Zu dieser Kategorie gehören Abbruchroboter und Roboter für die Deaktivierung oder Stilllegung von nuklearen, chemischen, militärischen und anderen gefährlichen Anlagen. Deaktivierung und Stilllegung (D&D) sowie Tätigkeiten nach Unfällen werden im Allgemeinen per Fernsteuerung durchgeführt. Der Bediener befindet sich in der Regel entweder in einer sicheren Kabine oder er bedient die Roboter/Manipulatoren aus einer sicheren Entfernung. Roboter werden häufig bei der Stilllegung von Kernkraftwerken eingesetzt..
Arten von Operationen, die der Roboter ausführt
Bis heute sind etwa 180 kommerzielle Kernkraftwerke, Versuchs- oder Prototypanlagen und mehr als 500 Forschungsreaktoren aus dem Betrieb genommen worden. Die meisten Teile eines Kernkraftwerks werden nicht oder nur in sehr geringem Maße radioaktiv kontaminiert.
Für den sicheren Rückbau von kerntechnischen Anlagen stehen bewährte Techniken und Ausrüstungen zur Verfügung, die in verschiedenen Teilen der Welt gut demonstriert worden sind. Die Kosten für die Stilllegung von Kernkraftwerken, einschließlich der Entsorgung der damit verbundenen Abfälle, sind rückläufig und machen nur einen geringen Teil der Gesamtkosten der Stromerzeugung aus..
Derzeit werden 18 kommerzielle Leistungsreaktoren stillgelegt, und etwa 400 zivile Kernkraftwerke werden in den nächsten zwei Jahrzehnten abgeschaltet, von denen etwa die Hälfte stillgelegt werden wird. Der Abriss von Bauwerken ist oft mit erheblichen Risiken verbunden, da die verschiedenen Teile auseinander fallen. Typische Aufgaben sind:
- Aktive Dekontaminierung durch physikalische/chemische Oberflächenbehandlungen (Sammeln, Entfernen, Ablagern von Oberflächen, Entfernen von Verunreinigungen, die in den Beton eingedrungen sind)
- Sammeln von dekontaminierten Flüssigkeiten, Schutt, Abfall und Material
- Sammlung und Handhabung von (Sekundär-)Abfällen aus der Dekontamination
- Transport und Ablagerung von kontaminiertem Material
- Oberflächenbearbeitung (z. B. zum Auftragen auf Dichtungen) Material
- Physikalische Verfahren (Schneiden, Bohren, Fräsen usw.) für den Rückbau von Bauwerken
- Sondierung und aktive Messungen (Geometrie, Verschmutzung usw.)
Einige Vorgänge sind eher grob, wie z. B. der Abriss von Gebäuden und die Beseitigung von Trümmern. Andere Verfahren umfassen die sorgfältige Demontage von Ausrüstungen und Geräten, die Zerkleinerung und die Verpackung für die Handhabung/Lagerung. Oft werden Werkzeuge wie hydraulische Scheren und Schlagschrauber eingesetzt. In den meisten Fällen bestehen diese Roboter aus einem beweglichen Teil mit einem hydraulischen Manipulator an Bord, an dessen Ende ein Abbruchwerkzeug angebracht ist.
Brokk hat eine Reihe elektrisch angetriebener hydraulischer Maschinen entwickelt, die durch enge Türöffnungen, über Treppen und in Bereiche mit sehr hoher Strahlenbelastung fahren können. Sie werden in Fukushima eingesetzt, um die sehr stark belasteten Bereiche der beschädigten Reaktoren zu untersuchen, zu filmen und Trümmer zu entfernen. Brokk hat Manipulator-Endeffektoren hinzugefügt, wie z. B. einen Manipulator für heiße Zellen mit einer Tragfähigkeit von über 75 kg..
Der Einsatz von Robotern zum Schneiden von Rohren, elektrischen Leitungen, Kabeltrassen, Baustahl und zum Auflockern von Beton ist praktisch unbegrenzt.
Zahlreiche Hersteller bieten Manipulatoren an, die entweder fest installiert oder auf einem Portal oder einer mobilen Plattform montiert sind und zum Greifen von Objekten, zur Manipulation oder zur Führung von Werkzeugen dienen. Das LMF (“Leichtes Manipulator-Fahrzeug,” “Easy Manipulator Vehicle”) der Firma Cybernétix (jetzt Technip) ist ein modulares Fahrzeug für ferngesteuerte Eingriffe in kerntechnischen Anlagen. Die mobile Basis, die Hindernisse wie z. B. Treppen überwinden kann, ist mit einer leistungsstarken hydraulischen Telemanipulation (Force Feedback) ausgestattet. Steuerung, Daten und Videobilder werden über ein Versorgungskabel oder über ein Funksystem mit Spreizspektrums-Technologie übertragen.
