De toekomst van energie

ASG Superconductors - Italië

Een mini-zon op aarde die ongelofelijke hoeveelheden energie kan opwekken. Schone, veilige, controleerbare energie is essentieel om te kunnen blijven voldoen aan de exponentiële, overweldigende toename van de energiebehoefte. Het gaat hier om een nucleair reactieproces dat wordt gevoed door een grondstof die ruim voorradig, goedkoop en eenvoudig beschikbaar is: de waterstof uit zeewater. Er bestaat bijna geen risico bij het controleren van deze reactie. Bovendien is het afval dat hieruit afkomstig is nauwelijks schadelijk voor milieu, mens en dier.

Dit (en nog veel meer) vindt allemaal plaats bij de synthese van energie-opwekking door middel van kernfusie: het natuurkundige fenomeen waaraan de zon zijn energie ontleent. Deze manier van energie opwekken, die generaties lang is bestudeerd door wetenschappers en op zeer kleine schaal is toegepast in de jaren dertig van de vorige eeuw, wordt nu realiteit, dankzij de vooruitgang in de wetenschap en technologie. De haalbaarheid wordt de komende jaren technisch en wetenschappelijk gedemonstreerd, dankzij een omvangrijk onderzoeksproject, gefinancierd door de Europese Unie, China, India, Japan, Korea, Rusland en de Verenigde Staten, en dat moet resulteren in de gigantische experimentele reactor in Cadarache, Zuid-Frankrijk. Het zogenaamde ITER-project moet in 2020 gereed komen en worden opgestart. De reactor moet in staat zijn om minimaal 30 minuten lang een hoeveelheid energie op te wekken die tien keer hoger ligt dan de reactor verbruikt: een output van 500 MW ten opzichte van 50 MW verbruik. Als het experiment een succes blijkt te zijn, wordt ook een tweede project voortgezet, dat bekend staat als DEMO en waar al aan begonnen is. Naar verwachting wordt DEMO in de komende 15 tot 20 jaar de eerste industriële installatie waarin elektriciteit wordt opgewekt door middel van kernfusie.
Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  12
ITER is gebaseerd op het magnetisch in bedwang houden van de reactie, wat een van de mogelijke oplossingen is om een kernfusiesysteem op te zetten. Wat bij kernfusie centraal staat is plasma. Dit is een aggregatietoestand die in de ITER-reactor tot stand komt wanneer waterstof tot boven de 150 miljoen graden Celsius wordt verhit. De beweging van de paren plasma-atomen, vanaf het moment dat ze samen komen tot het moment waarop de fusie plaatsvindt, wordt mogelijk gemaakt door een zeer krachtige druk van een magnetisch veld. Wanneer de fusie van atoomdeeltjes tot één nucleus heeft plaatsgevonden, heeft deze minder massa dan de twee oorspronkelijke deeltjes samen, waardoor gigantische hoeveelheden energie worden uitgestoten. Nadat de reactie is voltooid, blijft het magnetische systeem in werking. Dit systeem zorgt ervoor dat het plasma in een ruimte wordt vastgehouden, waardoor de warmte-energie kan worden gebruikt. Daarnaast beperkt dit de uitgeoefende krachten op de wanden van de reactorkamer.
 
In La Spezia, dat uitkijkt over de Ligurische Zee en tussen Ligurië en Toscane ligt, bevindt zich het hoofdkantoor van ASG Superconductors: een van de Italiaanse bedrijven die verantwoordelijk is voor het produceren van enkele hoofdcomponenten van de ITER.  In zijn vestigingen in Genua en La Spezia produceert ASG magneten in allerlei verschillende maten, zowel supergeleidende als traditionele magneten, die worden gebruikt voor innovatieve machines met magnetische resonantie (en voor machines die gecontroleerd tumorcellen bestrijden) en voor de experimentele natuurkunde. Het bedrijf heeft een deel van de magneten geleverd voor de Large Hadron Collider (LHC), de deeltjesversneller van CERN in Genève, evenals voor kernfusie.
Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  11
 
