Développement de drones télécommandés pour les tâches d'inspection de Fukushima

La bataille invisible : des drones d'ingénierie pour Fukushima

Trois noyaux de réacteurs ont fondu, des explosions d'hydrogène ont été arrachées à travers des superstructures de construction et de grandes quantités de matières radioactives dispersées sur le site. Plus d'une décennie plus tard, l'effort de déclassement est l'un des projets d'ingénierie les plus ambitieux et les plus dangereux jamais conçus. Au cœur de ce projet se trouve un héros peu probable : le drone télécommandé. Ces petits véhicules aériens à forte intensité de radiation sont devenus les yeux et les oreilles des opérateurs qui travaillent à comprendre l'épave, à localiser les débris de combustible fondu et à planifier des opérations de récupération dans des environnements où l'entrée humaine reste impossible.

L'impératif stratégique : pourquoi les drones sont indispensables

Lorsque le tremblement de terre du Grand Japon oriental et le tsunami qui a suivi ont déclenché la séquence catastrophique des événements à Fukushima Daiichi, la Tokyo Electric Power Company (TEPCO) a fait face à un cauchemar de reconnaissance. Les bâtiments du réacteur des unités 1, 2 et 3 ont été remplis d'eau fortement contaminée, de décombres dispersés et de champs de rayonnement atteignant des centaines de sieverts par heure. L'envoi d'inspecteurs humains était, et reste, hors de question.

Accès à l'inaccessible

Les drones aériens offrent une capacité fondamentalement différente. Ils peuvent être transportés par de petits ports d'accès, manœuvrer autour de canalisations complexes et de distorsions structurelles, et fournir des données visuelles et radiométriques immédiates provenant de sites que les robots au sol pourraient prendre des jours pour atteindre, s'ils le pouvaient. La capacité de voler à l'aide de l'arme de l'air, de traverser verticalement et de naviguer dans des espaces étroits rend les drones indispensables à la cartographie de l'intérieur des bâtiments de confinement primaire (PCV) et des planchers de réacteur. C'est critique, car aucune vie humaine n'est en jeu, que les drones peuvent être déployés rapidement en réponse à des conditions changeantes, telles qu'une augmentation soudaine de la pression de confinement ou la détection d'une nouvelle fuite, permettant ainsi une vitesse de réponse que les missions habitées ne pourraient jamais atteindre en toute sécurité.

Quantification de l'invisible

Les caméras infrarouges thermiques identifient les points chauds du corium ou des fuites de vapeur. Les spectromètres à rayons gamma et les détecteurs de telluride de zinc au cadmium cartographient les débits de dose de rayonnement en trois dimensions, créant des cartes radiologiques détaillées. Les détecteurs de neutrons peuvent détecter directement les réactions de fission dans les débris, confirmant la présence de matières fissiles. Lorsque toutes ces données sont fusionnées avec une cartographie dimensionnelle à base de lidar, le résultat est un modèle numérique complet de l'intérieur du réacteur qui devient le fondement de toute planification ultérieure de récupération.

Ingénierie sous les extrêmes : Exigences de conception de base

La conception d'un drone pour fonctionner à l'intérieur des bâtiments du réacteur Fukushimas présente des défis qui nagent tout projet de développement commercial ou industriel de drones. L'environnement combine des rayonnements ionisants extrêmes, des particules radioactives aéroportées, une humidité élevée, un éclairage faible ou variable, et un espace encombré et défectueux.

Renfort des radiations : Survivre à la menace invisible

Les chercheurs des institutions de recherche, dont l'Agence japonaise de l'énergie atomique et des entreprises privées, se sont tournés vers les techniques de conception, qui ont été durcies par les radiations. Les semi-conducteurs à large bande, comme le carbure de silicium et le nitride de galium, conservent des performances jusqu'à plusieurs kilograys, comparativement au silicium standard qui échoue à quelques centaines de gris. Les microcontrôleurs sont fabriqués sur des substrats spécialement conçus avec une redondance triple-modulaire redondante, permettant au système de corriger automatiquement les retournements de bits causés par les chocs de rayonnement. Les circuits critiques sont souvent placés dans un noyau central blindé utilisant du tungstène ou du tantale, tandis que les capteurs et moteurs sont conçus pour être rapidement remplaçables après qu'une mission ait atteint sa limite de dose. Certains programmes de drone utilisent une architecture sacrificielle : le véhicule lui-même devrait échouer après une certaine dose accumulée, mais seulement après avoir transmis ses données essentielles à l'opérateur.

