SPIDER opera in un regime di alto vuoto in cui la stabilità del plasma RF e la prevenzione delle scariche sulla superficie esterna della sorgente richiedono che la pressione nel vessel rimanga inferiore a 40 mPa durante il funzionamento ad alta potenza. Il problema nasce dal fatto che, con tutte le 1280 aperture della sorgente attive, il flusso di idrogeno verso il vessel è tale da saturare rapidamente la capacità del sistema di pompaggio originario.
Il sistema iniziale comprende:
8 crio-pompe
4 pompe turbo-molecolari
velocità di pompaggio complessiva 90 m³/s per H2
Le misure di conduttanza tra sorgente e vessel hanno mostrato un valore di circa 30 m³/s per H2. Con una pressione sorgente tipica di 0,3 Pa, la pressione nel vessel superava la soglia di breakdown RF. Per rientrare nei limiti operativi, era necessario aggiungere almeno 200 m³/s di velocità di pompaggio effettiva per idrogeno.
La risposta ingegneristica è stata la progettazione di una pompa Non-Evaporable Getter (NEG) basata su:
384 cartucce
350 kg di lega ZAO® (Zr-Ti-V-Al)
velocità di pompaggio installata: 330 m³/s per H2 a temperatura ambiente
Ogni cartuccia contiene circa 0,92 kg di materiale getter e mantiene prestazioni stabili fino a concentrazioni di idrogeno dell’ordine di 1000–1300 Pa·m³/kg. La pompa è progettata per gestire cicli di assorbimento fino a 240 kPa·m³ di idrogeno complessivo, mantenendo la concentrazione specifica intorno a 680 Pa·m³/kg, valore che consente rigenerazioni efficienti.
La rigenerazione del getter richiede temperature comprese tra 550 e 600 °C, ma SPIDER contiene:
diagnostiche ottiche e magnetiche
superfici cesiate
O-ring e flange ISO-K
componenti non progettati per alte temperature
Per proteggere il sistema sono stati sviluppati:
schermature termiche in rame con tubazioni d’acqua integrate
un’intercapedine di acqua nel nuovo modulo vessel
pannelli modulari con superfici brunite ad alta emissività
Le simulazioni termiche hanno garantito che, durante la rigenerazione, le temperature dei componenti sensibili rimangano entro i limiti di sicurezza.
La nuova architettura del vuoto combina:
pompa NEG per la gestione massiva dell’idrogeno
crio-pompe per aumentare capacità e catturare impurità
turbo-pompe per il pompaggio iniziale e per specie non getterabili
Durante la rigenerazione delle crio-pompe, il sistema NEG permette di mantenere la pressione del vessel nell’ordine dei Pascal, evitando di superare i limiti operativi delle pompe turbo-molecolari.
SPIDER rappresenta un caso di studio unico per la tecnologia del vuoto: un sistema in cui pressioni operative dell’ordine dei 10² Pa, flussi elevati di idrogeno e componenti termicamente sensibili convivono in un equilibrio ingegneristico complesso.
La pompa NEG da 330 m³/s non è solo un upgrade: è un nuovo paradigma per la gestione dell’idrogeno in grandi impianti sperimentali, capace di garantire stabilità, capacità e sicurezza in un contesto operativo estremamente sfidante.
AUTORE: Emanuele Sartori, Marco Siragusa, et al.
SPECIAL COLLECTION: XXV AIV Conference - Materials, Interfaces, and Processes in Industrial and Basic Research Applications (2022)
J. Vac. Sci. Technol. B 41, 034202 (2023) https://doi.org/10.1116/6.0002395
