Quand les humains ne peuvent pas entrer : la mission de rétablissement de Fukushima Daiichi

Le 11 mars 2011, un tremblement de terre de magnitude 9,0 et le tsunami qu'il a provoqué ont frappé la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi, déclenchant une cascade de défaillances qui ont entraîné la fonte de trois réacteurs. La catastrophe a permis de libérer des quantités massives de matières radioactives, des eaux souterraines contaminées et laissé derrière eux un épave complexe de débris de combustible fondu et de bâtiments de réacteurs lourdement endommagés. Le nettoyage naine toute tentative de déclassement nucléaire antérieure en échelle et en difficulté. Les niveaux de rayonnement à l'intérieur des navires de confinement primaires demeurent si élevés que l'entrée humaine est impossible pour toute durée significative.

Chaque phase majeure du plan de déclassement – l'installation et la caractérisation du combustible fondu, la cartographie des points chauds de rayonnement, l'échantillonnage de l'eau et des sédiments, la coupe par les structures et la récupération des débris – exige que les robots soient conçus pour des conditions qu'aucune machine industrielle commerciale n'a été conçue pour résister.Le travail de Fukushima a poussé les limites de la robotique, du durcissement des radiations, de la navigation autonome et de la manipulation à distance.Les machines déployées ne sont pas des outils de secours; elles sont des réponses techniques sur mesure à l'un des environnements industriels les plus difficiles jamais créés.

Pourquoi Fukushima détruit les robots ordinaires

Les doses de rayonnement dans les principaux récipients de confinement des unités 1, 2 et 3 peuvent dépasser 500 Sieverts par heure. À ces niveaux, les composants semi-conducteurs non protégés se détériorent en quelques jours, l'isolation du câblage devient fragile et les fissures, et les systèmes optiques s'assombrissent et perdent l'efficacité de la transmission. Le champ de rayonnement n'est pas uniforme non plus; les particules chaudes et les trajectoires gamma de brillance créent des zones localisées où les doses s'épient de façon imprévisible, ce qui rend difficile de prédire où un robot atteindra son seuil de défaillance.

Les ports d'entrée sont étroits, souvent de 20 à 30 centimètres de diamètre. Les escaliers et les couloirs sont bloqués par des débris tombés, des métaux tordus et du béton effondré. La majeure partie de l'intérieur est inondée d'eau radioactive et trouble, contenant des sédiments en suspension qui réduisent la visibilité aux centimètres. Les zones submergées sont conductrices et corrosives, accélérant la dégradation des joints, des connecteurs et des parties mobiles. Le combustible fondu lui-même, connu sous le nom de corium, est un mélange solidifié de dioxyde d'uranium, de revêtement en zirconium, de béton et d'acier qui a coulé et resolidé en formes imprévisibles. Personne n'a jamais tenté de récupérer ce matériel d'un réacteur commercial.

Enseignements tirés des missions initiales

En 2011, un robot iRobot PackBot modifié et le robot Quince, développé par l'Institut de technologie Chiba, ont réussi à surveiller le sol des bâtiments du réacteur et à mesurer les radiations. Ces missions ont fourni les premiers aperçus des dommages intérieurs et ont démontré que l'entrée de la robotique était possible, mais elles ont également révélé des réalités difficiles. Les robots sont immobilisés par des débris, enchevêtrés dans des câbles ou encombrés par de l'eau stagnante.

En 2015, un robot en forme de bateau télécommandé envoyé dans l'unité 1 s'est arrêté dans un passage serré et n'a pu être éliminé. En 2017, un rampeur de type scorpion déployé dans l'unité 2 a été bloqué par un amas de combustible fondu. Sa caméra a échoué après seulement deux heures d'exposition aux radiations. Chaque défaillance a toutefois généré des données qui ont façonné des conceptions ultérieures. Les ingénieurs ont appris exactement où le blindage était insuffisant, quelles fréquences de communication pouvaient pénétrer le béton épais, et comment la géométrie de la piste, la garde au sol et la répartition du poids devaient changer. Ces leçons durement acquises ont directement informé la prochaine génération de machines.

La composition de la flotte robotique

La flotte robotique actuelle de Fukushima est diversifiée, avec des spécialistes pour différents environnements et tâches. La compréhension des catégories aide à clarifier la façon dont ces machines fonctionnent ensemble. TEPCO tient un inventaire centralisé de plus de 50 plateformes robotiques, chacune affectée à des profils de mission spécifiques.

