Esta categoría incluye robots de demolición y robots para desactivar o desmantelar complejos nucleares, químicos, de residuos, militares y otros complejos peligrosos. La desactivación y el desmantelamiento (D&D), así como las actividades post-accidentales, se realizan generalmente mediante manipulación remota. El operador suele estar en una cabina segura o manejando los robots/manipuladores desde una distancia segura. Los robots se utilizan con frecuencia en el proceso de desmantelamiento de las centrales nucleares.
Tipos de operaciones realizadas por el robot
Hasta la fecha, se han retirado del funcionamiento unos 180 reactores nucleares comerciales, instalaciones experimentales o prototipos y más de 500 reactores de investigación. La mayoría de las partes de una central nuclear no se vuelven radiactivas o se contaminan a niveles muy bajos.
Existen técnicas y equipos probados para desmantelar las instalaciones nucleares de forma segura y han sido bien demostrados en varias partes del mundo. Los costes de desmantelamiento de las centrales nucleares, incluida la eliminación de los residuos asociados, están disminuyendo y son sólo una pequeña fracción del coste total de la generación de electricidad.
En la actualidad, se están desmantelando 18 reactores comerciales de potencia, y en las próximas dos décadas se cerrarán unos 400 reactores nucleares civiles, de los que aproximadamente la mitad serán desmantelados. La demolición de estructuras suele conllevar un riesgo considerable a medida que se van desmontando las distintas piezas. Las tareas típicas comprenden:
- Descontaminación activa mediante tratamientos físicos/químicos de la superficie (recogida, eliminación, depósito de la superficie, eliminación de la contaminación penetrada en el hormigón)
- Recoger los fluidos descontaminados, los restos, los residuos, el material
- Recogida y manipulación de los residuos (secundarios) de la descontaminación
- Transporte y depósito de material contaminado
- Material de procesamiento de superficies (por ejemplo, para aplicar al sello)
- Procesos físicos (corte, perforación, fresado, etc.) para el desmantelamiento de estructuras
- Sondas y mediciones activas (geometría, contaminación, etc.)
Algunas operaciones son bastante burdas, como el derribo de estructuras de edificios y la retirada de escombros. Otros procedimientos pueden implicar el desmontaje cuidadoso de equipos y dispositivos, la reducción del tamaño y el embalaje de la manipulación/almacenamiento. A menudo se utilizan herramientas como cizallas hidráulicas y llaves de impacto. En la mayoría de los casos, estos robots consisten en una parte móvil con un manipulador hidráulico a bordo que tiene una herramienta para la demolición montada en el extremo.
Brokk ha desarrollado una serie de máquinas hidráulicas accionadas eléctricamente que pueden pasar por puertas estrechas, bajar escaleras y entrar en zonas de muy alta exposición. Se están utilizando en Fukushima para inspeccionar, grabar en vídeo y retirar restos de las zonas de alta exposición de los reactores dañados. Brokk ha añadido efectores finales manipuladores, como un manipulador de celdas calientes con capacidades de carga superiores a 75 kg.
La aplicación de la robótica al corte de tuberías, conductos eléctricos, bandejas de cables, acero estructural y escarificación del hormigón es prácticamente ilimitada.
Numerosos fabricantes ofrecen manipuladores fijos o montados en un pórtico o una plataforma móvil para el agarre de objetos, la manipulación o el guiado de herramientas. El LMF (“Leichtes Manipulator-Fahrzeug,” “Easy Manipulator Vehicle”) fabricado por Cybernétix (ahora Technip) es un vehículo modular para la intervención por control remoto en instalaciones nucleares. La base móvil, que puede atravesar obstáculos como escaleras, está equipada con una telemanipulación hidráulica de alta resistencia (force feedback). El control, los datos y las imágenes de vídeo se transmiten por un cable umbilical o por un sistema de radio con tecnología de espectro ensanchado.
Cybernétix también ha desarrollado una gama de portadores equipados con brazos manipuladores accionados hidráulica o eléctricamente, tanto con como sin reflexión de fuerza. Wälischmiller Engineering produce una selección de manos teleoperadas para el desmantelamiento.
Las operaciones de corte por láser en la vasija del reactor de neutrones rápidos Superphénx (actualmente en proceso de desmantelamiento en Creys-Malville, Francia) se realizaron con CHARLI, un pequeño aparato teledirigido (DUA) equipado con un brazo robótico con un cabezal de corte por láser y varias cámaras de visión
Ha sido especialmente diseñado para moverse dentro de estructuras de tuberías cerradas y puede soportar condiciones ambientales muy duras con altos niveles de radiación y temperaturas, así como la presencia de sodio, aerosoles y argón.
En el reactor 4 de Chernóbil: el robot con patas Spot, de Boston Dynamics, se utilizó para generar un mapa térmico de la radiación que se filtraba por el sarcófago de hormigón y acero en el que estaba cubierto el reactor. El robot estaba equipado con un sensor de radiación colimado y era operado por investigadores de la Universidad de Bristol, la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido, la iniciativa de Robótica e Inteligencia Artificial en el ámbito nuclear y el Centro Nacional de Robótica Nuclear.
