Застосування новітніх технологій на АЕС

Четверта науково-технічна революція, настання якої датується серединою ХХ століття, знаменувала початок глобалізації та застосування новітніх технологій. Інновації поступово охопили всі сфери суспільного життя. Сьогодні ми дивимося 3D-кіно, робимо фотознімки з допомогою дронів, подорожуємо різними світами за допомогою віртуальної реальності. Це все стало звичним для багатьох людей.   

Не в новину і не як окремо створений проєкт, а для повсякденного використання сучасні технології увійдуть і в атомну сферу вже в найближчому майбутньому. Впровадження інновацій в ядерній галузі було спричинене не лише науково-технічним прогресом, але й ядерними аваріями на атомних електростанціях Трі-Майл-Айленд, Чорнобильській, Фукусіма-1. Які саме нанотехнології набули широкого застосування в атомній сфері, розповідає редакція вебсайту Uatom.org.  

Використання роботів для ліквідації наслідків аварій на Чорнобильській та «Фукусіма-1» АЕС  

Вперше термін «робот» було використано у 1921 році у п’єсі чеського письменника Карела Чапека «Р.У.Р» на позначення штучних істот, які ззовні нагадували людей. У атомній сфері першим роботом вважають появу у 1949 році копіюючого маніпулятора (Master-slave Manipulators, MSM) Model-1 для забезпечення роботи персоналу з радіоактивними препаратами.  

Маніпулятори в атомній сфері зазвичай використовуються для зняття з експлуатації та демонтажу ядерних установок. Так, німецька компанія «Wälischmiller Engineering» займається розробкою ядерних технологій з 1950 року. Їх водонепроникні маніпулятори, призначені для демонтажу ядерних реакторів, вперше були створені у 1990 році. З того часу вони допомогли у демонтуванні трьох німецьких АЕС – Грайфсвальд (1995-1998), Райнсберг (1995-1998), Обригхайм (2015-2016). Крім того, їх маніпулятори можна використовувати під час ремонту ядерних установок та у випадку настання аварійних чи надзвичайних ситуацій.   

В Україні роботи почали застосовувати у 1986 році для ліквідації наслідків аварії на ЧАЕС. Першим роботом, який пропрацював майже рік, був самостійно створений дитячий танк-іграшка з прикрученим дозиметром і ліхтариком, керування якого відбувалося за допомогою кабелю від пульта. За цей час було залучено близько 15 модульних роботів. Важкі (технологічні) роботи, зокрема «Мобот-Ч-ХВ», «Клін-1», «СТР-1», призначалися для прибирання та дезактивації території, а легкі роботи-розвідники, серед яких «РР-Г1», «PKK-1», «РДК», «РДГ», – для вивчення радіаційної обстановки в приміщеннях «Саркофага»».  

З 1990 року МНТЦ «Укриття» НАН України спільно з ІАЕ ім. І. В. Курчатова почали працювати над розробкою дистанційно керованих агрегатів (ДКА), здатних працювати на 4 енергоблоці ЧАЕС. За чотири роки було створено три ДКА – ТР-3 (для відеорозвідки приміщень об’єкта «Укриття»), ТР-4 (для взяття проб радіоактивних матеріалів усередині об’єкта «Укриття» та оцінки кількості та складу паливовмісних матеріалів), ТР-7 (для нанесення пилопригнічувальних складів). Конструювання та виготовлення ДКА для відбору проб радіоактивних аерозолів розпочали і у відділенні ядерної та радіаційної безпеки ІПБ АЕС у 2013 році.   

Підтримуючи Україну у боротьбі з наслідками аварії на ЧАЕС, Департамент енергетики США та Національне аерокосмічне агентство США (НАСА) профінансували розробку та виготовлення радіаційно-стійкого рухомого діагностичного робота «Піонер», який використовувався для створення тривимірних цифрових реконструкцій навколишнього середовища, створення тривимірної бази даних, оцінки цілісності конструкцій будівлі об’єкта «Укриття», отримання зразків з підлоги та стін.  

