RESUMEN 1. INTRODUCCIÓN. Inspección mediante Ultrasonidos Phased-Array de los Anillos de Pre-Compresión del ITER

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1 Inspección mediante Ultrasonidos Phased-Array de los Anillos de Pre-Compresión del ITER Autores/Empresa J.A. Sillero, P. I. Resa, L. López y F. Fernández, Tecnatom, S.A., Avenida Montes de Oca, San Sebastián de los Reyes, Madrid. jasillero@tecnatom.es; presa@tecnatom.es; lulop@tecnatom.es; ffernandez@tecnatom.es RESUMEN Los Anillos de Pre-Compresión (PCR) son una de las estructura soporte de la vasija de vacío del reactor de fusión experimental ITER. Las condiciones de trabajo del reactor someten a los componentes metálicos a grandes tensiones de tracción y compresión radial. La función de los PCR es soportar estas tensiones y mantener la integridad de la estructura de las bobinas toroidales en las condiciones de trabajo y parada. Para la elección de material de fabricación de los PCR se ha tenido en cuenta la necesidad de que no sean susceptibles a los campos magnéticos, los requisitos funcionales (diámetro = 5,65 m; sección transversal = 337x288 mm; resistencia a la tracción = 450 MPa; resistencia a la compresión = 50 MPa; vida útil = 20 años) y su inspección. A partir de estos requerimientos, se ha determinado que el material óptimo para su fabricación es fibra de vidrio unidireccional con matriz de resina Epoxy. El gran espesor, la alta atenuación y la anisotropía de los materiales utilizados obligan al desarrollo de nuevas técnicas de inspección. El objetivo del presente proyecto es asegurar la calidad de la fabricación de los PCR mediante su inspección con Ensayos No Destructivos. Tecnatom ha estudiado la validez de métodos radiográficos (convencional, computerizada y tomografía) y por ultrasonidos (convencional y Phased-Array). Se han llevado a cabo ensayos a nivel de laboratorio sobre bloques de referencia representativos de los materiales y geometrías de los PCR, determinando que las técnicas más adecuadas son las basadas en Ultrasonidos Phased-Array. Se han combinado las técnicas de pulso-eco y transmisión para la detección, caracterización y dimensionamiento de los defectos que se pueden producir durante la fabricación de los PCR. En el presente trabajo se describe el procedimiento de inspección desarrollado, los equipos utilizados y los resultados obtenidos en la inspección de probetas y componentes a escala E1:5. 1. INTRODUCCIÓN El proyecto internacional ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) tiene como objetivo demostrar la posibilidad de producir energía gracias a la fusión nuclear. El sistema magnético principal consta de 18 bobinas toroidales cuya configuración e integridad será mantenida por dos juegos de anillos, cada uno compuesto por tres anillos a su vez (Anillos de Pre-Compresión, PCR, Figura 1). Se ha realizado un estudio exhaustivo de los materiales a utilizar debido a las altas cargas de tracción (hasta 450 MPa) y de compresión (hasta 50 MPa) a las que serán sometidos, con el fin de evitar roturas y corrientes parásitas inducidas por los campos magnéticos. Por todo esto se ha optado por el uso de materiales compuestos de fibra de vidrio, exigiendo requisitos de fabricación muy elevados. La fabricación de estos anillos la realizará la compañía EADS CASA Espacio bajo los requerimientos de Fusion For Energy (F4E), mientras que la inspección de los mismos será llevada a cabo por Tecnatom. Se prevé una vida útil de estos componentes de 20 años, por lo que es esencial garantizar la integridad de los anillos durante y después de su fabricación por medio de Ensayos No Destructivos (END). Tanto es así que uno de los parámetros para su diseño ha sido la inspeccionabilidad del producto. El espesor habitual de las piezas de material compuesto inspeccionadas mediante END está por debajo de 25 mm, mientras que los anillos finales tendrán un espesor de 300 mm. Debido a los materiales utilizados y las dimensiones de

