Kapselointilaitoksen vihivaunun suunnitelma

Työraportti 2003-76 Kapselointilaitoksen vihivaunun suunnitelma Lauri Pietikäinen Joulukuu 2003 POSIVA OY FIN-27160 OLKILUOTO, FINLAND Tel. +358-2-8372 31 Fax +358-2-8372 3709

Työraportti 2003-76 Kaoselointilaitoksen vihivaunun suunnitelma Lauri Pietikäinen Fortum Nuclear Services Joulukuu 2003 Pasivan 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.

~ Fortum 1 J:t '....~ ~ Nuclear Services 1 ENR 1 Lauri Pietikäinen 11.12.2003 NUCL-2132 1 (1) Jakelu: Tarkastaja, pvrn 11.-12. wv.j Korvaa Hyvä~~ \ \_ \2,?-{11 Avainsanat KAPSELOINTILAITOKSEN VIHIV AUNUN SUUNNITELMA TIIVISTELMÄ Tässä raportissa kuvataan käytetyn polttoaineen loppusijoitukseen suunnitellun kapselointilaitoksen kapselin kulj etuslaiteen -vihivaunun- suunnitelma. Asiakiljassa esitetään perusteet vihivaunun käytölle nosturin asemesta, laitteen suunnitteluperusteet, tarkastelut vaihtoehtoisista rakenneratkaisuista sekä tämän päivän tekniikkaan perustuva melko yksityiskohtainen periaatesuunnitelma myöhempääjatkokehittelyä ja detalj isuunnittelua varten. Asiakirjassa esitetään myös, miten suunnittelun perusteeksi otettavista vikaantumistilanteista selviydytään. Lopussa esitetään kokemukseen perustuva erittelemätön kokonaiskustannusarvio tämän päivän hintatasolla. /?,/~, 2_o-O ~/ Fortum Nuclear Services Oy Ly 1655971-4 krnro 808.606 Kotipaikka Espoo

KAPSELOINTILAITOKSEN VIHIVAUNUN SUUNNITELMA TIIVISTELMÄ Tässä raportissa kuvataan käytetyn polttoaineen loppusijoitukseen suunnitellun kapselointilaitoksen kapselin kuljetuslaiteen -vihivaunun- suunnitelma. Asiakirjassa esitetään perusteet vihivaunun käytölle nosturin asemesta, laitteen suunnitteluperusteet, tarkastelut vaihtoehtoisista rakenneratkaisuista sekä tämän päivän tekniikkaan perustuva melko yksityiskohtainen periaatesuunnitelma myöhempää jatkokehittelyä ja detaljisuunnittelua varten. Asiakirjassa esitetään myös, miten suunnittelun perusteeksi otettavista vikaantumistilanteista selviydytään. Lopussa esitetään kokemukseen perustuva erittelemätön kokonaiskustannusarvio tämän päivän hintatasolla. Avainsanat: Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitus, kapselointilaitos ja loppusijoituskapseli.

AUTOMATED GUIDED VEHICLE FOR A SPENT FUEL CANISTER IN THE ENCAPSULATION PLANT ABSTRACT This report describes the design of the automated guided vehicle for a spent fuel canister in the encapsulation plant for spent nuclear fuel. This paper describes reasons for substitution the overhead crane by automated guided vehicle and the design basis for the equipment including review of possible alternative constructions as well as a quite detailed basic design based on today's technology for further development and detailed design. This paper also describes how to solve the design basic failures. A lump cost estimate of the equipment based on today' s price level is presented at the end of the report. Keywords: spent nuclear fuel disposal, encapsulation plant, and final disposal canister.

----------------------------- 1 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1 JOHDANTO... 2 2 SUUNNITTELUPERUSTEET... 5 2.1 Turvallisuusluokitus ja viranomaisvaatimukset... 5 2.2 Vihivaunun tehtävä... 5 2.3 Yleiset tekniset tiedot.... 5 2.3.1 Polttoainekapselin mitat... 5 2.3.2 Vihivaunun kulkutiet, puskurivarasto ja kapselihissi... 5 2.3.3 Vihivaunun yleiset suunnitteluvaatimukset... 6 3 VAIHTOEHTOISET RAKENNERATKAISUT... 7 3.1 Yleistä... 7 3.2 Alustan rakenne... 7 3.3 Käyttöenergia... 8 3.4 Ajokoneisto... 8 3.5 Nostokoneisto... 8 3.6 Kääntökoneisto... 9 3. 7 Kauko-ohjausjärjestelmä... 9 4 EHDOTUS RAKENTEESTA JATKOKEHITTELYÄ VARTEN... 10 4.1 Yleistä... 1 0 4.2 Alustan rakenne... 10 4.3 Käyttöenergia... 12 4.4 Ajokoneisto ja teli.... 12 4.5 Telin laakerointi ja hydrauliikka... 14 4.6 Kääntökoneisto... 15 4. 7 Automaatio ja kauko-ohjausjärjestelmä... 16 5 VIKAANTUMISTILANTEET... 18 6 KUSTANNUSARVIO... 20 7 VIITTEET... 21 8 LIITEKUVAT... 22

