Не луноходы и не джокеры. Что мы знаем о роботах на Фукусиме



    Одна из тяжелейших техногенных катастроф в истории человечества произошла 26 апреля 1986 года. И затем почти повторилась 12 марта 2011 года. Как вы могли догадаться, речь идет об авариях на Чернобыльской атомной электростанции в СССР и АЭС Фукусима-1 в Японии. Сериал «Чернобыль», снятый HBO, вновь подогрел интерес к истории аварии на ЧАЭС и напомнил о том, с каким трудом удалось остановить выброс радионуклидов из разрушенного реактора в атмосферу. Отдельно там говорилось о неудачном применении роботов и вынужденному обращению к помощи людей. Япония ведёт многочисленные эксперименты с разнообразными роботами, которые могут оттянуть необходимость привлечения людей к ликвидации.

    Происшествия на Чернобыльской АЭС и Фукусиме имеют разные причины и разную хронику событий, но общее в них одно — обширная территория вокруг станций заражена, что делает невозможным долговременное безопасное проживание на ней, а о полной расчистке энергоблоков станций пока не идёт и речи. В обоих случаях человечество оказалось не готово к ликвидации последствий — сотни тысяч человек в СССР работали над дезактивацией зоны отчуждения и строительством защитного саркофага над реактором. В Японии пошли другим путём.

    Справка: нормы облучения


    Фраза о радиационном фоне из сериала «Чернобыль» успела стать мемом в зарубежном интернете: «3,6 рентген — ничего хорошего, но и не ужасно». Действительно, стоит ли бояться этих самых 3,6 рентген в час или это и правда не ужасный фон? Чтобы лучше понимать замеры с Фукусимы, приведённые в посте ниже, надо сперва разобраться со шкалой доз и их влиянием на организм.

    Хорошо знакомый россиянам рентген (Р) — это устаревшая единица измерения радиационного фона, не входящая в систему СИ. Сейчас вместо него применяется Зиверт (Зв). Упрощенно говоря, 1 Зв равен 100 Р. То есть, 3,6 Р/ч — это 0,036 Зв/ч или 36 мЗв/ч. В России на некоторых НИИ можно встретить табло с текущим фоном, измеряемым в рентгенах. В среднем городской фон у нас колеблется на уровне 12-20 мкР/ч или 0,12-0,2 мкЗв/ч. От естественного радиационного фона на нашей планете человек получает дозу порядка 2,4 мЗв в год (зависит от страны и высоты над уровнем моря). Эта радиация поступает из космоса, исходит от почвы, воды, присутствует в воздухе, благодаря газу радону.

    А теперь небольшая таблица с дозами, получаемыми нами в течение жизни (указанное ниже разовое облучение — это получение соответствующей дозы в период до 4 суток):





    Вернемся к упомянутым в сериале 3,6 Р/ч. 0,036 Зв/ч (36 мЗв/ч) действительно не являются ужасным фоном в случае аварии, для развития лёгкой лучевой болезни требуется нахождение в опасной зоне больше суток, а ремонтные работы в течение нескольких часов вполне безопасны и допустимы. А теперь вспомним, как чуть позже сказали в сериале, что фон у реактора составляет не 3,6, а 15 000 рентген (150 Зв/ч). Четыре минуты при таком фоне влекут неизбежную смерть. После двух минут только скорейшая квалифицированная медпомощь может дать шанс на спасение, а для получения лучевой болезни хватит и 25 секунд.

    Toshiba на Фукусиме


    Сотрудничество Toshiba и Токийской энергетической компании (TEPCO) началось еще на этапе строительства АЭС Фукусима-1. Toshiba отвечала за строительство реакторных установок типа BWR для третьего и пятого энергоблоков станции, введенных в эксплуатацию в 1976 и 1978 годах соответственно. В числе достоинств реакторов BWR значится меньшее давление пара в первом контуре, чем, например, у советского ВВЭР, и меньшие рабочие температуры. К недостаткам относят сложность изготовления, необходимость в очень габаритном корпусе, сложность управления и радиолиз в тепловыделяющих элементах, влекущий выработку взрывоопасного водорода.

