Роботы в атомной промышленности
Обращение с радиоактивными отходами
Направление "Обращение с радиоактивными отходами" является одним из этапов вывода из эксплуатации АЭС и других ядерных объектов, тем не менее в ряде классификаций его рассматривают отдельно. Направление связано с такими работами как разделение радиоактивных отходов на фрагменты, раскладка их по контейнерам и эвакуация в специализированные зоны.
Как и во всех других отраслях промышленности, при производстве электроэнергии образуются отходы. Атомная энергетика берет на себя полную ответственность за все свои отходы. Это означает, что радиоактивные отходы содержатся специальным образом и утилизируются так, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду. При этом большое количество ядерных отходов с атомных электростанций все еще находится во временных хранилищах. Например, только в Великобритании таких отходов - около 5 млн тонн [ "Источники использованной литературы" ].
За последние десятилетия были созданы различные технологии инспекции, мониторинга, дистанционного обслуживания установок, предназначенных для хранения, транспортировки, переработки и обработки радиоактивных отходов.
Анализируя технологии инспекции хранилищ с ядерными отхода- ми, следует заметить, что в данной области увеличиваются возможности использования БПЛА, которые способны работать в опасных агрессивных средах, могут передвигаться не только в открытом пространстве, но и внутри помещений, в том числе в ограниченных узких шахтах, где присутствие человека затруднено. В частности, в этом качестве активно используются беспилотники компании Flyability.
Говоря о робототехнических системах для выполнения сложных задач обращения с отходами, можно привести множество примеров из разных стран. Например, в 2020 г. британская инженерно-консалтинговая компания Ansaldo Nuclear разработала робота для извлечения радиоактивных отходов из хранилищ на АЭС Caorso, расположенной в Италии [ "Источники использованной литературы" ]. Компания отвечает за кондиционирование 14Кондиционирование радиоактивных отходов - технологические операции по приведению радиоактивных отходов в физическую форму и состояние, соответствующее ряду критериев и обеспечивающее возможность захоронения около 860 тонн радиоактивных отходов в двух временных хранили- щах на АЭС "Каорсо". Для выполнения работ по извлечению, проверке, запечатыванию и упаковке радиоактивных бочек компания разработала дистанционно управляемого робота.
Роботы, выполняющие сложные работы по обращению с отходами, постоянно совершенствуются. Такие сложные задачи как дистанционный захват или разрезание неизвестных объектов сложно контролировать с помощью традиционных джойстиков и камер видеонаблюдения.
Требуются полуавтоматические системы. Над созданием таких систем, например, работают в Национальном центре ядерной робототехники Бирмингемского университета (Великобритания), где исследуют возможности автоматизированного обращения с ядерными отходами с использованием ИИ. В частности, там разработана система "совместного" управления и контроля за выполнением сложных манипуляционных задач с помощью тактильной обратной связи и зрительной информации, предоставляемой 3D-камерой Ensenso.
Система автономно сканирует неизвестные объекты и создает их 3D-модель в виде облака точек. Результирующее облако точек со- держит всю информацию, необходимую для передачи роботу правильного положения захвата или резки объекта [ "Источники использованной литературы" ]. Оператор, постоянно присутствующий в контуре управления, может сохранять контроль над автоматизированными действиями робота в случае сбоев и ошибок в системе.
Поскольку все большее количество ядерных отходов остается на временном хранении, актуальной остается задача рационального использования ограниченных ресурсов хранилищ. Например, европейский проект RoMaNS (Robotic Manipulation for Nuclear Sort and Segregation) направлен на совершенствование технологий в области автоматизации сортировки и сегрегации ядерных отходов [ "Источники использованной литературы" ].
Контейнеры с отходами должны быть вскрыты и исследованы дистанционно с помощью роботов. Текущая используемая в промышленности практика состоит в простом телеуправлении с помощью джойстика. Это неудовлетворительно медленный подход, учитывая огромные объемы материала, требующего обработки. Согласно публикации [ "Источники использованной литературы" ], команда RoMaNs еще в 2017 г. успешно испытала роботизированную руку с разработанной ими системой управления на базе ИИ и продолжает создание интеллектуальных роботизированных систем в области автоматизации сортировки ядерных отходов.