2 1 JOHDANTO Kapselointilaitoksen kapselin siirtovaunun suunnittelun yhteydessä (Pietikäinen, 2003) tulivat tarkasteltaviksi myös kapselin siirtovaiheet käsittelylinjalta puskurivarastoon, siitä edelleen kapselihissiin ja ulos hissistä loppusijoitustilaan. Jos kaikki nämä siirrot toteutettaisiin alkuperäisen suunnitelman mukaan erillislaitteilla, tarvittaisiin siihen 30 tonnin kauko-ohjattu siltanosturi sekä siirtolaitteet kapselin siirtämiseksi hissiin ja hissistä ulos loppusijoitustasolle. (Kukkola, 2002) Säteilysuojaseinä käsittelylinjan ja hissin etuhuoneen välillä on tehtävä varsin korkeaksi katosta tapahtuvan säteilyn sirannan takia. Nosturin silta vaatii lisäksi oman tilansa säteilysuojaseinien yläpuolella, joten varastosta tulee väistämättä varsin korkea. Jos kapselia ei tarvitsisi nostaa kannesta, niin puskurivarasto voitaisiin tehdä käsittelylinjan korkuiseksi ja näin pienennettäisiin merkittävästi rakennustilavuutta ja -kustannuksia. Samoin säästettäisiin nosto- ja siirtolaitteissa. Näitä asioita selvitellessä on tullut esille ajatus etsiä sellaista kuljetusratkaisua, jolla kapseli voitaisiin viedä käsittelylinjalta luolaan asti yhdellä kuljetuslaitteella, jonka aivan ilmeisesti täytyisi olla jonkinlainen kauko-ohjattu vihivaunu. Vaunun kuljettama maksimikuorma on varsin suuri (n. 25 t) ja pystyasennossa kuljetettavan taakan korkeus suuri ( 4,8 m) suhteessa vaunun kapean n. 1,5 m levyisen kuljetusreitin rajaamiin vaunun mittoihin, joten vihivaunulle asetettavat tekniset vaatimukset poikkeavat selvästi esimerkiksi paperiteollisuudessa käytetyistä vihivaunuista. Valmista käytössä koeteltua konseptia ei ole tunnistettu. Perusteet jatkokehittelylle ovat kuitenkin aivan ilmeiset, koska hanke onnistuessaan tuo seuraavat edut: Voidaan kokonaan luopua kalliista puskurivaraston siltanosturista. Rakennustilavuus pienentyy merkittävästi huonekorkeuden alentuessa. Voidaan luopua siirtolaitteista hissikuilun ylä- ja alapäässä. Puskurivaraston säteilysuojaus paranee, kun säteilyn katosta tapahtuva sirontailmiö jää pois. Labyrinttiseinät voidaan rakentaa kattoon asti. Jotta kapselin alle meneväliä vihivaunulla voitaisiin ylipäänsä operoida, on kapselit pantava kuljetusalustoille, joiden alle vihivaunu voidaan ajaa ja jonka avulla taakka voidaan nostaa irti lattiasta kuljetusta varten. Periaatteessa kapselia voitaisiin siirtää myös sivulta ja pohjasta tarttuvalla vihivaunulla, mutta sellaisen rakenne on väistämättä kookkaampi ja kömpelömpi kuin kapselin alta nostavan. Tällaisella vaunulla ei ole mahdollista ajaa kapselirivin alitse. Kapselin siirtoon kapselin käsittelylinjalta siirtovaunusta kuljetusalustan päälle tarvitaan yksinkertainen siirtolaite. Siirtolaite on käytävän kattoon kiinnitetty kiskoilla kulkeva siirtovaunu, jossa on teleskooppimallisen puomin päässä tarrain kapselin yläpäähän tarttumista varten. Puomin pituus kahden erikorkuisen kapselin käsittelyyn säädetään sähkökäyttöisellä liikeruuvilla, joka kantaa 25 t kuorman. Nostomoottoria ja vaihdetta ei ole tarpeen mitoittaa täydelle kuormalle, koska siirto sivuun tapahtuu vaakatasossa

3 ilman nostoliikettä. Tarkoitukseen sopiva tarrain on jo suunniteltu nosturia varten (Seppälä, 2003). Sivusiirto tapahtuu sähkökäyttöisellä liikeruuvilla. Tämä siirtolaite ja kuljetusalustat tarvitaan siis vihivanun lisäksi, jotta kuljetusketju saataisiin toimimaan ilman nosturia. Laitteet ovat varsin yksinkertaisia ja halpoja valmistaa. Siirto vihivaunun päälle tapahtuu seuraavasti: Kapselin siirtovaunu ajetaan siirtolaitteen kohdalle. Siirtolaitteen tarrain ajetaan kapselin päälle, jonka jälkeen tarrain laskeutuu alas ja tarttuu kapseliin. Kun nostokeikka lasketaan alas, taakka jää roikkumaan tarraimeen. Taakka siirretään sivulle hieman alempana olevan kuljetusalustan päälle. Kuljetusalusta nostetaan irti lattiasta vihivaunulla, jolloin taakka jää vihivaunun varaan ja tarrain voidaan vapauttaa. Kapseli siirretään vihivaunulla puskurivarastoon. Kuljetusalusta on esitetty kuvassa 1 ja periaatekuva kapselin siirrosta kuljetusradan päässä kuvassa 2. Vihivaunu näkyy kuljetusalustan alla. Kuva 1. Kuljetusalusta.