2 los componentes no hay precedentes en la inspección de este tipo de elementos, lo que supone un reto para las técnicas de inspección actuales. Figura 1.- Esquema general del ITER. Los Anillos de Pre-Compresión son los elementos en color verde. El desarrollo de procedimientos de inspección que aseguren la integridad y calidad requerida de las estructuras de los Anillos de Pre-Compresión del ITER es una necesidad y da la oportunidad de enfrentarse con estos materiales que poseen una alta atenuación y características anisotrópicas. 2. DESCRIPCIÓN DEL COMPONENTE Cada PCR se fabrica mediante la unión de tres rodajas de iguales dimensiones (Figura 2). A su vez, cada rodaja se fabrica de forma individual con fibra de vidrio unidireccional y resina de epoxy colocada sobre un útil mediante Automated Fiber Placement [AFP] y curada en autoclave. Para la unión de las rodajas se coloca una capa de adhesivo entre ellas y se vuelven a curar en el autoclave. Las dimensiones, tanto de cada rodaja individual como del anillo completo, se muestran en la Tabla 1. Se fabricarán un total de 10 anillos completos (1 de demostración + 9 finales) y dos maquetas a escala E1:5 con el fin de verificar sus propiedades mecánicas. Figura 2.- Rodaja individual (Izda.) y anillo completo (Drcha.)

3 Tabla 1.- Dimensiones de los PCR del ITER. Componente Radio interno Radio externo Altura (mm) (mm) (mm) Rodaja individual Anillo completo Anchura radial (mm) La defectología postulada es la habitual para este tipo de materiales asociada a la fabricación, mecanizado y pegado (inclusiones, delaminaciones y porosidades), exigiendo la inspección del 100% del volumen de las piezas. Debido a la geometría y material del componente y a la defectología postulada (tipo de defectos, tamaño, orientación y densidad) se han evaluado los métodos de Ultrasonidos [UT] y Radiografía [RT]. 3. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El proyecto para la inspección de los Anillos de Pre-Compresión del ITER se ha estructurado en tres fases. Un esquema del mismo se presenta en la Figura 3. La primera fase comprendió el desarrollo y la evaluación de los métodos de inspección mediante END más adecuados a las características de los componentes (ultrasonidos y radiografía) y la defectología postulada. Se realizó una justificación de las capacidades y limitaciones de de cada una de ellos y se determinó cual es el más adecuado. En la segunda fase se redactaron los procedimientos de inspección de los anillos a escala E1:5 y se realizó la inspección completa de dos unidades con el método y técnicas seleccionadas. Hasta la fecha se han cumplido con estas dos primeras fases y se está iniciando la tercera en la que se fabricarán y se inspeccionarán el anillo de demostración y los 9 anillos definitivos. Está previsto el comienzo de la fabricación del primero de los PCR finales para el último trimestre del presente año, estimando la finalización del proyecto para finales de Figura 3.- Plan de desarrollo. 4. DESARROLLO DE LAS TÉCNICAS DE INSPECCIÓN El método principal para el ensayo de los materiales de fabricación de los PCR es el de Ultrasonidos. Las frecuencias típicas de los transductores son 3.5, 5 y 10 MHz, aunque se pueden encontrar aplicaciones utilizando frecuencias más bajas (1 y 2,25 MHz). La inspección por UT de componentes de grandes espesores se ve fuertemente afectada por la atenuación de la propagación del haz ultrasónico debido al propio espesor y a la anisotropía de los materiales. Además puede verse afectada por múltiples factores como la falta de simetría

