Dopo un decennio di progettazione e fabbricazione, La General Atomics è pronta a spedire il primo modulo del Solenoide Centrale, il magnete più potente del mondo. Diventerà una componente centrale di ITER, una macchina che replica il potere di fusione del sole. ITER è in costruzione nel sud della Francia da 35 paesi partner.

La missione di ITER è dimostrare che l'energia dalla fusione dell'idrogeno può essere creata e controllata sulla terra. L'energia da fusione è priva di carbonio, sicuro ed economico. I materiali per alimentare la società con la fusione dell'idrogeno per milioni di anni sono facilmente abbondanti.

Nonostante le difficoltà del Covid-19, ITER è costruito per quasi il 75%. Negli ultimi 15 mesi, massicci componenti di prima qualità hanno cominciato ad arrivare in Francia da tre continenti. Quando assemblati insieme, costituiranno il Tokamak ITER, un "sole sulla terra" per dimostrare la fusione su scala industriale.

ITER è una collaborazione di 35 paesi partner:Unione Europea (più Regno Unito e Svizzera), Cina, India, Giappone, Corea, Russia e Stati Uniti. La maggior parte dei finanziamenti di ITER è sotto forma di componenti contributivi. Questa disposizione spinge aziende come la General Atomics ad espandere la propria esperienza nelle tecnologie futuristiche necessarie per la fusione.

Il Solenoide Centrale, il più grande dei magneti di ITER, sarà composto da sei moduli. È uno dei maggiori contributi degli Stati Uniti a ITER.

completamente assemblato, sarà alto 18 metri (59 piedi) e largo 4,25 metri (14 piedi), e peserà mille tonnellate. Indurrà una potente corrente nel plasma ITER, aiutando a modellare e controllare la reazione di fusione durante gli impulsi lunghi. A volte è chiamato il "cuore pulsante" della macchina ITER.

Quanto è potente il solenoide centrale? La sua forza magnetica è abbastanza forte da sollevare una portaerei di 2 metri (6 piedi) in aria. Al suo centro, raggiungerà un campo magnetico di 13 Tesla, circa 280, 000 volte più forte del campo magnetico terrestre. Le strutture di supporto per il Solenoide Centrale dovranno resistere a forze pari al doppio della spinta del decollo di una navetta spaziale.

All'inizio di quest'anno, La General Atomics (GA) ha completato il collaudo finale del primo modulo Solenoide Centrale. Questa settimana sarà caricato su un camion speciale per il trasporto pesante per la spedizione a Houston, dove sarà collocato su una nave oceanica per la spedizione nel sud della Francia.

Il Solenoide Centrale svolgerà un ruolo fondamentale nella missione di ITER per stabilire l'energia da fusione come pratica, fonte sicura e inesauribile di pulito, elettricità abbondante e senza emissioni di carbonio.

"Questo progetto è tra i più grandi, i programmi magnetici più complessi ed esigenti mai intrapresi, "dice John Smith, Direttore dell'Ingegneria e dei Progetti di GA. "Parlo a nome dell'intero team quando dico che questo è il progetto più importante e significativo della nostra carriera. Abbiamo tutti sentito la responsabilità di lavorare su un lavoro che ha il potenziale per cambiare il mondo. Questo è un risultato significativo per l'AG squadra e US ITER."

I moduli del solenoide centrale vengono prodotti presso il Magnet Technologies Center di GA a Poway, California, vicino a San Diego, sotto la direzione del progetto statunitense ITER, gestito dall'Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Cinque moduli solenoidi centrali aggiuntivi, più uno di scorta, sono in vari stadi di fabbricazione. Il modulo 2 verrà spedito ad agosto.

