Kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokone

Transkriptio

1 Työraportti Kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokone Tapani Kukkola Paul-Erik Rönnqvist Joulukuu 2006 POSIVA OY FI OLKILUOTO, FINLAND Tel Fax

2 Työraportti Kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokone Tapani Kukkola Paul-Erik Rönnqvist Fortum Nuclear Service Joulukuu 2006 Posivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia. Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.

3 KAPSELOINTILAITOKSEN POLTTOAINEEN SIIRTOKONE TIIVISTELMÄ Tässä raportissa on esitetty esisuunnitelma kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokoneesta. Polttoaineen käsittelykammiossa polttoainenippuja siirrellään siirtokoneen avulla, kun käytettyä ydinpolttoainetta kapseloidaan loppusijoitusta varten. Työn tavoitteena oli tarkistaa kapselointilaitoksen suunnitelmien oikeellisuus sekä antaa lähtökohdat polttoaineen siirtokoneen jatkosuunnittelulle. Polttoaineen siirtokone pystyy käsittelemään Loviisan ja Olkiluodon kaikkien yksiköiden käytettyä polttoainetta. Polttoaineen siirtokone perustuu siltanosturiin, joka liikkuu käsittelykammion seinäkiskoja pitkin. Siltanosturin vaunussa on karusellimainen pyöritysalusta, johon on kiinnitetty kaksi identtistä teleskooppimastoa. Toisessa mastossa on tartuntapää polttoainenippujen siirtelyä varten ja toisessa on manipulaattorikäsivarsi, jolla voidaan tehdä tarpeellisia huolto- ja puhdistustöitä sekä korjata mahdollisia vikatilanteita. Raportissa esitetään, miten siirtokoneen mahdollisista vikaantumis- ja häiriötilanteista selvitään. Lopussa esitetään polttoaineen siirtokoneen karkea hinta-arvio. Avainsanat: Käytetyn ydinpolttoaineen kapselointilaitos, polttoaineen siirtokone, polttoaineen käsittelykammio, polttoainenippu.

4 FUEL HANDLING MACHINE OF ENCAPSULATION PLANT ABSTRACT A preliminary design of the fuel handling machine of the encapsulation plant is presented in this report. In the fuel handling cell the fuel assemblies are handled by the fuel handling machine when the spent nuclear fuel is encapsulated for final disposal. The aim of the preliminary design is to check that the encapsulation plant design is correct and to make the design specification for the further development of the fuel handling machine. The fuel handling machine is capable to handle the fuel assemblies of all plant units of Loviisa and Olkiluoto Nuclear Power Plant. The fuel handling machine is based on the bridge crane, which is moving along the rails supported on the walls of the fuel handling cell. A turntable with two identical telescopic masts is supported on the trolley of the bridge crane. The first mast is equipped with the gripping device for the fuel assemblies and the second mast is equipped with the manipulator arm, which is used for the reparation and maintenance works and for repairing the potential damages in the fuel handling cell. The report describes how postulated upset and accident situations of the fuel handling machine are solved. At the end of the report a rough cost estimate of the fuel handling machine is presented. Keywords: Spent fuel encapsulation plant, fuel handling machine, fuel handling cell, fuel assembly.

5 1 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ESIPUHE YLEISTÄ Ydinpolttoaineen loppusijoitus Kapselointilaitoksen toiminnasta Polttoaineen käsittelykammion rooli Polttoaineen siirtokoneen tehtävät Siirtokoneen suunnittelun tavoitteet KAPSELOITAVA POLTTOAINE Polttoainetyypit Polttoainenippujen mitat ja painot Polttoainenippujen tartuntaelimet Polttoainenippujen säteilytasot POLTTOAINEEN KÄSITTELYKAMMIO Toiminnot käsittelykammiossa Käsittelykammion mitat ja muoto Olosuhteet käsittelykammiossa SIIRTOKONEELLE ASETETTAVAT VAATIMUKSET Luokitus ja normit Yleiset suunnitteluvaatimukset Toiminnalliset vaatimukset Liikkeet Mekaaniset vaatimukset Luotettavuusvaatimukset Manipulaattorille asetettavat vaatimukset Yleiset toiminnalliset vaatimukset Ensisijaiset toiminnot Toissijaiset toiminnot (eivät ole ehdottomia vaatimuksia) SIIRTOKONEEN RAKENTEEN KUVAUS Siirtokoneen yleiskuvaus Siirtokoneen rakenneosat Seinäkiskot Nosturisilta Siltavaunu ja karuselli Masto ja työkalut Manipulaattorikäsivarsi VIKAANTUMISTILANTEET JA NIIDEN KORJAUS Yleiset periaatteet Polttoainenipun jumittuminen Teleskooppimaston jumittuminen Muut häiriötilanteet käsittelykammiossa... 27

6 2 7 ALUSTAVA KUSTANNUSARVIO Arviointimenetelmistä Kustannusarvio YHTEENVETO Johtopäätökset Pohdiskelua jatkosuunnittelusta VIITTEET... 31

7 3 ESIPUHE Lauri Pietikäinen Fortum Nuclear Servicestä (FNS) esitti vuonna 2003 ajatuksen siltanosturiin perustuvasta polttoaineen siirtokoneesta, johon olisi myös kytketty kapselointilaitoksen polttoaineen käsittelykammiossa tarvittavat manipulaattorit. Leonardo Poli, Arttu Kamppila ja Lauri Pietikäinen FNS:stä kehittelivät suunnitelmaa siltanosturiin perustuvasta polttoaineen siirtokoneesta, jossa oli kiinteä masto polttoainenippujen siirtelyä varten ja erillinen manipulaattori käsittelykammion huoltoa ja mahdollisia häiriötilanteiden korjauksia varten. Esitettiin myös ajatus siltanosturin sillan palkkien päällä olevasta pyöritysalustasta, johon manipulaattori ja siirtokoneen masto kiinnitettäisiin. Paul-Erik Rönnqvist/FNS kehitti edelleen alustavaa siirtokoneen suunnitelmaa, joka kuvataan tässä raportissa. Kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokone on modifioitu siltanosturi, joka liikkuu käsittelykammion seinäkiskojen varassa. Siltanosturin vaunussa on karusellimainen pyöritysalusta, johon on kiinnitetty kaksi identtistä teleskooppimastoa. Toisessa mastossa on tartuntapää polttoainenippujen siirtelyä varten ja toisessa on manipulaattorikäsivarsi, jolla voidaan tehdä tarpeellisia huolto- ja puhdistustöitä sekä korjata mahdollisia vikatilanteita. Nils-Christian Wikström ja Petteri Vuorio Posiva Oy:sta ovat olleet tämän työn tilaajana ja valvojana. Tämän raportin kirjoittaja Tapani Kukkola on ollut yhdyshenkilönä ja töitten koordinoijana FNS:ssä.

