Применение современных технологий на АЭС

Четвертая научно-техническая революция, которая датируется серединой ХХ века, знаменовала начало глобализации и применения современных технологий. Инновации постепенно охватили все сферы общественной жизни. Сегодня мы смотрим 3D-кино, делаем фотоснимки с помощью дронов, путешествуем по разным мирам с помощью виртуальной реальности. Это все стало привычным для многих людей.

Не в новшество и не как отдельно созданный проект, а для повседневного использования современные технологии войдут и в атомную сферу уже в ближайшем будущем. Внедрение инноваций в ядерной отрасли было вызвано не только научно-техническим прогрессом, но и ядерными авариями на атомных электростанциях Три-Майл-Айленд, Чернобыльской, Фукусиме-1. Какие именно нанотехнологии получили широкое применение в атомной сфере, рассказывает редакция вебсайта Uatom.org.

Использование роботов для ликвидации последствий аварий на Чернобыльской и Фукусима-1 АЭС

Впервые термин «робот» был использован в 1921 году в пьесе чешского писателя Карела Чапека «Р.У.Р» на обозначение искусственных существ, извне напоминающих людей. В атомной сфере первым роботом считается появление в 1949 году копирующего манипулятора (Master-slave Manipulators, MSM) Model-1 для обеспечения работы персонала с радиоактивными препаратами.

Манипуляторы в атомной сфере обычно используются для снятия с эксплуатации и демонтажа ядерных установок. Так, немецкая компания «Wälischmiller Engineering» занимается разработкой ядерных технологий с 1950 года. Их водонепроницаемые манипуляторы, предназначенные для демонтажа ядерных реакторов, были впервые созданы в 1990 году. С этого времени они помогли в демонтировании трех немецких АЭС – Грайфсвальд (1995-1998), Райнсберг (1995-1998), Обригхайм (2015-2016). Кроме того, их манипуляторы можно использовать при ремонте ядерных установок и при вознекновении аварийных или чрезвычайных ситуаций.

В Украине работы стали использовать в 1986 году для ликвидации последствий аварии на ЧАЭС. Первым роботом, проработавшим почти год, был самостоятельно создан детский танк-игрушка с прикрученным дозиметром и фонариком, управление которого происходило с помощью кабеля от пульта. За это время было задействовано около 15 модульных роботов. Тяжелые (технологические) работы, в частности «Мобот-Ч-ХВ», «Клин-1», «СТР-1», предназначались для уборки и дезактивации территории, а легкие работы-разведчики, среди которых «РР-Г1», «PKK-1», «РДК», «РДГ» – для изучения радиационной обстановки в помещениях «Саркофага»».

С 1990 года МНТЦ «Укрытие» НАН Украины совместно с ИАЭ им. И. В. Курчатова начали работать над разработкой дистанционно управляемых агрегатов (ДКА), способных работать на 4 энергоблоке ЧАЭС. За четыре года было создано три ДКА – ТР-3 (для видеоразведки помещений объекта «Укрытие»), ТР-4 (для взятия проб радиоактивных материалов внутри объекта «Укрытие» и оценки количества и состава топливосодержащих материалов), ТР- 7 (для нанесения пылеугнетающих составов). Конструирование и изготовление ДКА по отбору проб радиоактивных аэрозолей начали и в отделении ядерной и радиационной безопасности ИПБ АЭС в 2013 году.

Поддерживая Украину в борьбе с последствиями аварии на ЧАЭС, Департамент энергетики США и Национальное аэрокосмическое агентство США (НАСА) профинансировали разработку и изготовление радиационно-устойчивого подвижного диагностического робота «Пионер», который использовался для создания трехмерных цифровых реконструкций окружающей среды, создания трехмерной оценки целостности конструкций здания объекта «Укрытие», получение образцов с полов и стен.

