Fusion factory: assembling Iter, the most complex machine ever built / Industria della fusione nucleare: assemblando Iter, la macchina più complessa mai costruita.

Fusion factory: assembling Iter, the most complex machine ever built / Industria della fusione nucleare: assemblando Iter, la macchina più complessa mai costruita.


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa


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The tokamak pit in front of the assembly hall, on the left of this picture. The building with the red stripe is the poloidal coil workshop; to its left is the cryostat workshop, and in front is the cryoplant / La fossa del tokamak davanti alla sala riunioni, a sinistra di questa immagine. L'edificio con la striscia rossa è l'officina della bobina poloidale; alla sua sinistra c'è l'officina del criostato, e davanti c'è il crioimpianto.
Assembling the world’s largest nuclear fusion experiment is now an engineering problem. But it may be the most daunting challenge that has ever been posed, as Stuart Nathan explains.
My last visit to the site of Iter, the international project to develop and build the world’s largest ever nuclear fusion reactor and a model for the powerplant of prospective fusion power stations, was three years ago. Then, there was comparatively little to see on-site, as the foundations that will support the enormous weight of the fusion machine were still under construction, and the concrete had yet to be poured. The situation now is very different.
The theoretical and design aspects of the Iter ‘fusion machine’ — as it is known within the organisation — have largely been finalised, and the contracts for construction of its components farmed out among its member states. The remaining task, to piece all 10 million components together, is essentially a programme of mechanical, electrical and process engineering; but what a programme.
It will be the most complex machine ever built — an accolade that’s been held at various times in past decades by the Boeing 747, the Apollo command module, The US nuclear missile submarines, and the Large Hadron Collider. Because of the level of instrumentation and the need to comply with existing nuclear regulations, Iter is currently seen as likely to be the most complex fusion reactor ever built.
Returning to Cadarache, near Marseilles, a few weeks ago, progress was obvious from the first glance.

Buildings on the ground

The parched, sun-drenched landscape is the same, but whereas previously, only the bones of a few buildings were projecting from the rocky man-made plateau that forms the Iter site, the full complex is now visibly taking shape.
The most obvious progress is on the tokomak complex. Forming a T-shape, with the assembly hall to the south and the still-unbuilt diagnostics building and tritium plant flanking the tokomak hall itself to the east and west, the assembly hall is complete and the walls of the square tokomak hall are now rising above the pit where the machine will sit, descending two stories below ground. In the coming months the hall will completely enclose a squat circular concrete tower rising from the pit floor, pierced with rectangular and oval holes. Reminiscent of medieval fortifications, this is the bioshield that will keep Iter’s operators safe from the lethal neutron flux that the fusion reaction will produce in operation.
The concrete of the floor, hall walls and bioshield is regularly studded with rectangular steel slabs onto which the fusion machine will be welded to hold it safely in place, in compliance with French nuclear regulations.
More concrete supporting structures radiate from the bioshield into the spaces that will be occupied by the equipment that will heat the hydrogen plasma confined by mighty magnets within the tokomak’s toroidal vacuum chamber; to the north will be radiofrequency generators, which will blast in microwave energy, and equipment to replenish the plasma by blowing pellets of frozen hydrogen into it; and to the south — squeezed in between the tokomak itself and the assembly hall, which will then be redundant (and according to jocular staff, the location for dance parties) — will be neutral beam injectors, huge devices that accelerate beams of hydrogen, render them electrically neutral and then fling them into the plasma (more on these below).

Keeping cool; the cryoplant

Nearby on the site is the cryoplant that will supply and manage liquid helium, the crucial ingredient for chilling the tokomak’s magnets to near-absolute zero (the precise temperature is -269°C), keeping their superconducting electrical coils in a state of zero resistance. This makes it possible to maintain the titanic magnetic fields that both keep the plasma squeezed tightly, and accelerate its component particles (nuclei of the heavy hydrogen isotopes deuterium and tritium) to enormous speeds (corresponding to temperatures of 150×106°C, ten times hotter than the centre of the sun).
Temperature and confinement are the two most crucial conditions necessary to force the particles, which all carry identical positive electrical charges, to overcome electrostatic repulsion and collide with each other with enough momentum for them to fuse together into helium nuclei, releasing the energy that is the raison d’être of the project.
The cryoplant, the world’s largest, includes three identical refrigerators which will liquefy some 25 tonnes of helium gas to supply the magnets and the vacuum pumps. Capable of a liquefaction rate of 1,230 litres per hour, these refrigeration units are fed by 18 compressors. Another refrigeration plant containing two units will produce liquid nitrogen from the air, which will act as a pre-cooler in the helium plant and will also chill the tokomak’s thermal shield, reducing the load on the superconducting cooling system.

