Le rôle indispensable des drones à Fukushima Daiichi

Lorsque le Grand tremblement de terre et le tsunami du Japon oriental ont frappé le 11 mars 2011, la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi est entrée dans une phase catastrophique qui redéfinirait la sûreté nucléaire et le déclassement.Plus d'une décennie plus tard, la Tokyo Electric Power Company (TEPCO) et ses partenaires internationaux continuent de gérer un effort de nettoyage sans précédent. Un goulot d'étranglement persistant a été la nécessité d'inspecter et de surveiller les zones si radioactives que l'entrée humaine est impossible pendant plus de quelques minutes, si bien que du tout.

Les débits de dose de rayonnement près des carottes peuvent dépasser des centaines de tamis par heure, niveaux qui pourraient rendre une personne incapable en quelques secondes. Les structures elles-mêmes sont instables, avec des planchers effondrés, des débris de sang, et des couloirs étroits et sombres. Les robots au sol, tout en étant utiles, luttent avec les escaliers, les décombres et les passages étroits. Les drones offrent une liberté de mouvement tridimensionnelle : ils peuvent survoler les obstacles, planer dans des espaces confinés et sortir rapidement des zones à forte dose. Ce passage du sol à l'inspection aérienne a fondamentalement changé le calcul du risque.

Défis opérationnels uniques sur un site de catastrophe nucléaire

Les drones doivent compter sur des capteurs optiques, lidar ou ultrasoniques pour assurer la stabilité. Les interférences magnétiques des grandes structures métalliques peuvent perturber les boussoles, forçant les opérateurs à utiliser des références de cap uniquement gyroscopiques. L'humidité élevée, la poussière et les particules radioactives aéroportées contaminent les cellules et l'électronique, exigeant des procédures de décontamination rigoureuses ou un élimination après un nombre limité de vols. L'équipe de TEPCO a documenté que certains drones précoces ne pouvaient opérer que pour une seule mission avant d'être traités comme des déchets radioactifs de faible activité.

La communication représente un autre obstacle grave. Le blindage en béton et en métal atténue les signaux radio, coupant souvent la télémétrie après qu'un drone se déplace au-delà d'une ligne de vision directe. Les ingénieurs ont surmonté cette situation en déployant plusieurs stations relais, en utilisant des systèmes d'attache qui fournissent de la puissance et des données via un câble, ou en mettant en œuvre des réseaux de mailles avancées qui permettent aux drones de passer le contrôle d'un nœud à l'autre.

Les drones doivent intégrer des systèmes d'évitement des obstacles qui fonctionnent en faible luminosité avec une puissance de calcul limitée. TEPCO et ses partenaires de recherche ont développé des cages de protection personnalisées autour des cellules, permettant aux drones de rebondir sans s'écraser. Cette robustesse s'est avérée essentielle pour des opérations cohérentes dans les zones les plus chaotiques, comme les étages supérieurs de l'unité 2, où les débris sont particulièrement denses.

Types de plates-formes de drone déployées

Quadcopters avec caméras visuelles haute résolution

Les petits quadcopters électriques, dont beaucoup proviennent de plates-formes d'inspection industrielles, ont été parmi les premiers à pénétrer dans les bâtiments du réacteur. Ils transportent des caméras stabilisées 4K ou 8K avec des réseaux d'éclairage LED puissants pour éclairer les intérieurs sombres. Ces drones capturent des images détaillées de rayures de béton, de barres d'armature exposées, de grilles tombées et de l'état d'équipement critique comme les mécanismes de commande de la tige.

Drones d'imagerie thermique pour détection de fuites

Les drones thermiques analysent rapidement les galeries de canalisations et les points de pénétration des récipients de confinement pour vérifier que l'eau de refroidissement circule comme prévu. Ils localisent également des points chauds dans les piles de débris, ce qui peut indiquer des touffes de carburant qui nécessitent une attention particulière pendant l'enlèvement. En combinant les données thermiques et l'imagerie visuelle, les exploitants peuvent affecter plus efficacement des ressources robotiques limitées. Les progrès récents comprennent des capteurs thermiques non refroidis qui assurent une sensibilité adéquate sans la complexité du refroidissement cryogénique, réduisant la charge utile et étendant le temps de vol à près de 30 minutes par mission.