Роботи на АЕС «Фукусіма-1» застосовуються для пришвидшення зняття з експлуатації атомної електростанції, для проведення досліджень, дезактивації зон з високим рівнем радіації та видалення уламків палива з резервуара або корпусу реактора, а також для розробки технології інспекції внутрішньої частини захисної оболонки реактора. Також у рамках співробітництва з місцевими та міжнародними компаніями роботи застосовуються для подальших спільних розробок. Зокрема, компанія поділяє застосування роботів на два види:, які застосовуються на цокольному (нульовому) поверсі та вище першого поверху АЕС.   

На цокольному поверсі застосовуються 7 видів роботів, розроблених компаніями Toshiba, Hitachi GE, ATOX, Topy Industries. Зокрема, для дослідження зовнішньої нижньої поверхні камери придушення (КА-ТПА), стіни між реактором та машинною залою, вентиляційних труб; для вимірювання рівня води усередині камери придушення; для виявлення місць витоків у захисній оболонці реактора тощо. Вище першого поверху АЕС застосовуються 19 видів роботів для:  

1. Виявлення джерела радіації – роботи Kanicrane (Hitachi GE), Rosemary, Sakura (Chiba Institute of Technology, Hitachi GE)  
2. Дезактивації місць з високим рівнем радіації. Наприклад, робот, розроблений компанією Toshiba, проводить дезактивацію за допомогою сухого льоду, а робот від компанії Hitachi GE – за допомогою потоку води під високим тиском. Робот MEISTeR, розроблений компанією Mitsubishi Heavy Industries, для дезактивації використовує спосіб дробоструминної обробки  
3. Прибирання захисних екранів та залізних пластин, – робот TEMBO, розроблений компанією Mitsubishi Heavy Industries  
4. Огляду та оцінки стану певного обладнання. Наприклад, компанія Hitachi GE розробила робот, який може змінювати форму, для дослідження внутрішньої частини захисної оболонки реактора. Спочатку він набуває трубчастої форми, щоб перетнути вузьку трубу і дістатися до  внутрішньої частини захисної оболонки, а потім розширюється в U-подібну форму;  
5. Прибирання сміття – робот ASTACO-SoRa від компанії Hitachi GE;  
6. Усунення перешкод – робот Warrior від компанії iRobot  
7. Проведення досліджень. Наприклад, робот від компанії Hitachi GE використовує 3D лазерне сканування для отримання даних всередині корпусів реактора.  

Отже, як бачимо, на атомних електростанціях роботи набули поширення в основному для зняття АЕС з експлуатації. Аналізуючи застосування роботів на Чорнобильській та «Фукусіма-1» АЕС, можемо підсумувати, що потрібно передбачати використання роботів різних видів та з різними видами доступу. Це сприятиме подоланню наслідків аварії, уникаючи при цьому радіаційного зараження персоналу АЕС. Також використання робототехніки на АЕС допоможе у проведенні досліджень та розробці плану дії у випадку аварійних чи надзвичайних ситуацій.  

Застосування імерсивних технологій на АЕС: віртуальна та доповнена реальність  

Варто розпочати з того, що у норвезькому місті Халден ще з 1948 року функціонує Інститут енергетичних технологій, одним із завданням якого є розробка новітніх технологій у сфері віртуальної реальності, доповненої реальності, цифровізації для забезпечення ядерної безпеки. На базі інституту діє Центр віртуальної реальності, діяльність якого спрямована на проєктування робочих місць, навчання техніки безпеки та оптимізації роботи для критично важливих робіт для безпечної експлуатації установок. Центр віртуальної реальності можна використовувати для моделювання центру управління та імітації дій персоналу у цифровому двійнику контрольованого об’єкта.  

Найпоширенішим способом використання технології віртуальної реальності є підготовка персоналу до будь-яких можливих сценаріїв експлуатації ядерних реакторів – від невеликих порушень до аварійних ситуацій.  

Перша атомна електростанція у світі, яка облаштувала навчальну кімнату віртуальної реальності для операторів диспетчерської, – АЕС Ловійса у Фінляндії. Реалізовувала проєкт компанія «Varjo», яка створила шолом віртуальної реальності з вбудованою функцією відстеження погляду. «Інструктори можуть стежити за рухами очей учнів, а також давати їм завдання. Якщо учню необхідно перевірити певне значення з провідних панелей диспетчерської, за допомогою даних погляду в реальному часі в середовищі віртуальної реальності можна визначити тригер, який повідомить, що учень не виконав завдання після прочитання інструкцій за достатню кількість часу». Тобто ця функція дозволяє аналізувати поведінку оператора і отримувати інформацію про те, наскільки добре працюють інтерфейси користувача. 90% персоналу АЕС Ловійса пройшли навчання з використання віртуальної реальності та готові впроваджувати її для навчання та щоденного застосування.   