8 4 1 YLEISTÄ 1.1 Ydinpolttoaineen loppusijoitus Käytetty ydinpolttoaine loppusijoitetaan peruskallioon noin m syvyyteen. Loppusijoituspaikaksi on valittu Eurajoen Olkiluoto. Loppusijoitus alkaa vuonna Loppusijoitettavan polttoaineen tulee olla jäähtynyt vähintään 20 vuotta ennen loppusijoitusta. Käytettyä ydinpolttoainetta varastoidaan tällä hetkellä voimalaitospaikoilla sekä Loviisassa (Lo) että Olkiluodossa (OL). Loppusijoitettava polttoaine tuodaan Olkiluotoon vesitäytteisissä käytetyn polttoaineen kuljetussäiliöissä. Ydinpolttoaine suljetaan tiiviisiin kuparipäällysteisiin valurautakapseleihin ennen loppusijoitusta. Tarkistusten jälkeen polttoainekapselit siirretään kapselihissillä kallioon louhittuun loppusijoitustilaan, jossa ne siirretään loppusijoitustunneleihin ja asennetaan bentoniitilla vuorattuihin tunnelin lattiaan porattuihin loppusijoitusreikiin. Lopuksi loppusijoitustunnelit täytetään tiiviisti ja tunnelin suut tulpataan. Vuodessa loppusijoitetaan keskimäärin noin 40 polttoainekapselia. Kuvassa 1 on esitetty ennustettu vuosittainen kapselointitehokkuus. Loppusijoitustehokkuus 50 Kanisteria/vuosi Vuosi OL3 OL1-2 Lo1-2 Kuva 1. Loppusijoituksen tehokkuus. 1.2 Kapselointilaitoksen toiminnasta Kapselointilaitos on eräänlainen polttoainenippujen pakkaamo. Käytetty ydinpolttoaine vastaanotetaan kapselointilaitoksessa, jossa polttoaineniput siirretään kuljetussäiliöstä kuivauksen jälkeen polttoainekapseleihin. Polttoainekapseleiden sisätila täytetään suojakaasulla, sisäkapselin kansi pultataan kiinni ja kuparikansi hitsataan tiiviisti kiinni elektronisuihkuhitsauksella. Kuparikannen hitsi tarkistetaan eri menetelmillä, jonka jälkeen kapselit siirretään puskurivarastoon tai suoraan loppusijoitustilaan.

9 5 Kaikkien polttoainekapseleitten halkaisija on samansuuruinen, eli 1050 mm. Kapseleiden pituus muuttuu, kun polttoainetyyppi muuttuu. Lo1-2 polttoainekapseleiden pituus on 2600 mm, OL1-2 kapseleiden pituus on 4800 mm ja OL3 polttoainekapseleiden pituus on 5250 mm. Lo1-2 ja OL1-2 kapseleihin sijoitetaan 12 polttoainenippua ja OL3 kapseliin 4 polttoainenippua. Kapselointilaitoksen pitkittäisleikkaus on esitetty kuvassa 2 (Kukkola 2006). Kuva 2. Kapselointilaitoksen pitkittäisleikkaus. Polttoaineen käsittelykammio, hitsauskammio ja hitsin tarkastuskammio ovat maan pinnan tasalla kuvan keskivaiheilla. 1.3 Polttoaineen käsittelykammion rooli Kapseloinnin vaativimmat ja riskialttiimmat toiminnot suoritetaan polttoaineen käsittelykammiossa, jossa polttoaineniput siirretään polttoaineen kuljetussäiliöstä polttoainekapseleihin. Ennen kapseliin siirtoa polttoaineniput kuivataan. Voimakkaasti säteileviä suojaamattomia polttoainenippuja käsitellään kauko-ohjattuna käsittelykammiossa, joka on betonirakenteinen säteilyä eristävä tila. Käsittelykammio on vuorattu ruostumattomalla teräslevyllä puhdistamisen helpottamiseksi. Käsittelykammiossa ylläpidetään alipainetta ja poistoilma suodatetaan. Polttoaineen käsittelykammio on esitetty kuvassa 3. Etualalla on polttoaineen kuljetussäiliön telakointiasema, kammion keskivaiheilla polttoainenippujen kuivausasemat ja kammion perällä on loppusijoituskapselin telakointiasema.

