Analysis of availability, functional integration and remote maintenance for the design of critical components and systems in nuclear fusion technology

Resumen

Junto a las conocidas ventajas de la Fusión Nuclear frente a otras tecnologías energéticas: seguridad inherente por principio físico, gestión del impacto ambiental y disponibilidad a largo plazo de combustibles primarios (deuterio, litio), la competitividad de la energía generada por fusión determinará su capacidad de penetración en el mercado. Para lograrla será necesario revisar rigurosamente las opciones de diseño existentes, de modo que se justifique sólidamente la elección de una solución de diseño para los primeros reactores demostradores (DEMO). DEMO constituirá la etapa intermedia entre ITER y las centrales de producción de energía eléctrica por fusión (FPP) y deberá demostrar, probablemente a través de más de una generación de dispositivos, el funcionamiento integrado de las tecnologías necesarias para la producción de potencia neta, a nivel pre-comercial. El proceso consistirá en el análisis sistemático del coste desglosado del ciclo de vida para determinar el compromiso óptimo entre coste y robustez de diseño. Los factores que incidirán directamente sobre el tamaño y el coste de inversión de las centrales de fusión están claramente identificados: configuraciones de plasma que permitan regímenes estacionarios o con tiempos globales de operación extendidos, bobinas magnéticas superconductoras de alta temperatura, sistemas para reducir la carga térmica en el divertor, sistemas de calentamiento y generación de corriente de alta eficiencia, materiales avanzados que permitan alargar la vida operativa de los componentes de los reactores y recurrir a ciclos de conversión de potencia de alta eficiencia y el empleo de métodos de fabricación simples para los componentes de mayor tamaño. Junto a esas medidas, que permitirán reducir los costes anuales de adquisición de equipos, operación y mantenimiento, combustible, etc., el otro factor clave que afectará directamente al coste de la energía generada será la disponibilidad del reactor (availability, ¿A¿). Ésta depende intrínsecamente de tres cualidades de la planta que vienen determinados por el diseño y las opciones tecnológicas: el tiempo de operación, el tiempo de paradas planificadas y el tiempo de paradas no planificadas. A su vez, estos tiempos están relacionados con tres conceptos de esencial importancia, vinculados de manera transversal a la integración del diseño: la fiabilidad (reliability, ¿R¿), la mantenibilidad (maintainability, ¿M¿) y la inspeccionabilidad (inspectability, ¿I¿). La primera afecta al tiempo de paradas no planificadas, mientras que la segunda y la tercera repercuten tanto sobre el tiempo de paradas planificadas como sobre el tiempo de paradas no planificadas. Estos cuatro conceptos: disponibilidad, fiabilidad, mantenibilidad e inspeccionabilidad se reúnen en una disciplina denominada RAMI (Reliability, Availability, Maintenability, Inspectability), que se identifica con una metodología para afrontar un problema de ingeniería de sistemas, por lo cual no puede considerarse de forma aislada. También podemos calificarlo como una herramienta de gestión establecida al más alto nivel. Es más, aunque es diferente a un sistema de gestión de calidad, puede decirse que idealmente es su herramienta complementaria. El proceso de desarrollo y diseño de un reactor DEMO habrá de integrar estrechamente un programa formal de RAMI, con sus procesos, herramientas y métodos asociados. Debe partirse de una visión global de la disponibilidad desde el principio y constituirse un proceso iterativo a lo largo de la toda las fases del desarrollo y operación del reactor: diseño pre-conceptual y conceptual, diseño de ingeniería y desarrollo de planta, ensamblaje, puesta en marcha, operación y soporte. El RAMI ha de levantarse sobre el conocimiento disponible a partir de programas de fusión previos (JET, Tore Supra, ITER, IFMIF, etc.) y sobre la experiencia de otros campos de la tecnología. Debe responder a los desafíos ligados a la transición entre las instalaciones experimentales y las plantas de producción de energía eléctrica, a través del escalado tecnológico y de la introducción de equipos primeros en su especie. Esta condición es crítica para la fiabilidad inicial de un componente o sistema, ya que depende en gran medida de lo novedoso que sea su diseño. Es decir, cuanto más novedoso, mayor es la incertidumbre inicial y la probabilidad de que aparezcan modos de fallo inesperados, lo cual conduce a una fiabilidad inicial menor. La forma de mejorar la fiabilidad es adquirir experiencia y conocimiento sobre el comportamiento del sistema, lo cual puede conseguirse a través de programas de evaluación y ciclos de operación, gracias a la corrección de las