Роль робототехники в выводе из эксплуатации АЭС Фукусима

Физический доступ одинаково карателен. Входные порты узкие, часто всего от 20 до 30 сантиметров в диаметре. Лестницы и коридоры блокируются упавшими обломками, скрученным металлом и разрушенным бетоном. Большая часть интерьера затоплена водой, которая является радиоактивной и мутной, содержащей взвешенные осадки, которые уменьшают видимость до сантиметров. Погружные участки являются проводящими и коррозионными, ускоряя деградацию уплотнений, соединителей и движущихся частей. Сама расплавленная смесь диоксида урана, циркониевой облицовки, бетона и стали, которая текла и затвердевала в непредсказуемые формы. Роботы, которые пытаются эту работу, должны сначала отобразить то, что там есть, затем разрезать, сцепить или вакуумировать обломки, не вызывая события критичности или распространения загрязнения дальше, что некоторые отложения кория имеют плотность, превышающую 10 г / см3 и требуют специализированной оснастки для проникновения.

Уроки ранних миссий

Первые роботы, отправленные в Фукусима Дайичи, были модифицированными версиями существующих платформ, и их миссии были отрезвляющими. В 2011 году модифицированный iRobot PackBot и робот Quince, разработанный Технологическим институтом Чиба, сумели обследовать нижние этажи зданий реактора и провести измерения радиации. Эти миссии предоставили первые проблески внутреннего повреждения и продемонстрировали, что роботизированный вход возможен, но они также показали суровые реалии. Роботы стали обездвиженными обломками, запутавшимися в кабели или увязшими в стоячей воде. Отсева связи были частыми, потому что конструкции реактора ослабляли беспроводные сигналы. Батареи осушались быстрее, чем ожидалось в холодных, влажных условиях.

Позднее попытки отправить роботов непосредственно в первичные контейнерные суда привели к серии громких сбоев, о которых широко сообщалось. В 2015 году дистанционно управляемый робот в форме лодки, отправленный в блок 1, заглох в плотном проходе и не мог быть вытащен. В 2017 году скорпионообразный гусеничный аппарат, развернутый в блок 2, был заблокирован комком расплавленного топлива. Его камера не сработала всего через два часа воздействия радиации. Каждый сбой, однако, генерировал данные, которые формировали более поздние конструкции. Инженеры узнали, где именно недостаточно экранирования, какие частоты связи могут проникать в толстый бетон, и как геометрия дорожки, дорожный просвет и распределение веса должны были измениться. Эти с трудом полученные уроки непосредственно проинформировали следующее поколение машин. Сбои также ускорили разработку привязанных роботов, которые можно было физически извлечь, даже если они потеряли мощность или мобильность.

Состав роботизированного флота

Современный робототехнический парк на Фукусиме разнообразен, со специалистами для разных сред и задач. Понимание категорий помогает уточнить, как эти машины работают вместе. TEPCO поддерживает централизованный инвентарь из более чем 50 робототехнических платформ, каждая из которых назначена для конкретных профилей миссий.

Воздушные дроны

Небольшие квадрокоптеры и гексакоптеры, оснащенные детекторами излучения и камерами, выполняют накладные съемки внутри реакторных зданий. Повышенные показатели доз в этих районах быстро повредят стационарное оборудование для мониторинга. Дроны картируют загрязнения горячих точек на полах и стенах, осматривают вентиляционные каналы и воздушные трубопроводы и обеспечивают ситуационную осведомленность для наземных роботов, движущихся ниже. Некоторые модели оснащены роторами с пенопластом для предотвращения повреждений при столкновении со стенами. Дроны запрограммированы автономно возвращаться в экранированную зону посадки, если их радиационный порог превышен.