Alberto Barutti en Bruno Caserza zijn, respectievelijk, kwaliteitsmanager van ASG en de algemeen manager van de vestiging in La Spezia.
"Voor het maken van ringvormige magneten zoals die voor ITER," legt Barutti uit, "zijn uiterst geavanceerde en complexe technologieën vereist.  De spoelen zijn gigantisch en het magnetisch veld dat is vereist, is zo groot dat er supergeleidend materiaal moet worden gebruikt – een van onze specialiteiten – om dit op te wekken conform de algehele efficiëntie van het systeem.  Daarom hebben we hier in La Spezia een fabriek gebouwd die zich uitsluitend richt op het produceren van de spoelen die dienst zullen doen als de magneten die de energie in de reactor in bedwang houden.  Alle stadia van de constructie en controle van de gigantische componenten vindt plaats in deze fabriek en elke fase is onderworpen aan uiterst strenge kwaliteits- en dimensionale controles. Elk component dat wordt ontwikkeld is uniek en de prestaties en werking ervan kunnen pas echt worden aangetoond wanneer de bouw van de reactor is voltooid en deze operationeel is. We kunnen het ons daarom niet veroorloven om fouten te maken. Alles moet perfect voldoen aan de theoretische specificaties om te voorkomen dat een uniek belangrijk en uiterst kostbaar experiment mislukt."Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  3

Tot de verschillende componenten van de magneet behoren onder andere 18 primaire D-vormige wikkelingen (wikkelingpakket), die ongeveer 13 meter lang en meer dan 8 meter breed zijn. Elke wikkeling wordt beurtelings gevormd uit 7 dubbele wikkelingen (ook wel bekend als 'dubbele pannenkoeken'), die worden samengevoegd tot het wikkelingpakket.  De spoelen zijn gemaakt van een geleider die wordt gevormd uit een centrale afvoer-/toevoerleiding waardoor de vloeibare helium zal stromen (op een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt om supergeleiding mogelijk te maken), een concentrische reeks koperen geleiders waarin de supergeleidende filamenten zijn geïntegreerd en, tot slot, een metalen mantelcoating. De geleider heeft een externe diameter van ongeveer 40 mm en wordt op gigantische spoelen van 750 m geleverd.

"Na het uitvoeren van strenge acceptatietesten, waaronder het testen in een vacuümkamer," vervolgt Barutti, "moet de geleider eerst van de transportspoel worden afgewikkeld, recht worden gebogen en gewassen. Vervolgens moet het oppervlak van de buitenste coating worden geschuurd met speciale apparatuur. In de laatste fase van het vormingssysteem, de belangrijkste en ingewikkeldste, wordt de geleider in de lucht gebogen tot de 2 windingen van elke spoel, de bovenste en onderste, , zonder gebruik van mallen. In dit stadium is het materiaal nog niet supergeleidend en kan het normaal worden vastgepakt, gebogen en gevormd. Omdat de spoelen van vorm veranderen als gevolg van de hittebehandeling die nodig is om supergeleiding van de kabels tot stand te brengen, is het cruciaal om de vorm en de gehele lengte nauwkeurig te controleren. We moeten exact de ontwerpvorm verkrijgen, hetgeen de beoogde vorm is na de vervorming als gevolg van de hittebehandeling. En dit allemaal met zeer strenge toleranties voor de vervaardigde onderdelen. Tijdens deze fase in het proces maken we gebruik van een Leica Absolute Tracker AT901 met een Leica T-Scan-laserscanner. De 22 windingen van de dubbele wikkeling moeten aan toleranties voldoen van enkele tienden van millimeters van de 3D-vormfout en de totale lengte van de wikkeling voldoet aan toleranties van enkele ppm over de gehele lengte, hetgeen tevens de meest ingewikkelde vorm is om te meten."

"Dankzij de speciale procedures, die zijn opgesteld in samenwerking met technici van Hexagon Manufacturing Intelligence ten tijde van de apparatuurinstallatie," legt Caserza uit, "kunnen we de geometrie van elke winding meten met de laserscanner na het buigen en voordat we doorgaan naar de volgende. We controleren de volledige lengte en vorm om bij de volgende winding te kunnen compenseren. Hierdoor kunnen we de juiste vorm en lengte bereiken. Uiteindelijk voeren we dan nog een volledige controle uit van de vorm van de verkregen wikkeling."Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  8

Zodra de fase van het buigen is voltooid, is de dubbele wikkeling gereed voor de hittebehandeling. Door middel van een 28-daagse hittebehandelingscyclus, die bestaat uit verschillende fasen en temperaturen in een speciale oven met atmosfeerregeling, krijgt het materiaal zijn supergeleidende kenmerken. Vanaf dat moment moet de wikkeling in alle vervolgfasen nog zorgvuldiger worden gehanteerd. Na kristallisering wordt het materiaal uiterst kwetsbaar en de geringste mechanische kracht die erop wordt uitgeoefend, kan breuken veroorzaken en de prestaties verminderen.