deficiencias en el diseño, los procesos de fabricación y las interacciones con el entorno operativo, que se manifiestan en forma de anomalías y fallos. Así, cada generación de un diseño hace disminuir el número de fallos debidos a un conocimiento limitado del sistema. Según madura el diseño, los fallos `basados en el conocimiento¿ prácticamente se eliminan y ceden su lugar a los fallos `basados en el proceso¿, es decir, fallos aleatorios debidos a variaciones inherentes a la fabricación, el mantenimiento, los procesos de operación y las características del entorno. La fiabilidad de un diseño maduro depende considerablemente de la complejidad del diseño, de modo que un diseño simple favorece que se reduzcan los fallos basados en el proceso, mientras que un diseño complejo origina incertidumbres en la fabricación, el montaje y la operación de los componentes, en sus interacciones a nivel de sistema y en la interacción del sistema con el entorno. Por ello, dada la complejidad de los diseños de equipos para DEMO, muchos de los cuales serán primeros en su especie, las reglas de diseño, entre las que se incluyen códigos de diseño, como ASME o RCC-MR, bases de datos de propiedades de materiales y códigos de prácticas, junto con la estandarización de elementos de diseño, constituyen una herramienta imprescindible para garantizar que no aparezcan fallos por deterioro hasta un tiempo suficientemente largo tras el fin de la vida operativa concebida. No obstante, y aunque, como se ha dicho, la primera fuente de datos de fiabilidad y disponibilidad (especialmente para tecnología de fusión) sea la experiencia operativa, la extrapolación desde ITER y el resto de dispositivos experimentales hasta DEMO/FPP resulta difícil, por varias razones: ¿ Hay diferencias significativas en los esquemas de operación y mantenimiento con respecto a DEMO/FPP. Las instalaciones experimentales operan en series de campañas experimentales de varias semanas, separadas por periodos de parada en los que se analizan los resultados, se modifican los sistemas (ej. diagnósticos), se llevan a cabo tareas de mantenimiento, reparaciones y mejoras, etc., mientras que DEMO y FPP estarán orientados a un esquema de operación más industrial. ¿ Los datos y resultados de disponibilidad vienen expresados como disponibilidad inherente sobre el tiempo de operación experimental. ¿ En general, las condiciones de operación (niveles de fluencia neutrónica, daño en materiales, flujos térmicos, etc.) no son DEMO relevant. Una cuestión importante es qué objetivo de disponibilidad debería esperarse para un DEMO o una FPP. En principio, la indisponibilidad programada puede considerarse similar a la de las centrales de fisión (habría paradas más largas para reemplazar los componentes del interior de la cámara de vacío pero el tiempo de operación entre paradas planificadas sería mayor). Debido a la complejidad de diseño, puede suponerse que la tasa de paradas de un reactor de fusión sea mayor, dado que el número de penetraciones en la cámara de vacío y su segmentación toroidal conlleva el sellado de un gran número de medios y espacios bajo condiciones mucho más exigentes que en los reactores de fisión, en cuanto a vacío, radiación, confinamiento de tritio, manipulación remota y criogenia. Por lo tanto, se requiere que la calidad de los componentes sea superior a la de los componentes de los reactores de fisión. Sin embargo, como resulta difícil que la calidad de los elementos básicos de diseño (tuberías, uniones, etc.) sea mejor en un dispositivo de fusión que en un reactor de fisión, es la configuración de tales elementos (ej. diseño del componente) la que debe lograr que, en caso de fallo, las consecuencias sean lo menos severas posibles. En los análisis RAMI de los primeros estudios conceptuales europeos para reactores de potencia (PPCS) se definió un objetivo de disponibilidad (referido al suministro de electricidad a la red) del 75%, teniendo en cuenta tanto paradas planificadas como no planificadas, debidas a fallos en los componentes del interior de la cámara de vacío (in-vessel) y a eventos no planeados surgidos durante el mantenimiento. También se asumía que todas las operaciones de mantenimiento ex-vessel se llevarán a cabo en paralelo con las operaciones planificadas in-vessel. En la hoja de ruta trazada por los órganos de la Comisión Europea para el desarrollo de la energía de fusión, semejante a las consideradas por otros socios internacionales, se contemplan dos opciones de diseño para DEMO: DEMO 1 y DEMO 2. DEMO 1 está basado en una línea de diseño conservadora. Es un concepto que puede desarrollarse a corto-medio plazo, basado en la experiencia de ITER y con mejoras razonables en diversos aspectos científicos y tecnológicos. DEMO 1 es el concepto elegido para la primera generación de reactores demostradores, mientras