Preparativi per l’assemblaggio del dispositivo di fusione NSTX-U
I tecnici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) negli Stati Uniti si stanno organizzando per avviare l’assemblaggio dell’unità sperimentale di fusione nota come National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U). L’entrata in esercizio del macchinario è programmata per il 2026 e richiede un grado di precisione estremamente elevato nel posizionamento dei componenti, elemento cruciale per garantire la corretta formazione e stabilità del plasma. Per questo motivo, gli ingegneri hanno realizzato oltre cinquanta prototipi tridimensionali mediante stampa 3D, impiegando questi modelli come strumento di verifica preventiva prima di procedere alla fase di montaggio definitivo.
Modelli 3D per il controllo dimensionale e la verifica di assemblaggio
Al centro del progetto NSTX-U si trova un fascio di magneti che integra una bobina toroidale di campo magnetico (TF), lunga circa 19 piedi, e una bobina dedicata al riscaldamento del plasma tramite effetto ohmico (OH). La bobina TF è progettata per condurre fino a quattro milioni di ampere e si collega a dodici bobine esterne responsabili del contenimento e della stabilizzazione del plasma durante gli esperimenti. Intorno a questa struttura verrà avvolta la bobina OH, in grado di generare un campo elettrico di quattro kilovolt, necessario per indurre la corrente e portare il plasma alle temperature richieste per il processo di fusione. Grazie ai modelli in plastica, riproducenti la sezione superiore del fascio di magneti con un’altezza di 40 pollici e una larghezza di 2 piedi, è stato possibile verificare l’interazione tra i vari componenti, con l’intenzione di realizzare ulteriori modellini dedicati alle sezioni inferiori.
Secondo Tom Jernigan, Senior Project Manager per NSTX-U, l’impiego dei prototipi 3D ha semplificato enormemente le fasi di pre-assemblaggio, consentendo di confermare a priori che tutte le parti si accoppieranno correttamente, evitando così costosi interventi correttivi in un secondo momento. Questo approccio permette di ridurre tempi e costi complessivi, poiché eventuali discrepanze dimensionali emergono in fase di prova del modello, anziché durante la costruzione vera e propria.
Verifica della disposizione delle linee di raffreddamento e componenti ausiliari
Tra le verifiche fondamentali, il team ha controllato la corretta collocazione delle trentasei condutture destinate al raffreddamento ad acqua. Queste linee, che si dipartono dalla parte superiore del fascio magnetico, devono assicurare un’efficace gestione termica durante gli esperimenti con plasma, nei quali le temperature possono superare soglie estremamente elevate. I prototipi hanno permesso di definire esattamente i punti di raccordo, verificando intersezioni ed eventuali zone di ingombro tra le tubazioni e il corpo principale della bobina.
Ulteriori modelli includono repliche delle barre di collegamento elettrico in rame (bus bar) e delle strutture di supporto. Tali prototipi hanno consentito al gruppo di progettazione di apportare regolazioni precise prima di avviare la produzione degli elementi in rame, operata direttamente all’interno del laboratorio PPPL mediante una macchina a getto d’acqua OMAX. In parallelo, si sta predisponendo il posizionamento di duemila piastrelle protettive, destinate a rivestire la metà superiore della camera a vuoto. Ciascuna di queste piastrelle deve essere inserita con una tolleranza di pochi millesimi di pollice per resistere alle sollecitazioni del plasma; la messa in opera di un modello fisico ha facilitato l’allineamento e la sequenza di montaggio.