Роботы на АЭС «Фукусима-1» применяются для ускорения снятия с эксплуатации атомной электростанции, проведения исследований, дезактивации зон с высоким уровнем радиации и удаления обломков топлива из резервуара или корпуса реактора, а также для разработки технологии инспекции внутренней части защитной оболочки реактора. Также в рамках сотрудничества с местными и международными компаниями работы применяются для дальнейших совместных разработок. В частности, компания разделяет применение роботов на два вида: применяемые на цокольном (нулевом) этаже и выше первого этажа АЭС.

На цокольном этаже используются 7 видов роботов, разработанных компаниями Toshiba, Hitachi GE, ATOX, Topy Industries. В частности, для исследования внешней нижней поверхности подавляющей камеры (КА-ТПА), стены между реактором и машинным залом, вентиляционных труб; для измерения уровня воды внутри камеры подавления; для обнаружения мест утечек в защитной оболочке реактора и т.п. Выше первого этажа АЭС применяются 19 видов роботов для:

1. Обнаружения источника радиации – роботы Kanicrane (Hitachi GE), Rosemary, Sakura (Chiba Institute of Technology, Hitachi GE)
2. Дезактивации мест с высоким уровнем радиации. К примеру, робот, разработанный компанией Toshiba, проводит дезактивацию с помощью сухого льда, а робот от компании Hitachi GE – с помощью потока воды под высоким давлением. Робот MEISTeR, разработанный компанией Mitsubishi Heavy Industries, для дезактивации использует способ дробеструйной обработки
3. Уборки защитных экранов и железных пластин – робот TEMBO, разработанный компанией Mitsubishi Heavy Industries
4. Обзора и оценки состояния определенного оборудования. К примеру, компания Hitachi GE разработала робот, который может изменять форму, для исследования внутренней части защитной оболочки реактора. Сначала он принимает трубчатую форму, чтобы пересечь узкую трубу и добраться до внутренней части защитной оболочки, а затем расширяется в U-образную форму;
5. Уборки мусора – робот ASTACO-SoRa от компании Hitachi GE;
6. Устранения помех – робот Warrior от компании iRobot
7. Проведения исследований. К примеру, робот от компании Hitachi GE использует 3D лазерное сканирование для получения данных внутри корпусов реактора.

Итак, как видим, на атомных электростанциях работы получили распространение в основном для снятия АЭС с эксплуатации. Анализируя применение роботов на Чернобыльской и «Фукусиме-1» АЭС, можно подытожить, что нужно предусматривать использование роботов разных видов и с разными видами доступа. Это будет способствовать преодолению последствий аварии, избегая радиационного заражения персонала АЭС. Использование робототехники на АЭС поможет в проведении исследований и разработке плана действия в случае аварийных или чрезвычайных ситуаций.

Применение иммерсивных технологий на АЭС: виртуальная и дополненная реальность

Следует начать с того, что в норвежском городе Халден еще с 1948 года функционирует Институт энергетических технологий, одной из задач которого является разработка новейших технологий в сфере виртуальной реальности, дополненной реальности, цифровизации для обеспечения ядерной безопасности. На базе института действует Центр виртуальной реальности, деятельность которого направлена ​​на проектирование рабочих мест, обучение технике безопасности и оптимизации работы для критически важных работ по безопасной эксплуатации установок. Центр виртуальной реальности можно использовать для моделирования центра управления и имитации действий персонала в цифровом двойнике контролируемого объекта.

Самым распространенным способом использования технологии виртуальной реальности является подготовка персонала к возможным сценариям эксплуатации ядерных реакторов – от небольших нарушений до аварийных ситуаций.

Первая атомная электростанция в мире, которая обустроила учебную комнату виртуальной реальности для операторов диспетчерской? – АЭС Ловийса в Финляндии. Реализовывала проект компания Varjo, которая создала шлем виртуальной реальности со встроенной функцией отслеживания взгляда. «Инструкторы могут следить за движениями глаз учащихся, а также давать им задания. Если ученику необходимо проверить определенное значение из ведущих диспетчерских панелей, с помощью данных взгляда в реальном времени в среде виртуальной реальности можно определить триггер, который сообщит, что ученик не выполнил задание после прочтения инструкций за достаточное количество времени». То есть эта функция позволяет анализировать поведение оператора и получать информацию о том, хорошо ли работают пользовательские интерфейсы. 90% персонала АЭС Ловис прошли обучение по использованию виртуальной реальности и готовы внедрять ее для обучения и ежедневного применения.

