Il progetto DEMO rappresenta un passo fondamentale verso la realizzazione di centrali di fusione nucleare, dove si replica il processo che avviene nel sole per generare energia.
A differenza della fissione nucleare, che comporta il rischio di radiazioni e scorie pericolose, la fusione nucleare si basa su reazioni tra isotopi leggeri, come il deuterio e il trizio, producendo energia senza generare rifiuti radioattivi di lungo termine.
Il progetto DEMO si propone di sviluppare un impianto in grado di testare e dimostrare la fattibilità della fusione nucleare su scala commerciale. La sua costruzione è attualmente in corso a Cadarache, in Francia, dove una delle componenti chiave dell’impianto è rappresentata dai superconduttori, utilizzati per generare un potente campo magnetico. Questo campo è essenziale per mantenere il plasma — il gas ionizzato a temperature elevate — sospeso nel vuoto, evitando che entri in contatto con le pareti del contenitore e consentendo così la fusione dei nuclei.
In tale contesto, è fondamentale il controllo delle saldature dei jacket che ospitano i superconduttori. I jacket, costruiti in acciaio inossidabile, sono progettati per mantenere i superconduttori a temperature estremamente basse, inferiori a -269 gradi Celsius, necessarie per garantire la loro funzionalità come conduttori senza resistenza.
Un errore nella saldatura di questi jacket potrebbe compromettere l’intero sistema. È dunque essenziale un rigoroso controllo della qualità.
Attraverso una tecnica di controllo innovativa, IMG Ultrasuoni si propone di affrontare le sfide legate a questo progetto ambizioso e di contribuire al progresso di fusione nucleare come fonte di energia pulita e sostenibile.
Superconduttori e loro ruolo nella produzione di energia
I superconduttori sono materiali che, a temperature estremamente basse, mostrano zero resistenza elettrica e la capacità di espellere i campi magnetici, un fenomeno noto come effetto Meissner. Questa caratteristica rende i superconduttori particolarmente interessanti per applicazioni che richiedono l’efficienza nella trasmissione di energia elettrica, poiché eliminano completamente le perdite di energia dovute al riscaldamento.
Nel contesto della fusione nucleare, i superconduttori sono impiegati per generare campi magnetici intensi e stabili, fondamentali per mantenere il plasma in condizioni di isolamento. In un reattore a fusione, il plasma deve essere mantenuto a temperature di milioni di gradi Celsius, e la sua stabilità è assicurata da un potente campo magnetico che previene il contatto tra il plasma e le pareti del reattore.
I superconduttori, operanti a temperature criogeniche, forniscono la necessaria forza magnetica senza dissipare energia, permettendo un funzionamento efficiente e sostenibile del sistema.
Il progetto mondiale per la fusione nucleare
Negli ultimi decenni, la crescente necessità di trovare fonti energetiche sostenibili ha spinto la comunità scientifica globale a investire nella fusione nucleare come una potenziale soluzione. La fusione nucleare è il processo che alimenta il Sole e altre stelle, dove nuclei leggeri si combinano per formare nuclei più pesanti, liberando enormi quantità di energia. Il progetto Fusion4Energy è nato con l’obiettivo ambizioso di dimostrare che, fornendo 100 unità di energia al sistema, è possibile ottenere più di 100 unità di energia dalla fusione nucleare. Questo non solo rappresenterebbe un passo fondamentale verso la sostenibilità energetica, ma potrebbe anche fornire un’alternativa ai combustibili fossili, contribuendo così alla lotta contro il cambiamento climatico.
L’impianto di Cadarache e le sfide associate alla fusione nucleare
L’impianto di Cadarache, situato in Francia, è uno dei principali centri di ricerca per la fusione nucleare e ospita il progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), che mira a realizzare un reattore a fusione su scala sperimentale. Questa struttura all’avanguardia è progettata per testare le tecnologie necessarie per generare energia tramite fusione, e per validare i principi fisici e ingegneristici coinvolti nel processo.
Tuttavia, le sfide associate alla fusione nucleare sono numerose e complesse. Mantenere e controllare le condizioni necessarie per la fusione richiede temperature estremamente elevate, in grado di superare i 150 milioni di gradi Celsius, oltre a una gestione precisa del plasma e dei campi magnetici.
