Il ruolo indispensabile dei droni a Fukushima Daiichi

Quando il Grande Giappone Terremoto e lo tsunami hanno colpito l'11 marzo 2011, la stazione di potere nucleare di Fukushima Daiichi ha iniziato una fase catastrofica che avrebbe ridefinito la sicurezza nucleare e decommissioning. Più di un decennio dopo, la Tokyo Electric Power Company (TEPCO) e i suoi partner internazionali continuano a gestire uno sforzo di pulizia delle bottiglie senza precedenti.

L'ambiente all'interno dei reattori danneggiati è tra i più ostili sulla Terra. I tassi di dose di radiazione vicino ai nuclei possono superare centinaia di sievert all'ora - livelli che incapacizzano una persona in pochi secondi. Le strutture stesse sono instabili, con pavimenti crolliti, detriti abbaglianti e corridoi stretti e scuri. I robot terrestri, mentre utili, lotta con scale, rubble e passaggi stretti.

Sfide operative uniche in un sito di disastri nucleari

Il pilotaggio di un drone a Fukushima è lontano dalla fotografia aerea commerciale. Gli edifici del reattore sono ambienti con GPS; i segnali satellitari non possono penetrare pareti di cemento spesse e rinforzo d'acciaio. I droni devono contare su odori visivi, lidar, o sensori a ultrasuoni per la stabilità.

La comunicazione rappresenta un altro ostacolo grave. Lo schermatura di cemento e metallo attenua i segnali di controllo radio, spesso tagliando la telemetria dopo che un drone si muove oltre una linea diretta di vista. Gli ingegneri hanno superato questo implementando più stazioni di relè, utilizzando sistemi di tethering che forniscono energia e dati tramite un cavo, o implementando reti di rete avanzate che permettono ai droni di passare il controllo da un nodo al successivo.

I raggi Fallen, i cavi abbaglianti e le attrezzature sparse creano una busta di volo ingombrata. I droni devono incorporare sistemi di evitare ostacoli che funzionano a bassa luce con una potenza computazionale limitata. TEPCO e i suoi partner di ricerca hanno sviluppato gabbie protettive personalizzate intorno agli airframe, permettendo ai droni di rimbalzare le superfici senza schiantarsi.

Tipi di piattaforme Drone smontate

Quadcopters con telecamere visive ad alta risoluzione

I piccoli quadricopter elettrici, molti derivati dalle piattaforme di ispezione industriale, sono stati tra i primi sistemi ad entrare negli edifici del reattore. Essi trasportano telecamere stabilizzate 4K o 8K con potenti array di illuminazione a LED per illuminare gli interni scuri. Questi droni catturano immagini dettagliate di spalling di cemento, la barra esposta, la grattugia caduta, e la condizione di attrezzature critiche come meccanismi di controllo a barre di trasmissione.

Drone per l'Immagine termica per la rilevazione di perdite

Le telecamere termiche che operano nello spettro a infrarossi a lunga ondata rilevano anomalie di temperatura che segnalano perdite di sistema di raffreddamento, scariche di vapore o fonti di calore inattese. Mantenere il raffreddamento stabile dei detriti di carburante fuso è una priorità costante a Fukushima. I droni termici rapidamente eseguono la scansione di gallerie di tubazioni e punti di penetrazione dei vasi di contenimento per verificare che l'acqua di raffreddamento scorre come previsto.

Radiazione mappatura denti con spettrometria

I sistemi di rilevamento di un singolo punto di vista sono ora utilizzati di routine per mappare i campi di radiazione in tre dimensioni. Volare a basse velocità lungo i waypoint predeterminati, questi sistemi registrano il tasso di dose e i dati specifici di isotopo, che viene ricostruito in colori codificati che volano solo rivela sui modelli strutturali.

Droni subacquei e anfibi per zone galleggianti

In aree di costruzione di turbine e inondazioni, i veicoli a funzionamento remoto (ROV) e i piccoli veicoli subacquei autonomi (AUV) svolgono ruoli simili. Anche se non aereo, condividono la stessa filosofia operativa e i quadri di integrazione dei dati.

Drone a vite fissa per indagini ambientali su vasta scala

Oltre agli edifici del reattore, i droni a forma fissa, sia a batteria che a idrogeno, coprono grandi aree per il monitoraggio ambientale, che volano transetto automatico sulla zona di esclusione, trasportando telecamere multispettrali per valutare la salute della vegetazione e la contaminazione del suolo. Queste piattaforme possono rimanere al settimo cielo per diverse ore, coprendo decine di chilometri quadrati per missione.

Integrazione dei dati e analisi AI-Driven

I dati dei sensori grezzi dei voli dei droni diventano preziosi solo quando si sintetizzano in informazioni attuabili. A Fukushima, i team utilizzano software di modellazione delle informazioni di costruzione (BIM) e sistemi di informazione geografica (GIS) per creare gemelli digitali delle strutture del reattore.

Le reti neurali convoluzionali possono essere addestrate per identificare difetti specifici come la corrosione sotto isolamento o la pitting superficiale su strutture metalliche. Questo riduce il peso di revisione manuale e standardizza la valutazione delle condizioni tra i diversi team. TEPCO ha condiviso che il rilevamento automatico dei cambiamenti li ha già avvertiti a turni imprevisti in blocchi strutturali all'interno dell'unità 1, innescando un'ispezione focalizzata che ha confermato la necessità di ulteriore frenatura.