В 2022 г. была обнародована информация о проекте Virero [ "Источники использованной литературы" ] в Германии, в рамках которого разрабатывается роботизированная система для классификации и сортировки отходов с помощью дополненной виртуальной реальности, машинного обучения и интеллектуальной автоматизации. Программа выполняется при участии Framatome в партнерстве с Аахенским институтом ядерной подготовки AiNT.
Проект предусматривает телеуправляемую разборку и повторную сортировку радиоактивных отходов, при которой идентифицируются и отделяются отходы с высокой мощностью дозы.
Проанализированные радиоактивные отходы могут быть полуавтоматически отсортированы и разобраны, причем процесс контролируется через интерфейс виртуальной среды и подробно документируется для окончательного хранения. В роботизированный комплекс интегрировано несколько инструментов, таких как захваты и инструменты для разделения. Для радиологического исследования отходы извлекаются из емкости, после чего большие куски разрезаются механическими ножницами, а затем раскладываются вместе с другими отходами для радиологического исследования на измерительном столе.
Задачи обработки при роботизированной полуавтоматической сортировке требуют точного представления о состоянии окружающей среды и расположении отходов в рабочей зоне сортировочной системы. Геометрические характеристики сортируемых отходов определяются с помощью 3D-сканера. Для захвата отходов телеуправляемым или частично автоматизированным роботам необходимо определить позу (положение и ориентацию руки манипулятора, являющиеся целевыми для захвата объекта), что достигается за счет быстрого обнаружения отходов в виде облака точек с помощью лазерного 3D-сканирования.
Исследования и практические проекты по роботизации обращения с ядерными отходами активно ведутся в Росатоме. Например, в 2018 г. в одном из подразделений Росатома (ФГУП "РосРАО") было создано робототехническое устройство с управляемыми "руками" и "техническим зрением", способное работать в сильных радиационных полях. Оператор может управлять таким устройством с любого расстояния. Система позволяет различить типы отходов, сортировать их, упаковать и утилизировать. Машина выполнена в виде человекоподобного робота удаленного управления. Оператор надевает костюм, считывающий движения рук и головы, и производит манипуляции с ядерными отходами (разбор, очистка, дезактивация и так далее) [ "Источники использованной литературы" ].
Система позволяет длительное время работать при сильном из- лучении, снижая для людей опасность радиоактивного заражения.
Предприятием Госкорпорации "Росатом", ФГУП "РАДОН", которое занимается обращением с радиоактивными отходами, в 2017- 2018 гг. было выполнено техническое перевооружение установки "Суперкомпактор", предназначенной для прессования твердых радиоактивных отходов. Специалистами ООО "Атоминтелмаш" был разработан и введен в эксплуатацию роботизированный комплекс на базе робота KUKA, оснащенного специальным захватом и телекамерой машинного зрения [ "Источники использованной литературы" ].
На производственном объединении "Маяк", расположенном в г. Озёрске Челябинской области, занимавшемся ядерными технологиями и в том числе хранением и утилизацией отработавшего ядерного топлива, используют манипуляторы и роботизированные линии.
В 2023 г. на Сибирском химическом комбинате15АО "СХК", предприятие Топливной компании Росатома "ТВЭЛ" в г. Северске Томской области (центр компетенций АО "ТВЭЛ" - отраслевого интегратора по выводу из эксплуатации радиационно-опасных объектов и обращению с радиоактивными отходами) стартовал проект по внедрению робототехнических комплексов, обеспечивающих безопасное обращение с радиоактивными отходами.
Жидкие радиоактивные отходы после остекловывания проходят процесс выдержки на временном складе хранения и затем с помощью манипулятора емкости перемещаются в защитные контейнеры для отправки на долговременное хранение на площадке АО "СХК".
Для перемещения емкостей с остеклованными отходами установлен дистанционно управляемый робот-манипулятор. Робот оснащен видеокамерами и лазерной системой позиционирования и может перемещать до 200 кг груза на расстояние около 30 метров. Манипулятор разработан и изготовлен на базе российского предприятия ООО "Прессмаш" специально для АО "СХК", преимущественно из отечественных комплектующих [ "Источники использованной литературы" ].
