Käytetyn ydinpolttoainekapselin sulkeminen turvallisuutta vuoden päähän

Transkriptio

1 Käytetyn ydinpolttoainekapselin sulkeminen turvallisuutta vuoden päähän Hitsaustekniikkapäivä ja SHY:n Tampereen osaston 60 v. juhlat Tampere Salonen Timo 1

2 Posiva Oy Ydinenergialain muutos v kielsi käytetyn polttoaineen maasta viennin ja jätti ainoaksi vaihtoehdoksi loppusijoittamisen Suomen kallioperään Perustettu 1995 Toimiala: omistajien käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus ja muut ydinjätehuollon asiantuntijatehtävät Omistajat Teollisuuden Voima Oyj 60 % Fortum Power and Heat Oy 40 % Henkilöstö Omaa henkilöstöä Olkiluodossa noin 90 Loppusijoitus työllistää yhteensä yli 300 henkilöä Liikevaihto Liikevaihto v M

3 42 vuoden taival aloitukseen Koekäyttö ja käyttöönotto Loppusijoituslaitoksen rakentaminen ONKALOn rakentaminen ja varmentavat tutkimukset Olkiluodossa Paikan valinta Loppusijoituksen aloitus 2018 Käyttölupahakemus Posiva perustettu 1995 Paikkatutkimukset VLJ-luola 1992 KPA välivarasto 1987 Rakentamislupahakemus Hallituksen ja eduskunnan periaatepäätös Hallituksen päätös kokonaisaikataulusta 1978 Geologisen loppusijoituksen soveltuvuusselvitykset alkavat

4 Ydinjätehuolto Suomessa LUVAT Valtioneuvosto Työ- ja elinkeinoministeriö TEOLLISUUDEN VOIMA OYJ FORTUM POWER & HEAT VALVONTA Säteilyturvakeskus (STUK) POSIVA OY YDINJÄTEHUOLLON RAHOITUS Valtion ydinjätehuoltorahasto Työ- ja elinkeinoministeriö konsultit, tutkimuslaitokset, urakoitsijat, yliopistot

5 Loppusijoituksen aikataulu (laajennus) YDINVOIMALAITOSTEN KÄYTTÖ Loviisa 1-2 Olkiluoto 1-2 Olkiluoto 3 Olkiluoto 4 LOPPUSIJOITUKSEN VALMISTELU ONKALOn rakentaminen, täydentävät tutkimukset ja suunnittelu Loppusijoituslaitoksen rakentaminen ja käyttöönotto Rakentamislupahakemus 2012 Käyttölupahakemus 2018 LOPPUSIJOITUS Loviisa 1-2 Olkiluoto 1-2 Olkiluoto 3 Olkiluoto 4 KÄYTÖSTÄPOISTO JA SULKEMINEN

6 Loppusijoitus Olkiluodossa Henkilö- ja ilmanvaihtokuilut Kapselikuilu Ajotunneli Tekniset tilat (-437 m) Loppusijoitustilat (-420 m) Pumppaamo

7 Loppusijoituksen turvallisuus-konsepti

8 Loppusijoituksen moniesteperiaate 1 Polttoainepelletti 2 Polttoainesauva 3 Kapselin sisäosa 4 Ulkokapseli Useat toisiaan varmentavat vapautumisesteet varmistavat pitkäaikaisturvallisuuden. 5 Puskuribentoniitti ja loppusijoitustunnelin täyteaine metriä peruskalliota

9 Turvallisuusperustelut Olkiluodon kallioperän soveltuvuus loppusijoitukseen ja teknisen toteutuksen toimivuus osoitetaan, niin sanotuilla turvallisuusperusteluilla Loppusijoitusjärjestelmästä tehdään turvallisuusanalyysit, jossa otetaan huomioon todennäköiset prosessit ja skenaariot, että myös epätodennäköiset tapahtumat Turvallisuusanalyysin tarkastelujakso ulottuu noin vuoden päähän, ainakin yhden jääkausijakson yli. Tällöin loppusijoitetun polttoaineen aktiivisuus on samaa tasoa kuin laajan uraaniesiintymän. (