4 del haz, la dificultad para conseguir una focalización precisa y la refracción interna del material. Por otro lado la distorsión del haz depende tanto de factores físicos asociados a la fabricación del componente, como la orientación de las fibras, como a factores asociados al palpador utilizado, como el tamaño del cristal o su frecuencia de vibración. Debido a la diversidad y heterogeneidad de los polímeros reforzados con fibras y a la variedad de parámetros ultrasónicos y técnicas es indispensable la obtención de evidencias experimentales para la selección y puesta a punto de la técnica de inspección. Después de los ensayos basados en ondas mecánicas los métodos más usados son los radiográficos basados en la atenuación de ondas electromagnéticas. En determinadas circunstancias ofrecen una mejor resolución y permiten el ensayo de mayores espesores. Estos métodos comprenden dos elementos separados, la fuente de radiación (rayos X o gamma) y el sistema de detección. Según el formato se puede diferenciar entre radiografía convencional (analógica, utilizando película radiográfica) y computerizada (digital, donde se sustituye la película radiográfica por un elemento de registro). Más moderna y avanzada se puede considerar la Tomografía Computerizada, basada también en la atenuación de los rayos X y que permite imágenes 3D de un objeto, pero su aplicación no es viable para la inspección de los PCR debido a las grandes dimensiones de los anillos. Las técnicas radiográficas obtienen mejores resultados en la inspección de materiales compuestos cuanto mayor es la diferencia de densidad entre el material a inspeccionar y el defecto y cuanto menor sea la diferencia entre los espesores de la pieza y del defecto ENSAYOS SOBRE PROBETAS Durante la primera fase del desarrollo del proyecto se han evaluado los dos métodos de Ensayos No Destructivos presentados, ultrasonidos y radiografía. La definición de la técnica más adecuada se realizó en base a una serie de probetas de diferentes materiales con insertos artificiales en su interior. Como ejemplo de probeta se muestra la Figura 4. Figura 4.- Ejemplo de bloque fabricado para el desarrollo de las técnicas de inspección Método de radiografía La inspección radiográfica permite visualizar defectos internos en una imagen proyectada en dos dimensiones. En el caso de los PCR, material compuesto de fibra de vidrio, permite visualizar defectos volumétricos (como agujeros, golpes y fibras sin resina). En cuanto a los defectos planos (delaminaciones), la imagen radiográfica debe adquirirse en la orientación perpendicular a la dirección de las fibras en el material. Se realizaron ensayos con técnicas radiográficas convencionales y digitales, contrastando los resultados de ambas. De cara a obtener un registro es preferible la radiografía digital, si bien la

5 película convencional se puede escanear, mientras que la calidad de detalle es superior con placa radiográfica convencional. Se realizó un estudio de laboratorio sobre una serie de probetas y piezas representativas, con y sin defectos, de los PCR. Su análisis permitió definir un criterio para la inspección de los anillos finales y unas imágenes de referencia. Con ambas técnicas se detectó un Indicador de Calidad de Imagen (IQI) de taladros 1.7 de aluminio (Figura 5), detectándose incluso el más pequeño de 0.75 mm de diámetro. Sin embargo, en ninguno no de los casos se detectaron los insertos artificiales introducidos en las probetas ya que no existe una diferencia de densidad importante entre el material de la propia probeta y el de los reflectores representativos de delaminaciones. Este hecho hizo que se desestimase el uso de las técnicas radiográficas para la inspección de PCR finales. Figura 5.- Resultados obtenidos mediante la inspección por RT convencional (Izda.) y RT digital (Drcha.) Método de ultrasonidos La inspección de los PCR mediante el método de END de ultrasonidos se abordó mediante dos técnicas diferentes en función del estado de fabricación de los componentes (Figura 6). - Pulso eco (PE): para la inspección de cada rodaja individual se desarrolló la técnica de pulso-eco desde un solo lado del componente. Para ello se emplean dos configuraciones distintas: con el palpador en contacto con retardo sólido para la detección de defectos próximos y en contacto sin retardo para la detección de defectos profundos (Figura 7). - Transmisión (TTU): una vez inspeccionadas las rodajas individuales solo queda la inspección de las líneas de encolado de los anillos completos. Para ello se desarrolló la técnica de transmisión sión que permite atravesar todo el espesor del anillo con suficiente intensidad. En caso de encontrar una indicación durante esta inspección se hará un re-test con PE desde cada lado del anillo para determinar en cuál de las dos líneas de encolado se encuentra. Figura 6.- Esquema de inspección UT. Pulso-Eco (Izda.) y Transmisión (Drcha.).