10 6 Kuva 3. Polttoaineen käsittelykammio. Etualalla polttoaineen kuljetussäiliön telakointiasema, kammion keskialueella polttoainenippujen kuivausasemat ja kammion perällä kapselin telakointiasema. 1.4 Polttoaineen siirtokoneen tehtävät Polttoainenippuja siirrellään käsittelykammiossa polttoaineen siirtokoneen avulla. Polttoaineen siirtokoneen tulee kyetä tarttumaan kolmen erityyppiseen polttoainenippuun polttoaineen kuljetussäiliöstä ja siirtämään niput kuivausasemaan ja edelleen loppusijoituskapseliin. Polttoaineen siirtokoneen tulee toimia erittäin luotettavasti ja koneen itsensä tulee kyetä hoitamaan häiriötilanteet, koska käsittelykammioon ei voida mennä, jos siirtokoneen mastossa roikkuu polttoainenippu. Siirtokoneen manipulaattorin tulee kyetä irrottamaan polttoainenippu maston tarraimesta ja siirtämään nippu suojattuun paikkaan, eli käytännössä polttoaineen kuljetussäiliöön. Polttoaineen siirtokone ei saa rikkoa polttoainenippuja, koska tällöin käsittelykammio saastuu radioaktiivisista aineista. Siirtokoneen nostokykyä tulee rajoittaa, jos nippu on juuttunut kuljetussäiliöön, jotta nippu ei rikkoutuisi. Samoin, kone ei saa väkipakolla tunkea polttoainenippua loppusijoituskapselin positioon, jos siinä on jokin este. Koska käsittelykammion puhdistus on työläs ja kallis toimenpide, niin puhdistuskertojen määrää rajoitetaan. On arvioitu, että käsittelykammio puhdistetaan joka viides vuosi. Muulloin pienet korjaus- ja siivoustoimenpiteet tulee kyetä suorittamaan siirtokoneen manipulaattorin avulla. Siirtokoneella voidaan lakaista irtonaiset partikkelit loppusijoi-

11 7 tuskapselin vapaisiin positioihin ja samoin kammion imurointi tulee olla mahdollista siirtokoneen manipulaattorin avulla. Käsittelykammion yläpuolella on dekontaminointikeskus ja korjaamo, jossa käsittelykammion laitteita voidaan korjata. Laitteet siirretään nosturilla käsittelykammion kattoluukun kautta dekontaminointikeskukseen. Siirtokoneen manipulaattorin avulla korjattavat laitteet siirretään kattoluukun rajaamalle alueelle. Polttoaineen siirtokone käsittelykammiossa on esitetty kuvassa 4. Kuva 4. Polttoaineen siirtokone käsittelykammiossa. 1.5 Siirtokoneen suunnittelun tavoitteet Tavoitteet tässä työssä ovat seuraavat: Laatia polttoaineen siirtokoneesta taloudellisesti ja toiminnallisesti optimaalinen esisuunnitelma. Soveltaa innovatiivisia suunnitteluratkaisuja, jotka voivat poiketa polttoaineen jälleenkäsittelylaitosten perinteisistä kuumakammiolaiteratkaisuista. Kapselointilaitos on pakkauslaitos, jossa polttoainenippuja ei rikota. Näin ollen jälleenkäsittelylaitokset eivät ole välttämättä referensseiksi sopivia. Tarkistaa kapselointilaitoksen suunnitelma siltä osin kuin se koskee polttoaineen käsittelykammiota. Onko käsittelykammiossa riittävät tilat vaadituille toiminnoille? Selvittää, voidaanko siirtokone myöhemmin modifioida OL3 polttoaineen käsittelyyn sopivaksi?

12 8 Suunnitelma toimii polttoaineen siirtokoneen jatkosuunnittelun lähtökohtana. Tässä työssä ei ole tarkoitus puuttua yksittäisten komponenttien teknisiin yksityiskohtiin; sähkömoottoreita, laakereita, kytkimiä ja muita detaljeja ei valita tässä työssä. Mitoituksessa tukeudutaan vanhojen suunnittelijoiden kokemukseen ja näkemykseen. Yksityiskohtiin ei ole tarkoitus takertua. Kuitenkin teknisien keskustelujen avulla vakuuttaudutaan, että suunnitelma on toimiva. Suunnitelma koostetaan markkinoilta löytyvistä, olemassa olevista komponenteista niitä sopivasti yhdistellen. Saada kuva polttoaineen siirtokoneen toimivuudesta ja luotettavuudesta. Luotettavuus on ensiarvoisen tärkeä asia. Jos joku asia vikaantuu, niin tilanne on pystyttävä korjaamaan. Polttoaineen käsittelykammio muistuttaa olosuhteiltaan avaruutta, jossa toimittaessa asiat ovat tavallista monimutkaisempia. Avaruuteen ei voi mennä ilman suojavarusteita. Polttoaineen kapseloinnissa positiivinen asia on, että kiirettä ei ole. Mahdollisien ongelmien ratkaisuun on aikaa, toisin kuin avaruuden ongelmissa. Saada karkea arvio laitteen hinnasta. Yksityiskohtaista kustannusarviota ei edes yritetä tehdä. Kustannusarvion perustana ovat toteutetut polttoaineiden siirtokoneiden uusinnat ja siltanostureiden markkinahinnat.

13 9 2 KAPSELOITAVA POLTTOAINE 2.1 Polttoainetyypit Ensimmäisen 37 vuoden aikana kapseloidaan Lo1-2 ja OL1-2 polttoainetta. Tämän jälkeen OL1-2 polttoaineen kapselointia jatketaan vielä 13 vuoden ajan ennen kuin OL3 polttoaine on riittävästi jäähtynyt, jotta sitä voidaan alkaa kapseloida. 2.2 Polttoainenippujen mitat ja painot Lo1-2 polttoainenipun pituus on 3217 mm ja paino 214 kg. Polttoainenipussa on kiinteä poikkileikkaukseltaan kuusikulmaisen muotoinen virtauskanava, jonka avainväli on 144 mm. OL1-2 polttoainenipun pituus on 4398 mm ja paino 331 kg. Polttoainenipussa on poikkileikkaukseltaan neliönmuotoinen irrotettava virtauskanava, jonka sivun pituusmitta on 139 mm. Polttoainenippua käsitellään yhdessä virtauskanavan kanssa. Virtauskanava kapseloidaan yhdessä polttoainenipun kanssa. Pääsääntöisesti niput tulevat kapselointilaitokseen niin, että virtauskanavat ovat mukana, mutta pieni määrä OL1-2 polttoainenippuja voi tulla myös ilman virtauskanavia. OL3:n polttoainenipun pituus on 4865 mm ja nippu painaa 785 kg ilman säätösauvaa (Raiko 2005). Polttoainenippu on poikkileikkaukseltaan neliön muotoinen ja se on ilman virtauskanavaa. Polttoainenipun sivumitta on 215 mm. OL3 polttoainenipun säätösauva muodostuu joukosta tankoja, jotka säätösauvan päätykappale kytkee yhteen. Polttoainenippu säätösauvojen kanssa ei mahdu loppusijoituskapseliin, joten säätösauvan päätykappale on irrotettava ennen polttoaineen kapselointia. Päätykappale voidaan irrottaa esimerkiksi voimalaitoksessa katkaisemalla saksileikkurilla säätösauvat poikki päätykappaleen alapinnasta. Säätösauvat voidaan loppusijoittaa yhdessä polttoainenipun kanssa. Kuvassa 5 on esitetty Lo1-2, OL1-2 ja OL3 polttoainenippu.