Coils and cryostat; on-site manufacturing

Perhaps most exciting of all for visitors are two buildings where manufacture of real components is under way. In one, contractors from Indian engineering conglomerate Larsen & Toubro are welding huge steel components together into the tokamak cryostat.
Already giving the impression of being Colosseum-scale, this will be the biggest vacuum vessel ever built, 30m in width and height, weighing a total of 3850 tonnes, and enclosing a volume of 16,000m3. It will maintain the thermal shield, and will also keep its interior at a pressure of 10-4Pa. The biggest contribution of India to the Iter project, the cryostat components will be the first and last pieces of the fusion machine assembly to be installed in the tokomak pit.
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Checking the welding on the cryostat base / Controllo della saldatura sulla base del criostato
The installation of the cryostat will be a staggered process, and its assembly is too. The sections of stainless steel are being welded together into four very large components. The first to be installed is the base, whose lower plate, shaped like a wide, flat dish with an upturned rim,  is complete. On top of this will go the pedestal, a shallow cylinder topped with a flat rim; the 25,000 tonne combined weight of the tokomak itself and the rest of the cryostat will bear directly onto this component.
The thickest metal in the cryostat is found in the pedestal — 200mm — which is now undergoing final welding and is being finished directly above the baseplate, onto which it will be welded before the whole base assembly is lifted into the pit. The base is the heaviest single component of the fusion machine, weighing 1250 tonnes.
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A rendering of the cryostat, showing the four components / Uno schema del criostato, che mostra i quattro componenti
On top of the base will sit two cylindrical tiers with an internal diameter of 28m. Both tiers have holes matching those of the bioshields, which will be connected to instrumentation and equipment by leak-tight bellows. On the lower of these, the first welding pass to link the pieces together is completed; the second welding pass will complete the joints to ensure leak-tightness. The parts of the upper tier are currently arriving from India. The final component, the lid, will be last to be assembled and the last piece of the fusion machine to be put in place.
Winding poloidal field double-pancakes. A reel of superconducting cable is surrounded by red scaffolding on the left / Doppia frittella di campo poloidale avvolgente. Una bobina di cavo superconduttore è circondata da un'impalcatura rossa sulla sinistra
Not far away from the cryostat hall is a facility that was cavernous and intimidatingly empty on my last visit. Here, the poloidal field coils of Iter are being wound. Iter will have three sets of magnets: the central solenoid, a pillar that will sit in the middle of the torus and is important for driving a current around the plasma.
Toroidal coils, which occupy the position of lines of longitude on a globe and are the main method for squeezing the plasma; and poloidal coils, which occupy the lines of latitude will help to stabilize and shape the plasma. The six poloidal coils are among the largest and heaviest components of the whole assembly, and apart from the top and bottom coils are too big to be transported to the site from an external manufacturer, so the four middle coils, with diameters of 24 and 17m, must be wound on-site with only their component parts — a cable formed from strands of superconducting niobium-titanium alloy, bundled and packed into hefty stainless steel conduits through which liquid helium coolant will circulate.
Though the steel is some millimeters thick, this cable arrives at the site wound onto huge 20 tonne reels; it is then laboriously unwound, cleaned, straightened, and forced into a more gentle curve to form the flat hoops of the poloidal coils.
Like many of the operations that will form Iter, this is a sequential process. The coils will be deployed not singly but in winding packs, each pack consisting of multiple ‘double-pancakes’ of two identical coils; and building these packs is complicated.
While being wound, the coils are wrapped in glass fiber insulating tape in an automated process where the winding speed and tension are carefully controlled. The completed double pancake, the largest of which now weighs 37 tonnes, is then lifted with the magnet assembly building’s overhead crane into a mould, where it is impregnated with epoxy resin under pressure.
The number of double-pancakes in each magnet pack is determined by position, from the bottom of the machine magnet packs. 1, 3, 4 and 5 have eight double pancakes, while pack two has six and pack 6 has nine.
To form the packs, solid double-pancakes must be stacked together, undergo an additional vacuum resin impregnation step, and have additional components such as clamps, protective covers and liquid inlet and outlet pipes added.
Progress on on-site magnet production is now at a stage where the first vacuum impregnation processes can begin. Off-site, pack 1 (the smallest and upper-most poloidal coil) is now halfway through production at the Srednenevsky Shipbuilding Plant in St Petersburg, with its fifth double-pancake being wound and the first two having now completed vacuum impregnation. The third double-pancake was being impregnated as this article was being written.  