Kuva 2. Kapselin siirto siirtovaunusta kuljetusalustalle. 4

5 2 SUUNNITTELUPERUSTEET 2.1 Turvallisuusluokitus ja viranomaisvaatimukset Kapselin kuljetukseen käytettävä vihivaunu ja siirtoon tarvittavat apulaitteet kuuluvat turvallisuusluokkaan 3. Suunnittelussa, valmistuksessa, asennuksessa ja koekäytössä noudatetaan Säteilyturvakeskuksen (STUK) YVL-ohjetta 5.8. 2.2 Vihivaunun tehtävä Vihivaunun tehtävänä on siirtää vaiheittain valmis polttoainekapseli kapselointiradalta puskurivarastoon, puskurivarastosta kapselihissiin ja loppusijoitustilassa ulos kapselihissistä kapselin lastausasemaan. Vaunun ohjaus tapahtuu kaukokäyttöisesti. Ohjausta varten vaunu varustetaan paikoitusj ärj estelmällä. 2.3 Yleiset tekniset tiedot 2.3.1 Polttoainekapselin mitat Polttoainekapselin mitta- ja painotiedot on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Polttoainekapselin mitta-ja painotiedot. OL 1/2 LO 112 BWR VVER Kapselin halkaisija 1050 1050 mm Kapselin korkeus 4800 3600 mm Kapselin paino 24,5 18,7 t 2.3.2 Vihivaunun kulkutiet, puskurivarasto ja kapselihissi Puskurivarasto on mitoitettu 3 x 4 = 12 kapselille. Kapselien välinen etäisyys on 1,6 m. Kulkuväylien leveys on pienimmillään 1,5 m. Kapselihississä kapselille on varattu 1,5 x 1,5 m suuruinen tila. Kapselihissin lattian paikoitustarkkuus pystysuunnassa on pienempi kuin 2 mm. Hissin paikoitus varmistetaan kapselin lastauksen ja purkamisen ajaksi salpalaitteella tai muulla järjestelyllä, joka estää hissin köysi en venymisestä johtuvan joustaliikkeen taakan painon muuttuessa. Kapselin paikoitustarkkuus on ±25 mm teoreettisesta kohdistuspisteestä kaikissa käsittelyvaiheissa.

6 Kulkuteiden ja puskurivaraston lattia on hierrettyä betonia, joka pinnoitetaan epoksipinnoitteella. Kulkuväylät ja varaston lattia mitoitetaan 25 t/m 2 kuormalle. Maksimikallistus lattioissa on 1:50. 2.3.3 Vihivaunun yleiset suunnitteluvaatimukset Vihivaunun yleiset suunnitteluvaatimukset ovat seuraavat: 1. Laitteen suunnitteluikä on 30 vuotta. 2. Vaunun on täytettävä yksittäisvikakriteeri. Kaikissa ongelmatilanteissa taakka on voitava laskea alas ja siirtää vaunu korjausta varten sille varattuun säteilyltä suojatluun paikkaan. 3. Vaunun tulee sietää toiminnan häiriintymättä lattian kallistukset ja sellaiset pienet epätasaisuudet, jotka ovat luonteenomaisia hierretylle betonilattialle. Lattiaan kohdistuva pintapaine ei saa ylittää betoninja maalipinnan kestorajaa. 4. Vaunun ja kapselin törmääminen esteisiin ja kaatuminen on estettävä. Vaunun ajonopeudeksi rajoitetaan turvallisuussyistä tyhjälle vaunulle 12 m/minja kuormatulle vaunulle 6 m/min. 5. Kaikki liikkeet ja aktiiviset toiminnot hoidetaan kauko-ohjatusti. Vaunu varustetaan paikannusj ärj estelmällä, jonka avulla paikoitus voidaan määrittää ±25 mm tarkkuudella koko toiminta-alueella. 6. Vaunu varustetaan lisäksi anturoinnilla, jonka avulla voidaan varmistaa paikoitus suhteessa kapselin kuljetusalustaan. 7. Vaunun kulkua laitoksella seurataan lisäksi kuljetusreitille asennettavan TVjärjestelmän avulla. Jos on tarpeen, myös vaunu varustetaan omalla TV-järjestelmällä. 8. Palokuormaa aiheuttavien materiaalien kuten voiteluaineiden ym. määrä tulee olla mahdollisimman pieni. 9. Voiteluaineiden vuodot lattialle on estettävä. 10. Laite on oltava tarvittaessa helposti puhdistettavissa kontaminaatiosta. 11. Laitteen ja sen osien on kestettävä prosessin aiheuttama kokonaissäteilyannos suunnitteluiän aikana ilman oleellista materiaalien heikkenemistä. Säteilyannosnopeus kapselin pinnalla ja päädyissä on enintään luokkaa 250 msv/h. 12. Huollon ja osien vaihdon tarve on minimoitava.