14 10 Kuva 5. Lo1-2, OL1-2 ja OL3 polttoaineniput. OL1-2 polttoainenippu on kuvassa ilman virtauskanavaa. 2.3 Polttoainenippujen tartuntaelimet Kullakin polttoainenipulla on yksilöllinen tartuntakahva, joten tartuntaelinten täytyy olla nippukohtaiset. Kuvassa 6 on esitetty nipputarraimet eri polttoainetyypeille. On huomattava, että OL3 polttoainenipun tarraimessa ei tarvita säätösauvatarrainta.

15 11 Kuva 6. Lo1-2, OL1-2 ja OL3 polttoainenippujen tarraimet. 2.4 Polttoainenippujen säteilytasot Polttoainenippujen säteilytasot on esitetty Markku Anttilan/VTT muistiossa , kun polttoaineen palama on 60 MWd/kgU ja jäähtymisaika 20 vuotta, taulukko 1. Taulukko 1. Gamma- ja neutroniannosnopeudet aksiaalisella keskitasolla (Sv/h). Säteilylaji ja kohde Lo1-2 OL1-2 OL3 Nipun ulkopinnalla Gamma-annosnopeus Neutroniannosnopeus 0,023 0,033 0,05 Metrin etäisyydellä ulkopinnasta Gamma-annosnopeus Neutroniannosnopeus 0,001 0,0016 0,0036 Kahden metrin päässä ulkopinnasta Gamma-annosnopeus Neutroniannosnopeus 0,0003 0,0007 0,0015

16 12 3 POLTTOAINEEN KÄSITTELYKAMMIO Kapselointilaitoksella polttoainenippuja pyritään käsittelemään mahdollisimman varovasti, kun niitä siirretään kuljetussäiliöstä kuivausasemaan ja edelleen loppusijoituskapseliin. 3.1 Toiminnot käsittelykammiossa Polttoaineen käsittelykammiossa polttoainenippuja siirrellään siltanosturiin perustuvalla siirtokoneella, joka liikkuu käsittelykammion seinäkiskoja pitkin. Polttoainenippuja siirretään polttoaineen kuljetussäiliöstä kuivattavaksi ja edelleen kuivausasemasta polttoainekapseliin. Polttoaineen käsittelykammion työpisteet ovat polttoaineen kuljetussäiliön telakointiasema(t), polttoainenippujen kuivausasemat sekä kapselin telakointiasema. Pyritään siihen, että tarvitaan vain yksi kuljetussäiliön telakointiasema. Kuivausasemia on kaksi, yksi Loviisan ja yksi Olkiluodon polttoaineelle. Kun Lo1-2 polttoaine on kapseloitu, niin kuivausasema modifioidaan OL3 polttoaineen kuivaukseen sopivaksi. Kapselien telakointiasema on yhteinen Loviisan ja Olkiluodon polttoainekapseleille. Polttoaineen käsittelykammion yläpuolella on dekontaminointikeskus ja korjaamo, jonne korjattavat tai vaihdettavat komponentit voidaan siirtää käsittelykammion kattoluukun kautta korjaamon siltanosturilla. Perinteisesti polttoaineen käsittelykammiossa on säteilysuojaikkunoita ja käsimanipulaattoreita sekä käsittelykammion seinän läpi kulkeva putkiposti, jonka avulla käsittelykammiosta voidaan ottaa ulos pieniä kappaleita ilman että mennään käsittelykammioon. Käsittelykammio varustetaan useilla tallentavilla video ja TV-kameroilla. Säteilysuojaikkunat 1,3 m paksuisessa seinässä ovat kalliita, joten niiden määrä on minimoitu. Käsimanipulaattorit ovat myös kalliita, niiden käyttö on hankalaa, manipulaattoreiden kapasiteetti pieni ja manipulaattoreita tulee olla lukuisia, jotta niiden toimialue kattaisi koko käsittelykammion. Toistaiseksi polttoaineen käsittelykammiossa on oletettu olevan neljä perinteistä käsimanipulaattoria (Kukkola & Saanio 2005) polttoaineen siirtokoneen lisäksi. Tämänhetkisen suunnitelman mukaan polttoainekapselin telakointiasemassa on kaksi käsimanipulaattoria. On ehdotettu, että polttoaineen siirtokoneeseen liitettäisiin manipulaattori, jonka toimialue kattaisi koko käsittelykammion. Kun manipulaattori on kytketty polttoaineen siirtokoneen siltaan, niin tällöin manipulaattorin kapasiteetti voisi olla tonnin luokkaa. Käsittelytarkkuuden pitäisi olla mmluokkaa. Kapasiteetti voi olla tonnia pienempi kammion reuna-alueella.