La creazione e la manutenzione di queste condizioni richiedono tecnologie sofisticate e materiali innovativi, come i superconduttori, che possano funzionare in tali ambienti estremi.
Importanza del campo magnetico nel sostenere il nucleo di fusione
Uno degli elementi chiave per il successo del processo di fusione è la creazione di un campo magnetico potente e stabile, essenziale per mantenere il plasma (particelle cariche ad alta temperatura) sospeso e isolato dalle pareti del reattore. Senza un adeguato sostegno magnetico, il plasma colliderebbe con le pareti del contenitore, causando il raffreddamento e la perdita di energia, oltre a danneggiare le strutture del reattore stesso.
I superconduttori svolgono un ruolo determinante nella generazione di questi campi magnetici, poiché possono condurre corrente elettrica senza resistenza a temperature criogeniche. Ciò permette di produrre campi magnetici molto più forti e stabili rispetto a quelli realizzati con conduttori tradizionali.
Grazie a questi campi magnetici, l’impianto di Cadarache punta a realizzare un reattore a fusione efficiente, sicuro e sostenibile, aprendo la strada a una nuova era di produzione energetica.
Saldature dei jacket per superconduttori
I jacket sono strutture fondamentali che ospitano i cavi superconduttori all’interno di un ambiente controllato e criogenico. Questi componenti sono costruiti principalmente utilizzando acciaio inossidabile di alta qualità, scelto per la sua resistenza alla corrosione e per la sua capacità di mantenere la stabilità strutturale a basse temperature.
I jacket, che presentano una forma a U, sono progettati per fornire un isolamento efficace e per mantenere il vuoto necessario a prevenire la trasmissione di calore.
All’interno di ciascun jacket, i superconduttori devono essere mantenuti a temperature estremamente basse, circa -269 gradi Celsius. Ciò si realizza attraverso un sistema che utilizza elio liquido, un refrigerante altamente efficiente che consente di mantenere le condizioni criogeniche necessarie affinché i superconduttori possano funzionare correttamente.
La precisione nella costruzione dei jacket è quindi fondamentale, poiché qualsiasi difetto o inefficienza nel design potrebbe compromettere la capacità del sistema di mantenere il vuoto e le basse temperature.
Il controllo qualità delle saldature per garantire la funzionalità dei jacket
Il controllo della qualità delle saldature dei jacket è un elemento critico nel processo di produzione, poiché le saldature sono responsabili dell’integrità strutturale del jacket stesso. Ogni giunzione deve essere realizzata in modo preciso per evitare perdite di vuoto o compromissioni nel raffreddamento. Le saldature difettose potrebbero causare inefficienze nel sistema di raffreddamento, ma anche compromettere il funzionamento dei superconduttori e, di conseguenza, l’intero impianto di fusione nucleare.
Un controllo di qualità rigoroso è quindi essenziale per garantire che ogni giunzione sia eseguita secondo gli standard richiesti, riducendo al minimo il rischio di malfunzionamenti. Questo include l’ispezione delle saldature sia visiva che mediante tecniche non distruttive, che possono rivelare eventuali difetti interni o discontinuità.
Saldature eseguite con cannoni laser e le problematiche associate
Le saldature dei jacket sono eseguite tramite cannoni laser, una tecnologia avanzata che consente di ottenere giunzioni di alta qualità con una precisione millimetrica. I cannoni laser sono utilizzati per fondere i bordi dei profili in acciaio inossidabile, creando saldature forti e durevoli senza il rischio di deformazioni termiche eccessive che potrebbero compromettere l’integrità del materiale.
Tuttavia, l’uso dei cannoni laser presenta alcune problematiche. Una delle principali sfide è quella di garantire una penetrazione uniforme del calore, poiché una saldatura superficiale o insufficiente può generare fessure o debolezze nella giunzione. Inoltre, il controllo della qualità delle saldature laser è complesso: le tecniche di ispezione devono essere altamente sensibili per identificare difetti che potrebbero non essere visibili ad occhio nudo.
In questo contesto, IMG Ultrasuoni ha sviluppato metodologie innovative di controllo non distruttivo, in particolare utilizzando tecniche di controllo ultrasonoro in immersione. Queste tecniche sono state ottimizzate per rilevare difetti critici e garantire che ogni giunzione di saldatura soddisfi i requisiti di qualità e sicurezza necessari per il funzionamento efficace dei jacket di superconduttori nel progetto di fusione nucleare.