7 3 VAIHTOEHTOISET RAKENNERATKAISUT 3.1 Yleistä Alustavien laskelmien, luonnosten ym. tarkastelujen pohjalta näyttää ilmeiseltä, että kuljetustehtävä olisi hoidettavissa akkukäyttöisellä radio-ohjatulla vihivaunulla, joka voi kääntää ajosuuntaansa vähintään± 90 kulmissa sekä kulkea eteen ja taaksepäin. Vihivaunussa tulee olla nosto laite, jolla taakka saadaan irti lattiasta. Lisäksi tarvitaan kunkin kapselin alle paletti, jonka alle vihivaunu voi ajaa. Kuorma voidaan laskea alas kääntökohdissa suunnanvaihdon helpottamiseksi. Paletit ovat yksinkertaisia halpoja nelijalkaisia teräsalustoja. Vihivaunun kokonaiskorkeus voisi olla luokkaa 300 mm ja paletit noin 350 x 1300 x 1300 mm kokoisia. Kapselin nosto käsittelylinjan siirtovaunun päältä paletille vaatii oman melko yksinkertaisen nostolaiteensa. Loppusijoitustilan puolella lisälaitteita ei tarvita. 3.2 Alustan rakenne Raskaan 25 t taakan kuljettamiseen on periaatteessa olemassa seuraavat yleisesti käytössä olevat alustatyypit: pyörillä kiskoilla kulkeva vaunu ilmatyynyalusta lattialla kulkeva pyörillä kulkeva vaunu lattialla kulkeva tela-alustainen vaunu Pyörillä kiskoilla kulkeva vaunu ei sovellu tähän tapaukseen mutkaisen kulkutien ja varaston järjestelyn takia. Kulkutien pitäisi olla suora ja varaston jonomuotoinen, jotta menetelmää voitaisiin soveltaa. Ilmatyynyalusta vaatii tehokkaan paineistusjärjestelmän ja ohjausjärjestelyn, jotta se voisi kulkea mutkaisella radalla. Kauko-ohjatun laitteen energian saanti ja riittävyys tulee vaikeasti ratkaistavaksi ongelmaksi. Paineilmavuotojen hallinta ja pesua varten tarpeelliset lattian kallistukset tekevät menetelmän soveltamisen hankalaksi. Lattialla pyörillä kulkeva vaunu voisi tulla kysymykseen jos pyöristä lattiaan kohdistuva pintapaine saataisiin alennetuksi maalatun betonipinnan sallimalle tasolle. Menetelmää käytetään yleisesti raskaissa kuljetuksissa. Pyöristä olisi tehtävä varsin kookkaat ja ne olisi pinnoitettava muovilla tai kumilla pintapaineen alentamiseksi kohtuulliseksi. Suuri pintapaine ja pyörästön koko tekevät rakenteesta hankalan toteuttaa. Tela-alusta tekee mahdolliseksi alentaa lattiaan kohdistuva pintapaine varsin kohtuulliseksi ilman että rakenteen koko kasvaa hankalan suureksi. Tela-alustan kulkuominaisuudet on saatavissa hyviksi epätasaisellakin alustalla ja sen avulla on mahdollista ylittää kulkutiellä olevia poikittaisia uria ilman ongelmia. Tästä on hyötyä varsinkin taakkaa hissiin siirrettäessä. Tela-alusta voi muodostua maansiirtokoneiden tapaan kahdesta vierekkäisestä pitkästä telistä, jotka kääntyvät vaunun pystyakselin suhteen tai neljästä lyhyestä vaunun nurkkiin asennettavasta telistä, jotka kääntyvät telin pystyakselin suhteen. Jälkimmäinen vaihtoehto antaa paremman stabiiliuden ja mahdollisuuden

8 kuorman tasaamiseen neljälle tukipisteelle. Rungon sisälle jää myös enemmän tilaa akuille ja elektroniikalle kuin ensimmäisessä vaihtoehdossa. 3.3 Käyttöenergia Liikkuvan laitteen käyttöenergia on käytännössä valittava seuraavista yleisesti käytetyistä energialähteistä: Vaihtosähkö verkosta laahausjohtimin tai kaapelilla Paineilma paineakusta Polttomoottori Tasasähkö akuista Vaihtelevaa kulkureittiä myöten liikkuvan kauko-ohjatun laitteen energian tarve voidaan käytännössä hoitaa elegantisti vain kuljettamalla energialähdettä vaunun mukana. Lattiaan upotettava haaroitettu laahausvirtakisko voisi sinänsä tulla kysymykseen, mutta on käytännössä varsin hankala toteuttaa ja pitää puhtaana. Paineakusta energiansa saavat paineilmamoottorit olisivat ilmeisen toimiva ratkaisu, mutta korkeapaineisten paineakkujen täyttö ja moottorien ohjaus olisivat hankalampia kuin sähkökäytössä. Polttomoottorikäyttö ei myöskään tunnu hyvältä vaihtoehdolta palokuorman, monimutkaisen rakenteen ja pakokaasujen takia. Jäljelle jäävä yleisesti käytetty ja luotettava energialähde on sähköakku. Kaapeloinnin ja moottorien käämitysten virtojen ja johdinpaksuuksien kohtuullisena pitämiseksi akut on kytkettävä sarjaan. Tässä tapauksessa 4 x 12 V= 48 V on luontainen valinta, koska tehokkaimmat pienet tasavirtamoottorit on mitoitettu tälle jännitteelle. Vaikka kuljetettava kuorma on raskas, ajovastus on saatavissa kohtuullisen pieneksi akkukäytön energian riittävyyden kannalta. Lataus on mahdollista tehdä vaikkapa jokaisen ajokerran välillä jos on tarpeen. 3.4 Ajokoneisto Luontainen valinta ajomoottoriksi akkukäyttöiselle laitteelle on tasavirtamoottori. Nykyisten yleisesti saatavissa olevien parhaiden moottorien teho, hyötysuhde ja säädettävyys ovat riittävät tähänkin tarkoitukseen. Harjattomat digitaalisella ohjausyksiköllä ohjatut tasavirtamoottorit ovat pitkäikäisiä eivätkä kaipaa huoltoa. Tyypillisesti nämä moottorit varustetaan planeettavaihteistolla kierrosluvun alentamiseksi ja ulostulomomentin kasvattamiseksi käyttötarkoitukseen sopivaksi. Planeettavaihteet eivät myöskään kaipaa huoltoa. Moottori-vaihdeyhdistelmän tehopainosuhde on selvästi parempi kuin tyypillisellä vaihtovirtakäyttöisellä vaihdemoottorilla. Planeettavaihteistolla varustettu tasavirtamoottori on siis aivan ilmeinen ratkaisu tässä tapauksessa. 3.5 Nostokoneisto Taakka on nostettava irti lattiasta, jotta se saataisiin kulkemaan. Kun lattia on kohtalaisen tasainen, riittää n. 15 mm nostoliike aivan hyvin. Taakan ollessa telien varassa ajo-