17 Käsittelykammion mitat ja muoto Käsittelykammion leveys on 8400 mm ja pituus mm. Kammion korkeus on 8300 mm, jolloin se sallii myös pisimmän, eli OL3 polttoainenipun käsittelyn. Kuvassa 7 on esitetty käsittelykammion pohjapiirustus. Kuva 7. Polttoaineen käsittelykammio. 3.3 Olosuhteet käsittelykammiossa Käsittelykammion normaali käyttölämpötila on 20 o C ja lämpötilan vaihteluväli on o C. Ilman suhteellinen kosteus on enintään 80 %. Kun polttoaineen kuljetussäiliön kansi avataan, niin tällöin lämpötila ja ilman suhteellinen korkeus nousevat hetkellisesti. Polttoaineen kuivausprosessi saattaa myös poikkeuttaa normaaleja ilman lämpötila- ja kosteusparametrejä. Polttoaineen käsittelykammio saattaa olla kontaminoitunut, jos polttoaineniput vuotavat. Polttoainenipuista saattaa käsittelyvaiheissa irrota aktiivista karstaa, crudia. Polttoaineen

18 14 käsittelykammioon ei voida mennä ilman täydellisiä suojavarusteita, jotka muistuttavat avaruuspukua, jos käsittelykammiota ei ole etukäteen huolellisesti puhdistettu aktiivisuudesta, eli dekontaminoitu. Käsittelykammion dekontaminointi on työläs ja kallis toimenpide. On suunniteltu, että käsittelykammio dekontaminoitaisiin keskimäärin viiden vuoden välein. Säteilytaso voi olla hetkittäin hyvin korkea, Sv/h.

19 15 4 SIIRTOKONEELLE ASETETTAVAT VAATIMUKSET 4.1 Luokitus ja normit Siirtokoneen suunnittelussa noudatetaan YVL-ohjeita (STUK 1987, 2000, 2003). Valmistusnormeista ei ole tässä yhteydessä mielekästä puhua, kyse ei ole laitteen yksityiskohtaisesta suunnittelusta. 4.2 Yleiset suunnitteluvaatimukset Yleiset suunnitteluvaatimukset eivät ole erityisen konkreettisia. Kuitenkin polttoaineen siirtokoneelle voitaneen asettaa seuraavat yleiset suunnitteluvaatimukset: Polttoaineen siirtokoneen suunnitteluikä on 40 vuotta. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kun Loviisan laitoksen polttoaine on kapseloitu, niin polttoaineen siirtokoneelle tehdään peruskorjaus, jossa se modifioidaan kykeneväksi käsittelemään OL3 polttoainetta. Siirtokone tulee olla helposti dekontaminoitavissa. Tämä tarkoittaa sitä, että polttoaineen siirtokoneessa ei saa olla koloja tai taskuja, johon aktiiviset (pölymäiset) hiukkaset kerrostuisivat niin, että niitä ei pesemällä saada puhtaiksi. Materiaalien ja pintakäsittelyaineiden (maalien) tulee kestää dekontaminointiliuosten (happojen) syövyttävää vaikutusta. Materiaalien tulee kestää käsittelykammiossa kertyvä säteilykuormitus. Tämä vaatimus koskee lähinnä komponentteja, joissa on orgaanisia aineita, kuten kaapeleita, tiivisteitä, voiteluöljyjä, jne. Siirtokoneen huoltotarpeen tulee olla mahdollisimman pieni. Polttoaineen käsittelykammioon voidaan mennä täydellisissä suojavarusteissa, jos polttoainenippu ei roiku siirtokoneen tarraimessa. Pienet huolto-, puhdistus- ja korjaustoimenpiteet tulee kyetä tekemään siirtokoneen manipulaattorin avulla ilman että käsittelykammio dekontaminoidaan täydellisesti. 4.3 Toiminnalliset vaatimukset Liikkeet Käsittelykammiossa siirtokoneen masto liikkuu vaakasuunnassa ja pystysuunnassa ja voi tarvittaessa pyörittää polttoainenippua pystyakselin ympäri. Siirtokoneen tulee kyetä nostamaan polttoaineniput polttoaineen kuljetussäiliöstä, joka on telakoitu käsittelykammioon. Jos kapselointilaitos on kytketty KPA-varastoon, niin tässä tapauksessa siirtokoneen tulee kyetä nostamaan polttoaineniput vesialtaasta, jossa polttoaineniput ovat kolme metriä syvemmällä kuin mitä ne ovat telakoidussa polttoaineen kuljetussäiliössä (Kuk-

20 16 kola 2002). Tämä tarkoittaa, että siirtokoneen teleskooppimastossa on useampi sisäkkäin menevä vyöhyke. Kun polttoainekapseli tai polttoaineen kuljetussäiliö telakoidaan käsittelykammioon, niin polttoainekapselin tai kuljetussäiliön sisärakenne ei välttämättä ole aina samassa suunnassa kuin missä siirtokoneen kiskot ovat. Kuljetussäiliö ja polttoainekapseli voivat olla missä tahansa asennossa pystyakselinsa suhteen. Tämä tulee ottaa huomioon, kun siirtokoneen maston liikeratoja suunnitellaan. Siirtokoneen tulee kyetä nostamaan kaikki polttoaineniput noin 600 mm käsittelykammion lattian yläpuolelle. Siirtokoneen toimialueen tulee kattaa käsittelykammion lattiapinta-ala kokonaisuudessaan. Siirtokoneen polttoainemaston ja manipulaattorin toimialue vaakatasossa on esitetty kuvassa 8. Kuva 8. Polttoaineen siirtokoneen vaadittu toimialue vaakatasossa. Siirtokoneen vaadittu toiminta-alue pystysuunnassa on esitetty kuvassa 9.

21 17 Kuva 9. Polttoaineen siirtokoneen vaadittu toimialue pystysuunnassa Mekaaniset vaatimukset Jos polttoainenippu on estynyt liikkumaan vaakasuunnassa, esimerkiksi kun polttoainenippua nostetaan polttoaineen kuljetussäiliöstä, niin polttoaineen siirtokoneen vaakasuuntainen liike tulee estää. Polttoaineen siirtokoneen maston maksiminostokyky tulee rajoittaa, jotta kiinni juuttunut polttoainenippu ei vaurioituisi. Nostossa tulee olla ylikuormitussuoja. Jos nippupositiossa on toinen polttoainenippu tai positiossa on jokin muu este, niin siirtokoneen mastolla ei saa runnoa polttoainenippuja rikki. Maston työntövoimassa tulee myös olla voiman rajoitin. Siirtokoneen tulee kyetä tarttumaan kaikkien polttoainetyyppien tartuntakahvoihin. Siirtonopeuden tulee olla suurimmillaan 12 m/min vapaassa tilanteessa (kun polttoainenippu ei ole kiinni tarraimessa). Hidasajovaiheessa, kun lähestytään päätepisteitä, nopeuden tulee olla 1,2 m/min. Koneen liikkeitten tarkkuusvaatimus maston kärjessä on ± 2 mm.