Intervento di IMG Ultrasuoni
Nell’ambito del progetto DEMO, IMG Ultrasuoni è stata interpellata per sviluppare una tecnica di controllo per le saldature dei jacket di superconduttori.
Il progetto richiedeva un approccio altamente specializzato, considerando la criticità delle saldature e l’importanza di garantire la massima integrità strutturale. Le aziende coinvolte nel progetto, infatti, avevano necessità di un metodo che non solo potesse rilevare eventuali difetti, ma che fosse anche in grado di determinare il livello di sensibilità del controllo, ossia il minimo difetto che poteva essere identificato durante le ispezioni.
La tecnica di controllo ultrasonoro adottata da IMG si basa sull’utilizzo di sonde ultrasonore specializzate e di software di simulazione avanzati per valutare la qualità delle saldature. L’obiettivo principale di questa tecnica era determinare il “minimo difetto rilevabile” (MDR), un parametro importante in contesti dove la sicurezza è fondamentale. Questa misura consente di quantificare la capacità del metodo di rilevare difetti di diverse dimensioni e forme, contribuendo a definire le tolleranze accettabili per le saldature.
Attraverso test rigorosi e simulazioni in laboratorio, IMG ha messo a punto una metodologia in grado di identificare anche i difetti più piccoli, riducendo così il rischio di problemi futuri. Questa precisione migliora la qualità delle saldature ed anche maggiore fiducia ai progettisti e agli ingegneri coinvolti nel progetto di fusione nucleare.
Tecnica a immersione utilizzata per migliorare la rilevazione dei difetti
IMG ha scelto di utilizzare una tecnica a immersione per il controllo delle saldature, una metodologia che prevede l’interposizione di un liquido, in questo caso acqua, tra la sonda ultrasonora e il componente da ispezionare. Questa tecnica consente di focalizzare l’energia ultrasonora in modo più efficace, migliorando la trasmissione delle onde sonore e, di conseguenza, aumentando la sensibilità del sistema di rilevamento.
La tecnica a immersione è particolarmente utile nel contesto delle saldature dei jacket, poiché permette di ridurre la dimensione del minimo difetto rilevabile a meno di un millimetro di diametro. Questo è un traguardo significativo, in quanto consente di identificare difetti planari circolari molto piccoli che potrebbero sfuggire a metodi di controllo tradizionali. Grazie a questa metodologia, IMG è stata in grado di garantire un’accuratezza senza precedenti nelle ispezioni, contribuendo alla sicurezza e all’affidabilità del sistema di fusione nucleare in fase di sviluppo.
La sensibilità del sistema ha permesso di individuare difetti di dimensioni inferiori a un millimetro, contribuendo a definire un nuovo standard per il controllo della qualità in questo settore.
I risultati ottenuti hanno dimostrato l’efficacia della metodologia di controllo. Le ispezioni hanno rivelato diversi tipi di difetti, inclusi porosità, inclusioni e discontinuità nelle saldature, evidenziando come la tecnologia a immersione possa migliorare la rilevazione di problematiche strutturali che potrebbero compromettere il funzionamento dei jacket.
Grazie alla precisione della tecnica a immersione, IMG è riuscita a stabilire che il livello di difetto minimo che poteva essere identificato era inferiore a un millimetro di diametro. Questo valore rappresenta un importante passo avanti nel settore dei controlli non distruttivi, permettendo agli ingegneri di progettare e costruire sistemi più sicuri e affidabili.
Collaborazioni e progetti futuri
La partecipazione di IMG Ultrasuoni al progetto DEMO ha aperto la strada a collaborazioni strategiche con diverse aziende di settore. La sinergia tra IMG e aziende come Criotec, nonché le altre società che hanno manifestato interesse per la tecnologia di controllo sviluppata, ha permesso di condividere competenze e risorse.
L’innovazione portata dalla tecnologia a immersione per il controllo delle saldature dei jacket dei superconduttori apre nuove opportunità per applicazioni in altri contesti industriali. Le tecniche sviluppate da IMG possono essere adattate per il controllo di saldature in altri settori critici, come quello aerospaziale, dell’energia e della costruzione di infrastrutture, e può estendersi a qualsiasi settore dove la sicurezza e l’affidabilità dei componenti saldati sono essenziali.