Mobilité dans les espaces confinés et enclenchés

L'intérieur d'un récipient de confinement primaire est un labyrinthe de tuyaux, de grilles, d'isolation thermique et d'éléments structuraux déformés, dont la plupart sont suspendus à des angles imprévisibles après les explosions d'hydrogène. Les drones doivent posséder une stabilité et une maniabilité exceptionnelles, avec des diamètres souvent inférieurs à 40 centimètres pour glisser dans des ports d'accès de type gantbox qui ne sont que légèrement plus grands. Les modèles multirotors dominent la génération actuelle de drones d'inspection, mais des prototypes utilisant des ventilateurs canalisés ou des configurations hybrides d'ailes fixes et de rotors sont explorés pour des temps de repos plus longs et une plus grande stabilité aérodynamique dans des zones confinées.

Charges utiles du capteur : La mission est la raison d'être

La baie de charge utile d'un drone d'inspection Fukushima est sa raison d'être et elle doit transporter un extraordinaire éventail d'instruments dans un paquet de quelques kilogrammes. Les suites de capteurs comprennent des caméras optiques à haute résolution avec une plage dynamique extrême pour capturer les détails dans l'ombre profonde et l'éblouissement lumineux des feux de travail, des caméras infrarouges thermiques pour identifier les points chauds des fuites de corium ou de vapeur, des spectromètres gamma et des détecteurs CZT qui cartographient les débits de dose de rayonnement en 3D, des détecteurs de neutrons pour la détection directe des réactions de fission dans les débris, et des petites unités lidar de type l'élément de carte dimensionnel et de reconstruction 3D. L'intégration de plusieurs types de capteurs sur une plateforme qui pèse seulement quelques kilogrammes exige une miniaturisation agressive et une gestion thermique prudente, car les capteurs eux-mêmes génèrent de la chaleur et doivent être maintenus dans des plages de température en exploitation, entourés d'un environnement déjà chaud.

Communication et contrôle par le béton et l'acier

Les drones sans fil utilisent des réseaux de mailles à bande basse avec répéteurs placés stratégiquement le long de la voie d'accès, un processus qui lui-même exige une planification minutieuse. La latence entre la commande de l'opérateur et la réponse du drone doit rester minimale pour éviter les collisions avec des obstacles inattendus. Cette contrainte a entraîné le développement de systèmes de bord-AI qui permettent d'éviter les obstacles localement, sans le retard de la route vers l'opérateur, permettant au drone de réagir en millisecondes à des obstructions soudaines.

Batterie et Endurance : le défi de la puissance

Les batteries à ion lithium sont particulièrement vulnérables à la dégradation induite par les rayonnements, car les matériaux électrolytiques et séparateurs sont endommagés par des particules ionisantes. De nombreux systèmes utilisent donc des supercondensateurs ou des piles à combustible pour les rafales critiques de puissance, tout en plaçant les batteries primaires dans des compartiments blindés. La Société Nucléaire Américaine a mis en lumière les recherches en cours sur les chimies de batteries à ionisation, y compris les conceptions à l'état solide qui promettent une plus grande résilience. La logistique de la gestion des batteries est elle-même importante : chaque vol nécessite une batterie fraîche et entièrement chargée et les batteries usagées doivent être traitées comme des déchets radioactifs.

Missions qui définissent les progrès : déploiements clés de drones à Fukushima

TEPCO, avec des firmes japonaises de robotique et des partenaires internationaux, a déployé une série de drones de plus en plus capables dans les bâtiments du réacteur. Chaque mission ajoute une pièce au puzzle de l'emplacement des débris de combustible fondus et dans quel état il existe.

