Не луноходы и не джокеры. Что мы знаем о роботах на Фукусиме

Одна из тяжелейших техногенных катастроф в истории человечества произошла 26 апреля 1986 года. И затем почти повторилась 12 марта 2011 года. Как вы могли догадаться, речь идет об авариях на Чернобыльской атомной электростанции в СССР и АЭС Фукусима-1 в Японии. Сериал «Чернобыль», снятый HBO, вновь подогрел интерес к истории аварии на ЧАЭС и напомнил о том, с каким трудом удалось остановить выброс радионуклидов из разрушенного реактора в атмосферу. Отдельно там говорилось о неудачном применении роботов и вынужденному обращению к помощи людей. Япония ведёт многочисленные эксперименты с разнообразными роботами, которые могут оттянуть необходимость привлечения людей к ликвидации.

Происшествия на Чернобыльской АЭС и Фукусиме имеют разные причины и разную хронику событий, но общее в них одно — обширная территория вокруг станций заражена, что делает невозможным долговременное безопасное проживание на ней, а о полной расчистке энергоблоков станций пока не идёт и речи. В обоих случаях человечество оказалось не готово к ликвидации последствий — сотни тысяч человек в СССР работали над дезактивацией зоны отчуждения и строительством защитного саркофага над реактором. В Японии пошли другим путём.

Справка: нормы облучения

Фраза о радиационном фоне из сериала «Чернобыль» успела стать мемом в зарубежном интернете: «3,6 рентген — ничего хорошего, но и не ужасно». Действительно, стоит ли бояться этих самых 3,6 рентген в час или это и правда не ужасный фон? Чтобы лучше понимать замеры с Фукусимы, приведённые в посте ниже, надо сперва разобраться со шкалой доз и их влиянием на организм.

Хорошо знакомый россиянам рентген (Р) — это устаревшая единица измерения радиационного фона, не входящая в систему СИ. Сейчас вместо него применяется Зиверт (Зв). Упрощенно говоря, 1 Зв равен 100 Р. То есть, 3,6 Р/ч — это 0,036 Зв/ч или 36 мЗв/ч. В России на некоторых НИИ можно встретить табло с текущим фоном, измеряемым в рентгенах. В среднем городской фон у нас колеблется на уровне 12-20 мкР/ч или 0,12-0,2 мкЗв/ч. От естественного радиационного фона на нашей планете человек получает дозу порядка 2,4 мЗв в год (зависит от страны и высоты над уровнем моря). Эта радиация поступает из космоса, исходит от почвы, воды, присутствует в воздухе, благодаря газу радону.

А теперь небольшая таблица с дозами, получаемыми нами в течение жизни (указанное ниже разовое облучение — это получение соответствующей дозы в период до 4 суток):

Вернемся к упомянутым в сериале 3,6 Р/ч. 0,036 Зв/ч (36 мЗв/ч) действительно не являются ужасным фоном в случае аварии, для развития лёгкой лучевой болезни требуется нахождение в опасной зоне больше суток, а ремонтные работы в течение нескольких часов вполне безопасны и допустимы. А теперь вспомним, как чуть позже сказали в сериале, что фон у реактора составляет не 3,6, а 15 000 рентген (150 Зв/ч). Четыре минуты при таком фоне влекут неизбежную смерть. После двух минут только скорейшая квалифицированная медпомощь может дать шанс на спасение, а для получения лучевой болезни хватит и 25 секунд.

Toshiba на Фукусиме

Сотрудничество Toshiba и Токийской энергетической компании (TEPCO) началось еще на этапе строительства АЭС Фукусима-1. Toshiba отвечала за строительство реакторных установок типа BWR для третьего и пятого энергоблоков станции, введенных в эксплуатацию в 1976 и 1978 годах соответственно. В числе достоинств реакторов BWR значится меньшее давление пара в первом контуре, чем, например, у советского ВВЭР, и меньшие рабочие температуры. К недостаткам относят сложность изготовления, необходимость в очень габаритном корпусе, сложность управления и радиолиз в тепловыделяющих элементах, влекущий выработку взрывоопасного водорода.

