Participarea Romaniei la EUROfusion WPMAG si cercetari complementare

Microtomografia de raze X ca metoda de asigurarea calitatii in cercetarea-dezvoltarea sistemului de magneti al tokamakului DEMO

DEMO va fi o instalatie tokamak de clasa “centrala energetica de fuziune nucleara” capabila sa furnizeze in reteaua elctrica cateva sute de MW la o descarcare. Proiectul EUROFUSION WPMAG are ca principal obiectiv elaborarea unui concept tehnic integrat al sistemului de magneti din tokamak-ul DEMO. Acest sistem de magneti DEMO este contituit din bobinele de camp toroidal (TF), sistemul de bobine de camp poloidal (PF) si solenoidul central (CS).

Sub-proiectul WPMAG-IAP este o parte a proiectului principal “Power Plant Physics & Technology” (PPPT) – “Magnet System” (WPMAG) si contine toate activitatile care trebuiesc indeplinite de IFA (Institutul de Fizica Atomica) in ceea ce priveste cercetarea si dezvoltarea conceptului de sistem de magneti supraconductor conventionali (de joasa temperatura) si avansati (de inalta temperatura).

In cadrul programului de lucru Magnet System (WPMAG) sunt implicate doua grupuri ale unitatii romanesti de cercetare: grupul de microtomografie cu raze X a Institutului de Fizica Laserilor, Plasmei si a Radiatiei (INFLPR) și grupul de supraconductibilitate, spintronică și stiința suprafeţelor (C4S) a Universității Tehnice din Cluj-Napoca (UTCN).

Grupul de microtomografie cu raze X este implicat în examinarea noninvazivă a structurii supraconductorilor TF prin tomografie computerizata de raze X (XCT) iar grupul C4S va contribui la programul de lucru Advanced Magnet Technologies (AMT) a carui obiectiv este caracterizare benzilor supraconductoare HTS de înaltă temperatură, fabricate industrial.

Perioada de desfasurare: 2014-2016

Obiective:

Etapele si activitati:

Parteneri externi:

Rezultatele obtinute:

În perioada de raportare au fost efectuate următoarele activități de cercetare: primirea elementelor de proeictare ale conductoarelor TF fabricate în contextul WPMAG, captarea dimensiunii geometrice și propunerea nivelelor de condiționare (îndreptarea și/sau subțierea anvelopei) pentru o examinare optima. In continuare s-a dezvoltat o configuratie de scanare tomografica care sa fie utilizata in analiza nedistructiva a arhitecturii cablurilor supraconductoare de tip “Cable-in-Conduit-Conductor” (CICC) pentru instalatia tokamak DEMO. In instalatia tomografica din INFLPR s-a achizitionat si implementat un nou tip de detector de raze X de energii mari, cu rezolutie spatiala foarte inalta de ~27 microni/pixel, ce este combinat cu modul de operare TDI (Time Delayed Integration). Acest detector, in prezent aflat in faza de testare, ne va permite achizitia de radiografii digitale de mare fidelitate si cu raport semnal/zgomot imbunatatit.

Aditional, am realizat o prima serie de masuratori XCT de energie inalta (450 keV) pe o macheta a cablului DEMO TF. Desi rezolutia spatiala a sistemului de XCT de inalta energie este semnificativ mai mica decat a microtomografului din INFLPR, prin imbunatatirea metodelor de post-procesare a imaginilor am obtinut o rata foarte buna de detectare a firelor. Acesta este un rezultat excelent luand in considerare ca diametrul firelor cablului DEMO TF este mult mai mare decat cel al firelor incluse in macheta noastra.

De asemenea obtinerea de imagini tomografice de mare fidelitate a permis determinarea automata a traiectoriilor firelor de-a lungul probelor. Acest lucru reprezinta ingredientul cheie pentru modelarea complexa a proprietatilor mecanice, electrice si magnetice ale cablurilor supraconductoare de interes pentru tehnologia de fuziune.

Recent, s-au realizat primele masuratori tomografice pe un prototip de cablu DEMO fabricat de ENEA Frascatti. Metodologia de procesare de imagini a fost imbunatatita si testata pe o machete realizata anterior ce reprezinta un cablu JT60-SA consituit din trei sectiuni. Detectia si pozitionarea firelor supraconductoare s-a realizat prin dezvoltarea si implementarea unui metode fotometrice, care consta in fitarea distributiei nivelelor de gri din imaginile tomografoice utilizand functia profile Gaussiene 2D. Această metodologie a fost aplicata cu succes pe tomograme ale diferitelor tipuri de cabluri CICC (TFQL, JTF si DEMOI) atingand o rata de detectie a firelor de peste 95% .