    Если к аварии на ЧАЭС привел недостаток конструкции реактора РБМК, давший о себе знать во время нарушений при проведении испытаний, то к инциденту на Фукусиме привели сразу два стихийных бедствия. Землетрясение с рекордной магнитудой 9,0-9,1 привело к остановке реакторов, а последовавшее за ним цунами затопило территорию Фукусимы-1 и аварийные генераторы, питающие насосы охлаждения реактора. Реакторы станции, которые даже в случае аварийной остановки не остывают сразу, остались без притока холодной воды, что вызвало её выкипание, повышение давление пара и температуры внутри, образование водорода из-за соприкосновения пара с цирконием в ТВЭЛах (пароциркониевая реакция) и его последующий взрыв. В первом, втором и третьем энергоблоках произошло расплавление активной зоны реакторов и утечка ядерного топлива. На Фукусиме радионуклиды утекают в океан вместе с охлаждающей водой, на ЧАЭС во время пожара они попали в атмосферу и распространились по Европе.


    Хроника случившегося на трех энергоблоках. Пострадал и четвертый энергоблок, но в его реакторе не было ядерного топлива, поэтому только произошел пожар. Источник: Roulex_45 / Wikimedia

    Для ликвидации аварии на Фукусиме необходимо составить карту повреждений, найти расплавленное топливо и места его утечки, удалить отработанное ядерное топливо из реакторов и бассейнов выдержки, разобрать завалы — то есть, провести колоссальную работу под столь же колоссальным радиационным фоном. Сейчас этой работой на ФАЭС занимаются роботы и телеуправляемые машины — отправлять в зону аварии людей слишком опасно, в некоторых местах станции фон может убить человека всего за несколько минут.

    Toshiba совместно с Международным исследовательским институтом по выведению из эксплуатации ядерных реакторов (IRID) занимается разработкой роботов под конкретные задачи — обследование энергоблоков Фукусимы и деконтаминация (очистка) помещений от радиоактивных загрязнений. Мы расскажем о нескольких самых заметных роботах Toshiba, внесших свой небольшой, но важный вклад в дело ликвидации последствий аварии.

    Кстати, существует ошибочное мнение, что на Фукусиме при ликвидации не учли ценного опыта Чернобыля. Это в корне неверно. Сразу после аварии была создана группа японо-российских экспертов в области атомной энергетики по вопросам ликвидации последствий аварии на Фукусиме-1, среди которых присутствовал Ларион Александрович Лебедев — непосредственный участник работ на ЧАЭС с лета 1986 года, бывший в команде физиков МИФИ, внесших огромный вклад в исследование радиационной обстановки и строительство саркофага. После аварии в Японии Ларион Лебедев усовершенствовал технологию выделения трития из радиоактивной воды, что позволило приступить к очистке огромных объёмов тяжёлой воды, оставшейся после охлаждения разрушенных реакторов. От имени правительства Японии Ларион Александрович был награждён Орденом Восходящего солнца, вручаемым за военные и гражданские заслуги.

    Четвероногий разведчик


    Первым роботом Toshiba, оказавшимся на ФАЭС, стал безымянный четвероногий дрон, разработка которого началась сразу после аварии. Его миссией, как и у всех роботов, запущенных на электростанцию в первые годы, была радиационная разведка и оценка повреждений внутри энергоблоков.

    На шасси установили дозиметр и шесть камер для осмотра помещений станции. Защищенная электроника была рассчитана на работу при излучении в 100 мЗв/ч на протяжении года (при 10-часовом рабочем дне) и при гораздо большем фоне в течение коротких промежутков. Правда, одного заряда аккумулятора хватало только на 2 часа автономного существования. Робот двигался со скоростью около 1 км/ч, чего достаточно при исследовании разрушенного энергоблока. Управление осуществлялось по радиоканалу с резервированием на случай помех.


    На дне устройства крепился небольшой разведывательный дрон, который мог отсоединяться от своего носителя и проползать в узкие места, где рослый робот не мог пройти. Его предполагалось использовать для поиска протечек охлаждающей воды под трубами обвязки реактора.