10 Loppusijoituskapseli ja kapselointilaitos

11 Loppusijoituskapselien suunnittelu Kuparikapseli Pitkän aikavälin tiiviys Kuparivaipan paksuus 50 mm Pituus 3,6 m, 4,7 m tai 5,2 m Läpimitta 1,05 m Valurautaydin Mekaaninen lujuus Pallografiittiraudan vahvuus ja muovattavuus optimoitu Tilaa 12/4 polttoainenipulle Hyväksyntäperusteiden kehittäminen Kapseleita kaiken kaikkiaan noin 2800 LO noin 700 OL1-2 noin 1200 OL3 noin

12 Loppusijoituskapseli

13 Kapselointilaitos 1. Kapselien vastaanotto ja varasto 2. Polttoaineen käsittelykammio 3. Kuparikannen hitsauskammio 4. Hitsin tarkastus 5. Kapselin pinnan puhdistus 6. Kapselihissi

14 Kapselin sulkeminen

15 Vaihtoehtoina EBW ja FSW: valinta tehdään vuonna Salonen Timo 15

16 Kriteerit sulkemismenetelmälle Tärkeimmät kriteerit ovat hitsin pitkäaikaisturvallisuus vaatimukset: korroosion ja virumisen kesto Hitsauksen QA/QC: tulee suoraan YVL:stä Hitsausprosessin soveltuvuus kohteeseen Järjestelmän soveltuvuus ydinvoimalaitokseen Menetelmän luotettavuus Menetelmän asettamat vaatimukset komponenteille NDT:n asettamat vaatimukset: tarkastettavuus, vikojen havaittavuus, viankoon määritettävyys Kapselin lähtötila: mm. mikrorakenne, jäännösjännitykset sekä virheet (koko ja tyyppi) Kustannukset: investointi, käyttökulut, saanto/hylkäykset Muut asiat Salonen Timo 16

17 Pitkäaikaisturvallisuuden asettamat vaatimukset Virumissitkeys Kapselin sisäosa kantaa kuorman ja minimoi virumisen Mallinnusten mukaan virumisvenymä max. 8 % -> vaatimus 15 % Design muutoksella alennettu kapselissa syntyvää virumismuodonmuutosta entisestään Korroosionkesto Hapettomat olosuhteet Bentoniitti ympärillä Olematon tai hidas korroosionopeus Jännityskorroosio SCC Jännitykset puristuspuolella Alhainen jäännösjännitystila Kapselin tärkeimmät spesifikaatiot johdetaan näistä vaatimuksista Salonen Timo 17

18 Pitkäaikaisturvallisuuteen liittyvät tutkimukset Virumissitkeys virumissitkeyttä on tutkittu SKB:n ja Posivan toimesta FSW ja RPEBW:n on tehty kokeita Ruotsissa. Varovaisesti arvioiden täyttää vaatimukset Konventionaalisen EBW:n osalta tutkimukset ovat kesken Korroosionkesto Yleinen korroosio erittäin pientä loppusijoitusolosuhteissa Tutkimusten perusteella on arvioitu että loppusijoitusolosuhteissa yleinen korroosio on noin muutama millimetri miljoonassa vuodessa Jännityskorroosio SCC SCC kokeita on tehty eri olosuhteissa Selvitysten perusteella SCC riski on lähes olematon Salonen Timo 18

19 Kapselin sulkemisen kehitys EBW:n osalta Posiva on Suomessa kehittänyt perinteistä EBW:tä Pitkäaikainen yhteistyö Patria Aviation Oy:n moottorihuoltoyksikön kanssa alkaen 2003 Posiva osallistui laitteiston päivitykseen, jolloin saatiin nostettua teho 30 kw:sta 50 kw:iin Laitteisto 50 kw, 11 m 2 tyhjiökammio Arvioitu tunkeuma teräkseen n. 200 mm Kapasiteetti kg Säteen mittauslaitteisto laadunvarmistukseen Salonen Timo 19