Наземные краны

На отслеживаемых и ногатых транспортных средствах установлены системы визуализации, манипуляторные рычаги и датчики излучения. Они могут подниматься по лестнице, протискиваться через узкие отверстия и работать на влажных или неровных поверхностях. Некоторые из них предназначены для самостоятельного выполнения после падения. Эти машины выполняют основную часть задач по осмотру и манипулированию ближнего действия. Заметным вариантом является робот PMORPH, который может перенастраивать свою геометрию дорожки с узкой 20-сантиметровой ширины для прохождения через решетки на более широкую 50-сантиметровую позицию для устойчивости во время манипуляции. В гусеничных машинах часто используются закаленные радиацией шаговые двигатели вместо стандартных сервоприводов, чтобы избежать отказа электроники.

Подводные дистанционно управляемые транспортные средства

Погружные аппараты, оснащенные гидролокаторами, камерами высокой четкости и толщиномерами, исследуют затопленные пьедесталовые области под сосудами давления реактора. Они собирают образцы воды и осадка, осматривают металлические компоненты на предмет коррозии или структурных повреждений и картографируют погруженные в воду поля обломков. Робот Manbo, разработанный Toshiba, использует плавательные движения, похожие на рыбу, для навигации по узким пространствам торской комнаты, где обычные двигатели будут возбуждать радиоактивные осадки и уменьшать видимость. Эти РОВ могут работать на глубинах до 20 метров, где сама вода обеспечивает некоторую защиту от гамма-излучения.

Проверочные камеры и борескопы

Длинные гибкие зонды вставляются через узкие трубопроводы, чтобы заглянуть в контейнеры. Эти устройства обеспечивают внутренний визуальный осмотр, не требуя, чтобы робот полностью проникал в зоны высоких доз. Они часто являются первым инструментом, используемым для оценки условий до того, как будет совершен более крупный робот. Борескопы, используемые на Фукусиме, могут простираться до 15 метров и иметь шарнирные кончики с обзором на 360 градусов. Некоторые включают нейтронные детекторы для косвенной идентификации мест кория путем обнаружения выбросов нейтронов из оставшихся продуктов деления.

Манипулятор и роботы-режущие роботы

На гусеничных или стационарных мостах разрабатываются сверхмощные роботизированные руки, которые прорезают экранирование, поднимают обломки и извлекают топливный материал. Прототипы продемонстрировали разрезание стальных пластин под водой и подхватывание имитированного топливного мусора. Эти системы представляют собой самый высокий уровень механической сложности во флоте. Телескопическая рука длиной 22 метра для блока 2 использует систему противовеса для предотвращения крутящих моментов, вызванных колебаниями при тонком позиционировании. Каждый сустав запечатан несколькими О-кольцами и заполнен азотом для предотвращения попадания влаги.

Машины, которые сделали разницу

Несколько специально построенных роботов стали вехами в усилиях по выводу из эксплуатации. Подводный робот Manbo, разработанный Toshiba, напоминает рыбу и был разработан для плавания внутри затопленного торуса блока 3. В 2017 году он сделал четкие изображения площади пьедестала и подтвердил степень структурных повреждений под реактором, обеспечив первый прямой взгляд на условия, которые ранее были выведены только из данных удаленных датчиков. Эта миссия проложила путь для всех последующих подводных работ. Manbo носила закаленную радиацией камеру, которая регистрировала скорость дозы более 10 Sv / ч в точках, которые он обследовал, но продолжала передавать изображения для полной 6-часовой миссии.

Скакурский гусеничный аппарат, совместно разработанный TEPCO и IRID, вошел в блок 2 в 2017 году и передал первые подробные фотографии пьедестала. Изображения показали, что, казалось, был расплавлен топливный мусор, подтвердив, что корий вырвался из сосуда под давлением и обосновался на бетонной основе. Сакура был сильно экранирован и имел избыточные системы камеры, что позволяло ему работать достаточно долго, чтобы захватывать критические данные, прежде чем излучение ухудшило его электронику. Один только свинцовый экран робота добавил 15 килограммов к его весу, требуя усиленного шасси и специализированных приводных двигателей.

