El Futuro De La Energía

ASG Superconductors - Italy

Un sol miniatura en la tierra, capaz de generar una cantidad impresionante de energía. Energía limpia, segura y bajo control, esencial para garantizar el abastecimiento para el crecimiento exponencial y sorprendente de los requerimientos de energía en nuestro planeta. Un proceso de reacción nuclear alimentado por una materia prima que es mu común, barata y fácilmente accesible: el hidrógeno del agua de mar. La casi completa ausencia de riesgos al controlar esta reacción, así como la producción insignificante de desechos peligrosos para el entorno y la vida humana y animal.

Todo esto y mucho más es la síntesis de la generación de energía a través de la fusión nuclear, el fenómeno físico que alimenta al sol. Observado por generaciones de estudiantes y reproducido en muy pequeña escala en la década de 1930, ahora se hace realidad gracias a los avances en física y tecnología. La viabilidad actual será demostrada técnica y científicamente en los próximos años gracias a un amplio proyecto de investigación financiado por la Unión Europea, China, India, Japón, Corea, Rusia y los EE.UU., que dará como resultado la construcción de un enorme reactor experimental en Cadarache, en el sur de Francia. ITER, nombre del proyecto y del reactor, será completado y comenzará a funcionar en el 2020. Tendrá que probar su capacidad de producir por lo menos durante 30 minutos una cantidad de energía diez veces mayor que la necesaria para alimentarlo: Una generación de 500 MW contra 50 MW del consumo actual. El éxito anticipado del experimento será la fuerza conductora para la continuación de un segundo proyecto, conocido como DEMO, el cual ya está en curso. Durante los siguientes 15 a 20 años, se espera que DEMO permita hacer realidad la primera planta industrial para la generación de electricidad a partir de la fusión nuclear.

Como una de las diversas soluciones posibles para lograr un sistema de fusión nuclear, ITER se basa en el confinamiento magnético de la reacción. El centro de la fusión es el plasma, un estado de la materia que en el reactor ITER se alcanza cuando se calienta a temperaturas mayores de 150 millones de °C. El movimiento de los pares de los átomos de plasma conforme se unen hasta su fusión se hace posible gracias a un empuje masivo de un campo magnético.

Cuando se logra la fusión de las partículas atómicas en un núcleo individual, éste adquiere una masa menor a la suma de las partículas originales, lo cual provoca una emisión de grandes cantidades de energía. Después de la reacción, el sistema magnético continúa funcionando, confinando al plasma en el espacio que permite el uso de esta energía calorífica y que limita las fuerzas que actúan sobre el muro de contención del contenedor.

En La Spezia, que domina el mar Ligurio, entre Liguria y la Toscana, se encuentran las oficinas centrales de ASG Superconductors, una de las empresas italianas encargadas de la fabricación de algunos de los principales componentes de ITER. En sus instalaciones en Genoa y en La Spezia, los fabricantes de imanes de todos tamaños en ASG– imanes superconductores y tradicionales, usados para fabricar innovadoras máquinas de resonancia magnética y máquinas para el bombardeo controlado de células tumorales, para la física experimental de alta energía. Ha suministrado piezas de los imanes que forman el Gran colisionador de hadrones (LHC), el acelerador de partículas en CERN, en Génova, así como para fusión nuclear.

Alberto Barutti y Bruno Caserza son el Director de calidad de ASG y el Director general de las instalaciones de La Spezia respectivamente.

“La construcción de un imán toroidal como el que se requiere en ITER,” explica Barutti, “requiere la aplicación de tecnologías extremadamente avanzadas y complejas. Las dimensiones de las bobinas son enormes y el campo magnético necesario es tan grande, que para generarlo según la eficiencia de todo el sistema, es necesario el uso de materiales superconductores, la cual es una de nuestras áreas de especialidad. Por lo tanto, es necesario establecer una planta aquí en La Spezia, dedicada exclusivamente a la construcción de bobinas que formarán el imán para confinar el reactor. Todas las etapas de construcción y de inspección de los gigantescos componentes se llevarán a cabo en esta planta y cada operación individual será supervisada para que cumpla con los estrictos niveles de calidad y tendrán comprobaciones dimensionales. Cada componente fabricado es único y se probará su funcionamiento y operación actual solo cuando el reactor esté completamente armado y se ponga en servicio. Como resultado, no se permite un solo error. Cada elemento debe cumplir perfectamente con las especificaciones teóricas para evitar el fallo de un experimento único por su importancia y por los costos del mismo.”

Los diversos componentes del imán incluyen 18 bobinados en forma de D (Winding Pack), que tienen una longitud aproximada de 13 m y cerca de 8 m de ancho. Cada bobinado se forma por 7 bobinados dobles, conocidos como ‘doble capa’, que se unen para formar el Winding Pack. El conductor con el cual se forman los bobinados es un bastidor formado por un conducto central en el cual fluirá el helio líquido enfriador (a una temperatura cercana al cero absoluto para permitir una superconductividad), una matriz concéntrica de conductores de cobre en la cual se incrustan filamentos superconductores, y finalmente un recubrimiento metálico de contención. El conductor tiene un diámetro externo de aproximadamente 40 mm y se entrega en enormes bobinas de 750 m cada una.

