Energian tulevaisuus

ASG Superconductors - Italia

Maan pinnalla pienoiskokoinen aurinko, joka kykenee tuottamaan käsittämättömän määrän energiaa. Puhdasta, turvallista ja hallittavissa olevaa energiaa, joka on välttämätöntä takaamaan energiavarat energiatarpeen kasvaessa planeetallamme eksponentiaalisesti. Ydinreaktio, jonka raaka-aine on hyvin tavallinen, edullinen ja helposti saatavissa: meriveden vety. Reaktion hallinnan lähes täydellinen riskittömyys sekä prosessista syntyvä hyvin vähäinen määrä ympäristölle, ihmisille ja eläimille haitallista jätettä.

Kaikki tämä ja paljon muuta on osa energian tuotantoa ydinfuusion avulla, fyysinen ilmiö, josta aurinko saa energiansa. Tämä energiantuotannon muoto on ollut vuosikymmenten ajan tutkijoiden tarkastelun alla, ja sitä kokeiltiin hyvin pienessä mittakaavassa 1930-luvulla. Nyt, fysiikan ja teknologioiden kehityksen myötä, siitä on tulossa todellisuutta. Toteutuskelpoisuus tullaan todistamaan teknisesti ja tieteellisesti seuraavien vuosien aikana. Tämän tulee mahdollistamaan suuri EU:n, Kiinan, Intian, Japanin, Korean, Venäjän ja Yhdysvaltojen rahoittama tutkimusprojekti, jonka tuloksena Etelä-Ranskan Cadaracheen rakennetaan valtava koereaktori. ITER:iksi nimetty projekti ja reaktori valmistuu ja käynnistyy vuonna 2020. Sen tavoitteena on tuottaa vähintään 30 minuutin ajan kymmenen kertaa enemmän energiaa kuin, mitä järjestelmään syötetään: 50 MW järjestelmään syötettyä energiaa tuottaa 500 MW energiaa. Kokeen ennakoitavissa oleva onnistuminen tulee toimimaan sysäyksenä toisen, jo käynnissä olevan ja DEMO:ksi nimetyn projektin jatkumiselle. Seuraavien 15–20 vuoden aikana DEMO:n odotetaan johtavan ensimmäisen oikean sähköä ydinfuusion avulla tuottavan teollisuuslaitoksen toteuttamiseen.
Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  12
Lukuisista mahdollisista ratkaisuista toteuttaa ydinfuusiojärjestelmä ITER-projektin perustaksi valittiin reaktion magneettinen koossapito. Fuusion ydin on plasma, aineen olomuoto, joka ITER-reaktorissa tuotetaan kuumentamalla yli 150 miljoonan celsiusasteen lämpötilassa. Plasma-atomiparien liikkeet yhdistymisestä fuusioon saakka mahdollistetaan massiivisella magneettikentän aikaansaamalla voimalla. Kevyet atomiytimet sulautuvat yhteen, ja reaktiossa vapautuu valtavat määrät energiaa. Reaktion jälkeen magneettinen järjestelmä jatkaa toimintaansa ja pakkaa plasman tilaan, joka mahdollistaa tämän lämpöenergian hyödyntämisen ja rajoittaa suljetun tilan seiniin vaikuttavia voimia.
 
La Speziassa, Ligurian meren rannalla Ligurian ja Toscanan välissä, sijaitsee ASG Superconductors -yrityksen päätoimipaikka. Yritys on yksi italialaisista yrityksistä, jotka vastaavat eräiden ITER:in tärkeimpien osien valmistamisesta.  Genovan ja La Spezian laitoksissaan ASG valmistaa kaikenkokoisia magneetteja – suprajohtavia ja perinteisiä magneetteja, joita käytetään innovatiivisten magneettiresonanssikoneiden ja syöpäsolujen kohdennettuun pommittamiseen suunniteltujen koneiden valmistamiseen kokeellisen suurenergiafysiikan tarpeisiin. Se on toimittanut osan Large Hadron Collider (LHC) -hiukkaskiihdyttimen muodostavista magneeteista, CERN:in hiukkaskiihdyttimen Genevessä, sekä magneetteja ydinfuusiota varten.
Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  11
“Toroidaalisten magneettien, kuten ITER-projektia varten tehdyn, valmistaminen vaatii äärimmäisen kehittyneiden ja monimutkaisten teknologioiden soveltamista.” selittää Barutti.  Kelat ovat niin valtavia ja vaadittava magneettikenttä niin suuri, että sen tuottaminen järjestelmän kokonaistehokkuuden asettamien vaatimusten mukaisesti vaatii suprajohtavien materiaalien käyttöä. Ne ovat osa asiantuntemustamme.  Perustimmekin tänne La Speziaan laitoksen, joka keskittyy ainoastaan reaktorin koossapitävän magneetin muodostavien kelojen rakentamiseen.  Kaikki jättimäisten osien rakennus- ja tarkastusvaiheet sijoittuvat tähän laitokseen, ja jokainen yksittäinen toiminto käy läpi äärimmäisen tarkat laatu- ja mittatarkastukset. Jokainen valmistettu osa on ainutlaatuinen, ja osat tulevat osoittamaan suorituskykynsä ja toimivuutensa vasta, kun reaktori on täysin valmis ja otettu käyttöön. Siksi yhteenkään virheeseen ei ole varaa. Kaiken tulee vastata täydellisesti teoreettisia eritelmiä, jotta ainutlaatuisen tärkeän kokeen epäonnistumiselta ja tarpeettomilta lisäkustannuksilta vältytään.”
 