20 Kapselin sulkemisen kehitys: alustavat kokeet Prosessin screening eli alustavat kokeet Tavoitteena kartoittaa eri prosessin eri parametrien vaikutusta, jotta löydetään hyvä toiminta-alue Taguchi, factorial kokeita sekä vastepintamallinnusta Haettiin parametrit, jotka eivät vaikuta hitsin laatuun ja varsinaiset säätöparametrit Kartoitettiin hitsausparametreien toimintaikkunaa Pystyttiin parantamaan virheettömyyttä Railomuodon testausta: hyvä/sopiva geometria Löydettiin mm. parempi säteen poikkeutustekniikka sekä parannettiin lopetustekniikkaa Salonen Timo 20

21 Kapselin sulkemisen optimointi Alustavien kokeiden jälkeen tehtiin optimointi kansikokeilla Taguchi matriiseja: L9, L18 ja L27, useita parametrejä jopa kuudella tasolla 7 kansihitsauskoetta: yhteensä 63 eri parameteriyhdistelmää Haasteena monimuuttujaprosessi, jossa on useita ulostuloja Ohjausparametrit: - poikkeutuskuvio - kuvion koko - fokusvirta - tyhjiötaso - hitsausvirta - nopeus -. Häiriötekijät, joita ei voi kontrolloida Hitsausprosessi Ulostulot - mitattavissa oleva asiat - virheettömyys eri osaalueilla - tunkeuma - tunkeuman vaihtelu - robustisuus: fokusvirta ikkuna Salonen Timo 21

22 Kapselin sulkemisen optimointi: hitsauskoe kuvassa esimerkki lyhyestä kapselista ja kannesta Salonen Timo 22

23 Kapselin sulkemisen optimointi: hitsien tutkiminen Kansihitsit tutkitaan/tutkittiin NDT ja DT:llä Lopullinen NDT ja DT tulosten tulkinta Taguchi menetelmällä, ANOVA ja gray base menetelmällä (usean ulostulon painotus siten, että ulostulot voidaan yhdistää) Salonen Timo 23

24 Hitsin mekanisoidut NDT tarkastukset 9MeV Lineaarikiihdytin 128-kanavainen ultraäänivaiheistettu laitteisto 32-kanavainen Pyörrevirtalaitteisto Kameran avulla suoritettava visuaalinen tarkastus Tarkastushuone kapselointilaitoksessa Pitkänen Jorma 24

25 Hitsien rikkovat kokeet Tyypilliset näytteet hitseistä Vasemmalla poikkileikkaus ja oikealla hitsin pituussuuntainen leikkaus keskilinjaa myöten Salonen Timo 25

26 Kapselin sulkemisen optimointi: tulokset Pystyttiin nostamaan hitsausnopeutta Virheettömyyttä saatiin pienennettyä merkittävästi Tunkeuma lähemmäksi tavoitearvoa Robusti prosessi Suuntaviivat lopulliselle hitsin design:lle Salonen Timo 26

27 Hitsausprosessin suorituskyky 1/2 Suorituskyky, prosessin stabiilisuus Kansihitsauksia hyvillä hitsausarvoilla: toistokokeita Suorituskyvyllä arvioidaan prosessin laaduntuottoa Suorituskyky indeksit Cp ja Cpk Process Capability of Ub (EB demo) Process Data LSL Target 150 USL Sample Mean Sample N 12 StDev(Within) StDev(Overall) LSL Target USL Within Overall Potential (Within) Capability Cp 2.23 CPL 1.53 CPU 2.93 Cpk 1.53 CCpk 2.23 Overall Capability Pp 1.98 PPL 1.36 PPU 2.60 Ppk 1.36 Cpm Observed Performance PPM < LSL 0.00 PPM > USL 0.00 PPM Total 0.00 Exp. Within Performance PPM < LSL 2.07 PPM > USL 0.00 PPM Total 2.07 Exp. Overall Performance PPM < LSL PPM > USL 0.00 PPM Total Salonen Timo 27