“Después de pasar estrictas pruebas de aceptación, incluso pruebas en una cámara al vacío,” continúa Barutti, “la primera operación consiste en desbobinar el conductor de la bobina de transporte, ajustarlo lavarlo y después lijar la superficie del recubrimiento exterior con un equipo especial. La última etapa del sistema de formación – la más importante y la más compleja – provoca que el conductor se doble para producir las dos vueltas de cada bobina, el superior y el inferior, en el aire sin usar guías de sujeción. En esta etapa, el material aún no es superconductor y es posible moldearlo, doblarlo y darle a forma según sea necesario. Ya que las bobinas cambiarán su forma después del tratamiento subsecuente con calor necesario para lograr la superconductividad del cable, la inspección estricta de la forma y la longitud total resulta esencial en esta etapa. Debemos obtener la forma exacta original que solo después de la deformación, como resultado del tratamiento con calor, tomará la forma necesaria. Todo lo anterior se trabaja con tolerancias realmente demandantes para los detalles que no se han obtenido con máquina. En esta etapa del proceso, se usa un Leica Absolute Tracker AT901 con un escáner láser Leica T-Scan Las 22 vueltas de la bobina doble deben alcanzar tolerancias de unas cuantas decenas de un milímetro en el error 3D, y la longitud total de la vuelta debe cumplir con tolerancias de unas cuantas partes por millón a lo largo de toda la longitud, que también es la dimensión más compleja para medir”

“Gracias a los procedimientos especiales desarrollados en cooperación con los técnicos de Hexagon Manufacturing Intelligence durante la instalación del equipo,” explica Caserza,” con el escáner láser detectamos la geometría de cada vuelta al completar el doblado y antes de proceder con el siguiente, analizamos la longitud completa y la forma para aplicar cualquier compensación que fuera necesaria en la siguiente y se obtuvo la forma y longitud correctas. Después se efectuó una comprobación completa de la forma de la bobina obtenida.”

Después de completar la etapa del doblado, la doble bobina estará lista para el tratamiento de calor. Un ciclo de 28 dias de tratamiento de calor se compone de diversas etapas y temperaturas en un horno con una atmósfera especial y controlada, lo cual le otorga al material propiedades de superconductividad. A partir de este punto, en todas las etapas subsecuentes del procesamiento, el desbobinamiento debe ser manejado con sumo cuidado. El material superconductivo se hace extremadamente frágil después de la cristalización y cualquier deformación mecánica sobre el mismo puede provocar fracturas y alterar su funcionamiento.

Caserza continúa: “El tratamiento de calor ha sido diseñado para mantener bajo control la deformación del bobinado, pero sigue siendo necesario revisar la forma actual de cada bobinado antes de pasar a la siguiente parte del proceso. También es necesario efectuar ajustes precisos a las instalaciones que mantienen la forma de los bobinados para prepararlos para las etapas posteriores. Para esta tarea, usamos un segundo equipo Leica Absolute Tracker AT901 con un sensor de contacto Leica T-Probe. Un procedimiento de inspección guiada permite a los operadores efectuar las correcciones necesarias a las posiciones relativas de las vueltas, basadas en las desviaciones detectadas con una precisión de unas cuantas centésimas de milímetro.”

Las siguientes etapas del ensamblado incluyen el ajuste de los bobinados en una carcasa especial, aislamiento y sellado de la carcasa misma con cubiertas especiales que serán soldadas con un sistema robotizado. Se usa un tercer equipo Leica Absolute Tracker AT901 láser tracker para la calibración de la unión que soporta los paquetes individuales dentro de la estación de soldadura. Una vez que las cubiertas han sido soldadas y después de efectuar inspecciones dimensionales precisas en una cámara al vacío e inspecciones eléctricas, cada paquete se envuelve cuidadosamente en un recubrimiento aislante. Subsecuentemente, se llena con una resina usando un proceso de impregnación al vacío. El último paso antes de entregar consiste en apilar los siete componentes y el aislamiento final del ensamblado. Después de la segunda impregnación y de las pruebas finales, finalmente el bobinado en forma de D queda listo para ser enviado a su destino final.

“Nuestro proceso” continúa Barutti, “es cercanamente dependiente en cada fase en las inspecciones dimensionales y de forma que efectuamos con equipo y procedimientos proporcionados por Hexagon, y configurado en estrecha colaboración con sus técnicos. Algunos años atrás, el equipo de medición de Leica Geosystems nos permitió mejorar y certificar el proceso para fabricar grandes imanes para el LHC, el famoso acelerador de partículas en el CERN en Ginebra y la máquina más grande jamás construida por el hombre, la cual está en funcionamiento para el gran bosón de Higgs. Por lo tanto, cuando recibimos la orden para el proyecto ITER, no teníamos duda alguna de cómo enfrentar los problemas de análisis, comprobación y correcciones del ciclo de producción. Además de lo anterior, la tecnología de los sistemas de medición se ha desarrollado significativamente en los últimos años, lo cual nos permite definir procesos que son más rápidos y más precisos que en el pasado, optimizando así el proceso completo.”

Alberto Barutti comenta finalmente: “Durante la etapa del análisis y diseño preliminar del equipo, evaluamos diversas opciones para el control dimensional. Nuestras positivas experiencias previas nos hicieron decidir por las soluciones ofrecidas por Hexagon. También tuvimos la oportunidad de experimentar una estrecha cooperación con sus técnicos. Hexagon no solo nos proveyó con hardware y software, también desarrollaron programas y procedimientos para cubrir nuestra aplicación específica. Deseo recalcar que gracias a su disponibilidad hemos obtenido un gran éxito. Gracias a estas nuevas tecnologías, nuestras bobinas manufacturadas se produciran en menos tiempo y con con el valor agregado de la calidad de los datos.

Caso Práctico: ASG Superconductors

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