    Нельзя сказать, что на робота возлагались большие надежды: ещё на стадии демонстрации журналисты указывали на медлительность машины — подъём на каждую ступеньку лестницы занимал до одной минуты, а при постановке ноги на нетвердую поверхность робот мог перевернуться на бок.

    Однако первый экспериментальный механизм Toshiba для ФАЭС все-таки смог проникнуть в здание второго энергоблока и провести небольшую разведку. TEPCO опубликовала отчёт, как 11 декабря 2012 робот сделал снимки одной из труб, подтвердив отсутствие протечек. В марте 2013 года он побывал внутри ещё пять раз. Но вскоре при попытке дальнейшего осмотра помещений робот потерял равновесие на лестнице и упал на бок. Из-за отсутствия механизма переворачивания четвероногий разведчик так и остался лежать во втором блоке.

    Складной исследователь Scorpion


    Следующим роботом компании, в котором были учтены все недостатки предыдущей модели, стал Toshiba Scorpion, названный так за свою форму (заглавное фото). Он разрабатывался для очень непростой задачи — исследования днища реактора и поиска топливных стержней, а эта миссия подразумевает работу при огромном радиационном фоне. Scorpion был избавлен от ног, которые заменили на гусеницы, а для компактности конструкцию сделали складной — машину предполагалось забрасывать в реактор через проходы для загрузки топливных стержней. В рабочем режиме робот как бы поднимает свой хвост-манипулятор, двигающийся по трем осям на манер скорпионьего, на конце которого вместо жала приспособлена камера и светодиоды подсветки. Ещё одна камера установлена на передней части и всегда смотрит вперед.

    Scorpion управляется оператором через кабель, поэтому проблем с питанием и передачей сигнала нет. К тому же, робот сделан возвращаемым, он не должен оставаться в реакторе после передачи показаний. Опрокидывание ему не страшно, «хвост» с камерой возвращает робота в нормальное положение.

    В течение нескольких лет Scorpion дорабатывался для того, чтобы наконец попасть внутрь ФАЭС — со временем он получил маленькую водяную пушку для расчистки пути, ковш и резак для работы с кориумом. В феврале 2017 года робот отправился к реактору, где замерил фон и снял видео. Дозиметр показал впечатляющие 210 Зв/ч (21 000 Р). В соседнем помещении, где находились рабочие, загружавшие робота в трубу, фон составлял 6 мЗв/ч.

    ROV: маленькая подводная лодка



    Маленькая подводная лодка с видеокамерами, на которые возложены большие надежды. Источник: Toshiba

    Дистанционно управляемое подводное средство или сокращенно ROV — первый плавающий робот Toshiba, построенный для изучения реактора третьего энергоблока, нижняя часть которого скрыта под шестиметровой толщей воды. Эта маленькая подводная лодка с размерами 30 х 13 см и массой 2 кг несёт на себе две камеры и подсветку, управляется по кабелю и может перемещаться под водой в любом направлении с высокой точностью. Устройством управляет оператор, а сигнал и питание подводятся по длинному кабелю. Чтобы провод не запутался и не зацепился за обломки, Toshiba разработала особое покрытие с минимальным трением, а на самого ROV установили два мощных двигателя, чтобы робот мог спокойно тащить за собой кабель.


    Кстати, диаметр ROV в 14 см был обусловлен узким входным отверстием в корпус реактора третьего энергоблока, поэтому инженерам Toshiba пришлось потрудиться, чтобы уместить в такой компактный корпус электронику, защиту и двигатели. По окончанию двухмесячного интенсивного курса тренировок операторов, Toshiba ROV отправился на ФАЭС. Робот побывал в реакторе 19, 21 и 22 июля 2017 года и успешно осмотрел разрушенные внутренности.

    Магнитный SC-ROV


    Еще одним труднодоступным местом, в котором скопилась вода с радионуклидами, стали тороидальные камеры сброса давления, расположенные ниже реактора. Необходимо было послать робота для поиска протечек под камерой, но дело осложнялось тем, что контайнмент был затоплен — от робота требовалось осмотреть трубы, погруженные в мутную воду. Плавающие устройства для этого не подходили, был необходим зонд, который закрепился бы на трубе и смог ехать по ней, не соскальзывая даже под большим углом.

