Water hydraulic jack design

Abstract

The purpose of this study was the design, development and construction of radiationhard water hydraulic jack. Developed device will be used in testing and validation of the International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER, reference cassette locking system at Divertor Test Platfrom 2, DTP2. This water hydraulic powered tool, jack, is needed during divertor cassette maintenance tasks, when it will be fitted into cassette body and pressurized. The water hydraulic jack is able to generate up to 500kN pushing force, which enables the divertor cassettes locking and unlocking procedures. The project workflow can be divided in four main stages. During first stage both geometrical and functional requirements of the water hydraulic jack were gathered together. Secondly design concepts were created according to requirements and imported (3D graphics) to a virtual scenario with all components involved in the cassette installation processes and analyzed there. After analyzing the best concept was chosen for further development. Project third stage created iteration loop between valid concept design and virtual prototyping. Furthermore it included several iteration cycles, until an optimal jack design was founded. The virtual prototyping software Delmia V5 assured the fact, that jack requirements fulfilling were verified before manufacturing. The last stage was end product tests, where the jack concept was verified with real sized mock ups. The development of water hydraulic jack was successfully carried out. The water hydraulic jack showed its reliability and good performance during its tests.

AB3:Diplomityö tehtiin Tampereen teknillisen yliopiston, hydrauliikan ja automaation laitoksella. Tutkimus on tehty osana isompaa monikansallista ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, -projektia. ITER-projektin päämäärä on kehittää fuusioenergiaan perustuva ydinreaktori, jonka tulisi ratkaista maailman kasvava energian tarve. Fuusioreaktorilla on monia etuja nykyiseen atomien fissioon perustuvaan reaktoriin, joista tässä voidaan mainita saasteettomuus ja käytännössä ehtymättömät polttoainevarat. Toisaalta fuusiossa on myös monenlaisia haasteita. ITER-fuusioreaktori perustuu Tokamak-tekniikkaan, jossa reaktori on munkkirinkilän näköinen, torus, jonka sisällä vallitsee tyhjiö. Reaktorin toimiessa toruksen sisään johdetaan fuusioituvaa deuteriumia, joka kuumennetaan edelleen plasmaksi. Tällä hetkellä fuusioreaktorin suurimmat ongelmat ovat plasman hallinnointiin liittyviä, mikä on hyvin kriittinen alue johtuen plasman sisältävästä energiasta. Plasma ei saa päästä koskettamaan reaktorin rakenteita, koska seurauksena on välitön rakenteiden vahingoittuminen. Tämä on seurausta plasman lämpötilasta, joka on kolme miljoonaa Celcius-astetta, jotta atomien fuusioituminen olisi mahdollista. Plasma pidetään koossa suprajohteita hyödyntävillä erittäin voimakkailla magneettikentillä. Diplomityö on kirjallinen dokumentti vesihydraulisen tunkin suunnittelusta, käsittäen kehitysprosessin eri vaiheet, haasteet ja tulokset. Tämän tutkimus- ja kehitystyön tuloksena syntyi tunkin ensimmäinen prototyyppi, joka valmistettiin ensisijaisesti ITER-referenssillä kasetin lukitusmekanismin testaamiseen koeympäristössä, DTP2:lla. Projekti aloitettiin selvittämällä tunkin suunnitteluun liittyvät raja-arvot ja muut erityispiirteet, kuten materiaalivaatimukset. Tutkimuksen alla olivat etenkin geometrisen muodon rajoitteet ja tunkin toiminnallisuuden vaatimukset. Koko ITER-kasetin asennus- ja poistoprosessit mallinnettiin virtuaalimaailmassa sisältäen muun muassa huoltorobottien työkierrot liikeratoineen. Simulointien hyöty oli näkyvissä eritoten suunnittelun raja-arvojen tutkimuksessa ja havainnollistamisessa sekä tunkin prototyypin designin todentamisessa ennen varsinaista valmistusta. Tunkin designin ja myöhemmin valmiin prototyypin valmistuttua sen testaus suoritettiin DTP2-hallissa Tampereen VTT:n tiloissa. Testaus suoritettiin täysimittaisilla komponenteilla, joilla tunkin prototyypin toimivuus ja sille asetetut vaatimukset voitiin lopullisesti todentaa. Testien aikana tunkki toimi moitteetta ja saavutti sille asetetut tavoitteet.