L'avenir De L'énergie

ASG Superconductors - Italy

Un soleil miniature sur la Terre, capable de générer une quantité d'énergie prodigieuse. De l'énergie propre, sûre, contrôlable, fondamentale pour répondre aux besoins d'énergie exponentiels sur notre planète. Une réaction nucléaire alimentée par une matière brute tout à fait courante, peu onéreuse et facile d'accès : l'hydrogène de l'eau de mer. Absence presque complète de risques dans le contrôle de cette réaction, et production négligeable de déchets néfastes pour l'environnement, les êtres humains et les animaux.

Tout cela, et bien plus, est la synthèse de la génération d'énergie par la fusion nucléaire, le phénomène physique à la source de la production d'énergie du soleil. Observé par des générations d'étudiants et reproduit à très petite échelle dans les années 1930, ce processus devient aujourd'hui une réalité grâce aux progrès réalisés dans le domaine de la physique et des technologies. La faisabilité technique et scientifique sera démontrée au cours des prochaines années grâce à un grand projet de recherche financé par l'Union européenne, la Chine, l'Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis. Cette initiative aboutira à la construction d'un immense réacteur expérimental à Cadarache, dans le sud de la France. L'ITER, c'est ainsi que sont baptisés le projet et le réacteur, sera achevé et mis en service en 2020. L'équipement devra prouver sa capacité à produire pendant au moins 30 minutes une quantité d'énergie dix fois supérieure à celle dont il a besoin pour son exploitation. Une puissance de sortie de 500 MW pour une consommation réelle de 50 MW. Le succès anticipé de l'expérience sera la force motrice de la poursuite d'un deuxième projet, intitulé DEMO, qui est déjà en cours. Au cours des 15 à 20 prochaines années, il est prévu que DEMO débouche sur la première installation industrielle destinée à générer de l'électricité à partir de la fusion nucléaire.
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Faisant partie des solutions possibles pour accomplir un système de fusion nucléaire, l'ITER s'appuie sur le confinement magnétique de la réaction. Le cœur de la fusion est du plasma, un état de matière que le réacteur ITER atteint lorsqu'il est chauffé à des températures supérieures à 150 millions de degrés Celsius. Le mouvement des paires d'atomes de plasma en fusion est rendu possible par l'énorme force de poussée créée par un champ magnétique. À l'issue de la fusion des particules atomiques en un seul noyau, la masse de ce dernier est inférieure à la somme des particules d'origine, ce qui génère de grandes quantités d'énergie. Après la réaction, le système magnétique continue à opérer, en confinant le plasma dans un espace qui permet l'utilisation de cette énergie thermique et limite les forces agissant sur la paroi de la zone de confinement.
 
À La Spezia, un site situé près de la mer Ligurienne, entre la Ligurie et la Toscane, se trouvent le siège d'ASG Superconductors, une des sociétés italiennes chargées de fabriquer des composants principaux de l'ITER.  Dans ses unités à Gênes et à La Spezia, ASG réalise des aimants de toutes tailles – des aimants supraconducteurs et classiques utilisés à l'intérieur de systèmes novateurs à résonance magnétique et d'équipements assurant un bombardement contrôlé des cellules cancéreuses, dans le cadre d'expériences de physique à haute énergie. L'entreprise a fourni une partie des aimants qui forment le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), l'accélérateur de particules du CERN à Genève, ainsi que pour la fusion nucléaire.
Alberto Barutti est responsable qualité chez ASG et Bruno Caserza,  directeur général de l'unité à La Spezia.