В Технологическом институте Университета Онтарио в Канаде эксплуатируют виртуальный симулятор ядерного реактора для обучения персонала аварийного реагирования базовым знаниям о диспетчерской работе во время аварийных ситуаций на атомных электростанциях. В режиме реального времени специалисты находятся в диспетчерской для эксплуатации реактора в разных сценариях. Во время учений предусмотрена остановка работы симулятора для анализа поведения участников и предоставления информации о возможных действиях в чрезвычайных ситуациях за пределами площадки.

Поставщик ядерных реакторов Hitachi Nuclear Energy использует виртуальную реальность с конца 2021 года для обучения персонала АЭС сценариям эксплуатации, возникающим при простоях или техническом обслуживании. Благодаря инструменту Nuclear Virtual Reality Solution (VRS) можно смоделировать различные виды энергетических установок, включая реакторы с кипящей водой, реакторы с водой под давлением и технологии движения топлива.

Кроме подготовки и обучения работников атомных электростанций, технология виртуальной реальности может использоваться при проектировании и эксплуатации ядерных реакторов.

Институтом технологий безопасности ядерной энергетики Китайской академии наук была разработана виртуальная атомная электростанция (Virtual4DS) – «интегрированная имитационная платформа, охватывающая среду АЭС, основой которой является цифровой реактор, состоящий из цифрового трафика, цифровой метеорологии и данных о процессах в земной коре». Виртуальная АЭС может быть подключена к новой системе управления атомной электростанцией для имитации эксплуатации, обучения персонала, а также моделирования чрезвычайной ситуации для проверки эффективности плана действий работников в экстренных условиях. «Virtual4DS выполняет следующие задачи: моделирование проектирования и эксплуатации реактора, моделирование аварии и предупреждение о них, полномасштабная миграция радионуклидов и оценка последствий для окружающей среды, оценка рисков для здоровья населения».

В 2019 году разработчики из Японского агентства по атомной энергии и Токийской энергетической компании выпустили комплект виртуальной реальности, который может перенести людей внутрь радиоактивного реактора Фукусима. Посредством собранной информации ученые и инженеры можно узнать, какие виды роботов можно использовать для исследования радиоактивных обломков внутри этих реакторов.

Одним из важных этапов обеспечения безопасности ядерных установок является этап проектирования. Его обязательная составляющая – валидация, которая определяет, работает ли диспетчерская по назначению. Виртуальная реальность позволяет проводить проверки, давать предварительные оценки и способствует раннему исправлению ошибок в реализации конструкции. Интегрированную системную валидацию диспетчерских АЭС реализовала уже выше упомянутая компания «Varjo».

В атомной энергетике виртуальную реальность также используют при обучении техническому обслуживанию турбин и их осмотру. Это менее затратно за создание физических моделей, да и с помощью последних инженеры не могут увидеть в действии разные компоненты турбины или двигателя. Кроме того, виртуальная реальность способствует обучению обращению с ядерным топливом. Работники могут научиться, как правильно обращаться с топливом, не причиняя вреда структурной целостности реактора и предотвращая влияние радиации. В последнее десятилетие популярность приобретают виртуальные туры по атомным электростанциям, что помогает инженерам лучше ориентироваться атомной электростанцией, а посетители смогут ознакомиться со зданием АЭС, ее диспетчерской, расположенными реакторами, распределительной станцией и т.д.

В Украине технология виртуальной реальности применялась для снятия с эксплуатации трех неповрежденных энергоблоков ЧАЭС. Проект «Центр визуализации снятия с эксплуатации Чернобыльской АЭС» был начат в 2006 году при поддержке Министерства иностранных дел Норвегии, а уже в следующем году в рамках пилотной версии проекта была осуществлена ​​визуализация виртуальной трехмерной среды, разработаны и задокументированы процедуры демонтажа. Разработанное программное обеспечение поддерживало только основные функции выполнения процедур демонтажа.