Drones de cartographie des rayonnements avec spectrométrie

Les drones spécialisés équipés de spectromètres à rayons gamma compacts, de compteurs Geiger-Müller ou de détecteurs de tellure de zinc au cadmium (CZT) sont maintenant couramment utilisés pour cartographier les champs de rayonnement en trois dimensions. En volant à basse vitesse le long de points prédéterminés, ces systèmes enregistrent le débit de dose et les données spécifiques aux isotopes, qui sont reconstruits en nuages de points codés en couleurs, recouverts de modèles structurels. Cela révèle non seulement l'intensité des rayonnements mais aussi la composition isotopique – distinguant la contamination de césium-137 par les produits d'activation cobalt-60 en acier.

Drones sous-marins et amphibies pour les zones inondées

Dans les sous-sols de bâtiments à turbine et les zones inondées, les véhicules téléguidés et les petits véhicules sous-marins autonomes (AUV) jouent des rôles semblables, bien qu'ils ne soient pas aériens, ils partagent la même philosophie opérationnelle et les mêmes cadres d'intégration des données. Les récents développements comprennent des systèmes hybrides capables de planer dans l'air et de passer à un état submergé pour inspecter les réservoirs de combustible usé ou les parties submergées du socle du réacteur.

Drones à ailes fixes pour les enquêtes environnementales à grande échelle

Au-delà des bâtiments du réacteur, les drones à voilure fixe, à piles et à pile à hydrogène, couvrent de vastes zones de surveillance de l'environnement, survolent la zone d'exclusion en transportant des caméras multispectrales pour évaluer la santé de la végétation et la contamination du sol, et peuvent rester en altitude pendant plusieurs heures, couvrant des dizaines de kilomètres carrés par mission. Leurs données se nourrissent de modèles qui permettent de suivre comment les efforts de décontamination réduisent les niveaux de rayonnement ambiant et comment les sédiments se déplacent dans les rivières et les zones côtières.

Intégration des données et analyse de l'IA

À Fukushima, les équipes utilisent le logiciel de modélisation de l'information sur les bâtiments (BIM) et les systèmes d'information géographique (SIG) pour créer des jumeaux numériques des installations du réacteur. Chaque vol d'inspection ajoute une nouvelle couche de données – une carte de rayonnement fraîche, la dernière analyse de déformation ou une étude thermique. Les ingénieurs les comparent avec des ensembles de données antérieurs pour détecter des tendances telles que la propagation de fissures, la modification des niveaux d'eau ou la diminution des champs de rayonnement.

Les réseaux neuronaux convolutionnels peuvent être formés pour identifier des défauts spécifiques comme la corrosion sous isolation ou le piquage de surface sur des structures métalliques. Ceci réduit le fardeau de la revue manuelle et standardise l'évaluation de l'état entre différentes équipes. TEPCO a partagé que la détection automatique des changements les a déjà alertés à des changements inattendus dans les blocs structuraux à l'intérieur de l'unité 1, déclenchant une inspection ciblée qui a confirmé la nécessité d'un armature supplémentaire. La prochaine étape est d'intégrer directement l'IA à bord des drones afin que les caractéristiques anomales déclenchent des ajustements en temps réel au plan de vol – par exemple, planer plus longtemps sur un point chaud suspect ou modifier l'angle de la caméra pour plus de détails.

