Il progetto di energia da fusione ITER ha segnato una pietra miliare significativa con il completamento di 19 bobine di campo toroidali, cruciali per il confinamento magnetico nell’energia da fusione.
Sviluppati in due decenni attraverso uno lavoro multinazionale, questi componenti rappresentano un passo avanti nella produzione di una fonte di energia pulita e abbondante. Questo progetto dimostra un’eccezionale collaborazione internazionale e innovazione tecnologica, che ha coinvolto oltre 30 paesi e numerose aziende high-tech.
ITER: completate 19 bobine per l’energia da fusione
Dopo due decenni di progettazione, produzione, fabbricazione e assemblaggio in tre continenti, lo storico progetto multinazionale di energia da fusione ITER ha celebrato il completamento e la consegna delle sue enormi bobine di campo toroidale provenienti da Giappone ed Europa.
Masahito Moriyama, Ministro dell’Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia del Giappone, e Gilberto Pichetto Fratin, Ministro dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica dell’Italia, parteciperanno alla cerimonia insieme ai funzionari degli altri membri dell’ITER.
Diciannove gigantesche bobine di campo toroidale sono state consegnate nel sud della Francia. Saranno componenti chiave di ITER, il mega-progetto sperimentale di fusione che utilizzerà il confinamento magnetico per imitare il processo che alimenta il Sole e le stelle e fornisce luce e calore alla Terra.
La ricerca sulla fusione mira a sviluppare una fonte di energia sicura, abbondante e rispettosa dell’ambiente.
ITER è una collaborazione di oltre 30 paesi partner: Unione Europea, Cina, India, Giappone, Corea, Russia e Stati Uniti. La maggior parte dei finanziamenti di ITER è sotto forma di componenti forniti. Questo accordo ha spinto aziende come Mitsubishi Heavy Industries, ASG Superconductors, Toshiba Energy Systems, SIMIC, CNIM e molte altre ad ampliare la propria competenza nelle tecnologie all’avanguardia necessarie per la fusione.
Le bobine di campo toroidale a forma di D saranno posizionate attorno al recipiente a vuoto dell’ITER, una camera a forma di ciambella chiamata tokamak. All’interno del recipiente, i nuclei atomici leggeri saranno fusi insieme per formare quelli più pesanti, liberando un’enorme energia dalla reazione di fusione.
Il combustibile per questa reazione di fusione è costituito da due forme di idrogeno, deuterio e trizio (DT). Questo combustibile verrà iniettato come gas nel tokamak. Facendo passare una corrente elettrica attraverso il gas, esso diventa un plasma ionizzato, il quarto stato della materia, una nuvola di nuclei ed elettroni.
Il plasma verrà riscaldato a 150 milioni di gradi, 10 volte più caldo del nucleo del sole. A questa temperatura, la velocità dei nuclei atomici leggeri è sufficientemente elevata da consentire loro di scontrarsi e fondersi. Per dare forma, confinare e controllare questo plasma estremamente caldo, il tokamak ITER deve generare una gabbia magnetica invisibile, conformata con precisione alla forma del recipiente metallico a vuoto.
ITER utilizza niobio-stagno e niobio-titanio come materiale per le sue bobine giganti. Quando vengono energizzate con l’elettricità, le bobine diventano elettromagneti. Successivamente vengono raffreddate con elio liquido a -269 gradi Celsius (4 Kelvin), diventando superconduttrici.
I componenti principali dell’ITER
Per creare i campi magnetici precisi richiesti, ITER ha impiegato tre diverse serie di magneti. I diciotto magneti di campo toroidali a forma di D confinano il plasma all’interno del contenitore. I magneti di campo poloidale, un set impilato di sei anelli che circondano orizzontalmente il tokamak, controllano la posizione e la forma del plasma.
Al centro del tokamak, il solenoide centrale cilindrico usa un impulso di energia per generare una potente corrente nel plasma. A 15 milioni di ampere, la corrente di plasma di ITER sarà molto più potente di qualsiasi cosa possibile nei tokamak attuali o precedenti.
Dieci bobine sono state prodotte in Europa, sotto gli auspici dell’Agenzia nazionale europea dell’ITER, Fusion for Energy (F4E). Otto più una di scorta sono state prodotte in Giappone, gestite da ITER Japan, parte dei National Institutes for Quantum Science and Technology (QST).