Комментируя робототехнические комплексы, применяемые на СХК, следует упомянуть решения, применяемые на модуле фабрикации и рефабрикации (МФР) плотного смешанного уран-плутониевого топлива опытно-демонстрационного энергокомплекса АО "СХК".
"На МФР нашли применение следующие роботы и роботизированные комплексы.
- Робот-манипулятор KUKA KR 60-3 HA, заменяющий ручные операции при производстве тепловыделяющих сборок (ТВС).
- Робот-манипулятор KUKA KR 180 R2900 в составе роботизированного технологического комплекса, предназначенный для операций с низкоактивными твердыми радиоактивными отходами (ТРО).
- Манипулятор Walischmiller A100 NEL. Предназначен для проведения дистанционных операций с ТРО в боксе сортировки низкоактивных отходов.
- Система автоматизированного перемещения контейнеров с РАО для осуществления транспортно-технологических операций с невозвратными защитными контейнерами (НЗК)" [ "Источники использованной литературы" ].
Инспекции и обслуживание АЭС
В данном разделе речь пойдет о проектах, которые выполняются непосредственно на атомных станциях. В качестве одного из примеров можно назвать использование роботизированных комплексов по перегрузке ядерного топлива. В 2016 г. специалисты Росатома стали лауреатами премии правительства России за внедрение на АЭС роботизированного комплекса для перегрузки ядерного топлива, в котором до 95% компонентов и аппаратно-программных средств сосредоточено в России. Результаты работы были внедрены на 17 энергоблоках российских АЭС и 6 энергоблоках зарубежных АЭС, построенных по российским технологиям (в Индии, Армении и Украине). На момент написания курса, в ноябре 2023 г. на стройплощадке энергоблока № 1 второй очереди Курской АЭС начался монтаж машины16Компания Диаконт делает системы управления и участвует в модернизации упо- мянутых машин. Обеспечивается полностью автоматизированный процесс перегрузки (с пультом управления); отсутствие повреждений ядерного топлива, надежность процесса выше, чем у ручного; сокращение времени перегрузки и простоя блока для выполнения операций, связанных с перегрузкой ядерного топлива активной зоны реакторных установок типа ВВЭР-ТОИ17ВВЭР-ТОИ - это типовой проект двухблочной, оптимизированной по техникоэкономическим показателям АЭС поколения III+ с реакторными установками технологии ВВЭР (водоодяной энергетический реактор), разработанный в современной информационно-технологической среде проектирования [ "Источники использованной литературы" ].
Перегрузочная машина - это робототехническое устройство - манипулятор с дистанционным управлением, состоящий из моста с установленной на нем передвижной тележкой с рабочей штангой и другими механизмами. Манипулятор предназначен для перегрузки тепловыделяющих сборок 18Тепловыделяющая сборка - изделие, содержащее делящиеся вещества и предназначенное для получения тепловой энергии в ядерном реакторе за счет осуществления управляемой ядерной реакции (ТВС) в активной зоне реактора атомной электростанции. Изготовителем машины для Курской АЭС является машиностроительный дивизион Росатома - АО "ОКБМ Африкан- тов", ее масса составляет 55 тонн.
Другой пример - это роботы для проведения плановых проверок и технического обслуживания на АЭС. Подобные роботы обычно оснащены камерами, датчиками и другими инструментами для осмотра сосудов под давлением, бассейнов, труб, клапанов и другого оборудования на предмет обнаружения повреждений или износа.
Например, парогенераторы на АЭС требуют периодического технического обслуживания. Одной из задач является проведение вихретокового контроля 19Вихретоковый контроль - один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов. Основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля. трубок парогенератора с целью выявления их деградации. Для обеспечения безопасности и высокой точности данных работ в сложных радиологических условиях используются роботы.