Los trabajos de desmantelamiento de la central nuclear de Fukushima-Daiichi siguen en marcha: Varias tecnologías robóticas se han considerado esenciales para el éxito; por ello, el Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón solicitó en 2012 ofertas públicas de tecnologías aplicables como catálogo técnico. Se han introducido robots en el lugar de la catástrofe para la limpieza y el desmantelamiento.
Debido a la pandemia de Covid-19, la retirada de escombros se pospondrá aproximadamente un año.
Hasta la fecha, la construcción de carreteras sigue realizándose principalmente con máquinas guiadas manualmente o parcialmente automatizadas. Trabajar junto a los carriles de la autopista es un trabajo ruidoso y peligroso, que por estas causas se presta a la automatización.
Un ejemplo de un nuevo método de demolición de carreteras y muros lo ofrece Conjet, que fabrica máquinas automatizadas de chorro de agua a alta presión. Este proceso, denominado hidrodemolición, utiliza un chorro de agua a alta presión para eliminar el hormigón de estructuras sensibles, como puentes, cubiertas de aparcamiento, presas, canales, túneles, muelles y embarcaderos, junto con la reparación del hormigón.
Estos robots también se utilizan para otras aplicaciones de chorro de agua, como la escarificación o el desbaste de superficies, la limpieza y la eliminación de pintura. También se pueden acoplar taladros eléctricos a los brazos del robot.
Se pueden aplicar fuertes chorros de agua para reparar y deconstruir eficazmente las carreteras. Los robots pueden guiar con precisión chorros de agua a alta presión para cortar y eliminar el hormigón de puentes, carreteras y muros de edificios. Debido al retroceso, la precisión y la emisión de ruido asociados a estas máquinas, han funcionado de forma automática. Para derribar estructuras de acero y metal, el brazo del robot también puede estar equipado con sopletes de oxicorte.
Nivel de distribución
The nuclear power industry is a significant user of robots, albeit most often, they are highly specialized units produced in relatively small quantities. With the anticipated construction of new plants in many territories, combined with the massive decommissioning tasks ahead, prospects are strong for innovative robotic solutions in this industry. Therefore, robots for general demolition of construction complexes and dismantling or servicing nuclear plants, chemical industries, waste treatment, or military complexes have significant market potential.
Cost-benefit considerations and marketing challenges
El desmantelamiento de un emplazamiento nuclear es caro: Mientras que en Alemania se han reservado 38.000 millones de euros para el desmantelamiento de 17 reactores nucleares, la Autoridad de Desmantelamiento Nuclear del Reino Unido calcula que la limpieza de los 17 emplazamientos nucleares del país costará entre 109.000 y 250.000 millones de euros en los próximos 120 años, lo que supone entre 1.400 y 2.700 millones de euros por gigavatio. Francia sólo ha reservado 23.000 millones de euros para el desmantelamiento de sus 58 reactores..
Cuando se desmantelan centrales nucleares, a menudo es difícil o imposible utilizar mano de obra debido al riesgo de radiación o contaminación química. Por el contrario, en estos casos es posible utilizar un robot de demolición en la zona a descontaminar, desmantelar o demoler. Para ser realmente eficaz, el robot debe ser ágil en el sentido de que debe ser capaz de cortar tuberías, empaquetar material en contenedores, demoler paredes o transportar material, etc. Por último, debe ser desmontado para ser transportado a una zona de almacenamiento. El principal reto aquí es que el robot debe ser extremadamente fiable, ya que es prácticamente imposible reparar o actualizar el sistema una vez desplegado. Debido a las consideraciones de seguridad y a la complejidad de la tarea, estos robots suelen ser teledirigidos con un grado limitado de autonomía. El reto de combinar una detección/retroalimentación robusta con una alta durabilidad y flexibilidad representa un obstáculo importante para un despliegue más amplio.
La mayoría de los dispositivos robóticos actuales emplean poca autonomía o incluso movimiento programado; invariablemente, hay un humano en el bucle de control y es probable que continúe. La mayoría de los sistemas aplican el control remoto simple, la teleoperación o la manipulación maestro/esclavo, y generalmente se encuadran en una de las tres grandes categorías siguientes:
- Soluciones relativamente costosas y personalizadas para problemas específicos.
- Equipo de uso general, modificado para este uso.
- Sistemas producidos a partir de componentes "off the shelf" (COTS), como brazos manipuladores de alta resistencia (accionados hidráulicamente).