Réduction de l'exposition des travailleurs aux rayonnements

Avant que les inspections de drones ne deviennent routinières, la seule façon de vérifier les conditions dans une zone à forte dose était d'envoyer un humain avec un compteur portable. Maintenant, un drone peut effectuer une reconnaissance radiologique complète en quelques minutes, cartographier le champ de dose de sorte que si un travailleur doit entrer plus tard, le chemin peut être optimisé pour minimiser l'exposition. TEPCO signale que les pré-enquêtes à base de drones ont réduit la dose collective totale pour certaines tâches d'entrée de plus de 60%, un chiffre qui devrait s'améliorer à mesure que les systèmes deviennent plus autonomes et capables de transporter des charges utiles plus lourdes.

Au-delà de l'évitement de la dose, les drones réduisent également les risques non radiologiques de travailler en hauteur, dans des espaces confinés ou au milieu de débris instables. L'accès à la corde industrielle ou l'installation d'échafaudages traditionnels peut être dangereux et prend du temps. Les drones éliminent de nombreuses étapes préparatoires, permettant à une petite équipe de surveiller de vastes zones avec beaucoup moins d'heures de travail à la hauteur.

Autonomie et systèmes de navigation avancés

Les partenaires de recherche de TEPCO, dont l'Agence japonaise de l'énergie atomique (JAEA) et divers laboratoires universitaires, développent des drones qui se naviguent à l'intérieur de bâtiments de réacteurs sombres et privés de GPS sans contrôle humain en temps réel. En utilisant des algorithmes de localisation et de cartographie simultanées (SLAM) alimentés par des caméras lidar et stéréo, ces drones construisent une carte 3D en direct à mesure qu'ils volent, planifient des chemins sans collision et retournent même à une station de recharge sans fil pour des missions étendues.

Plusieurs petits drones peuvent collaborer pour couvrir une grande zone plus rapidement, ou se spécialiser dans différentes tâches — une radiographie, une autre fournissant une inspection visuelle, une troisième agissant comme relais de communication. La résilience du swarm signifie que si une unité échoue, les autres continuent, et les données de l'unité perdue ne sont pas complètement perdues si elle était partagée en temps réel. En 2022, un essaim de cinq drones a effectué avec succès une étude coordonnée d'un plancher de réacteur simulé au Naraha Remote Technology Development Center, démontrant la faisabilité d'inspections multi-agents dans un environnement radioactif.

Pour soutenir l'autonomie, TEPCO a installé des systèmes de positionnement intérieur UWB et des balises Bluetooth Low Energy dans certains domaines, qui fournissent un cadre de référence externe, réduisant la dérive inhérente aux systèmes d'odométrie purement inertielle ou visuelle. La combinaison de la localisation robuste et de la planification de mission pilotée par l'IA permettra éventuellement d'effectuer des inspections du jour au lendemain, lorsque moins de personnel sont sur place, accélérant encore plus le calendrier de déclassement.

Étude de cas: Inspection du socle de l'unité 1

Au début de 2023, une mission remarquable a utilisé un drone sur mesure pour inspecter la zone située directement sous le réservoir de pression du réacteur de l'unité 1, où on croit que le combustible fondu est tombé. Le drone, conçu par l'Institut international de recherche sur la désaffectation nucléaire (IRID), était suffisamment petit pour passer à travers une conduite de pénétration étroite. Il portait une caméra à gaine et un dosimètre compact. Malgré des rayonnements élevés, il a réussi à capturer des images montrant l'état du piédestal et la présence de débris. Les données de ce vol sont maintenant utilisées pour concevoir un système robotisé de bras pour la première phase de récupération des débris de combustible, démontrant comment les inspections ciblées de drones alimentent directement le développement matériel technique.

Considérations en matière de réglementation et de certification

Au Japon, la loi sur l'aéronautique civile et la loi sur la radio régissent les opérations de la SAMU, tandis que l'autorité de réglementation nucléaire (ANR) impose des exigences supplémentaires en matière de sûreté et de sécurité. Chaque système de drone doit subir des essais rigoureux pour prouver qu'il ne deviendra pas un danger pour les débris de matières étrangères ou qu'il provoquera une étincelle dans des atmosphères potentiellement inflammables.