Cybernétix hat auch eine Reihe von Trägern entwickelt, die mit hydraulisch oder elektrisch angetriebenen Manipulatorarmen ausgestattet sind, sowohl mit als auch ohne Kraftreflexion. Eine Auswahl an teleoperierten Händen für die Stilllegung wird von Wälischmiller Engineering hergestellt.
Laserschneidarbeiten im Behälter des schnellen Neutronenreaktors Superphénix (der derzeit in Creys-Malville, Frankreich, abgebaut wird) wurden mit CHARLI durchgeführt, einem kleinen ferngesteuerten Gerät (DUA), das mit einem Roboterarm mit Laserschneidkopf und mehreren Sichtkameras ausgestattet ist.
Es wurde speziell für die Bewegung innerhalb geschlossener Rohrleitungsstrukturen entwickelt und kann sehr rauen Umgebungsbedingungen mit hoher Strahlung und hohen Temperaturen sowie der Anwesenheit von Natrium, Aerosolen und Argon standhalten.
In Tschernobyl’s Reaktor 4: Der Laufroboter Spot von Boston Dynamics wurde eingesetzt, um eine Wärmekarte der Strahlung zu erstellen, die aus dem Sarkophag aus Beton und Stahl austrat, in dem der Reaktor eingehaust war. Der Roboter war mit einem kollimierten Strahlungssensor ausgestattet und wurde von Forschern der Universität Bristol, der britischen Atomenergiebehörde, der Initiative für Robotik und künstliche Intelligenz im Nuklearbereich und dem National Centre for Nuclear Robotics betrieben.
Die Arbeiten zur Stilllegung des Kernkraftwerks Fukushima-Daiichi sind noch im Gange: Verschiedene Robotertechnologien wurden als wesentlich für den Erfolg angesehen; daher wurden 2012 vom japanischen Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie öffentliche Angebote für anwendbare Technologien in Form eines technischen Katalogs eingeholt. Roboter wurden am Katastrophenort für Aufräumarbeiten und Stilllegung eingesetzt.
Aufgrund der Covid-19-Pandemie wird sich die Beseitigung der Trümmer um etwa ein Jahr verschieben.
Bis heute wird der Straßenbau hauptsächlich mit handgeführten oder teilautomatisierten Maschinen durchgeführt. Die Arbeit neben der Fahrbahn ist eine laute und gefährliche Arbeit, die sich aus diesen Gründen für die Automatisierung eignet.
Ein Beispiel für eine neue Methode zum Abbruch von Straßen und Mauern bietet Conjet, das automatisierte Hochdruck-Wasserstrahlmaschinen herstellt. Bei diesem als Hydro-Demolition bezeichneten Verfahren wird ein Hochdruck-Wasserstrahl eingesetzt, um Beton von empfindlichen Strukturen wie Brücken, Parkdecks, Dämmen, Kanälen, Tunneln, Kais und Anlegestellen in Verbindung mit der Betoninstandsetzung zu entfernen..
Diese Roboter werden auch für andere Wasserstrahlanwendungen eingesetzt, z. B. zum Aufrauhen von Oberflächen, zum Reinigen und zum Entfernen von Farbe. Alternativ können auch Bohrmaschinen an den Roboterarmen angebracht werden.
Starke Wasserstrahlen können für die effektive Reparatur und den Rückbau von Straßen eingesetzt werden. Roboter können Hochdruckwasserstrahlen präzise führen, um Beton von Brücken, Straßen und Gebäudewänden zu schneiden und zu entfernen. Aufgrund des Rückstoßes, der Präzision und der Geräuschemissionen, die mit solchen Maschinen verbunden sind, werden sie automatisch betrieben. Für das Abreißen von Stahl- und Metallkonstruktionen kann der Roboterarm auch mit Autogenbrennern ausgestattet werden..
Ebene der Verteilung
Die Kernkraftindustrie ist ein bedeutender Nutzer von Robotern, auch wenn es sich meist um hochspezialisierte Einheiten handelt, die in relativ kleinen Stückzahlen hergestellt werden. Angesichts des zu erwartenden Baus neuer Anlagen in vielen Gebieten und der bevorstehenden massiven Stilllegungsaufgaben sind die Aussichten für innovative Roboterlösungen in dieser Branche groß. Daher haben Roboter für den allgemeinen Abriss von Baukomplexen und die Demontage oder Wartung von Kernkraftwerken, chemischen Industrien, Abfallbehandlungsanlagen oder Militärkomplexen ein erhebliches Marktpotenzial.
