Seit 10 Jahren arbeitet Third Dimension mit der RACE-Abteilung (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. Third Dimension beschleunigt MRO.
Als weltweit größtes Kernfusionsexperiment ist die JET (Joint European Torus) Kernfusion Tokamak1 darauf ausgelegt, Energie zu gewinnen, um die Entwicklung der Fusionsenergieerzeugung zu fördern. Fusion basiert auf demselben Prinzip, das unsere Sonne und Sterne antreibt, und ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer kohlenstofffreien 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 Qualitätskontrolle und MRO von JET mit ihren fortschrittlichen Profilmesssystemen. Als Third Dimension die Zusammenarbeit mit der UKAEA aufnahm, wurde ein GapGun der dritten Generation vor Ort installiert und viele Jahre lang für Inspektionen innerhalb und außerhalb der Fusionsanlage verwendet. Das für handgeführte Messungen konzipierte GapGun wurde jedoch im vergangenen Jahr durch das kürzlich eingeführte Vectro-System ersetzt.
Vectro basiert nicht nur auf der neuesten GapGun Pro-Technologie der 5. Generation, sondern wurde speziell für die Installation als integriertes Roboterprüfgerät entwickelt. Vectro hat bereits bewiesen, dass es Geschwindigkeit und Produktivität der Wartungsabläufe bei der UKAEA erheblich verbessert hat. Dies wurde mit dem MASCOT-Roboter der Behörde erreicht.
Tim Monks, CEO von Third Dimension, meint: „JET ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Verwirklichung der Kernfusion als nachhaltige Energiequelle für die Zukunft. Vectro trägt dazu bei, JET schnell und effektiv zu warten, und ich freue mich, dass das Team von Third Dimension seinen Teil zu dieser fantastischen Technologie beigetragen hat.“
Während des Betriebs läuft der Reaktor jede halbe Stunde für 30 Sekunden, und Wissenschaftler aus aller Welt warten gespannt auf ihre Daten und Testergebnisse.
Der Tokamak1 hat eine Heizleistung von rund 40 Megawatt. Für die Stromerzeugung durch Kernfusion sind Plasmatemperaturen von über 100 Millionen Grad Celsius erforderlich. Damit erreicht der Reaktor die heißeste Temperatur in unserem Sonnensystem, heißer als die Sonne.
Im Inneren des Reaktors sind speziell entwickelte Kacheln dicht gepackt, um den inneren Bereich des Tokamak-Kerns zu bedecken und ihn vor den extremen Temperaturen und der feindlichen Umgebung zu schützen, die durch den Prozess entstehen. Diese kastellierten, berylliumbeschichteten Inconel-Platten werden in den USA zu einem Preis von über 700 Dollar pro hundert Gramm hergestellt.
Die Kacheln sind etwa 1 cm groß und leicht schräg gestellt, damit das heiße Gas – das sogenannte Plasma – im Kern kontrolliert zirkulieren kann. Es ist eine große Herausforderung, sicherzustellen, dass die Kacheln innerhalb eines streng kontrollierten Toleranzbereichs liegen.
Jede übermäßige Stufe oder Lücke zwischen den Kacheln erhöht die Gefahr, dass sich die Kacheln durch Plasma lösen oder beschädigt werden. Dies würde einen kostspieligen Austausch bedeuten, weshalb Inspektion und korrekte Positionierung der Kacheln für das Projekt von entscheidender Bedeutung sind.
Dennoch kommt es von Zeit zu Zeit zu Schäden an den Kacheln, oft durch Plasma, das aus den starken JET-Magnetfeldern entweicht. Daher wird die JET-Anlage im Rahmen der regelmäßigen Wartungsarbeiten alle zwei Jahre für sechs Monate zur Überholung heruntergefahren, und hier kommt Vectro ins Spiel.
Aufgrund der lebensfeindlichen Umgebung des Reaktors muss dieser einige Monate lang abkühlen, bevor die MRO beginnt, aber auch dann ist es für Menschen noch nicht sicher, den Tokamak ohne Schutzanzüge zu betreten. Vectro liefert jedoch auch unter diesen Bedingungen genaue Ergebnisse und wird von uns mit einem Robotergerät namens MASCOT ferngesteuert.
MASCOT ist auf einem Transportsystem im Reaktor montiert und ermöglicht es Vectro, die Oberfläche jeder einzelnen Kachel im Reaktor auf Schäden zu überprüfen. Jede Kachel wird geprüft, um festzustellen, ob sie ersetzt werden muss, und wenn ja, um sicherzustellen, dass die neuen Kacheln genau an der richtigen Stelle und in der richtigen Ausrichtung angebracht werden.
MASCOT ist ein hochflexibler haptischer Master-Slave-Telemanipulator mit Kraftrückkopplung, bei dem jede kinematisch ähnliche Master- oder Slave-Einheit aus zwei Armen mit 7 Freiheitsgraden besteht. Die MASCOT-Masterstation wird von erfahrenen Bedienern gesteuert und kann mit einem Transportsystem, einem 12 Meter langen Knickarmroboter, um den Behälter herum positioniert werden (siehe Abbildung).
James Kent, Entwicklungsingenieur für dezentrale Steuerung bei RACE, sagte: „Jede Kachel, die wir ersetzen, überprüfen wir mit dem Vectro-System. Dies verkürzt unsere Überholungszeit, was bedeutet, dass JET schneller wieder in Betrieb genommen werden kann und Ergebnisse liefert, die dazu beitragen, die Kernfusion zu einer zuverlässigen Energiequelle der Zukunft zu machen. GapGun und Vectro sind äußerst präzise. Ohne diese Geräte könnten wir die Kacheln nicht so genau und effizient positionieren und überprüfen.
