Evaluation of the EU-DEMO fusion reactor divertor manipulator concepts

Abstract

Euroopassa on kehitteillä tapoja fuusioenergian käyttöönottamiseksi energiantuotannossa. Vuonna 2014 aloitettu kehitysprojekti nimeltä EU-DEMO on osa tätä suunnitelmaa. EU-DEMO-kehitysprojektin tavoitteena on demonstroida fuusiovoiman kaupallinen toteuttamiskelpoisuus. EU-DEMO-kehitysprojekti on tällä hetkellä ideointivaiheen loppuvaiheessa. Tällöin kaikki reaktorin eri osa-alueisiin liittyvät esitetyt konseptit arvioidaan. Näistä konsepteista valitaan muutama lupaavin jatkokehitystä varten. Reaktorin huolto on yksi näistä osa-alueista. Huollon kesto vaikuttaa merkittävästi fuusiovoimalan kannattavuuteen. Diverttori on yksi tärkeimmistä huollon kohteista. Diverttorin tehtävänä on poistaa lämpöä ja epäpuhtauksia tyhjiökammiosta. Reaktorin ollessa toiminnassa siihen kohdistuu voimakas lämpö- ja neutronikuorma. Neutronikuorma heikentää diverttorin materiaaleja, ja lämpökuorma aiheuttaa jännityksiä diverttorin rakenteisiin. Tästä syystä diverttori täytyy vaihtaa noin kahden käyttövuoden jälkeen. Diverttori on jaettu pienempiin osiin nimeltä kasetti, jotta diverttorin vaihto olisi helpompaa. Diverttorin kasetteja kuljetetaan reaktorin tyhjiökammion ja kasettien kuljetuskontin välillä kuljettimella. Tässä opinnäytetyössä arvioidaan ja verrataan kolmea esitettyä diverttorin kuljetin konseptia. Tuloksen on tarkoitus avustaa lupaavimpien konseptien löytämisessä. Konseptien arviointikriteerit pohjautuvat EU-DEMO-projektin suunnittelukriteereihin. Tärkeimmät reaktorin sisällä tehtävien huoltotöiden kriteerit ovat tyhjiökammiossa tehtävän työn, huollon keston, tilankäytön ja teknisten riskien minimointi. Opinnäytetyön tutkimuskysymykset ovat: millaisia konsepteja on esitetty, ja kuinka hyvin työhön valitut konseptit täyttävät EU-DEMO projektin suunnittelun kriteerit. Kehitysehdotuksia on myös esitetty arvioitaville konsepteille. Opinnäytetyössä on arvioitu kolmea kuljetin konseptia: yksinkertaisesti tuettu palkki -, ulokepalkki - ja kuljetusalusta -lähestymistapa. Tulokseksi saatiin, että ulokepalkki -konseptissa huollon kesto on lyhin ja kuljetin on lyhimmän ajan tyhjiökammiossa. Yksinkertaisesti tuettu palkki -konseptissa huollon kesto on pisin, ja kuljetin on pisimmän aikaa tyhjiökammiossa. Ulokepalkki -konseptissa kuljetin tarvitsee korotetun kuljetuskontin ja ylimääräistä tilaa diverttorin huoltotunnelissa varoetäisyyksiä varten. Muuten sen tilan tarve on minimaalinen. Yksinkertaisesti tuettu palkki - ja kuljetusalusta -konsepteissa kuljetin tarvitsee tilaa kasetin alapuolelta. Näissä konsepteissa liikkeet ovat hyvin tuettuja, joten varoetäisyydet voidaan pitää pieninä. Yksinkertaisesti tuettu palkki -konseptissa tekniset riskit ovat pienet, koska kuljettimen liikkeet ovat hyvin tuettuja, teknologia on hyvin käytännössä testattua ja käyttäjävirheen riskit ovat pienet. Ulokepalkki -konseptissa tekniset riskit ovat arvioiduista konsepteista suurimmat, koska käyttäjävirheen riskit ovat suuret vähemmän tuettujen liikkeiden aikana. Kuljetusalusta -konseptissa tekniset riskit ovat toisiin arvioituihin konsepteihin nähden keskimääräiset, koska kuljettimen liikkeet ovat hyvin tuettuja, mutta liikesuunnan vaihdot lisäävät riskejä. Yksinkertaisesti tuettu palkki -konseptiin esitettiin kehitysehdotuksia täydentämään kuljettimen vielä suunnittelemattomat osa-alueet. Ulokepalkki -konseptiin esitettiin kehitysehdotus teknisten riskien pienentämiseksi. Kuljetusalusta -konseptiin esitettiin kehitysehdotuksia yksinkertaistamaan huollon vaiheita. Lähdetiedon vähyys ja tämän tutkimuksen laajuus rajoittivat työn tulosten hyödyllisyyttä, mutta työn päämäärä saavutettiin. Tätä opinnäytetyötä voidaan käyttää konseptien valintaprosessien tukena.

As part of the European plan to realize feasible fusion power, the development of a fusion power reactor, the so-called European DEMOnstration fusion power reactor (EU-DEMO), has been started in 2014. The purpose of the EU-DEMO project is to demonstrate commercial feasibility of fusion power plants. The development of the EU-DEMO reactor is now in the end of the pre-conceptual design phase where proposed concepts for all areas of reactor are narrowed down to the few promising concepts for further development. One sector is reactor maintenance, the duration of which affects greatly the power plant viability. One maintained part is a divertor that extracts heat and impurities from the plasma. Intense heat and neutronic loads in the vacuum vessel during reactor operation stresses and weakens the divertor materials so that they have to be replaced after two years of operation. The divertor is divided into the cassettes in order to make replacement process easier. Cassettes are transported in between the vacuum vessel and the transport cask with a manipulator. In this study, three proposed cassette manipulator concepts are evaluated in order to support concept selection process. The evaluation criteria of the concepts are based on the EU-DEMO development drivers. The development drivers are a minimization of in-vessel operation, maintenance duration, space requirements and of technical risks. The research questions are, how the divertor manipulator follows the development drivers for the fusion power plant maintenance and what kind of divertor manipulator concepts are presented. Possible concept improvements are also proposed. The evaluated concepts are a simply supported beam, a cantilever and a mobile platform approach Based on the results, the manipulator in the cantilever approach requires the least amount in-vessel and overall operations. The simply supported beam approach require the largest amount of the in-vessel and overall operations. In the cantilever approach, the manipulator requires additional space from the transport cask, additional clearances in the divertor maintenance port. Otherwise, it requires minimal additional space around the cassette. In the simply supported beam and mobile platform approaches, the manipulator requires additional space under the cassette. Movements are well supported and guided, so clearances in the maintenance port can be minimal. Technical risks in the simply supported beam approach are low due to the good support, the use of proven technologies and the low risk of human error. In the cantilever approach, the technical risks are relatively high due to the higher possibility of human error during non-guided movements. In the mobile platform approach, the technical risks are moderate. The movements are well supported and guided, but the rotation between linear and toroidal directions may introduce additional technical risks. In the simply supported beam approach, improvements were found to compensate for the missing parts of the design. In the cantilever approach, only a minor improvement was found to mitigate the technical risks. In the mobile platform approach, possible improvements were found to decrease the complexity of the design. The amount of source material and the scope of the study limited the usefulness of the results, but the goals of the study are satisfied. This study can be used as one of many evaluations in order to find the most promising concepts.