Quando gli esseri umani non possono entrare: la missione di recupero di Fukushima Daiichi

L'11 marzo 2011, un terremoto di magnitudo 9.0 e lo tsunami che ha generato hanno colpito la centrale nucleare di Fukushima Daiichi, che ha innescato una cascata di fallimenti che ha portato a fusori in tre nuclei di reattore. Il disastro ha rilasciato enormi quantità di materiale radioattivo, acque sotterranee contaminate, e ha lasciato dietro un complesso relitto di detriti di combustibile fuso e edifici reattori pesantemente danneggiati.

Ogni fase importante del piano di decommissione (locazione e caratterizzazione del combustibile fuso, mappatura delle macchie di radiazione, campionamento dell'acqua e dei sedimenti, taglio attraverso le strutture e recupero dei detriti), richiede robot appositamente costruiti per condizioni che nessuna macchina industriale commerciale è stata progettata per resistere.

Perché Fukushima Distrugge Robot ordinari

L'ambiente all'interno degli edifici del reattore e dei vasi di contenimento è letale all'elettronica standard. Le dosi di radiazione nei vasi di contenimento primari delle unità 1, 2 e 3 possono superare 500 Sieverts all'ora. A quei livelli, i componenti semiconduttori non protetti non riescono entro giorni, l'isolamento dei cavi diventa fragile e le crepe dei robot, e i sistemi ottici oscurano e perdono l'efficienza della trasmissione.

I condotti di ingresso sono stretti, spesso solo 20-30 centimetri di diametro. Le scale e i corridoi sono bloccati da detriti caduti, metallo contorto e cemento collasso. Gran parte dell’interno è inondato di acqua che è sia radioattivo che fangoso, contenente sedimenti sospesi che riducono la visibilità ai centimetri.

Lezioni dalle missioni iniziali

I primi robot inviati a Fukushima Daiichi sono stati modificati versioni di piattaforme esistenti, e le loro missioni sono state sobrianti. Nel 2011, un iRobot PackBot modificato e il robot Quince, sviluppato dal Chiba Institute of Technology, sono riusciti a controllare i piani di terra degli edifici del reattore e prendere le misure di radiazione. Queste missioni hanno fornito i primi scorci di danni interni e hanno dimostrato che l'ingresso robotico è stato possibile, ma hanno anche rivelato le dure realtà attenuate.

Nel 2015, un robot a forma di barca a distanza inviato in unità 1 bloccato in un passaggio stretto e non poteva essere espulso. Nel 2017, un crawler a forma di scorpione distribuito in unità 2 è stato bloccato da un clump di combustibile fuso. La sua fotocamera ha fallito dopo appena due ore di esposizione ai dati di radiazione.

La composizione della flotta robotizzata

L'attuale flotta robotica di Fukushima è diversificata, con specialisti per ambienti e compiti diversi. La comprensione delle categorie aiuta a chiarire come queste macchine lavorano insieme. TEPCO mantiene un inventario centralizzato di oltre 50 piattaforme robotiche, ciascuna assegnata a specifici profili di missione.

I droni aerei

I piccoli quadcopter e gli esacopter dotati di rivelatori di radiazioni e telecamere effettuano indagini in testa all'interno degli edifici dei reattori. I tassi di dose elevati in queste aree danneggiano rapidamente le apparecchiature di monitoraggio fissi. I droni mappano le macchie calde di contaminazione su pavimenti e pareti, ispezionano i condotti di ventilazione e le tubazioni aeree sopraelevata, e forniscono la consapevolezza della situazione per i robot a terra che si muovono sotto.

Crepes terrestri

I veicoli tracciati e a terra trasportano sistemi di imaging, braccia manipolatrici e sensori di radiazione, possono salire le scale, stringere attraverso aperture strette e operare su superfici bagnate o irregolari. Alcuni sono progettati per autodestrarsi dopo la caduta. Queste macchine svolgono la maggior parte delle operazioni di ispezione e manipolazione a distanza ravvicinata.

Veicoli operati a distanza sott'acqua

I sommergibili dotati di sonar, telecamere ad alta definizione e di spessori esplorano le regioni a piedistallo inondate sotto i recipienti di pressione del reattore. Raccogliono campioni di acqua e sedimenti, ispezionano componenti metallici per la corrosione o danni strutturali, e mappano i campi di detriti sommersi. Il robot Manbo, sviluppato da Toshiba, utilizza un movimento di nuoto simile a pesce per navigare gli spazi stretti della stanza del toro, dove i tradizionali propulsori possono ridurre la visibilità.