9 suunnan muutos vaatii suuren momentin, kuluttaa lattiaa ja rasittaa kääntökoneistoa. Tästä syystä ajosuunnan muutokset kuorman kanssa on syytä tehdä kuorma alas laskettuna. Kuorman nostojaja laskuja tulee siis useita yhdellä ajomatkalla. Luontevin tapa raskaan taakan lyhyeen nostoon on hydrauliikka. Hydrauliikka tuo mukanaan myös mahdollisuuden tasata kuorma jokaiselle kantavalle telille tasaisesti vaunun runkorakennetta rasittamatta ja pitää kuorma tarkasti pystyasennossa kaltevallakin alustallajos niin halutaan. Hydraulinen paine voidaan tuottaa esimerkiksi pienikokoisella hammaspyöräpumpulla, jota käyttää 48 V tasavirtamoottori. 3.6 Kääntökoneisto Kääntökoneistoa ei ole tarpeen mitoittaa koko kuormalle kun taakka lasketaan alas käännöksen ajaksi. Rasitus on minimissään, kun vaunun runko lasketaan kiinni lattiaan ja telit nostetaan irti lattiasta. Kun telit tehdään vähintään± 90 portaattomasti kääntyviksi ja moottorilla voidaan ajaa molempiin suuntiin, kaikki mahdolliset ajosuunnat ovat käytettävissä. Jos vaunun nurkkiin asennettavien telien kääntömekanismeista tehtäisiin erilliset, voitaisiin vaunulla ajaa myös kaarevia ratoja ilman telien haitallisen suurta liukumaa kääntämällä sisäkaarteen puoleisia telejä pienempää kaartosädettä vastaavasti. Käytännössä on kuitenkin yksinkertaisinta tehdä kaikki neljä teliä saman verran kääntyviksi. Tämä on helpoimmin toteutettavissa yhdellä toimilaitteella sekä ketju- tai hammashihnavälityksellä, joka kiertää nurkissa olevien hammaspyörien kautta. 3. 7 Kauko-ohjausjärjestelmä Nostureissa ja siirtolaitteissa käytetään yleisesti radio-ohjausta kun halutaan kaukoohjaus, joka ei ole riippuvainen laitteen ja ohjauspäätteen välisestä kaapeloinnista. Markkinoilla on useita tähän tarkoitukseen sopivia kaupallisia laitteita, joissa on riittävän laaja dataväylä myös mittaustietojen ja televisiokuvan välittämiseen. Radio-ohjaus on siis ilmeinen ratkaisu tähän tarkoitukseen. Vihivaunujen paikannukseen käytetään yleisesti lattiaan upotettua kaapelia, jota seuraamalla vaunu ohjautuu haluttuun pisteeseen. Kun kulkureitti on mutkainen, varastopaikkoja on useita ja työjärjestyskin voi vaihdella, menetelmän vapausasteiden rajoitukset tulevat ilmeisiksi. Suurimman vapauden antaa järjestelmä, jossa vaunu paikantaa itsensä koko toiminta-alueella. Tämä annistunee helpoimmin käyttämällä hyväksi digitaalisesti ohjattavien ajo- ja kääntömoottorien ohjaustietoja.

10 4 EHDOTUS RAKENTEESTAJATKOKEHITTELYÄ VARTEN 4.1 Yleistä Kohdassa 3 pohdiskeltujen vaihtoehtoisten osaratkaisujen synteesinä on syntynyt ajatus laitekokonaisuudesta, jota esitetään edelleen kehitettäväksi. Kuljetustehtävä on mahdollista hoitaa kauko-ohjatulla vihivaunulla, joka menee kapselia kannattavan paletin alle ja siirtää taakan alustoineen. Laitteen koko on saatava mielellään varsin pieneksi. Suuri kuorma suhteessa laitteen pieneen kokoon tuo mukanaan ongelmia, jotka osoitetaan tässä mahdolliseksi ratkaista olemassa olevaa tekniikkaa apuna käyttäen. Ajomoottorien tehon tarpeen määritys ja tarvittava käyttöenergian määrä vaikuttavat voimakkaasti teknisiin ratkaisuihin, joten niitä tarkastellaan tässä vielä lähemmin ennen kuin siirrytään yksi tyiskohtaisiin teknisiin ratkaisuihin. Kuorman paino, kitkasta ja muodonmuutoksista johtuva ajovastus, ajoradan kaltevuuskulma ja ajomatkan pituus määräävät energian tarpeen. Tasaisella alustalla laakeroiduilla pyörillä hitaasti liikkuvan vaunun ajovastus riippuu voimakkaasti alustan ominaisuuksista, pyörän rakenteesta, halkaisijasta, materiaaleista sekä laakerikitkasta. Erään siirtovaunujen valmistajan mukaan ajovastus vaihtelee välillä 0,4... 2,7 %pyörän kuormasta. Pienin ajovastus on teräskiskolla kulkevalla suurella valupyörällä ja suurin joustavasta elastomeeristä tehdyllä pienellä pyörällä. Pyörän materiaalin ja alustan jousto aiheuttavat muodonmuutoksia, joihin sitoutunut energia ei juuri palaudu. Maalatulla betonilattialla ei voi käyttää pienikitkaisia metalli- tai polyamidipyöriä suuren pintapaineen ja siitä aiheutuvan maalipinnan kuoppien ja kulumisen takia. Jäljempänä on esitetty telaketjuratkaisu, jolla on pyritty pieneen ajovastukseen ja pieneen pintapaineeseen. Alustavissa mitoituslaskelmissa on oletettu ajovastuksen olevan 2 % kuormasta ja maksimisnousun kaltevuuden 1:50. Ajonopeudella 6 m/min 250 kn kuormalla kokonaisvastus on siis 10 kn ja tehon tarve ilman hyötysuhdehäviöitä 1000 W. 4.2 Alustan rakenne Kuvassa 3 on esitetty rakenneratkaisu, joka perustuu neliön muotoiseen vaunun runkorakenteeseen, jonka nurkissa on kääntyvät telaketjualustaiset telit. Rungon paksun kansilevyn alla on kotelorakenne, johon akut, kääntökoneisto, hydrauliikka, teholähteet ja ohjauselektroniikka voidaan sijoittaa suojatluun tilaan. Telit ovat ulkona kotelorakenteesta omissa "pyöräkoteloissaan". Kaikki telit on suunniteltu vetäviksi.