Putting it together; the assembly schedule

The building sequence that will lead up to the completion of the fusion machine is now clear, but it won’t be quick. First, the remaining construction of the tokamak building itself must be completed, so that the rails of the crane in the assembly hall can be extended over the tokamak pit. Completion is expected by the end of 2018. Then the wall between the assembly hall and tokamak hall (currently towering over the tokamak pit and adorned with a huge poster showing a cutaway diagram of the fusion machine) will be demolished, and the neutral beam equipment installed. The base of the cryostat will then be lowered into place early in 2019, followed by the first two poloidal field coils.
Assembly of the tokamak vacuum vessel itself can then start. The first stages of this part of the assembly process have already begun in the assembly hall. The floor of the hall is being prepared for the arrival of two vacuum vessel sector sub-assembly tools, which are being built by Taekyung Heavy Industries in South Korea. The ground-level supporting components of the tools are now grouted into position, and the components of the tools themselves are now arriving at Cadarache.
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One of the vacuum vessel sector assembly tools assembled for testing in Korea; the dark grey components are test masses / Uno degli strumenti di assemblaggio del settore dei recipienti sottovuoto assemblati per le prove in Corea; i componenti grigio scuro sono masse di prova
These tools will themselves be mammoth components, 22m tall, weighing 800 tonnes and with two hinged hydraulic ‘wings’ that can open to a width of 20m. The role of each tool is to suspend a 40° slice of the toroidal vacuum vessel (seven are being forged in Italy; the other two in Korea) in a precise position, while the wings will suspend two toroidal field coils and thermal shield components, sliding them around the outside of the vacuum vessel sector where they will be fixed into position, along with associated thermal shielding.
Assembling the sectors is a task requiring extraordinary precision, and the assembly tools will be heavily equipped with sensors to measure the relative positions of the components as they are hoisted into position, manoeuvred and welded into place. It will take both of the assembly hall’s overhead cranes working in concert to lift and move the assembled sectors, which will weigh 1200 tonnes each.
Once the nine sectors of the tokamak – each a vacuum vessel/toroidal field coil/thermal shield assembly – are in place and welded together, the remaining four poloidal coils will be hoisted into position, followed by the upper and lower tiers of the cryostat. The central solenoid, being made in the US, will then be craned in and installed (the ceilings of the tokamak and assembly halls are twice the height of the fusion machine to allow clearance for this component, which runs the full height of the vacuum vessel). Then it’s time for the final component, the cryostat lid, to be installed.
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A vacuum vessel sector component ready for machining / Un componente del settore dei vasi sottovuoto pronto per la lavorazione
In-vessel assembly can then begin, carried out by hand and by an array of robotic equipment, installing equipment to put the tokomak in its initial configuration for first plasma in 2025.
Once the first plasma campaign is complete, the configuration of the tokomak interior will be altered, with further equipment installed, including the diverter (a water-cooled structure, made moistly of titanium, at the base of the torus where the plasma touches the wall and most of its energy is expended), ready for deuterium-tritium plasma operation, where actual fusion will take place, from 2035. This will also include testing of breeder blanket modules, where collisions between neutrons and lithium atoms will generate tritium. Commercial fusion plants, if feasible, will need to generate their own tritium; it is radioactive and currently produced only in small quantities in specialised nuclear reactors