Если к аварии на ЧАЭС привел недостаток конструкции реактора РБМК, давший о себе знать во время нарушений при проведении испытаний, то к инциденту на Фукусиме привели сразу два стихийных бедствия. Землетрясение с рекордной магнитудой 9,0-9,1 привело к остановке реакторов, а последовавшее за ним цунами затопило территорию Фукусимы-1 и аварийные генераторы, питающие насосы охлаждения реактора. Реакторы станции, которые даже в случае аварийной остановки не остывают сразу, остались без притока холодной воды, что вызвало её выкипание, повышение давление пара и температуры внутри, образование водорода из-за соприкосновения пара с цирконием в ТВЭЛах (пароциркониевая реакция) и его последующий взрыв. В первом, втором и третьем энергоблоках произошло расплавление активной зоны реакторов и утечка ядерного топлива. На Фукусиме радионуклиды утекают в океан вместе с охлаждающей водой, на ЧАЭС во время пожара они попали в атмосферу и распространились по Европе.

Хроника случившегося на трех энергоблоках. Пострадал и четвертый энергоблок, но в его реакторе не было ядерного топлива, поэтому только произошел пожар. Источник: Roulex_45 / Wikimedia

Для ликвидации аварии на Фукусиме необходимо составить карту повреждений, найти расплавленное топливо и места его утечки, удалить отработанное ядерное топливо из реакторов и бассейнов выдержки, разобрать завалы — то есть, провести колоссальную работу под столь же колоссальным радиационным фоном. Сейчас этой работой на ФАЭС занимаются роботы и телеуправляемые машины — отправлять в зону аварии людей слишком опасно, в некоторых местах станции фон может убить человека всего за несколько минут.

Toshiba совместно с Международным исследовательским институтом по выведению из эксплуатации ядерных реакторов (IRID) занимается разработкой роботов под конкретные задачи — обследование энергоблоков Фукусимы и деконтаминация (очистка) помещений от радиоактивных загрязнений. Мы расскажем о нескольких самых заметных роботах Toshiba, внесших свой небольшой, но важный вклад в дело ликвидации последствий аварии.

Кстати, существует ошибочное мнение, что на Фукусиме при ликвидации не учли ценного опыта Чернобыля. Это в корне неверно. Сразу после аварии была создана группа японо-российских экспертов в области атомной энергетики по вопросам ликвидации последствий аварии на Фукусиме-1, среди которых присутствовал Ларион Александрович Лебедев — непосредственный участник работ на ЧАЭС с лета 1986 года, бывший в команде физиков МИФИ, внесших огромный вклад в исследование радиационной обстановки и строительство саркофага. После аварии в Японии Ларион Лебедев усовершенствовал технологию выделения трития из радиоактивной воды, что позволило приступить к очистке огромных объёмов тяжёлой воды, оставшейся после охлаждения разрушенных реакторов. От имени правительства Японии Ларион Александрович был награждён Орденом Восходящего солнца, вручаемым за военные и гражданские заслуги.

Четвероногий разведчик

Первым роботом Toshiba, оказавшимся на ФАЭС, стал безымянный четвероногий дрон, разработка которого началась сразу после аварии. Его миссией, как и у всех роботов, запущенных на электростанцию в первые годы, была радиационная разведка и оценка повреждений внутри энергоблоков.

На шасси установили дозиметр и шесть камер для осмотра помещений станции. Защищенная электроника была рассчитана на работу при излучении в 100 мЗв/ч на протяжении года (при 10-часовом рабочем дне) и при гораздо большем фоне в течение коротких промежутков. Правда, одного заряда аккумулятора хватало только на 2 часа автономного существования. Робот двигался со скоростью около 1 км/ч, чего достаточно при исследовании разрушенного энергоблока. Управление осуществлялось по радиоканалу с резервированием на случай помех.

На дне устройства крепился небольшой разведывательный дрон, который мог отсоединяться от своего носителя и проползать в узкие места, где рослый робот не мог пройти. Его предполагалось использовать для поиска протечек охлаждающей воды под трубами обвязки реактора.

Нельзя сказать, что на робота возлагались большие надежды: ещё на стадии демонстрации журналисты указывали на медлительность машины — подъём на каждую ступеньку лестницы занимал до одной минуты, а при постановке ноги на нетвердую поверхность робот мог перевернуться на бок.