Робот в форме змеи Розмари, разработанный Hitachi-GE Nuclear Energy, имел 15-метровую досягаемость с водонепроницаемыми соединениями. Он мог перемещаться через узкие инспекционные порты и доставлять камеру в пределах сантиметров от предполагаемого остатка топлива. Его миссия в блоке 1 продемонстрировала, что длинные сочлененные зонды могут получить доступ к областям, которые были слишком опасны или сужены для входа обычного гусеничного аппарата. Сегменты Розмари были независимо моторизованы, что позволяло ему изгибаться вокруг препятствий, сохраняя при этом стабильную платформу камеры на кончике.

Совсем недавно TEPCO развернула погружной ROV, оснащенный роботизированной рукой и 3D-сонаром, для картирования подводного пьедестала блока 1. Машина генерировала подробные трехмерные модели интерьера, позволяющие инженерам с точностью планировать оборудование для поиска топливного мусора, что было бы невозможно с помощью одних только косвенных измерений. Эти успехи представляют собой постепенные, но существенные шаги к физическому удалению расплавленных ядер. ROV произвел облако точек более 2 миллионов точек, которое использовалось для создания цифрового двойника интерьера контейнерного судна.

Технологические достижения, вызванные Фукусимой

Проект вывода из эксплуатации привел к инновациям, которые выходят за пределы завода. Радиационная электроника, когда-то являвшаяся нишевой областью, обслуживающей военные и космические приложения, быстро прогрессировала. Новые изоляционные материалы, пользовательские силиконовые покрытия и радиационно-толерантные полупроводники теперь позволяют камерам и микроконтроллерам надежно работать после поглощения доз в сотнях серых. Toshiba разработала радиационно-толерантную камеру, которая пережила более 1000 Гр без значительной деградации, эталон, который казался бы нереалистичным десятилетием ранее. Эти камеры используют дополнительные датчики с обедненным слоем бора для уменьшения возмущений, вызванных нейтронами.

Автономная навигация трансформировалась под воздействием требований окружения Фукусимы. Роботы часто теряют связь со своими операторами, поскольку экранирование реактора и расстояние ослабляют беспроводные сигналы. На борту одновременно симулируются алгоритмы локализации и картирования (SLAM), сплавленные с инерциальными измерительными блоками и LiDAR, позволяющие роботу строить детальную 3D-карту своего окружения при его движении, запоминать его путь и автономно отступать, если сигнал падает. Исследователи IRID протестировали роботов, меняющих форму, которые могут переползать через узкую решетку и затем расширяться для стабильности, подход, разработанный в рамках проекта PMORPH. Системы SLAM должны компенсировать радиационный шум в возвратах LiDAR, что может создавать ложные препятствия от гамма-рассеивания.

Технология цифровых двойников стала центральной для планирования миссий. Перед тем, как робот входит в реактор, инженеры создают подробную среду моделирования с использованием всех доступных ранее данных сканирования. Они репетируют маневры, предсказывают, где гамма-излучение будет наиболее интенсивным, и позиционируют реле связи для оптимального покрытия. Это сокращает время, которое робот должен проводить в зонах высоких доз, и минимизирует риск дорогостоящих сбоев. Сочетание моделирования, автономной навигации и радиационно-толерантного оборудования сделало возможными миссии, которые были бы немыслимы сразу после аварии. Цифровые двойники обновляются после каждой миссии новыми данными, создавая постоянно развивающуюся модель, которая улучшает точность планирования с течением времени.

Роботизированные проблемы управления и телеоперации

Операционные роботы на Фукусиме предполагают уникальные ограничения взаимодействия человека и робота. Расстояние между диспетчерской и реакторными зданиями может превышать 500 метров, вводя задержки распространения сигнала до 50 миллисекунд для систем на основе привязи и более 200 миллисекунд для беспроводных линий связи через несколько бетонных барьеров. Эти задержки затрудняют прямую телеоперацию манипуляторов, поскольку оператор видит реакцию робота только после задержки. Инженеры разработали системы прогнозного отображения, которые накладывают виртуального робота на видеопоток, позволяя оператору командовать виртуальным рычагом в режиме реального времени, в то время как физическая рука отстает и догоняет. Система автоматически замедляет движение, если задержка превышает заданный порог для предотвращения перерасхода.

