Progettazione preliminare di un sistema di allineamento per la sostituzione di tubazioni in un impianto a fusione nucleare = Preliminary design of an alignment system for the replacement of pipelines in a nuclear fusion power plant

Nel contesto dell'energia sostenibile, le centrali a fusione nucleare rappresentano una promettente alternativa per la produzione di energia pulita e senza emissioni di carbonio. Per mantenere il processo di fusione, è essenziale mantenere condizioni estreme di temperatura e pressione all'interno di un contenitore speciale chiamato Tokamak. L’energia prodotta dalla reazione di fusione viene ceduta al fluido refrigerante mediante uno scambiatore di calore. Tuttavia, l'attività nucleare all'interno del reattore causa danni ai componenti, rendendo necessaria la sostituzione periodica di elementi del sistema di refrigerazione. A causa dell’attivazione neutronica, la manutenzione manuale è preclusa all’interno del Tokamak e in molte aree dell’impianto. Pertanto, è necessaria la manutenzione remota. Questo studio si concentra sull'ottimizzazione dei sistemi di manutenzione remota, con un focus sul sistema di allineamento dei tubi all'interno del reattore nucleare DEMO. Il processo di manutenzione prevede che un dispositivo robotizzato con un sistema di taglio laser separi i tubi usurati, che vengono successivamente estratti. In seguito, i nuovi tubi vengono inseriti e saldati. È fondamentale assicurare un preciso allineamento dei tubi durante questa procedura, garantendo così una saldatura ottimale. Tale allineamento avviene mediante il dispositivo chiamato Laser Bore Joint (LBJ), oggetto di questa ricerca. Il giunto è composto da diversi componenti; tra questi vi sono le piastre di connessione superiore e inferiore, i male e le female cuffs che rappresentano le superfici di contatto primarie tra i tubi, gli elementi bump stop che fungono da fine corsa e i bellows, elementi di connessione flessibili, che permettono un adeguato allineamento delle tubazioni in termini di orientamento assiale, radiale e angolare. Lo scopo di questo studio è la definizione di un modello multibody in ambiente Adams dell'LBJ, per analizzare in modo efficiente la dinamica di allineamento primario. Questo modello consente di valutare rapidamente e in modo dettagliato l'efficacia dei diversi componenti dell'LBJ e di ottimizzare il processo di allineamento prima dell'implementazione pratica. I bellows dell'LBJ vengono implementati con un modello a parametri concentrati per ridurre il carico computazionale, che altrimenti risulterebbe eccessivo a causa della loro complessa configurazione multistrato. In questo modo si ottiene una rappresentazione più efficiente e gestibile del sistema senza comprometterne l’accuratezza nelle analisi dinamiche. Il modello a parametri concentrati dei bellows viene verificato mediante il confronto dei risultati di un'analisi FEM (Finite Element Method), che permette di studiare il loro comportamento sotto differenti carichi, il loro modo proprio di vibrare e le frequenze naturali ad essi associate. Infine, mediante l’analisi multibody del modello complessivo dell'LBJ sono state studiate e confrontate due varianti di Cuffs con geometria diversa. Per ognuna di queste sono state analizzate le forze di contatto tra i bracciali maschio e femmina, che determinano la deformazione dei bellows e l’allineamento raggiunto sotto determinati carichi.