В случае природных или техногенных катастроф, для разбора завалов и на крупных пожарах часто используются танки. Переделанные в гражданские версии, со снятым вооружением, они применяются как вездеходы, тягачи, уборочная и грейдерная техника, а также чтобы проникнуть в труднодоступные места в условиях распространения огня или при угрозе обрушения конструкций. Для последней задачи танк использовался и при работах в «Укрытии», возведенном над разрушенным 4-м энергоблоком Чернобыльской АЭС.

Инженеры, создававшие прототип, демонтировали башню, установили на танк дозиметр, температурный датчик, осветитель. Танк был оснащен дистанционным управлением, которое осуществляли по электрическому кабелю, таким же образом получали данные с установленных инструментов. С первых же вылазок танк показал себя очень полезным для радиационной разведки: запуская его вперед людей, можно было осмотреть конструкции и измерить уровень радиоактивного загрязнения оперативно и без лишнего риска для ликвидаторов. Кроме того, машина оказалась очень маневренной и проходимой из-за своих малых габаритов, пролезая среди завалов в самые небольшие и неудобные проходы, а пластмассовый корпус легко поддавался последующей очистке и дезактивации.

Танк был игрушечным, и это был один из самых удачных роботов, созданных и примененных на аварийной станции.



Невеселые игрушки


Есть такой интернет-мем: на первый взгляд безобидные картинки с подписью «Когда заметите ЭТО — обделаетесь от страха».

На фото выше (ссылка на источник и автора) все кажется симпатичным: красный, с виду игрушечный экскаватор — мечта детства; такой же самосвал: вроде игрушечного, но большой и серьезный; между ними — серебристый луноход. Наверное, это игровая площадка какой-нибудь школы или летнего лагеря, а БТР на заднем плане — ну, для патриотического воспитания.

Но нет. Той самой «пугающей деталью» на фото является небольшой треугольный знак радиационной опасности перед самосвалом. Это — экспозиция небольшого музея техники, принимавшей участие в ликвидации аварии, и знак красноречиво показывает, почему экспонаты нельзя трогать руками.

Бытует мнение, что при попытках использовать роботов они все очень быстро вышли из строя, от них предпочли отказаться, и аварийную станцию стали чистить «голыми руками», то есть, ценой здоровья и жизни многочисленных ликвидаторов. На самом деле это очень спорное утверждение, причем спорят между собой непосредственные участники тех событий. Действительно, непосредственно при работах по тушению, очистке крыши, дезактивации и разбору завалов роботы не смогли полноценно заменить собой людей. У них были свои серьезные минусы вроде проблем с преодолением завалов и пыления при передвижении. Однако их вклад все же был существенен — с пресловутой кровли 3-го энергоблока за два месяца было убрано полсотни тонн липкого битумно-рубероидного покрытия, сорбировавшего на себя радиоактивную пыль в огромных количествах, и немного меньше — графитных осколков, второго по опасности материала реактора после ТСМ — топливосодержащих материалов, как называли керамику или лаву из застывшего расплава бетона и ТВЭЛов. В дальнейшем, когда речь стала идти о консервации, мониторинге состояния разрушенного энергоблока и работах внутри «Укрытия» — то есть, когда уже не было нужды в экстренном и опасном труде сотен людей одновременно — настало время роботов.

Разве не нипочем?


Контринтуитивным кажется тот факт, что металлические неодушевленные роботы страдают от радиации. Но на самом деле это так: выход из строя электронных компонентов под действием радиоактивного излучения происходит намного быстрее, чем то же самое излучение выводит из строя живой организм. Маленькие смертоносные снаряды будут долго бомбардировать человека снаружи и изнутри (с проглоченной или вдыхаемой пылью либо от нейтронного наведения) прежде, чем наступит мучительная смерть; а вот электроника, будучи в пределе двоичной логикой, сразу отказывает при самом небольшом, но критичном нарушении.

Конечно, в условиях длительного малоинтенсивного облучения в выигрыше будет робот. Но при сотнях и тысячах рентген в час на краю обрушенной кровли Чернобыльской АЭС в нем будет очень быстро выходить из строя самое слабое его звено: полупроводники. Полупроводники — это и микросхемы, и самые простые транзисторы, которые страдают от облучения ровно по той же причине, что и работают сами: перемещение носителей заряда в полупроводниковом материале нарушается радиоактивными носителями заряда, пробивающими корпус робота.

Под смертельным ливнем заряженных частиц реализуются два основных механизма повреждения электроники.