« La réalisation d'un aimant toroïdal comme celui de l'ITER », explique Alberto Barutti, « exige l'application de technologies très évoluées et complexes.  Les dimensions des bobines sont immenses et le champ magnétique requis est si grand qu'il est nécessaire d'utiliser des matériaux supraconducteurs pour le produire d'une manière répondant aux exigences d'efficacité de l'ensemble du système. Le traitement de ces matériaux fait partie de nos compétences.  Nous avons donc établi à La Spezia une unité de production qui se consacre exclusivement à la réalisation des bobines constitutives de l'aimant de confinement du réacteur.  Toutes les étapes de construction et d'inspection de ces composants gigantesques sont exécutées dans cette unité et chaque opération fait l'objet de contrôles de qualité et de vérifications dimensionnelles extrêmement rigoureux. Chaque composant fabriqué est unique et ne montrera ses performances et ses caractéristiques de fonctionnement qu'après l'assemblage complet et la mise en service du réacteur. Aucune erreur n'est donc tolérée. Tout doit être parfaitement conforme aux spécifiques théoriques afin d'éviter l'échec d'une expérience d'une importance capitale, à investissements lourds. »
 
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L'aimant se compose de 18 bobinages en D d'une longueur d'environ 13 m et d'une largeur de plus de 8 m. Chaque bobinage comporte lui-même 7 doubles enroulements, appelés « doubles pancakes » (doubles crêpes), empilés pour former le bloc de bobinages.  Le conducteur des bobines est un conduit central dans lequel circulera comme liquide de refroidissement de l'hélium (à une température proche du zéro absolu pour permettre la supraconductivité), une matrice concentrique de conducteurs de cuivre intégrant des filaments supraconducteurs et, pour finir, un revêtement de confinement métallique. Le conducteur a un diamètre extérieur d'environ 40 mm et est fourni sous forme d'énormes bobines de 750 m chacune.
« À l'issue de tests d'acceptation rigoureux, y compris l'essai dans une chambre à vide », explique Alberto Barutti, « la première opération consiste à dérouler le conducteur de la bobine de transport, à le dresser, le laver; puis à sabler la surface du revêtement extérieur avec un équipement spécial. La dernière opération du système de formage – la plus importante et la plus complexe – courbe le conducteur de façon à produire les deux tours (supérieur et inférieur) de chaque bobine dans l'air, sans éléments de fixation. À ce stade, le matériau n'est pas encore supraconducteur et peut être traité et façonné librement. Les bobines changent de forme après le traitement thermique consécutif nécessaire pour la supraconductivité du câble. Et il est indispensable d'effectuer un contrôle minutieux de forme et de longueur à ce stade. Ce n'est qu'après la déformation résultant de ce traitement thermique que le matériau aura la forme voulue. Avec des tolérances très étroites pour les détails non usinés. Durant cette étape, nous utilisons un Leica Absolute Tracker AT901 avec un scanner laser Leica T-Scan. Les 22 tours du double bobinage doivent respecter les tolérances définies, à savoir quelques dixièmes de millimètre, pour l'erreur de forme 3D, et la longueur totale du tour présente des tolérances de quelques parts par million d'une extrémité à l'autre. C'est la dimension la plus difficile à mesurer. »
« Grâce aux procédures spéciales développées en collaboration avec les techniciens de Hexagon Manufacturing Intelligence pendant l'installation de l'équipement », indique Bruno Caserza, « nous saisissons avec le scanner laser la géométrie de chaque tour à la fin du cintrage et, avant de démarrer le prochain, nous examinons toute la longueur et la forme afin d'effectuer toutes les corrections nécessaires lors du prochain cycle pour obtenir la forme et la longueur correctes. Nous réalisons alors un contrôle intégral de la forme et du bobinage obtenu.»Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  3

Au terme du cintrage, le double bobinage est prêt pour le traitement thermique. La phase du traitement thermique dure 28 jours, comporte plusieurs étapes et températures et fait intervenir un four spécial à atmosphère contrôlée. Durant cette étape, le matériau est doté de caractéristiques de supraconductivité. Tout traitement consécutif du grand bobinage exige de très grandes précautions. Le matériau supraconducteur devient extrêmement fragile après la cristallisation et toute sollicitation mécanique qu'il subit peut l'endommager et dégrader ses performances.