Le Scorpion et les premiers efforts pionniers

En 2017, TEPCO a envoyé un petit robot serpent avec une caméra dans le vaisseau de confinement primaire de l'unité 2, mais il a rapidement été immobilisé par des débris, démontrant l'extrême difficulté de l'inspection au sol. Plus tôt cette année, un drone à rayonnement armé, nommé PMORPH, développé par le consortium Hitachi-GE Nuclear Energy, a été embarqué dans l'unité 2 pour saisir les premiers aperçus de la zone directement sous le navire de pression du réacteur. L'imagerie a révélé des bosses noires et des débris de combustible dispersés sur le plancher de grille, fournissant la première confirmation visuelle que le corium s'était échappé du navire du réacteur. Le drone avec des niveaux de rayonnement estimés à 530 sieverts par heure, une dose qui tuerait un humain en quelques secondes. L'imagerie publiée est devenue un point de données critique pour la planification de la récupération des débris.

Rosemary et l'enquête de l'unité 3

En 2023, un drone surnommé Rosemary a été utilisé pour inspecter l'intérieur du bâtiment de confinement primaire de l'unité 3. Équipé d'une caméra à grande définition à inclinaison pan-til, d'un éclairage à LED et d'un dosimètre, le drone de 30 centimètres de diamètre est entré par une pénétration dans la zone de confinement, a volé vers le bas jusqu'à la zone de piédestal, et a capturé des images de ce qui semblait être des fragments de combustible solidifiés. La mission a démontré qu'un petit drone attaché pouvait naviguer sur la géométrie complexe à l'intérieur d'une unité qui avait subi une explosion d'hydrogène, où les débris de plafond constituaient une menace constante pour la stabilité du vol.

Utilisation des données et développement numérique jumeau

Les images, les nuages de point 3D et les cartes thermiques de rayonnement recueillies par les drones alimentent directement les simulations numériques de deux noyaux. Les équipes de l'Institut international de recherche sur la désaffectation nucléaire et de la JAEA fusionnent les données de drone avec les résultats de la tomographie muon pour construire des modèles de haute fidélité des noyaux de réacteur. Ces jumeaux numériques permettent aux opérateurs de tester différentes approches robotiques des bras et stratégies de coupe des débris en réalité virtuelle avant toute tentative de récupération physique.

Innovations technologiques motivées par la nécessité

Fukushima a stimulé les technologies révolutionnaires qui filtrent maintenant d'autres applications dangereuses, de l'exploitation minière profonde et de l'exploration en eau profonde à l'exploration planétaire sur Vénus et Jupiter la lune Europa.

Électronique et matériaux avancés à rayonnement

Dans le silicium standard, une dose de quelques centaines de gris rend les puces inopérantes par une défaillance de dose totale et un loquet. Pour les drones Fukushima, les concepteurs se sont tournés vers l'électronique de puissance au carbure de silicium et au nitride de galle, qui conservent des performances jusqu'à plusieurs kilograys. Les microcontrôleurs sont fabriqués sur des substrats spécialement conçus avec redondance triple-modulaire redondante pour corriger automatiquement les retournements de bits. Les capteurs sont logés dans des boîtiers en alliage de titane remplis de composés absorbants de neutrons. Ces avancées ont été documentées dans des documents de collaboration publiés par La Japan Society of Mechanical Engineers, démontrant une augmentation de 100 fois de la tolérance totale à la dose ionisante pour les capteurs d'imagerie par rapport aux équivalents commerciaux hors-sol.

Les algorithmes de vision informatique fonctionnant sur des GPU ou des FPGA de faible puissance permettent de suivre les fonctionnalités en temps réel et d'éviter les obstacles, même lorsque les principaux éléments de contrôle sont des falters. Les modèles d'apprentissage automatique sont pré-formés sur des environnements de simulation de haute fidélité et sont ensuite affinés avec les données de vol réelles provenant de missions antérieures, améliorant progressivement la capacité du drone à reconnaître les zones dangereuses telles que les grilles lâches, les évents à vapeur ou les zones de mise en commun autonome de l'eau. L'IA embarquée peut détecter les changements dans l'environnement d'une mission à l'autre, en faisant apparaître des zones de glissement de débris ou de nouveaux dangers.