Power up: the neutral beam injectors

In order to produce a burning plasma — a state of self-supporting nuclear fusion in the hot soup of charged particles circulating inside the vacuum chamber, which has never before been achieved — the plasma must be heated. There are three ways of doing this. The first is to induce a current around the plasma, which is achieved using the magnet systems (mainly the central solenoid); and two external methods: microwave — or radiofrequency — heating, of which Iter will use two types; and neutral beam injection.
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Rendering of a neutral beam injector; the D-shaped object is a toroidal field coil shown inside the cryostat / Schema di un iniettore a fasci neutri; l'oggetto a forma di D è una bobina di campo toroidale mostrata all'interno del criostato
Neutral beams are jets of electrically-neutral hydrogen atoms, accelerated at high speed into the plasma, where they give up their energy by colliding with the particles of the plasma. They have to be uncharged, or they would be deflected out of the plasma by the magnetic fields. But to be accelerated at all, they have to be charged, so neutral beam injectors work by stripping an electron away from hydrogen atoms, accelerating them with linear magnetic fields to a high velocity, passing them through a gas chamber where they reacquire their lost electron without losing momentum, then sending them into the tokamak.
This is proven technology — most tokamaks use it, including the Joint European Torus in the UK, but Iter’s system will have to accelerate atoms three to four timers faster than any previous injectors, for them to penetrate deeply enough into the plasma to be effective. The faster positive ions are traveling, the harder they are to neutralize; so Iter will use injectors which make and accelerate negatively-charged ions — the first time this method has been used. Negative hydrogen ions are less stable than positive ones, so easier to neutralize but harder to handle.
Iter will have three injectors; two for heating and one for diagnostics. Each of the two heating injectors will be able to supply 16.5MW of power at 1MeV of energy, in pulses up to an hour long. The hardware is being developed at a facility in Italy called PRIMA, which houses two testbeds: SPIDER, for the development and characterization of the negative ion source, and MITICA, a full-scale prototype of an injector. Europe, Japan and India are all contributing to this effort, and the last components for the Japanese contribution to MITICA — parts of the power supply — were delivered in November.
PRIMA provides an example of the scale of companies contributing to Iter. OCEM, a Bologna-based electrical equipment specialist more commonly involved in providing airfield lighting, is developing and providing components for the power supply of SPIDER. “We are an SME, but Iter has helped us think big,” says OCEM power division MD Giuseppe Taddia. “It has helped us increase our technical skills and skills in project and contract management, as well as helping us motivate our staff.”
At the other end of the industrial spectrum, Siemens and Hitachi are collaborating on developing an ultra-high voltage deck and bushing for the injectors. Operating at 1MV DC, weighing 100tonnes and requiring seismic qualification, it is well in excess of anything used in industry.

ITALIANO

L'assemblaggio del più grande esperimento di fusione nucleare del mondo è ora un problema di ingegneria. Ma potrebbe essere la sfida più scoraggiante che sia mai stata posta, come spiega Stuart Nathan.
La mia ultima visita al sito di Iter, il progetto internazionale per sviluppare e costruire il più grande reattore nucleare mai realizzato al mondo e un modello per il gruppo propulsore di centrali elettriche a fusione prospettica, è stato iniziato tre anni fa. Poi, c'era relativamente poco da vedere sul posto, dato che le fondamenta che sosterrebbero l'enorme peso della macchina per la fusione erano ancora in costruzione e il calcestruzzo non era ancora stato versato. La situazione ora è molto diversa.
Gli aspetti teorici e di progettazione della "macchina di fusione" di Iter - come è noto all'interno dell'organizzazione - sono stati in gran parte finalizzati e i contratti per la costruzione dei suoi componenti sono stati distribuiti tra i suoi stati membri. Il compito rimanente, per raggruppare tutti i 10 milioni di componenti, è essenzialmente un programma di ingegneria meccanica, elettrica e di processo; ma che programma impegnativo.
Sarà la macchina più complessa mai costruita - un riconoscimento che è stato tenuto in varie occasioni nei decenni scorsi dal Boeing 747, dal modulo di comando Apollo, dai sottomarini missilistici nucleari statunitensi e dal Large Hadron Collider. A causa del livello di strumentazione e della necessità di conformarsi alle normative nucleari esistenti, Iter è attualmente considerato il più complesso reattore a fusione mai costruito.
Tornando a Cadarache, vicino a Marsiglia, poche settimane fa, il progresso era ovvio sin dal primo sguardo.