La promessa della fusione

La fusione dell'idrogeno è un metodo ideale per generare energia. Il carburante al deuterio è facilmente disponibile nell'acqua di mare, e l'unico sottoprodotto è l'elio. come un gas, carbone, o impianto di fissione, un impianto di fusione fornirà ad alta concentrazione, energia di carico di base 24 ore su 24. Eppure la fusione non produce emissioni di gas serra o scorie radioattive di lunga durata. Il rischio di incidenti con un impianto di fusione è molto limitato:se si perde il contenimento, la reazione di fusione si ferma semplicemente.

L'energia da fusione è più vicina di quanto molti si rendano conto. Potrebbe fornire una fonte di elettricità senza emissioni di carbonio per la rete, svolgendo un ruolo chiave mentre gli Stati Uniti e altre nazioni decarbonizzano le loro infrastrutture di generazione. Due recenti rapporti rilasciati dalla comunità della fusione delineano i modi in cui gli Stati Uniti possono arrivarci.

In dicembre, Il Comitato consultivo per le scienze energetiche del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti ha pubblicato un rapporto che delinea un piano strategico per la ricerca sull'energia da fusione e sulla scienza del plasma nel prossimo decennio. Richiede lo sviluppo e la costruzione di un impianto pilota di fusione entro il 2040.

Nel febbraio di quest'anno, le Accademie Nazionali delle Scienze, Ingegneria, and Medicine (NASEM) ha pubblicato un rapporto complementare che chiede un'azione aggressiva per costruire una centrale elettrica pilota. Il rapporto NASEM propone un progetto entro il 2028 e un impianto pilota di fusione nella linea temporale 2035-2040.

"Il punto di lavoro da questa linea temporale era delineare ciò che sarebbe necessario per avere un impatto sulla transizione verso la riduzione delle emissioni di carbonio entro la metà del secolo. Molti investimenti e attività essenziali dovrebbero iniziare ora per rispettare quella linea temporale, "dice Kathy McCarthy, Direttore dell'Ufficio del progetto ITER degli Stati Uniti presso l'Oak Ridge National Laboratory. "L'esperienza che stiamo acquisendo da ITER nell'integrazione, l'ingegneria su scala del reattore ha un valore inestimabile per realizzare un valido, percorso pratico verso l'energia da fusione".

Sfruttare le risorse globali per la ricerca sulla fusione

ITER ("The Way" in latino) è uno dei progetti energetici più ambiziosi mai tentati. Nel sud della Francia, una coalizione di 35 nazioni sta collaborando per costruire il più grande e potente dispositivo di fusione tokamak. La campagna sperimentale da svolgere presso ITER è fondamentale per preparare la strada alle centrali a fusione di domani.

Con l'accordo ITER del 2006, tutti i membri condivideranno equamente la tecnologia sviluppata finanziando solo una parte del costo totale. Gli Stati Uniti contribuiscono per circa il 9% dei costi di costruzione di ITER.

"Il progetto ITER è la collaborazione scientifica più complessa della storia, " dice il dottor Bernard Bigot, Direttore generale dell'Organizzazione ITER. "Componenti di prima qualità molto impegnativi vengono prodotti in tre continenti in un periodo di quasi 10 anni da aziende leader come General Atomics. Ogni componente rappresenta un team di ingegneri di prim'ordine. Senza questa partecipazione globale, ITER non sarebbe stato possibile; ma come uno sforzo congiunto, ogni squadra sfrutta il proprio investimento da ciò che impara dagli altri".

Sia le intuizioni ingegneristiche che i dati scientifici generati da ITER saranno fondamentali per il programma di fusione degli Stati Uniti. Come per gli altri membri, la maggior parte dei contributi degli Stati Uniti è sotto forma di produzione in natura. Questo approccio consente ai paesi membri di sostenere la produzione nazionale, creare posti di lavoro ad alta tecnologia, e sviluppare nuove capacità nell'industria privata.

"La consegna del primo modulo solenoide centrale ITER è un'entusiasmante pietra miliare per la dimostrazione dell'energia da fusione e anche un fantastico risultato della capacità degli Stati Uniti di costruire grandi, ad alto campo, magneti superconduttori ad alta energia, " dice il dottor Michael Mauel della Columbia University. "Il successo di GA nella costruzione, test, e la fornitura di magneti superconduttori ad alto campo per l'energia di fusione è una svolta high-tech per gli Stati Uniti e dà fiducia nella realizzazione dell'energia di fusione in futuro".

