Polttavan kuumaa plasmaa, äärimmäisen kylmiä lämpötiloja, tavattoman painavia komponentteja ja äärimmilleen viritettyä vaativaa teknologiaa. Kaikkea tätä löytyy tulevaisuuden energianlähteenä hehkutetun fuusioreaktorin sisuksista. Yksi siihen liittyvistä haasteista koskee niinkin arkipäiväistä asiaa kuin huolto: kuinka kuluneita osia voi poistaa ja korvata ne uusilla vaarallisissa ja äärimmäisen haasteellisissa olosuhteissa? VTT:n ratkaisu radioaktiivisten ydinvoimalakomponenttien huolto-ongelmiin on uusi etähuollon ohjausjärjestelmä, jota erikoistutkija Jarmo Alanen ja hänen tiiminsä demonstroivat.
Maailman suurinta fuusioenergian koereaktoria rakennetaan parhaillaan Etelä-Ranskassa. Kyseisen ITER-reaktorin sisällä typen isotoopit deuterium ja tritium yhtyvät eli fuusioituvat korkeassa lämpötilassa tuottaen äärimmäisen kuumaa plasmaa. Näin syntynyt plasma pidetään donitsin muotoisen tokamak-reaktorikammion sisällä voimakkaiden suprajohtavien magneettien avulla.
Vaikkei ITER-reaktorilla vielä tähdätäkään sähköntuotantoon, se kuitenkin viitoittaa tietä reaktoreille, joiden avulla tämä on mahdollista. Fuusioreaktio vapauttaa huomattava määrän energiaa nopealiikkeisinä neutroneina ja latautuneina partikkeleina, jotka puolestaan kuumentavat plasman. Syntynyt lämpö otettaisiin talteen reaktorin seinäelementtien välityksellä. Lämmön avulla puolestaan tuotettaisiin höyryä pyörittämään sähköä tuottavia turbiineja.
Plasman lämpötila on 10 kertaa aurinkoa kuumempi, kun taas suprajohteiden lämpötilan on pysyttävä absoluuttisen nollapisteen tietämissä, jotta ne toimisivat.
”Nämä vastakohdat ilmentävät hyvin niitä ääriolosuhteita, jotka asettavat erityisvaatimuksia fuusioreaktorin toiminnalle. Yksi kiperimmistä ratkaistavista haasteista on huolto, ja siinä tulee avuksi Tampereella sijaitseva Divertor Test Platform 2 - eli DTP2 -tutkimusympäristö”, kertoo VTT:n erikoistutkija Jarmo Alanen.
Vaativissa olosuhteissa on käytettävä etäohjattua huoltoa
Voidaan perustellusti sanoa, ettei fuusiovoimalaa voisi olla ilman etäohjattua huoltoa. Voimalan kuluneita osia on vaihdettava uusiin, ja radioaktiiviset hiukkaset on poistettava reaktorista ja sen käsittelyn on tapahduttava turvallisesti. Jarmo Alasella ja hänen tiimillään on kokemusta erittäin vaativissa olosuhteissa tapahtuvasta etäohjauksesta. Heillä on käytössään erityinen Cassette Multifunctional Mover robotti, joka huoltaa tokamak-kammion pohjalla olevia valtavia tuhkakuppeja, diverttorikasetteja.
”Hyvä uutinen on se, että fuusiovoimalan osien ja ydinjätteen matala-aktiivisuus säilyy vain noin 100–200 vuotta, kun taas fissioreaktoreiden käytetty polttoaine pysyy radioaktiivisena 100 000 vuotta. Mutta ydinvoimalan käyttöiän aikana on tietenkin käsiteltävä myös korkea-aktiivisia partikkeleita ja rakenneosia, jotta voimala pysyy toiminnassa”, Alanen selittää.
Heliumtuhka ja epäpuhtaudet, jotka irtoavat reaktorin seinämistä ydinreaktion vaikutuksesta, kerääntyvät reaktorin pohjalla sijaitseviin valtaviin diverttorikasetteihin. Kun kukin kasetti painaa n. 10 000 kiloa, sen poistamiseen tarvitaan yhtä painava robotti, joka pystyy liikkumaan ahtaassa huoltotunnelissa. Suurten kuormien liikuttelu puolen millimetrin tarkkuudella on kaikkea muuta kuin helppoa.
