ITER: Godzilla e o robô de 36 toneladas preparam a montagem da fusão

Por detrás das paredes de betão do ITER, no sul de França, engenheiros preparam discretamente uma demonstração robótica sem paralelo no que a indústria tentou até hoje.

Embora os enormes sectores de aço da máquina de fusão concentrem as atenções, o verdadeiro desafio está apenas a começar: instalar quase 20 000 peças feitas à medida numa câmara apertada e delicada, com robôs a trabalhar lado a lado com pessoas e um novo gigante de 36 toneladas preparado para substituir um monstro apropriadamente apelidado de “Godzilla”.

O desafio oculto na câmara de fusão do ITER

Visto do exterior, o ITER parece mais um vasto complexo industrial perto de Cadarache, a norte de Marselha. No interior, porém, a realidade é muito diferente.

O vaso de vácuo onde o plasma irá arder está longe de ser uma estrutura vazia. Os engenheiros comparam-no a uma “cebola de aço”: várias camadas compactas envolvem o toro, todas repletas de equipamento e de tubagens avançadas destinadas a um fogo semelhante ao do Sol, que nunca pode tocar nas paredes.

Estas camadas acolherão, entre outros elementos:

• bobinas de estabilização vertical, para impedir que o plasma se desloque;
• sistemas de controlo destinados a dominar instabilidades magnéticas;
• módulos de manto, que absorvem neutrões e gerem o calor;
• painéis da primeira parede, expostos directamente ao plasma a 150 milhões de graus.

Cada camada inclui milhares de componentes, fabricados quase como peças de joalharia, mas com pesos que podem chegar a várias toneladas. Todos têm formas e tolerâncias próprias. Alguns precisam de ser colocados com uma precisão inferior a um milímetro. Um pequeno desalinhamento pode prejudicar o plasma, submeter a estrutura a esforços ou tornar mais difícil a manutenção futura.

“A instalação interna do ITER é um dos trabalhos de montagem mais complexos alguma vez tentados num ambiente nuclear, com um nível de precisão mais próximo da indústria aeroespacial do que da indústria pesada.”

Do “Godzilla” ao sucessor de 36 toneladas

Godzilla, o monstro de ensaio

Para se preparar, o ITER tem recorrido a uma ferramenta extraordinária: um robô industrial chamado “Godzilla”. A alcunha não é uma brincadeira. O robô mede cerca de 4 metros de altura, alcança 5 metros e consegue elevar 2,3 toneladas na extremidade do braço.

Apesar desta capacidade, o Godzilla nunca entrará no próprio tokamak. A sua função aproxima-se mais da de um duplo de cenas perigosas.

Numa plataforma de testes dedicada, o Godzilla manuseia maquetas que reproduzem as folgas apertadas e as geometrias complexas do vaso de vácuo. Os engenheiros utilizam-no para experimentar ferramentas, juntas, sensores e procedimentos de que as futuras máquinas irão necessitar quando trabalharem efectivamente em condições radioactivamente “quentes”, onde as pessoas não podem permanecer.

É aqui que entra a indústria internacional:

• a empresa francesa CNIM Systèmes Industriels fornece um importante braço telemanipulador;
• a gigante indiana de engenharia Larsen & Toubro está a conceber o principal robô de montagem do manto;
• a empresa espanhola Metromecánica criou um sistema automatizado de metrologia para medir folgas entre componentes, uma tecnologia que já está a chegar às fábricas automóveis.

A partir deste mês de março, está previsto que o Godzilla realize uma campanha de ensaios quase contínua com estas ferramentas, usando interfaces simuladas à escala real que reproduzem partes do interior do vaso de vácuo.

O robô de 36 toneladas que assumirá a tarefa

Depois de os projectos serem validados, a atenção passa para algo ainda maior. Prevê-se que o futuro robô de montagem do manto pese cerca de 36 toneladas, aproximadamente o triplo da massa da actual plataforma de testes.

Esta máquina trabalhará dentro do vaso de vácuo ou na sua entrada, instalando enormes módulos de manto ao longo do toro. Não actuará sozinha. O plano prevê:

• dois robôs principais de montagem do manto;
• um manipulador móvel capaz de se deslocar sobre carris ou suportes;
• um manipulador de reserva, pronto a intervir em caso de falha.