Edifici sul terreno

Il paesaggio riarso e inondato di sole è lo stesso, ma mentre in precedenza, solo le ossa di alcuni edifici stavano proiettando dal plateau roccioso artificiale che forma il sito di Iter, il complesso completo ora sta visibilmente prendendo forma.
Il progresso più ovvio è sul complesso tokamak. Formando una forma a T, con la sala delle assemblee a sud e l'edificio diagnostico ancora non costruito e la centrale di trizio che fiancheggiano la sala tokamak stessa verso est e ovest, la sala riunioni è completa e le pareti della sala quadrata del tokomak stanno ora salendo sopra il pozzo dove si trova la macchina, scendendo due piani sottoterra. Nei prossimi mesi la sala racchiude completamente una tozza torre di cemento circolare che sale dal fondo del pozzo, traforata da fori rettangolari e ovali. Ricorda le fortificazioni medievali, questo è il bioshermo che manterrà gli operatori di Iter al sicuro dal flusso letale di neutroni che la reazione di fusione produrrà in funzione.
Il calcestruzzo del pavimento, delle pareti del padiglione e del bioshermo è regolarmente costellato di lastre di acciaio rettangolari su cui verrà saldata la macchina per fusione per tenerla saldamente in posizione, in conformità con le normative nucleari francesi.
Più strutture di supporto in cemento irradiano dal bioshermo negli spazi che saranno occupati dall'attrezzatura che riscalderà il plasma di idrogeno confinato da potenti magneti all'interno della camera a vuoto toroidale del tokamak; a nord ci saranno i generatori di radiofrequenza, che esploderanno nell'energia a microonde, e le apparecchiature per riempire il plasma soffiando dentro pellet di idrogeno congelato; e a sud - stretti tra il tokamak stesso e l'aula magna, che sarà poi ridondante (e secondo il personale scherzoso, la location per le feste da ballo) - ci saranno iniettori a raggio neutro, enormi dispositivi che accellerano i fasci di idrogeno, li renderanno elettricamente neutri e poi li gettano nel plasma (di più su questi sotto).

Produzione del freddo; il crioplant

Nelle vicinanze sul sito c'è la crioplastica che fornirà e gestirà l'elio liquido, l'ingrediente cruciale per raffreddare i magneti del tokamak allo zero quasi assoluto (la temperatura precisa è di -269 ° C), mantenendo le loro bobine elettriche superconduttive in uno stato di resistenza zero . Ciò consente di mantenere i campi magnetici titanici che tengono il plasma schiacciato e accelerano le sue particelle componenti (i nuclei degli isotopi dell'idrogeno pesante deuterio e trizio) a velocità enormi (corrispondenti a temperature di 150 × 106 ° C, dieci volte più caldo del centro del sole).
La temperatura e il confinamento sono le due condizioni più cruciali necessarie per forzare le particelle, che portano tutte identiche cariche elettriche positive, a superare la repulsione elettrostatica e collidersi l'una con l'altra con una quantità di moto sufficiente a fondersi insieme in nuclei di elio, liberando l'energia che è lo scopo del progetto.
La crioplastica, la più grande al mondo, comprende tre frigoriferi identici che liquefanno circa 25 tonnellate di gas elio per alimentare i magneti e le pompe per vuoto. Capace di un tasso di liquefazione di 1.230 litri all'ora, queste unità di refrigerazione sono alimentate da 18 compressori. Un altro impianto di refrigerazione contenente due unità produrrà azoto liquido dall'aria, che fungerà da pre-raffreddatore nell'impianto di elio e raffredderà anche lo schermo termico del tokamak, riducendo il carico sul sistema di raffreddamento superconduttore.

Bobine e criostato; produzione sul posto

Forse il più eccitante di tutti per i visitatori sono due edifici in cui è in corso la fabbricazione di componenti reali. In uno, gli appaltatori del conglomerato d'ingegneria indiano Larsen & Toubro stanno saldando enormi componenti d'acciaio insieme nel criostato del tokamak.
Dando già l'impressione di essere su scala del Colosseo, questa sarà la più grande costruzione  a vuoto mai costruita, con 30 metri di larghezza e altezza, per un peso totale di 3850 tonnellate e con un volume di 16.000 m3. Manterrà lo scudo termico e manterrà anche il suo interno ad una pressione di 10-4Pa. Il più grande contributo dell'India al progetto Iter, i componenti del criostato saranno il primo e l'ultimo pezzo del gruppo della macchina per fusione da installare nel pozzo del tokamak.