Principalele etape ale algoritmilor fotometrici sunt:

  1. Căutarea și localizarea valorilor de densitate mare de pixeli (puncte sursă), cu luminozitate pozitivă;
  2. Aplicarea criteriilor de respingere pentru a distinge secțiunea “strand” de zgomotul de fond;
  3. Aplicarea unei subrutine capabilă să distingă o clasă de detectii non-strand, inclusiv mantaua cablului CICC sau canalele interne de racire cu He.

Desi analiza fotometrica poate fi utilizata in detectarea prezenței firelor supraconductoare si a celor de Cu din cablurile DEMO, de zogomotul ridicat din imaginile tomografice asociate trebuie diminuat. In prezent lucram la imbunatatirea ratei de detectiie a pozitiilor centroid prin adaptarea unor metode mai avansate de fitare neliniara ce se pot aplica datelor cu zgomot ridicat. Primele teste arata ca într-o formulare funcțională sau cumulativa, profilele Voight par sa se potriveasca mai bine decat cele Gaussiene.

Publicatii:

Articole

[1] Ion Tiseanu, Louis Zani, Catalin-Stefan Tiseanu, Teddy Craciunescu, Cosmin Dobrea, Accurate 3D modeling of Cable in Conduit Conductor type superconductors by X-ray microtomography, Fusion Engineering and Design 07/2015; DOI: 10.1016/j.fusengdes.2015.06.111

[2] L. Zani et al., Applied Superconductivity, IEEE Transactions on (Volume:24 , Issue: 3 ) 2014.

[3] Ion Tiseanu, et al., Fus. Eng. Des., vol. 88, no. 9-10, pp.1613-1618, 2013.

Persoanele de contact: INFLPR – I. Tiseanu (ion.tiseanu@gmail.com), UTC-N – T. Petrisor (traian.petrisor@phys.utcluj.ro)


Tehnici de caracterizare electrica, magnetica si de imagistica de raze X pentru modelarea 3D a firelor si cablurilor supraconductoare de interes pentru tehnologia de fuziune

Proiectul urmareste studierea potentialului materialelor supraconductoare de temperatura inalta (HTS) si MgB2 pentru aplicatii in instalatiile avansate de fuziune (NEXT, DEMO). Scalarea sistemului de magneti de la tokamakul ITER pentru cerintele instalatiei DEMO prezinta cateva provocari legate de tehnologia actuala folosita, bazata pe supraconductori conventionali (de temperatura joasa). In ultimii ani s-a inregistrat un progres urias in fabricarea benzilor supraconductoare de temperatura inalta (HTS). Desi benzile HTS sunt disponibile pe piata, comunitatea stiintifica face mari eforturi pentru a imbunatati proprietatile de supraconductivitate ale acestora.

Obiectivul general al proiectului este rezolvarea unor probleme cheie ale benzilor supraconductoare de temperatura inalta (HTS) pentru fabricarea bobinelor supraconductoare pentru energetica de fuziune. Acest obiectiv se va atinge prin:

Un alt obiectiv important este dezvoltarea si utilizarea sistematica a analizei prin microtomografie de raze X (µXCT )a benzilor si firelor MgB2 ca metoda oficiala de inspectie a integritatii microstructurale.

Perioada de desfasurare: 2014-2016

Etape:

Analiza microstructurala a benzilor si firelor MgB2 prin µXCT

Rezultate obtinute:

Microtomografia de raze X (µXCT) a fost aplicata pentru analiza microstructurala a probelor supraconductoare de MgB2 in format “bulk”, banda si filme subtiri. µXCT a fost folosita prima data pentru vizualizarea structurii unei benzi MgB2 a unui film subtire, precursor amorf, non-supraconductor de MgB2 depus pe un substrat de Al2O3 si a unui film subtire de MgB2 supraconductor reactat. Analiza microXCT arata ca benzile de MgB2 au o microstructura relativ uniforma fata de esantioanele de material bulk, dar se pot observa cu usurinta si regiuni cu densitati diferite. Imagini 3D, precum si sectiunile selectate, pot furniza de asemenea informatii referitoare la forma miezului benzii sau a compozitului “core–sheath”, la geometria interfetei metal-supraconductor si la incidenta microfisurilor sau a porilor de dimensiuni mari.

In acest proiect am demonstrat ca tehnica µXRT are cateva avantaje majore in caracterizarea firelor supraconductoare precum:

  1. µXRT este utila pentru descoperirea neinvaziva a macro-defectelor relevante ascunse si observarea formei lor 3D
  2. µXRT permite vizualizarea 3D a integritatii geometrice a componentelor firelor compozite si determinarea unor parametri geometrici in maniera calitativa si cantitativa
  3. µXRT are un bun potential pentru caracterizarea in-situ non-distructiva a firelor in timpul procesarilor termo-mecanice sau in timpul torsadarii acestora
  4. µXRT ofera noi posibilitati in intelegerea relatiilor dintre procesarea, arhitectura si caracteristicile supraconductoare ale firelor compozite. Astfel se pot fabrica fire cu caracteristici functionale imbunatatite sau optimizate.