Ratkaistakseen haasteen Fusion for Energy, VTT ja Tampereen yliopisto käynnistivät yhteishankkeen, jonka tavoitteena oli kehittää ITER:in etähuollon ohjausjärjestelmä ja integroida se DTP2:een eli Tampereella sijaitsevaan diverttoritutkimusympäristöön. Hanke on esimerkki onnistuneesta soveltavan tieteen ja yritysmaailman välisestä kumppanuudesta: VTT kehitti virtuaalisen 3D-ympäristön ja etädiagnostiikkasovelluksen, ja siihen on liitetty GTD:n C&C operointiohjelmisto, Genrobot robotiikkaohjelmisto ja LLC tiedonsiirto-rajapinta.
Kehitetty järjestelmä ohjaa robottia ja ennakoi ja tarkkailee toimintaa ongelmien ilmaantumisen varalta. Mikäli esimerkiksi näyttäisi siltä, että jonkinlainen törmäys on tapahtumassa, järjestelmä pysäyttäisi kaiken liikkeen. Robotin ohjausta varten etähuollon ohjausjärjestelmä hyödyntää myös Tampereen yliopiston kehittämää kamerapohjaista 3DNode seurantajärjestelmää. Sen avulla voidaan seurata kohteen tarkkaa sijaintia ja orientaatiota tilanteissa, joissa vaaditaan ehdotonta tarkkuutta. Robotin hydraulisen liikkumisen takana on puolestaan toinen Tampereella kehitetty innovaatio, DigiValve.
Alasen tiimi esitteli tammikuussa 2024 ensimmäistä kertaa ITER-reaktorin kanssa yhteensopivaa etähuollon ohjausjärjestelmää kumppaneilleen ja yhteistyötahoilleen.
”Vaikka operaattori voi jotakuinkin luottaa ennalta opetettuihin liikeratoihin, robottia voi joutua kontrolloimaan myös manuaalisesti. Joskus tarvitaan hyvin pientä liikettä, erityisesti robotin ja kasetin rajapinnan tiukan istuvuuden takia tai kun on tarpeen kompensoida joustoja 10-tonnista kuormaa laskettaessa. Tilanne vaatii yhtäaikaista sivuttais- ja kiertoliikettä millimetri kerrallaan ilman kameranäkyvyyttä, mikä on melkoinen suoritus. Tässä virtuaalitodellisuusmallilla ja C&C:n virtuaali-instrumenteilla on kriittisen tärkeä rooli”, Alanen toteaa.
Diverttorikasettien vaihtaminen ei ole tietenkään ainoa huoltoa vaativa asia fuusioreaktorissa. Huolto-olosuhteet ovat usein vaaralliset eikä ihmisillä ole pääsyä niitä suorittamaan. Alasen tiimi tutkii erilaisia pienempiä robotteja, joiden avulla voisi hitsata, imuroida, kiristää pultteja ja avata tai sulkea ovia radioaktiivisen reaktorin sisällä. Monet näistä tehtävistä vaativat herkkää operointia; liiallisen voiman käyttö voisi johtaa vakaviin seurauksiin.
”Haptinen ohjain välittää operaattorille tuntoaistimuksia siitä, mitä hänen ohjaamansa robotti on tekemässä. Vaikka automaatio lisääkin tehokkuutta, joissain tehtävissä ihmisiä tarvitaan edelleen. Robotiikka voi auttaa meitä venyttämään kykyjämme merkittävästi ja tekemään huoltotyöstä turvallisempaa”, tiivistää VTT:n erikoistutkija Hannu Saarinen.
Soveltavien tieteiden innovaatiot kasvattavat yritysten kilpailukykyä
Koska fuusioreaktorit ovat herkkiä kaikenlaisille epäpuhtauksille, etäohjatussa huoltojärjestelmässä käytetään vesipohjaista hydrauliikkaa. Tampereella on ollut mittavaa alan asiantuntemusta jo 1980-luvulta lähtien. Digitaalinen DigiValve-venttiili on Tampereen teknillisen yliopiston, Fluiconnecton ja Tamlinkin ainutlaatuinen innovaatio, joka tuo lisää luotettavuutta vaativiin ympäristöihin.