11 '! i 1 ('* "11 1 ~~~~~ - --~---' l Hvdrauti.. k a l. 1 Kuva 3. Vihivaunun yleiskuva.

12 4.3 Käyttöenergia Energialähteeksi on valittu huoltovapaat sykliseen käyttöön suunnitellut geeliakut, joille löytyy useita toimittajia. Runkorakenteen sisälle mahtuu hyvin 8 kpl 12 V 60 Ah akkuja. Akut voidaan tällöin kytkeä kahteen neljän akun sarjaan, joista kumpikin syöttää kahta moottoria. Käyttöjännitteeksi tulee siis 48 V. Moottorin jatkuva sallittu maksimivirta kolmiokytkennällä ja 5000 r/min pyörimisnopeudella on 8,7 A. Kahden rinnakkaisen moottorin kokonaisvirta on 17,4 A, joten moottoreita voitaisiin periaatteessa ajaa maksimiteholla yli kolmen tunnin ajan 60 Ah akuilla. Vaikka hydrauliikka ja kääntökoneisto kuluttavat myös akkuja, niiden kapasiteetti riittää mainiosti kuljetustehtävään. 4.4 Ajokoneisto ja teli Kukin teli on varustettu itse vetävällä tela-alustalla. Moottorina on 48 V nimellisjännitteellä toimiva Maxon EC 60 harjaton tasavirtamoottori, jonka nimellisteho on 400 W, vääntömomentti 0, 657 Nm ja jatkuva maksimivirta 5000 r/min pyörimisnopeudella 8, 7 A. Moottoria voidaan kuormittaa lyhytaikaisesti huomattavasti suuremmillakin virroilla. Moottori on kytketty hammashihnavälityksellä rungon sisällä olevaan planeettavaihteistoon, joka alentaa pyörimisnopeuden < 12 m/min ajonopeuksille sopivaksi. Planeettavaihteisto mitoitetaan moottorin maksimimomentin ja maksimitehon mukaisesti. Ajonopeutta voidaan säätää moottorin ohjausyksikön avulla. Neljän ajomoottorin momentti ja teho riittävät kuljettaman vaunua 250 kn laskentakuormalla 1:50 nousussa maksiminopeudella 6 m/min. Telaketju on päällystetty lattian mikroepätasaisuudet tasaavalla kumilla ja telaketjun niveltappeihin kiinnitetyillä laakerirullilla, jotka siirtävät paineen telin pintakarkaistulle runkokappaleelle. Ratkaisu on käänteinen maansiirtokoneissa käytettyyn nähden, sillä normaalisti rullat ovat kiinteässä telissä. Telan päällyskumin jousta-ominaisuudet optimoidaan siten, että kumi tasaa kuormaa hukkaamatta kuitenkaan liikaa energiaa joustamiseen. Tavoitteena on mahdollisimman tasainen kulku ja pieni kitka. Telin lyhyyden ja lattian suhteellisen tasaisuuden takia mitään jousitusta ei tarvita. Laakerirullien kantokyky on suuri ja vierintävastus karkaistua tukipintaa vasten vähäinen. Yhden telin telaketjun pinta-ala on 23 7 cm 2, joten pintapaine 250 kn kokonaiskuormalla on 264 N/cm 2 Ajokoneiston ja telin rakenne käy selville kuvasta 4.

13 i 1 i! 1 i i! 1! 1 i ~ --1 1 i i II II II II! II II II II r - - - - ----l ----- --- - 4! II II II II II II II II 1 i l 1 1-- 1-- Suunta 8-B Kuva 4. Ajokoneisto ja teli.