Еще одна проблема заключается в поддержании ситуационной осведомленности, когда камеры затенены паром, пылью или каплями воды. Роботы Фукусимы часто несут несколько камер с различной спектральной чувствительностью, включая ближние инфракрасные и тепловизоры. Программное обеспечение для многозрительного синтеза сшивает эти каналы в единый интерфейс дополненной реальности для оператора. Гаптические перчатки обратной связи, все еще находящиеся на стадиях прототипа, позволяют операторам чувствовать контактные силы при захвате мусора, что имеет решающее значение для обработки хрупких или хрупких фрагментов кория, не разрушая их. Перчатки используют электроактивные полимеры для имитации текстуры и соответствия.

Международное сотрудничество в области ядерной робототехники

Технологии, усовершенствованные на Фукусиме, такие как манипуляторы дальнего действия и системы телеоперации, компенсирующие задержку сигнала, в настоящее время оцениваются для использования на ядерных объектах в Великобритании и США. Японское агентство по атомной энергии управляет Центром разработки технологий дистанционного управления Naraha, полномасштабным макетным объектом, где международные команды тестируют роботов на смоделированных обломках перед развертыванием в Daiichi. Эти трансграничные программы ускоряют обучение, сокращают избыточную работу и создают общую базу знаний, которая укрепляет глобальное сообщество ядерной безопасности. Центр Naraha имеет копии интерьеров контейнеров, в комплекте с полями мусора, затопленными полами и радиационными симуляторами, которые позволяют командам проверять производительность роботов в реалистичных условиях без фактического радиоактивного воздействия.

Путь к поиску топливных мусоров

Конечная цель работ по выводу из эксплуатации - извлечение расплавленного топлива. TEPCO планирует начать пробное извлечение небольшого количества топливного мусора из энергоблока 2 к концу 2024 или 2025 гг. В операции будет использована специально построенная роботизированная рука, разработанная под руководством IRID. Это телескопический манипулятор длиной 22 метра, который проходит через люк оборудования контейнерного судна, чтобы собирать гальку-подобные фрагменты при мониторинге работы через закаленные радиацией камеры. Рука построена из композитных трубок с усилителем из углеродного волокна, чтобы минимизировать вес при сохранении жесткости; каждая секция запечатана против попадания воды.

Начальные количества поиска будут небольшими, возможно, всего несколько граммов, но собранные данные будут бесценными. Инженеры будут измерять твердость, текстуру, радиоактивный состав и риск критичности. Эти параметры будут информировать о проектировании полномасштабных систем удаления, которые будут работать в течение следующего десятилетия. Масштаб будет постепенно увеличиваться от граммов до килограммов, а затем до тонн, в процессе, который, вероятно, продолжится в 2030-х годах. Будут необходимы роботы, способные к подводной резки и удаленной обработке в промышленных масштабах. Инженеры оценивают лазерные резцы, абразивные водометы и механические ножницы для сегментации кория, при этом каждый метод будет проверен на вторичное образование отходов и осуществимость в радиоактивной подводной среде. Резные материалы будут захватываться в герметичных контейнерах для предотвращения распространения загрязнения.

TEPCO уже проводила сухие пробежки на макетном заводе с использованием имитированного кория из смеси нержавеющей стали и керамики. Эти испытания показывают, что даже небольшие фрагменты могут создавать острые края, которые повреждают захваты манипулятора. Следовательно, рукав извлечения будет нести сменные конечные эффекты, включая совку, грабли и вакуумное сопло, для обработки различных форм мусора.