28 Hitsausprosessin suorituskyky 2/2 Hitsin laadun mittareina turvallisuuden kannalta oleelliset ominaisuudet: korroosioesteen vahvuus Virheettömyys, vikakoko Hitsin pienin eheän aineen vahvuus ns. intact materiaali Suuntaa-antava esimerkki hitsin virheettömyyden arviointiin (ei optimoitu tilanne) - todennäköisyys 10 mm vian ylitykselle on 1 promille - luottamusvälin (95% CI) alarajalla 10 mm rajan ylitykselle alle 1 % Salonen Timo 28

29 Kapselin sulkemiskoe 2011: tavoite Tavoitteena oli testata kapselin sulkemista sisäosan kanssa Patrian laitteiston koko ei riitä täyden mittakaavan kapselin sulkemiseen Kokeet suoritettiin 450 mm pitkällä kapselilla Salonen Timo 29

30 Kapselin sulkemiskoe 2011: testaus Komponenttien, tiiviyden ja mittaussysteemin testausta ennen sulkemista Salonen Timo 30

31 Kapselin sulkemiskoe: hitsaus Putken asennus koneeseen Kansi odottaa asennusta Salonen Timo 31

32 Kapselin sulkemiskoe: Johtopäätökset Kokeen perusteella sulkeminen onnistuu ja tätä tukee myös SKB:n suorittama täyden mittakaavan kapselin sulkemiskoe RPEBW:llä Hitsin NDT ja DT työn alla Salonen Timo 32

33 Kapselin lähtötila Kapselin lähtötila on kuvaus kapselin ominaisuuksista ja tilasta loppusijoitus hetkellä Viat Jäännösjännitys, muokkaus Kemiallinen koostumus Mikrorakenne Käsittelyn aiheuttamat virheet Pinnan laatu, pinnan epäpuhtaudet Lähtötila tarvitaan turvallisuusanalyysiin Kapselin lähtötilan on täytettävä sille asetettavat spesifikaatiot Salonen Timo 33

34 Hitsin lähtötilan määritykset Jäännösjännityksiä on selvitetty eri tavoin Mittaukset: Hole drilling: perinteinen ja Prism menetelmä Ring core eli rengasura mentelmä Contour menetelmä (CM) Deep hole drilling Röntgen diffraktio FEM-mallinnukset Jäännösjännitysten vaikutus mikrorakenteeseen Jännitysten poisto Alustava arvio levykokeiden perusteella: MPa:n tasolla Tulosten arviointi edellyttää lisätarkennuksia Kansihitsien osalta mittaukset ovat käynnissä Salonen Timo 34

35 Hitsauksen jäännösjännitysten mallinnus Hitsauksen mallinnus on tehty levyille ja kapselille Tulokset ovat saman tasoisia ja suuntaisia kuin CM:llä kuvassa mallinnettu levyhitsin pituussuuntainen jäännösjännitystila Salonen Timo 35

36 Hitsin lähtötilan määritykset Mikrorakenne Optinen mikroskopia Elektronimikroskopia + EBSD Kemiallinen koostumus selvitykset käynnissä Salonen Timo 36

37 Yhteenveto Hitsausprosessia on optimoitu ja selvät säännöt prosessin hienosäädölle on selvitetty 2012 loppuun mennessä Prosessin suorituskyvyn määritys vaatii tarkennuksia ja kokeita tilastollisen luotettavuuden selvittämiseksi Käytetyn ydinpolttoaineen kapselin sulkeminen nykytiedon ja tehtyjen kokeiden valossa onnistuu EBW:llä Hitsin lähtötilan määrityksiä on tehty ja näiden määrityksiä jatketaan. Erityisesti jäännösjännitykset vaativat vielä tarkennuksia. Hitsin virumistutkimukset ovat vielä käynnissä Salonen Timo 37

38 Yhteenveto Nykytiedon valossa ei ole tullut vastaan vielä seikkoja etteikö hitsille asetetut vaatimukset täyttyisi, mutta lisää tutkimuksia tarvitaan vaatimusten täyttymisen todentamiseksi mm. EBW:n virumissitkeyden osalta Lopullinen päätös kapselin sulkemismenetelmän valinnasta tehdään vuoden 2013 lopussa Salonen Timo 38

39