У Технологічному інституті Університету Онтаріо в Канаді експлуатують віртуальний симулятор ядерного реактора для навчання персоналу аварійного реагування базовим знанням про роботу диспетчерської під час аварійних ситуацій на атомних електростанціях. У режимі реального часу фахівці перебувають у диспетчерській для експлуатації реактора в різних сценаріях. Під час навчань передбачено зупинку роботи симулятора для аналізу поведінки учасників та надання інформації про можливі дії у надзвичайних ситуаціях за межами майданчика.  

Постачальник ядерних реакторів Hitachi Nuclear Energy використовує віртуальну реальність з кінця 2021 року для навчання персоналу АЕС сценаріям експлуатації, що виникають під час простоїв або технічному обслуговуванню. Завдяки інструменту Nuclear Virtual Reality Solution (VRS), можна змоделювати різні види енергетичних установок, включаючи реактори з киплячою водою, реактори з водою під тиском та технології руху палива.   

Крім підготовки та навчання працівників атомних електростанцій, технологія віртуальної реальності може використовуватися під час проєктування та експлуатації ядерних реакторів.  

Інститутом технологій безпеки ядерної енергетики Китайської академії наук була розроблена віртуальна атомна електростанція (Virtual4DS) – «інтегрована імітаційна платформа, що охоплює середовище АЕС, основою якого є цифровий реактор, що складається з цифрового трафіку, цифрової метеорології та даних про процеси у земній корі». Віртуальну АЕС можна підключити до нової системи управління атомною електростанцією для імітації експлуатації, навчання персоналу, а також моделювання надзвичайної ситуації для перевірки ефективності плану дій працівників в екстрених умовах. «Virtual4DS виконує такі задачі: моделювання проєктування та експлуатація реактора, моделювання аварії та попередження про них, повномасштабна міграція радіонуклідів та оцінка наслідків для навколишнього середовища, оцінка ризиків для здоров’я населення».  

У 2019 році розробники з Японського агентства з атомної енергії та Токійської енергетичної компанії випустили комплект віртуальної реальності, який може перенести людей усередину радіоактивного реактора Фукусіма. За допомогою зібраної інформації вчені та інженери можна дізнатися, які види роботів можна використовувати для дослідження радіоактивних уламків усередині цих реакторів.  

Одним із важливих етапів у забезпеченні безпеки ядерних установок є етап проєктування. Його обов’язкова складова – валідація, яка визначає, чи диспетчерська за призначенням працює. Віртуальна реальність дозволяє проводити перевірки, давати попередні оцінки та сприяє ранньому виправленню помилок до реалізації конструкції. Інтегровану системну валідацію диспетчерських АЕС втілила вже вище згадана компанія «Varjo».  

В атомній енергетиці віртуальну реальність також застосовують під час навчання технічному обслуговуванню турбін та їх огляду. Це менш затратно за створення фізичних моделей, та й за допомогою останніх інженери не можуть побачити в дії різні компоненти турбіни чи двигуна. Крім того, віртуальна реальність сприяє навчанню поводження з ядерним паливом. Працівники можуть навчитися, як правильно поводитися з паливом, не завдаючи шкоди структурній цілісності реактора та запобігаючи впливу радіації. В останнє десятиліття популярності набувають віртуальні тури атомними електростанціями, що допомагає інженерам краще орієнтуватися атомною електростанцією, а відвідувачі зможуть ознайомитися зі спорудою АЕС, її диспетчерською, розміщеними реакторами, розподільчою станцією тощо.  

В Україні технологія віртуальної реальності застосовувалася для зняття з експлуатації трьох непошкоджених енергоблоків ЧАЕС. Проєкт «Центр візуалізації зняття з експлуатації Чорнобильської АЕС» було започатковано у 2006 році за підтримки Міністерства закордонних справ Норвегії, а вже наступного року в рамках пілотної версії проєкту було здійснено візуалізацію віртуального тривимірного середовища, розроблено та задокументовано процедури демонтажу. Розроблене програмне забезпечення підтримувало лише основні функції для виконання процедур демонтажу.  

