Proposing maintainability evaluation method for system design in early development phases of fusion power plant : Hybrid Maintainability Evaluation method

Abstract

Fusion power is a promising way to produce clean, CO2-free energy. At present, fusion power is in the development stage and no commercial power plants exist. One of the most important projects in the European Union for the realization of a commercial fusion power plant (FPP) is the European DEMOnstration fusion power reactor (EU-DEMO). One of the main goals of EU-DEMO is to prove the economic viability of the FPPs. A key factor affecting the viability is the availability and the key factors affecting it are reliability and maintainability. In the EU-DEMO project, emphasis is put on maintainability, but it is not fully incorporated in the conceptual design phase. Existing evaluation methods will be used later in the engineering phase, when changes made to the system tend to be more expensive. The main challenge of evaluation during the conceptual design phase is that all information is fuzzy and subject to change. In addition, the systems being evaluated are complex and operate under unique and extremely harsh conditions. This study investigates how maintainability can be evaluated in a given situation and how the evaluation method can be validated. The intended user group for the method is a group of system designers and no experts in maintainability should be required. The study is limited to consider only planned maintenance due to the scope of the study. This study starts with a literature review where following potential methods were reviewed: the Reliability, Availability, Maintainability and Inspectability (RAMI) method, the Bayesian Network, multiple Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) methods and the Fuzzy Comprehensive Evaluation (FCE). Based on the review, a combination of the FCE with group-Analytic Hierarchy Process (group-AHP) method and guide documentation was de-veloped. The new method is called Hybrid Maintainability Evaluation (HME) method. A spread-sheet calculation tool and a guide document were created for the method. In HME, the user is first guided to document all evaluation-relevant system/maintainability environment and context data in the guide document. Then, based on the data, the user establishes an evaluation hierarchy where the lowest level criteria are given concept evaluation rules. Next, the hierarchy is weighed, and concepts are evaluated using the FCE method. The results of the evaluation are used to start a discussion about the identified maintainability issues. At the end of this study, the HME method is validated with an applicability study and a case study. In the applicability study, a first version of the HME method was given to some VTT FPP maintenance systems experts for testing and they provided feedback on the method with the help of a questionnaire. In the case study, an EU-DEMO divertor system concept was evaluated with the HME method by the developer of the HME alone. The concept data was gathered from EUROfusion’s internal documentation. The results of the study were analyzed with the help of study questions. The results of the applicability study showed that the HME method is promising for systematically documenting the evaluation and starting discussions about maintainability issues. Moreover, the experts would use a further developed tool. They also found that the resources required for the evaluation were suitable for the conceptual design phase. However, the experts found major usability issues from the tool and suggested not to build the tool on spreadsheets. For the method, the experts suggested investigating the standardization of the evaluation rule creation and the compatibility of the HME method in the bottom-up development process. In the case study no significant evaluation result was identified. The results of the case study were found inconclusive. The concept evaluation without a group of system designers is not possible with the HME method. Further development and validation are required to reach conclusion on the usefulness of the HME method.