Au fost raportate cresterea epitaxiala si proprietatile supraconductoare ale filmelor nanocompozite YBCO-BaZrO3 crescute pe substraturi de (100) STO single-crystalline printr-o tehnica de depunere bazata pe o solutie chimica „low fluorine”. Aceasta metoda prezinta cateva avantaje: elimina evolutia acidului hidrofluoric si in consecinta permite depunerea unor filme mai groase de YBCO, elimina problemele legate de sublimarea trifluoroacetatului de cupru si scurteaza timpul de conversie a filmului precursor. Am observat ca doparea filmelor YBCO cu BaZrO3 este acompaniata de o crestere remarcabila a parametrului c-axis lattice. Filme epitaxiale nanocomposite YBCO-BZO cu (005) factorul ω FWHM la unghi mic de 0.1 grade au fost obtinute pe substraturi de (100) STO, cu o grosime cuprinsa in intervalul 500-600 nm. In urma investigatiilor asupra sectiunii eficace prin TEM s-au observat filme nanocomposite de YBCO dense si lipsite de fisuri. Centrul de pinning al particulei sferice BZO este distribuit uniform in matricea YBCO cu un diametru de 15-30nm. Valorile JC au aratat o intensificare a pinning-ului vortexului datorita densitatii crescute de defecte in matricea YBCO indusa de nanoparticule BZO orientate aleator. Proprietatile puternic intensificate ale supraconductorului YBCO au fost identificate pentru o concentratie molara de 10 % BZO.

Determinarea factorului de torsadare “twist-pitch” la un supraconductor Nb3Sn

In aceasta perioada de raporatare am realizat examinarea tomografica a unui fir supraconductor de Nb3Sn utilizat la fabricarea sistemului de magneti ITER si DEMO. Principalul scop al investigatiei non invazive este determinarea factorului de torsadare a filamentelor de Nb3Sn inglobate in matricea de cupru. Determinarea factorului de torsadare s-a realizat prin doua metode: prima metoda consta in medierea factorilor de torsadare obtinuti din procesarea imaginilor tomografice ce au fost colectate prin scanari de inalta rezolutie a unor portiuni din firul supraconductor ce sunt distribuite echidistant; in a doua metoda se scaneaza intreaga lungime a firului insa rezolutia imaginilor tomografice este mult redusa fate de cele obtinute prin prima metoda.

Prin uitilizarea primei metode s-au obtinut imagini radiografice clare ale filamentelor de Nb3Sn (Figura 1) cu o rezolutie de ~0.9 µm/voxel. Astfel s-a putut determina geometria si caracteristicile dimensionale a fiecarui filament de Nb3Sn precum si a barierei de Nb care inconjoara miezul . Fiecare filament de Nb3Sn a fost analizat separat prin etape succesive de prelucrare a imaginii cum ar fi aliniere, filtrare şi segmentare. Pe parcurs s-au putut observa si cuantifica erori de constructie atat a mantalei cat si a filamentelor. Luand in considerere rezolutia obtinuta, pentru un singur experiment de determinare a factorul de torsadare s-au putut investiga doar 1.2 mm din lungimea filamentelor din cei ~15 mm de interes. De aceea pentru determinarea factorului de rasucire a filamentelor s-au efectuat 10 masuratori distribuite echidistant de-a lungul lungimii firului, iar factorul de torsadare a fost determinat prin mediere. Rezultatele obtinute au sugerat ca filamnete de Nb3Sn realizeaza o rasucire completa (de 360 de grade) pe o lungine de 13.75 mm.

Figura 1 Sectiuni microtomografice ale unui fir de Nb3Sn: sectiune transversala– stanga, sectiune axiala - dreapta. Componentele principale ale firului supraconductor: filamente, bariera Nb, matrice de cupru sunt foarte bine evidentiate in imaginile de inalata rezolutie.

A doua metoda reprezinta o metoda de verifcare a rezultatelor obtinute in primul caz si consta in realizarea unui experiment neinvaziv de tomografie ce cuprinde toata lungime firul supraconductor insa la o rezolutie de ~10.85 µm/voxel, adica cu peste un ordin de marime mai slaba fata de prima metoda. In acest caz filamentele nu se mai disting clar, insa pot fi indetificate de-a lungul intregului fir supraconductor (~15 mm). Prin aceasta metoda s-a putut valida valoarea factorului de de torsadare calculata in prima metoda.

În următoarea eatapa a acestui proiect se va utiliza o noua configurate de tomografie ce se bazeaza pe un nou tip de detector de raze X de mare energie de tip TDI (Time Delay Integration).

Publicatii:

Articole

Persoane de contact:

INFLPR – I. Tiseanu (ion.tiseanu@gmail.com), UTC-N – T. Petrisor (traian.petrisor@phys.utcluj.ro)