que DEMO 2, que asume mayores desafíos, requiere desarrollos más evolucionados (ej. escenario de plasma avanzado con alta densidad de potencia y materiales capaces de aguantar una elevada carga térmica y fluencia neutrónica). Es decir, DEMO 1 podría actuar como `instalación de evaluación de componentes¿, mientras se genera una base de datos de ingeniería que permitan diseñar y fabricar un blanket y un divertor más avanzados. Los análisis RAMI sugieren que, si se opera directamente en los escenarios pulsados asumidos para la primera fase de DEMO, la disponibilidad máxima del reactor estaría limitada al 83% (en el caso de pulsos de 4 horas) o al 75% (en el caso de pulsos de 2 horas). Por supuesto, sin tener en cuenta los periodos de parada necesarios para el mantenimiento. Si además consideramos que la primera fase de operación estará caracterizada por una estrategia de puesta en marcha y por el dominio del mantenimiento no planificado, como consecuencia de fallos aleatorios y la consiguiente investigación y rectificación de dichos fallos, un objetivo razonable para la disponibilidad sería el 30%. Realmente, este objetivo está expresado como disponibilidad inherente, sin tener en cuenta los correspondientes retrasos por mantenimiento in-vessel (y su contribución a la indisponibilidad). Para las siguientes fases de DEMO o FPP, en el que se contemplan vidas operativas de 3,9-5,5 años (a plena potencia) para los componentes in-vessel, el objetivo de disponibilidad debería ser superior al 80%. En cualquier caso, las distintas evaluaciones llevadas a cabo desde los primeros programas de PPCS coinciden en que tal objetivo podría conseguirse a través de la optimización del esquema de mantenimiento, dado que se estima que las mayores fuentes de indisponibilidad estarán provocadas, además de por el fallo de componentes, por el tiempo de reemplazo de los grandes componentes in-vessel (segmentos del blanket y cassettes del divertor), así como por tareas de mantenimiento de corta duración y procesos de inspección. Los conceptos de mantenimiento deben validarse tanto mediante modelización avanzada y simulación como mediante la explotación de instalaciones de demostración a escala real o reducida. En los últimos años se han producido grandes avances en modelización y simulación de estructuras y organizaciones complejas, y el desarrollo continúa de forma imparable. Por ejemplo, hoy en día es habitual utilizar software de CAD para la validación dimensional y la integración de componentes y sistemas complejos. El uso extensivo de herramientas de diseño gráfico y herramientas de modelización y simulación de sistemas dinámicos permitirá acortar significativamente el tiempo de diseño de conceptos de mantenimiento y ayudará a optimizar el equipamiento y los procesos. Sin embargo, la validación final requerirá el uso de equipamiento de hardware e instalaciones de demostración, no disponibles hoy en día, que puedan reproducir las condiciones representativas de un DEMO/FPP. Esto se enmarcaría dentro del diseño y la ejecución de un programa ambicioso de I+D, con ITER, IFMIF y components test facilities como pilares fundamentales, que permita alcanzar un grado elevado de confianza en la operación, la vida operativa y la fiabilidad de los componentes y sistemas nucleares para los futuros reactores de fusión. La posibilidad de licenciar este tipo de instalaciones dependerá en buena medida de nuestra capacidad para predecir y garantizar su funcionamiento seguro. DEMO jugará un papel clave, tanto como receptor de todo el conocimiento previo como suministrador de datos reproducibles para los reactores de potencia, de acuerdo con la definición de las hojas de ruta. El presente trabajo describe diversos desarrollos producidos en el marco de las actividades de programa del Laboratorio Nacional de Fusión, integrado en el CIEMAT, y encaminados hacia la consecución de los objetivos de disponibilidad para los futuros reactores de demostración y centrales de producción de energía eléctrica por fusión señalados en los párrafos anteriores. El texto incluye desarrollos relacionados con varios de los puntos clave mencionados: diseño de componentes primeros en su especie, estrategias de integración de diseños complejos y demostración física de conceptos de mantenimiento y manipulación remota. En el Capítulo I se definen varios conceptos de RAMI y se discute su papel en la hoja de ruta de fusión planeada por la Comisión Europea. El Capítulo II desarrolla el concepto de una instalación de demostración de la capacidad integral de manipulación remota del Test Blanket System en ITER. Se describen los procesos y el equipamiento y se comparan con los conceptos planteados para DEMO en relación a la disponibilidad operativa de los dispositivos. En el Capítulo III se ofrece una perspectiva de los sistemas de