14 4.5 Telin laakerointi ja hydrauliikka Kukin teli on laakeroitu runkoon kääntölaakerilla, jollainen voi olla esimerkiksi japanilaisen laakerivalmistaja THK Co Ltd laakeri RB11020. Laakerin sisäkehällä on 80 mm hydrauliikkasylinteri, joka paineistuessaan painaa telin alaspäin ja nostaa vaunun rungon ylös. Männän sisällä oleva palautusjousi nostaa telin ylös hydrauliikkapaineen hävitessä, jolloin runko laskeutuu kiinni lattiaan. Jotta kuorma jakautuisi epätasaisellakin pinnalla mahdollisimman tasan koko telaketjulle, telin rungon yläpään ja männän välissä on pallonivel, joka sallii 2 kallistuman kaikkiin suuntiin. Jos lattian kallistukset ovat kohtalaisen pienet ja kapselin pienellä kallistumalla ei katsota olevan merkitystä, riittävä tasapaino kunkin nurkan kuormituksen suhteen saavutetaan yksinkertaisimmin yhdistämällä kaksi "samalla akselilla" olevaa hydrauliikkasylinteriä yhdysputkella. Kun jokaiseen sylinteriin syötetään sama määrä hydrauliikkanestettä, käyttäytyy alusta kuten kahdella jäykällä akselilla varustettu ajoneuvo, jonka toinen akseli on keinuva. Syliotereiden liikevara rajoitetaan niin pieneksi, että öljyn karatessa yhdestä sylinteristä, laite ei kallistu liikaa. Hydraulisen paineen tuottava koneikko voi olla esimerkiksi Bosch-Rexrothin valmistusohjelmaan kuuluva 48 V tasasähköllä toimiva 200 bar nimellispaineella toimiva koneikko, jos se saadaan mahtumaan käytettävissä olevaan tilaan. Lyhyelle nostoliikkeelle ja pienelle alle litran nestemäärälle riittää teholtaan huomattavasti pienempikin koneikko, joka voidaan koota esimerkiksi Lamborghinin valmistaman hammasrataspumpun ympärille, jonka tuotto on 0,35 cm 3 /kierros. Noin 250 W tehoinen 48 V tasavirtamoottori riittää tähän tarkoitukseen. Oheisessa kuvassa 5 on esitetty leikkaus telin laakeroinnista ja hydrauliikkasylinteristä. Kuvassa näkyy myös telin kääntöön tarvittava ketjupyörä sekä levyhahlo ja tappi, jotka siirtävät kääntävän voiman teliin.

15 Lattia Kuva 5. Telin laakerointi ja hydrauliikka. 4.6 Kääntökoneisto Kääntölaakerin sisäkehällä olevaan hydrauliikkasylinteriin on liitetty hammaskehä, joka tekee mahdolliseksi telin käännön rullaketjun avulla. Kun ketju vedetään vaunun ympäri nurkkien kautta, kaikki telit kääntyvät yhdellä toimilaitteella. Ketju esikiristetään toimilaitteen vastapuoleisella reunalla olevalla vanttiruuvilla välysten poistamiseksi. Toimilaitteena on SKF:n valmistama 20 mm rullaruuvi, jota käytetään 48 V, 80W Maxon tasavirtamoottorilla yksiportaisen planeettavaihteen ja hammashihnan välityksellä. Toimilaitepaketti on upotettu paksuun kansilevyyn koneistettuihin uriin, jottei se veisi tilaa akuilta. Kääntökoneisto on esitetty kuvassa 6.

16 ~ CJ Leikkaus A-A 2:1 h Kuva 6. Kääntökoneisto. 4. 7 Automaatio ja kauko-ohjausjärjestelmä Radio-ohjaus on luontainen valinta vaunun kauko-ohjaukselle. Tarkoitukseen on saatavana monipuolisia laitteita useilta valmistajilta. Vaunuun asennetaan radiomodeemi, joka välittää moottorien ohjauskäskyt, paikkatiedot, mittaustiedot sekä haluttaessa myös TV -kuvan ohjauspulpettiin tukiaseman kautta. Vaunun paikannus on mahdollinen käyttämällä hyväksi ajomoottorien ja kääntömoottorin ohjaukseen käytettävien digitaalisten asentoantureiden antamia pulssitietoja. Koordinaattien nollaus suoritetaan vaunun pysäköintipisteessä. Mittaamalla lähtöpisteestä suorat ajomatkat ja kääntymiskulmat paikannus voidaan tehdä riittävällä tarkkuudella koko toiminta-alueella. Kun liikkeen suuntainen luisto ja sivusuuntainen sortuma ovat hyvin vähäisiä, paikannustarkkuus riittää tähän tarkoitukseen. Lähtöpisteen lisäksi reitillä voi olla muitakin koordinaattien tarkistuspisteitä.

17 Vaunu voidaan haluttaessa varustaa TV-kameroilla ja tunnistimilla, jotka varmistavat vaunun paikannuksen paletin alla sekä etäisyysmittareilla, jotka mittaavat etäisyyttä seiniin ja kulkuesteisiin.