Bruno Caserza ajoute : « Le traitement thermique a été conçu pour maintenir la déformation du bobinage sous contrôle, mais il est tout de même nécessaire de vérifier la forme de chaque bobinage avant l'étape suivante.  Nous devons aussi ajuster de façon très précise les brides qui maintiennent la forme des bobinages afin de les préparer aux opérations d'assemblage ultérieures. Nous utilisons un deuxième Leica Absolute Tracker AT901 en combinaison avec un capteur tactile Leica T-Probe pour cette tâche. Une procédure d'inspection guidée permet aux opérateurs de faire les corrections nécessaires aux positions correspondantes des tours, sur la base des écarts détectés avec une précision de quelques centièmes de millimètre. »

Les étapes d'assemblage suivantes englobent la mise en place des bobinages dans un boîtier spécial, l'isolation et l'étanchement du boîtier lui-même avec des recouvrements spéciaux qui seront soudés à l'aide d'un système robotisé. Un troisième laser tracker Leica Absolute Tracker AT901 est utilisé pour le calibrage du système de bridage ayant pour but de caler les pancakes dans la station de soudage. À l'issue du soudage des recouvrements, à la fin des inspections dimensionnelles précises réalisées dans une chambre à vide et après l'examen des caractéristiques électriques, chaque pancake est enrobé avec précaution d'un revêtement isolant. Ensuite, il est rempli d'une résine au moyen d'une imprégnation à vide. La dernière étape avant la livraison est l'empilement des sept composants et l'isolation finale de l'ensemble. Après la deuxième imprégnation et les tests finaux, l'immense bobinage en forme de D est prêt pour sa destination finale.Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  8

« Notre processus », poursuit Alberto Barutti, « dépend dans chaque phase étroitement des inspections dimensionnelles et géométriques que nous effectuons avec l'équipement et les procédures fournis par Hexagon, et mis en place en étroite collaboration avec les techniciens de ce fournisseur. Il y a quelques années, l'équipement de mesure de Leica Geosystems nous a permis d'améliorer et de certifier le processus de réalisation des aimants de grandes dimensions pour le LHC, l'accélérateur de particules connu du CERN à Genève et la plus grande machine réalisée par l'homme. Aujourd'hui, elle intervient dans le cadre de recherches effectuées sur le boson de Higgs. Lorsque nous avons obtenu la commande pour le projet ITER, nous savions donc parfaitement comment appréhender les analyses, les contrôles et les corrections du cycle de production.  En plus, la technologie des systèmes de mesure a considérablement évolué au cours des dernières années. Ce progrès nous permet de mettre en œuvre des procédures plus rapides et plus précises pour  optimiser l'ensemble du processus. »
 
Alberto Barutti formule un dernier commentaire sur la collaboration avec Hexagon : « Au moment de l'analyse préliminaire et de la conception de l'équipement, nous avons minutieusement évalué diverses options pour le contrôle dimensionnel de nos composants.  Les expériences positives faites par le passé nous ont amenés à nous orienter vers les solutions proposées par Hexagon. Nous avons donc eu l'occasion de travailler en étroite collaboration avec les techniciens de ce fournisseur. Hexagon n'a pas seulement fourni l'équipement matériel et logiciel. Cette entreprise a aussi développé les programmes et procédures destinés à notre application spécifique, dont les caractéristiques uniques exigeaient des compétences très pointues pour correspondre à l'objectif finale. J'aimerais souligner que c'est grâce aux prestations de cette entreprise que nous sommes aujourd'hui les premiers à exploiter un équipement qui introduira la technologie du laser tracker même dans un domaine aussi classique que celui des mesures magnétiques. Grâce à ces nouvelles technologies, la réalisation des bobines profitera d'une nette réduction du temps de traitement, d'une simplification considérable du processus et d'une valeur ajoutée en matière de qualité des données.

Case Study: ASG Superconductors

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