Energins Framtid

ASG Superconductors - Italy

En sol i miniatyr på jorden, som kan generera en förvånande mängd energi. Ren, säker och kontrollerbar energi, vilket är väsentligt för att garantera försörjningen för den exponentiella och överväldigande ökningen av energibehovet på vår planet. En kärnreaktionsprocess driven av ett råmaterial som både är vanligt, billigt och lättillgängligt: vätet i havsvatten. Den nästan helt obefintliga risken under kontrollerandet av denna reaktion, samt den försumbara produktionen av avfall som är skadligt för miljön och för människoliv och djurliv.

En sol i miniatyr på jorden, som kan generera en förvånande mängd energi. Ren, säker och kontrollerbar energi, vilket är väsentligt för att garantera försörjningen för den exponentiella och överväldigande ökningen av energibehovet på vår planet. En kärnreaktionsprocess driven av ett råmaterial som både är vanligt, billigt och lättillgängligt: vätet i havsvatten. Den nästan helt obefintliga risken under kontrollerandet av denna reaktion, samt den försumbara produktionen av avfall som är skadligt för miljön och för människoliv och djurliv.

Allt detta och mycket mer möjliggörs av energiutvinning med kärnfusion, det fysiska fenomen som driver solen. Fenomenet har observerats av flera generationer av vetenskapsmän och det återskapades i väldigt småskalig form redan på 1930-talet. Nu blir det verklighet tack vare fysiska och teknologiska framsteg. Den faktiska genomförbarheten kommer att påvisas både tekniskt och vetenskapligt under de kommande åren tack vare ett stort forskningsprojekt som finansieras av EU, Kina, Indien, Japan, Korea, Ryssland och USA. Projektet kommer leda till konstruktionen av en enorm, experimentell reaktor i Cadarache i södra Frankrike. ITER, som är namnet på projektet och reaktorn, kommer att vara klar och invigas år 2020. Den kommer behöva visa att den klarar att producera en mängd energi under minst 30 minuter som är tio gånger större än den mängd som krävs för att driva den. Det innebär en produktion på 500 MW vid en faktisk förbrukning på 50 MW. Experimentet förväntas bli framgångsrikt och leda
till att man fortsätter med ytterligare ett projekt, kallat DEMO, som redan är på gång. Under de följande 15-20 åren förväntas DEMO leda till att man skapar det första riktiga industriella kärnkraftverket som producerar energi med kärnfusion. ITER, som är en av flera möjliga lösningar för att åstadkomma ett kärnfusionssystem, baseras på magnetisk inneslutning av reaktionen. Kärnan i fusionen utgörs av plasma, ett tillstånd hos material som skapas i ITER-reaktorn när det hettas upp till temperaturer över 150 miljoner °C. Förflyttningen av paren av plasmaatomer sker genom att magnetfältet ger upphov till en enorm kraft inför fusionen. När fusionen av atompartiklar har fullbordats och de utgör en enda kärna understiger kärnans massa summan av de ursprungliga partiklarna, vilket leder till att enorma mängder energi frigörs. Efter reaktionen fortsätter magnetsystemet att arbeta och innesluter plasman i ett område där värmeenergin kan användas samtidigt som krafterna som verkar på det omgivande rummets väggar
begränsas.
Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  12
 
I La Spezia, vid det liguriska havet mellan Ligurien och Toscana, finns sätet för ASG Superconductors, ett av de italienska företag som har i uppdrag att tillverka några av huvudkomponenterna i ITER. I sina fabriker i Genua och La Spezia tillverkar ASG magneter i alla storlekar – supraledande och traditionella magneter, som används för att skapa innovativa magnetresonansmaskiner, samt maskiner som används för kontrollerad beskjutning av tumörceller, för experimentell högenergifysik. De har tillverkat delar av magneterna som partikelacceleratorn Large Hadron Collider (LHC) i Genève utgörs av, samt magneter som används för kärnfusion.

Alberto Barutti och Bruno Caserza är kvalitetschef på ASG respektive VD på La Spezia-anläggningen.

