Chủ Nhật, 21 tháng 5, 2023

Nhật Bản và những rôbôt xử lý sự cố hạt nhân Fukushima

tháng 3 năm 2011 động đất Tohoku ở miền đông Nhật Bản đã gây ra sóng thần và vô hiệu hoá những hệ thống làm mát của nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi
nhiên liệu hạt nhân của nhà máy đã bị nóng chảy và gây ra nhiều vụ nổ hydro
đến nay, công ty sở hữu TEPCO và chính phủ đã chi ra hàng tỷ đôla để tháo dỡ an toàn và hiệu quả cho nhà máy
để tối thiểu hoá rủi ro an toàn sức khoẻ con người, công ty đã phát triển và triển khai một loạt những rôbôt tiên tiến kháng phóng xạ để thực hiện nhiều công việc quan trọng
Tình hình
nhà máy có tổng cộng 6 đơn vị: đơn vị 4, 5 và 6 đang không hoạt động khi sự cố xảy ra
đơn vị 5 và 6 nằm tách riêng với những đơn vị 1 đến 4, chịu ít thiệt hại từ sóng thần và vẫn hoạt động tốt
sóng thần đã phá hoại đơn vị 4 và chịu một vụ nổ hydro vì rò rỉ lan từ đơn vị 3 bên cạnh, nhưng đơn vị 4 lúc đó dừng hoạt động nên những thanh nhiên liệu chịu ít thiệt hại, giữ liều lượng phóng xạ ở mức chịu đựng được
đơn vị 1 đến 3 chịu hư hại nặng nhất, đang hoạt động thì bị sóng thần đánh và ba lò phản ứng đã nóng chảy hạt nhân
đơn vị 1 và 3 đã xảy ra những vụ nổ hydro và rò rỉ vật liệu phóng xạ