Однак, до 2012 року проєкт повільно реалізовувався через необхідність укладання міжурядової угоди про співпрацю між Норвегією та Україною. 30 листопада 2012 року в Осло було підписано міжурядову угоду, а у 2016 році було остаточно створено «Центр візуалізації зняття з експлуатації Чорнобильської АЕС» з метою впровадження на ЧАЕС новітніх технологій віртуальної реальності та 3D-моделювання. Пройшовши навчання, спеціалісти ЧАЕС створюють детальну 3D модель об’єкта, де відбуватиметься робота. Модель містить у собі точне розташування обладнання, персоналу та інструментів у приміщенні. Після цього на основі обстежень у модель вноситься картограма радіаційного забруднення.  

У рамках реалізації проєкту було візуалізовано поля гамма-випромінювання в зоні відчуження. На основі даних вимірювань було здійснено розрахунок доз професійного опромінення для визначення норм, які може отримати персонал під час знаходження на радіоактивно забрудненій території. Це слугує для подальшої мінімізації ризиків радіоактивного зараження та оптимізації роботи персоналу. Працівникам проєкт дозволяє планувати робочі завдання, пов’язані з демонтажем установки, створювати необхідну документацію та здійснювати навчання на етапі зняття з експлуатації.   

Впровадження новітніх технологій на Чорнобильській атомній електростанції сприятиме в плануванні робіт зі зняття з експлуатації, оперативному зберіганню та поданню інформації про об’єкти ЧАЕС, під час інженерних, радіаційних обстеженнях та демонтажних роботах, у поводженні з радіоактивними матеріалами, для навчання персоналу тощо. Реалізований проєкт – це підготовка персоналу перед етапом зняття з експлуатації з метою зниження робочого навантаження, виявлення можливого радіаційного опромінення та підвищення ядерної безпеки.   

Отже, можна підсумувати: найчастіше технологію віртуальної реальності застосовують для навчання та підготовки працівників атомних електростанцій, щоб отримати практичний досвід, який не можливо відтворити на фізичних макетах або під час роботи електростанції, підготуватися до аварійних ситуацій та оцінити дії в екстрених ситуаціях. Змодельоване за допомогою віртуальної реальності середовище допоможе у обслуговуванні ядерних реакторів, поводженні з ядерним паливом та сприятиме підготовці зняття з експлуатації. Крім того, віртуальна реальність може слугувати для дослідження радіоактивних уламків всередині уламків.   

Радіологічне обстеження територій та збір даних за допомогою дронів  

В атомній сфері дрони або БПЛА зазвичай використовуються для радіологічного обстеження територій та визначення потужності амбієнтного еквіваленту дози (ПЕД) гамма-випромінювання. Спочатку дрони обладнують детекторами випромінювання, камерами та GPS-приймачами. Під час злету дрон синхронізується з наземною станцією за допомогою GPS-координат та в режимі реального часу передає дані вимірювань, які далі зберігаються в бортовій системі. Візуалізувати радіаційну обстановку обстежених територій можна після приземлення дрона, поєднавши фотографічну та географічну інформацію з радіометричними даними.    

Після аварії на японській АЕС Фукусіма у 2011 році високий рівень радіаційного забруднення становив загрозу для людей, прилеглих територій та для проведення подальших досліджень, зокрема моніторингу показників радіації. Це зумовило застосування новітніх технологій. Так, упродовж 2012-2020 років спільними зусиллями працівників Фукусіми та МАГАТЕ було розроблено технологію радіаційної розвідки за допомогою дронів. За допомогою безпілотних літальних апаратів, обладнаних детекторами іонізуючого випромінювання, камерами та GPS-пристроями, проводять дистанційний моніторинг рівня радіації в районах префектури Фукусіма. Зібрані за допомогою дронів дані можуть використовуватися для оцінки потенційних радіаційних ризиків та обґрунтування відповідних планів та стратегій у галузі відновлення територій, дезактивації стоків та поводження з ядерними відходами в Японії.  

