Development and Manufacturing of the IFMIF/EVEDA RFQ Modules

The IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) project aim is to build a facility for the mechanical characterization of material that will constitute the wall of the nuclear reactor for DEMO (DEMOnstration power plant). The complexity of this facility, containing numerous components with peculiar specifications, requires the development of a preliminary stage for the engineeristic evaluation that will led to outline the framework of the activities, the so called EVEDA (Engineering Validation Engineering Design Activities) phase, including the LIPAc prototype construction that involve many research institutes around the world each one has in charge the realization of a line components. The description of the IFMIF project and also each contribution of the participating research institutes are briefly reported on chapter 1. Such facility require the realization of a RFQ four-vane particle accelerator, composed of 18 modules, whose part of mechanical design and construction has been entrusted respectively to mechanical design office and workshop of the I.N.F.N. Padova Unit (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). Since the mechanical design of the accelerator ha almost completed, we faced on the production covering over all metrological quality control phases. Metrologic control and qualification stages are strictly related to the cavity behaviour therefore we focus our attention to its working principle. Thus, in the second chapter it has been summarised the basics to understand the basic working principles of such machines, the main parameter affecting their performances and finally the main geometrical parameter of the accelerator concerned. The most critical issues arise from the production concerning the brazing process which does not permit adjustment except with re-brazing causing a strong deterioration of the mechanical properties of the copper components. It should be mentioned that brazing turned out to be an uncertainty source for the quality of the pieces , therefore, part of the activities have been carried out on the resolution of such problems. The possible causes of defect on brazed geometries have been found and one-dimensional considerations about thermal expansion as well as 3d thermo-structural simulation confirm all the statements. Such problematics has been reported on third chapter which, moreover, consists on their resolutions: the design of a new brazing cycle with an intermediate plateau. All the remaining modules are then brazed with this new cycle that permitted the disappearance of the brazing distortion. This confirms the reliability of the production phases and methods for the obtainments of modules respecting the project specifications. The quality control of the modules include: vacuum tightening test of the cavity, the coolant circuits seal test, Ultrasonic Test (UT) of the brazed joints, dimensional inspection using a CMM (Coordinate Measuring Machine) and Radio-Frequency (RF) test that identifies the electromagnetic behaviour of the single modules. These two last quality controls are strictly correlated each other in such a way that the deviations from the nominal dimensions could be used to predict the electromagnetic ones. Therefore in the last chapter, along with descriptions of the production phases and their metrological controls, it exposes a method for predicting the frequency deviation based on the deviations of measurements. The method validation is done thank to the comparison between metrological control results and those of the RF test. To sum up, the first chapter talks about the IFMIF project, its purpose and its main components; the second summarizes the principle of operation of the four-vane RFQ and describes the main parameters of the one used for the project IFMIF / EVEDA; the third introduces the basic concepts of the brazing process, the identification of defects and determining causes by means of a thermal-structural simulation and finally outlines a new brazing cycle; the last chapter describes the main stages of production, the metrological control between them, culminating in an metrological characterization method to predict the electromagnetic behaviour of the cavity.

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.