nello stabilimento si svolgono tutte le fasi della costruzione e del collaudo dei giganteschi componenti e ciascuna delle operazioni è verificata da controlli qualitativi e dimensionali rigorosissimi. Ciascuno dei componenti prodotti è un pezzo unico nel suo genere e sarà in grado di dimostrare il proprio effettivo funzionamento e le performances raggiungibili solo quando il reattore sarà completamente assemblato e messo in funzione. Non possiamo quindi permetterci alcun errore, tutto deve essere perfettamente conforme alle specifiche teoriche, pena il fallimento di un esperimento unico nel suo genere per importanza e per costi affrontati”.
Tra le varie componenti del magnete vi sono 18 avvolgimenti principali a forma di “D” (Winding Pack) lunghi circa 13 metri e larghi più di 8. Ciascun avvolgimento è costituito a sua volta da 7 doppi avvolgimenti denominati “doppi pancake” che uniti tra di loro in un unico sandwich costituiscono il Winding Pack. Il cavo con il quale sono realizzati gli avvolgimenti è una struttura costituita da una spirale cava centrale in inox nel quale fluirà l’elio liquido di raffreddamento (ad una temperatura prossima allo zero assoluto per consentire la superconduttività), una matrice concentrica di conduttori in rame di supporto nei quali sono annegati i filamenti in materiale superconduttivo e infine un rivestimento metallico esterno di contenimento. Il cavo ha un diametro esterno di circa 40 mm ed è fornito in enormi bobine da 750 m ciascuna.
“Dopo aver superato rigorosi test di accettazione che comprendono anche prove in vuoto, la prima operazione – riprende Barutti – consiste nello svolgere il cavo dalla bobina di trasporto, raddrizzarlo, lavarlo e sabbiare la superficie del rivestimento esterno con un apposito impianto. L’ultimo stadio del sistema di formatura, il più importante e complesso, esegue le curvature del cavo in modo da realizzare in aria, senza l’ausilio di dime, le due spire superiore ed inferiore di ciascun avvolgimento che assumono così la loro forma finale. In questa fase il materiale non ha ancora caratteristiche di superconduttività e può essere manipolato, piegato e formato a piacimento. Poiché la forma delle bobine cambierà a seguito della successiva cottura, necessaria ad ottenere la superconduttività del cavo, è fondamentale già in questa fase il controllo rigoroso di forma e sviluppo: dobbiamo ottenere l’esatta forma di partenza che solo a seguito della deformazione introdotta con la cottura diventerà quella voluta. E con tolleranze davvero impegnative da raggiungere, per particolari non lavorati di macchina. E’ in questa fase del processo che utilizziamo un laser tracker Leica Absolute Tracker AT901 equipaggiato con uno scanner laser LeicaT-Scan. Le ventidue spire del doppio avvolgimento devono rispettare tolleranze dell’ordine di pochi decimi di millimetro sull’errore di forma tridimensionale e la lunghezza complessiva della spira ha tolleranze di poche parti per milione sull’intero sviluppo, che è tra l’altro la grandezza più complessa da misurare.”
“Grazie ad apposite procedure sviluppate in collaborazione con i tecnici di Hexagon Metrology durante l’installazione dell’impianto – descrive Caserza – rileviamo con lo scanner laser la geometria di ciascuna spira al termine della piegatura e, prima di procedere con la successiva spira, ne analizziamo lo sviluppo e la forma in modo da effettuare eventuali compensazioni sulla successiva ed arrivare, ad avvolgimento completo, ad una forma e sviluppo corretti. Eseguiamo poi un controllo complessivo dell’avvolgimento ottenuto per verificarne la forma.”
Terminata la fase di piegatura il doppio avvolgimento è pronto per essere trattato termicamente. Un ciclo di “cottura” della durata di 28 giorni, in varie fasi e a varie temperature in un apposito forno ad atmosfera controllata, conferisce al materiale le caratteristiche di superconduttività. Da questo momento in poi, in tutte le successive fasi della lavorazione il grande avvolgimento sarà manipolato con estrema cura in quanto il materiale superconduttore, a seguito della sua cristallizzazione, è diventato estremamente fragile. Eventuali sollecitazioni meccaniche potrebbero quindi causare rotture, che ne comprometterebbero le prestazioni.