“Tillverkningen av en toroidmagnet, som den som är avsedd för ITER, förklarar Barutti, “kräver användning av extremt avancerad och komplex teknologi. Spolarna är extremt stora och magnetfältet som krävs är så stort att supraledande material måste användas för att tillverka dem så att de ligger i linje med hela systemets effektivitet, och det är ett av våra expertområden. Därför har vi skapat en anläggning här i La Spezia som helt fokuserar på konstruktion av de spolar som kommer att utgöra inneslutningsmagneten i reaktorn. Alla delar av konstruktionen och inspektionen av de gigantiska komponenterna sker i denna anläggning och varje enskild del av processen inspekteras med extremt hårda kvalitetsoch dimensionskontroller. Varje komponent som tillverkas är unik och kommer att bevisa sin kapacitet och faktiska driftprestanda först när reaktorn är helt monterad och har tagits i drift. Därför finns inget utrymme för misstag. Allt måste överensstämma perfekt med de teoretiska specifikationerna för att inte äventyra ett experiment som är såpass unikt, både på grund av sin avgörande karaktär och sina kostnader.”

Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  11
Magnetens olika komponenter inkluderar 18 huvudlindningar med D-form (lindningspaket), som är runt 13 m långa och över 8 m breda. Varje lindning utgörs i sin tur av 7 dubbla lindningar som kallas för “dubbla pannkakor” som staplas på varandra till ett lindningspaket. Ledarna som spolarna görs av utgörs av en ram som består av mittenledning där helium-kylvätskan ska flöda (vid en temperatur nära absoluta nollpunkten för att
möjliggöra supraledningsförmåga), en koncentrisk matris av kopparledare med inbyggda supraledande trådar och slutligen ett skyddslager i metall. Ledaren har en extern diameter på runt 40 mm och levereras i enorma spolar på 750 m.
 
“Efter att den klarat hårda leveransprov, inklusive testning i en vakuumkammare,” fortsätter Barutti, “lindar man först upp ledaren från transportspolen, rätar ut den och tvättar den, och sedan slipar man ytan på det yttre skyddslagret med specialutrustning. I formningssystemets sista steg – som även är det viktigaste och mest komplicerade – böjer man ledaren och skapar på så vis de två krökningarna på varje spole, den övre och den undre, i luften utan att använda jiggar. I detta steg är materialet fortfarande inte supraledande och kan hanteras, böjas och formas enligt önskemål. Eftersom spolarna ändrar sin form efter den värmebehandling som
följer, som krävs för att kablarna ska få supraledningsförmåga, är strikt inspektion av form och total längd väsentligt från och med detta steg. Vi måste uppnå den exakta originalformen som kommer att bli till den önskade formen först när den deformerats av värmebehandlingen. Och allt detta måste ske med toleranser som är väldigt krävande för de detaljer som inte maskintillverkats. I detta processteg använder vi en Leica Absolute Tracker AT901 med en Leica T-Scan laserscanner. De 22 krökningarna i den dubbla lindningen måste klara toleranser på några få tiondels millimeter på 3D-formfelet, och krökningens totala längd har toleranser på få miljondelar över hela längden, vilket även är den mest komplexa storleken som ska mätas.”
Medium JPGCS ASG Superconductors Italy  3 “Tack vare speciella procedurer som utvecklats i samarbete med tekniker från Hexagon Manufacturing Intelligence under installationen av utrustningen”, förklarar Caserza, “så kan vi med laserscannerns hjälp läsa av geometrin för varje krökning när böjningen avslutas. Innan vi påbörjar nästa böjning kontrollerar vi fullständig längd och form för att göra eventuella kompensationer som kan behövas vid nästa böjning, för att på så vis uppnå rätt form och längd. Sedan gör vi en fullständig kontroll av formen på den slutförda
lindningen.”

När böjningssteget är klart är den dubbla lindningen klar för värmebehandling. En 28-dagars behandlingscykel
som innefattar olika steg och temperaturer i en särskild ugn med kontrollerad atmosfär ger materialet
supraledande egenskaper. Från och med nu måste den stora lindningen hanteras extra försiktigt i alla efterföljande bearbetningssteg. Det supraledande materialet blir extremt känsligt efter kristallisering och även små mekaniska belastningar kan orsaka brott som försämrar dess förmåga.