6 Figura 7.- Simulaciones mediante CIVA de haces UT Pulso-Eco: Retardo sólido (Inspección de la zona próxima a la superficie, Izda.) Contacto directo (Inspección del fondo, Drcha.) A continuación (Figura 8) se muestran los resultados de la detección de reflectores artificiales de diferentes tamaños y a diferentes profundidades con las técnicas desarrolladas. Figura 8.- Resultados obtenidos mediante la inspección por UT con Pulso-Eco y retardo sólido (Izda.), Pulso-Eco en contacto directo (Centro) y Transmisión (Drcha.) Los buenos resultados obtenidos con las técnicas de ultrasonidos hicieron que se seleccionase este método END para la inspección de los anillos finales ENSAYOS SOBRE MAQUETAS Una vez seleccionado el método o y las técnicas de inspección adecuadas en base a los estudios sobre probetas se realizaron ensayos sobre maquetas para su desarrollo y adaptación a los PCR finales Segmentos de arco E1:1 Los ensayos para la optimización de la inspección de las rodajas individuales se realizaron sobre probetas con las mismas características que los anillos finales: laminado de fibra de

7 vidrio fabricado unidireccional depositadas mediante AFP cuyas principales características geométricas son: arco de aproximadamente 24 con un diámetro interno de 5 m; altura: 101 mm; anchura: mm; perímetro interno: 1045 mm; perímetro externo: 1090 mm; peso = 23.4 kg. En la Figura 9 se muestra el diseño de la probeta, una imagen de la inspección en laboratorio mediante ultrasonidos Pulso-Ecmisma, pudiendo observar la detección de los reflectores artificiales introducidos durante su en contacto con retardo desde una cara y el resultado de la fabricación. Figura 9.- Ejemplo de inspección de la probeta de arco E1:1. Para el desarrollo de la inspección de las líneas de encolado se fabricaron probetas en forma de arco a E1:1 con dimensiones similares a la anterior que posteriormente se cortaron en segmentos que se unieron para reproducir el pegado de las tres rodajas en el anillo final. En estas líneas de encolado se colocaron reflectores artificiales y se simularon faltas de pegado. En la Figura 10 se muestra el esquema de pegado de una probeta y una de las adquisiciones obtenidas tras su inspección con la técnica de UT por Transmisión desarrollada. Figura 10.- Esquema del pegado (Izda. y Centro) y resultado de la inspección por TTU (Drcha.) Anillos E1:5 La segunda fase del desarrollo del proyecto era la fabricación e inspección de dos anillos a escala E1:5 (formado por 2 rodajas de 8.75 mm de espesor; Diámetro interno = 1005 mm; Anchura radial = 35 mm; Espesor total = 17.5 mm). Con ello se demostró la viabilidad del proceso de fabricación y la resistencia de los materiales elegidos. Para certificar que estaban libres de defectos se inspeccionaron con técnicas de ultrasonidos phased-array convencionales, ensayos que permitieron de entrenamiento para la inspección de los anillos finales

8 En la Figura 11 se muestra de manera resumida las dimensiones de los anillos E1:5 fabricados así como detalles de su inspección, mientras que en la Figura 12 se muestra un ejemplo de los resultados obtenidos en la inspección de uno de ellos. Figura 11.- Esquema de los anillos E1:5 (Izda.). Detalle de la inspección (Centro y Drcha.). Figura 12.- Resultados de la inspección de los anillos E1:5 por UT PE. 5. CONCLUSIONES Para la inspección de los Anillo de Pre-Compresión del ITER se han desarrollado y ensayado los métodos y técnicas de inspección basados en radiografía y ultrasonidos. Tras su evaluación se determinó realizar la inspección de estos componentes mediante técnicas de ultrasonidos. Para ello se han desarrollado dos técnicas de inspección basadas en UT diferentes que se aplicarán en función del estado de fabricación de los PCR: inspección volumétrica de las rodajas individuales con Pulso-Eco en contacto, con y sin retardo, e inspección de las líneas de encolado de los anillos finales por Transmisión. Se prevé el comienzo de la fabricación de estos compontes para finales de 2014, llevándose a cabo las inspecciones en paralelo a la misma. Actualmente se está trabajando en un sistema mecánico que permita la aplicación de las técnicas de inspección desarrolladas de manera eficiente (Figura 13). Figura 13.- Esquema de la inspección propuesta para los PCR mediante UT.