Thảm hoạ hạt nhân ở đảo Three Mile
những rôbôt đối phó hạt nhân đầu tiên được phát triển bởi Mỹ sau sự cố tại đảo Three Mile năm 1979
2 rôbôt được triển khai để thẩm tra hiện trường ở những nơi phóng xạ cao mà con người không thể đi vào
đầu tiên là rôbôt thẩm tra giám sát và đang hoạt động [SISI - surveillance and in-service inspection robot] triển khai lần đầu năm 1982: như một máy cào [crawler] chụp ảnh, thu thập mẫu vật và đo đạc phóng xạ
sau SISI có rôbôt Fred trang bị xịt nước tăng áp để khử độc
để tháo dỡ nhiên liệu [de-fuel] lõi lò phản ứng đảo Three Mile đã ngập lụt nước nhiễm phóng xạ, 3 phương tiện trinh sát điều khiển từ xa đã được phát triển và triển khai
những rôbôt ấy rất thực tiễn, áp dụng những công nghệ quen thuộc và được thiết kế rất nhỏ: phun nước, chà cọ và rửa sạch những bức tường
Thảm hoạ Chernobyl
Liên Xô tuyển dụng hàng chục vạn người dọn [liquidator] là những rôbôt chạy bằng cơm, để dọn vữa vụn và vật liệu đổ nát
có một cảnh phim trong chương trình ngắn tập HBO quay một nhóm người dọn [liquidator] xúc những mảnh than chì và hất từ mái nhà xuống
cần nhân viên dọn [liquidator] một phần vì độ phóng xạ quá cao nên rôbôt có sẵn không đáp ứng được [fail] và phần vì những lý do quan liêu
cảnh mái nhà ấy xảy ra vì hoá ra nhân viên không được phép sử dụng máy bay trực thăng để dọn mảnh vụn từ xa
sau rốt rôbôt được mang vào: đáng chú ý là rôbôt chuyên gia vận chuyển [STR-1 specialized transport robot] là một máy ủi điều khiển không dây - sửa đổi lại một phương tiện không người lái cho sứ mệnh mặt trăng
Rôbôt trinh sát PackBot và tiểu máy bay không người lái T-Hawk
tháng 4 năm 2011 những rôbôt đầu tiên đến Fukushima ba tuần sau sự cố
4 rôbôt quân sự đa dụng thuộc loạt rôbôt PackBot của tập đoàn iRobot ở Mỹ đi vào những toà nhà lò phản ứng hư hại và nhiễm phóng xạ đơn vị 1, 2 và 3
PackBot lần đầu sử dụng ở Iraq và Afghanistan năm 2000 để thăm dò và gỡ mìn
PackBot nặng chỉ 30 kg, nhìn giống cánh tay kim loại 3 khúc gắn trên bộ bánh xe gắn xích như xe tăng
sau khi được 'huấn luyện' ở lò phản ứng đơn vị 5, PackBot được mang đến đơn vị 2 và mở một cổng chốt gió cửa kép để vào trong đo lường liều lượng phóng xạ, nhiệt độ không khí và nồng độ oxy
để làm việc dọn dẹp, iRobot cung cấp mẫu rôbôt Warrior to và cứng cáp hơn
nửa cuối năm 2011 Warrior hút dọn cùng với những mẫu Bobcat và Brokk-90 của Thuỵ Điển
hãng Honeywell chế tạo mẫu T-Hawk là máy bay không người lái nhỏ
từ ngày 10 tháng 4 đến ngày 24 tháng 7 chiếc T-Hawk bay khắp đơn vị 1 đến 4 để đánh giá tình hình và thu thập mẫu bụi
RESQ-A
PackBot, Warrior và T-Hawk là rôbôt Mỹ đã gây chút tranh cãi vì Nhật Bản nổi tiếng với công nghệ rôbôt
sau tai nạn nhà máy điện hạt nhân Tokaimura tháng 9 năm 1999, ba trung tâm kỹ thuật khác nhau ở Nhật Bản đã phát triển một loạt những rôbôt thảm hoạ hạt nhân
đáng chú ý là đội rôbôt giám sát từ xa [RESQ - remote surveillance squad] phát triển bởi tổ chức hiện nay đã lấy tên là uỷ ban năng lượng nguyên tử Nhật Bản [JAEA]
ba mẫu rôbôt RESQ A, B và C đo lường và thu thập mẫu vật, nhưng sau năm 2001 đội rôbôt này không được nâng cấp vì thiếu kinh phí
sự cố Fukushima xảy ra gần 10 năm sau: rôbôt RESQ đã lạc hậu và không được bảo trì, nguồn mua linh kiện đã hết hàng và tệ nhất là không có kỹ thuật viên
nhà sản xuất không thể hỗ trợ vì kỹ sư thực hiện đã bỏ dự án từ lâu
dự án 'cầm đèn chạy trước ôtô' này có thể được coi là làm mất mặt JAEA
cho nên sau vài tháng, JAEA tái thiết kế rôbốt RESQ-A thành JAEA-3 lắp ráp từ những linh kiện Brokk có sẵn hàng
sau nhiều thử nghiệm, JAEA-3 bắt đầu nhiệm vụ tháng 9 năm 2011
Quince
PackBot có hệ thống vô tuyến liên lạc khá ngắn nên khó đi sâu vào sàn tầng 1, và bộ bánh xích xe tăng khiến rôbôt khó leo cầu thang bộ
TEPCO không chỉ cần rôbôt đo đạc liều lượng phóng xạ mà còn cần rôbôt đi xuống tầng hầm toà nhà đặt lò phản ứng để lắp đặt một máy đo nước và lấy mẫu nước nhiễm xạ
TEPCO đã sửa đổi loạt rôbôt tìm-kiếm-cứu-nạn của dự án NEDO ở học viện công nghệ Chiba thành rôbôt Quince
Quince cũng sử dụng xích xe tăng nhưng thiết kế kháng nước và cơ động trên mọi địa hình: được ứng dụng thực tiễn ở những trung tâm thương mại dưới lòng đất
TEPCO yêu cầu chỉnh sửa Quince: đáng kể nhất là gia cố khả năng chịu phóng xạ
Phóng xạ
một sự cố hạt nhân sẽ rò rỉ phóng xạ bao gồm: hạt alpha, hạt beta, tia gamma, tia bức xạ x và bức xạ hạt neutron tự do
khi hạt phóng xạ tương tác với một vật liệu bán dẫn, hai hiện tượng sẽ xảy ra một là hiệu ứng dịch chuyển [displacement effect] hạt như neutron và alpha sẽ va đập chất bán dẫn và di chuyển những hạt nguyên tử: chuyển dịch cơ cấu sắp xếp hạt nguyên tử - dẫn đến thay đổi đặc điểm của thiết bị và tăng rò rỉ [lãng phí] điện năng, giảm tuổi thọ hoạt động hai là hiệu ứng ion hoá: eletron, proton và tia x xuyên qua chất bán dẫn tạo nên những cặp electron-lỗ trống - có thể gây hỏng hóc vĩnh viễn và hiện tượng kỳ lạ chỉ một sự cố xảy ra, một trong hai hiện tượng hoặc cả hai, đều có thể vô hiệu hoá rôbôt hoặc những hiệu ứng có thể tích luỹ dần dần, sau rốt vô hiệu hoá thiết bị