    Как закрепить робота на стальной трубе, чтобы тот не скатывался? С помощью магнитов. Устройство SC-ROV от Toshiba создавалось специально под параметры камеры сброса давления. Оно представляет собой шасси с колёсами из мощных неодимовых магнитов. С помощью четырех камер и маркера оператор может перемещаться по поверхности погруженной под воду трубы и отмечать найденные отверстия.


    SC-ROV во время демонстрации отлично держался магнитами за наклонную поверхность. Но реальные условия оказались куда жестче. Источник: IRID

    По результатам работы SC-ROV в 2014 году утечек найдено не было, но обнаружились проблемы в эксплуатации устройства. Во-первых, из-за мутности воды дальность видимости не превышала 30-35 см, что значительно тормозило поиски. Во-вторых, из-за неких дефектов поверхности трубы робот всё же соскальзывал с нее при наклоне до 120°.

    Камера для поиска кориума


    Предыдущие поисковые миссии продемонстрировали угнетающую картину — ядерное топливо в реакторе второго энергоблока вышло за пределы корпуса реактора. Фотографии проплавленной решётки на дне контайнмента однозначно давали понять, что топливо уже где-то на дне. Но задержала ли его защитная оболочка или кориум ушел в грунт? Нужно было послать нового робота в самое «пекло» бывшего реактора к невероятно фонящему топливу.


    Расплавленная решётка внутри контайнмента второго реактора — точно над приводом стержней системы управления и защиты. Источник: TEPCO

    Роботы на гусеничном ходу работают только на ровном полу, а подводной лодке нужна толща воды. В Toshiba придумали телеуправляемую камеру, закрепленную на конце пятиметровой телескопической трубы. Вне зависимости от угла входа трубы в контайнмент, камера принимает строго вертикальное положение — основной блок удерживается управляющим кабелем, то есть камера как бы «висит на проводе». Ее объектив вращается на 360° по горизонтали и 120° по вертикали. На самом деле на устройстве сразу две камеры — непосредственно рабочая и камера для ориентирования. Помимо объективов на блоке установлены подсветка, дозиметр и термометр. Устройство выдерживает поглощенную дозу до 1000 грей.


    Первая версия камеры отработала на Фукусиме в январе 2018 года, где успешно нашла кориум и замерила фон, составивший 530 Зв/ч (53 000 рентген). Но на этом работа не закончилась — потребовалось взять образцы на анализ. В обновленной версии устройства была усилена подсветка и добавлен раздвижной манипулятор. В феврале 2019 года телеуправляемая камера Toshiba впервые получила образец кориума из второго энергоблока.

    Машина-уборщик


    Помещения энергоблоков рано или поздно придётся дезактивировать, но сперва нужно составить карту загрязнений. Результаты многочисленных исследовательских миссий показали весьма безрадостную картину: вопреки ожиданиям, большинство радионуклидов осело не на полу и не на стенах, а на верхнеуровневых элементах, вроде трубопроводов и вентиляции — на них приходилось до 70% всего излучения. Деконтаминировать пол относительно просто, стены чуть сложнее, но как добраться до загрязнений на потолке и в хитросплетениях труб, учитывая, что высота потолков на первом этаже составляет 7-8 метров?


    «Уборщик» радионуклидов от Toshiba — поднимается на 8 метров в высоту и прилежно скоблит стены. Источник: IRID

    Toshiba разработала робота, оперирующего пушкой с сухим льдом — ледяная пудра покрывает поверхность, связывает радиоактивные частицы, а робот соскабливает ее и всасывает в себя. Механизм поднимает конструкцию на высоту до 8 метров. Так как это ещё одна телеуправляемая машина, её оператор получает картинку аж с 22 камер одновременно. Машина приступила к очистке энергоблоков в январе 2016 года. Производительность её невелика, но ценен даже маленький вклад в дело деконтаминации станции.