22 Luotettavuusvaatimukset Siirtokoneen tulee kyetä selviytymään yksittäisvikakriteeristä. Mikä tahansa tilanne pitää kyetä saamaan hallintaan, eli tilanne palauttamaan normaaliksi. Polttoainenippu ei saa vahingossa irrota tarraimesta. Normaalisti polttoainenippu irrotetaan tarraimesta, kun polttoainenippu on tuettu alapäästään. Jos polttoainenippu juuttuu kiinni esimerkiksi kuivaussäiliöön asennettaessa, niin tällöin tarrain ei saa menettää otettaan polttoainenipusta. Jos tulee sähkökatko, niin käsittelyprosessin pitää pysähtyä. Polttoaineen siirtokoneen tulee jäädä turvalliseen asentoon sähkökatkossa tai muussa häiriötilanteessa. Tässä on kysymys jarrujärjestelmien suunnitelmasta sekä mahdollisesti vastapainojen käytöstä. Kun sähkö palautuu, niin siirtokone ei saa jatkaa automaattisesti toimintaansa. On ensin selvitettävä, miten polttoaineen käsittelyä voidaan turvallisesti jatkaa. Käsittelykammio puhdistetaan perusteellisesti viiden vuoden välein. Siirtokoneen peruskomponenttien osalta suunniteltu huoltoväli on viisi vuotta. 4.4 Manipulaattorille asetettavat vaatimukset Seuraavassa on esitetty toimintavaatimuksia manipulaattorille Yleiset toiminnalliset vaatimukset Manipulaattorin suurin nostokyky tulee olla 1000 kg polttoaineen siirtokoneen maston toimialueella. Nostokyky voi pienentyä, kun poiketaan siirtokoneen maston toimialueelta. Käsittelykammion seinän vieressä nostokyvyn tulisi olla 400 kg. Välialueella kapasiteetti voi muuttua lineaarisesti. Manipulaattorin toimialueen tulee kattaa koko käsittelykammion lattiapinta-ala. Manipulaattorin toimialueen tulee kattaa käsittelykammion seinäpinta-alasta polttoaineen siirtokoneen seinäkiskojen alapuolinen alue. Manipulaattori on apuna, kun käsittelykammion komponentteja vaihdetaan uusiin tai viedään korjattavaksi. Manipulaattorilla korjattavat komponentit siirretään dekontaminointikeskuksen luukun alapuolelle niin, että kappaleet voidaan nostaa käsittelykammion kattoluukun kautta dekontaminointikeskukseen puhdistettavaksi ja edelleen korjattavaksi. Käsittelykammion siivous hoidetaan normaalisti manipulaattorin avulla. Manipulaattorilla tartutaan siivoustyövälineisiin, kun esimerkiksi imuroidaan käsittelykammion lattia. Manipulaattorilla on voitava pitää imurin varresta kiinni ja liikutella imuria. Samoin rätillä pyyhintä tulee onnistua manipulaattorin avulla.

23 Ensisijaiset toiminnot Manipulaattorilla tulee kyetä irrottamaan polttoaineen siirtokoneen mastossa roikkuva polttoainenippu sekä siirtämään se joko polttoaineen kuljetussäiliöön, kuivausasemaan tai polttoainekapseliin. Tämä on tärkein manipulaattorille asetettu vaatimus. Tuntuisi luontevalta suunnitella polttoaineen siirtokoneen tarrain niin, että nippu irrotetaan siirtokoneesta irrottamalla tarrain manipulaattorin avulla yhdessä polttoainenipun kanssa. Manipulaattorilla tulee kyetä poistamaan kapselin telakointiasemassa polttoainekapselin sisäkansi ja asettamaan uusi kansi paikoilleen telineen päälle. Tämä on toiseksi tärkein manipulaattorille asetettu vaatimus. Jos polttoainenipuista on varissut crudia tai irto-osia kapselin telakointiasemassa suojakartion päälle, niin manipulaattorin avulla on voitava lakaista kartion päälle karisseet partikkelit polttoainekapselin vapaisiin positioihin Toissijaiset toiminnot (eivät ole ehdottomia vaatimuksia) Manipulaattorilla tulee voida nostaa polttoaineen kuivausaseman kansi käsittelykammion kattoluukun alueelle. Manipulaattorilla tulee kyetä irrottamaan polttoaineen kuivausaseman polttoaineteline ja asentamaan uusi paikoilleen. Manipulaattorin avulla on voitava irrottaa polttoainekapselin telakointiaseman kaasunvaihtokupu ja siirtämään se huoltoluukun alueelle. Manipulaattorilla tulee voida nostaa polttoaineen kuljetussäiliön telakointiaseman biologisen kannen nosturin nostin käsittelykammion kattoluukun alueelle.

24 20 5 SIIRTOKONEEN RAKENTEEN KUVAUS 5.1 Siirtokoneen yleiskuvaus Polttoaineen siirtokone perustuu siltanosturiin, joka liikkuu käsittelykammion seinäkiskoja pitkin. Siltanosturin vaunussa on karusellimainen pyöritysalusta, johon on kiinnitetty kaksi identtistä teleskooppimastoa. Toisessa mastossa on tartuntapää polttoainenippujen siirtelyä varten ja toisessa on manipulaattorikäsivarsi, jolla voidaan tehdä tarpeellisia huolto- ja puhdistustöitä sekä korjata mahdollisia vikatilanteita. Kuvassa 10 on yleiskuva polttoaineen siirtokoneesta. Kuva 10. Polttoaineen siirtokoneen yleiskuva. 5.2 Siirtokoneen rakenneosat Seinäkiskot Polttoaineen käsittelykammion seinässä on ruostumattomasta teräksestä tehdyt kiinnityslevyt, joihin kiskokonsolit on kiinnitetty hitsaamalla. Teräksiset kotelopalkit tukeutuvat viiteen seinään kiinnitettyyn konsoliin. Siirtokoneen kiskot on kiinnitetty kotelopalkin yläpintaan. Seinäkiskon rakenne on esitetty kuvassa 11.