“O robô de montagem de 36 toneladas é, na prática, uma grua de construção móvel com destreza cirúrgica, concebida para trabalhar onde nenhuma pessoa pode permanecer em segurança durante muito tempo.”

Todas estas máquinas terão de caber umas à volta das outras, da estrutura de andaimes e da delicada construção já instalada, mantendo simultaneamente margens de segurança de apenas alguns milímetros.

Uma onda contínua de robôs e pessoas

Uma estratégia de montagem semelhante a uma maré em movimento

Em vez de concluírem uma camada completa antes de iniciarem a seguinte, as equipas do ITER escolheram um calendário mais fluido. Descrevem-no como uma sucessão de “ondas contínuas”.

Na prática, isto significa que, enquanto uma equipa e os seus robôs terminam um conjunto de componentes num determinado sector do toro, outra equipa começa imediatamente a camada seguinte num sector vizinho. As operações sobrepõem-se no tempo e no espaço, através de transições cuidadosamente coordenadas.

Esta abordagem:

• encurta o calendário global ao evitar longos períodos de inactividade de ferramentas e pessoal;
• diminui o risco de alterações tardias no projecto bloquearem toda a instalação;
• exige coordenação rigorosa e software de planeamento centralizado.

Um dos especialistas em robótica do ITER comparou a operação a uma orquestra sinfónica: dezenas de instrumentos, cada qual com o seu ritmo, mas todos a seguir a mesma partitura.

Robôs capazes de ver e sentir

Os robôs industriais convencionais são fortes, rápidos e repetíveis. No interior do ITER, essas qualidades não bastam.

Perto do tokamak, linhas de visão desimpedidas são raras. Reflexos, cantos apertados e grandes massas metálicas confundem câmaras simples e scanners laser. Os componentes podem sofrer pequenas deformações devido ao próprio peso ou à soldadura. Por isso, os novos robôs do ITER combinarão:

• sistemas avançados de visão, para reconhecer elementos e alinhar ferramentas;
• sensores de força e binário, para detectar contacto, fricção e sobrecarga.

Com esta informação, um robô consegue “sentir” quando uma peça encrava, quando duas superfícies se tocam pela primeira vez ou quando um parafuso começa a apertar. Pode então abrandar, corrigir o ângulo ou recuar por completo, em vez de forçar e danificar equipamento de vários milhões de euros.

“Dar aos robôs uma forma de tacto e percepção de profundidade não é um luxo no ITER; é uma medida básica de segurança para o equipamento e para as pessoas.”

Treino em maquetas gigantes antes da operação real

Réplicas à escala real como campo de treino

Antes de qualquer equipamento se aproximar do vaso real, o ITER está a construir enormes maquetas de aço que reproduzem, cada uma, cerca de um terço do tokamak.

Uma encontra-se na antiga oficina do crióstato; outra ocupará um novo edifício no local. Em conjunto, constituem um palco de formação tanto para pessoas como para máquinas.

Os operadores treinarão tarefas complexas como:

• conduzir módulos longos e pesados através de aberturas estreitas;
• recorrer à metrologia remota para confirmar posições;
• passar de modos manuais para automatizados ou teleoperados quando acontece algo inesperado.

Esta fase de ensaios deverá revelar acessos difíceis, projectos de ferramentas duvidosos ou pressupostos de calendário irrealistas muito antes de se transformarem em problemas dispendiosos dentro do poço do reactor.

As pessoas continuam na linha da frente

Apesar da utilização intensiva de robótica, as pessoas mantêm um papel central. Os técnicos trabalharão em plataformas com compensação de gravidade, que fazem as peças pesadas parecer mais leves, à semelhança dos exoesqueletos ou sistemas de contrapesos usados na montagem de aeronaves.

Estas plataformas permitem aos trabalhadores movimentar componentes manualmente com controlo preciso, mantendo-os protegidos contra escorregamentos ou quedas súbitas. A conjugação entre o julgamento humano e a precisão robótica deverá ser determinante nas zonas de acesso difícil, cheias de tubagens, cabos e sistemas de diagnóstico.