    Помощь, но не решение


    С момента аварии на Чернобыльской атомной электростанции прошло 33 года, с тех пор технологии совершили колоссальный рывок. Сейчас в ликвидации последствий на Фукусиме участвуют десятки роботов и видов телеуправляемой строительной техники. На сайте TEPCO выложено множество отчётов, данные из которых в целом формируют весьма печальную картину: есть роботы и есть технологии, но все они и близко не подобрались к эффективности работы ликвидаторов ЧАЭС. Разработка и испытания роботов занимает месяцы и годы, а итог их работы — продвижение на десяток метров, сбор дозиметрических данных, мутное видео и частое прекращение миссий из-за непредвиденных проблем.

    Каждый робот на Фукусиме — это сохранённые люди, а каждая человеческая жизнь стоит того, чтобы заниматься разработкой роботов. Но текущие планы TEPCO ясно дают понять, что по самым скромным оценкам ликвидация последствий аварии займёт по меньшей мере 30-40 лет. И это лишь подтверждает героизм и масштаб подвига советских ликвидаторов Чернобыля.
    Toshiba
    71,19
    Больше, чем обычные технологии. Больше, чем бизнес
    Поделиться публикацией

    Комментарии 22

      0
      Любопытно было бы узнать, как их электроника защищена от излучения. И случаются ли глюки из-за радиации.
        +1
        Начинается все обычно вот так:
        After about two hours, the two cameras on the robot suddenly developed a lot of noise and their images quickly darkened — a sign of a problem caused by high radiation. Operators of the robot pulled it out of the chamber before completely losing control of it.

        По ссылке сказано, что роботы спроектированы под дозу в 1000 Зв. Зиверты — некорректная единица измерения для дозы в кремнии, но если они имели в виду грей, то 1000 Гр — это довольно скромный уровень, которого можно достичь не только использованием радстойкой электроники, предназначенной для космоса, но и грамотным подбором (при некоторой доле везения) индустриальных компонентов.

        Камера — в любом случае самое слабое место.
          0
          Камеры уже давно научились защищать.
            0
            Как видите, не в Тошибе)
            Ну и видикон — все же не то же самое, что ПЗС или КМОП-матрица, при использовании которых (а они, подозреваю, радикально дешевле) именно камера будет уязвимым местом.
              0
              Кстати, самый простой и очевидный способ защиты камеры — это установить зеркало под небольшим углом. Свет отклонится, а частицы пройдут зеркало насквозь. Это вроде ещё в 80е сделать догадались.
                0
                Это если со всех остальных сторон есть какая-то защита от радиации. А ее в легких компактных роботах, скорее всего, нет.
                  0
                  А вокруг толстый слой парафина) Он лёгкий, правда не компактный)
                    +1
                    Парафин хорошо защищает от нейтронов, а их там почти и нет. Там мощнейшая бета и много гаммы, от которых парафин помогает мало. Ну и альфа.
        0
        Видел вот такой рассказ про Фукусиму. Интересно, насколько это правда?
          +2
          да вроде так и было все, насколько помню. Еще тогда сильно удивился, что и через взорвалось несколько реакторов подряд и последний взорвался на четвертые сутки после цунами. Выглядело это все так, будто персонал просто свалил со станции и бросил греющиеся реакторы без охлаждения.
          Ну и резервные ДГ в прибрежной зоне и в подвальных помещениях — тоже «гениальное» решение.
          Честно говоря, даже у нас такой уровень вакханалии и разгильдяйства представить не могу на подобных объектах.
            +1

            Достаточно обрушение арматурного каркаса на ЛАЭС-2. Ну и кто строил)
            Хотя вроде работает

          0
          Кому интересна тема работы роботов Фукусимы, рекомендую документальный фильм «Фукусима. Роботы в аду / Fukushima: Robots in Hell».
          0
          АЭС Три-Майл-Айленд, по ЧП известны не все факты, США не отрицает, но и не афеширует( автор не знал/ забыл упомянуть в начале статьи)
            0
            > Каждый робот на Фукусиме — это сохранённые люди

            apjjf.org/2011/9/18/Paul-Jobin/3523/article.html
            en.wikipedia.org/wiki/Fukushima_Daiichi_nuclear_disaster_casualties