Drones aériennes

Les drones cartographient les points chauds de contamination sur les planchers et les murs, inspectent les conduits de ventilation et les conduites aériennes et permettent de connaître la situation des robots au sol qui se déplacent en dessous. Certains modèles sont équipés de rotors à bout de mousse pour éviter les dommages lors de collisions avec des murs. Les drones sont programmés pour retourner de façon autonome dans une zone d'atterrissage blindée si leur seuil de rayonnement est dépassé.

Crawlers au sol

Les véhicules à chenilles et à pattes transportent des systèmes d'imagerie, des bras manipulateurs et des capteurs de radiation. Ils peuvent monter les escaliers, les presser à travers des ouvertures étroites et fonctionner sur des surfaces humides ou inégales. Certains sont conçus pour se redresser après la chute. Ces machines effectuent la majeure partie des tâches d'inspection et de manipulation à portée étroite. Une variante notable est le robot PLORPH, qui peut reconfigurer sa géométrie de voie d'une largeur étroite de 20 centimètres pour passer par une grille à une position plus large de 50 centimètres pour la stabilité pendant la manipulation.

Véhicules sous-marins télépilotés

Les submersibles équipés de sonar, de caméras haute définition et de jauges d'épaisseur explorent les régions de piédestal inondées sous les récipients sous pression du réacteur. Ils recueillent des échantillons d'eau et de sédiments, inspectent les composants métalliques pour la corrosion ou les dommages structurels, et cartographient les champs de débris submergés. Le robot Manbo, développé par Toshiba, utilise un mouvement de nage semblable à un poisson pour naviguer dans les espaces étroits de la salle du torus, où les propulseurs conventionnels remuent les sédiments radioactifs et réduisent la visibilité.

Caméras d'inspection et boréscopes

Les sondes longues et flexibles sont insérées dans les récipients de confinement par des canalisations étroites, qui permettent une inspection visuelle interne sans exiger qu'un robot pénètre complètement dans les zones à forte dose. Elles sont souvent le premier outil utilisé pour évaluer les conditions avant qu'un robot plus grand ne soit engagé. Les sondes utilisées à Fukushima peuvent s'étendre jusqu'à 15 mètres et présenter des embouts articulés avec une vue à 360 degrés.

Manipulateur et robots de coupe

Des bras robotiques robustes montés sur des rampeurs ou des ponts fixes sont en cours de développement pour couper par blindage, soulever des débris et récupérer du matériel combustible. Les prototypes ont démontré la coupe de plaques d'acier sous l'eau et la récupération de débris de combustible simulés. Ces systèmes représentent le niveau de complexité mécanique le plus élevé de la flotte.

Machines qui ont fait une différence

Plusieurs robots conçus pour être utilisés sont devenus des jalons dans l'effort de déclassement.Le robot sous-marin Manbo, développé par Toshiba, ressemble à un poisson et a été conçu pour nager dans la salle de tores inondée de l'unité 3. En 2017, il a capté des images claires de la zone du piédestal et confirmé l'étendue des dommages structurels sous le réacteur, fournissant le premier examen direct des conditions qui avaient été précédemment déduites à partir de données de télédétection seule.Cette mission a ouvert la voie à tous les travaux sous-marins ultérieurs.

Le rampeur Sakura, développé conjointement par TEPCO et IRID, est entré dans l'unité 2 en 2017 et a transmis les premières photos détaillées du plancher de piédestal. Les images ont révélé ce qui semblait être des débris de combustible fondu, confirmant que le corium avait échappé au récipient de pression et s'était installé sur la base en béton. Sakura était fortement protégé et portait des systèmes de caméra redondants, lui permettant de fonctionner assez longtemps pour capturer des données critiques avant que la radiation ne dégrade son électronique.

Le robot en forme de serpent Rosemary, conçu par Hitachi-GE Nuclear Energy, a une portée de 15 mètres avec des joints étanches. Il pouvait se moudre à travers des ports d'inspection étroits et livrer une caméra à moins de centimètres de résidus de combustible soupçonnés. Sa mission à l'unité 1 a démontré que de longues sondes articulées pouvaient accéder à des zones trop dangereuses ou restreintes pour qu'un rampant conventionnel puisse entrer.