Củng cố
hư hại xảy ra ở nhiều mức độ: thiết bị, mạch điện, và hệ thống - nên củng cố chống phóng xạ sẽ được thực hiện trên cả 3 'thiết bị' ở đây là bóng bán dẫn: để củng cố chống phóng xạ cho một thiết bị, ta có thể thiết kế [layout] bóng bán dẫn - thêm những chất nền cách điện như biện pháp [approach] fab silicon-trên-chất-cách-điện hoặc thiết kế 'thiết bị' [bóng bán dẫn] lớn hơn: cổng [gate] lớn hơn sẽ có điện dung cao hơn mạch điện được làm từ nhiều 'thiết bị' [bóng bán dẫn]: củng cố chống phóng xạ trong đó bao gồm làm bản sao [duplicate] những mạch quan trọng hoặc thêm những mạch mới để giám sát [monitor] mạch chính phòng trường hợp hư hại bảo vệ mạch điện và thiết bị thì thường chỉ dựa-vào-phần-cứng, còn thiết kế ở mức độ hệ thống thì ta có thể áp dụng lợi ích của phần mềm bên cạnh những thứ hiển nhiên như thêm ứng dụng 'áo giáp' [armor] phóng xạ và sao lưu [redundancy], ta có thể áp dụng những thuật toán 'gột rửa' [scrub] phòng vệ [preventive] để 'gột rửa' lỗi

Vượt vòng kiểm tra
Quince được làm từ đồ điện tử tiêu chuẩn [conventional] nên nhóm không biết được trải nghiệm thực tế chống chịu phóng xạ sẽ như thế nào nếu chống chịu kém thì sẽ phải thêm một đĩa chắn [lead plate] dày 2 cm làm nặng rôbôt và rủi ro hỏng việc sau đó, thẩm nghiệm tia gamma lên linh kiện của Quince trong đó có CPU 180 nanomet, mạch chủ và bảng driver động cơ đã phát hiện những cấu kiện quan trọng của rôbôt có thể chịu được liều lượng 200 gray tương đương 2 vạn rad những đo lường ban đầu trong đối phó thảm hoạ Fukushima đã đo được 100 gray - nhóm quyết định rằng Quince có thể hoạt động hơn 100 giờ và chỉ rủi ro xác suất 10% hư hỏng sau một số chỉnh sửa, tháng 6 năm 2011 nhóm triển khai Quince vào những toà nhà lò phản ứng tháng 10 năm 2011 sau 5 chuyến đi thành công, một liên kết truyền thông [communication link] hư hại khi rôbôt đang ở tầng 3 đã buộc nhóm bỏ lại Quince Quince 2 và 3 được thiết kế lại để sửa lỗi này và đã triển khai tháng 2 năm 2012

Tháo dỡ
sau thảm hoạ, mục tiêu tiếp theo của chính phủ Nhật Bản là dỡ bở và tái thiết khu vực xung quanh: một chương trình nhiều bước được giám sát bởi TEPCO và học việc nghiên cứu quốc tế cho tháo dỡ hạt nhân [IRID - international research institute for nuclear decommissioning] đầu tiên là dọn dẹp: những vụ nổ hydro đã văng vữa vụn - Hitachi phát triển rôbôt làm việc nặng là ASTACO-SoRa
rôbôt khác là Raccoon và Arounder sẽ trườn trên mặt đất lò phản ứng đơn vị 2 hoặc nơi khác với một phản lực nước cao áp [high pressure water jet] hoặc đá khô [dry ice]
và Meister có thể khoan lấy mẫu hoặc hút các hạt dị vật
Loại bỏ nhiên liệu
thứ hai, mỗi con rôbôt này sẽ có một bộ phận bốc dỡ [assembly] nhiên liệu đã qua sử dụng, sẽ đựng nhiên liệu đã hết tác dụng sản xuất điện và cần loại bỏ
tháng 12 năm 2014 TEPCO tuyên bố thành công loại bỏ 1535 thanh nhiên liệu đã sử dụng khỏi bể lò phản ứng đơn vị 4 hư hại: những thanh sẽ đặt trong một bể làm mát ở đơn vị 6
năm 2019 TEPCO bắt đầu loại bỏ 566 thanh nhiên liệu đã sử dụng khỏi đơn vị 3 và tháng 2 năm 2021 tuyên bố thành công
sau đó TEPCO bắt đầu việc loại bỏ thanh nhiên liệu đã qua sử dụng ở đơn vị 1 và 2