Однако до 2012 года проект медленно реализовывался из-за необходимости заключения межправительственного соглашения о сотрудничестве между Норвегией и Украиной. 30 ноября 2012 года в Осло было подписано межправительственное соглашение, а в 2016 году окончательно был создан «Центр визуализации снятия с эксплуатации Чернобыльской АЭС» с целью внедрения на ЧАЭС новейших технологий виртуальной реальности и 3D-моделирования. Пройдя обучение, специалисты ЧАЭС создают подробную 3D модель объекта, где будет проходить работа. Модель включает в себя точное расположение оборудования, персонала и инструментов в помещении. После этого на основе обследований в модель вносится картограмма радиационного загрязнения.

В рамках реализации проекта были визуализированы поля гамма-излучения в зоне отчуждения. На основе данных измерений был произведен расчет доз профессионального облучения для определения норм, которые может получить персонал при нахождении на радиоактивно загрязненной территории. Это служит для дальнейшей минимизации рисков радиоактивного заражения и оптимизации работы персонала. Работникам проект позволяет планировать рабочие задания, связанные с демонтажем установки, создавать необходимую документацию и обучать на этапе снятия с эксплуатации.

Внедрение новейших технологий на Чернобыльской атомной электростанции будет способствовать планированию работ по снятию с эксплуатации, оперативному хранению и представлению информации об объектах ЧАЭС, во время инженерных, радиационных обследованиях и демонтажных работах, в обращении с радиоактивными материалами, для обучения персонала и т.д. Реализованный проект – это подготовка персонала перед этапом снятия с эксплуатации с целью снижения рабочей нагрузки, выявления возможного радиационного облучения и повышения ядерной безопасности.

Итак, можно подытожить: чаще всего технологию виртуальной реальности применяют для обучения и подготовки работников атомных электростанций, чтобы получить практический опыт, который невозможно воспроизвести на физических макетах или во время работы электростанции, подготовиться к аварийным ситуациям и оценить действия в экстренных ситуациях. Смоделированная с помощью виртуальной реальности среда поможет в обслуживании ядерных реакторов, обращении с ядерным топливом и будет способствовать подготовке снятия с эксплуатации. Кроме того, виртуальная реальность может служить для исследования радиоактивных обломков.

Радиологическое обследование территорий и сбор данных с помощью дронов

В атомной сфере дроны или БПЛА обычно используются для радиологического обследования территорий и определения мощности амбиентного эквивалента дозы (ПЭД) гамма-излучения. Сначала дроны оборудуют детекторами излучения, камерами и приемниками GPS. Во время взлета дрон синхронизируется с наземной станцией с помощью GPS-координат и в режиме реального времени передает данные измерений, которые сохраняются в бортовой системе. Визуализировать радиационную обстановку обследованных территорий можно после приземления дрона, соединив фотографическую и географическую информацию с радиометрическими данными.

После аварии на японской АЭС Фукусима в 2011 году высокий уровень радиационного загрязнения представлял угрозу для людей, близлежащих территорий и проведения дальнейших исследований, в частности мониторинга показателей радиации. Это обусловило применение новейших технологий. Так, на протяжении 2012-2020 годов совместными усилиями работников Фукусимы и МАГАТЭ была разработана технология радиационной разведки с помощью дронов. Посредством беспилотных летательных аппаратов, оборудованных детекторами ионизирующего излучения, камерами и GPS-устройствами, проводят дистанционный мониторинг уровня радиации в районах префектуры Фукусима. Собранные с помощью дронов данные могут использоваться для оценки потенциальных радиационных рисков и обоснования соответствующих планов и стратегий в области восстановления территорий, дезактивации стоков и обращения с ядерными отходами в Японии.