El sector de la energía nuclear utiliza robots durante la construcción de las centrales, las operaciones de mantenimiento del desmantelamiento y la eliminación de residuos. La Agencia de la Energía Nuclear (AEN) explica en un informe de la OCDE de 2011 sobre el Programa de Cooperación para el Desmantelamiento (CPD): “En cuanto al uso de la robótica, el CPD observó que […] los robots pueden tener una aplicabilidad práctica limitada en el desmantelamiento, en contra de las expectativas anteriores de que los métodos robóticos se utilizarían ampliamente en la descontaminación y el desmantelamiento de estructuras y componentes radiactivos, aunque seguirán siendo necesarios para algunas aplicaciones, especialmente en las zonas de alta radiación. La limpieza y verificación para la liberación o desclasificación de estructuras de hormigón contaminadas con alfa en las que la contaminación se filtra en grietas y a lo largo de las penetraciones de las tuberías ha demostrado ser muy difícil y, de hecho, en algunos casos ha llevado a las autoridades a imponer criterios de liberación mucho más estrictos...”.
Sin embargo, en diciembre de 2019, la AEN estableció un grupo de expertos sobre la Aplicación de la Robótica y los Sistemas Remotos en el back end nuclear con 40 expertos que representan a 14 países miembros y tres organizaciones internacionales para intercambiar información y explorar posibles actividades conjuntas.
Se han identificado medios para superar estas limitaciones, como “el elevado coste de desarrollo de la tecnología robótica como obstáculo para obtener un conjunto de tecnologías robóticas y/o remotas (plataformas y herramientas) para realizar operaciones eficientes en zonas de alta radiación o contaminadas. Entre los principales retos que deben abordarse para superar los elevados costes y desarrollar e integrar más plenamente la robótica en los proyectos de desmantelamiento figuran los siguientes
- Desarrollar un conocimiento y una apreciación más completos y amplios de las capacidades robóticas; que existen actualmente y donde se han utilizado con éxito en proyectos de desmantelamiento.
- Dejar de reinventar tecnologías que ya existen y abandonar el equipo cuando el proyecto ha terminado. Si cada proyecto de desmantelamiento insistiera en diseñar y fabricar sus excavadoras, grúas y otros equipos desde cero, también serían prohibitivamente caros.
- Gestionar el desmantelamiento para convertirse en un patrón fiable consecutivo de la industria robótica y permitir que los costes de los nuevos desarrollos y avances se repartan en múltiples proyectos de desmantelamiento.
- Integrar a la nueva generación, más experta en tecnología, en la actual generación de gestores de I+D que desconfían de la tecnología y piensan que es más sencillo y rentable emplear mano de obra en una tarea..
- Financiar la investigación más adelante en la cadena de I+D para influir en el desarrollo y las pruebas de las capacidades robóticas que se aplican a la I+D nuclear en lugar de intentar adaptarlas después de haber sido desarrolladas para otras aplicaciones en otras industrias y el ejército..
Un análisis de las causas por las que los robots japoneses no desempeñaron un papel destacado en la respuesta a la catástrofe nuclear de Fukushima es instructivo con respecto a los retos mencionados;
Sin embargo, existe una fuerte tendencia a utilizar sistemas más versátiles tanto en lo que respecta al grado de automatización como a la movilidad. Los sensores avanzados, la realidad aumentada y la gran mejora de la interacción hombre-máquina o la usabilidad han aumentado el beneficio práctico del uso de la tecnología robótica. En lo que respecta a la catástrofe de Fukushima, se espera que este proyecto de desmantelamiento se convierta en uno de los mayores retos de ingeniería de nuestro tiempo: Se afirma que se tardará probablemente 40 años en completarlo, con un coste de 15.000 millones de dólares. En la operación participarán escuadrones de robots avanzados. Durante el primer semestre de 2017, se realizaron una serie de investigaciones visuales con equipos y robots controlados a distancia para identificar el estado de los recipientes en su interior, así como la distribución de los restos de combustible en las tres unidades.
En el verano de 2017, tal y como se recoge en la hoja de ruta del Gobierno, se presentaron las políticas de recuperación de restos de combustible de cada unidad y se debatió cuál debía ser la primera en someterse a la recuperación de restos de combustible en 2018. En 2019 se realizó la primera prueba, que incluía el levantamiento y traslado de los restos de combustible mediante un brazo robótico. Aunque las pruebas concluyeron con resultados positivos, se espera; que la operación de limpieza no comience hasta 2022, ya que los planes iniciales de iniciarla en 2021 tuvieron que posponerse debido a la pandemia de Covid-19.
Cabe señalar que el desastre de Fukushima motivó en gran medida el Desafío de Robótica de DARPA. El desafío de DARPA en 2020 se centró en la robótica subterránea, que puede operar en entornos subterráneos complejos.
Fukushima también motivó el Desafío del Desastre en la Cumbre Mundial de Robots 2018 en Tokio.
Incluso en entornos no nucleares, la demolición de estructuras suele conllevar un riesgo considerable, por ejemplo, el derribo de un techo. Para ello, se ha desarrollado una raza especial de robots. Los robots suelen ser teleoperados desde un panel de operador inalámbrico. Sin embargo, es característico que se trate de un nicho de mercado, y muchos de los proveedores no consideran que sus vehículos sean sistemas robóticos, sino un vehículo de demolición con una grúa hidráulica para manipular paredes, techos, tuberías, etc.