Przyszłość Energii

ASG Superconductors - Italy

Miniaturowe słońce na ziemi produkujące energię na wielką skalę. Czysta, bezpieczna, kontrolowana energia gwarantująca zaspokojenie ekspansywnego i zdecydowanego wzrostu zapotrzebowania na energię na naszej planecie. Reakcja jądrowa przeprowadzana za pomocą surowca, który jest powszechny, niedrogi i łatwo dostępny - wodoru pozyskiwanego z wody morskiej. Niemal całkowity brak ryzyka związanego z kontrolowaniem reakcji, jak również niewielka produkcja odpadów szkodliwych dla środowiska oraz życia ludzi i zwierząt.

To wszystko i jeszcze wiele innych czynników składa się na syntezę termojądrową wytwarzającą energię - zjawiska fizycznego, które zachodzi w jądrze słońca. Proces ten był badany przez wielu naukowców i odtwarzany na małą skalę w latach 30. XX wieku. Obecnie, dzięki postępom w dziedzinie technologii i fizyki, stał się rzeczywistością. Faktyczna możliwość przeprowadzenia procesu zostanie fizycznie i naukowo zademonstrowana w nadchodzących latach dzięki realizacji ogromnego projektu badawczego finansowanego przez Unię Europejską, Chiny, Indie, Koreę Południową, Rosję oraz Stany Zjednoczone Ameryki, w ramach którego na południu Francji w miejscowości Cadarache powstanie ogromny eksperymentalny reaktor termojądrowy. ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) - tak nazywany jest zarówno projekt, jak i reaktor - zostanie zakończony i uruchomiony w 2020 roku. ITER ma udowodnić, że przez co najmniej 30 minut wytworzy 10 razy więcej energii niż jej zużyje: 500 MW to moc wyjściowa, podczas gdy 50 MW wynosi aktualne zużycie mocy. Jeśli eksperyment się powiedzie, następnym krokiem będzie realizacja drugiego projektu - budowy demonstracyjnej elektrowni DEMO. Prace nad tym projektem już trwają. Zgodnie z oczekiwaniami projekt DEMO w ciągu najbliższych 15-20 lat doprowadzi do utworzenia pierwszego rzeczywistego zakładu przemysłowego wytwarzającego energię w wyniku kontrolowanej fuzji jądrowej.

Jednym z wielu rozwiązań umożliwiających przeprowadzenie fuzji jądrowej jest pułapka magnetyczna (magnetyczne uwięzienie plazmy). Jądro fuzji stanowi plazma - rozgrzany zjonizowany gaz - stan, gdy temperatura w reaktorze ITER przekracza 150 mln °C. Ruch par atomów plazmy, gdy łączą się doprowadzając do fuzji, możliwy jest dzięki silnemu oddziaływaniu pola magnetycznego. Gdy dochodzi do fuzji cząsteczek atomu w pojedynczym jądrze, ten ostatni przyjmuje masę mniejszą niż suma oryginalnych cząsteczek, doprowadzając do emisji ogromnych ilości energii. Po reakcji pole magnetyczne nadal działa, zamykając plazmę ściśniętą w małej objętości co pozwala na wykorzystanie wytworzonej w ten sposób energii cieplnej i ograniczenie sił działających na ściany pułapki magnetycznej.

W miejscowości La Spezia, znajdującej się nad Morzem Liguryjskim między Ligurią a Toskanią, znajduje się główna siedziba ASG Superconductors - jednej z włoskich firm zajmujących się produkcją głównych komponentów reaktora ITER. W swoich fabrykach w Genui i La Spezia firma ASG produkuje magnesy we wszystkich wielkościach - magnesy nadprzewodzące oraz tradycyjne, wykorzystywane do tworzenia innowacyjnych aparatów rezonansu magnetycznego, a także urządzeń służących do kontrolowanego bombardowania komórek rakowych i eksperymentalnej fizyki cząstek elementarnych. Firma ASG dostarczyła część magnesów tworzących Wielki ZderzaczHadronów (LHC - Large Hadron Collider), czyli akcelerator cząstek (hadronów), znajdujący się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy, oraz umożliwiających przeprowadzenie fuzji termojądrowej.

Alberto Barutti oraz Bruno Caserza piastują odpowiednio stanowisko Dyrektora ds. Jakości ASG oraz Głównego Dyrektora w zakładach mających swoją siedzibę w miejscowości La Spezia. Reaktor podczas