Imagerie avancée et fusion multicapteurs

Les plates-formes modernes fusionnent plusieurs modalités : stéréoscopie thermique, stéréoscopie de lumière visible, lidar et caméras gamma capables de superposer l'intensité de rayonnement sur un nuage point 3D en temps réel. Certains drones peuvent même déployer une petite sonde de spectrométrie gamma sur un treuil, l'abaisser dans un tas de débris suspecté tout en plantant à une distance sûre, obtenant ainsi des données de composition isotopique sans contact direct. Cette capacité permet aux opérateurs de distinguer entre différents types de débris et d'identifier les isotopes spécifiques présents, qui est essentiel pour planifier des stratégies de retraitement et de stockage des déchets.

Swarm et robotique collaborative

Un seul drone a une perspective limitée et ne peut porter qu'une charge utile limitée. Les chercheurs testent des concepts d'essaim où plusieurs petits drones, chacun avec un capteur spécialisé, volent en modèles coordonnés pour construire une carte composite plus rapidement et avec une plus grande résolution spatiale. Dans un scénario d'essaim typique, un drone émet un motif de lumière structuré, un autre capture la déformation avec une caméra à grande vitesse, et un troisième enregistre des lectures gamma ambiantes. L'essaim partage des données sur un lien de communication optique ou ultrasonore à courte portée qui est à l'abri des interférences radiofréquences. Le projet RoKost financé par l'Union européenne a soutenu la recherche sur le fonctionnement résistant d'infrastructures critiques utilisant la technologie d'essaim, et JAEA a mené des expériences d'essaim intérieur à son centre de développement de la technologie à distance de Naraha, démontrant que plusieurs drones peuvent fonctionner dans le même espace confiné sans collision.

Réalités opérationnelles : surmonter les défis quotidiens

Malgré les progrès remarquables de l'ingénierie et de la planification, la mise en service de drones à l'intérieur des bâtiments du réacteur Fukushima n'est jamais une opération de routine.

Radiation extrême et débris inattendus

Même les composants à rayonnement durci ont une durée de vie opérationnelle limitée. Un verrouillage à un seul événement peut détruire en permanence une puce non protégée en microsecondes. Les drones ont été perdus en milieu de mission après avoir rencontré des points chauds de rayonnement dépassant de loin les estimations avant le vol, causant une panne soudaine du système. Des débris, tels que des panneaux de plafond tombés, des câbles de bardage et des débris métalliques, peuvent s'accrocher à des attaches ou à des collisions avec des rotors, déstabilisant le véhicule.

Atténuation des signaux et latence de contrôle

Les fibres optiques encastrées résolvent le problème d'atténuation des signaux, mais elles imposent une contrainte physique qui limite la portée, nécessite un système de bobine déployable à l'intérieur du confinement et crée le risque de snagner. Les drones non-tichés utilisant des liaisons Wi-Fi ou 400 MHz doivent fonctionner dans un réseau de répéteurs soigneusement configuré, chacun d'eux devant être durci par rayonnement. Même avec les répéteurs, une latence de contrôle de 200 millisecondes peut rendre difficile et dangereuse l'approche de contrôle hybride, l'opérateur fournissant des commandes de haut niveau et le contrôleur de vol de bord s'occupe de la stabilité de bas niveau et de l'évitement des collisions à une vitesse de boucle milliseconde, découplant ainsi efficacement les actions de l'opérateur des besoins immédiats de stabilité du drone.

Poussière, aérosols et milieux sous-marins

Une grande partie du plancher du bâtiment de confinement primaire est inondée d'eau de clarté variable, allant de relativement claire à fortement turbide avec des particules radioactives en suspension. Certains drones ont été conçus pour passer de l'air à l'eau, utilisant une propulsion spécialisée pour inspecter les débris submergés en une seule mission. Cependant, la turbidité de l'eau et le limon peuvent aveugler les caméras optiques et les propulseurs obliques, exigeant l'utilisation d'imagerie acoustique ou sonar pour la navigation sous-marine.

Barrières de réglementation et de sécurité

Toute modification de la limite de confinement, comme l'insertion d'un guide d'accès aux drones ou l'étanchéité d'une pénétration après une mission, doit faire l'objet d'un examen rigoureux de sûreté par l'autorité de réglementation nucléaire du Japon. Le risque que le drone lui-même devienne des déchets radioactifs qui pourraient nuire aux opérations futures doit être géré. Les drones qui ne peuvent être récupérés sont conçus pour être laissés en place sans compromettre les opérations de récupération, en utilisant des matériaux qui ne génèrent pas de déchets secondaires hautement radioactifs et qui peuvent être coupés ou écrasés en toute sécurité par les futurs outils robotiques.