Для обнаружения мест захоронения радиоактивных отходов в Чернобыльской зоне отчуждения использовались лидер на базе БПЛА и мультиспектральные изображения. Этот метод включал в себя генерирование цифровой модели местности и трехмерной карты растительности на основе данных и получения характеристик деревьев, включая плотность, высоту и виды деревьев. После этого были построены гистрограммы и лидарные метрики, с помощью которых проходит машинное обучение рандомного классификатора лесов. Согласно результатам исследования, применение лидера на базе БПЛА и мультиспектральных изображений показало обнаружение неизвестных захоронений радиоактивных отходов, что подтверждается бурением 38 скважин, где были найдены ранее захороненные ядерные материалы.

Дроны в атомной отрасли можно использовать не только для радиологического обследования, но и для более рутинных задач на атомных электростанциях, таких как проверка оборудования, считывание показаний датчиков, сбор данных и т.п.

Используя искусственный интеллект и алгоритмы машинного обучения, исследователи из Национальной лаборатории Айдахо разработали программу дистанционной управляемой беспилотной навигации дронов (ROUNDS) для обеспечения автономной работы в пределах атомной электростанции посредством расширенного анализа изображений и считывания QR-кодов. Сканируя QR-коды, размещенные на АЭС, дрон определяет свое местонахождение и таким образом выполняет прописанную кодом задачу, таких как сбор данных или проверка показателей датчиков. Полученная информация передается контроллеру на стационарный компьютер, а после выполнения всех задач дрон вернется на зарядную площадку. Программное обеспечение ROUNDS позволяет дронам быстро двигаться в замкнутом пространстве промышленных помещений, преодолевать большие расстояния за короткий промежуток времени. Создав программу дистанционной управляемой беспилотной навигации дронов, исследователи стремились применять их для осуществления проверки территории АЭС, контроля запасов ядерных материалов, сбора данных и проверки оборудования.

Кроме преимуществ применения дронов, существуют опасности и риски, угрожающие ядерной безопасности атомных электростанций. В частности, еще в 2014 году было известно о несанкционированном полете дронов над семью атомными электростанциями Франции, а в 2016 – об угрозе ядерной безопасности на хранилище ядерных отходов Саванна Ривер в США (Savannah River Site – SRS). Через два месяца на площадке службой безопасности было обнаружено восемь дронов. В 2016 году управляющий беспилотником запустил его над градирней атомной электростанции Либштадт в Швейцарии. Опубликовав видео полета, он заставил людей задуматься, как легко дрон может попасть на АЭС. В 2018 году поставили под угрозу ядерную безопасность атомных электростанций активисты Гринписа. Для привлечения внимания к проблемам окружающей среды и отсутствию физической защиты вокруг АЭС они запустили дрон во французскую атомную электростанцию, а уже в следующем году с помощью беспилотника сбросили дымовую шашку над ядерным объектом, где хранилось облученное топливо.

В результате увеличения количества летающих дронов над атомными электростанциями Комиссия ядерного регулирования США совместно с Национальной лабораторией Сандиа в 2020 году инициировала проведение технического анализа, чтобы оценить степень угрозы летающих дронов. Комиссией было установлено, что использование беспилотных летательных аппаратов не представляет угрозы для атомных электростанций США, в частности полученная информация не может повлечь радиологический саботаж, кражу или утечку специального ядерного материала (реакторного топлива).

Использование 3D-печати для изготовления запчастей ядерных реакторов, размещенных на АЭС

Первой, кто использовал технологию 3D-печати для изготовления запчастей для атомных электростанций, стала компания Siemens. В 2017 году технологами создано рабочее колесо диаметром 108 мм для противопожарного водяного насоса на АЭС Кршко в Словении. Оригинальная деталь работала с момента ввода атомной электростанции в эксплуатацию в 1981 году. Для этого технологи Siemens создали цифровой двойник запчасти, а затем изготовили деталь, применив процесс аддитивного производства. Следует отметить, чтобы напечатанная деталь могла использоваться на АЭС, были проведены испытания в течение нескольких месяцев, которым предшествовали исследования материала в независимом институте, а также проверки с помощью компьютерной томографии.