Caserza verklaart: "De hittebehandeling is ontwikkeld om de vervorming van de wikkelingen onder controle te houden, maar het blijft cruciaal om de daadwerkelijke vorm van elke wikkeling te controleren voordat we doorgaan naar de volgende stap in het proces.  We moeten de armatuur die ervoor zorgt dat de vorm van de wikkels behouden blijft ook zeer nauwkeurig aanpassen om deze voor te bereiden op de daarop volgende montagefasen. Voor deze taak gebruiken we een tweede Leica Absolute Tracker AT901 in combinatie met een Leica T-Probe-aanraaksensor. Via een begeleide controle kunnen de operators de noodzakelijke aanpassingen doorvoeren aan de relatieve posities van de windingen op basis van de vastgestelde afwijkingen, met een nauwkeurigheid van enkele honderdsten van millimeters."

Tijdens de daarop volgende montagefasen worden de wikkelingen in een speciale behuizing geplaatst, die wordt geïsoleerd en afgedicht met speciale afdichtingen die door een robotsysteem worden gelast. Een derde Leica Absolute Tracker AT901-lasertracker wordt gebruikt voor de kalibratie van de armatuur, om de individuele pannenkoeken in het lasstation te ondersteunen. Na lassen van de afdekkingen en na nauwkeurige dimensionale controles in een vacuümkamer en elektriciteitscontroles wordt elke pannenkoek zorgvuldig ingepakt in een isolatiecoating. Vervolgens wordt deze opgevuld met hars middels een vacuüm-impregneerproces. Tijdens de laatste stap vóór levering worden de zeven componenten opgestapeld en wordt de uiteindelijke isolatie van het geheel aangebracht. Na de tweede impregnatie en de eindtesten, kan de gigantische D-vormige wikkeling uiteindelijk naar zijn eindbestemming worden getransporteerd.

"Ons proces," vervolgt Barutti, "is in elke fase sterk afhankelijk van de dimensionale en vormcontroles die we uitvoeren met de apparatuur en volgens de procedures van Hexagon, die we in nauw samenwerkingsverband met hun technici hebben opgesteld. Enkele jaren geleden heeft de meetapparatuur van Leica Geosystems ons in staat gesteld om het proces voor de productie van grote magneten te verbeteren en te controleren. Deze werden gebruikt voor de beroemde deeltjesversneller (en de grootste machine die ooit door de mens is gemaakt) van CERN in Genève, waar nu onderzoek wordt gedaan naar het Higgs Boson-deeltje. Toen we dus de opdracht kregen voor het ITER-project, twijfelden we geen seconde hoe we de problemen van analyse, inspectie en correcties binnen de productiecyclus moesten aanpakken.  Daarnaast is de technologie van meetsystemen aanzienlijk vooruitgegaan in de afgelopen jaren, waardoor we snellere en nauwkeurigere procedures konden opstellen dan in het verleden, waardoor we uiteindelijk het gehele proces konden optimaliseren."

Alberto Barutti neemt afscheid met een laatste opmerking over de activiteiten die door Hexagon zijn uitgevoerd: "Op het moment van de voorbereidende analyse en het ontwerpen van de apparatuur, hebben we verschillende opties overwogen voor de controle van onze componenten. Onze positieve ervaringen in het verleden hebben ons in de richting van de Hexagon-oplossingen geleid. Hierdoor werd ons ook de mogelijkheid geboden om nauw samen te werken met hun technici. Hexagon heeft ons niet alleen van hardware en software voorzien, maar heeft ook programma's en procedures ontwikkeld die toegespitst waren op onze applicatie, die unieke kenmerken heeft en daarom een grondige, deskundige samenwerking vereiste om het einddoel te bereiken. Dankzij hun lasertracker-technologie kunnen we apparatuur ontwikkelen die zijn tijd ver vooruit is, zelfs voor conventionele toepassingen, zoals het meten aan magneten. Dankzij deze nieuwe technologieën kunnende spoelen uiteindelijk dramatisch sneller worden geproduceerd, zijn de processen veel eenvoudiger en wordt de datakwaliteit veel beter.

Contact opnemen

Hexagon Manufacturing Intelligence
Precision Center Benelux
Van Elderenlaan 1 
5581 WJ Waalre 
Nederland

Telefoon: +31 40 222 2210
Fax: +31 40 222 1715

Verkoop Klantenservice

HxGN LIVE

Hexagons jaarlijkse internationale conferentie HxGN LIVE biedt inspirerende concepten, boeiende technologieën en onbeperkt netwerken.