Лазерный манипулятор для дезактивации радиоактивных металлоконструкций сложной формы.

Проблема радиационной угрозы особенно остро встала перед человечеством после Чернобыльской катастрофы. Именно этой трагедии, получившей всемирную огласку, суждено было стать точкой отсчета для объединения международных усилий по усилению мер радиационной безопасности. Наряду с контролем по недопущению подобных катастроф, под пристальным вниманием ученых также находится проблема консервации отслуживших атомных станций и утилизации ядерного топлива.

Сложность задачи.

Утилизация радиоактивных отходов - сложный и трудоемкий процесс, состоящий из множества этапов. И из этого процесса невозможно выделить какой-то либо этап, нельзя придать одному из них большую важность или значимость. Каждый этап важен, сложен и не прощает ошибок. Не углубляясь в технологические тонкости утилизации радиоактивных отходов, транспортировки этих отходов к месту захоронения, давайте обратим наше внимание на проблему утилизации или переработки емкостей, где хранились эти отходы до того, как они были отправлены на переработку. А ведь эта проблема не менее сложная и важная для разрешения, чем переработка самих радиоактивных отходов.

Проект разработки программы переработки и утилизации контейнеров от ядерного топлива разрабатывался в рамках Федеральной Целевой Программы «Национальная технологическая база на 2007-2011 годы», среди государственных заказчиков которой являются: Минпромэнерго России, Роспром, Роскосмос, Росатом, Роснаука и ряд других ведомств и академий РФ.

Общий вид обрабатываемой емкости.

Громоздкие емкости после того, как радиоактивное топливо израсходуется нужно обезвредить и утилизировать. До сегодняшнего дня утилизация емкостей проходила следующим образом: контейнеры разрезались на более мелкие фрагменты и специальным транспортом доставлялись к месту утилизации. Один из главных минусов подобной процедуры, это то, что разделять емкости на фрагменты приходилось вручную, за безопасность рабочих отвечали лишь специальные костюмы. Но возможно ли дезактивировать емкость без ее разделения на части?

Почему лазер?

Благодаря проведенным исследованиям, ученые ВНИИНМ им А. А. Бочвара установили, что, под термическим воздействием лазерного луча на обрабатываемой поверхности, разрушается радиоактивная оксидная пленка. Продукты разрушения удаляются лазером (как бы выжигаются, практически, не оставляя отходов). Между тем, при химической или электрохимической дезактивации (один из самых распространенных способов), выделяется большое количество жидких радиоактивных отходов. При обработке крупных объектов, которыми в свою очередь и являются емкости от радиоактивного топлива, объем жидких радиоактивных отходов может достигать нескольких кубических метров.
Полученные отходы также требуют специальной переработки. Таким образом, лазерная технология выжигания радиоактивных элементов представляет собой не только более эффективную альтернативу существующим традиционными способам деактивации, но и экономически выгодное решение.

Технология лазерной дезактивации отходов радиоактивного распада была разработана на ВНИИНМ им А. А. Бочвара. Сегодня ОАО «ВНИИНМ» является одним из ведущих научно-исследовательских институтов отрасли и головной организацией Росатома по проблемам материаловедения и технологий ядерного топливного цикла. За счет собственной исследовательской, экспериментальной и производственной базы, институту удается решать самые сложные задачи в области вопросов безопасности работы с ядерным топливом.

В недрах института, на основе технологии лазерной дезактивации, и была разработана сама лазерная установка, способная производить дезактивацию радиоактивных поверхностей. Но как управлять этим лазером, как сделать лазер мобильным и заставить выполнять команды оператора? Для этих целей было принято решение о создании специального робота-манипулятора. Мобильная установка должна была помещать лазер внутрь емкости, в которой ранее хранилось радиоактивное топливо и равномерно обработать всю внутреннюю поверхность контейнера. Сложность задачи состояла в том, что сами контейнеры представляют собой громоздкие металлические емкости длинною от 3 до 5 метров, с зауженной горловиной диаметром не более 0,8 метра.

Особенности технического задания.

Для разработки подобного манипулятора ОАО «ВНИИНМ» обратился в компанию ЗАО «Сервотехника». Отдел научных разработок которой, за более чем десятилетний опыт работы реализовал уже несколько проектов по разработке и созданию промышленных манипуляторов с «нуля» для различных отраслей промышленности. После изучения технического задания, согласования всех условий работы и подписания договора инженеры компании Сервотехника приступили к разработке робота-манипулятора. Был утвержден эскизный проект системы сканирования обрабатываемой поверхности лазерным лучом, которая является частью мобильного комплекса лазерной дезактивации (МКЛД).

Одна из сложностей технического задания на разработку манипулятора - это наличие требований по радиоактивной устойчивости практически всех узлов установки, включаю сложную систему сканирования обрабатываемых поверхностей. Все узлы и детали установки должны работать в условиях альфа, бета и гамма-излучения при радиационной активности до 10мР/час.

Сам манипулятор должен обеспечивать перемещение рабочего органа по внутренней поверхности контейнера диаметром от 600 до 1500 мм с глубиной проникновения не менее 1500 мм и поддерживать перпендикулярную ориентацию пучка излучения относительно обрабатываемой поверхности с отклонениями не больше 10 градусов.