L'installazione del criostato sarà un processo scaglionato e anche il suo assemblaggio. Le sezioni di acciaio inossidabile vengono saldate insieme in quattro componenti molto grandi. Il primo ad essere installato è la base, la cui piastra inferiore, a forma di piatto largo e piatto con bordo rialzato, è completa. In cima a questo andrà il piedistallo, un cilindro poco profondo sormontato da un bordo piatto; il peso combinato di 25.000 tonnellate del tokamak stesso e il resto del criostato si rifletteranno direttamente su questo componente.
Il metallo più spesso nel criostato si trova nel piedistallo - 200 mm - che ora sta subendo la saldatura finale e viene rifinito direttamente sopra la piastra di base, sulla quale sarà saldato prima che l'intero assieme di base venga sollevato nella fossa. La base è il componente singolo più pesante della macchina per fusione, del peso di 1250 tonnellate.

Sulla sommità della base siederanno due livelli cilindrici con un diametro interno di 28 m. Entrambi i livelli hanno fori corrispondenti a quelli dei bioshermi, che saranno collegati alla strumentazione e alle apparecchiature da soffietti a tenuta stagna. Nella parte inferiore di questi, viene completata la prima passata di saldatura per collegare i pezzi; la seconda passata di saldatura completerà i giunti per garantire tenuta stagna. Le parti del livello superiore arrivano attualmente dall'India. Il componente finale, il coperchio, sarà l'ultimo ad essere assemblato e l'ultimo pezzo della macchina per fusione da mettere in posizione.

Non lontano dalla sala dei criostati c'è una struttura che era cavernosa e intimidatoriamente vuota nella mia ultima visita. Qui, le bobine di campo poloidali di Iter vengono trattate. Iter avrà tre serie di magneti: il solenoide centrale, un pilastro che si posizionerà nel mezzo del toro ed è importante per guidare una corrente attorno al plasma.
Bobine toroidali, che occupano la posizione delle linee di longitudine su un globo e sono il metodo principale per spremere il plasma; e le bobine poloidali, che occupano le linee di latitudine, contribuiranno a stabilizzare e modellare il plasma. Le sei bobine poloidali sono tra le componenti più grandi e pesanti dell'intero assieme e, a parte le bobine superiore e inferiore, sono troppo grandi per essere trasportate al sito da un produttore esterno, quindi le quattro bobine centrali, con diametri di 24 e 17 metri , deve essere avvolte sul posto con solo le loro parti componenti - un cavo formato da trefoli di lega superconduttiva al niobio-titanio, impacchettato e confezionato in pesanti condotti di acciaio inossidabile attraverso i quali circola il liquido refrigerante ad elio.
Sebbene l'acciaio abbia uno spessore di qualche millimetro, questo cavo arriva al sito avvolto su enormi bobine da 20 tonnellate; viene poi faticosamente svolto, pulito, raddrizzato e forzato in una curva più delicata per formare i cerchi piatti delle bobine poloidali.
Come molte delle operazioni che formeranno Iter, questo è un processo sequenziale. Le bobine saranno schierate non singolarmente ma in branchi tortuosi, ogni pacchetto composto da più "doppia frittella" di due bobine identiche; e la costruzione di questi pacchetti è complicata.
Durante la fase di avvolgimento, le bobine vengono avvolte in un nastro isolante in fibra di vetro in un processo automatizzato in cui la velocità e la tensione dell'avvolgimento vengono controllate attentamente. Il doppio pancake completato, il più grande dei quali ora pesa 37 tonnellate, viene quindi sollevato con la gru a ponte dell'edificio di costruzione del magnete in uno stampo, dove viene impregnato con resina epossidica sotto pressione.
Il numero di pancake doppi in ciascun pacchetto di magneti è determinato dalla posizione, dal fondo dei pacchetti magnetici della macchina. 1, 3, 4 e 5 hanno otto pancake doppi, mentre il pacchetto due ne ha sei e il pacchetto 6 ne ha nove.
Per formare i pacchi, i pancake doppi solidi devono essere impilati insieme, sottoposti a un'ulteriore fase di impregnazione con resina sottovuoto e aggiunti componenti aggiuntivi come fascette, coperchi di protezione e tubi di ingresso e di uscita del liquido.
I progressi nella produzione di magneti sul posto sono ora in una fase in cui possono iniziare i primi processi di impregnazione del vuoto. Fuori sede, il pack 1 (la bobina poloidale più piccola e più alta) è ora a metà della produzione dello stabilimento navale Srednenevsky di San Pietroburgo, con il quinto doppio pancake in fase di avvolgimento e i primi due che hanno ora completato l'impregnazione sotto vuoto. Il terzo doppio pancake veniva impregnato mentre questo articolo veniva scritto.