Telecamere di ispezione e Borescopes

Le sonde lunghe e flessibili vengono inserite attraverso la tubazione stretta per il peer in recipienti di contenimento, che forniscono un'ispezione visiva interna senza dover inserire completamente un robot in aree ad alto dosaggio. Spesso sono il primo strumento utilizzato per valutare le condizioni prima che un robot più grande si impegni. I borescopi utilizzati a Fukushima possono estendere fino a 15 metri e presentano punte articolanti con una vista a 360 gradi.

Manipolatore e Robot da taglio

I prototipi hanno dimostrato il taglio di piastre in acciaio sott'acqua e la raccolta di detriti di combustibile simulati. Questi sistemi rappresentano il più alto livello di complessità meccanica della flotta. Il braccio telescopico lungo 22 metri per l'unità 2 utilizza un sistema di controbilanciamento per prevenire le oscillazioni indotte da coppia durante la posizione fine.

Macchine che hanno fatto una differenza

Diversi robot appositamente costruiti sono diventati pietre miliari nello sforzo di decommissioneing. Il robot subacqueo Manbo, sviluppato da Toshiba, assomiglia a un pesce ed è stato progettato per nuotare all'interno della camera di toro inondata dell'unità 3. Nel 2017, ha catturato immagini chiare della zona di piedistallo e ha confermato la portata di danni strutturali sotto il reattore, fornendo il primo sguardo diretto alle condizioni che precedentemente erano state deferite da soli sensori remoti.

Il crawler Sakura, sviluppato congiuntamente da TEPCO e IRID, è entrato nell’unità 2 nel 2017 e ha trasmesso le prime fotografie dettagliate del pavimento piedistallo. Le immagini hanno rivelato ciò che sembrava essere distrutte dai detriti di carburante, confermando che il corium era sfuggito al vaso di pressione e si è stabilizzato sulla base di cemento. Sakura era fortemente schermato e portato sistemi di telecamere ridondanti, permettendo di operare abbastanza a lungo per catturare i dati critici prima di controllare i suoi telai elettronici di radiazione.

Il robot a forma di serpente Rosemary, progettato da Hitachi-GE Nuclear Energy, ha una portata di 15 metri con giunti impermeabili. Può scorrere attraverso porti di ispezione stretti e fornire una fotocamera a entro centimetri di residui di carburante sospetti. La sua missione nell'unità 1 ha dimostrato che le sonde lunghe e articolate potrebbero accedere a aree troppo pericolose o costrette a un crawler di punta convenzionale, mantenendo i segmenti di binari indipendentemente motore.

Più recentemente, TEPCO ha implementato un ROV sommergibile dotato di un braccio robotico e di un sonar 3D per mappare il piedistallo subacqueo dell'unità 1. La macchina ha generato modelli tridimensionali dettagliati dell'interno, permettendo agli ingegneri di pianificare apparecchiature di recupero detriti di combustibile con precisione che sarebbe stato impossibile utilizzando misurazioni indirette da sole.

Avanzamenti tecnologici scintillati da Fukushima

Il progetto di decommissioneing ha spinto l'innovazione che si estende oltre il confine vegetale. Elettronica temprata da radiazione, una volta che una zona di nicchia che serve applicazioni militari e spaziali, hanno visto un rapido progresso. Nuovi materiali isolanti, rivestimenti in silicone personalizzati, e semiconduttori a raggi-tolerant ora consentono telecamere e microcontrollori di operare in modo affidabile dopo l'assorbimento di dosi nelle centinaia di grigi.

I robot perdono spesso la comunicazione con i loro operatori perché schermatura e distanza attenuano i segnali wireless. Onboard simultanea localizzazione e mappatura (SLAM) algoritmi, fusi con unità di misura inerziali e LiDAR, permettono a un robot gamma di costruire una mappa dettagliata 3D del suo ambiente come si muove, ricorda il suo percorso, e ritirarsi autonomamente se il cambiamento del segnale torna.