Magneetti koostuu lukuisista osista, kuten 18 D:n muotoisesta pääkäämistä (kääminipusta), jotka ovat noin 13 metriä pitkiä ja yli 8 metriä leveitä. Kukin käämi puolestaan muodostuu seitsemästä double-pancake-rakenteisesta kaksoiskäämistä, jotka kerrostettuna muodostavat kääminipun.  Johdin, josta kelat valmistetaan, koostuu kehyksestä, joka muodostuu keskuskanavasta, jossa jäähdytysnesteenä käytettävä helium virtaa (absoluuttista nollapistettä lähellä olevassa lämpötilassa, mikä mahdollistaa suprajohtavuuden), kuparijohtimista muodostuvasta konsentrisesta matriisista, johon suprajohtavat kuidut on sijoitettu, sekä metallisesta suojapinnoitteesta. Johtimen ulkohalkaisija on noin 40 mm ja se toimitetaan valtavissa 750 metrin keloissa.
“Tiukkojen hyväksyntätestien, mukaan lukien tyhjiökammiossa suoritettu testaus, jälkeen ensimmäisenä toimenpiteenä on johtimen kelaaminen auki kuljetuskelasta, suoristaminen ja peseminen, ja sen jälkeen ulkopinnoitteen hiekkapuhallus erikoisvälineillä.” Barutti sanoo ja jatkaa: “Muotoilun viimeisessä – ja samalla myös tärkeimmässä ja vaikeimmassa – vaiheessa johdinta taivutetaan ilman muotteja niin, että se muodostaa kunkin kelan kaksi kierrosta, ylemmän ja alemman. Tässä vaiheessa materiaali ei vielä ole suprajohtavaa ja sitä voidaan käsitellä, taivuttaa ja muotoilla rajattomasti. Koska kelojen muoto muuttuu seuraavan, suprajohtavuuden aikaansaamiseen vaadittavan lämpökäsittelyn jälkeen, muodon ja kokonaispituuden tarkat tarkastukset ovat välttämättömiä tässä vaiheessa. Meidän on saavutettava tarkka alkuperäinen muoto, josta vasta muodonmuutoksen jälkeen lämpökäsittelyn tuloksena saadaan toivottu muoto. Ja kaikki tämä noudattaen toleransseja, jotka ovat erittäin haastavia työstämättömien yksityiskohtien kohdalla. Tässä prosessin vaiheessa käytämme Leica Absolute Tracker AT901 -laserseurainta ja Leica T-Scan -laserskanneria. Kaksoiskäämin 22 kierroksen on täytettävä muutaman millimetrin kymmenesosan kokoluokkaa olevat toleranssit 3D-muotovirheen osalta, ja kierroksen kokonaispituuden toleranssi on muutaman miljoonasosan kokoluokkaa koko pituudella, mikä on myös kaikkein haastavin koko mitata.”Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  3

“Yhteistyössä Hexagon Manufacturing Intelligencen asiantuntijoiden kanssa laitteiston asennuksen yhteydessä kehitettyjen erityismenettelyjen ansiosta voimme mitata jokaisen kierroksen geometrian laserskannerilla taivuttamisen jälkeen ja ennen seuraavan kierroksen käsittelyn aloittamista, tarkastaa koko pituuden ja muodon ja tehdä seuraavaan kierrokseen mahdollisesti tarvittavat muutokset, jolloin tuloksena on oikea muoto ja pituus.” Caserza selvittää ja jatkaa: “Teemme sen jälkeen täyden tarkastuksen saadulle käämin muodolle.”

Kun taivutusvaihe on päättynyt, kaksoiskäämi on valmis lämpökäsittelyä varten. 28 päivää kestävä lämpökäsittely sisältää lukuisia erityisessä säädeltävän ilmakehän uunissa eri lämpötiloissa toteutettavia vaiheita, jotka tekevät materiaalista suprajohtavan. Tästä eteenpäin suuria käämejä on käsiteltävä erityisen varovaisesti kaikissa prosessin seuraavissa vaiheissa. Suprajohtava materiaali on äärimmäisen haurasta kiteytymisen jälkeen, ja kaikenlainen materiaaliin kohdistuva mekaaninen rasitus voi johtaa murtumiin ja siten heikentää materiaalin ominaisuuksia.