Plus récemment, TEPCO a déployé un ROV submersible équipé d'un bras robotique et d'un sonar 3D pour cartographier le piédestal sous-marin de l'unité 1. La machine a produit des modèles détaillés en trois dimensions de l'intérieur, permettant aux ingénieurs de planifier avec précision les équipements de récupération des débris de combustible qui auraient été impossibles à l'aide de mesures indirectes.

Progrès technologiques provoqués par Fukushima

Les nouveaux matériaux isolants, les revêtements de silicone sur mesure et les semi-conducteurs à irradiation ont permis aux caméras et aux microcontrôleurs de fonctionner de façon fiable après avoir absorbé des doses dans les centaines de gris. Toshiba a développé une caméra à irradiation qui a survécu à plus de 1000 Gy sans dégradation importante, un repère qui aurait semblé irréaliste une décennie plus tôt. Ces caméras utilisent des capteurs complémentaires métal-oxyde-semiconducteurs (CMOS) avec des couches de bore appauvries pour réduire les perturbations à un événement neutronique.

Les robots perdent souvent la communication avec leurs opérateurs parce que le blindage du réacteur et la distance atténuent les signaux sans fil. Les algorithmes de localisation et de cartographie simultanées (SLAM) embarqués, fusionnés avec des unités de mesure inertielles et LiDAR, permettent à un robot de construire une carte 3D détaillée de son environnement au fur et à mesure qu'il se déplace, se rappelle de son chemin et recule de façon autonome si le signal tombe.

Avant qu'un robot entre dans un réacteur, les ingénieurs créent un environnement de simulation détaillé à l'aide de toutes les données disponibles de balayage préalable. Ils répètent les manœuvres, prédisent où le rayonnement gamma sera le plus intense et positionnent les relais de communication pour une couverture optimale. Cela réduit le temps qu'un robot doit passer dans des zones à forte dose et minimise le risque de défaillances coûteuses. La combinaison de la simulation, de la navigation autonome et du matériel de tolérance aux radiations a rendu possible des missions qui auraient été impensables immédiatement après l'accident. Les jumeaux numériques sont mis à jour après chaque mission avec de nouvelles données, créant un modèle en constante évolution qui améliore la précision de planification au fil du temps.

Le contrôle de la robotique et les défis de la téléopération

Les robots opérationnels de Fukushima comportent des contraintes d'interaction humaines et robots uniques. La distance entre la salle de commande et les bâtiments du réacteur peut dépasser 500 mètres, introduisant des retards de propagation de signaux pouvant atteindre 50 millisecondes pour les systèmes à fixation et plus de 200 millisecondes pour les liaisons sans fil à travers de multiples barrières en béton. Ces retards rendent difficile la téléopération directe des manipulateurs parce que l'opérateur ne voit la réponse du robot qu'après le retard.

Un autre défi consiste à maintenir la conscience de la situation lorsque les caméras sont masquées par des gouttelettes de vapeur, de poussière ou d'eau. Les robots Fukushima transportent souvent plusieurs caméras avec différentes sensibilités spectrales, y compris des images infrarouges et thermiques. Le logiciel de fusion multi-vues les met en contact avec une seule interface de réalité augmentée pour l'opérateur. Les gants de rétroaction haptiques, encore en phase prototype, permettent aux opérateurs de ressentir des forces de contact lors de la prise de débris, ce qui est essentiel pour manipuler des fragments de corium fragiles ou fragiles sans les briser.

Collaboration internationale en robotique nucléaire

Le déclassement de Fukushima n'est pas seulement un effort japonais. L'IRID a été créé en 2013 avec la participation de grands exploitants et fabricants nucléaires japonais, mais ses travaux sont complétés par des partenariats avec le Département américain de l'énergie, l'autorité de désaffectation nucléaire du Royaume-Uni et des laboratoires de recherche européens. Le Département américain de l'énergie a fourni des caméras résistant aux rayonnements et une expertise en matière de télétraitement développée à l'origine pour les sites de nettoyage de Hanford et de Sellafield.