Однако первый экспериментальный механизм Toshiba для ФАЭС все-таки смог проникнуть в здание второго энергоблока и провести небольшую разведку. TEPCO опубликовала отчёт, как 11 декабря 2012 робот сделал снимки одной из труб, подтвердив отсутствие протечек. В марте 2013 года он побывал внутри ещё пять раз. Но вскоре при попытке дальнейшего осмотра помещений робот потерял равновесие на лестнице и упал на бок. Из-за отсутствия механизма переворачивания четвероногий разведчик так и остался лежать во втором блоке.

Складной исследователь Scorpion

Следующим роботом компании, в котором были учтены все недостатки предыдущей модели, стал Toshiba Scorpion, названный так за свою форму (заглавное фото). Он разрабатывался для очень непростой задачи — исследования днища реактора и поиска топливных стержней, а эта миссия подразумевает работу при огромном радиационном фоне. Scorpion был избавлен от ног, которые заменили на гусеницы, а для компактности конструкцию сделали складной — машину предполагалось забрасывать в реактор через проходы для загрузки топливных стержней. В рабочем режиме робот как бы поднимает свой хвост-манипулятор, двигающийся по трем осям на манер скорпионьего, на конце которого вместо жала приспособлена камера и светодиоды подсветки. Ещё одна камера установлена на передней части и всегда смотрит вперед.

Scorpion управляется оператором через кабель, поэтому проблем с питанием и передачей сигнала нет. К тому же, робот сделан возвращаемым, он не должен оставаться в реакторе после передачи показаний. Опрокидывание ему не страшно, «хвост» с камерой возвращает робота в нормальное положение.

В течение нескольких лет Scorpion дорабатывался для того, чтобы наконец попасть внутрь ФАЭС — со временем он получил маленькую водяную пушку для расчистки пути, ковш и резак для работы с кориумом. В феврале 2017 года робот отправился к реактору, где замерил фон и снял видео. Дозиметр показал впечатляющие 210 Зв/ч (21 000 Р). В соседнем помещении, где находились рабочие, загружавшие робота в трубу, фон составлял 6 мЗв/ч.

ROV: маленькая подводная лодка

Маленькая подводная лодка с видеокамерами, на которые возложены большие надежды. Источник: Toshiba

Дистанционно управляемое подводное средство или сокращенно ROV — первый плавающий робот Toshiba, построенный для изучения реактора третьего энергоблока, нижняя часть которого скрыта под шестиметровой толщей воды. Эта маленькая подводная лодка с размерами 30 х 13 см и массой 2 кг несёт на себе две камеры и подсветку, управляется по кабелю и может перемещаться под водой в любом направлении с высокой точностью. Устройством управляет оператор, а сигнал и питание подводятся по длинному кабелю. Чтобы провод не запутался и не зацепился за обломки, Toshiba разработала особое покрытие с минимальным трением, а на самого ROV установили два мощных двигателя, чтобы робот мог спокойно тащить за собой кабель.

Кстати, диаметр ROV в 14 см был обусловлен узким входным отверстием в корпус реактора третьего энергоблока, поэтому инженерам Toshiba пришлось потрудиться, чтобы уместить в такой компактный корпус электронику, защиту и двигатели. По окончанию двухмесячного интенсивного курса тренировок операторов, Toshiba ROV отправился на ФАЭС. Робот побывал в реакторе 19, 21 и 22 июля 2017 года и успешно осмотрел разрушенные внутренности.

Магнитный SC-ROV

Еще одним труднодоступным местом, в котором скопилась вода с радионуклидами, стали тороидальные камеры сброса давления, расположенные ниже реактора. Необходимо было послать робота для поиска протечек под камерой, но дело осложнялось тем, что контайнмент был затоплен — от робота требовалось осмотреть трубы, погруженные в мутную воду. Плавающие устройства для этого не подходили, был необходим зонд, который закрепился бы на трубе и смог ехать по ней, не соскальзывая даже под большим углом.

Как закрепить робота на стальной трубе, чтобы тот не скатывался? С помощью магнитов. Устройство SC-ROV от Toshiba создавалось специально под параметры камеры сброса давления. Оно представляет собой шасси с колёсами из мощных неодимовых магнитов. С помощью четырех камер и маркера оператор может перемещаться по поверхности погруженной под воду трубы и отмечать найденные отверстия.