“Produkcja magnesu toroidalnego, takiego jak w przypadku projektu ITER, wymaga zastosowania wyjątkowo zaawansowanych i złożonych technologii” - wyjaśnia Alberto Barutti. “Rozmiary są ogromne, a wymagane pole magnetyczne tak duże, iż do jego wytworzenia, zgodnie z ogólną wydajnością systemu, należy stosować materiały „nadprzewodzące”, które stanowią jedną z dziedzin naszej specjalizacji. Dlatego tu, w La Spezia, otworzyliśmy zakład, który koncentruje się jedynie na konstrukcji cewek wchodzących w skład pułapki magnetycznej reaktora. Wszystkie etapy produkcji i kontroli komponentów o gigantycznych rozmiarach mają miejsce właśnie w tych zakładach, a każda indywidualna czynność podlega dokładnej kontroli pod kątem jakości i wymiarów. Każdy wyprodukowany element jest unikatowy, a jego faktyczne działanie zostanie sprawdzone dopiero wtedy, gdy montaż reaktora zostanie zakończony, a on sam uruchomiony. Właśnie dlatego nie możemy pozwolić sobie na żaden błąd. Wszytko musi idealnie zgadzać się z teoretycznymi specyfikacjami, aby uniknąć porażki tego ważnego projektu i ponoszenia niepotrzebnych kosztów” - dodaje Barutti.

Komponenty magnezu m.in. obejmują 18 głównych uzwojeń (Winding Pack) w kształcie litery D, mających około 13 metrów długości i przeszło 8 metrów szerokości. Każde uzwojenie formowane jest kolejno z 7 podwójnych uzwojeń (obwodów), zwanych “podwójnymi naleśnikami”, które “ściśnięte” razem tworzą “System Uzwojeń” (Winding Pack). Cewki tworzy przewodnik stanowiący system składający się z centralnego kanału (przepustu), którym przepływa ciekły hel (w temperaturze zbliżonej do temperatury zera bezwzględnego, aby umożliwić “nadprzewodnictwo”), koncentrycznej matrycy przewodników miedzianych, w których umieszczone są włókna „nadprzewodzące” i - na koniec - metalicznej powłoki “pułapki”. Przewodnik ma średnicę zewnętrzną wielkości ok. 40 mm i jest dostarczany w ogromnych cewkach - każda z nich ma 750 m.

“Po pozytywnym zaliczeniu rygorystycznych testów akceptacyjnych, w tym testów przeprowadzanych w komorze próżniowej, pierwsza czynność polega na wypakowaniu przewodnika z cewki transportowej, a następnie jego rozprostowaniu i umyciu oraz zeszlifowaniu powierzchni zewnętrznej powłoki za pomocą specjalnego urządzenia” - dodaje Barutti. “Ostatni etap formowania - a jest to czynność najważniejsza i jednocześnie najbardziej złożona - polega na zgięciu przewodnika w taki sposób, aby stworzyć dwa zwoje każdej cewki, górnej i dolnej, w powietrzu bez korzystania z uchwytów. W tej fazie materiał nie jest jeszcze nadprzewodzący i może być dowolnie obrabiany, zginany oraz formowany. Gdy tylko cewki zmienią swój kształt po obróbce cieplnej, która jest wymagana, aby osiągnąć “nadprzewodnictwo”, bardzo ważny krok stanowi rygorystyczna kontrola kształtu i całej długości. Musimy uzyskać dokładny oryginalny kształt, który jedynie po deformacji (przekształceniu) wskutek obróbki cieplnej może otrzymać zamierzoną, docelową formę. A wszystko to z zachowaniem ścisłych tolerancji szczegółów, które nie zostały poddane obróbce. W tej fazie wykorzystujemy tracker Leica Absolute Tracker AT901 ze skanerem laserowym Leica T-Scan. 22-zwojowe podwójne obwody muszą zachować tolerancje wielkości kilku dziesiętnych milimetra błędu kształtu 3D, a całkowita długość zwoju tolerancje rzędu kilku cząsteczek na milion na całej długości, co stanowi najbardziej złożoną wielkość, która musi zostać zmierzona” - tłumaczy Barutti.

“Dzięki specjalnym procedurom opracowanym wspólnie ze specjalistami Hexagon Manufacturing Intelligence podczas montażu urządzenia, za pomocą skanera laserowego wykrywamy geometrię każdego zwoju w fazie zginania. Przed rozpoczęciem kolejnego etapu sprawdzamy pełną długość i kształt, aby móc przeprowadzić kompensację, która może okazać się konieczna w kolejnej fazie, a tym samym uzyskać właściwy kształt i długość” - mówi Bruno Caserza. “Następnie przeprowadzamy pełną kontrolę kształtu otrzymanego uzwojenia” - dodaje Caserza.

Po zakończeniu fazy zginania, podwójne uzwojenie jest gotowe do obróbki cieplnej. Po 28-dniowym cyklu obróbki cieplnej, który dzieli się na kilka etapów i przeprowadzany jest w różnych temperaturach w specjalnym piecu z kontrolowaną atmosferą, materiał osiągnie “nadprzewodnictwo”. Odtąd, podczas realizacji wszystkich kolejnych faz procesu, duże uzwojenie musi być traktowane bardzo ostrożnie. Materiał nadprzewodzący po krystalizacji staje się wyjątkowo delikatny, a każde obciążenie mechaniczne może spowodować jego pęknięcie, a tym samym pogorszenie efektywności.