Caserza fortsätter: “Värmebehandlingen har utformats för att hålla deformering av lindningen under kontroll, men man måste fortfarande kontrollera den faktiska formen på varje lindning innan man fortsätter med nästa steg i processen. Vi måste även göra väldigt precisa justeringar på fästena som håller upp lindningarnas form, för att förbereda dem för efterföljande monteringssteg. För detta använder vi ytterligare en Leica Absolute Tracker AT901 tillsammans med en Leica-T-Probe. En guidad inspektionsprocedur gör det möjligt för operatörerna att göra nödvändiga korrigeringar av krökningarnas relativa positioner, baserat på avvikelser som läses av med en noggrannhet på några hundradels millimeter”.

De efterföljande monteringsstegen inkluderar montering av lindningarna i ett specialhölje, isolering och försegling av höljet med särskilda plattor som svetsas fast med
ett robotiserat system. En tredje lasertracker av modell Leica Absolute Tracker AT901 används för kalibrering av fixturen som stödjer upp de enskilda “pannkakorna” inuti
svetsstationen. När plattorna har svetsats fast och efter framgångsrika dimensionsinspektioner i en vakuumkammare samt elektriska inspektioner lindas varje pannkaka försiktigt i en isolerande beläggning. Därefter fylls den med harts i en  vakuumimpregneringsprocess. Det sista steget innan leverans är stapling av de sju komponenterna och den slutgiltiga isoleringen av enheten. Efter den andra impregneringen och de slutgiltiga testerna är den gigantiska D-formade lindningen klar att skickas till sin slutgiltiga destination.

“Vår process”, fortsätter Barutti, “hänger i varje fas tätt samman med dimensions- och forminspektioner som vi utför med utrustning och procedurer från Hexagon, och som
vi utformar i nära samarbete med deras tekniker. För några år sedan gjorde mätutrustningen från Leica Geosystems att vi kunde förbättra och certifiera tillverkningsprocessen för
storskaliga magneter för LCG, den kända partikelacceleratorn vid CERN i Genève och den största maskinen som människan någonsin har byggt, och som nu används för att undersöka Higgsbosonen. Så när vi fick beställningen för ITER-projektet tvekade vi inte kring hur vi skulle lösa problemen med analys, kontroller och korrigeringar i produktionscykeln. Dessutom har teknologin för mätsystem genomgått betydande utvecklingar under de senaste åren, vilket gör att vi kan utforma procedurer som är snabbare och precisare än tidigare och optimera hela processen.”

Alberto Barutti tar avsked med en sista kommentar om arbetet tillsammans med Hexagon: “Vid den preliminära analysen och utformningen av utrustningen utvärderade
vi de olika alternativen för dimensionskontroll av våra komponenter. Våra tidigare positiva erfarenheter ledde oss till Hexagons lösningar. Så vi fick även m
öjlighet attMedium JPGCS ASG Superconductors Italy  8 uppleva ett nära samarbeta med deras tekniker. Hexagon tillhandahöll inte bara hårdvara och mjukvara till oss, de utvecklade även dedikerade program och procedurer för vår specifika tillämpning, som är unik i sitt slag, och som därför krävde djup samverkan av expertisen för att uppnå slutmålet. Jag vill framhålla att det är tack vare deras tillgänglighet som vi är först med att skapa utrustning som för in lasertracker-teknologin på traditionella områden som magnetisk mätteknik. Tack vare de nya teknologierna kommer den slutliga leveransen av de tillverkade spolarna ha dragit nytta av en dramatisk reduktion av bearbetningstid, en betydande förenkling av processen samt ett mervärde i form av datakvalitet.

Laser Tracker

Sedan länge en standard inom industriell mätteknik. Lasertracker-system är marknadsledande när det gäller noggrannhet, driftsäkerhet och hållbarhet i portabla mätutrustningar.

Kontakta oss

Hexagon Manufacturing Intelligence
Filargatan 3 
SE-632 29
Eskilstuna
Sverige

Hexagon Manufacturing Intelligence
Ruskvädersgatan 8
SE-418 34
Göteborg
Sverige

Växel: +46 16 160800 
Hårdvarusupport:
+46 16 160803
Mjukvarusupport: +46 16 160813
Mättjänst: +46 16 160814
Försäljning: +46 16 160801
Utbildning: +46 16 160805


Försäljning Tjänster

HxGN LIVE

Hexagons årliga internationella konferens, HxGN LIVE, innehåller inspirerande inledningsanföranden, obegränsade möjligheter till nätverkande och tekniker som måste ses.