Prima che un robot entri in un reattore, gli ingegneri creano un ambiente di simulazione dettagliato utilizzando ogni pezzo disponibile di dati di scansione precedenti. Essi provano manovre, prevedono dove la radiazione gamma sarà più intensa, e posizionano i relè di comunicazione per una copertura ottimale. Questo riduce il tempo che un robot deve spendere in zone ad alto dosaggio e minimizza il rischio di guasti costosi. La combinazione di simulazione, navigazione autonoma e radiazione-tollerante

Robotics Control and Teleaction Challenges

I robot operativi di Fukushima comportano vincoli di interazione con il robot umano-robot unici. La distanza tra la sala di controllo e gli edifici del reattore può superare i 500 metri, introducendo ritardi di propagazione del segnale fino a 50 millisecondi per sistemi basati su tether e oltre 200 millisecondi per i collegamenti wireless attraverso molteplici barriere di cemento.

Un'altra sfida è mantenere la consapevolezza della situazione quando le telecamere sono oscurate da vapore, polvere o gocce d'acqua. I robot Fukushima spesso portano più telecamere con diversi guanti spettrali, tra cui immagini quasi infrarosse e termiche. Il software multi-view fusion cuci questi feed in un'unica interfaccia di funzionalità aumentata per l'operatore.

Collaborazione internazionale nella robotica nucleare

La decommissione di Fukushima non è solo uno sforzo giapponese. IRID è stata fondata nel 2013 con la partecipazione di importanti operatori nucleari giapponesi e produttori, ma il suo lavoro è completato da partenariati con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, l’Autorità per la Decommissione Nucleare del Regno Unito e i laboratori europei di ricerca.

Le tecnologie raffinate a Fukushima, come i manipolatori a lungo raggio e i sistemi di teleoperazione che compensano la latenza dei segnali, sono ora valutate per l'uso nei siti nucleari nel Regno Unito e negli Stati Uniti. L'Agenzia per l'Energia Atomica del Giappone opera il Naraha Center for Remote Control Technology Development, un impianto di mockup a scala intera dove i team internazionali testano i robot sui programmi simulati prima di distribuzione a Daiichi accelerano.

Il percorso per il recupero di detriti da carburante

L'obiettivo finale dello sforzo di decommissionezione è quello di recuperare il combustibile fuso. TEPCO prevede di iniziare il recupero di prova di una piccola quantità di detriti di combustibile da unità 2 entro la fine del 2024 o 2025. L'operazione utilizzerà un braccio robotico appositamente costruito sviluppato sotto la guida IRID. Si tratta di un manipolatore telescopico lungo 22 metri che si estende attraverso il tubo di contenimento hatch per scavare i tubi di funzionamento dei pezzi di ferro-brato.

I primi quantitativi di recupero saranno piccoli, forse solo pochi grammi, ma i dati raccolti saranno inestimabili. Gli ingegneri misurano la durezza, la struttura, la composizione radioattiva e il rischio di criticità. Questi parametri informeranno la progettazione di sistemi di rimozione su larga scala che opereranno nel decennio successivo. La scala aumenterà gradualmente da grammi a chilogrammi e poi a tonnellate, in un processo che probabilmente continuerà a lavorare nel segmento di scarto secondario.

TEPCO ha già condotto delle corse a secco in un impianto di mockup utilizzando un corium simulato realizzato in una miscela di acciaio inossidabile e ceramica. Questi test rivelano che anche piccoli frammenti possono creare bordi taglienti che danneggiano le impugnature del manipolatore.

Monitoraggio della sicurezza e riduzione dei rischi

I robot supportano anche i continui compiti di monitoraggio e riduzione dei rischi che mantengono stabile il sito. I droni autonome pattugliano il perimetro, generando mappe di radiazione in tempo reale che innescano avvisi se compaiono particelle calde inaspettate. Le pompe azionate a distanza e i robot di trattamento dell'acqua gestiscono l'afflusso continuo di acqua sotterranea, elaborando più di 100.000 tonnellate di acqua contaminata ogni anno.

I dati provenienti da migliaia di punti di indagine raccolti da robot e droni in oltre un decennio sono stati alimentati in modelli di machine learning che prevedono come i campi di radiazione si evolveranno come fonti primarie vengono rimosse. Questa capacità predittiva consente ai pianificatori di smantellare le attività per i periodi in cui i tassi di dose sono più bassi e di progettare la schermatura che riduce in modo ottimale l'esposizione dei lavoratori durante le operazioni manuali che non possono essere completamente automatizzate.

Impatto economico e industriale

Gli investimenti in robotica per Fukushima hanno generato una crescente industria della robotica dismessa nucleare in Giappone e a livello internazionale. Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba e Hitachi hanno stabilito divisioni di robotica dedicate che si basano sulle conoscenze acquisite a Daiichi. Le tecnologie sviluppate hanno applicazioni dirette in altre industrie, tra cui la dismantling di impianti chimici, l'ispezione di petrolio e gas subacquei e la robotica di risposta ai di emergenza.