25 21 Kuva 11. Siirtokoneen seinäkisko Nosturisilta Nosturisilta muodostuu teräksisistä kotelopalkeista. Pääkannattajan kotelon korkeus on 600 mm ja leveys 400 mm. Siirtovaunun kiskot on kiinnitetty pääkannattajapalkkien yläpintaan. Kuva 12 esittää siirtokoneen nosturisiltaa. Siltavaunu liikkuu kahden servomoottoriparin ja hammastanko-hammaspyöräkoneistojen avulla, kuva 10. Kuva 12. Nosturisilta.

26 Siltavaunu ja karuselli Siltavaunu ja sen varassa lepäävä kääntöpöytä on esitetty kuvassa 13. Siltavaunun ja kääntöpöydän liikkeet saadaan aikaan servomoottoreiden, hammaspyörien ja hammastangon avulla. Kuva 13. Siirtokoneen siltavaunu. Hammaspyörä ja servomoottoriyhdistelmä on kahdennettu toimintavarmuuden parantamiseksi. Moottorit saavat virran toisistaan riippumattomista tehonlähteistä. Vain toisen koneikon hammaspyörä on rynnössä hammastankoon. Kuvan 14 kaltaisella kytkentämekanismilla voidaan vikaantunut koneikko irrottaa ja kytkeä toinen toimiva koneikko.

27 23 Kuva 14. Servomoottorit, hammaspyörät, hammastanko ja kytkentämekanismi Masto ja työkalut Siirtokoneen maston tulee olla rakenteeltaan teleskooppimainen, jotta polttoaineen käsittelykammion korkeus pysyisi kohtuullisena, kuva 9. Teleskooppimastoja on valmiina kaupallisesti saatavissa. Kuvassa 15 on esitetty erään valmistajan teleskooppimasto, johon on saatavissa runsaasti myös erilaisia työkaluja (Lähde Hans Wälischmiller GmbH,

28 24 Kuva 15. Teleskooppimasto ja erilaisia työkaluja Manipulaattorikäsivarsi Manipulaattorikäsivarsia on kaupallisesti saatavissa useilta eri valmistajilta. Kuvan 15 esitettyyn laitteeseen tilaaja voi itse määritellä teleskooppimaston ja manipulaattorikäsivarren liikealueet antamalla arvot kuvassa 16 esitettyihin mittoihin A, B, C jne.

29 25 Kuva 16. Teleskooppimaston ja manipulaattorikäsivarren liikealueet. Teleskooppimasto pyörii pystyakselin ympäri täyden kierroksen.

30 26 Manipulaattorikäsivarsi voi toimia eri periaatteella kuin mitä on esitetty kuvassa 15. Vaihtoehtoista konstruktiota esittää kuva 17. Kuva 17. Manipulaattorikäsivarsi ja tartuntatyökalu.

31 27 6 VIKAANTUMISTILANTEET JA NIIDEN KORJAUS 6.1 Yleiset periaatteet Toimilaitteet kahdennetaan ja varustetaan toisistaan riippumattomalla sähkönsyötöllä jos vain on mahdollista. Tällaisia ovat esimerkiksi nosturisillan siirtomekanismi, nosturivaunun siirtomekanismi ja nosturivaunun kääntöpöydän pyöritysmekanismi. Teleskooppimastot ovat identtiset, periaatteessa toinen voi korvata toisen. Polttoainenipun tarrain tai manipulaattorikäsivarsi voidaan kiinnittää kumpaan mastoon tahansa. Maston liikuttelumekanismien sähkönsyötöt ovat toisistaan riippumattomia. 6.2 Polttoainenipun jumittuminen Polttoainenippu jumittuu kiinni siirtokoneen maston tarraimeen. Tällöin manipulaattorikäsivarrella irrotetaan polttoainenipun tarrain mastosta yhdessä polttoainenipun kanssa ja polttoainenippu siirretään jos mahdollista polttoaineen kuljetussäiliöön. Tarrain irrotetaan polttoainenipusta, mahdollisesti leikkaamalla se irti, niin että polttoaineen kuljetussäiliön kansi voidaan sulkea. 6.3 Teleskooppimaston jumittuminen Polttoaineen siirtokoneen masto jumittuu kiinni. Tällöin polttoainenippu irrotetaan toisella mastolla, jossa manipulaattorikäsivarsi on kiinnitetty. Tämän jälkeen edetään kuten edellisessä tapauksessa. 6.4 Muut häiriötilanteet käsittelykammiossa Tällaisia tilanteita voi olla lukemattomia. Kaikkia tilanteita ei voida tässä yhteydessä käsitellä. Tärkeimmät häiriötilanteet ovat esimerkiksi seuraavanlaisia: Polttoainenippu juuttuu kiinni. Polttoainenippu voi juuttua kiinni polttoaineen kuljetussäiliöön, polttoaineen kuivaussäiliöön tai loppusijoituskapseliin. Kiinnijuuttuminen voi useimmiten tarkoittaa sitä, että maston nostovoimarajoitin estää väkipakon käytön. Tilanteen korjaajana saattaisi olla kytkeä voimarajoitin pois päältä ja ylimääräistä voimaa käyttäen nostaa kiinnijuuttunut nippu pois. Myös jonkinlaisen täryttimen käyttö saattaisi olla mahdollisia. Tällaisia täryttimiä käytetään esimerkiksi, kun irrotetaan maahan juntattuja maatukia. Polttoainenipun kolhiminen ja rikkoutuminen. Polttoainenippujen kolhiminen on mahdollista. Polttoainenippua voidaan siirtää liian alhaalla käsittelykammiossa, jolloin polttoainenipun alapää törmää kuivausaseman tai telakointiaseman reunukseen. Polttoainenippua voidaan myös yrittää ladata varattuun positioon. Siirtokone tulee polttoainenipun kolhimisen välttämiseksi varustaa rajakatkaisimilla ja työntövoimarajoittimilla. Jos polttoainenippu on liian lähellä käsittelykammion lattiaa, niin rajoittimen tulee estää nipun siirron. Jos polttoainenippua yritetään kaksoisladata varattuun positioon, niin tällöin työntövoimarajoittimen pitäisi estää polttoainenipun rikkoutumisen.