Kosten-Nutzen-Überlegungen und Marketing-Herausforderungen
Der Rückbau eines Nuklearstandorts ist teuer: Während in Deutschland €38 Mrd. für die Stilllegung von 17 Kernreaktoren vorgesehen sind, schätzt die britische Behörde für die Stilllegung von Kernkraftwerken, dass die Sanierung der 17 britischen Kernkraftwerke in den nächsten 120 Jahren zwischen €109-250 Mrd. kosten wird, d.h. €1,4 Mrd. bis €2,7 Mrd. pro Giga Watt. Frankreich hat für die Stilllegung seiner 58 Reaktoren nur 23 Mrd. Euro vorgesehen.
Beim Rückbau von Kernkraftwerken ist der Einsatz von Handarbeit wegen der Gefahr von Strahlung oder chemischer Kontamination oft schwierig oder unmöglich. Umgekehrt ist es in solchen Fällen möglich, einen Abbruchroboter in dem Bereich einzusetzen, der dekontaminiert, demontiert oder abgerissen werden soll. Um wirklich effektiv zu sein, muss der Roboter in der Lage sein, Rohre zu durchtrennen, Material in Container zu verpacken, Wände einzureißen oder Material zu transportieren usw. Schließlich muss er für den Transport zu einem Lagerplatz demontiert werden können. Die größte Herausforderung besteht darin, dass der Roboter extrem zuverlässig sein muss, da es praktisch unmöglich ist, das System zu reparieren oder aufzurüsten, wenn es einmal eingesetzt wurde. Aufgrund von Sicherheitsüberlegungen und der Komplexität der Aufgabe werden diese Roboter in der Regel ferngesteuert und verfügen nur über ein begrenztes Maß an Autonomie. Die Herausforderung, robuste Sensorik/Rückmeldung mit hoher Haltbarkeit und Flexibilität zu kombinieren, stellt ein erhebliches Hindernis für einen breiteren Einsatz dar..
Die meisten aktuellen Robotergeräte verfügen über wenig Autonomie oder sogar programmierte Bewegungen; in jedem Fall ist ein Mensch in den Regelkreis eingebunden und wird dies wahrscheinlich auch weiterhin tun. Die meisten Systeme verwenden einfache Fernsteuerung, Teleoperation oder Master/Slave-Manipulation und lassen sich im Allgemeinen in eine der drei folgenden Kategorien einordnen:
- Relativ kostspielige, maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Probleme.
- Allzweckgeräte, die für diese Verwendung modifiziert wurden.
- Systeme, die aus handelsüblichen Komponenten (COTS) hergestellt werden, wie z. B. hochbelastbare (hydraulisch angetriebene) Manipulatorarme.
Die Kernkraftindustrie setzt Roboter beim Bau von Anlagen, bei der Stilllegung, bei Wartungsarbeiten und bei der Abfallentsorgung ein. Die Kernenergie-Agentur (NEA) erklärt in einem OECD-Bericht aus dem Jahr 2011 über das Cooperative Programme on Decommissioning (CPD): “Hinsichtlich des Einsatzes von Robotern stellte das CPD fest, dass […] Roboter entgegen früheren Erwartungen, dass Robotermethoden bei der Dekontaminierung und Demontage radioaktiver Strukturen und Komponenten in großem Umfang zum Einsatz kommen würden, eine begrenzte praktische Anwendbarkeit bei der Stilllegung haben könnten, obwohl sie für einige Anwendungen, insbesondere in den Bereichen mit hoher Strahlung, weiterhin notwendig sein werden. Die Sanierung und Überprüfung der Freigabe oder Deklassierung von alphakontaminierten Betonstrukturen, bei denen die Kontamination in Risse und entlang von Rohrdurchführungen sickert, hat sich als sehr schwierig erwiesen und die Behörden in einigen Fällen dazu veranlasst, sehr viel strengere Freigabekriterien festzulegen...”.
Im Dezember 2019 richtete die NEA jedoch eine Expertengruppe zur Anwendung von Robotik und ferngesteuerten Systemen im nuklearen Backend ein, in der 40 Experten aus 14 Mitgliedsländern und drei internationalen Organisationen vertreten sind, um Informationen auszutauschen und mögliche gemeinsame Aktivitäten zu erkunden.
Als Mittel zur Überwindung dieser Beschränkungen wurden die hohen Kosten für die Entwicklung von Robotertechnologien als Hindernis für die Beschaffung einer Reihe von Roboter- und/oder ferngesteuerten Technologien (Plattformen und Werkzeuge) für effiziente Arbeiten in stark verstrahlten oder kontaminierten Gebieten ermittelt. Zu den wichtigsten Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um die hohen Kosten zu überwinden und die Robotik umfassender zu entwickeln und in Stilllegungsprojekte zu integrieren, gehören:
- Entwicklung einer umfassenderen und breiteren Kenntnis und Wertschätzung der derzeit vorhandenen und bei Stilllegungsprojekten erfolgreich eingesetzten Robotikfunktionen.
