Yksi näistä yrityksistä on ruotsalainen Novatron Fusion Group, joka etsii parhaillaan Pohjoismaista sopivaa sijoituspaikkaa tulevalle reaktorilleen. VTT:n laatiman selvityksen mukaan Suomen uudistuva lainsäädäntö antaa hyvät edellytykset sille, että maamme voisi valikoitua tulevan pilottilaitoksen sijaintipaikaksi. Tällainen investointi olisi merkittävä koko Suomen teollisuudelle, mutta myös muualla maailmassa nopeasti etenevä fuusioteknologian kehitys avaa uudenlaisia mahdollisuuksia sekä yrityksille että tutkimusyhteisöille. Fuusioteknologia vaatii laaja-alaista ja monitieteistä ja -teknistä osaamista - yhtenä tärkeänä osa-alueena ovat robotiikkaan, automaatioon, sensoriteknologiaan ja ohjausjärjestelmiin perustuvat etäoperointijärjestelmät.

Etäoperoinnin tarve fuusioreaktoreissa

Fuusioteknologioita on perinteisesti kehitetty kansainvälisissä tutkimusohjelmissa, mutta yksityisen sektorin kasvanut kiinnostus on nostanut toimijoiden määrää valtavasti ja pilottilaitoksia on rakenteilla useita. Fuusioenergian mahdollisuudet eivät myöskään rajoitu pelkästään sähköntuotantoon. Nopeampia hyötyjä voidaan saada esimerkiksi isotooppien tuotannosta lääketieteellisiin tarkoituksiin, neutronipohjaisesta kuvantamisesta ja materiaalitestauksesta.

Fuusioreaktoreiden yhteydessä etäoperointi viittaa ensisijaisesti etänä toteutettaviin huoltotoimenpiteisiin, vaikka termi saattaa olla hieman harhaanjohtava. Käytännössä suurin osa tutkimuksesta ja kehitystyöstä keskittyy reaktorin sisällä olevien suurikokoisten komponenttien säännölliseen vaihtamiseen, ei niinkään varsinaiseen huoltoon. Tämä tarkoittaa yksinkertaistetusti, että massiivisia komponentteja siirretään reaktorin sisältä huoltorakennukseen ja niiden tilalle asennetaan uudet vastaavat osat. Komponenttien vaihto on välttämätöntä, sillä reaktorin sisäosat altistuvat jatkuvasti äärimmäisille olosuhteille, kuten korkeille lämpötiloille ja kovalle neutronisäteilylle, jotka kuluttavat materiaaleja ja heikentävät niiden toimintakykyä ajan myötä. Säännölliset vaihdot takaavat laitoksen turvallisen ja luotettavan käytön sekä ehkäisevät odottamattomia vikatilanteita, jotka voisivat johtaa tuotantokatkoksiin. Jotta toiminta pysyy kannattavana, on huoltoseisokkien oltava mahdollisimman lyhyitä, niiden on tapahduttava suunnitellusti ja erittäin luotettavasti.

Äärimmäiset olosuhteet asettavat robotiikkaratkaisuille poikkeuksellisen kovia vaatimuksia. Vaikka teollisuudessa hyödynnetään jo pitkälle kehittynyttä robotiikkaa, fuusiolaitosten käyttöön nämä ratkaisut eivät sovellu sellaisenaan, sillä ympäristön vaativuus ja tiukat kriteerit edellyttävät jatkuvaa ratkaisujen kehittämistä ja perusteellista analysointia. Siksi fyysikoiden ja insinöörien tiivis yhteistyö on välttämätöntä.

Keskeiset osa-alueet etäoperoinnissa

Fuusiolaitoksille ei ole olemassa yhtä ainoaa vakiintunutta ratkaisua, vaan niitä rakennetaan hyödyntäen erilaisia teknologioita ja konsepteja. Tästä syystä laitokset voivat poiketa toisistaan niin rakenteeltaan, geometrialtaan, kooltaan kuin käytetyiltä komponenteiltaankin. Etäoperoinnin kannalta tämä tarkoittaa, että jokaiselle laitokselle on laadittava yksilöllinen etähuoltoprosessi yhteistyössä fyysikoiden kanssa. Prosessin suunnittelussa on otettava huomioon esimerkiksi se, miten reaktorin sisäosiin päästään käsiksi, minkälaista kuljetusreittiä pitkin komponentteja voidaan siirtää, millaisia robotteja ja manipulaattoreita tarvitaan sekä mitä antureita voidaan hyödyntää.

Haastavimmat osa-alueet etähuollossa on reaktorin sisällä olevat suuret komponentit, jotka saattavat painaa kymmeniä tonnia ja olla vaikkapa banaanin muotoisia joustavia kappaleita. Etäoperoinnin kannalta helpoin ratkaisu olisi isommat portit ja runsaasti tilaa ympärillä. Tämä ei kuitenkaan ole mahdollista tinkimättä muista ominaisuuksista. Pienemmät portit mahdollistavat paremman plasman hallinnan ja rakenteellisen eheyden sekä optimaalisemman magneettien sijoittelun. Myös porttien suuaukot ovat täynnä erilaisia komponentteja ja johteita, jotka täytyy ensin siirtää pois tieltä varmistaen samalla sen, ettei säteily leviä aukkojen kautta ulkopuolelle. Kaikki tämä tehdään yksilöllisten robottien ja kuljetinten avulla.