            > В Японии пошли другим путём

            Это мягко говоря неправда www.japantimes.co.jp/news/2012/01/06/news/domestic-robots-failed-to-ride-to-rescue-after-no-1-plant-blew Японцы обосрались с роботами. Из-за распилов и закрытых программ по разработке оказались абсолютно неготовы. Никакой Тошибы после аварии и близко не было. Первым отправили пылесос iRobot взятый у американских военных, который там же сразу и крякнул. Да, конечно потом роботы сыграли свою роль, но это было потом и это нельзя назвать «другим путём».
              0
              «Другой путь» это не отправлять с лопатами тысячи своих солдат
                0
                Ну что вы городите? Именно что людской труд позволил не допустить ситуации «лопат тысяч солдат» youtu.be/gC9Cr8l7AsA?t=4061
              0
              привели сразу два стихийных бедствия.

              К аварии привело всего одно стихийное бедствие — нерасторопность при прокладке кабеля от ближайшего источника электроэнергии.
                0
                Хочу немного порассуждать как дилетант.
                Мне вот интересно, зачем упорно лезть сейчас вовнутрь реактора, с помощью сложных роботов и т.д. Так ли важно знать, какой фон на каком квадратном дециметре пола и стен.
                Ведь снаружи относительно чисто, намного чище, чем было вокруг чернобыльского реактора. Можно работать, строить?
                Вот и разворачивайте стройку конфайнмента (конфайментов) над реакторами, по типу новой чернобыльской арки.
                А потом от верха к низу постепенно разбирайте реакторы тупыми телеуправляемыми механизмами типа больших болгарок, кранов и т.д.
                Отрезали кусок трубы тонн в 10, краном с электромагнитом перенесли в контейнер, герметично закрыли, увезли на захоронение, подогнали следующий контейнер, повторили. Инструменты — портальный кран со сменными инструментами (черпак для мелкого грунта, электромагнит для металлоконструкций, захват для крупных обломков, стальная баба для ударного сноса стен), и отдельно — большая болгарка на руке-манипуляторе, такой же автоген, большой перфоратор. И не нужна никакая тонкая электроника, управление через релейные схемы людьми дистанционно. Всё это оборудование самое простое, но и мега-надёжное, чтобы людям приходилось как можно меньше лазить внутри арки для ремонта.
                Для уменьшения заражения можно распылять водяной туман и постоянно фильтровать атмосферу внутри арки.

                Я смотрел интервью, которое МШ брал у дозиметриста-ликвидатора на ЧАЭС, он говорил, что с трудом представляет, как будут разбирать ЧАЭС, хотя арка уже стоит. Но мне всё же кажется, если будет герметичная арка, можно быть проще, и просто смело громить, кромсать и отгружать на захоронение всё подряд. Ну рухнет какая-то стена или балка, ну и что, пыль за пределы арки не вылетит. По-моему, так следует делать в Чернобыле, и так же на Фукусиме.
                И так пока на месте реактора не останется только дыра с кориумом. Как его убирать — уже тема отдельного разговора.
                А вместо этого тянется время, составляются карты заражения, расположения обломков и т.д. Представляю, если бы так десятилетиями сносили любой старый ветхий дом в городе.
                Где я неправ?
                  –1
                  Мне вот интересно, зачем упорно лезть сейчас вовнутрь реактора, с помощью сложных роботов и т.д. Так ли важно знать, какой фон на каком квадратном дециметре пола и стен.
                  Ведь снаружи относительно чисто, намного чище, чем было вокруг чернобыльского реактора. Можно работать, строить?

                  Сериал смотрели? Помните, для чего там шахтеры галерею строили? Чтобы расплав не попал в грунтовые воды. Вот на Фукусиме как раз это и произошло. Радиация попала в грунтовые воды и отравила Тихий океан. Фукусимская авария намного более серьезная по своим последствиям для экологии планеты, чем Чернобыльская.
                    0
                    Да, но это другая проблема. С ней, насколько я знаю, борются путём создания зон заморозки в грунте между АЭС и океаном, заливания трещин и прочее.
                    А я всё же про демонтаж самих зданий и реакторов.
                  0
                  первый робот очень похож на Индикатора из Тайны третьей планеты

                  image

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое