Questa categoria comprende robot di demolizione e robot per la disattivazione o lo smantellamento di complessi nucleari, chimici, rifiuti, militari e altri complessi pericolosi. La disattivazione e lo smantellamento (D&D), così come le attività post-accidentali, sono generalmente eseguite tramite manipolazione remota. L'operatore si trova solitamente in una cabina sicura o opera i robot/manipolatori da una distanza di sicurezza. I robot sono utilizzati frequentemente nel processo di smantellamento delle centrali nucleari.
Tipi di operazioni eseguite dal robot
Ad oggi, circa 180 reattori nucleari commerciali, impianti sperimentali o prototipi e più di 500 reattori di ricerca sono stati ritirati dal funzionamento. La maggior parte delle parti di una centrale nucleare non diventano radioattive o sono contaminate solo a livelli molto bassi.
Sono disponibili tecniche e attrezzature collaudate per smantellare gli impianti nucleari in sicurezza e sono state ben dimostrate in diverse parti del mondo. I costi di smantellamento delle centrali nucleari, compreso lo smaltimento dei rifiuti associati, stanno diminuendo e sono solo una piccola frazione del costo totale della produzione di elettricità.
Attualmente, 18 reattori commerciali sono in fase di smantellamento, e circa 400 reattori nucleari civili saranno chiusi nei prossimi due decenni, di cui circa la metà saranno dismessi. La demolizione delle strutture è spesso accompagnata da un rischio considerevole man mano che i diversi pezzi si separano. I compiti tipici comprendono:
- Decontaminazione attiva mediante trattamenti fisici/chimici della superficie (raccolta, rimozione, deposito superficiale, rimozione della contaminazione penetrata nel calcestruzzo)
- Raccogliere fluidi decontaminati, detriti, rifiuti, materiale
- Raccolta e gestione dei rifiuti (secondari) della decontaminazione
- Trasporto e deposito di materiale contaminato
- Trattamento della superficie (per esempio, per l'applicazione di guarnizioni) materiale
- Processi fisici (taglio, perforazione, fresatura, ecc.) per lo smantellamento di strutture
- Misurazioni probanti e attive (geometria, contaminazione, ecc.)
Alcune operazioni sono piuttosto rozze, come l'abbattimento di strutture edilizie e la rimozione dei detriti. Altre procedure possono comportare un attento smontaggio di attrezzature e dispositivi, la riduzione delle dimensioni e l'imballaggio della manipolazione/stoccaggio. Spesso vengono utilizzati strumenti come cesoie idrauliche e chiavi a urto. Nella maggior parte dei casi, questi robot consistono in una parte mobile con un manipolatore idraulico a bordo che ha uno strumento per la demolizione montato all'estremità.
Brokk ha sviluppato una serie di macchine idrauliche azionate elettricamente che possono navigare attraverso porte strette, giù per le scale, e in aree ad alta esposizione. Sono utilizzati a Fukushima per sorvegliare, filmare e rimuovere i detriti dalle aree ad alta esposizione dei reattori danneggiati. Brokk ha aggiunto dei manipolatori end effectors, come un manipolatore di celle calde con capacità di carico che superano i 75 kg.
L'applicazione della robotica al taglio di tubi, condotti elettrici, canaline per cavi, acciaio strutturale e scarificazione del calcestruzzo è virtualmente illimitata..
Numerosi produttori offrono manipolatori sia fissi che montati su un gantry o una piattaforma mobile per la presa di oggetti, la manipolazione o la guida di utensili. L'LMF (“Leichtes Manipulator-Fahrzeug,” “Easy Manipulator Vehicle”) prodotto da Cybernétix (ora Technip) è un veicolo modulare per interventi a distanza in impianti nucleari. La base mobile, che può attraversare ostacoli come le scale, è dotata di una telemanipolazione idraulica pesante (force feedback). Il controllo, i dati e le immagini video sono trasmessi da un cavo ombelicale o da un sistema radio che utilizza la tecnologia spread-spectrum.
Cybernétix ha anche sviluppato una gamma di vettori dotati di bracci manipolatori azionati idraulicamente o elettricamente, sia con che senza riflessione della forza. Una selezione di mani teleoperate per il decommissioning è prodotta da Wälischmiller Engineering.
Le operazioni di taglio laser nel recipiente del reattore a neutroni veloci Superphénix (attualmente in fase di smantellamento a Creys-Malville, Francia) sono state eseguite utilizzando CHARLI, un piccolo apparato a controllo remoto (DUA) dotato di un braccio robotico con una testa di taglio laser e diverse telecamere di visione.
È stato appositamente progettato per muoversi all'interno di strutture chiuse di condutture e può sopportare condizioni ambientali molto dure con alti livelli di radiazioni e temperature, così come la presenza di sodio, aerosol e argon.
Nel reattore 4 di Chernobyl: il robot a gambe Spot della Boston Dynamics è stato utilizzato per generare una mappa termica delle radiazioni che fuoriuscivano dal sarcofago di cemento e acciaio in cui era coperto il reattore. Il robot è stato equipaggiato con un sensore di radiazioni collimato e manovrato da ricercatori dell'Università di Bristol, della Atomic Energy Authority del Regno Unito, del Robotics and Artificial Intelligence in Nuclear initiative e del National Centre for Nuclear Robotics.
I lavori per lo smantellamento della centrale nucleare di Fukushima-Daiichi sono ancora in corso: Varie tecnologie robotiche sono state considerate essenziali per il successo; pertanto, le offerte pubbliche di tecnologie applicabili come catalogo tecnico sono state sollecitate dal Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria del Giappone nel 2012. I robot sono stati introdotti nel sito del disastro per la pulizia e lo smantellamento.
A causa della pandemia di Covid-19, la rimozione dei detriti sarà posticipata di circa un anno.
Ad oggi, la costruzione di strade è ancora fatta principalmente da macchine guidate manualmente o parzialmente automatizzate. Lavorare vicino alle corsie autostradali è un lavoro rumoroso e pericoloso, che per queste cause è adatto all'automazione.
Un esempio di un nuovo metodo stradale e di demolizione di muri è offerto da Conjet, che produce macchine automatizzate con getto d'acqua ad alta pressione. Questo processo, chiamato idro-demolizione, utilizza un getto d'acqua ad alta pressione per rimuovere il calcestruzzo da strutture sensibili, come ponti, ponti di parcheggio, dighe, canali, gallerie, moli e pontili insieme alla riparazione del calcestruzzo.
Questi robot sono anche usati per altre applicazioni a getto d'acqua, come la scarificazione o l'irruvidimento delle superfici, la pulizia e la rimozione della vernice. In alternativa, i trapani elettrici possono essere collegati ai bracci del robot.
Forti getti d'acqua possono essere applicati per un'efficace riparazione e decostruzione delle strade. I robot possono guidare accuratamente i getti d'acqua ad alta pressione per tagliare e rimuovere il cemento da ponti, strade e muri di edifici. A causa del rinculo, della precisione e dell'emissione di rumore associati a tali macchine, esse hanno funzionato automaticamente. Per abbattere strutture in acciaio e metallo, il braccio del robot può anche essere equipaggiato con torce a ossicombustibile.
Livello di distribuzione
L'industria dell'energia nucleare è un utente significativo di robot, anche se il più delle volte si tratta di unità altamente specializzate prodotte in quantità relativamente piccole. Con la prevista costruzione di nuovi impianti in molti territori, combinata con i massicci compiti di smantellamento che ci attendono, le prospettive sono forti per soluzioni robotiche innovative in questo settore. Pertanto, i robot per la demolizione generale di complessi edilizi e lo smantellamento o la manutenzione di impianti nucleari, industrie chimiche, trattamento dei rifiuti o complessi militari hanno un potenziale di mercato significativo.