При любых перемещениях лазера, манипулятор должен обеспечивать поддержание постоянного зазора 8 мм между элементами рабочего органа и обрабатываемой поверхностью с допустимыми отклонениями, не превышающими 3 мм. На манипуляторе устанавливаются система передачи излучения, рабочий орган МКЛД и шланг газоходной линии.

Поскольку обрабатываемые детали могут иметь сложную форму (топливные емкости имеют несколько вариантов исполнения), инженерами Сервотехники был предложен следующий вариант применения технологии: на первом этапе необходимо обеспечить возможность автоматической обработки линейных участков поверхности деталей (горизонтальных и вертикальных). Т.е. там, где технологически возможно использовать автоматизированную работу манипулятора, будет применяться автоматика. А при обработке особо сложных участков криволинейных поверхностей, манипулятор можно переключить на ручной режим управления. Оператор, находясь на безопасном расстоянии, управляет установкой с помощью специальной системы слежения.

Обязательное полное задание размеров обрабатываемой детали будет не очень удобно, прежде всего, для эффективной работы, такой вариант был отвергнут еще на предварительной стадии разработки манипулятора. Данное решение, принято исходя из того, что перерабатывающие предприятия, где найдут свое применение МКЛД, часто просто не имеют чертежей поступающих к ним для обработки металлоконструкций, поскольку они не эксплуатировали ранее это оборудование. Их задача – только переработка поступающего к ним металлолома. Снять точные размеры с деталей в условиях перерабатывающего предприятия довольно трудно. Поэтому обработка деталей по заданным размерам может иметь только ограниченное применение – в тех частных случаях, когда металлоконструкции перерабатываются службами предприятий, эксплуатирующих данное оборудование, а значит и имеющих все необходимую документацию, чтобы задать параметры для манипулятора.

По условиям поставленной задачи, робот-манипулятор должен был проникать в горловину емкости и обрабатывать всю внутреннюю поверхность контейнера. Для оптимизации работы всего процесса, было найдено следующее решение: перед обработкой, расположить саму емкость на вращающиеся барабаны. Барабаны придают контейнеру равномерное вращение. Таким образом, можно вращать не лазер, а обрабатываемую поверхность. Этим не только удешевляется вся конструкция (ведь нет необходимости создавать лишние узлы манипулятора, отвечающие за поворот головы на 360°), но и существенно увеличивается общая скорость обработки контейнера.

Конструктивные особенности.

Конструктивно установка состоит из станины, пяти линейных модулей, лазерного излучателя и системы управления (включая ШУ). Система передачи излучения выполнена на основе системы из 5 зеркал. Для настройки траектории лазерного луча задействовано 4 юстировочных узла.

Газоходная линия.

Особо следует отметить газоходную систему, разработанную инженерами Сервотехники. Газоходная линия, выполненная на основе гофрированного шланга (диаметром 40 мм), обеспечивает транспортировку воздуха от воронки местного отсоса к системе сбора отходов ССЛЛ. Шланг от компрессора подходит к несущему профилю одного из модуля манипулятора, укладывается и закрепляется по всей длине профиля под защитным кожухом. В зоне рабочего органа ССЛЛ шланг образует сложную пространственную петлю, которая позволяет беспрепятственно передвигаться элементам манипулятора.

Система управления.

Разработанная система управления установкой должна обеспечивать перемещение в автоматическом режиме рабочего органа по внутренней поверхности изделия (контейнера), а также поддерживать необходимый зазор между элементами рабочего органа и обрабатываемой поверхностью. Система управления состоит из шкафов управления манипулятором и лазерной установкой, пульта оператора, элементов системы управления на манипуляторе и шкафа управления лазерной установкой.

Программное обеспечение.

Программное обеспечение ССЛЛ состоит из системной и пользовательской частей. Системное программное обеспечение включает в себя операционную систему Windows XP, драйверы для оборудования Delta Tau Data Systems, базовое программное обеспечение УЧПУ Umac, программы электроавтоматики и управления перемещениями для УЧПУ. Пользовательскую часть программного обеспечения составляет программная оболочка, реализующая пользовательский интерфейс УЧПУ Umac (PMAC-NC Pro2) и программа, обслуживающая работу телевизионной камеры.

Заключение.

Конструкция спроектированного манипулятора соответствует всем требованиями безопасности. Манипулятор соответствует требованиям ГОСТ 12.2.007.0 – 75, а именно: конструкция манипулятора и его электрооборудования выполнены по 1 классу защиты от поражения электрическим током, сопротивление заземления манипулятора и элементов системы управления не более 0,1 Ом, сопротивление изоляции токоведущих частей не менее 0,5 Мом.

Использование, разработанного специалистами компании «Сервотехника», манипулятора позволит существенно сократить время дезактивации радиоактивно загрязненных металлоконструкций (включая емкости от ядерного топлива). Применение установки на радиохимических предприятиях расширит возможности современной индустрии переработки ядерных отходов и повысит радиационную безопасность в целом по отрасли. Особенно это актуально в современных условиях ужесточения требований по безопасности использования ядерных технологий, в условиях усиления требований по экологии отдельных регионов и планеты в целом.