- Hören Sie auf, Technologien neu zu erfinden, die es bereits gibt, und die Ausrüstung dann nach Abschluss des Projekts wieder aufzugeben. Wenn jedes Stilllegungsprojekt darauf bestehen würde, seine Bagger, Kräne und andere Ausrüstungen von Grund auf neu zu entwickeln und zu bauen, wären sie auch unerschwinglich teuer.
- die Stilllegung zu verwalten, um zu einem zuverlässigen Förderer der Robotikindustrie zu werden und die Kosten für neue Entwicklungen und Fortschritte auf mehrere Stilllegungsprojekte zu verteilen.
- Integration der neueren, technisch versierteren Generation in die derzeitige ältere und eingefahrene Generation von D&D-Managern, die der Technologie misstrauen und es für einfacher und kostengünstiger halten, eine Aufgabe mit Arbeitskräften zu bewältigen.
- Finanzierung von Forschungsarbeiten, die weiter unten in der F&E-Pipeline angesiedelt sind, um die Entwicklung und Erprobung von Robotikfähigkeiten zu beeinflussen, die für die nukleare Forschung und Entwicklung geeignet sind, anstatt zu versuchen, sie nachzurüsten, nachdem sie für andere Anwendungen in anderen Branchen und im Militär entwickelt wurden.
Eine Analyse der Gründe, warum japanische Roboter bei der Bewältigung der Nuklearkatastrophe von Fukushima keine herausragende Rolle spielten, ist im Hinblick auf die oben genannten Herausforderungen sehr aufschlussreich”
Es besteht jedoch eine starke Tendenz zum Einsatz vielseitigerer Systeme, sowohl was den Automatisierungsgrad als auch die Mobilität betrifft. Fortschrittliche Sensoren, Augmented Reality und eine stark verbesserte Mensch-Maschine-Interaktion bzw. Benutzerfreundlichkeit haben den praktischen Nutzen des Einsatzes von Robotertechnologie erhöht. Insbesondere im Hinblick auf die Fukushima-Katastrophe wird erwartet, dass dieses Stilllegungsprojekt zu einer der größten technischen Herausforderungen unserer Zeit wird: Man geht davon aus, dass es 40 Jahre dauern wird, um die Kosten von 15 Milliarden USD zu decken. Für die Arbeiten werden Schwadronen von hochmodernen Robotern eingesetzt. In der ersten Jahreshälfte 2017 wurde eine Reihe von visuellen Untersuchungen mit ferngesteuerten Geräten und Robotern durchgeführt, um den Zustand der Behälter im Inneren sowie die Verteilung der Brennstofftrümmer in allen drei Blöcken zu ermitteln.
Im Sommer 2017 wurden, wie im Fahrplan der Regierung vorgesehen, Strategien für die Bergung von Brennelementen aus den einzelnen Blöcken vorgestellt, was zu einer Diskussion darüber führte, welcher Block als erster im Jahr 2018 für die Bergung von Brennelementen genutzt werden sollte. Im Jahr 2019 wurde der erste Test durchgeführt, bei dem die Brennelemente mit einem Roboterarm angehoben und bewegt wurden. Obwohl die Tests mit positiven Ergebnissen abgeschlossen wurden, wird die Bergung voraussichtlich erst 2022 beginnen, da der ursprünglich für 2021 geplante Beginn aufgrund der Covid-19-Pandemie verschoben werden musste..
Es ist anzumerken, dass die Katastrophe von Fukushima die DARPA Robotics Challenge in hohem Maße motiviert hat. Die DARPA-Challenge 2020 konzentrierte sich auf unterirdische Robotik, die in komplexen unterirdischen Umgebungen arbeiten kann.
Fukushima motivierte auch die Disaster Challenge auf dem World Robot Summit 2018 in Tokio.
Selbst in nicht-nuklearen Umgebungen ist der Abriss von Bauwerken, z. B. das Einreißen einer Decke, oft mit einem erheblichen Risiko verbunden. Zu diesem Zweck wurde eine spezielle Art von Robotern entwickelt. Die Roboter werden in der Regel über ein drahtloses Bedienfeld ferngesteuert. Es ist jedoch bezeichnend, dass es sich um einen Nischenmarkt handelt, und viele Anbieter betrachten ihre Fahrzeuge nicht als Robotersysteme, sondern eher als Abbruchfahrzeuge mit einem Hydraulikkran zur Handhabung von Wänden, Decken, Rohren usw.