Mettendolo insieme; il programma di assemblaggio

La sequenza di costruzione che porterà al completamento della macchina per la fusione è ora chiara, ma non sarà rapida. In primo luogo, è necessario completare la costruzione rimanente del tokamak stesso, in modo che le rotaie della gru nella sala riunioni possano essere estese sopra la fossa del tokamak. Il completamento è previsto per la fine del 2018. Quindi il muro tra la sala assemblea e la sala del tokamak (che sovrasta il pozzo del tokamak e decorato con un enorme poster che mostra un diagramma a sezione della macchina per fusione) sarà demolito e l'attrezzatura del raggio neutro installato. La base del criostato verrà quindi abbassata all'inizio del 2019, seguita dalle prime due bobine di campo poloidali.
A questo punto, può iniziare il montaggio del contenitore del vuoto tokamak. Le prime fasi di questa parte del processo di assemblaggio sono già iniziate nella sala riunioni. Il pavimento della sala è in fase di preparazione per l'arrivo di due attrezzi per il sottosistema del sottovuoto, che vengono costruiti dalla Taekyung Heavy Industries in Corea del Sud. I componenti di supporto a livello del suolo degli strumenti sono ora stuccati in posizione e i componenti degli strumenti stessi arrivano ora a Cadarache.

Questi strumenti saranno essi stessi componenti mastodontici, alti 22 metri, del peso di 800 tonnellate e con due "ali" idrauliche a cerniera che possono aprirsi fino a una larghezza di 20 metri. Il ruolo di ogni strumento è quello di sospendere una fetta di 40 ° del vaso toroidale (sette sono stati forgiati in Italia, gli altri due in Corea) in una posizione precisa, mentre le ali sospenderanno due bobine di campo toroidale e componenti di scudo termico, facendoli scorrere all'esterno del settore dei vasi sottovuoto dove verranno fissati in posizione, insieme alla schermatura termica associata.
L'assemblaggio dei settori è un compito che richiede una precisione straordinaria e gli strumenti di assemblaggio saranno dotati di sensori per misurare le posizioni relative dei componenti mentre vengono issati in posizione, manovrati e saldati in posizione. Per sollevare e spostare i settori assemblati, che peseranno 1200 tonnellate ciascuno, saranno necessarie entrambe le gru a ponte della sala riunioni.
Una volta che i nove settori del tokamak - ciascuno di un vaso sottovuoto / bobina di campo toroidale / assemblaggio di scudi termici - sono saldati, le rimanenti quattro bobine poloidali saranno issate in posizione, seguite dai livelli superiore e inferiore del criostato. Il solenoide centrale, realizzato negli Stati Uniti, verrà quindi inserito e installato (i soffitti del tokamak e delle sale di assemblaggio sono il doppio dell'altezza della macchina di fusione per consentire l'eliminazione di questo componente, che funziona a tutta altezza della pompa a vuoto ). Quindi è il momento di installare il componente finale, il coperchio del criostato.