conversión de potencia estudiados para DEMO. Se presenta un estudio de balance de planta para un reactor DEMO de corto plazo basado en un blanket refrigerado por helio y en el uso de ciclos de Brayton de dióxido de carbono supercrítico en el secundario. Además, tras un breve resumen del Programa Consolider TecnoFus, se describe el diseño innovador de un intercambiador de calor PbLi eutéctico/CO2 supercrítico desarrollado en el marco de este Programa. En el Capítulo IV se trata la importancia de la modelización y la simulación en la integración de componentes y sistemas complejos, en particular para los casos del Test Blanket System y el Divertor System en ITER. El Capítulo V introduce diversas estrategias para la conexión y desconexión de tuberías de componentes in-vessel en DEMO, como alternativas a las técnicas actuales. Los diseños propuestos se basan en bridas y sellos vacío, sistemas de desconexión rápida y conectores por brazing. También se analiza el estado del arte de diferentes tecnologías para la inspección remota no destructiva de uniones soldadas. Finalmente, el Capítulo VI recoge las conclusiones generales de la tesis y propuestas para un desarrollo más profundo de los conceptos expuestos. RESUMEN (en Inglés) Together with the well-known advantages of nuclear fusion over other energy technologies: inherent safety by physical principle, environmental impact management and long term availability of primary fuels (deuterium, lithium), the competitiveness of fusion energy will determine its capability to penetrate into market. A rigorous review of existing design options will be necessary to achieve that goal, so that the choice of the design solution for the first demonstrator reactors (DEMO) is solidly justified. DEMO will constitute the intermediate step between ITER and the fusion power plants (FPP) and shall demonstrate, probably through more than one generation of devices, the integrated operation of technologies that are necessary for net power production at pre-commercial level. The process will consist on the systematic analysis of detailed lifecycle cost to determine the optimum compromise between cost and design robustness. The factors directly having an impact over power plants size and investment cost are clearly identified: plasma configurations allowing steady-state regimes or with extended operation global times, high temperature superconducting magnets, high efficiency divertor heat exhaust systems, high efficiency heating and current drive systems, advanced materials which allow increasing reactor components lifetime and using high efficiency power conversion cycles, as well as the use of simple manufacturing methods for the largest components. Together with those measures which will allow reducing annual costs of equipment acquisition, operation and maintenance, fuel, etc., the other key factor which will directly affect the cost of generated power will be the reactor availability (A). This one depends intrinsically on three plant features which are determined by design and technology options: operation time, scheduled downtime and unscheduled downtime. These times are in turn related to three essential concepts linked to design integration in a transversal way: reliability (R), maintainability (M) and inspectability (I). The first one affects unscheduled downtime, whereas the second and the third concepts have an effect on both unscheduled and scheduled downtimes. These four concepts: availability, reliability, maintainability and inspectability gather in a discipline called RAMI, which is identified with a methodology to face an engineering systems problem, for which it must not be considered in insolation. It can be also described as a management tool established at the highest level. Further, although it is different to a quality management system, it can be said that it is ideally its complementary tool. The design and development process of a DEMO reactor shall closely integrate a formal RAMI program, with its associated processes, tools and methods. It is needed to start from a global view of availability since the beginning and to constitute an iterative process along every reactor development and operation stage: pre-conceptual and conceptual design, engineering design and plant development, assembly, commissioning, operation and support. RAMI must be built on the knowledge available from previous fusion programs (JET, Tore Supra, ITER, IFMIF, etc.) and experience achieved in other technology fields. It must give answer to challenges related to transition between experimental facilities and power plants, through technology scale up and first-of-its-kind plant introduction. This condition is critical for the initial availability of a component or system, since it strongly depends on the novelty of its design. That is, the more