Ridurre l'esposizione alle radiazioni dei lavoratori

La gestione della dose del lavoratore è una preoccupazione primaria di sicurezza in qualsiasi sito nucleare, e la pulizia di Fukushima non è diversa. Prima che le ispezioni dei droni diventassero di routine, l'unico modo per verificare le condizioni all'interno di un'area ad alto dosaggio era quello di inviare in un umano con un contatore portatile. Ora, un drone può eseguire una ricognizione radiologica completa in pochi minuti, mappando il campo di dose in modo che se un lavoratore deve entrare in seguito, il percorso di controllo può essere ridotto.

Oltre all’elusione della dose, i droni riducono anche i rischi non-radiologici dal lavoro in altezza, negli spazi ristretti o in un detrito instabile. L’accesso tradizionale a corda industriale o l’installazione di impalcature possono essere pericolosi e richiede tempo. I droni eliminano molti passaggi preparatori, permettendo a un piccolo team di monitorare aree di grande impatto con meno ore di lavoro-a-altezza.

Sistemi di navigazione autonome e avanzati

I partner di ricerca di TEPCO, tra cui l’Agenzia per l’Energia Atomica Giappone (JAEA) e vari laboratori universitari, stanno sviluppando dei droni che auto-navigare all’interno di edifici reattori a cielo aperto senza il controllo umano in tempo reale.

Sono in fase di test anche le operazioni di ispezione multi-fuso. I piccoli droni multipli possono collaborare per coprire una grande area più veloce, o specializzano in diversi compiti: una radiazione di mappatura, un'altra che fornisce l'ispezione visiva, un terzo che agisce come relè di comunicazione.

Per sostenere l'autonomia, TEPCO ha installato sistemi di posizionamento interni UWB e beacon Bluetooth Low Energy in alcune aree. Questi forniscono un telaio di riferimento esterno, riducendo la deriva inerziale in sistemi di odometria puramente inerziali o visivi. La combinazione di localizzazione robusta e pianificazione missione AI-driven permetterà infine di eseguire ispezioni durante la notte, quando meno personale sono in cantiere, accelerando ulteriormente la timeline dising disommissione.

Studio caso: l'unità 1 ispezione pedonale

I dati relativi alla ricerca di un drone di tipo nucleare sono stati utilizzati per l'analisi di un'intera regione di reattore, che ha permesso di individuare i dati di un'analisi di un drone di tipo sperimentale, che ha portato a un'analisi di tipo nucleare, che ha portato ad un'analisi di tipo sperimentale.

Considerazioni di regolamentazione e certificazione

In Giappone, la legge sull'aeronautica civile e la legge radio governano le operazioni UAS, mentre l'Autorità per il Regolamento Nucleare (NRA) impone requisiti di sicurezza e sicurezza aggiuntivi. Ogni sistema di droni deve subire test rigorosi per dimostrare che non diventerà un pericolo per i detriti materiali stranieri o causare una scintilla in atmosfere potenzialmente infiammabili.

Il programma TEPCO opera a stretto contatto con i produttori e gli istituti di ricerca per mantenere un caso di sicurezza formale per ogni tipo di drone, che include un'analisi della modalità di fallimento, una procedura di decontaminazione documentata e un percorso definito di smaltimento end-of-life, che in genere richiede scarti radioattivi di basso livello.

Collaborazione internazionale e condivisione delle conoscenze

Il programma di droni di Fukushima beneficia della cooperazione globale. I corpi internazionali come l'Associazione Mondiale Nucleare, l'Agenzia per l'Energia Nucleare dell'OCSE, e la IAEA[[]]]] facilitano lo scambio di conoscenze. Ad esempio, i droni utilizzati nel sito Chernobyl hanno fornito lezioni di monitoraggio strutturale a lungo termine, mentre il progetto di decommissione di Sellafield negli sviluppi delle azioni del Regno Unito in Giappone in Giappone in Giappone in termini di distribuzione di attacchi di droni e di attacchi di attacchi di attacchi di manipulaci e manipolatori robotizzati.

Quando un laboratorio nazionale statunitense sviluppa una nuova fotocamera indurita da radiazioni, può essere testato al Naraha Center, ricevere feedback da parte degli operatori di TEPCO, ed essere integrato in una missione di droni entro mesi. Le lezioni di Fukushima stanno anche informando la progettazione di future centrali nucleari, dove le gallerie di ispezione di emergenza di drone-accessibile sono ora considerate una funzione integrata per supportare la manutenzione e la decommissione di vita.

Monitoraggio ambientale Oltre gli edifici del reattore

Indagini aeree regolari sul più ampio sito di Fukushima e la zona di esclusione circostante tracciano la riduzione dei livelli di radiazione ambientale come progressi degli sforzi di decontaminazione. Le telecamere multispettive sui droni di destra controllano la salute della vegetazione, l'umidità del suolo e l'efficacia delle misure di controllo dell'erosione che impediscono ai sedimenti contaminati di raggiungere l'oceano.

La strada principale: monitoraggio predittivo AI-Powered

In attesa di un'integrazione di modelli di apprendimento automatico informatizzato con flussi di dati di droni continui, è possibile attivare il monitoraggio predittivo. Piuttosto che reagire ad un'anomalia dopo che si verifica, il sistema potrebbe prevedere problemi di sviluppo, come una riduzione del flusso di raffreddamento o una deformazione strutturale, prima che diventino critici.

Un altro viale promettente è l’uso di celle a combustibile a idrogeno per estendere la resistenza dei voli. I droni a batteria attuali hanno tempi di volo tipici di 20-30 minuti, limitando l’area che possono coprire. Le cellule a combustibile idrogeno, già testate da TEPCO su piattaforme a motore fisso, possono triplicare la resistenza riducendo il rischio di contaminazione e di peso, perché l’unico scarico è vapore acqueo.