"Gli Stati Uniti sono un membro vitale del progetto ITER, che hanno avviato decenni fa, " Bigotto spiega, "Atomica generale, con la sua competenza di livello mondiale sia nella produzione complessa che nel controllo preciso dei campi magnetici, è un ottimo esempio della notevole esperienza portata sul tavolo da scienziati e ingegneri statunitensi."

ITER sarà il primo dispositivo di fusione a produrre energia netta attraverso il plasma, il che significa che la reazione di fusione genererà più energia termica dell'energia richiesta per riscaldare il plasma. ITER sarà anche il primo dispositivo di fusione a mantenere la fusione per lunghi periodi di tempo. ITER genererà 500 megawatt di energia da fusione termica, più di trenta volte il record attuale raggiunto sul tokamak JET nel Regno Unito.

ITER avrà molte capacità che vanno ben oltre gli attuali tokamak. Sebbene ITER non generi elettricità, sarà un banco di prova critico per le tecnologie integrate, materiali, e regimi fisici necessari per la produzione commerciale di elettricità basata sulla fusione. Le lezioni apprese a ITER verranno utilizzate per progettare la prima generazione di centrali elettriche a fusione commerciali.

"ITER svolge un ruolo centrale nelle attività di ricerca sul plasma bruciato negli Stati Uniti ed è il prossimo passo fondamentale nello sviluppo dell'energia da fusione, " dice il dottor Mauel.

Il Solenoide Centrale nel contesto

Il Magnet Technologies Center presso la General Atomics è stato sviluppato specificamente per la produzione del Solenoide Centrale, il più grande e potente elettromagnete superconduttore a impulsi mai costruito, in collaborazione con US ITER.

La creazione dei campi magnetici in un tokamak richiede tre diverse serie di magneti. Le bobine esterne attorno all'anello del tokamak producono il campo magnetico toroidale, confinando il plasma all'interno del vaso. Le bobine poloidali, una serie di anelli impilati che orbitano attorno al tokamak parallelamente alla sua circonferenza, controllare la posizione e la forma del plasma.

Al centro del tokamak, il Solenoide Centrale utilizza un impulso di energia per generare una potente corrente toroidale nel plasma che scorre intorno al toroide. Il movimento degli ioni con questa corrente crea a sua volta un secondo campo magnetico poloidale che migliora il confinamento del plasma, oltre a generare calore per la fusione. A 15 milioni di ampere, La corrente al plasma di ITER sarà molto più potente di qualsiasi cosa possibile negli attuali tokamak.

Il materiale superconduttore utilizzato nei magneti di ITER è stato prodotto in nove stabilimenti in sei paesi. I 43 chilometri (26,7 miglia) di superconduttore niobio-stagno per il solenoide centrale sono stati prodotti in Giappone.

Insieme, I magneti di ITER creano una gabbia invisibile per il plasma che si adatta precisamente alle pareti metalliche del tokamak.

Fare il Solenoide Centrale

La fabbricazione del primo modulo è iniziata nel 2015. È stata preceduta da quasi quattro anni di collaborazione con esperti di US ITER per progettare il processo e gli strumenti per la fabbricazione dei moduli.

Ogni 4,25 metri (14 piedi) di diametro, 110 tonnellate (250, 000 libbre) richiede più di due anni di fabbricazione di precisione da più di 5 chilometri (3 miglia) di cavo superconduttore niobio-stagno rivestito di acciaio. Il cavo è precisamente avvolto in piatto, "frittelle" a strati che devono essere accuratamente unite tra loro.