18 5 VIKAANTUMISTILANTEET Vihivaunun vikaantuminen ei sinänsä voi aiheuttaa vakavaa vaaratilannetta, koska valmiin kapselin putoaminen, kaatuminen tai vakava törmääminen ei ole mahdollista hyvin pienen (n. 10 mm) maavaran ja hitaan nopeuden takia. Kun vaunun maksiminopeus v = 6 m/min eli 0,1 m/s ja sen kokonaismassa m = 25000 kg, vaunun liike-energiaksi saadaan W = ~ mv 2 ~ 125 Nm. Raja-arvo kitkakertoimelle, jonka alapuolella taakka mieluummin luisuu kuin heilahtaa saadaan kaavasta 1-lr = 2R/H. Kun kapselin korkeus H = 4800 mm ja säde R = 520 mm, tulee rajakitkakertoimeksi 1-lr = 0,217. Kitkakeroin kuivilla pinnoilla on yleensä tätä suurempi, joten kapseli todennäköisesti heilahtaa nurkkapisteeseen nähden. Maksimi liike-energia W = 125 Nm vastaa painopisteen pystysuuntaista siirtymää ~y = 125 Nm/250 kn = 0,0005 m eli 0,5 mm. Painopisteen siirtymä vaakasuunnassa on vastaavasti ~x ~ 2,3 mm. Alustan pienet joustot absorboivat todennäköisesti näin pienen heilahduksen ilman, että kapselin pohja irtoaa lainkaan alustastaan. Jos kitkakerroin on pienempi kuin rajakitkakerroin, kapseli liukuu alustaliaan matkan s = W/j..tmg. Kitkakertoimella 1-l = 0,2 kapselin liukuma matka s ~ 2,5 mm. Edellä sanotun perusteella kapselin heilahtaminen tai luistaminen on suorassakin törmäyksessä niin vähäistä, ettei mitään vauriota kapselille voi sattua. Tarkastellaan vielä tilannetta, jossa kapselin yläpää törmää esteeseen. Kapselin kaatamiseen tarvittava kapselin yläpäähän kohdistuva voima F = mgr/h ~ 27 kn. Neljän ajomoottorin tuottama vetovoima teloille teoreettisen moottorin pysäytysmomentin maksimin mukaan laskettuna on hyötysuhdehäviöineen luokkaa < 20 kn, joten kapselin kaatuminen ei ole näinkään mahdollista. Maksimivoima on helposti rajoitettavissa pienempään arvoon moottorin ohjausyksikön avulla. V akavimmat mahdolliset ongelmat ovat puhtaasti käyttö teknisiä. Laitteen vikaantuminen voi pysäyttää kapselin siirron kunnes ongelma on selvitetty. Neljällä erillisellä ajomoottorilla ja kahdella toisistaan riippumattomana virtalähteenä varustetun laitteen totaalinen pimeneminen on varsin epätodennäköistä. Vaunu liikkuu tyhjänä hyvin kahdellakin moottorilla ja on yksittäisvian sattuessa pois ajettavissa. Laitteen suunnittelun lähtökohtana on mahdollisimman hyvä luotettavuus ja mahdollisuus siirtää laite pois paletin alta kaikissa tilanteissa korjausta varten. Täysin virrattomana laite laskeutuu runkonsa varaan. Rungon pohjalevy varustetaan pienikitkaisilla liukupaloilla, joiden varassa laite on helposti pois hinattavissa. Käyttövarmuutta lisäävä yksinkertainen keino ongelmatilanteiden selvittämiseksi on hankkia kaksi vihivaunua, jolloin varalla oleva toimiva vaunu voi vetää epäkuntoon menneen vaunun säteilyltä vapaaseen tilaan korjausta varten. Työ voi jatkua toisella, kun toista korjataan tai huolletaan.

19 Vihivaunun maavara on pienimmillään 5 mm. Jokin pieni kappale, esimerkiksi mutteri saattaa kiilautua vihivaunun rungon alle. Tällöin telien hydrauliikkasylinterillä lisätään maavaraa ja ajetaan pienen esteen yli. Hydrauliikkasylinterin liikematka tulee olla riittävän suuri tähän tarkoitukseen, mutta toisaalta liikematkan tulee olla riittävän pieni, jotta sylinterin mahdolliset öljyvuodot eivät kallistaisi vihivaunua liikaa.

20 6 KUSTANNUSARVIO Vihivaunu on pieni kooltaan ja sen rakenne on melko yksinkertainen. Se voidaan pääosin toteuttaa tänä päivänä yleisesti saatavilla olevilla mekaanisilla standardiosina akuilla voimalaitteilla ja ohjausjärjestelmillä. Erikseen suunniteltavia ja vaimistertavia osia kantavan rungon lisäksi tarvitaan melko vähän. Alustavan arvion mukaan yhden vaunun valmistuskustannukset ovat luokkaa 50 000. Yksityiskohtaiseen suunnitteluun, kehitystyöhön ja testaukseen menee helposti jonkun verran enemmän eli noin 60 000. Hankittaessa kaksi vaunua kokonaiskustannuksiksi tulee siis noin 160 000. Tämä ratkaisu säästää onnistuessaan merkittävästi laitoksen suunnittelu-, rakentamis- ja hankintakustannuksia, sillä jo pelkkä kauko-ohjattu nosturi maksaisi moninkertaisesti vihivaunuun verrattuna.

21 7 VIITTEET Seppälä, P. 2003. Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskapselin nostotarraimen suunnittelu. Opinnäytetyö Hämeen Ammattikorkeakoululle. Pietikäinen, L. 2003. Kapselointilaitoksen kapselin siirtovaunun suunnitelma. Työraportti 2003-08. Posiva Oy, Olkiluoto. Kukkola, T. 2002. Encapsulation Plant Description. Independent Facility, Working Report 2002-03. Posiva Oy, Helsinki. STUK YVL-ohje 5.8, Ydinlaitosten nosto- ja siirtolaitteet, 5.1.1987

22 8 LIITEKUVAT Kuljetusalustan ja vihivaunun havainnekuvat (P-E Rönnqvist, Fortum Nuclear Services): Kuljetusalusta ylhäältä katsottuna Vihivaunu lattialla Vihivaunu alhaalta katsottuna Kuljetusalusta ylhäältä katsottuna.

23 Vihivaunu lattialla. Vihivaunu alhaalta katsottuna.