Les technologies affinées à Fukushima, telles que les manipulateurs à longue portée et les systèmes de téléopération qui compensent la latence des signaux, sont actuellement évaluées pour utilisation sur des sites nucléaires au Royaume-Uni et aux États-Unis. L'Agence japonaise de l'énergie atomique exploite le Centre de naraha pour le développement des technologies de contrôle à distance, une installation de simulation à grande échelle où les équipes internationales testent des robots sur des débris simulés avant leur déploiement à Daiichi. Ces programmes transfrontaliers accélèrent l'apprentissage, réduisent les travaux redondants et créent une base de connaissances partagée qui renforce la communauté mondiale de la sûreté nucléaire.

La voie vers le carburant de débris

Le TEPCO prévoit commencer à extraire une petite quantité de débris de combustible de l'unité 2 à la fin de 2024 ou 2025. L'opération utilisera un bras robotique spécialement construit, développé sous la direction du RIID. Il s'agit d'un manipulateur télescopique de 22 mètres de long qui s'étend à travers l'écoutille du matériel de confinement pour ramasser des fragments de galets tout en surveillant l'opération par des caméras à rayonnement. Le bras est construit à partir de tubes composites renforcés de fibre de carbone pour minimiser le poids tout en maintenant la rigidité; chaque section est scellée contre l'infiltration d'eau.

Les ingénieurs mesureront la dureté, la texture, la composition radioactive et le risque de criticité.Ces paramètres éclaireront la conception de systèmes d'élimination à grande échelle qui fonctionneront au cours de la décennie suivante. L'échelle passera progressivement de grammes à kilogrammes puis à tonnes, selon un processus qui se poursuivra probablement jusqu'aux années 2030. Des robots capables de couper sous l'eau et de manipuler à distance à l'échelle industrielle seront nécessaires. Les ingénieurs évaluent les coupeurs laser, les jets d'eau abrasifs et les cisailles mécaniques pour segmenter le corium, chaque méthode étant testée pour la production secondaire de déchets et la faisabilité dans un environnement submergé radioactif.

TEPCO a déjà effectué des essais à sec dans une installation de simulation à l'aide d'un corium simulé en acier inoxydable et en céramique. Ces essais révèlent que même de petits fragments peuvent créer des bords tranchants qui endommagent les pinces manipulatrices. Par conséquent, le bras de récupération portera des effecteurs finals interchangeables, y compris une pelle, un râteau et une buse à vide, pour manipuler une variété de formes de débris.

Surveillance de la sécurité et réduction des risques

Les drones autonomes patrouillent le périmètre, produisant des cartes de rayonnement en temps réel qui déclenchent des alertes si des particules chaudes inattendues apparaissent. Pompes à distance et robots de traitement de l'eau gèrent l'afflux continu d'eau souterraine, traitent plus de 100 000 tonnes d'eau contaminée chaque année. Le système de traitement avancé des liquides repose sur des mécanismes robotiques pour manipuler les filtres et l'échantillonnage, réduisant ainsi le besoin d'entrée humaine dans des zones à risque d'exposition élevé.

Les données provenant de milliers de points d'enquête recueillis par des robots et des drones depuis plus d'une décennie ont été introduites dans des modèles d'apprentissage automatique qui prédisent l'évolution des champs de rayonnement à mesure que les sources primaires sont éliminées.Cette capacité prédictive permet aux planificateurs de déclassement de planifier les tâches pour les périodes où les débits de dose sont les plus faibles et de concevoir un blindage qui réduit de façon optimale l'exposition des travailleurs lors d'opérations manuelles qui ne peuvent pas être entièrement automatisées.

Impact économique et industriel

Les investissements dans la robotique pour Fukushima ont permis de créer une industrie robotique de déclassement nucléaire en pleine expansion au Japon et dans le monde entier. Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba et Hitachi ont tous créé des divisions robotiques spécialisées qui s'appuient sur les connaissances acquises à Daiichi. Les technologies développées ont des applications directes dans d'autres industries, y compris le démantèlement des installations chimiques, l'inspection sous-marine du pétrole et du gaz et la robotique d'intervention en cas de catastrophe.

Les coûts globaux du démantèlement de Fukushima sont estimés à environ 8 trillions de yens. La robotique est considérée comme un outil de confinement des coûts critique parce que chaque heure de travail humain sauvé par un robot réduit l'exposition à la dose et évite les dépenses de planification, de formation et d'équipement de protection nécessaires pour les entrées habitées. Le coût de développement initial élevé des machines conçues à des fins déterminées est justifié par les économies à long terme qu'elles génèrent.