Мониторинг безопасности и снижение опасности

Робототехника также поддерживает непрерывный мониторинг и задачи по снижению опасности, которые поддерживают стабильность площадки. Автономные дроны патрулируют периметр, генерируя в реальном времени радиационные карты, которые вызывают оповещения, если появляются неожиданные горячие частицы. Дистанционно управляемые насосы и роботы для очистки воды управляют непрерывным притоком грунтовых вод, обрабатывая более 100 000 тонн загрязненной воды каждый год. Система Advanced Liquid Processing System опирается на роботизированные механизмы для обработки фильтров и отбора проб, уменьшая потребность в попадании человека в районы с повышенным риском воздействия. Система использует парк небольших гусеничных роботов для транспортировки отработанных фильтрующих картриджей в защищенное хранилище, ограничивая дозу оператора.

Данные из тысяч точек обследования, собранные роботами и дронами за более чем десятилетие, были внесены в модели машинного обучения, которые предсказывают, как будут развиваться поля излучения по мере удаления первичных источников. Эта предиктивная способность позволяет планировщикам вывода из эксплуатации планировать задачи на периоды, когда показатели дозы являются самыми низкими, и проектировать экранирование, которое оптимально снижает воздействие на рабочих во время ручных операций, которые не могут быть полностью автоматизированы. Модели были проверены путем сравнения прогнозируемых показателей дозы с фактическими измерениями с недавно установленных постов мониторинга, достигая точности в пределах 15%.

Экономическое и промышленное воздействие

Инвестиции в робототехнику для Фукусимы привели к росту индустрии робототехники ядерного вывода из эксплуатации в Японии и на международном уровне. Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba и Hitachi создали специализированные подразделения робототехники, которые опираются на знания, полученные в Daiichi. Разработанные технологии имеют прямое применение в других отраслях, включая демонтаж химических установок, подводную нефтегазовую инспекцию и робототехнику реагирования на стихийные бедствия. Японское правительство через Организацию развития новых энергетических и промышленных технологий финансировало проекты, которые начинаются с ядерных применений, но производят технологии двойного назначения для инспекции и обслуживания инфраструктуры.

Общие затраты на вывод из эксплуатации Фукусимы оцениваются примерно в 8 трлн иен. Робототехника рассматривается как критический инструмент сдерживания затрат, поскольку каждый час человеческого труда, сэкономленный роботом, снижает дозу облучения и избегает затрат на планирование, обучение и защитное оборудование, необходимое для пилотируемых полётов. Высокая начальная стоимость разработки специально построенных машин оправдана долгосрочной экономией, которую они генерируют. Исследование 2022 года японского министерства экономики, торговли и промышленности подсчитало, что роботизированное развертывание уже снизило кумулятивную дозу рабочего более чем на 30% по сравнению с тем, что требовалось бы только с помощью ручных методов.

Испытания и симуляторы

Критическим фактором развития робототехники стало создание полномасштабных испытательных мощностей. В Центре разработки технологий дистанционного управления «Нараха», открытом в 2017 году, представлен макет здания реактора с подвижными стенками, повторяющими фактическую компоновку мусора. Роботы проходят испытания на выносливость при непрерывном гамма-излучении из источника кобальта-60. В состав объекта также входит резервуар для воды глубиной 15 метров для тестирования подводных аппаратов и подводных манипуляторов. Рядом с макетом находится диспетчерская, где операторы тренируются с точно такими же интерфейсами, используемыми на месте.

На другом объекте, Центре развития удаленных технологий в Йокогаме, находится лаборатория высокого уровня, где инженеры могут тестировать режущие инструменты на реальных радиоактивных образцах, извлеченных с площадки. Эти образцы небольшие - обычно менее 10 граммов - но они позволяют напрямую измерять свойства материала, необходимые для проектирования инструмента. Объекты стали демонстрационными площадками для международных партнеров, с командами из Франции, Швеции и Южной Кореи, проводящими совместные эксперименты.