“Obróbka cieplna została w taki sposób opracowana, aby móc kontrolować deformację uzwojenia. Jednak nadal konieczna jest kontrola rzeczywistego kształtu każdego uzwojenia przed rozpoczęciem kolejnej fazy procesu” - tłumaczy Caserza. “Musimy również przeprowadzić bardzo precyzyjną regulację mocowań, które utrzymują kształt uzwojeń, by przygotować je do kolejnych etapów montażu. Do tego celu wykorzystujemy drugi tracker - Leica Absolute Tracker AT901 z sondą stykową Leica T-Probe. Kierowane czynności pomiarowe umożliwiają operatorom wprowadzenie niezbędnych korekt do względnego położenia zwojów w oparciu o odchyłki wykryte z dokładnością co do kilku setnych milimetra” - wyjaśnia Caserza.

Kolejne etapy montażu polegają na dopasowaniu uzwojeń do specjalnej obudowy oraz izolacji i uszczelnieniu samej obudowy specjalnymi pokrywami przyspawanymi za pomocą automatycznego systemu. Trzeci tracker laserowy Leica Absolute Tracker AT90 wykorzystywany jest do kalibracji przyrządów montażowych, aby wspomagać poszczególne “naleśniki uzwojeń” wewnątrz stanowiska spawalniczego. Po przyspawaniu pokryw i przeprowadzeniu dokładnej kontroli wymiarowej w komorze próżniowej oraz kontroli elektrycznej, każdy “naleśnik” jest bardzo ostrożnie zawijany w powłokę izolacyjną. Następnie - w procesie impregnacji próżniowej - zostaje wypełniony żywicą. Ostatni krok, tuż przed dostawą, polega na ułożeniu jeden na drugim siedmiu komponentów oraz końcowej izolacji montażu. Po zakończeniu drugiej impregnacji i końcowych testach ogromne uzwojenie posiadające kształt litery D jest gotowe na transport do miejsca przeznaczenia.

“Nasz proces, w każdej fazie realizacji, w znacznej mierze zależy od kontroli kształtu i wymiarów, którą przeprowadzamy z wykorzystaniem procedur i urządzeń Hexagon, a także w ścisłej współpracy ze specjalistami tej firmy. Kilka lat temu urządzenia pomiarowe Leica Geosystem pozwoliły nam udoskonalić i przeprowadzić certyfikację procesu produkcji wielkogabarytowych magnesów dla Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) – znanego powszechnie jako akcelerator cząstek (hadronów) znajdujący się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy - największej maszyny, jaka kiedykolwiek została stworzona przez człowieka, która obecnie bada bozon Higgsa. Dlatego, gdy zlecono nam realizację projektu ITER, nie mieliśmy żadnych wątpliwości w jaki sposób powinniśmy rozwiązać kwestię analizy, kontroli oraz korekt cyklu produkcji. Oprócz tego technologia systemów pomiarowych w ostatnich latach znacznie ewoluowała, dzięki czemu mogliśmy opracować procedury, które są szybsze i dokładniejsze niż dotychczas, a tym samym zoptymalizować cały proces” - dodaje Barutti

Alberto Barutti dzieli się z nami swoim ostatnim spostrzeżeniem odnośnie współpracy z firmą Hexagon: “W fazie analiz wstępnych i projektowania urządzeń bardzo wnikliwie ocenialiśmy różnorodne opcje kontroli wymiarowej naszych komponentów. Pozytywne doświadczenie z przeszłości sprawiło, że skłoniliśmy się ku rozwiązaniom oferowanym przez Hexagon. Dzięki temu mieliśmy również okazję blisko współpracować ze specjalistami tej firmy. Hexagon nie tylko dostarczył nam sprzęt i oprogramowanie, ale również opracował procedury i programy z myślą o naszych specjalistycznych i unikatowych zastosowaniach wymagających głębszej fachowej synergii, by móc osiągnąć zamierzony cel. Chciałbym zaznaczyć, że dzięki pomocy tej firmy jako pierwsi tworzymy urządzenie, wykorzystujące technologię trackera laserowego również w środowisku starego typu, do którego zaliczają się pomiary magnetyczne. Dzięki tym nowym technologiom finalna produkcja cewek wymaga znacznie mniejszego nakładu czasu, a czynności w ogromnym stopniu zostały uproszczone. Również jakość danych stanowi wartość dodaną.

Studium Przypadku: ASG Superconductors

Kontakt

Hexagon Manufacturing Intelligence
ul. Ciepłownicza 23
Kraków
31-574
Polska

T: +48 12 647 08 27
F: +48 12 311 01 43

Sprzedaż Obsługa Klienta

HxGN LIVE

HxGN LIVE - coroczna międzynarodowa konferencja organizowana przez grupę Hexagon - to szansa, aby wziąć udział w inspirujących prezentacjach, nawiązać nieograniczone...