SC-ROV во время демонстрации отлично держался магнитами за наклонную поверхность. Но реальные условия оказались куда жестче. Источник: IRID

По результатам работы SC-ROV в 2014 году утечек найдено не было, но обнаружились проблемы в эксплуатации устройства. Во-первых, из-за мутности воды дальность видимости не превышала 30-35 см, что значительно тормозило поиски. Во-вторых, из-за неких дефектов поверхности трубы робот всё же соскальзывал с нее при наклоне до 120°.

Камера для поиска кориума

Предыдущие поисковые миссии продемонстрировали угнетающую картину — ядерное топливо в реакторе второго энергоблока вышло за пределы корпуса реактора. Фотографии проплавленной решётки на дне контайнмента однозначно давали понять, что топливо уже где-то на дне. Но задержала ли его защитная оболочка или кориум ушел в грунт? Нужно было послать нового робота в самое «пекло» бывшего реактора к невероятно фонящему топливу.

Расплавленная решётка внутри контайнмента второго реактора — точно над приводом стержней системы управления и защиты. Источник: TEPCO

Роботы на гусеничном ходу работают только на ровном полу, а подводной лодке нужна толща воды. В Toshiba придумали телеуправляемую камеру, закрепленную на конце пятиметровой телескопической трубы. Вне зависимости от угла входа трубы в контайнмент, камера принимает строго вертикальное положение — основной блок удерживается управляющим кабелем, то есть камера как бы «висит на проводе». Ее объектив вращается на 360° по горизонтали и 120° по вертикали. На самом деле на устройстве сразу две камеры — непосредственно рабочая и камера для ориентирования. Помимо объективов на блоке установлены подсветка, дозиметр и термометр. Устройство выдерживает поглощенную дозу до 1000 грей.

Первая версия камеры отработала на Фукусиме в январе 2018 года, где успешно нашла кориум и замерила фон, составивший 530 Зв/ч (53 000 рентген). Но на этом работа не закончилась — потребовалось взять образцы на анализ. В обновленной версии устройства была усилена подсветка и добавлен раздвижной манипулятор. В феврале 2019 года телеуправляемая камера Toshiba впервые получила образец кориума из второго энергоблока.

Машина-уборщик

Помещения энергоблоков рано или поздно придётся дезактивировать, но сперва нужно составить карту загрязнений. Результаты многочисленных исследовательских миссий показали весьма безрадостную картину: вопреки ожиданиям, большинство радионуклидов осело не на полу и не на стенах, а на верхнеуровневых элементах, вроде трубопроводов и вентиляции — на них приходилось до 70% всего излучения. Деконтаминировать пол относительно просто, стены чуть сложнее, но как добраться до загрязнений на потолке и в хитросплетениях труб, учитывая, что высота потолков на первом этаже составляет 7-8 метров?

«Уборщик» радионуклидов от Toshiba — поднимается на 8 метров в высоту и прилежно скоблит стены. Источник: IRID

Toshiba разработала робота, оперирующего пушкой с сухим льдом — ледяная пудра покрывает поверхность, связывает радиоактивные частицы, а робот соскабливает ее и всасывает в себя. Механизм поднимает конструкцию на высоту до 8 метров. Так как это ещё одна телеуправляемая машина, её оператор получает картинку аж с 22 камер одновременно. Машина приступила к очистке энергоблоков в январе 2016 года. Производительность её невелика, но ценен даже маленький вклад в дело деконтаминации станции.

Помощь, но не решение

С момента аварии на Чернобыльской атомной электростанции прошло 33 года, с тех пор технологии совершили колоссальный рывок. Сейчас в ликвидации последствий на Фукусиме участвуют десятки роботов и видов телеуправляемой строительной техники. На сайте TEPCO выложено множество отчётов, данные из которых в целом формируют весьма печальную картину: есть роботы и есть технологии, но все они и близко не подобрались к эффективности работы ликвидаторов ЧАЭС. Разработка и испытания роботов занимает месяцы и годы, а итог их работы — продвижение на десяток метров, сбор дозиметрических данных, мутное видео и частое прекращение миссий из-за непредвиденных проблем.

Каждый робот на Фукусиме — это сохранённые люди, а каждая человеческая жизнь стоит того, чтобы заниматься разработкой роботов. Но текущие планы TEPCO ясно дают понять, что по самым скромным оценкам ликвидация последствий аварии займёт по меньшей мере 30-40 лет. И это лишь подтверждает героизм и масштаб подвига советских ликвидаторов Чернобыля.

Автор: toshiba_ru

Источник ^[1]