Per creare il materiale superconduttore all'interno dell'avvolgimento del modulo, il modulo deve essere accuratamente trattato termicamente in un grande forno, che funziona in modo simile a quello di un forno a convezione che si trova in molte cucine. Il vantaggio del forno a convezione è la capacità di abbreviare il processo complessivo mantenendo una "cottura" uniforme del modulo. Dentro la fornace, il modulo trascorre circa dieci giorni e mezzo a 570°C (1, 060°F) e altri quattro giorni a 650°C (1200°F). L'intero processo dura circa cinque settimane.

Dopo il trattamento termico, il cavo è isolato per garantire che non si verifichino cortocircuiti elettrici tra spire e strati. Durante l'isolamento del turno, il modulo deve essere non sospeso senza sovraccaricare il conduttore, che ora è sensibile alla deformazione a causa del trattamento termico.

Per eseguire il confezionamento, le spire del modulo sono allungate come un slinky, consentendo alle teste di nastratura di avvolgere l'isolamento in fibra di vetro/Kapton attorno al conduttore. Una volta avvolti i singoli giri, le superfici esterne del modulo vengono poi avvolte con isolamento a terra. L'isolamento del terreno è costituito da 25 strati di fibra di vetro e fogli di Kapton. L'isolamento a terra deve anche adattarsi perfettamente alle complesse caratteristiche della bobina, come gli ingressi di elio.

Dopo l'isolamento, il modulo è racchiuso in uno stampo, e 3, 800 litri (1, 000 galloni) di resina epossidica vengono iniettati sotto vuoto, per saturare i materiali isolanti ed evitare bolle o vuoti. Quando indurito a 650°C (260°F), la resina epossidica fonde l'intero modulo in un'unica unità strutturale.

Il modulo finito viene sottoposto a una serie di severi test, mettendolo nelle condizioni estreme che sperimenterà durante il funzionamento di ITER, compreso il vuoto quasi completo e le temperature criogeniche necessarie affinché il magnete diventi superconduttore (4,5 Kelvin, che equivale a circa -450°F o -270°C).

Le lezioni apprese sul primo modulo Solenoide Centrale sono state applicate alla fabbricazione delle successive sei bobine.

"Per quelli di noi che hanno dedicato la propria carriera alla ricerca sulla fusione, questo è innegabilmente un momento emozionante, " ha detto il dottor Tony Taylor, Vicepresidente di GA per l'energia da fusione magnetica. "Quando il modulo parte per il suo viaggio in Francia, saremo tutti in grado di essere orgogliosi di un contributo molto significativo sulla strada verso l'energia da fusione".

Spedizione in Francia

La costruzione di ITER coinvolge più di 1 milione di componenti, fabbricati in tutto il mondo. Molti di questi componenti sono molto grandi, e i moduli Solenoide Centrale sono tra i più pesanti. Il processo di spedizione per i massicci magneti richiede mezzi di trasporto pesanti specializzati. L'intero processo per caricare e fissare in sicurezza il modulo sul camion, compresi i preparativi per il sollevamento, ci vorrà circa una settimana.

Dopo il caricamento, il modulo verrà spedito a Houston, Texas, dove sarà collocato su una nave per il trasporto al sito ITER. Il primo modulo prenderà il mare a fine luglio e arriverà in Francia a fine agosto. Il transito via terra verso il sito ITER avverrà all'inizio di settembre.

"La fusione ha il potenziale per fornire sicurezza, energia ecologica come sostituto realistico dei combustibili fossili durante questo secolo, " Bigot dice. "Con una fornitura globale quasi illimitata di carburante, ha anche il potenziale, insieme alle energie rinnovabili, di trasformare la geopolitica dell'approvvigionamento energetico. Non riesco a pensare a un'illustrazione migliore di quell'azione di trasformazione del progetto ITER, dove i nostri partner statunitensi lavorano in stretta collaborazione con contributori dalla Cina, Europa, India, Giappone, Corea del Sud, e Russia, come un unico team dedicato al raggiungimento dell'obiettivo comune di un brillante futuro energetico."