Considerazioni sui costi-benefici e sfide di marketing
Smantellare un sito nucleare è costoso: Mentre in Germania sono stati stanziati 38 miliardi di euro per smantellare 17 reattori nucleari, la Nuclear Decommissioning Authority britannica stima che il risanamento dei 17 siti nucleari britannici costerà tra 109 e 250 miliardi di euro nei prossimi 120 anni, il che significa da 1,4 miliardi di euro a 2,7 miliardi di euro per Giga Watt. La Francia ha messo da parte solo €23 miliardi per smantellare i suoi 58 reattori.
Quando le centrali nucleari vengono smantellate, è spesso difficile o impossibile utilizzare il lavoro manuale a causa del rischio di radiazioni o di contaminazione chimica. Al contrario, in questi casi è possibile utilizzare un robot di demolizione nell'area da decontaminare, smantellare o demolire. Per essere veramente efficace, il robot deve essere agile nel senso che deve essere in grado di tagliare tubi, imballare materiale in contenitori, demolire muri o trasportare materiale, ecc. Infine, deve essere smontato per essere trasportato in un'area di stoccaggio. La sfida principale qui è che il robot deve essere estremamente affidabile poiché è praticamente impossibile riparare o aggiornare il sistema una volta che è stato distribuito. A causa di considerazioni sulla sicurezza e la complessità del compito, questi robot sono tipicamente controllati a distanza con un limitato grado di autonomia. La sfida di combinare un robusto rilevamento/feedback con un'elevata durata e flessibilità rappresenta un ostacolo significativo per una più ampia diffusione.
La maggior parte dei dispositivi robotici attuali impiegano poca autonomia o persino movimento programmato; invariabilmente, c'è un umano nel ciclo di controllo ed è probabile che continui. La maggior parte dei sistemi applicano un semplice controllo a distanza, teleoperazione o manipolazione master/slave e generalmente rientrano in una delle tre seguenti grandi categorie:
- Soluzioni personalizzate relativamente costose per problemi specifici.
- Attrezzatura di uso generale, modificata per questo uso.
- Sistemi prodotti da componenti "off the shelf" (COTS) come i bracci manipolatori pesanti (azionati idraulicamente).
L'industria dell'energia nucleare usa i robot durante la costruzione degli impianti, le operazioni di manutenzione per la disattivazione e lo smaltimento delle scorie. L'Agenzia per l'energia nucleare (NEA) spiega in un rapporto dell'OCSE del 2011 sul programma cooperativo sullo smantellamento (CPD): “Per quanto riguarda l'uso della robotica, il CPD ha osservato che […] i robot possono avere un'applicabilità pratica limitata nello smantellamento, contrariamente alle aspettative precedenti che i metodi robotici sarebbero stati ampiamente utilizzati nella decontaminazione e nello smantellamento di strutture e componenti radioattivi, anche se rimarranno necessari per alcune applicazioni, soprattutto nelle aree ad alta radiazione. La bonifica e la verifica per il rilascio o la declassificazione di strutture in calcestruzzo contaminate da alfa, dove l'infiltrazione della contaminazione nelle fessure e lungo le penetrazioni dei tubi si è rivelata molto impegnativa e, in effetti, in alcuni casi ha spinto le autorità a imporre criteri di rilascio molto più rigorosi...”.
Tuttavia, nel dicembre 2019, la NEA ha istituito un gruppo di esperti sull'applicazione della robotica e dei sistemi remoti nel back end nucleare con 40 esperti che rappresentano 14 paesi membri e tre organizzazioni internazionali per scambiare informazioni ed esplorare potenziali attività congiunte.