Le cadre réglementaire évolue à mesure que la technologie progresse, mais l'approche globale considère les drones comme faisant partie intégrante de la trousse de déclassement plutôt que comme des gadgets expérimentaux. L'un des problèmes émergents est la certification de logiciels de vol autonomes; la NRA exige actuellement un opérateur humain capable de prendre le contrôle à tout moment, ce qui limite le degré d'autonomie qui peut être déployé. Les groupes industriels préconisent une norme axée sur les performances qui permettrait une autonomie plus élevée lorsque le système démontre une sécurité équivalente au contrôle manuel.

Collaboration internationale et partage des connaissances

Des organismes internationaux tels que l'Association mondiale du nucléaire, l'Agence de l'OCDE pour l'énergie nucléaire et l'AIEA facilitent l'échange de connaissances. Par exemple, les drones utilisés sur le site endommagé de Tchernobyl ont donné des leçons de surveillance structurelle à long terme, tandis que le projet de démantèlement de Sellafield au Royaume-Uni partage les développements des drones lourds et des manipulateurs robotisés.

Cette approche collaborative accélère le développement. Lorsqu'un laboratoire national américain développe une nouvelle caméra à rayonnement durci, il peut être testé au Centre de Naraha, recevoir les commentaires des opérateurs de TEPCO et être intégré dans une mission de drones en quelques mois. Les leçons tirées de Fukushima informent également la conception de futures centrales nucléaires, où les galeries d'inspection accessibles aux drones sont désormais considérées comme une caractéristique intégrée pour soutenir l'entretien tout au long de la vie et le démantèlement éventuel. L'AIEA a publié plusieurs rapports techniques basés sur les données de drone Fukushima, que les États membres utilisent pour améliorer leurs propres capacités d'intervention en cas d'urgence et de déclassement.

Surveillance environnementale au-delà des bâtiments des réacteurs

Les drones jouent également un rôle vital en dehors des structures de confinement primaires. Des levés aériens réguliers sur le site de Fukushima et la zone d'exclusion environnante permettent de suivre la réduction des niveaux de rayonnement ambiant à mesure que progressent les efforts de décontamination. Des caméras multispectrales sur les drones à voilure fixe surveillent la santé de la végétation, l'humidité du sol et l'efficacité des mesures de contrôle de l'érosion qui empêchent les sédiments contaminés d'atteindre l'océan. Ces missions environnementales sont essentielles pour rassurer les communautés locales et soutenir l'objectif éventuel de repeupler les villes évacuées.

La route à l'horizon : surveillance prédictive de l'IA

Au lieu de réagir à une anomalie après qu'elle se produise, le système pourrait prévoir des problèmes de développement, comme une réduction du débit de refroidissement ou une déformation structurelle, avant qu'ils ne deviennent critiques. Les drones seraient alors automatiquement envoyés pour étudier, fonctionner comme un système de diagnostic autodirigé. Cette vision est encore loin d'être terminée, mais des travaux fondamentaux sont en cours à la JAEA et dans le cadre de projets conjoints avec l'IRID. Des simulations numériques jumelées sont déjà utilisées pour former des drones AI dans des copies virtuelles des bâtiments du réacteur, générant des millions de scénarios de vol simulés pour durcir le logiciel d'autonomie contre des événements rares sans risquer de matériel physique.

Les drones actuels à piles ont des temps de vol typiques de 20 à 30 minutes, limitant ainsi la zone qu'ils peuvent couvrir. Les piles à hydrogène, déjà testées par TEPCO sur des plates-formes à voilure fixe, peuvent tripler l'endurance tout en réduisant le poids et le risque de contamination parce que le seul échappement est la vapeur d'eau. La feuille de route à long terme de TEPCO comprend une flotte de drones entièrement autonome qui fonctionne 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, avec des humains qui servent uniquement de superviseurs et de décideurs analytiques. L'élimination finale du combustible fondu de Fukushima Daiichi est un défi technique sans précédent qui devrait prendre des décennies.