”Kävi ilmi, että servoventtiilit, joita alussa käytimme etäohjausjärjestelmässä, eivät olleet kovin ihanteellinen ratkaisu, koska ne kuluivat nopeasti ja tukkeutuivat helposti. DigiValve-venttiilit ovat huomattavasti vähemmän alttiita vikaantumiselle, koska 16 on/off venttiilin muodostama järjestelmä ei ole riippuvainen vain yhden venttiilin toiminnasta kuten aiempi ratkaisu. Niitä on helppo ohjata digitaalisesti, ja ne mahdollistavat paremman toimintakyvyn ja erittäin tarkan ohjauksen”, Alanen sanoo.
Toinen keksintö, kamerapohjainen 3DNode-seurantajärjestelmä laskee robotin tarkan sijainnin mittaamalla diverttorikasettien koordinaatit ja kiertokulmat huoltotunneliin ja kasetteihin asetettujen markkereitten perusteella. Kaupallisia konenäkösovelluksia on kyllä olemassa, muttei sellaisia, jotka täyttäisivät ITER:in asettamat vaatimukset esimerkiksi materiaalien ominaisuuksien tai säteilynkestävien kameroiden matalan resoluution suhteen.
Nämä innovaatiot ovat erinomainen esimerkki siitä, kuinka soveltavien tieteiden ja yritysmaailman välisen yhteistyön kautta on mahdollista luoda ratkaisuja, joilla voi olla laajempaakin kaupallista potentiaalia. Fuusioreaktori on todennäköisesti vaativin mahdollinen ympäristö vesihydrauliikalle, mutta sama teknologia voisi olla hyödynnettävissä myös muilla aloilla, joilla on liikuteltava isoja kuormia suurella tarkkuudella.
Rakennustoiminta, valmistava teollisuus ja liikenne ovat vain joitain esimerkkejä aloista, jotka voisivat hyötyä ITERin etäohjausta varten kehitetyistä ratkaisuista. Fuusioreaktoriin tarvittava asiantuntemus on valjastettavissa osaksi jokapäiväistä elämäämme jo tänä päivänä.
Jarmo Alanen tyytyväisenä diverttorikasettien onnistuneen asennuksen jälkeen: ”Hanke on esimerkki onnistuneesta soveltavan tieteen ja yritysmaailman välisestä kumppanuudesta".
F4E-GRT-0901 -hanke pähkinänkuoressa
- Hanke on saanut EU:n rahoitusta Fusion for Energy (F4E) -organisaatiolta, joka hallinnoi Euroopan osallistumista ITER-hankkeeseen, sekä VTT:ltä ja Tampereen yliopistolta.
- Hanketta on koordinoinut VTT.
- F4E-GRT-0901-hankkeen tärkein tavoite oli ITERin etähuollon ohjausjärjestelmän demonstrointi F4E:n divertorin testausalustalla (DTP2), jota VTT isännöi Tampereella.
- VTT on toimittanut hankkeessa etädiagnostiikkasovelluksen ja virtuaalitodellisuuden ja Tampereen yliopisto 3DNode-kamerapohjaisen asennon- ja paikanmittausjärjestelmän.
- Myös GTD, Tamlink ja Fluiconnecto ovat osallistuneet tähän työhön muiden F4E:n rahioittamien hankkeiden kautta; GTD Genrobot-, Command & Control- ja LLC-kommunikointiohjelmistolla; Tamlink ja Fluiconnecto DigiValve-vesihydrauliikan digitaaliventtiilillä. Nämä kaikki yhdessä VTT:n ja Tampereen yliopiston tuotosten kanssa validoitiin kokeellisesti F4E-GRT-0901:n puitteissa DTP2:ssa.
- F4E on huolehtinut teknisestä koordinoinnista F4E-GRT-0901:n ja muiden sopimusten välillä.