I mezzi per superare queste limitazioni sono stati identificati, come “…alto costo di sviluppo della tecnologia robotica come un ostacolo per ottenere una suite di tecnologie robotiche e/o remote (piattaforme e strumenti) per operazioni efficienti in aree ad alta radiazione o contaminate. Le sfide chiave che devono essere affrontate per superare i costi elevati e sviluppare e integrare più pienamente la robotica nei progetti di disattivazione includono:
- Sviluppare una conoscenza e un apprezzamento più completi e più ampi delle capacità robotiche che esistono attualmente e dove sono state utilizzate con successo nei progetti di smantellamento.
- Smettere di reinventare tecnologie che già esistono, per poi abbandonare l'attrezzatura quando il progetto è finito. Se ogni progetto di smantellamento insistesse nel progettare e fabbricare da zero i propri escavatori, gru e altre attrezzature, anche queste sarebbero proibitive..
- Gestire la disattivazione per diventare un patrono affidabile consecutivo dell'industria robotica e permettere che i costi dei nuovi sviluppi e dei progressi siano ripartiti su più progetti di disattivazione.
- Integrare la nuova generazione, più esperta tecnicamente, nell'attuale generazione più anziana e vestita di manager D&D che diffidano della tecnologia e pensano che sia più semplice e più efficace in termini di costi buttare manodopera in un compito.
- Finanziare la ricerca più a valle della R&pipeline di D per influenzare lo sviluppo e la sperimentazione di capacità robotiche che si applicano al D&D nucleare invece di cercare di adattarle dopo essere state sviluppate per altre applicazioni in altre industrie e militari.
Un'analisi delle cause per cui i robot giapponesi non hanno giocato un ruolo di primo piano nella risposta al disastro nucleare di Fukushima è istruttiva per quanto riguarda le sfide di cui sopra.;
Tuttavia, c'è una forte tendenza a usare sistemi più versatili per quanto riguarda sia il grado di automazione che la mobilità. Sensori avanzati, realtà aumentata e una migliore interazione uomo-macchina o usabilità hanno aumentato il beneficio pratico dell'uso della tecnologia robotica. In particolare per quanto riguarda il disastro di Fukushima, questo progetto di smantellamento dovrebbe diventare una delle più grandi sfide ingegneristiche del nostro tempo: Si sostiene che ci vorranno probabilmente 40 anni per completare 15 miliardi di dollari di costo. L'operazione coinvolgerà squadroni di robot avanzati. Durante la prima metà del 2017, è stata eseguita una serie di indagini visive utilizzando attrezzature e robot controllati a distanza per identificare le condizioni dei vasi all'interno, così come la distribuzione dei detriti di combustibile in tutte e tre le unità.
Nell'estate del 2017, come indicato nella tabella di marcia del governo, sono state presentate le politiche per il recupero dei detriti di combustibile da ogni unità e sono sfociate in una discussione su quale dovesse essere la prima a subire il recupero dei detriti di combustibile nel 2018. Nel 2019 è stato condotto il primo test, che comprendeva il sollevamento e lo spostamento dei detriti di combustibile da un braccio robotico. Anche se i test si sono conclusi con risultati positivi, si prevede che l'operazione di pulizia non inizierà fino al 2022, dato che i piani iniziali per iniziarla nel 2021 hanno dovuto essere posticipati a causa della pandemia di Covid-19.
Va notato che il disastro di Fukushima ha motivato la DARPA Robotics Challenge in misura significativa. La sfida DARPA nel 2020 si è concentrata sulla robotica sotterranea, che può operare in ambienti sotterranei complessi.
Fukushima ha anche motivato la Disaster Challenge al World Robot Summit 2018 di Tokyo.
Anche in ambienti non nucleari, c'è spesso un rischio considerevole associato alla demolizione di strutture, per esempio l'abbattimento di un soffitto. A questo scopo, è stata sviluppata una razza speciale di robot. I robot sono tipicamente teleoperati da un pannello operatore wireless. È comunque caratteristico che questo sia un mercato di nicchia, e molti dei fornitori non considerano i loro veicoli come sistemi robotici, ma piuttosto un veicolo da demolizione con una gru idraulica per la movimentazione di muri, soffitti, tubi, ecc.