novel, the larger the initial uncertainty and less likely occurrence of unexpected failure modes, which leads to smaller initial reliability. The way to improve reliability is gaining experience and knowledge about the system performance, which can be achieved through evaluation programs and operation cycles, by correcting deficiencies in design, manufacturing processes and interactions with the operation environment, which are revealed by defects and failures. Thus, each design generation decreases the number of failures due to limited knowledge of the system. As the design matures, `knowledge-based¿ failures are practically eliminated and outweighed by `process-based¿ failures, that is, random failures due to variations inherent to manufacturing, operation processes and environment characteristics. Mature design reliability considerably depends on design complexity, so that a simple design favours reduction of process-based failures, whereas a complex design originates uncertainties in components manufacturing, assembly and operation, in its interactions at system level and in the interaction between system and environment. For this reason, considering the complexity of DEMO equipment designs, many of them first-of-its-kind, design rules, including design codes like ASME or RCC-MR, material properties databases and codes of practices, together with design elements standardization, constitute an indispensable tool to ensure that wear-out failures can be expected to occur only after times sufficiently longer than the envisaged operation times. Nevertheless, although the first reliability and availability data source (specially for fusion technology) is operational experience, as mentioned, extrapolation from ITER and the rest of experimental devices to DEMO/FPP is difficult for several reasons: ¿ There are significant differences in operation and maintenance schemes with respect to DEMO/FPP. Experimental facilities operate in series of experimental campaigns of few weeks spaced by shutdown periods for results analysis, systems modifications (e.g. diagnostics), maintenance, repair and upgrades, etc., while DEMO/FPP will be oriented to a more industrial operation scheme. ¿ Availability data and results are given as inherent availability over the experimental operation time. ¿ In general, the environmental conditions (levels of neutron fluence, damage in materials, thermal fluxes, etc.) are not DEMO relevant. An important point is what availability goal should be expected for DEMO or FPP. In principle, unscheduled unavailability can be considered similar to the fission power plants one (there would be longer shutdown periods to replace in-vessel components but after longer operation periods). Due to the design complexity, the outage rate of a fusion reactor might be expected to be higher, since the number of penetrations into the vacuum vessel and the toroidal segmentation involve sealing more media and spaces under much more stringent conditions with respect to vacuum, radiation, tritium, remote handling and cryogenics in comparison with fission reactors. Therefore the component quality is required to be higher than that of fission reactor components. As the quality of single design elements, for instance pipes or pipe joints, can hardly be better in a fusion machine than in a fission reactor, it is the arrangement of such elements (e.g. the design of the component) which has to be such that their failing has acceptably benign consequences. An availability goal (referred to electricity supply to the grid) of 75% was defined in the RAMI analyses carried out in the framework of the first European Power Plant Conceptual Studies (PPCS), taking into account both scheduled outages and unplanned outages, due to in-vessel components failures and unplanned events during maintenance. It was also assumed that all the ex-vessel maintenance operations are performed in parallel with in-vessel scheduled operations. Two design options for DEMO are considered in the Fusion Roadmap plotted by the European Commission, which is similar to the ones managed by other international partners: DEMO 1 and DEMO 2. DEMO 1 is based on a conservative design line. It is a concept which can be developed in short-medium term, based on the experience gained in ITER and with reasonable upgrades in different scientific and technological aspects. DEMO 1 is the concept chosen for the first generation of demonstration reactors, whereas DEMO 2, which assumes larger challenges, requires further development (e.g. advanced plasma scenario with high power density and materials capable to withstand high thermal loads and neutron fluence). That is, DEMO 1 could serve as `components test facility¿ while an engineering database which allows designing more advanced blanket and divertor is generated. RAMI analyses