Следующее поколение роботов-выводов

В дорожной карте вывода из эксплуатации предусмотрены роботы с большей автономностью и ловкостью. Исследователи экспериментируют с перчатками телеоперации с тактильной обратной связью, которые позволяют оператору чувствовать соответствие схватывающегося мусора, снижая риск падения или дробления хрупкого материала. Квадропедальные роботы, первоначально предназначенные для поиска и спасения, такие как модифицированные версии платформы Spot, тестируются для навигации по лестницам и препятствиям внутри зданий реактора при перевозке детекторов излучения и камер. Эти роботы-ноги могут перешагивать через обломки, которые останавливают отслеживаемые транспортные средства, и их небольшой след позволяет им получить доступ к областям, которые слишком узки для более крупных машин.

Искусственный интеллект будет играть большую роль в интерпретации данных датчиков. Алгоритмы распознавания объектов, обученные на миллионах изображений поврежденного бетона и стали, могут автоматически отмечать области, вызывающие озабоченность, такие как трещины или неожиданная коррозия, для человеческого обзора. Автономные системы планирования задач в конечном итоге будут координировать несколько роботов одновременно: беспилотник, обеспечивающий обзор над головой, в то время как сканер отсекает кабель и погружной мониторы подводной зоны падения, все они будут хореографироваться из диспетчерской в километрах. Системы ИИ обучаются на данных из предыдущих миссий для прогнозирования сбоев роботов до того, как они произойдут, например, обнаружение повышенного моторного тока, который сигнализирует о потенциальном варении.

Стандартизация роботизированных интерфейсов стала приоритетом. TEPCO и IRID теперь выступают за модульные конструкции, где оружие, датчики и базы мобильности могут быть быстро заменены в соответствии с новой миссией, сокращая время, которое поврежденный робот тратит за пределами площадки для ремонта. Эта философия отражает тенденции в космической робототехнике и, вероятно, станет стандартом для программ ядерного вывода из эксплуатации во всем мире. Общий интерфейс стыковки, известный как стандартный интерфейс Фукусимы, разрабатывается с помощью вклада нескольких производителей для обеспечения совместимости.

Модель будущего реагирования на ядерные аварии

Работа на Фукусиме изучается каждой страной с ядерной энергетической программой. Роботы, которые преуспели и потерпели неудачу там, генерируют совокупность знаний, которые будут информировать о реакции на любую будущую аварию. Международные организации, включая МАГАТЭ, включили уроки Фукусимы в руководящие принципы для технологии удаленного вывода из эксплуатации. Разработанные роботизированные системы каталогизированы для потенциального быстрого развертывания в других местах, создавая глобальный ресурс, который не существовал до 2011 года. Документ МАГАТЭ по удаленным технологиям в ядерных объектах теперь включает главу, посвященную опыту Фукусимы.

То, что начиналось как отчаянная попытка заглянуть внутрь разрушенного реактора, превратилось в дисциплинированную многолетнюю инженерную кампанию. Робототехника позволила перейти от полного незнания внутреннего состояния к подробным трехмерным картам, от спекуляций о местоположении топлива к подтвержденным изображениям и от изображений к поиску материала. Машины не являются панацеей; многие задачи по-прежнему потребуют человеческого суждения и физического вмешательства. Но они превратили невозможную очистку в чрезвычайно трудную, и именно этот шаг был необходим.

Роль робототехники в выводе из эксплуатации Фукусимы будет продолжать расширяться до тех пор, пока не будет удален последний кусок топливного мусора и окончательной структуры демонтирована. Сроки проекта длинные, но каждая роботизированная миссия приносит более четкое понимание и безопасные условия. Рожденные здесь инновации будут пульсировать через ядерные объекты мира, делая вывод из эксплуатации более безопасным, быстрым и более предсказуемым. Сотрудничество между странами, достижения в области аппаратного и программного обеспечения и решимость увидеть очистку через коллективное заявление: когда люди не могут войти, мы отправляем машины, и эти машины несут наше намерение восстановить безопасность и знания из самых враждебных сред.