Лазерный манипулятор для дезактивации радиоактивных металлоконструкций

Более половины всех применений лазерных технологий в промышленности так или иначе связаны напрямую с температурными характеристиками лазера. Это и лазерная сварка, резка, оплавление и наплавка, лазерное гравирование и скрайбирование. Помимо температурных характеристик, лазер также удобен и тем, что дает монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. Именно это делает лазер универсальным оптическим инструментом в различных отраслях промышленности. Его применение не только оправдано, но и порой необходимо, когда нужна точность, исчисляемая в микронах. С подобными применениями лазерами мы можем столкнуться и в медицине, и в современных биотехнологиях.

Но помимо уже известных и привычных отраслей использования лазера, буквально каждое десятилетие мы знакомимся с новыми, порой неожиданными, но не менее полезными применениями лазерных технологий.

Одно из таких новых и перспективных  применений лазера – это дезактивация радиоактивных объектов. По результатам исследований, проведенных учеными  ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, было установлено,  что под воздействием лазерного луча разрушается радиоактивная оксидная пленка на поверхности облученного радиацией объекта. Продукты разрушения пленки тут же удаляются этим же лазерным лучом. Они  как бы выжигаются, практически не оставляя отходов, в отличии от существующих  химических  и электрохимической технологий дезактивации.

 

 

Это свойство лазера и легло в основу разработки технологии дезактивации радиоактивного распада. Именно эта технология дала возможность разработать лазер, с помощью которого можно проводить работы по дезактивации радиоактивных поверхностей. Так в недрах ВНИИНМ им А. А. Бочвара родился проект по созданию промышленной установки по дезактивации радиоактивных емкостей от ядерного топлива.

Постановка проблемы и сложность задачи

Проблема утилизации радиоактивных отходов, в частности емкостей от ядерного топлива, отслуживших свой срок, стоит перед всем человечеством так же остро, как и проблема радиоактивной безопасности человечества в целом. Во многом именно это способствовало включению программы переработки и утилизации контейнеров от ядерного топлива в рамки Федеральной Целевой Программы "Национальная технологическая база на 2007-2011 годы", среди государственных заказчиков которой Минпромэнерго России, Роспром, Роскосмос, Росатом, Роснаука и ряд других ведомств и академий РФ.

Сами контейнеры представляют собой громоздкие емкости, которые после того, как радиоактивное топливо израсходуется нужно обезвредить и утилизировать. До сегодняшнего дня утилизация контейнеров проходила следующим образом: емкости 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. А последующая транспортировка радиоактивных фрагментов, во-первых, очень дорогостоящая процедура, во-вторых, всегда есть риск утечки радиации. Но с помощью разработанной специалистами института лазерной установки появилась возможность дезактивировать емкость на месте и без ее разделения на части.

 

 

Установка была разработана и испытана, 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. Основная сложность задачи состояла в том, что сами контейнеры представляют собой металлические емкости внушительных размеров, длиною от 2 до 3 метров, с узкой горловиной диаметром не более 0,8 метра.

В результате проведенного конкурса, была выбрана компания, которая займется разработкой манипулятора для лазерной установки. Этой компанией стала ЗАО Сервотехника, которая на момент участия в конкурсе уже имела более чем десятилетний опыт разработок промышленных  манипуляторов с нуля.  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).

Пожалуй, самая главная сложность технического задания на разработку манипулятора - это наличие требований по радиоактивной устойчивости всех узлов установки, включая сложную систему сканирования обрабатываемых поверхностей. Абсолютно все узлы и детали установки должны работать в условиях альфа, бета и гамма-излучения при радиационной активности до 10 мР/час.

Технические и динамические характеристики  манипулятора должны быть таковы, чтобы обеспечивать перемещение рабочего органа по внутренней поверхности контейнера диаметром от 600 до 1500 мм с глубиной проникновения до 2000 мм и поддерживать перпендикулярную ориентацию пучка излучения относительно обрабатываемой поверхности с отклонениями не более 10 градусов.

Также одним из обязательных требованием было условие поддержания манипулятором постоянного зазора 8 мм между элементами рабочего органа лазера и обрабатываемой поверхностью. Допустимые отклонения не должны превышать 3 мм.

Так как все топливные емкости, которые подлежат дезактивации имеют сложную форму и различные варианты исполнения, инженерами Сервотехники была предложена следующая технология: 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 криволинейной поверхности, манипулятор будет переключаться на ручной режим управления. Оператор, находясь на безопасном расстоянии, управляет установкой с помощью специальной системы слежения.

Обязательное полное задание размеров обрабатываемой детали оказалось не эффективным решением, такой вариант был отвергнут еще на предварительной стадии разработки манипулятора. Неэффективность подобного варианта основана на том, 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. Средняя площадь обрабатываемой поверхности составляет около 20 квадратных метров. Миллиметр за миллиметром, без пропусков зон и без повторов лазер должен проводить дезактивацию внутренних стенок контейнера.

Конструктивные особенности

 

Каким способом можно увеличить скорость работы всей установки? Сервотехника предложила неожиданное решение: учитывая, что все емкости, которые подлежат обработке, имеют ось симметрии и представляют собой тела вращения (цилиндрической формы), было предложено поместить сами емкости на вращающиеся ролики-барабаны. Ролики передают вращение самому контейнеру, внутри которого уже находится рабочая часть лазерного манипулятора. Интегрировав вращение емкости с работой лазера, решается сразу две проблемы: увеличивается общая скорость дезактивации поверхности контейнера; существенно удешевляется и упрощается конструкция самого манипулятора. Ведь вращая обрабатываемую поверхность, нет необходимости создавать лишние узлы манипулятора, отвечающие за поворот головы на 360°.

Вся установка конструктивно состоит из станины, пяти линейных модулей, лазерного излучателя и системы управления (включая ШУ), газоходной линии. передачи излучения, которая 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 для лазерного манипулятора. 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 и программное обеспечение

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 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.

***

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). Отдельно стоит отметить, что использование подобных манипуляторов для дезактивации контейнеров от ядерного топлива поможет со временем отказаться от традиционных методов химической и электрохимической дезактивации – как более дорогих и менее экологичных. 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 международных требований по экологии отдельных регионов и планеты в целом.

Красуцкий Владимир Алексеевич,
директор по маркетингу ЗАО «Сервотехника»