suggest that, if a reactor is directly operated in the pulsed scenarios assumed for the first DEMO stage, the maximum reactor availability would be limited to 83% (in the case of 4 h pulses) or 75% (in the case of 2 h pulses). This is without taking into account any maintenance shutdown periods that will, of course, be necessary. If we also consider the first operation stage will be characterized by a commissioning strategy and dominated by unscheduled maintenance, as a consequence of random failures and the subsequent investigation and rectification of such failures, a reasonable availability goal would be 30%. This is really for ¿kind of¿ inherent availability, without taking into account the corresponding delays for scheduled in-vessel maintenance (and its contribution to unavailability). For the next DEMO/FPP stages, when lifetimes of 3.9-5.5 fpy for in-vessel components, the availability goal should be higher than 80%. Anyway, the different evaluations carried out from the first PPCS agree about such target could be met through the optimization of the maintenance scheme, since it is estimated that the biggest unavailability sources will be caused, apart from components failures, by replacement of large in-vessel components (blanket segments and divertor cassettes), as well as by short maintenance tasks and inspection processes. Maintenance concepts must be validated by both advanced modelling and simulation and exploitation of real or reduced scale test facilities. Important advances in modelling and simulation of complex structures and organizations have been produced in last years, and development continues non-stop. For example, today is common using CAD for dimensional validation and integration of complex components and systems. Extensive use of graphic design tools and dynamic systems modelling and simulation tools will allow significantly reduce maintenance concepts design time and will help to optimize equipment and processes. Nevertheless, final validation will require using hardware equipment and test facilities, not available today, which are able to reproduce DEMO/FPP representative conditions. This would be part of the design and execution of an ambitious R&D program having ITER, IFMIF and components test facilities as fundamental pillars, which allows reaching high confidence in operation, lifetime and reliability of nuclear components and systems for future fusion reactors. The possibility of licensing this kind of facilities will strongly depend on our ability to predict and guarantee their safe operation. DEMO will play a key role, both as receptor of the whole previous knowledge and as supplier of data reproducible for power plants, as defined in roadmaps. The present work describes different developments carried out in the framework of the Fusion National Laboratory activities (integrated into CIEMAT), which are focused on the achievement of previously mentioned availability goals for future demonstration reactors and fusion power plants. The text includes developments related to several of the referred key points: design of first-of-its-kind plants, complex design integration strategies and physical demonstration of maintenance and remote handling concepts. In Chapter I several RAMI concepts are defined and their role on the fusion roadmap plotted by the European Commission is discussed. Chapter II explains the concept of a test facility to demonstrate the integral remote handling capability of the ITER Test Blanket System. The processes and the equipment are described and compared to those concepts planned for DEMO regarding devices operational availability. A perspective of power conversion systems which are being studied for DEMO is offered in Chapter III. An assessment of the balance of plant of a near term DEMO reactor based on a helium-cooled blanket using supercritical carbon dioxide Brayton cycles for the secondary side is presented. Furthermore, after a short summary of the Consolider TecnoFus Programme, the innovative design of lead-lithium/supercritical CO2 heat exchanger which has been developed in the framework of this program is described. The importance of modelling and simulation in the integration of complex components and system is treated in Chapter IV, in particular for the cases of the ITER Test Blanket System and the Divertor System. Chapter V introduces different strategies to connect and disconnect DEMO in-vessel components pipes, as alternative to current techniques. The proposed designs are based on flanges, quick disconnection systems and brazing connectors. Additionally, the state-of-the-art of different technologies for non-destructive inspection of welded joints is analysed. Finally, Chapter VI collects the general conclusions of the thesis and some proposals for the further development of the exposed concepts.