В 2022 году американская компания «Надбезопасная Ядерная Корпорация» (USNC) получила лицензию на использование нового метода 3D-печати деталей для ядерных реакторов, разработанного Окриджской Национальной лабораторией Министерства энергетики США. Для печати деталей сложных форм из огнеупорных материалов, устойчивых к экстремально высоким температурам и деградации, используется струйная печать по технологии аддитивного изготовления в сочетании с химической инфильтрацией пара – процессом керамической инженерии. В качестве материала USNC выбрала устойчивый к воздействию высоких температур и излучения карбид кремния. Следует отметить также, что до появления этой технологии изготовление запчастей для реактора из этого материала было трудоемким и дорогостоящим. Новая технология позволит сделать процесс производства деталей реактора более эффективным, более простым и дешевым.

В этом же году с помощью технологий 3D-печати компания Westinghouse в тесном сотрудничестве с операторами заводов Teollisuuden Voima Oyj (TVO) и OKG создала мусорный фильтр от ядерного топлива StrongHold AM. Напечатанные на 3D принтере фильтры были установлены на двух блоках с реакторами BWR (реактор кипящий водо-водяной) на атомных электростанциях Olkiluoto 2 в Финляндии и Oskarshamn 3 в Швеции. Созданная разработка будет предотвращать попадание мусора в топливные сборки и потенциальное повреждение оболочки, что может привести к незапланированным и дорогим простоям.

Технология 3D-печати только начинает применяться на АЭС. Однако внедрение нового метода очень важно для атомной отрасли, поскольку поможет ускорить и удешевить процесс изготовления запчастей и деталей. Кроме того, это будет способствовать созданию деталей-двойников, изготовители которых уже закрыли свои предприятия.

Глобализация, диджитализация, цифровизация – все это неизбежны процессы XXI века. Осовременивание охватило все сферы деятельности, а инновации стали движущей силой для перемен и развития постиндустриального общества. В ядерной сфере новейшие технологии – не только важный инструмент автоматизации производства или получения доступа в труднодоступные места. Инновативность играет немаловажную роль в обеспечении ядерной и радиационной безопасности.

Как видим, использование роботов или виртуальной реальности – явление не новое в атомной сфере, хотя до сих пор не стало широко распространенным. Дроны начали применять со времени аварии на «Фукусиме-1», а технологии 3D-печати только начинают внедрять.

Наибольшее распространение новейшие технологии получили при снятии с эксплуатации АЭС. Это и неудивительно, ведь с их помощью можно обнаружить источник радиации, не подвергаясь при этом ионизирующему излучению, и дезактивировать его. Кроме того, применение современных технологий обеспечит круглосуточный мониторинг состояния АЭС и ее оборудования, тем самым предупреждая опасность о возможной утечке радиации.

Внедрение новейших технологий будет способствовать и подготовке квалифицированного персонала, который сможет получать практический опыт, или переподготовке в случае строительства новых видов реакторов. Кроме того, с помощью новых технологий можно оценить поведение персонала АЭС в случае экстренной или аварийной ситуации и подготовить план действий на будущее. Не стоит обесценивать влияние новейших технологий и на проведение исследований, ведь их использование облегчает сбор и обработку данных, тем самым способствует новым разработкам.

Однако не стоит забывать, что применение новейших технологий не сможет предотвратить угрозы, вызванные халатностью персонала АЭС или природными катаклизмами. Кроме преимуществ применения новейших технологий на АЭС, существуют недостатки и риски, ведь в любой момент можно потерять контроль над управлением и тем самым подвергнуть опасности ядерную безопасность атомной электростанции.

Очевидно, за новейшими технологиями – будущее. И если мы рассматриваем только робототехнику, виртуальную реальность, дроны и технологии 3D-печати, то в скором времени среди современных технологий, применяемых на АЭС, будут разнообразные цифровые решения и мобильные приложения, ведь весь мир движется в сферу диджитал, и атомная отрасль исключением не состоянии.

Редакция сайта Uatom.org