Um calendário de construção medido em anos, minutos e milímetros

Quando tudo estiver pronto, prevê-se que a montagem interna do ITER decorra quase como numa fábrica de alta gama:

• 24 horas por dia;
• seis dias por semana;
• durante cerca de dois anos de trabalho quase ininterrupto.

Os marcos recentes mostram até onde o projecto já chegou. Vários sectores maciços do vaso de vácuo, cada um com cerca de 1 300 toneladas, foram baixados para o poço do tokamak com folgas de apenas 0,4 milímetros sob carga. Uma operação deste tipo deixa pouquíssimo espaço para improvisação.

Porque é que o ITER precisa de robótica tão extrema

As condições de fusão são hostis para pessoas e máquinas

Quando o ITER começar a funcionar, algumas partes do tokamak ficarão expostas a radiação intensa de neutrões, campos magnéticos elevados e grandes cargas térmicas. Mesmo antes disso, a geometria por si só já cria dificuldades: portas estreitas, blindagem espessa, visibilidade limitada e equipamento que não pode ser contaminado nem riscado.

A radiação degradará lentamente componentes electrónicos, sensores e lubrificantes. As ferramentas têm de ser concebidas para poderem ser substituídas ou reparadas à distância. Os cabos e as ligações de dados também precisam de resistir ao ruído electromagnético.

É por isso que se investe tanto esforço na robótica já durante a montagem. Mais tarde, as mesmas tecnologias serão usadas na inspecção, manutenção e modernização de uma máquina radioactiva que terá de permanecer selada na maior parte do tempo.

“Os robôs que hoje ensaiam numa oficina limpa terão descendentes a operar durante décadas nas duras condições de fusão de amanhã.”

Termos a esclarecer: vaso de vácuo, manto e primeira parede

Vários termos fundamentais surgem frequentemente nas actualizações do ITER:

• Vaso de vácuo: a câmara de aço de parede dupla que mantém o vácuo ultra-alto onde o plasma circula. É a espinha dorsal estrutural do tokamak e a barreira entre o ambiente radioactivo do plasma e o restante complexo.
• Manto: uma camada de módulos que reveste o interior do vaso, absorvendo os neutrões das reacções de fusão e convertendo a sua energia em calor. Em futuras centrais eléctricas, os mantos também poderão produzir combustível de trítio a partir de lítio.
• Primeira parede: os elementos da superfície interna directamente voltados para o plasma. Têm de suportar picos de calor e bombardeamento de partículas, permanecendo simultaneamente tão lisos e limpos quanto possível para evitar contaminar o plasma.

Compreender estes elementos ajuda a explicar porque é importante um módulo mal colocado ou uma superfície riscada. Cada peça contribui para o desempenho global, a segurança e a vida útil do reactor.

O que isto significa para além do ITER

O programa de robótica em torno do Godzilla e do seu sucessor de 36 toneladas não é apenas uma demonstração isolada para uma única experiência. As técnicas em desenvolvimento - telemanipulação de alta precisão, metrologia avançada em espaços apertados e fluxos de trabalho mistos entre pessoas e robôs - são directamente relevantes para futuras centrais de fusão, que necessitarão de manutenção remota rápida para se manterem comercialmente viáveis.

Existem também efeitos evidentes noutros sectores. As fábricas automóvel e aeroespacial já beneficiam de melhorias em metrologia e conjuntos de sensores desenvolvidos a partir de necessidades da fusão. O desmantelamento de antigos reactores de fissão, o manuseamento de resíduos radioactivos e até a construção de infra-estruturas subterrâneas poderão adoptar robôs semelhantes, simultaneamente robustos e delicados, concebidos para operar onde o acesso humano é limitado ou arriscado.

Se o ITER conseguir orquestrar esta “onda contínua” robótica dentro da sua cebola de aço, não só aproximará um plasma de fusão de 500 MW. Também estabelecerá uma nova referência sobre a forma como máquinas e pessoas podem partilhar alguns dos locais de trabalho mais exigentes do planeta.