Во-первых, нейтроны, протоны и альфа-частицы повреждают кристаллическую решетку полупроводника, заменяя атомы на изотопы или даже другие элементы, вызывая локальные дефекты. Это сильно влияет на подвижность носителей заряда, количество рекомбинаций, а также на свойства p-n перехода в транзисторах. Интересно, что кратковременное высокоэнергетическое облучение вызывает «эффект отпуска», названный по аналогии с закалкой металла: решетка немного восстанавливается по сравнению с деградацией, наносимой непрерывным, но менее мощным излучением. Тем не менее, для биполярных транзисторов этот фактор становится основной причиной потери выходных характеристик.

Во-вторых, частицы с меньшей энергией, чем требуется для атомных замен в кристаллической решетке, вызывают эффекты ионизации. Это выливается во всевозможные электрические помехи, наведенные шумы, фотоэффект и ошибки передачи сигнала в оптронах, деградацию МОП-транзисторов, а также сбои в работе программного обеспечения.

Особняком из всех видов облучения стоят нейтроны, способные и к указанному выше взаимодействию с ядрами атомов в кристалле, и к генерации вторичной радиации — «шрапнели» от столкновений с материалом. Наиболее чувствительны к ним биполярные транзисторы, ведь проникая в кристаллическую решетку, нейтроны могут создавать в ней «глубокие ловушки», то есть, места с аномально большой запрещенной зоной — энергией для перевода носителя заряда на уровень проводимости. Они выдерживают плотность потока до порядка гиганейтронов на кв. см, КМОП-схемы — петанейтронов на кв. см. В общем случае КМОП-микросхемы могут выдержать дозу до 100 Грей радиации. Для сравнения, смертельной дозой для человека является около 5 Грей, а учитывая, что Грей — это количество джоулей радиации на кг массы и разницу масс микросхемы и человека, это выглядит совсем неплохо. До тех пор, пока робот не попадает под действие тысяч рентген в час. Но существуют технологии, позволяющие на порядки поднять устойчивость полупроводникового кристалла к излучению, например, выращивание его на сапфировой подложке. Возможно также и схемотехническое, и логическое (увеличение количества контрольных битов) повышение надежности электронных систем.

Клин


Поначалу роботы работали параллельно с людьми-ликвидаторами. И на земле, и на крыше станции, где грунт либо рубероидный настил и бетонная крошка были перемешаны с настоящими минами в виде обломков графитной сборки и топливных элементов, необходимо было в кратчайшие сроки провести работы по дезактивации.

Одними из первых вступили в работу дистанционно управляемые комплексы производства ВНИИ-100 (ныне «ВНИИТрансмаш»). Уже 18 мая от главного конструктора Александра Леоновича Кемурджиана, срочно доставленного в зону бедствия, на правительственной комиссии потребовали: «Вы сделали стране Луноход, управляемый дистанционно — поставьте его на крышу, чтобы он ее чистил!». В ответ на раздраженные возражения, что Луноход для данных задач не приспособлен, Кемурджиан получил еще более категоричный ответ: «Тогда сделайте нам новую машину!»

Новые машины были сделаны в очень короткие сроки. В первую очередь, за всего 44 дня был создан «Клин-1». Это был расчет из двух гусеничных машин: грейдера Объект 032, созданного на базе инженерной машины разграждения ИМР-1 с дополнительным дезактивационным оборудованием, экранированием и системой радиоуправления, а также машины управления Объект 033 на базе танка Т-72.




Сверху вниз: Объекты 032 и 033. Машина управления была обитаемой и находилась в безопасном месте, в то время как радиоуправляемый бульдозер-дезактиватор работал в самой опасной зоне. Всего комплекс помог снять, загрузить в вагоны и вывезти почти 1,5 тысячи кубометров зараженного грунта

«Луноход» тоже был сделан. «Клин-2», более известный как «СТР-1» или специализированный транспортный робот, оказался наиболее результативен в плане очистки крыши 3-го энергоблока.
Машина весом почти в тонну доставлялась на кровлю вертолетом или краном, а после работы заезжала на специальную платформу и перемещалась тем же путем обратно на землю для дезактивации и подзарядки. Инженеры серьезно подошли к ходовой части, чтобы робот как можно эффективнее передвигался по липкому от жары (а чтобы не допустить размыва радиоактивных загрязнений по большой территории со сточными водами от лив��ей, над районом долгое время кружили «Тушки» с зарядами йодистого серебра) битумно-рубероидному покрытию. Нужно было, чтобы битум не прилипал к колесам, и в то же время чтобы колеса хорошо за него цеплялись, удаляя его с кровли вместе с вплавленным радиоактивным мусором. С этой задачей две машины СТР-1 справились, очистив к концу сентября более 3000 кв. м кровли.