Fuusiovoima on yksi potentiaalinen tapa tuottaa puhdasta ja hiilidioksidivapaata energiaa. Tällä hetkellä fuusiovoima on vasta kokeellisessa vaiheessa, joten kaupallisia voimaloita ei ole vielä olemassa. Yksi tärkeimmistä Euroopan unionin fuusiovoima-projekteista on European DEMOnstration fusion power reactor (EU-DEMO). Sen yhtenä tärkeimpänä tavoitteena on todistaa fuusiovoiman kaupallinen kannattavuus, jonka keskeinen tekijä on fuusiovoimalan käytettävyysaste. Kaksi käyttöasteeseen vaikuttavaa tekijää ovat voimalan luotettavuus ja huollettavuus. EU-DEMO-projektissa yhtenä suunnittelun painopisteenä on voimalan huollettavuus. Tätä ei ole kuitenkaan huomioitu projektin konseptisuunnitteluvaiheessa. Jo olemassa olevat huollettavuuden arviointimenetelmät ovat tarkoitettu tekniseen suunnitteluvaiheeseen. Muutosten tekeminen myöhemmässä suunnitteluvaiheessa on usein kalliimpaa. Suurimmat haasteet huollettavuuden arvioinnissa konseptointivaiheessa ovat suunnittelutiedon epätarkkuus ja merkittävät muutokset. Lisäksi EU-DEMO-projektissa systeemit ovat monimutkaisia ja niitä käytetään erittäin ankarissa ja ainutlaatuisissa olosuhteissa. Tässä työssä selvitetään kirjallisuuskatsauksen avulla, miten huollettavuutta voidaan arvioida edellä mainitussa tilanteessa. Sen lisäksi työssä kehitetty menetelmä validoidaan. Menetelmä on tarkoitettu systeemin suunnittelijaryhmille ja huollon suunnittelijoita ei pitäisi tarvita arvioitaessa systeemin huollettavuutta. Tässä työssä huollettavuuden arviointi on rajattu suunnitellun huollon arviointiin, ei vikojen korjattavuuteen. Työn kirjallisuuskatsauksessa arvioitiin menetelmät: Reliability, Availability, Maintainability and Inspectability- (RAMI), Bayes-verkko-, Fuzzy Comprehensive Evaluation-menetelmä (FCE) sekä useita monitavoitearviointimenetelmiä. Tässä työssä menetelmän laskennalliseksi pohjaksi valittiin FCE-menetelmä. Kriteerien painoarvot lasketaan analyyttisen hierarkiaprosessin ryhmille tarkoitetulla variaatiolla. Hierarkian muodostamisen helpottamiseksi luotiin opastava dokumentti systeemin/huollon suunnittelun ympäristö- ja konteksti tiedon keäämiseksi. Lisäksi arviointitulosten hyödyntämistä varten luotiin ohje. Tämä arviointiprosessi nimettiin Hybrid Maintainability Evaluation-menetelmäksi (HME). Menetelmän laskentaa varten kehitettiin taulukkolaskentatyökalu, johon myös hierarkia laaditaan. Konseptin arviointikriteeristö laaditaan hierarkian alimman tason elementeille. Sitten elementeille annetaan painoarvot ja konseptit arvioidaan hierarkian avulla FCE-menetelmällä. Tulosten pohjalta käyttäjät aloittavat keskustelut konseptin huollettavuuden parantamiseksi. Tämän työn lopuksi HME-menetelmä validoitiin tapaustutkimuksen ja käytettävyystutkimuksen avulla. Käytettävyystutkimuksessa menetelmää testasivat VTT:n fuusiovoimaloiden etähuollon järjestelmien suunnittelijat. He antoivat testin ja kyselylomakkeen pohjalta palautetta. Tapaustutkimuksessa menetelmän kehittäjä arvioi EU-DEMO-laitoksen diverttorikonseptin HME-menetelmällä. Suunnittelutieto kerättiin EUROfusion-organisaation sisäisestä dokumentaatiosta. Tuloksia arvioitiin tutkimuskysymysten avulla. Käytettävyystutkimus osoitti, että HME-menetelmä vaikutti sopivalta arvioinnin systemaattiseen dokumentointiin ja huollettavuusongelmiin liittyvien keskustelujen aloittamiseen. Testaajat arvioivat, että valmiiksi kehitetty versio voisi olla käytettävä. Heidän mukaansa menetelmän resurssivaatimukset sopivat suunnitteluvaiheeseen. He löysivät useita kehityskohteita työkalun käytettävyyteen ja ehdottivat työkalun pohjaksi muuta kuin taulukkolaskentaohjelmaa. Menetelmän kehittämiseksi he ehdottivat standardisoidumpaa arviointikriteeristöä ja voisiko menetelmää kehittää alhaalta ylöspäin suuntautuvaan suunnitteluprosessiin sopivaksi. Tapaustutkimus ei tuottanut merkittäviä huollettavuuteen liittyviä löytöjä. Tutkimus todettiin tuloksettomaksi, koska menetelmä ei sopinut arviontiin ilman ryhmää. Menetelmän validointi vaatii menetelmän jatkokehitystä ja laajempaa tapaustutkimusta.