Virtuaalisuunnittelua voidaan käyttää huoltotöissä radioaktiivisilla alueilla. Virtuaalisuunnittelussa tavoitellaan suunnittelun nopeutta, tarkkuutta ja kokonaisvaltaisuutta sekä laatua. Virtuaalisuunnittelulla voidaan yhdistää monen eri osa-alueen osaajia samanaikaisesti samalle ”suunnittelupöydälle”.

Tämä tehostaa suunnittelua ja varmistaa suunnitelun laatua, kun samalla mallilla voidaan kehittää kohteen, esimerkiksi metsäkoneen, eri ominaisuuksia ja järjestelmiä. Tällainen yhteistyö edellyttää kuitenkin ohjelmistojen yhteensopivuutta eli integraatiota, jota on edelleen kehitettävä. Virtuaalisuunnittelu on osa järjestelmätason lähestymistapaa Systems Engineeringiä (SE), jossa vaatimustenhallinta on varsin keskeistä. Virtuaalisuunnittelu liittyy myös tuotteen elinkaaren hallintaan. Monet nykyaikaiset autovalmistajat ovat soveltaneet virtuaalisuunnittelua jo pitkään uusien automallien suunnittelussa. Nykyään virtuaalisuunnittelua hyödynnetään monipuolisesti myös Suomessa.

VTT ja Tampere mukana ITER -projektissa

VTT ja Tampereen teknillinen yliopisto ovat olleet mukana jo pitkään yhdessä maailman Big Science -projektissa, ITER:ssä. Siinä suunnitellaan tulevaisuuden ydinreaktoria, joka on turvallisempi ja energiaystävällisempi kuin tämän päivän ydinreaktorit.  Sen käyttämä polttoaine ei ole radioaktiivinen ja sitä on riittävästi merivedessä, eikä sen tuottama ydinjäte ole vaarallisen aktiivinen pitkään, vaan vain noin 50 vuotta.

ITER on kansainvälinen seitsemän osapuolen monivuotinen kehitysprojekti, jonka tavoitteena on kehittää tuotantoteholuokan koelaitos Etelä-Ranskaan, Cadaracheen. Laitos valmistunee noin vuonna 2025 ja kykenee tuottamaan lämpöä, mutta ei sähköä vielä kulutukseen.
Varsinaiset kaupalliset tuotantolaitokset valmistunevat vasta 2040 jälkeen ja voivat korvata silloin nykyisiä ydinvoimalaitoksia.
Suomessa on keskitytty testaamaan ja kehittämään laitoksen huoltojen yhteydessä tapahtuvia niin sanottujen divertorien vaihtoprosesseja. Divertorit ovat reaktorin keskellä sijaitsevan rengasmaisen, ”munkkirinkilän muotoisen”, kammiorakenteen pohjalla olevia rakenteita, joita on tulevassa reaktorissa 54 kappaletta.

Nämä divertorit joudutaan vaihtamaan huoltojen yhteydessä etäoperoidusti, koska ihminen ei voi mennä niin radioaktiiviseen tilaan. Etäoperointi tarvitsee jonkinlaisen näköyhteyden kohteeseen.
Reaktorissa ei voi käyttää videokameroita ja siksi keinotekoisen näköyhteyden luomisessa sovelletaan virtuaalimalleja. Virtuaalimalli seuraa todellisen kohteen liikkeitä, asentoa ja asemaa tarkasti ja antaa siten operaattorille näkymän divertorin tilanteesta siirtojen aikana.

Virtuaalisuunnittelulla uusiin ratkaisuihin

Koska reaktori on monimutkainen, on sen suunnittelussakin sovellettu virtuaalimalleja ja virtuaalisuunnittelua. Monimutkaiset komponentit voidaan sijoittaa kokoonpanossa niille suunnitelluille paikoille, jolloin voidaan testata niiden toiminnallisuutta etukäteen ennen kuin reaktoria tai komponettia on edes rakennettu. Näin voidaan varmistaa, ettei kallis laite sisällä suunnitteluvirheitä. VTT on yhdessä Tampereen teknillisen yliopiston kanssa suunnitellut ja testannut divertorien vaihtoon tarvittavia laitteita ja prosesseja. 

Yliopiston osaamista on käytetty muun muassa vesihydrauliikkajärjestelmien suunnittelussa, jossa myös virtuaalisuunnittelu on ollut keskeisessä roolissa. Työkaluja käyttävä vesihydraulinen manipulaattori on yliopiston erikoisosaamista.
VTT on yhdessä Tampereen teknillisen yliopiston kanssa suunnitellut ja testannut testialustaa, DTP2, joka on sijoitettu VTT:n toimitiloihin Tampereella. Valvomossa operaattori käyttää vipuohjaimia ja näyttöruutuja ohjatakseen siirtolaitteita manuaalisesti divertorien vaihto-operaation aikana.

Kaikki vaihtoon liittyvät prosessit on testattava ja kehitettävä edelleen etukäteen, jotta varmistutaan niiden toimivuudesta todellisissa tilanteissa. Virtuaalimallien avulla varmistetaan, että laitteiden osat menevät tarkoitetulla tavalla kohdalleen, eikä vaurioita tai virheliikkeitä tapahdu.

Myös vikatilanteiden poistaminen on suunniteltava etukäteen. Tässä virtuaalisuunnittelu auttaa kehittämään menettelytapoja.
Suomessa professori Jouni Mattila TUT:ssa ja johtava tutkija Mikko Siuko VTT:llä ja heidän tiiminsä ovat kehittäneet ITER-reaktorin divertorien etäoperointijärjestelmää virtuaalisuunnittelua soveltaen jo yli 10 vuotta.  Sekä kohde että suunnittelujärjestelmä ovat kehittyneet matkan varrella huimasti. Nyt suunnitelmia on testattu todellisilla kappaleilla ja konseptit alkavat olla valmiita teollisuudessa toteutettaviksi.
Tätä kokemusta ja osaamista voidaan ja kannattaa hyödyntää myös teollisuuden muissa kohteissa. Virtuaalisuunnittelu kehittyy ja sen käyttökohteet laajenevat koko ajan.

Artikkelin kijoittaja Timo Määttä toimii tutkimusprofessorina VTT:llä ja Tampereen teknillisessä yliopistossa.