Радиационная устойчивость компонентов проявилась, во-первых, в наследовании технологий космической техники — опыт разработки компонентов, защищенных от действия космических лучей, уже имелся. Во-вторых, использовались безотказные способы управления: в самой схемотехнике по-максимуму использовались релейные сборки, а дистанционное управление шло по защищенным радиоканалам.



Помимо ВНИИ-100 на аварии работали машины Ленинградского ЦНИИ РТК. Их было больше разных типоразмеров, но они подвергались существенной критике за плохую управляемость, выходы из строя, медлительность. В рамках данной статьи, родившись после описываемых событий и не являясь специалистом, я не возьмусь что-то строго утверждать. Из найденных мной источников сын Кемурджиана в своей лекции к 30-летию аварии говорит о примерно 1000 человек (имеются в виду рабочие смены, эквивалентные набору одной допустимой разовой дозы для ликвидатора), которых заменил СТР-1. Валерий Стародумов в выпущенном тогда же телефильме говорит о 800 человек, потребовавшихся для обслуживания вышедших из строя роботов. Я же просто порекомендую вам самим посмотреть оба источника, они весьма интересны.



ДУСА


Дистанционно управляемые самоходные агрегаты появились уже после разбора завалов и постройки объекта «Укрытие». Они решали другие задачи — исследование состояния конструкций, поиск топлива (поначалу никто не знал, что в бывшей активной зоне реактора не осталось графитной сборки и топливных элементов — все расплавилось и протекло в подреакторное пространство) и особо зараженных мест.

После возведения «Укрытия» поначалу никто не использовал роботов — исследование помещений успешно велось путем бурения скважин и внедрения зондов с необходимыми датчиками для разведки. В дальнейшем, когда первичная разведка дала основные данные о местоположении топливосодержащих материалов (ТСМ) и состоянии конструкций, роботов начали активно разрабатывать и применять для получения новых данных и телевизионной картинки с места работы.

Требования, предъявлявшиеся к готовым машинам, были следующими. Помимо радиационной защиты, требовалась влаго- и пылезащита. Под «Укрытием» сохранялся влажный климат, а радиоактивная пыль требовала укрывать роботов специальной тканью для облегчения дезактивации. Надежность и проходимость обеспечивалась унификацией узлов, шасси, уменьшением размеров, применением независимой подвески колес тележки. Дистанционное управление и прием сигналов велись по кабелю — радиосигнал глушился бетонными конструкциями станции.

На базе стандартных шасси создавались роботы для следующих задач:

  • Дезактивация. Робот заезжал в помещение, распыляя там с помощью шланга и форсунки дезактивирующий раствор и затем нанося противопылевое покрытие на стены, потолок и пол.
  • Отбор проб бетона. Создавались роботы с манипуляторами, позволявшими бурить стены и образцы застывшего расплава топлива и конструкций для сбора проб с целью последующего анализа.
  • Телевизионная разведка. Для оценки разрушений, причиненных взрывом, а также для производства многих работ, в том числе и другими ДУСА, были созданы специализированные машины наблюдения со смонтированными на них мощными источниками света и телекамерами.


Тележки ДУСА на испытаниях. Обратите внимание на изолирующую ткань. Источник фото здесь и ниже

Интересными примерами являются также роботы с особыми способами перемещения. В полностью разрушенной зоне энергоблока были проложены рельсы, по которым перемещался ДУСА.

Передвигаясь в воздухе над колоссальными разрушениями, непроходимыми для любого вида техники, робот с телекамерой позволил очень подробно картировать и степень повреждения помещений и конструкций, и местоположение радиоактивных обломков.



Совсем экзотической машиной был магнитоход. Он был создан для проведения работ на стенах и потолках помещений, имеющих плакировку, способную намагнититься. Ходовые узлы робота содержали мощные самарий-кобальтовые магниты, позволявшие роботу, двигающемуся по этому покрытию, нести значительный вес. Сдвоенные колесные блоки увеличивали надежность зацепления при преодолении сварных швов и фрагментов немагнитных покрытий. В 1990–91 гг. магнитоход был испытан в лаборатории и применялся на «Укрытии» для установки тепловых датчиков в помещениях парораспределительного коридора. При подготовке к проведению работ по стабилизации конструкций «Укрытия» он измерял дозовые поля на северной контрфорсной стене:



Более подробно со всеми техническими характеристиками все эти устройства описаны в этой книге: А.А. Боровой, Е.П. Велихов. Опыт Чернобыля, и я не вижу необходимости перепечатывать слово в слово материал оттуда, поскольку та работа охватывает еще многие аспекты аварии и прекрасно иллюстрирована.

Примечательно, что роботам еще предстояло повторить этот путь спустя четверть века на другом конце земного шара во всем известной аварии на Фукусиме. И этот путь тоже оказался весьма тернистым.