I costi complessivi per la decommissione di Fukushima sono stimati a circa 8 trilioni di yen. La robotica è considerata uno strumento critico di contenimento dei costi perché ogni ora del lavoro umano salvato da un robot riduce l'esposizione alla dose ed evita le spese di pianificazione, formazione e attrezzature protettive necessarie per le voci mantenute. L'alto costo iniziale di sviluppo delle macchine appositamente costruite è giustificato dal risparmio a lungo termine che generano.

Test e impianti di simulazione

Il Naraha Center for Remote Control Technology Development, inaugurato nel 2017, presenta un mockup dell'edificio del reattore con pareti mobili che replicano il layout dei detriti reali. I robot subiscono test di resistenza sotto esposizione gamma continua da una sorgente cobalto-60. La struttura comprende anche un serbatoio di acqua a 15 metri per il controllo dei sottomersibles e dell'adja subacqueo.

Un'altra struttura, il Centro di Sviluppo della Tecnologia Remote di Yokohama, ospita un laboratorio di alta gamma dove gli ingegneri possono testare gli strumenti di taglio su campioni radioattivi reali estratti dal sito. Questi campioni sono piccoli, tipicamente meno di 10 grammi, ma permettono la misurazione diretta delle proprietà materiali necessarie per la progettazione degli utensili.

La prossima generazione di robot di dismissione

I ricercatori stanno sperimentando con guanti di teleoperazione aptic-feedback che permettono a un operatore di sentire la conformità dei detriti che vengono afferrati, riducendo il rischio di cadere o schiacciare materiale fragile. I robot Quadbriedal originariamente progettati per la ricerca e il salvataggio, come le versioni modificate della piattaforma Spot, sono in fase di test per la navigazione di scale e ostacoli all'interno dei reattori, mentre le telecamere a binario più grandi.

Gli algoritmi di riconoscimento degli oggetti formati su milioni di immagini di cemento e acciaio danneggiati possono automaticamente contrassegnare aree di preoccupazione, come le crepe o la corrosione inaspettata, per la revisione umana. I sistemi di pianificazione delle attività autonome coordiniranno contemporaneamente più robot: un drone che fornisce una vista in testa mentre un crawler taglia un cavo e un submersible monitora la zona di caduta sottomarina, tutti i segnali di controllo coreografati dal motore.

TEPCO e IRID ora sostengono progetti modulari in cui braccia, sensori e basi di mobilità possono essere scambiati rapidamente per soddisfare una nuova missione, riducendo il tempo che un robot danneggiato spende fuori sede per la riparazione. Questa filosofia rispecchia le tendenze della robotica spaziale e probabilmente diventerà standard per i programmi di decommissione nucleare in tutto il mondo.

Un modello per una risposta futura agli incidenti nucleari

Il lavoro di Fukushima è stato studiato da ogni nazione con un programma di energia nucleare. I robot che sono riusciti e non hanno fallito stanno generando un corpo di conoscenza che informerà la risposta a qualsiasi incidente futuro. Le organizzazioni internazionali, tra cui l’IAEA, hanno incorporato le lezioni di Fukushima in linee guida per la tecnologia di decommissione remota. I sistemi robotizzati sviluppati sono catalogati per il potenziale rapido implementazione altrove, creando una risorsa globale che non esisteva prima del 2011.

Ciò che è iniziato come un tentativo disperato di peer all'interno di un reattore distrutto è maturato in una campagna di ingegneria disciplinata e multi-decennale. La robotica ha permesso di progredire dall'ignoranza completa dello stato interno a mappe tridimensionali dettagliate, dalla speculazione sulla posizione del combustibile alla posizione confermata, e dall'immaginario al recupero materiale. Le macchine non sono una panacea; molti compiti richiederanno ancora il giudizio umano e l'intervento fisico.

Il ruolo della robotica nel decommissioning di Fukushima continuerà ad espandersi fino a quando l'ultimo pezzo di detriti di carburante viene rimosso e la struttura finale smantellata. La linea temporale del progetto è lunga, ma ogni missione robotica porta una comprensione più chiara e condizioni più sicure. Le innovazioni nate qui si incresceranno attraverso le strutture nucleari del mondo, rendendo più sicuro lo smantellamento, più veloce e più prevedibile.