Так, робот FORERUNNER от французской компании Framatome 20Framatome - французская компания, занимающаяся разработкой и производством оборудования для атомных электростанций специально спроектирован для проверок элементов парогенератора. Этот мобильный робот легко адаптируется к различным геометриям парогенераторов, позволяет сократить время проверки, обеспечивает оптимальный доступ к трубкам парогенератора для их осмотра [ "Источники использованной литературы" ]. Компания Framatome предлагает целый ряд сервисных роботов для инспекций и обслуживания на АЭС. Например, роботизированная подводная система для проведения инспекций Framatome SUSI может исследовать большинство компонентов системы охлаждения реактора и служить для извлечения посторонних предметов. А робот по имени Pelican создан для извлечения инородных материалов, потенциально присутствующих в топливных сборках 21Эти же функции выполняют отечественные манипуляторы, созданные в компании Диаконт 182.
Подобные технологии разрабатывает не только Framatome. Например, компания Диаконт 22Это российская компания. У нее есть американское подразделение (отдельная американская компания), которая занимается продажей оборудования и оказанием услуг на рынках западных стран. Но вся разработка и производство сосредоточены в РФ, в Санкт-Петербурге более 20 лет предоставляет услуги по диагностике и ремонту с помощью собственных робототехнических комплексов. Компания разрабатывает специализированные решения для таких работ как диагностика тора ядерного реактора кипящего типа, диагностика уплотнительных поверхностей корпуса реактора, диагностика и ремонт телескопических соединительных трактов, внутритрубная диагностика объектов атомной отрасли, контроль днища резервуаров без вывода из эксплуатации, дистанционная очистка и дезактивация шахт реактора, извлечение посторонних предметов из реакторного пространства.
Известны робототехнические решения от компании DEKRA 23DEKRA - крупнейшая в мире независимая организация в секторе испытаний, контроля и сертификации. Является глобальным поставщиком комплексных услуг и решений для повышения уровня безопасности, надежности различных объектов, для инспекции и очистки внутренней части реактора в атомной промышленности и предлагает серию подводных аппаратов, вездеходов и манипуляторов для ультразвуковых и вихретоковых испытаний, позволяющих добраться до наиболее опасных зон на атомных объектах [ "Источники использованной литературы" ]. DEKRA имеет большой опыт работы с различными конфигурациями корпусов реакторов, обеспечивает малое время обследования с помощью робототехнических решений, снижая риск для инспекторов и позволяя уменьшить человеческие ошибки.
Работа по созданию инспекционных роботов ведется в сотрудничестве с научными организациями и университетами. Например, в 2021 г. финская компания Fortum и Университет прикладных наук (JAMK) объявили о разработке и применении дистанционно управ- ляемого робота для осмотра и очистки во время обслуживания парогенераторов на АЭС Ловииса (Loviisa 24АЭС Ловииса расположена на финском острове Хястхолмен в 15 км от города Ловийса. Принадлежит государственному концерну Fortum. Два реактора АЭС Ловииса производят более 10% потребляемой в Финляндии электроэнергии). Робот позволил значительно повысить безопасность труда и снизить дозы радиации, которым подвергаются рабочие [ "Источники использованной литературы" ]. Аппарат представляет собой роботизированный плот, который несет оборудование, необходимое для видеосъемки и технического обслуживания. Пилотный запуск оборудования состоялся в сентябре 2020 года во время ежегодного останова блока №1 АЭС "Ловииса".
Другая финская компания Loxus 3D Tunnel Inspections предлагает свои робототехнические решения для безопасного получения изображений нужных мест подводных туннелей без их опорожнения и выполняет инспекционные задачи на объектах, работающих с большими объемами воды, включая АЭС.
Из отечественной практики следует привести пример использования робота для ремонта бассейнов с отработавшим ядерным топливом на Ленинградской АЭС-2. Разработка и поставка выполнена "СКТБ ПР" в 2020 г. Роботизированная система с помощью ультразвука и телекамер высокого разрешения обнаруживает трещины и другие дефекты в металлических листах и сварочных швах облицовки бассейна, в которых хранится отработанное на АЭС ядерное топливо, а после сварочным оборудованием производит наплавку и зачистку ремонтируемой поверхности. Использование робота позволяет ремонтировать бассейн без его выгрузки [ "Источники использованной литературы" ].