Cazerna jatkaa: “Lämpökäsittely on suunniteltu niin, että käämin muodonmuutos pysyy hallinnassa, mutta jokaisen käämin todellinen muoto on silti tarkastettava ennen prosessin seuraavaan vaiheeseen siirtymistä.  Meidän on myös tehtävä erittäin tarkkoja säätöjä käämin muodon säilyttäviin kiinnittimiin, jotta voimme valmistella ne seuraavia kokoonpanovaiheita varten. Käytämme tähän tehtävään toista Leica Absolute Tracker AT901 -laserseurainta ja Leica T-Probe -kosketusanturia. Ohjatun tarkastusmenettelyn avulla käyttäjät voivat tehdä vaadittavat korjaukset kierrosten suhteellisiin asentoihin muutaman millimetrin sadasosan tarkkuudella havaittujen poikkeamien perusteella.”

Seuraavat kokoonpanovaiheet sisältävät käämien asentamisen erityiseen koteloon sekä kotelon eristämisen ja tiivistämisen erityisillä suojuksilla, jotka robottijärjestelmä hitsaa kiinni. Yksittäisiä kerrosrakenteita hitsausasemalla tukevien kiinnittimien kalibrointiin käytetään kolmatta Leica Absolute Tracker AT901 -laserseurainta. Kun suojukset on hitsattu kiinni ja tarkat mittatarkastukset tyhjiökammiossa sekä sähkötarkastukset on tehty, kukin kerrosrakenne kääritään varovasti eristävään pinnoitteeseen. Tämän jälkeen se täytetään hartsilla tyhjiökyllästysprosessin avulla. Viimeisenä vaiheena ennen toimitusta on seitsemän komponentin pinoaminen ja kokoonpanon lopullinen eristys. Toisen impregroinnin ja lopullisten testien jälkeen valtava D:n muotoinen käämi on valmis toimitettavaksi lopulliseen kohteeseensa.

“Prosessimme jokainen vaihe on hyvin riippuvainen mitta- ja muototarkastuksista, jotka toteutamme Hexagonin toimittamilla laitteilla ja menetelmillä tiiviissä yhteistyössä heidän asiantuntijoidensa kanssa.” Barutti toteaa ja jatkaa: “Muutama vuosi sitten pystyimme Leica Geosystemsin mittauslaitteiston avulla parantamaan ja varmentamaan prosessia, jota käytimme suurikokoisten magneettien valmistamisessa Genevessä sijaitsevan CERN:in LHC-hiukkaskiihdytintä varten. LHC on suurin ihmisen koskaan valmistama kone, jota käytetään Higgsin bosonin tutkimiseen. Joten kun saimme ITER-projektin tilauksen, meille ei ollut epäselvää, miten tulemme käsittelemään tuotantojakson analyysiin, tarkastuksiin ja korjauksiin liittyvät ongelmat.  Tämän lisäksi mittausjärjestelmätekniikka on kehittynyt merkittävästi viime vuosien aikana, minkä ansiosta pystymme toteuttamaan entistä nopeampia ja tarkempia menettelyjä ja optimoimaan näin koko prosessin.”

Ennen lähtöään Alberto Barutti summaa vielä ajatuksensa yhteistyöstä Hexagonin kanssa: “Laitteiston alustavan analyysin ja suunnittelun hetkellä olemme arvioineet tarkkaan osiemme mittojen tarkastukseen käytettävissä olevat vaihtoehdot. Aiemmat positiiviset kokemuksemme saivat meidät päätymään Hexagonin tarjoamiin ratkaisuihin. Saimme myös tilaisuuden tehdä tiivistä yhteistyötä heidän asiantuntijoidensa kanssa. Hexagon ei ainoastaan toimittanut meille laitteistoa ja ohjelmistoa, vaan he myös kehittivät räätälöidyt ohjelmat ja menetelmät sovelluksiimme, jotka ainutlaatuisten ominaisuuksiensa vuoksi vaativat syvää asiantuntemuksen synergiaa lopullisten tavoitteiden saavuttamiseksi. Haluan korostaa, että heidän ansiostaan olemme ensimmäisinä toteuttamassa laitteistoa, joka vie laserseuraintekniikan jopa vanhanaikaiseen ympäristöön, kuten magneettisten mittausten ympäristöön. Näiden uusien tekniikoiden ansiosta valmistettujen kelojen lopullisessa luovutuksessa tullaan hyötymään dramaattisesti lyhentyneestä käsittelyajasta, toimintojen merkittävästä yksinkertaistumisesta sekä tietojen laadun tuomasta lisäarvosta.”
 

Case Study: ASG Superconductors

Yhteystiedot

Hexagon Metrology Oy 
Atomitie 5 b
00370 Helsinki 
Finland
 
Myynti: +35850 4634174
Huolto: +35840 5289072
Tilaukset ja tiedustelut: info.fi@hexagon.com

Myynti Asiakaspalvelu

HxGN LIVE

Joka vuosi järjestettävä Hexagonin kansainvälinen HxGN LIVE -konferenssi kutsuu mukaan asiantuntevilla puhujavieraillaan, rajattomilla verkottumismahdollisuuksillaan ja...