L'assemblaggio del sistema può quindi iniziare, effettuata a mano e con una serie di apparecchiature robotiche, installando l'attrezzatura per mettere il tokamak nella sua configurazione iniziale per il primo plasma nel 2025.
Una volta completata la prima campagna al plasma, la configurazione dell'interno del tokomak verrà alterata, con ulteriori apparecchiature installate, incluso il deviatore (una struttura raffreddata ad acqua, fatta umidamente di titanio, alla base del toro dove il plasma tocca il muro e gran parte della sua energia è spesa), pronta per il funzionamento del plasma al deuterio-trizio, dove avrà luogo la fusione vera e propria, a partire dal 2035. Ciò comprenderà anche il test dei moduli del costitutore, dove le collisioni tra neutroni e atomi di litio genereranno trizio. Gli impianti di fusione commerciali, se fattibili, dovranno generare il loro trizio; è radioattivo e attualmente viene prodotto solo in piccole quantità in reattori nucleari specializzati

Accensione: gli iniettori del raggio neutro

Per produrre un plasma in fiamme - uno stato di fusione nucleare autosufficiente nel brodo caldo di particelle cariche che circolano all'interno della camera a vuoto, che non è mai stato raggiunto prima - il plasma deve essere riscaldato. Ci sono tre modi per farlo. Il primo è quello di indurre una corrente attorno al plasma, che si ottiene usando i sistemi di magneti (principalmente il solenoide centrale); e due metodi esterni: microonde - o radiofrequenza - riscaldamento, di cui Iter utilizzerà due tipi; e iniezione del raggio neutro.

I fasci neutri sono getti di atomi di idrogeno neutrali elettricamente, accelerati ad alta velocità nel plasma, dove essi rilasciano la loro energia entrando in collisione con le particelle del plasma. Devono essere scaricati, o sarebbero deviati dal plasma dai campi magnetici. Ma per essere accelerati, devono essere caricati, quindi gli iniettori di fasci neutri funzionano rimuovendo un elettrone dagli atomi di idrogeno, accelerandoli con campi magnetici lineari ad alta velocità, facendoli passare attraverso una camera a gas dove riacquistano il loro elettrone perso senza perdere slancio, quindi mandandoli nel tokamak.
Questa è tecnologia collaudata - la maggior parte dei tokamak lo usa, incluso il Joint European Torus nel Regno Unito, ma il sistema di Iter dovrà accelerare gli atomi da tre a quattro volte più velocemente di qualsiasi iniettore precedente, perché possano penetrare abbastanza profondamente nel plasma per essere efficaci. Più gli ioni positivi sono più veloci , più è difficile da neutralizzare; quindi Iter utilizzerà gli iniettori che producono e accelerano gli ioni caricati negativamente - la prima volta che questo metodo verrà utilizzato. Gli ioni negativi di idrogeno sono meno stabili di quelli positivi, quindi più facili da neutralizzare ma più difficili da gestire.
Iter avrà tre iniettori; due per il riscaldamento e uno per la diagnostica. Ciascuno dei due iniettori di riscaldamento sarà in grado di fornire 16,5 MW di potenza a 1 MeV di energia, in impulsi fino ad un'ora. L'hardware è in fase di sviluppo presso uno stabilimento in Italia denominato PRIMA, che ospita due banchi di prova: SPIDER, per lo sviluppo e la caratterizzazione della sorgente di ioni negativi, e MITICA, un prototipo su scala reale di un iniettore. L'Europa, il Giappone e l'India stanno contribuendo a questo sforzo e gli ultimi componenti del contributo giapponese a MITICA - parti della fornitura di energia elettrica - sono stati consegnati a novembre.
PRIMA fornisce un esempio della scala delle aziende che contribuiscono a Iter. OCEM, uno specialista di apparecchiature elettriche con sede a Bologna più comunemente coinvolto nella fornitura di illuminazione di aerodromi, sta sviluppando e fornendo componenti per l'alimentazione di SPIDER. "Siamo una PMI, ma Iter ci ha aiutato a pensare in grande", afferma il dott. Giuseppe Taddia, responsabile della divisione OCEM. "Ci ha aiutato ad aumentare le nostre capacità tecniche e competenze nella gestione di progetti e contratti, oltre ad aiutarci a motivare il nostro personale."
All'altro estremo dello spettro industriale, Siemens e Hitachi stanno collaborando allo sviluppo di un ponte e boccola ad altissima tensione per gli iniettori. Operando a 1MV DC, con un peso di 100 tonnellate e richiedendo qualifica sismica, è ben superiore a qualsiasi impianto utilizzato nell'industria.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/fusion-iter/?cmpid=tenews_4558674&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E

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