Realizzazione del fascio magnetico presso Elytt Energy
La costruzione delle quattro sezioni che compongono la bobina toroidale è affidata agli specialisti dell’azienda spagnola Elytt Energy, nota per le proprie competenze nelle tecnologie per la produzione di bobine di fusione. Ogni quadrante viene assemblato e compattato mediante l’applicazione di fasce metalliche che garantiscono una pressione omogenea sui materiali isolanti interni. Successivamente, i quadranti saranno avvolti con strati di fibra di vetro e sottoposti a un processo di impregnazione con resina a caldo in condizioni di vuoto (vacuum pressure impregnation, VPI), in modo da ottenere un magnete unico, compatto e con proprietà meccaniche e dielettriche uniformi. Terminata questa fase, la bobina OH sarà avvolta intorno alla bobina TF e sottoposta allo stesso trattamento con resina e fibra di vetro.
Le operazioni di montaggio e impregnazione proseguiranno fino all’autunno del 2025, termine previsto per il completamento del fascio magnetico. A quel punto, il componente finale verrà spedito presso il PPPL e posizionato all’interno della camera a vuoto del NSTX-U, pronto per le operazioni di allineamento finale e collaudo.
Il vantaggio della stampa 3D nel settore nucleare
L’esperienza del PPPL si inserisce in un contesto più ampio di applicazioni dell’additive manufacturing (AM) nel settore nucleare. Grazie alla capacità di realizzare forme complesse e di ottimizzare i flussi di lavoro, queste tecniche si diffondono sia per l’assemblaggio di dispositivi di fusione sia per il miglioramento dei componenti nei reattori convenzionali.
Un esempio di utilizzo nell’ambito dei reattori a acqua pressurizzata (PWR) riguarda Westinghouse Electric Company, che ha sviluppato nozzle filtranti di base mai visti prima per le barre di combustibile. Questi nozzle, progettati per trattenere frammenti di detriti e prevenire il danneggiamento dei combustibili, sono stati realizzati con stampa 3D e consegnati alla centrale nucleare Joseph M. Farley di Southern Nuclear in Alabama. Nel corso dei test, il nuovo design ha ridotto la dimensione dei detriti che potevano entrare nel reattore, assicurando un incremento del trenta percento nella resistenza all’ingresso dei detriti stessi e contribuendo a limitare le perdite di combustibile.
Iniziative di ricerca e sviluppo all’Oak Ridge National Laboratory
Anche l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), principale centro di ricerca energetica degli Stati Uniti, riconosce i benefici dell’additive manufacturing per il settore nucleare. I professori Xin Sun e Kathy McCarthy hanno illustrato come la stampa 3D possa essere impiegata per realizzare elementi critici dei reattori, quali staffe per le barre di combustibile e dispositivi di fissaggio per i canali di flusso. Questi componenti, prodotti tramite AM, migliorano la prestazione complessiva dei reattori, innalzano i livelli di sicurezza e contribuiscono a contenere i costi di progettazione e produzione.
Al laboratorio ORNL, il tempo dedicato alla ricerca e sviluppo si è ridotto grazie alla rapidità con cui è possibile passare dal progetto digitale al prototipo fisico. Inoltre, l’integrazione di sensori all’interno di parti stampate in 3D—assieme all’utilizzo di algoritmi di intelligenza artificiale—mete la base per componenti “intelligenti” in grado di segnalare anomalie o criticità in tempo reale. Questo approccio proattivo facilita la manutenzione preventiva nei reattori e supporta un funzionamento più sicuro delle centrali.
Licenze e trasferimento tecnologico verso Ultra Safe Nuclear Corporation
Per promuovere l’adozione su scala industriale delle proprie metodologie di stampa 3D, l’ORNL ha concesso in licenza alla Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) il proprio processo di manifattura additiva. Tale trasferimento tecnologico mira a estendere l’utilizzo di componenti stampati in 3D anche nei piccoli reattori modulari (SMR) progettati da USNC, contribuendo allo sviluppo di impianti di nuova generazione caratterizzati da elevata sicurezza intrinseca e bassi costi operativi. Grazie a questa collaborazione, USNC ha a disposizione know-how avanzato per la realizzazione di parti metalliche complesse e per l’integrazione di sistemi che migliorano l’affidabilità e la durata dei reattori.