32 28 Tiivisteiden, lamppujen, kameroiden yms. rikkoutuminen. Nämä tapaukset pyritään ottamaan käsittelykammion suunnittelussa huomioon etukäteen niin, että tiivisteet, lamput ja kamerat voidaan vaihtaa ilman, että mennään käsittelykammioon.

33 29 7 ALUSTAVA KUSTANNUSARVIO 7.1 Arviointimenetelmistä Kokonaisesta siirtokoneesta ei tässä vaiheessa voida pyytää valmistajilta budjettitarjousta, koska konetta ei ole vielä suunniteltu riittävän tarkasti ja koska koneen toimitus tulee olemaan kaukaisessa tulevaisuudessa. Toinen vaihtoehto on laskea rakenteiden hinta esimerkiksi painon perusteella ja pyytää komponenteista tarjouksia. Tällaisessa tapauksessa on vaikea saada hinnasta tasapainoista kokonaiskuvaa. Yksinkertaisten osien hinta voidaan yleensä laskea tarkasti, mutta monimutkaisista osista hinta saadaan vain suuntaa antavana. Lisäksi tällaisessa tapauksessa laitteen kokoonpanon osuutta on mahdoton arvioida; laite maksaa enemmän kuin mitä laitteen osien summa on. Ehkä paras hinta-arvio saadaan, kun verrataan tällaista konetta vastaavanlaisiin koneisiin, joista on viime aikoina tehty kauppoja. Tällaisia koneita ovat esimerkiksi ydinvoimalaitoksiin hankitut siltanosturit ja polttoaineen siirtokoneet. Siltanosturilta vaaditaan huomattavasti vähemmän kuin mitä polttoaineen käsittelykammion siirtokoneelta vaaditaan. Siltanosturi on myös paljon yksinkertaisempi rakenteeltaan. Voisi arvioida, että kapasiteetiltaan samansuuruisen siltanosturin hinta on kymmenes osa polttoaineen siirtokoneen hinnasta. Ydinvoimalaitosten polttoaineen siirtokoneilta vaaditaan enemmän kuin kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokoneelta. Ydinvoimalaitoksen tai käytetyn polttoaineen märkävaraston polttoaineen siirtokoneen toimialue on merkittävästi suurempi ja polttoainenippuja siirrellään veden alla. Polttoaineen siirtokoneen avulla mahdollisesti myös tarkastetaan ja korjataan reaktorin sisäosia ja paineastiaa. Voisi arvioida, että ydinvoimalaitoksen polttoaineen siirtokone on hieman kalliimpi kuin kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokone. Eritoten, kun otetaan huomioon, että kapselointilaitoksen siirtokoneeseen tulee toinen masto, johon manipulaattorikäsivarsi kiinnitetään. 7.2 Kustannusarvio Tänä vuonna Loviisan kiinteytyslaitokseen hankitun 6,3 tonnin tehoisen siltanosturin hinta oli noin 200 k. Meneillään olevan Loviisan voimalaitoksen kahden yksikön polttoaineen siirtokoneiden uusinnan budjetti on noin 4 M, joista laitteiden osuus on 2,7 M ja työn osuus on 1,3 M. Yksikköä kohti hinta on noin 2 M. Konservatiivisesti arvioiden kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokoneen hinta manipulaattoreineen ja työkaluineen voisi olla 2500 k.

34 30 8 YHTEENVETO 8.1 Johtopäätökset Polttoaineen siirtokoneen suunnitteluperustaksi siltanosturi on toimiva valinta. Manipulaattorin kiinnittäminen samanlaiseen mastoon kuin polttoainenipputarrain on hyvä ratkaisu koneen toimialueen ja kapasiteetin kannalta. Aiempaan suunnitelmaan nähden käsittelykammion korkeutta korotettiin 1,2 metrillä. Tähän oli syynä OL3 polttoaineen käsittelyn vaatima lisätila. Polttoaineen siirtokoneen maston ei voi olla kiinteä vaan maston tulee olla teleskooppityyppinen. Kapselointilaitoksen suunnittelua voidaan jatkaa tässä selvityksessä todetuilla käsittelykammion mitoilla. 8.2 Pohdiskelua jatkosuunnittelusta Seuraava tarkempi suunnittelukierros on syytä tehdä parin kolmen vuoden sisällä. Kapselointilaitoksen polttoaineen siirtokoneen toimintavaatimukset poikkeavat jälleenkäsittelylaitoksien polttoaineen siirtokoneitten toimintavaatimuksista, joten jatkosuunnittelu kannattaa tehdä tämän, lähtökohdiltaan yksinkertaisen konseptin pohjalta.

35 31 VIITTEET Kukkola, T Encapsulation plant description, The KPA-store attached and the storage pools connected. Working Report , Posiva Oy, Olkiluoto. Kukkola, T Encapsulation plant preliminary design, phase 2. Repository attached facility. Working Report , Posiva Oy, Olkiluoto. Kukkola, T. and Saanio, T Cost Estimate of Olkiluoto Disposal Facility for Spent Nuclear Fuel. Working Report Posiva Oy, Olkiluoto. Raiko, H Disposal Canister for Spent Nuclear Fuel - Design Report. POSIVA , Posiva Oy, Olkiluoto. Säteilyturvakeskus (STUK), Ohje YVL-5.8, Ydinlaitosten nosto- ja siirtolaitteet. Helsinki. Säteilyturvakeskus (STUK) Ohje YVL-2.1, Ydinvoimalaitosten järjestelmien, rakenteiden ja laitteiden turvallisuusluokitus. Helsinki. Säteilyturvakeskus (STUK), Ohje YVL-6.8, Ydinpolttoaineen varastointi ja käsittely.