Loại bỏ vụn nhiên liệu
ở đơn vị 1 đến 3, nhiên liệu được biết là đã nóng chảy, thiêu xuyên qua địa điểm ban đầu ở bình chịu áp lực lò phản ứng [reactor pressure vessel] và cả cái bệ [pedestal] bê tông: sau rốt chạm đến bình ngăn chặn sơ cấp [PCV - primary containment vessel] trước khi đội cứu hộ [emergency] bơm nước vào làm nguội - sau đó nhiên liệu đông lại thành vụn nhiên liệu hạt nhân "corium" [chân voi]
mỗi lò phản ứng hạt nhân của 3 đơn vị lại khác nhau, IRID sử dụng rôbôt khác nhau để thăm dò tình trạng của nhiên liệu bị nóng chảy

Đơn vị 1
PCV của lò phản ứng hạt nhân 1 bị ngập dưới độ sâu 2 mét: rất có thể "chân voi" [corium] dưới đáy
năm 2012 TEPCO và nhóm đã đục một lỗ nhỏ vào PCV để luồn vào một camera có dây và chạy nhiều bài thẩm nghiệm [test] nước
năm 2014 IRID phát triển một rôbôt uyển chuyển [morph] được thiết kế để: đầu tiên chen xuyên qua lỗ rộng 100 milimet, sau đó vặn [twist] và biến dạng [transform] thành một hình-chữ-U đi qua một đĩa chắn [lead plate] chèn đằng trước lỗ để chặn [shield] phóng xạ
rôbôt P-Morph đầu tiên đã gặp một chướng ngại vật khi đi quanh vùng bên ngoài của bệ [pedestal] và nhóm đã phải bỏ lại
cải thiện được thực hiện và công việc thành công
bước tiếp theo là phát triển rôbôt để thu nhặt vụn nhiên liệu hạt nhân vẻ ngoài giống như đá cuội rải rác bên trong bệ
Đơn vị 2
đơn vị 2 bị nóng chảy nhiên liệu nhưng không có vụ nổ hydro: cho nên cấu trúc toà nhà vẫn nguyên và điệu kiện làm việc dễ hơn đơn vị 1 và 3
để kiểm tra thiệt hại, TEPCO sản xuất rôbôt Scorpion cũng có thể trườn qua lỗ nhỏ và sau đó tạo hình con bọ cạp để đi tiếp
năm 2017 Scorpion ra mắt, sau khi đã vào trong thì bộ xích [tread] trái hư hỏng không rõ lý do và Scorpion phải bị bỏ lại bên trong lò phản ứng
sau rốt, đội đã chụp được ảnh toàn bộ bên trong nơi lò phản ứng nhờ một thiết bị giống như máy ảnh treo lên cái que giống như cần câu
nhiều bức ảnh đã được chụp để dựng thành ảnh panorama
Đơn vị 3
corium bên trong lò phản ứng số 3 được chụp ảnh cuối cùng vì PCV chìm gần hết dưới độ sâu 6 mét: cần biện pháp tiếp cận và thiết bị mới
biện pháp đi vào được áp dụng cho đơn vị 2 không khả thi vì lụt: rôbôt năm 2015 chỉ đi xa được đến tầng 1 loanh quanh bên ngoài bệ [pedestal] - cách đi khả thi nhất thì chỉ 14 cm chiều rộng
mất 2 năm phát triển một rôbôt thích hợp: nhỏ chỉ rộng 13 cm và dài 30 cm có tên là Mini-Manbo nghĩa là cá mặt trăng nhỏ
năm 2017 Mini-Manbo ghi hình thành công vụn hạt nhân và được lên báo
Kết
sau khi tìm được những mảnh nhiên liệu hạt nhân, họ có thể bắt đầu làm việc loại bỏ
IRID và TEPCO quyết định bắt đầu thu thập và loại bỏ vụn nhiên liệu khỏi lò phản ứng số 2 trước: phát triển một cánh tay rôbôt thép không gỉ lớn đặt bên ngoài PCV - thò qua một lỗ trong PCV và nhặt vụn
hiện tại, khởi công dự án sẽ chậm trễ đến năm 2023 vì cần cải thiện chức năng cánh tay và bổ sung nhiều linh kiện đính kèm [attachment]
IRID kỳ vọng sẽ mất ít nhất 10 năm để loại bỏ tất cả vụn nhiên liệu khỏi nhà máy Fukushima, mặc dù sau đó thì việc dọn dẹp và khử ô nhiễm vẫn phải làm hàng năm nữa
dù sao thì tình hình đã cải thiện đủ để chính phủ cho phép cư dân trong vùng trở về nhà
tháng 4 năm 2019 chính phủ gỡ bỏ lệnh sơ tán ở thị trấn Okuma là nơi gần nhà máy nhất: chỉ một tỷ lệ nhỏ dân thị trấn dám trở về

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét