Third Dimension beschleunigt MRO für die größte Kernfusionsanlage der Welt auf UKAEA

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Seit 10 Jahren arbeitet Third Dimension mit der RACE (Remote Applications in Challenging Environments) der britischen Atomenergiebehörde (UKAEA) zusammen, um die Entwicklung der Kernfusion zu erleichtern, indem der MRO-Prozess (Wartung, Reparatur und Überholung) des weltweit größten Versuchsreaktors beschleunigt wird.

Als weltweit größtes Kernfusionsexperiment ist die JET (Joint European Torus) Kernfusion tokamak1 darauf ausgelegt, Energie zu nutzen, um die Entwicklung der Fusionsenergieerzeugung zu fördern. Fusion basiert auf dem gleichen Prinzip, das unsere Sonne und Sterne antreibt und ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer kohlenstofffreien Welt in der Energieproduktion.

Das Projekt, das von der UKAEA im Culham Science Centre bei Oxford für das EUROfusion-Konsortium europäischer Fusionswissenschaftler betrieben wird, begann 1983 und ist der absolute Spitzenreiter der wissenschaftlichen Entwicklung.

Third Dimension unterstützt die Qualitätskontrolle und MRO von JET mit ihren fortschrittlichen Profilmesssystemen. Als Third Dimension ursprünglich mit UKAEA zu arbeiten begann, wurde eine dritte Generation von GapGun vor Ort installiert und für viele Jahre für die Inspektion, in und aus der Fusionsanlage verwendet. Die GapGun, die für Handmessungen entwickelt wurde, wurde jedoch im vergangenen Jahr auf das kürzlich eingeführte Vectro-System aufgerüstet.

Vectro basiert nicht nur auf der neuesten GapGun Pro-Technologie der5. Generation, sondern wurde vor allem speziell für den Einbau als integriertes Roboter-Inspektionswerkzeug entwickelt. Bereits jetzt hat sich bewiesen, dass Vectro die Geschwindigkeit und Produktivität der Wartungsverfahren für UKAEA erheblich verbessert hat. Dies wurde mit dem MASCOT-Roboter der Behörde erreicht.

Tim Monks, CEO von Third Dimension, sagte: “JET ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg, die Kernfusion als nachhaltige Stromversorgung für die Zukunft Wirklichkeit werden zu lassen. Vectro trägt dazu bei, JET schnell und effektiv zu erhalten, und ich freue mich, dass das Team der dritten Dimension seinen Teil zu dieser fantastischen Technologie beigetragen hat.”

Während des Betriebs läuft der Reaktor 30 Sekunden lang jede halbe Stunde, wobei Wissenschaftler aus der ganzen Welt gespannt auf ihre Daten und Testergebnisse warten.

Der Tokamak1 hat eine Heizleistung von rund 40 Megawatt. Um die Stromerzeugung durch Kernfusion zu erreichen, sind Plasmatemperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius erforderlich. Das macht den Reaktor zur heißesten Temperatur im Sonnensystem, heißer als die Sonne.

Im Inneren des Reaktors sind speziell konstruierte Fliesen dicht verpackt, um den inneren Bereich des Tokamak-Kerns abzudecken und ihn vor den extremen Temperaturen und der feindlichen Umgebung zu schützen, die durch den Prozess erzeugt wird. Diese kastellierten, berylliumbeschichteten Inconel-Fliesen werden in den USA zu einem Preis von über 700 DOLLAR pro hundert Gramm hergestellt.

Fliesen sind etwa 1 cm quadratisch und sind leicht versetzt in einem Winkel, um das heiße Gas – bekannt als Plasma – im Kern zu fördern, um kontrolliert zu zirkulieren. Dies stellt eine Herausforderung dar, um sicherzustellen, dass die Fliesen innerhalb eines streng kontrollierten Toleranzbandes liegen.

Jede übermäßige Menge an Schritt oder Lücke zwischen Fliesen erhöht die Gefahr, dass Plasma dazu führen könnte, dass sich Fliesen lösen oder beschädigt werden. Dies würde dann teuren Austausch bedeuten und so ist die Inspektion und die richtige Positionierung auf diesen Fliesen entscheidend für das Projekt.

Unweigerlich werden Fliesen jedoch von Zeit zu Zeit beschädigt, oft durch Plasma, das aus den starken Magnetfeldern von JET entweicht. Daher wird die JET-Anlage im Rahmen regelmäßiger Wartungsarbeiten alle zwei Jahre für sechs Monate für eine Überholung geschlossen, und dann kommt der Vectro ins Spiel.

Aufgrund der feindlichen Umgebung des Reaktors wird er für ein paar Monate abkühlen lassen, bevor die MRO beginnt; obwohl es auch dann für den Menschen immer noch unsicher ist, den Tokamak ohne Schutzanzüge sicher zu betreten. Allerdings gedeiht Vectro und ist unter diesen Bedingungen effektiv und wird daher aus der Ferne mit einem Robotergerät namens MASCOT betrieben.

MASCOT ist auf einem Schiffstransportersystem montiert, damit Vectro auf Schäden an der Oberfläche jeder einzelnen Ziegelseite des Reaktors überprüfen kann. Jede Fliese wird überprüft, um zu sehen, ob sie ersetzt werden muss, und wenn ja, um sicherzustellen, dass die Ersatzstoffe genau an der richtigen Stelle und Ausrichtung neu positioniert werden.

MASCOT ist ein sehr dextrous haptic kraft-feedback Master-Slave Telemanipulator, mit jeder kinematisch ähnlichen Master- oder Slave-Einheit, die aus zwei 7-Grad-Freiheitsarmen besteht. Die MASCOT MasterStation wird von erfahrenen Fernabfertigungsbetreibern angetrieben und kann über ein Transportersystem um das Schiff herum positioniert werden. einen 12 Meter langen Gelenkroboter (siehe Bild).

James Kent, Remote Handling Development Engineer bei RACE, sagte: “Jede Fliese, die wir ersetzen, überprüfen wir mit dem Vectro-System. Dies beschleunigt unsere Überholungszeit, was bedeutet, dass JET früher wieder einsatzbereit sein kann, was zu Ergebnissen führt, die dazu beitragen werden, die Fusion in Zukunft zu einer verlässlichen Energiequelle zu machen. GapGun und Vectro sind sehr präzise. Ohne sie konnten wir die Fliesen nicht so genau oder effizient positionieren oder überprüfen.”

“Aufgrund der empfindlichen hochpräzisen Komponenten im Behälter, die präzise Einbautoleranzen erfordern, gibt Vectro die Möglichkeit, Schritte und Bündigzumessen zu messen, ohne das Bauteil direkt berühren zu müssen. Die Tausenden von Messungen, die am Ende der Installationsphase durchgeführt werden müssen, müssen schnell und effizient durchgeführt werden, was der Vectro sehr gut erfüllt.”

“Durch die Möglichkeit, Mit der Software von Third Prüfpläne zu erstellen, können wir eine strukturierte Möglichkeit zur Messung der Komponenten erstellen und ein Verlaufsprotokoll für zukünftige Installationen führen. Darüber hinaus bedeutet die kompakte Natur von Vectro, dass wir das Gerät in Bereichen mit eingeschränktem Zugang einsetzen können.”

Während einer regelmäßig geplanten Abschaltung werden während des sechsmonatigen Zeitraums rund 600 Fliesen entfernt und ersetzt, darunter viele Probenumlenkerfliesen für chemische und physikalische Untersuchungen.

Der Umlenker ist eine Vorrichtung innerhalb des JET-Tokamaks, die die Entfernung von Abfallmaterial aus dem Plasma während des Reaktorbetriebs ermöglicht. Dies ermöglicht die Kontrolle über den Aufbau von Fusionsprodukten im Kraftstoff und beseitigt Verunreinigungen im Plasma, die aus der Behälterauskleidung eingedrungen sind. Ein Umlenker besteht aus den folgenden Komponenten, die zwischen 60.000 und 100.000 US-Dollar kosten:

  • 48 Gasbox Innenträger (Fliesen)
  • 48 Gasbox Außenträger (Fliesen)
  • 48 Bulk Wolfram LBSRP (Fliesen)
  • 48 Basisträger (Fliesen)

Vectro wird verwendet, um alle zu ersetzenden Fliesen zu überprüfen und neue Kacheln zu überprüfen, bevor sie in die JET-Wand eingebaut werden. Während der Abschaltung 2010-2011 wurde jede einzelne Fliese ersetzt, die im Bereich von 4-5.000 Fliesen war.

Die preisgekrönte GapGun-Technologie ist die einzige Möglichkeit, um zu überprüfen, ob sich die Fliesen innerhalb von 10 Mikrometern in der richtigen Position befinden, was minimale Schäden im Betrieb des Reaktors sicherstellt. Es ist unmöglich für das menschliche Auge, eine solche Genauigkeit zu erkennen.

Vor GapGun und Vectro mussten bediener die Qualität mit einem Standard-Lückenspültest per Auge überprüfen, mit einer Checkliste vergleichen und alle Daten manuell in eine Kalkulationstabelle eingeben. Dies war langsam und fehleranfällig. GapGun, und jetzt Vectro, liefern die Ergebnisse sofort und elektronisch, so dass die Betreiber eine Aufzeichnung dessen haben, was getan wurde. Um dem Projekt Zeit und Geld zu sparen, liefern sie immer wieder wiederholbare Ergebnisse.

Mit dieser Prüfmethode ist es nicht nur möglich, die Anzahl der Fliesen, die bei Experimenten versagen, zu reduzieren (was eine höhere Wahrscheinlichkeit erfolgreicher Tests ermöglicht), sondern dass es in Zukunft auch möglich sein könnte, noch engere Toleranzen einzuhalten.

Mit Blick auf die nächste Phase der Fusionsenergieentwicklung wird der Reaktor ITER2 in Südfrankreich derzeit gebaut und soll 2035 fertiggestellt werden. JET führt technische Vorbereitungen für ITER durch, um sicherzustellen, dass es ein Erfolg wird – und spielt dabei eine starke Rolle bei der Entwicklung der Fusionsenergie.

UKAEAs RACE entwickelt nun die nächste Phase des Roboters, MASCOT 63, der in diesem Jahr auf den Markt kommen soll. Robert Howell, Mechatroniker bei RACE, sagte: “MASCOT 6 befasst sich mit den Obsoleszenzproblemen im älteren MASCOT 4.5-System, führt aber auch Leistungsverbesserungen und neue Funktionen ein.

Dazu gehören: neue Aktuator-Designs für die für die Leistung optimierten Master- und Slave-Einheiten, ein modernes Steuerungssystem mit neuen elektrischen und Softwarekomponenten, wesentliche Verbesserungen und Verbesserungen sowohl an der Steuerungssoftware als auch an der grafischen Benutzeroberfläche des Bedieners sowie verbesserte Sicherheitsfunktionen.”

Weitere Informationen zur Kernfusion finden Sie unter https://www.gov.uk/government/organisations/uk-atomic-energy-authority, http://www.race.ukaea.uk/.

  1. Tokamak – eine experimentelle Maschine entwickelt, um die Energie der Fusion zu nutzen.
  2. ITER ist das größte Fusionsexperiment der Welt und wird der größte Fusionsreaktor sein, wenn es in Betrieb genommen wird. 35 Nationen arbeiten zusammen, um den ITER Tokamak in Südfrankreich zu bauen und zu betreiben.
  3. Skilton, R., Fusion Engineering and Design (2018), https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.03.026