Ancora Caserza: “Il trattamento termico è stato studiato in modo da tenere sotto controllo le deformazioni degli avvolgimenti, ma è comunque necessario verificare la forma reale di ciascun avvolgimento trattato prima di passare alla lavorazione successiva. Dobbiamo inoltre effettuare delle registrazioni molto precise ai supporti che tengono in forma gli avvolgimenti per prepararli alle successive fasi dell’assemblaggio. Per questa operazione utilizziamo un secondo Leica Absolute Tracker AT901 con un sensore tattile Leica T-Probe. Una procedura di verifica guidata permette agli operatori di effettuare le necessarie correzioni alle posizioni relative delle spire sulla base delle deviazioni rilevate, con un’accuratezza di pochi centesimi di millimetro.”
Le fasi successive dell’assemblaggio prevedono l’inserimento degli avvolgimenti in un apposito alloggiamento, l’isolamento elettrico e la sigillatura delle sedi delle spire con appositi coperchi che saranno saldati con un sistema robotizzato. Un terzo Leica Absolute Tracker AT901 è utilizzato per le operazioni di taratura dell’attrezzaggio che sosterrà i singoli pancake all’interno della stazione di saldatura. Una volta saldati i coperchi, e dopo accurati controlli dimensionali, in vuoto ed elettrici, ciascun pancake è accuratamente “fasciato” con un rivestimento isolante e sarà successivamente riempito con una apposita resina mediante un processo di impregnamento in vuoto. Ultima operazione prima della consegna sarà lo “stacking” dei sette componenti ed il conseguente isolamento finale dell’assieme. Dopo una seconda impregnazione e i test finali finalmente il gigantesco avvolgimento a forma di “D” sarà pronto per partire verso la sua destinazione finale.
“Il nostro processo – riprende Barutti – è strettamente dipendente in ogni sua fase dai controlli dimensionali e di forma che eseguiamo con gli strumenti e le procedure forniti da Hexagon Metrology e messe a punto in stretta collaborazione con i suoi tecnici. Gli strumenti di misura di Leica Geosystems ci avevano permesso, anni fa, di affinare e certificare il processo di realizzazione di grandi magneti per l’LHC, il noto acceleratore di particelle del CERN di Ginevra, la più grande macchina mai costruita dall’uomo, che sta adesso operando per lo studio del bosone di Higgs, e quando abbiamo acquisito la commessa per il progetto ITER non abbiamo avuto dubbi su come avremmo affrontato le problematiche di analisi, verifica e correzione del ciclo di produzione. Inoltre, la tecnologia dei sistemi di misura si è significativamente evoluta negli ultimi anni e questo ci ha permesso di mettere a punto procedure di collaudo più rapide e precise rispetto al passato e di ottimizzare così l’intero processo.”
Alberto Barutti ci congeda con un ultimo commento sulle attività svolte con Hexagon Metrology: “In sede di analisi preliminare e di progettazione degli impianti abbiamo valutato con attenzione varie possibilità per il controllo dimensionale dei nostri componenti. Le positive esperienze precedenti ci hanno indirizzato verso le soluzioni proposte da Hexagon Metrology, e soprattutto abbiamo avuto modo di sperimentare uno stretto rapporto di collaborazione con i loro tecnici. La fornitura da parte di Hexagon Metrology non si è limitata al solo hardware e software, ma ha compreso lo sviluppo di programmi e procedure dedicate alla nostra specifica applicazione che ha caratteristiche uniche, e che ha quindi richiesto una profonda sinergia di competenze per raggiungere l’obiettivo finale. Voglio ricordare che è proprio grazie a questa disponibilità che stiamo realizzando per primi un’attrezzatura che porterà la tecnologia del laser tracker persino in un ambiente “tradizionalista” come quello delle misure magnetiche. Grazie a queste nuove tecnologie il rilascio finale delle bobine prodotte beneficerà di una grande riduzione dei tempi di lavorazione, di una semplificazione notevole dell’attività e di un valore aggiunto sulla qualità dei dati che si otterranno”.
Siti di riferimento
ASG Superconductors: http://www.as-g.it/
Progetto ITER: https://www.iter.org/
L’assemblaggio del reattore (Tokemak): http://www.iter.org/video/159
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