Development and Manufacturing of the IFMIF/EVEDA RFQ Modules

Il progetto IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) prevede la costruzione di un impianto per la caratterizzazione meccanica dei materiali candidati a costituire la parete del reattore a fusione nucleare per il progetto DEMO. La complessità di questo impianto, con numerosi con peculiari specifiche, richiede lo sviluppo di una fase preliminare di validazione ingegneristica e che porterà a delineare il quadro delle attività, la cosiddetta fase EVEDA (Engineering Validation Engineering Design Activities) , che include la costruzione di un prototipo di linea acceleratrice LIPAc che coinvolge più enti di ricerca sparsi nel mondo e ad ognuno è affidato il compito della realizzazione di un componente della linea. La descrizione del progetto IFMIF nonché ciascun contributo degli istituti di ricerca partecipanti vengono riportati brevemente nel capitolo 1. Tale impianto richiede la realizzazione di un acceleratore di tipo RFQ four-vane, composto da 18 moduli, la cui progettazione meccanica e parte della produzione è affidata rispettivamente all’ufficio tecnico di progettazione e all’officina meccanica presso la Sezione di Padova dell’ I.N.F.N.. Siccome la progettazione meccanica dell’acceleratore era quasi finita, ci si è affacciati alla produzione e le relative fasi di controllo e qualifica metrologica dei componenti. I controlli e le qualifiche di tipo metrologico sono strettamente correlati al comportamento della cavità pertanto si è data particolare attenzione ai principi di funzionamento della stessa. Nel secondo capitolo quindi si riassumono le nozioni necessarie per comprendere il principio di funzionamento di tali macchine, i parametri che più influiscono sulle prestazioni ed infine le fondamentali caratteristiche geometriche della cavità. La criticità maggiore nella produzione si ha col processo di brasatura che non permette correzioni se non con ri-brasatura e forte deterioramento delle caratteristiche meccaniche dei componenti in rame. Va detto che tale processo si è rilevato fonte di incertezza per la qualità di manufatti per cui parte delle attività sono state spese nella risoluzioni di tali problematiche. Osservando i difetti dei componenti brasati se ne sono individuate le cause, la cui conferma vien data da considerazioni basate sui coefficienti di espansione termica ed infine da una simulazione termo-strutturale. Tali problematiche si sono riportate nel capitolo 3 che peraltro contiene la loro risoluzione: la progettazione di un nuovo ciclo di brasatura con plateau intermedio. Tutti i moduli restanti quindi si sono brasati con tale ciclo permettendo la scomparsa dei difetti. Questo conferma l’affidabilità delle fasi di produzione e dei metodi per l’ottenimento di manufatti che rispettano le specifiche di progetto. I controlli di qualità dei moduli comprendono: tenuta a vuoto della cavità, tenuta in pressione dei canali di raffreddamento, controlli ultrasuoni (UT) dei giunti brasati, misure metrologiche con l’uso di una CMM (Coordinate Measuring Machine) e test di Radio-Frequenza (RF) che identifica il comportamento elettromagnetico del singoli moduli. Questi ultimi due controlli sono strettamente legati tra loro a tal punto che le deviazioni della geometria nominale possono predirne con il comportamento elettromagnetico. Per tanto nell’ultimo capitolo, insieme alla descrizione delle fasi di produzione e ai relativi controlli metrologici, espone un metodo per la predizione della deviazione in frequenza basato sulle deviazione delle misure. La conferma del metodo viene dal confronto dei risultati metrologici e quelli ottenuti mediante test in Radio Frequenza. Ricapitolando, il primo capitolo parla del progetto IFMIF, del suo scopo è dei suoi componenti; il secondo riassume il principio di funzionamento degli RFQ four-vane e descrive le principali parametri di quello usato per il progetto IFMIF/EVEDA;il terzo introduce i concetti fondamentali del processo di brasatura, l’identificazione dei difetti e delle loro cause mediante una simulazione termo-strutturale e infine delinea un nuovo ciclo di brasatura; l'ultimo capitolo descrive le principali fasi della produzione, il controllo metrologico tra di esse e si conclude con un metodo di caratterizzazione metrologica per prevedere il comportamento elettromagnetico della cavità.