„Vectro bietet die Möglichkeit, Stufen und Bündigkeit der empfindlichen Hochpräzisionsbauteile im Behälter zu messen, die genaue Einbautoleranzen erfordern, ohne das Bauteil direkt berühren zu müssen. Die Tausenden von Messungen, die am Ende der Installationsphase durchgeführt werden, müssen schnell und effizient durchgeführt werden, was Vectro sehr gut erfüllt“.
„Die Möglichkeit, mit der Software von Third Prüfpläne zu erstellen, bedeutet, dass wir die Komponenten strukturiert messen und ein Protokoll für zukünftige Installationen führen können. Die kompakte Bauweise von Vectro bedeutet außerdem, dass wir das Gerät in Bereichen mit eingeschränktem Zugang einsetzen können.
Während einer regulär geplanten Abschaltung werden innerhalb von sechs Monaten etwa 600 Kacheln entfernt und ausgetauscht, darunter auch viele Proben von Divertorkacheln für chemische und physikalische Untersuchungen.
Der Divertor ist eine Vorrichtung innerhalb des JET-Tokamak, die es ermöglicht, Abfallmaterial aus dem Plasma zu entfernen, während der Reaktor in Betrieb ist. Dies ermöglicht die Kontrolle über die Entstehung von Schmelzprodukten im Brennstoff und entfernt Verunreinigungen im Plasma, die von der Behälterauskleidung eingedrungen sind. Ein Divertor besteht aus den folgenden Komponenten und kostet zwischen £60.000 und £100.000:
- 48 Gasbox-Innenträger (Kacheln)
- 48 Gasbox-Außenträger (Kacheln)
- 48 Wolfram in loser Schüttung LBSRP (Kacheln)
- 48 Basisträger (Kacheln)
Vectro wird verwendet, um jede ausgetauschte Kachel zu prüfen und um neue Kacheln vor dem Einbau in die JET-Wand auf ihre Qualität zu überprüfen. Während der Abschaltung 2010-2011 wurde jede einzelne Kachel ersetzt, was etwa 4 bis 5.000 Kacheln entsprach.
Die preisgekrönte GapGun-Technologie ist die einzige Möglichkeit, zu überprüfen, ob sich die Kacheln in der richtigen Position befinden, und zwar innerhalb von 10 Mikrometern, was minimale Schäden gewährleistet, wenn der Reaktor in Betrieb ist. Für das menschliche Auge ist es unmöglich, dies mit solcher Genauigkeit zu erkennen.
Vor GapGun und Vectro mussten die Bediener die Qualität mit dem Auge prüfen, indem sie eine standardmäßige Spalt- & Bündigkeitsmessung durchführten, mit einer Checkliste verglichen und alle Daten manuell in ein Arbeitsblatt eintrugen. Dies war langsam und fehleranfällig. GapGun und jetzt auch Vectro liefern die Ergebnisse sofort und elektronisch, sodass die Bediener einen Nachweis über die durchgeführten Arbeiten haben. Dies spart Zeit und Geld für das Projekt und liefert immer wieder reproduzierbare Ergebnisse.
Mit dieser Prüfmethode ist es nicht nur möglich, die Anzahl der Kacheln zu reduzieren, die bei den Versuchen versagen (und damit die Chance auf erfolgreiche Tests zu erhöhen), sondern es könnten in Zukunft auch noch engere Toleranzen eingehalten werden.
Im Hinblick auf die nächste Phase der Entwicklung der Fusionsenergie wird derzeit in Südfrankreich der Reaktor ITER2 gebaut, der 2035 fertiggestellt werden soll. JET führt die technischen Vorbereitungen für ITER durch, um den Erfolg des Projekts zu gewährleisten und eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Fusionsenergie zu spielen.
Die UKAEA-Abteilung RACE entwickelt nun die nächste Phase des Roboters, MASCOT 63 , der noch in diesem Jahr auf den Markt kommen soll. Robert Howell, Mechatronik-Ingenieur bei RACE, meint: „MASCOT 6 behebt die Alterungsprobleme des MASCOT 4.5-Systems, bietet aber auch Leistungsverbesserungen und neue Funktionen.
Dazu gehören: neue, leistungsoptimierte Antriebskonstruktionen sowohl für die Master- als auch für die Slave-Einheiten, ein modernes Steuerungssystem mit neuen elektrischen und Software-Komponenten, wesentliche Erweiterungen und Verbesserungen sowohl der Steuerungssoftware als auch der grafischen Benutzeroberfläche für den Bediener sowie verbesserte Sicherheitsfunktionen.“
Weitere Informationen zur Kernfusion finden Sie auf https://www.gov.uk/government/organisations/uk-atomic-energy-authority, http://www.race.ukaea.uk/.
- Tokamak – eine Versuchsmaschine, die die Energie der Kernfusion nutzbar machen soll.
- ITER ist das größte Fusionsexperiment der Welt und wird der größte Fusionsreaktor sein, wenn er in Betrieb geht. Fünfunddreißig Nationen arbeiten gemeinsam an Bau und Betrieb des ITER-Tokamaks in Südfrankreich.
- Skilton, R., Fusion Engineering and Design (2018), https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.03.026
Third Dimension beschleunigt MRO.