Reaktorin sisäosien komponentit vaativat aktiivista jäähdytystä, minkä vuoksi niiden läpi kulkee runsaasti erilaisia putkia. Ennen kuin osia voidaan irrottaa, täytyy putkilinjat katkaista tähän tarkoitukseen suunnitelluilla erikoistyökaluilla. Vastaavasti uusien komponenttien asennuksen yhteydessä putket on kiinnitettävä uudelleen paikoilleen. Tilanahtauden vuoksi nämä liitostyöt on usein tehtävä putkien sisäpuolelta. Samaan aikaan kehitetään useita rinnakkaisia teknologioita ja työvälineitä, sillä putkien onnistunut katkaiseminen ja liittäminen on edellytys komponenttien vaihdolle. Tutkittavia menetelmiä ovat muun muassa TIG-hitsaus, laserhitsaus, juottaminen, mekaaniset liitokset sekä näiden yhdistelmät. Robotiikan avulla työkalut voidaan toimittaa tarkasti oikeaan paikkaan ja putket siirtää hallitusti. Lisäksi reaktorin on täytettävä oikein toimiakseen puhdastilan kriteerit – varsinainen reaktio tapahtuu käytännössä tyhjiössä.

Ohjausjärjestelmien suunnittelu ja kehittäminen lukeutuu etäoperoinnin vaativimpiin osa-alueisiin. Etäohjauksessa yhdistyvät usein täysin automaattiset ja ihmisen hallitsemat järjestelmät. Parhaimman lopputuloksen saavuttamiseksi on löydettävä optimaalinen yhdistelmä sopivia laitteita, kuten toimilaitteita ja antureita, sekä niihin liittyvää ohjaustekniikkaa. Kun käsitellään useiden tonnien painoisia kappaleita pienissä tiloissa, on välttämätöntä ymmärtää tarkasti kappaleiden käyttäytyminen, kuten mekaaniset joustot. Ohjausjärjestelmän tehtävänä on ehkäistä hallitsemattomia liikkeitä ja mahdollistaa komponenttien siirtäminen täsmällisesti ennalta suunniteltuja reittejä pitkin. Dynaamista mallinnusta ja erilaisia simulointimenetelmiä hyödynnetään laajasti, jotta löydetään parhaat mahdolliset ratkaisut kunkin laitoksen yksilöllisiin tarpeisiin.

Suomen vahva asema ja tulevaisuuden näkymät

Suomella on yli kahden vuosikymmenen kokemus etäoperointiteknologioiden kehittämisestä fuusiolaitoksille. Aktiivisia toimijoita ovat olleet erityisesti VTT, Lappeenrannan teknillinen yliopisto sekä Tampereen yliopisto. VTT:llä Tampereella sijaitseva ITER-reaktorin diverttorialueen huollon täysimittainen testiympäristö on ollut näkyvin osa suomalaista tutkimus- ja kehitystyötä. Viime vuosina panostus on laajentunut erityisesti DEMO-reaktorin etähuoltojärjestelmien suunnitteluun ja toteutukseen.

DEMO-reaktorin kehitystyö on osa laajaa eurooppalaista fuusio-ohjelmaa, EUROfusionia. VTT:n asiantuntemusta hyödynnetään muun muassa reaktorin arkkitehtuurin mallintamisessa huollon tarpeet huomioiden, robottijärjestelmien kartoituksessa ja suunnittelussa, reittien ja kulkuväylien optimoinnissa ahtaissa tiloissa, anturiteknologian kehittämisessä vaativiin reaktoriolosuhteisiin sekä suurten komponenttien, kuten blankettien, käsittelyyn tarvittavien ohjausjärjestelmien suunnittelussa. Sekä itse laitos että etähuoltojärjestelmä on suunniteltava jo aikataulusyistä samanaikaisesti, mutta molempien toiminnalliset ja tekniset ratkaisut on myös määriteltävä integroidusti, jotta toimiva ja huollettavissa oleva reaktorilaitos saadaan aikaan.

Vuodesta 2024 lähtien VTT on johtanut EUROfusionin etähuoltojärjestelmien kehitystyötä. Mukana yhteistyössä on useita yliopistoja ja tutkimuslaitoksia eri puolilta Eurooppaa, mikä vahvistaa Suomen asemaa fuusioteknologian edelläkävijänä ja luo merkittäviä mahdollisuuksia kotimaisille osaajille. Myös EU pyrkii aktiivisesti edistämään yksityisen ja julkisen sektorin yhteistyötä fuusioalalla, jotta alan kehitys olisi mahdollisimman tehokasta ja laaja-alaista.

Tulevaisuudessa fuusiolaitokset voivat perustua erilaisiin teknologioihin, minkä vuoksi myös niiden etähuoltoratkaisut vaihtelevat. On kuitenkin olennaista ottaa huollon tarpeet huomioon jo suunnittelun alkuvaiheessa, jotta rakenteisiin jätetään riittävästi tilaa huoltoaukkoja ja -tunneleita varten. Korkean käytettävyyden varmistamiseksi huoltotoimenpiteiden on oltava nopeita ja luotettavia. Viranomaiset edellyttävät usein säännöllisiä tarkastuksia esimerkiksi rakenteisiin ja saumakohtiin, joten myös näihin tarkoituksiin tulee kehittää soveltuvia teknologioita, kuten robotiikkaa tai mahdollisesti tulevaisuudessa drooneja, jotka kykenevät keräämään tarvittavat tiedot. Suomen vahva osaaminen vaativissa teknologioissa, digitaalisissa ratkaisuissa ja ydinvoimateollisuudessa luo erinomaiset edellytykset tarjota asiantuntemusta myös fuusioalan tulevaisuuden tarpeisiin.