Installations d'essai et de simulation

Un moteur essentiel pour le développement robotique a été la création d'installations d'essais à grande échelle. Le Centre de Naraha pour le développement de technologies de télécommande, ouvert en 2017, présente une maquette du bâtiment du réacteur avec des parois mobiles qui reproduisent la disposition réelle des débris. Les robots subissent des essais d'endurance sous exposition gamma continue d'une source cobalt-60. L'installation comprend également un réservoir d'eau de 15 mètres de profondeur pour tester les submersibles et les manipulateurs sous-marins.

Un autre établissement, le Centre de développement des technologies à distance de Yokohama, abrite un laboratoire à grande baie où les ingénieurs peuvent tester des outils de coupe sur des échantillons radioactifs réels extraits du site. Ces échantillons sont petits, généralement inférieurs à 10 grammes, mais ils permettent de mesurer directement les propriétés matérielles nécessaires à la conception des outils.

La prochaine génération de robots désaffectés

La feuille de route de déclassement prévoit des robots avec plus d'autonomie et de dextérité. Les chercheurs expérimentent des gants de téléopération à retour d'épistique qui permettent à un opérateur de sentir la conformité des débris saisis, réduisant ainsi le risque de chute ou de broyage de matériaux fragiles.Les robots quadripèdes conçus à l'origine pour la recherche et le sauvetage, tels que les versions modifiées de la plate-forme Spot, sont testés pour naviguer des escaliers et des obstacles à l'intérieur des bâtiments du réacteur tout en transportant des détecteurs de radiation et des caméras.

Les algorithmes de reconnaissance d'objets formés sur des millions d'images de béton et d'acier endommagés peuvent automatiquement signaler des zones préoccupantes, telles que des fissures ou une corrosion inattendue, pour l'examen humain. Les systèmes de planification des tâches autonomes vont finalement coordonner plusieurs robots simultanément : un drone offrant une vue aérienne tandis qu'un rampeur coupe un câble et un moniteur submersible la zone de chute sous-marine, tous chorégraphiés à partir d'une salle de contrôle à des kilomètres. Les systèmes d'IA sont formés sur des données de missions antérieures pour prédire les défaillances des robots avant qu'elles ne se produisent, comme la détection d'un courant moteur accru qui signale un blocage potentiel.

La normalisation des interfaces robotiques est devenue une priorité. TEPCO et IRID préconisent désormais des conceptions modulaires où les armes, les capteurs et les bases de mobilité peuvent être rapidement échangés pour convenir à une nouvelle mission, réduisant ainsi le temps qu'un robot endommagé passe hors site pour la réparation. Cette philosophie reflète les tendances de la robotique spatiale et deviendra probablement la norme pour les programmes de déclassement nucléaire dans le monde entier.

Un modèle pour les futures interventions en cas d'accident nucléaire

Les robots qui ont réussi et échoué, génèrent un corpus de connaissances qui éclairera la réponse à tout futur accident. Des organisations internationales, dont l'AIEA, ont intégré les leçons de Fukushima dans des lignes directrices pour la technologie de déclassement à distance. Les systèmes robotiques mis au point sont catalogués pour un déploiement rapide potentiel ailleurs, créant une ressource mondiale qui n'existait pas avant 2011.

Ce qui a commencé par une tentative désespérée de faire des recherches à l'intérieur d'un réacteur détruit a évolué en une campagne d'ingénierie multidécennie et disciplinée. La robotique a permis de passer de l'ignorance totale de l'état intérieur à des cartes tridimensionnelles détaillées, de la spéculation sur l'emplacement du combustible à l'imagerie confirmée, et de l'imagerie à la récupération de matériel.

Le rôle de la robotique dans le déclassement de Fukushima continuera de s'étendre jusqu'à ce que le dernier morceau de débris combustibles soit retiré et que la structure finale soit démontée. Le calendrier du projet est long, mais chaque mission robotique apporte une compréhension plus claire et des conditions plus sûres.Les innovations nées ici vont se répandre dans les installations nucléaires du monde, rendant le déclassement plus sûr, plus rapide et plus prévisible.La collaboration entre les nations, les progrès du matériel et des logiciels, et la détermination à voir le nettoyage à travers sont une déclaration collective : lorsque les humains ne peuvent pas entrer, nous envoyons des machines, et ces machines portent notre intention de restaurer la sécurité et les connaissances des environnements les plus hostiles.