La route à suivre : les orientations futures de la technologie de drone pour la désaffectation

Le démantèlement de Fukushima Daiichi devrait durer plusieurs décennies, ce qui pourrait se produire dans les années 2050. Cette longue période de temps entraîne une évolution continue des capacités des drones, avec des programmes de recherche à long terme qui montrent déjà des résultats prometteurs dans les laboratoires du monde entier.

Swarms d'inspection entièrement autonomes

La vision à long terme est de libérer une flotte de micro-drones autonomes dans un réacteur par un seul point d'accès, sans pilote humain nécessaire pour la durée de la mission. Ces drones se structureraient, diviseraient la zone de cartographie entre eux et retourneraient périodiquement à une station de domptage ou à une borne de recharge sans fil. Si une unité échoue, les reconfigures d'essaims couvriraient la zone manquante. Les recherches menées par des institutions comme le laboratoire JSK de l'Université de Tokyo indiquent que ce comportement peut être réalisé avec des algorithmes légers de planification de l'espace de croyance fonctionnant sur des processeurs ultra-faible puissance.

Sources d'énergie à longue durée de vie au-delà du lithium-ion

Pour la cartographie à grande échelle et la surveillance continue, les chercheurs explorent des microturbines fonctionnant sur des cartouches de combustible, des piles à hydrogène avec stockage d'hydrogène à bord, et même un transfert d'énergie sans fil via des micro-ondes. Un consortium dirigé par Panasonic et Kobe University a démontré un système de transmission à 2 kilowatts de l'énergie à micro-ondes capable de faire rayonner l'énergie d'un drone dans une pièce en acier, bien que l'efficacité globale reste faible. Une autre approche utilise un ballon ancré ou un blimp rempli d'hélium pour transporter un câble d'alimentation haute au-dessus des débris, permettant à un petit drone de voler pendant des heures à l'extrémité sans batterie lourde à bord.

Intégration avec les robots, les ROV et les capteurs fixes

Les drones ne sont qu'une partie d'un écosystème robotique plus vaste qui doit fonctionner de façon transparente. Les données recueillies à partir de capteurs de rayonnement IoT fixes, de véhicules submersibles à distance et de robots rampants peuvent être automatiquement intégrées dans un jumeau numérique unifié qui se met à jour en temps réel. Le drone agit comme un nœud de données mobiles, recueillant des relevés à faible bande passante à partir de capteurs sans fil disséminés dans tout le bâtiment et les ramenant à la salle de contrôle lorsqu'il revient de son vol. Cette approche multi-agents sera cruciale pour la surveillance en temps réel nécessaire pendant la phase la plus dangereuse de déclassement : la découpe et la récupération réelles des débris combustibles.

Collaboration internationale et retombées bénéfiques

Le programme de développement de drones de Fukushima a créé une base de connaissances mondiale qui s'étend bien au-delà du Japon. Les leçons apprises sont appliquées aux projets de déclassement nucléaire à Sellafield, au Royaume-Uni, sur le site de Hanford, aux États-Unis, et dans des scénarios de réaction aux catastrophes qui ne sont pas liés à l'énergie nucléaire.

Conclusion : Une fondation pour les décennies à venir

Le développement de drones télécommandés pour les tâches d'inspection de Fukushima est une entreprise d'ingénierie multigénérationnelle qui se situe à l'intersection critique de la science nucléaire, de la robotique, de l'ingénierie des matériaux et de l'intelligence artificielle. Chaque vol réussi donne des données qui façonnent directement la feuille de route de déclassement de plusieurs milliards de dollars, tandis que chaque défaillance pousse l'enveloppe de conception plus loin et approfondit la compréhension de ce qu'il faut pour fonctionner dans l'un des environnements les plus hostiles de la Terre. Les drones ont évolué à partir de prototypes expérimentaux transportant des caméras uniques en plateformes de capteurs sophistiquées capables de naviguer de façon autonome, de cartographier les radiations et de fusionner les données en temps réel.