Ogni bobina completata è enorme: è alta 17 metri, larga 9 metri e pesa circa 360 tonnellate.
Le bobine di campo toroidale funzioneranno insieme, di fatto, come un unico magnete: il magnete più potente mai realizzato.
Genereranno un’energia magnetica totale di 41 gigajoule. Il campo magnetico di ITER sarà circa 250.000 volte più forte di quello della Terra.
ITER: realizzate bobine di campo toroidale
Il processo di fabbricazione è iniziato con la produzione di un filamento di niobio-stagno. Sono stati necessari più di 87.000 chilometri di filo sottile per creare 19 bobine di campo toroidali. Questo filamento è stato prodotto in Cina, Europa, Giappone, Corea, Russia e Stati Uniti.
Centinaia di fili di niobio e stagno sono stati avvolti con fili di rame fino a formare un fascio simile a una corda e inseriti in una guaina di acciaio, con un canale centrale per accogliere il flusso forzato di elio liquido.
Il risultato, un “cavo in condotto“, o semplicemente “conduttore“, costituisce l’elemento centrale delle bobine. Questo materiale conduttore è stato spedito in Giappone e in Europa per iniziare il processo di fabbricazione.
La fabbricazione vera e propria è stata ancora più impegnativa. Per iniziare, circa 750 metri del conduttore sono stati piegati in una traiettoria a doppia spirale e trattati termicamente a 650 gradi Celsius. Sono stati poi inseriti con precisione in una “piastra radiale” a forma di D, una struttura in acciaio inossidabile con scanalature su entrambi i lati in cui si incastra il conduttore.
Il conduttore è stato avvolto e isolato usando vetro e nastro Kapton. Le piastre di copertura sono state montate e saldate al laser. Questo ha creato un “doppio pancake“, un enorme ma delicato sottocomponente fatto di due strati di conduttore. L’intero “doppio pancake” è stato poi avvolto di nuovo con nastro isolante e iniettato con resina per aggiungere resistenza strutturale, usando il vuoto per rimuovere eventuali sacche d’aria.
Nella fase successiva, “sette pancake doppi” sono stati impilati per creare un “pacchetto di avvolgimento”, formando il nucleo del magnete finale. Ogni “pancake doppio” è stato unito al successivo per la continuità elettrica. Il pacco di avvolgimento complessivo è stato isolato, trattato termicamente e nuovamente iniettato con resina.
Il pacco di avvolgimento è stato infine inserito in una massiccia cassa in acciaio inossidabile adatta allo scopo, del peso di circa 200 tonnellate, sufficientemente robusta da resistere alle immense forze che saranno generate durante il funzionamento dell’ITER.
Più di 40 aziende sono state coinvolte nella creazione delle bobine a campo toroidale (TF). Alcune delle principali aziende europee includono:
- ASG Superconductors che ha prodotto 70 doppi pancake da TF e 10 pacchetti di avvolgimento.
- CNIM ha prodotto 35 piastre radiali TF.
- SIMIC ha prodotto 35 piastre radiali TF e completato 10 bobine TF.
- Iberdrola ha coordinato la produzione di 10 pacchi di avvolgimenti per bobine TF.
- Elytt Energy ha prodotto gli utensili per i doppi pancake da 70 TF.
- BNG ha completato il test a freddo, a 80 Kelvin, di 10 pacchi di avvolgimenti TF.
Il Giappone è stato responsabile della fabbricazione di tutti i 19 involucri delle bobine TF, in una collaborazione tra Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba Energy Systems e Hyundai Heavy Industries. Inoltre, le principali aziende coinvolte nella fabbricazione delle bobine TF del Giappone includono:
- La Mitsubishi Electric Corporation ha prodotto 5 pacchi di avvolgimenti TF.
- Arisawa Manufacturing ha prodotto tutti i nastri isolanti.
- Mitsubishi Heavy Industries ha completato 5 bobine TF.
- Toshiba Energy Systems ha completato 4 bobine TF.
Pietro Barabaschi, Direttore generale ITER ha dichiarato in una nota: “Il completamento e la consegna delle 19 bobine di campo toroidali ITER rappresentano un risultato monumentale. Ci congratuliamo con i governi membri, le agenzie nazionali ITER, le aziende coinvolte e i numerosi individui che hanno dedicato innumerevoli ore a questa straordinaria impresa”.