Для виявлення місць захоронення радіоактивних відходів у Чорнобильській зоні відчуження використовувалися лідар на базі БПЛА та мультиспектральні зображення. Цей метод включав генерування цифрової моделі місцевості та тривимірної карти рослинності на основі даних та отримання характеристик дерев, включаючи щільність, висоту та види дерев. Після цього були побудовані гістрограми та лідарні метрики, за допомогою яких відбувається машинне навчання рандомного класифікатора лісів. Відповідно до результатів дослідження, застосування лідара на базі БПЛА та мультиспектральних зображень засвідчив про виявлення невідомих захоронень радіоактивних відходів, що підтверджується бурінням 38 свердловин, де було знайдено раніше захоронені ядерні матеріали.   

Дрони в атомній галузі можна використовувати не лише для радіологічного обстеження, але й для більш рутинних завдань на атомних електростанцій, таких як перевірка обладнання, зчитування показань датчиків, збір даних тощо.  

Застосувавши штучний інтелект та алгоритми машинного навчання, дослідники з Національної лабораторії Айдахо розробили програму дистанційної керованої безпілотної навігації дронів (ROUNDS) для забезпечення автономної роботи у межах атомної електростанції за допомогою розширеного аналізу зображень та зчитування QR-кодів. Скануючи QR-коди, розміщені на АЕС, дрон визначає своє місцеперебування і таким чином виконує прописане кодом завдання, таких як збір даних або перевірка показників датчиків. Отримана інформація передається контролеру на стаціонарний комп’ютер, а після виконання всіх завдань дрон повернеться на зарядний майданчик. Програмне забезпечення ROUNDS дає змогу дронам швидко рухатися у замкненому просторі промислових приміщень, долати великі відстані за короткий проміжок часу. Створивши програму дистанційної керованої безпілотної навігації дронів, дослідники прагнули застосовувати їх для здійснення перевірки території АЕС, контролю запасів ядерних матеріалів, збору даних та перевірки обладнання.  

Крім переваг застосування дронів, існують небезпеки та ризики, які загрожують ядерній безпеці атомних електростанцій. Зокрема, ще у 2014 році було відомо про несанкціонований політ дронів над сімома атомними електростанціями Франції, а у 2016 – про загрозу ядерної безпеки на сховищі ядерних відходів Саванна Рівер у США (Savannah River Site – SRS). За два місяці на майданчику службою безпеки було виявлено вісім дронів. У 2016 році управитель безпілотника запустив його над градирнею атомної електростанції Лібштадт у Швейцарії. Опублікувавши відео польоту, він змусив людей замислитися, як легко дрон може потрапити на АЕС. У 2018 році поставили під загрозу ядерну безпеку атомних електростанцій активісти Грінпісу. Для привернення уваги до проблем навколишнього середовища та відсутності фізичного захисту навколо АЕС вони запустили дрон у французьку атомну електростанцію, а вже наступного року за допомогою безпілотника скинули димову шашку над ядерним об’єктом, де зберігалося опромінене паливо.  

В результаті збільшення кількості літаючих дронів над атомними електростанціями Комісія ядерного регулювання США спільно з Національною лабораторією Сандіа у 2020 році ініціювала проведення технічного аналізу, щоб оцінити ступінь загрози літаючих дронів. Комісією було постановлено, що використання безпілотних літальних апаратів не становить загрози для атомних електростанцій США, зокрема отримана інформація не може спричинити радіологічний саботаж, крадіжку або витік спеціального ядерного матеріалу (реакторного палива).    

Використання 3D-друку для виготовлення запчастин ядерних реакторів, розміщених на АЕС  

Першою, хто використав технологію 3D-друку для виготовлення запчастин для атомних електростанцій, стала компанія Siemens. У 2017 році технологами було створено робоче колесо діаметром 108 мм для протипожежного водяного насоса на АЕС Кршко в Словенії. Оригінальна деталь працювала з моменту введення атомної електростанції в експлуатацію в 1981 році. Для цього технологи Siemens створили цифровий двійник запчастини, а потім виготовили деталь, застосувавши процес адитивного виробництва. Слід зазначити, щоб надрукована деталь могла використовуватися на АЕС, було проведено випробування протягом кількох місяців, яким передували дослідження матеріалу в незалежному інституті, а також перевірки за допомогою комп’ютерної томографії.  

