Analisi tecno-economica della produzione additiva di componenti in tantalio per la sorgente FEBIAD di SPES

La facility SPES (Selective Production of Exotic Species) ha come obiettivo la produzione di fasci di ioni radioattivi per applicazioni scientifiche avanzate presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). In questo contesto, la tecnica ISOL (Isotope Separation On-Line) ne rappresenta un elemento chiave, permettendo la produzione e la separazione di isotopi instabili. Uno dei principali componenti del sistema ISOL è la sorgente di ionizzazione. In particolare, la sorgente al plasma di tipo FEBIAD (Forced Electron Beam Induced Arc Discharge) è attualmente la più utilizzata nel contesto della facility SPES, ed è costituita da due componenti fondamentali, ovvero un catodo e un anodo, realizzati in metallo refrattario, in particolare tantalio In questo contesto, l’esperimento HISOL (High performance ISOL) si propone di sviluppare una nuova generazione di sorgenti di ionizzazione ad alte prestazioni mediante l’utilizzo di tecnologie innovative. Tra queste, la produzione mediante Laser Powder Bed Fusion (LPBF) si distingue per le sue capacità di offrire maggiore flessibilità progettuale, e presso il laboratorio DIAM (Developments and Innovations on Additive Manufacturing) della sezione di Padova dell’INFN è stata messa a punto la possibilità di realizzare con questa tecnologia componenti in metallo refrattario. Nel contesto di HISOL è stata dimostrata la fattibilità della produzione di anodi e catodi in tantalio mediante LPBF, e la loro compatibilità con l’utilizzo in una sorgente FEBIAD operativa. Partendo da questo importante risultato, il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo la valutazione di alcuni dei vantaggi legati alla realizzazione tramite LPBF dei componenti della sorgente FEBIAD. Il primo aspetto riguarda la convenienza economica del processo LPBF. A tal proposito, è stata fatta un’analisi economica di tipo “make or buy” incentrata su anodi e catodi, confrontando il costo indicato dai tipici fornitori con quello stimato per la realizzazione in casa tramite LPBF. Una volta definito un modello di costo, concretizzato in un tool Excel, è stato possibile dimostrare la convenienza economica dei componenti LPBF. Quest’analisi si concretizza nello sviluppo di un Tool Excel con il quale si riesce a stimare il costo dei componenti che si vogliono realizzare mediante LPBF. L’altro aspetto riguarda i vantaggi prestazionali delle geometrie e caratteristiche ottenibili per i componenti LPBF. In particolare, sono stati analizzati alcuni fattori che influenzano l’emissione termoionica, ovvero il fenomeno fisico chiave per il funzionamento della sorgente. Gli aspetti considerati sono stati la topologia della superficie dell’anodo rivolta verso il catodo e la tessitura superficiale della faccia che quest’ultimo rivolge verso il primo. Per questi aspetti sono stati effettuati test sperimentali di emissione termoionica di diverse coppie di anodi e catodi, ricavando indicazioni utili per lo sviluppo di componenti innovativi per una sorgente FEBIAD a più alte prestazioni.