У 2022 році американська компанія «Надбезпечна Ядерна Корпорація» (USNC) отримала ліцензію на використання нового методу 3D-друку деталей для ядерних реакторів, що був розроблений Окріджською Національною лабораторією Міністерства енергетики США. Для друку деталей складних форм з вогнетривких матеріалів, стійких до екстремально високих температур та деградації, використовується струменевий друк за технологією адитивного виготовлення у поєднанні з хімічною інфільтрацією пари – процесом керамічної інженерії. Як матеріал USNC обрала стійкий до дії високих температур та випромінювання карбід кремнію. Треба зауважити також, що до появи цієї технології виготовлення запчастин для реактора з цього матеріалу було трудомістким і дорогим. Нова технологія дозволить зробити процес виробництва деталей реактора ефективнішим, простішим та дешевшим.  

У цьому ж році за допомогою технологій 3D-друку компанія Westinghouse у тісній співпраці з операторами заводів Teollisuuden Voima Oyj (TVO) та OKG створила фільтр для сміття від ядерного палива StrongHold AM. Надруковані на 3D-принтері фільтри було встановлено на двох блоках з реакторами BWR (реактор киплячий водо-водяний) на атомних електростанціях Olkiluoto 2 у Фінляндії та Oskarshamn 3 у Швеції. Новостворена розробка запобігатиме потраплянню сміття в паливні збірки та потенційному пошкодженню оболонки, що може призвести до незапланованих та дорогих простоїв.   

Технологія 3D-друку лише починається застосовуватися на АЕС. Проте впровадження цього нового методу дуже важливе для атомної галузі, оскільки допоможе пришвидшити та здешевити процес виготовлення запчастин та деталей. Крім того, це сприятиме створенню деталей-двійників, виробники яких вже закрили свої підприємства.  

Глобалізація, діджиталізація, цифровізація, – все це неминучі процеси ХХІ століття. Осучаснення охопило усі сфери діяльності, а інновації стали рушійною силою для змін та розвитку постіндустріального суспільства. В ядерній сфері новітні технології – не лише важливий інструмент для автоматизації виробництва чи отримання доступу у важкодоступні місця. Іновативність відіграє важливу роль у забезпеченні ядерної та радіаційної безпеки.  

Як бачимо, використання роботів чи віртуальної реальності – явище не нове у атомній сфері, хоч досі і не стало дуже поширеним. Дрони почали застосовувати з часу аварії на «Фукусіма-1», натомість технології 3D-друку лише починають впроваджувати.  

Найбільшого поширення новітні технології набули під час зняття з експлуатації АЕС. Це і не дивно, адже з їх допомогою можна виявити джерело радіації, не піддаючись при цьому іонізуючому випромінюванню, та дезактивувати його. Крім того, застосування сучасні технології забезпечать цілодобовий моніторинг стану АЕС та її устаткування, тим самим попереджуючи небезпеку про можливий витік радіації.   

Впровадження новітніх технологій сприятиме і підготовці кваліфікованого персоналу, який зможе отримувати практичний досвід, або ж перепідготовці у разі будівництва нових видів реакторів. Крім того, за допомогою новітніх технологій можна оцінити поведінку персоналу АЕС у випадку екстренної чи аварійної ситуації та підготувати план дій на майбутнє. Не варто знецінювати вплив новітніх технологій і на проведення досліджень, адже їх використання полегшує збір та опрацювання даних, тим самим сприяє новим розробкам.   

Проте не варто забувати, що, застосування новітніх технологій не зможе попередити загрози, спричинені халатністю персоналу АЕС чи природніми катаклізмами. Урім переваг застосування новітніх технологій на АЕС, існують недоліки і ризики, адже у будь-який момент можна втратити контроль над керуванням і тим самим піддати небезпеці ядерну безпеку атомної електростанції.  

Очевидно, за новітніми технологіями – майбутнє. І якщо нині ми розглядаємо лише робототехніку, віртуальну реальність, дрони та технології 3D-друку, то незабаром серед сучасних технологій, які застосовують на АЕС, будуть різноманітні цифрові рішення та мобільні додатки, адже весь світ рухається у сферу діджитал, і атомна галузь винятком не стане. 

Редакція вебсайту Uatom.org