Los ingenieros del Laboratorio de Tecnología y Sistemas Autónomos de Surrey (STAR) están llevando a cabo un proyecto de investigación de cuatro años sobre los usos potenciales de la robótica dentro del sector nuclear, financiado conjuntamente por la Industria Nuclear del Reino Unido y por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC). El equipo está trabajando en colaboración con Sellafield y el Laboratorio Nacional Nuclear (NNL) para examinar cómo la robótica se puede utilizar específicamente en el desmantelamiento de centrales nucleares.
El proyecto, conocido como "Automated Robot Waste Processing", comenzó el año pasado y avanza rápidamente. A medida que la flota nuclear del mundo envejece, un número creciente de reactores deberán retirarse, un proceso tradicionalmente costoso y que entraña un cierto riesgo. El Laboratorio STAR espera ayudar mediante el uso de una robótica robusta que funciona de manera autónoma a desmantelar y limpiar las centrales nucleares.
Sus robots combinan una serie de avances tecnológicos para adaptarse al desmantelamiento nuclear, inspirándose en la robótica espacial. Estos incluyen sistemas de figuración visual de alto rendimiento junto con brazos robóticos, cuya combinación está entrando en la etapa de prueba del proyecto.
Sinergia nuclear con el espacio
El enfoque principal del STAR Lab desde su inicio en 2007 ha sido la robótica espacial, y la nueva investigación refleja justamente esto. Pero según la profesora Yang Gao, que lidera el equipo de ingenieros en Surrey, los emplazamientos nucleares y el espacio en realidad tienen mucho en común. El espacio es remoto y hostil, y la superación de estos problemas ha proporcionado muchas pistas para trabajar dentro de las centrales nucleares.
"Como se puede imaginar, las misiones espaciales tienden a tratar con ubicaciones que están muy, muy lejos de la tierra, por lo que el funcionamiento remoto en muchos escenarios no es factible", nos afirma Gao. "Así que estamos desarrollando un software que potencialmente puede realizar los modelos que implican los objetivos de la misión y luego tomar decisiones. Software esencialmente autónomo. Y debido a los requisitos muy elevados de las misiones espaciales, el software tiene que ser muy confiable y robusto, por lo que disponemos de técnicas al diseñar un software autónomo para tener en cuenta la solidez y la fiabilidad".
El proceso de desmantelamiento nuclear, que puede costar entre los 13 y los 19 millones de dólares, actualmente lleva años y requiere del trabajo de un equipo de personas para desmantelar el lugar y descontaminar los desechos. Esto en ocasiones se puede volver más difícil debido a la ubicación remota a la que a menudo se ubican las plantas nucleares y el riesgo de la radiación residual.
"Otro aspecto de la comparación probablemente esté más en línea con respecto a los avances en hardware de los sistemas de robótica", dice Gao. "Necesita ser resistente a la radiación, por lo que los mecanismos que desarrollamos, los diferentes actuadores, los diferentes sensores, todos deben ser capaces de hacer frente a ese tipo de entorno. Estos desafíos se comparten mucho con el entorno espacial, hay una gran sinergia en ese sentido".
Seguridad, precisión y productividad
El beneficio obvio y más importante de la robótica en el desmantelamiento de centrales nucleares es eliminar a los humanos del peligro. "El entorno se clasifica como extremo, ya que hay muchos riesgos, por lo que utilizar seres humanos para realizar esas tareas es arriesgado", dice Gao. "Emplear máquinas, usando sistemas autónomos para reemplazar a personas en este tipo de entorno es definitivamente más deseable".
Esto es particularmente relevante para las centrales nucleares que han diferido el desmantelamiento, y en su lugar han realizado una ampliación del período de operaciones durante más años. Cuando tales centrales finalmente se desmantelen, se deberán realizar inspecciones para garantizar que el nivel de radiación haya disminuido tanto como se esperaba y que sea inferior a 25 milirem por año, el nivel requerido para que el área se vuelva a desarrollar para otros usos. Sin embargo, al acceder al lugar, es difícil determinar la cantidad de radiación residual y si afectará a los humanos que realizan las inspecciones. Usar la robótica eliminaría este peligro.
El uso adicional de la robótica también ofrece otros beneficios, como la precisión y la productividad. "A veces hay algunas anomalías en los sitios que, aunque son visibles para el ojo humano, podrían ser bastante difíciles de detectar, bien porque pasan muy desapercibido o porque algunas de las instalaciones son en realidad muy homogéneas", dice Gao. "Para el ojo humano reaccionar a ese tipo de homogeneidad no es fácil. La máquina haría un mejor trabajo".
Los robots están equipados especialmente para esto, con escáneres de luz 3D y cámaras. "También podemos introducir técnicas de medición como el 'deep-learning' para permitirnos mapear el lugar de manera muy confiable y detectar qué ha cambiado", afirma Gao. "Aunque este cambio podría ser muy, muy pequeño y probablemente bastante difícil de detectar para el ojo humano, con nuestro modelo de aprendizaje visual podemos lograr esta detección de anomalías de manera confiable".
El cierre de centrales nucleares requiere de un monótono desmantelamiento, tareas adecuadas para los robots cuya productividad no se ve frenada por la fatiga o el cansancio. "Para la tarea de desmantelamiento prevemos el uso de brazos robóticos, lo que definitivamente podría mejorar la productividad porque en realidad es solo trabajo repetitivo", dice Gao. "Una máquina no puede enfadarse con eso porque no tiene emoción, de hecho, podrán mantener la misma tasa de productividad".
Integración y desafíos culturales
El proyecto ya ha superado importantes desafíos, pero Gao espera más a medida que comienzan los ensayos integrados en las instalaciones de prueba del NNL. "Nunca dejaremos de enfrentar los desafíos. En la fase de investigación, y actualmente en la fase de desarrollo, ha habido muchos desafíos en términos de lograr que el hardware funcione en las condiciones reales que anticipamos".
Estos desafíos fueron creados no solo por el entorno sino también por la integración de tecnologías. "Una vez que comienzas a unir diferentes componentes, integrando diversos paquetes de software, empiezas a encontrar algunos problemas reales", dice Gao. "Algunos de ellos se deben a fallos de comunicación, y otros debido a problemas de señalización en algunos de los componentes".
Si bien esta colaboración de investigación comenzó el pasado año, se basa en elementos teóricos que Sellafield y STAR han estado trabajando durante años. Sin embargo, más allá de los propios retos técnicos también existe otro desafío presente en la naturaleza de la industria nuclear, ya que implementar este tipo de cambios puede tardar mucho tiempo en ser aceptado. "Creo que pensamos que el desafío podría provenir de la cultura de un sector tan tradicional. Por supuesto, la gente necesita acostumbrarse a las cosas, incluso si lo saben, están de acuerdo y entienden que esto viene a ayudar", dice Gao. "Pero puedes imaginar que cuando introduzcas nuevas máquinas en un sector al que la gente no está acostumbrada, siempre habrá algún impacto cultural".
¿Desmantelamiento completamente robótico?
La profesora Gao y su equipo están trabajando en mejorar los procesos de desmantelamiento nuclear, pero hay varios proyectos paralelos entre sí que abordan diferentes elementos de la industria nuclear. "El proyecto actual intenta de resolver los problemas de desmantelamiento, así como gestión de residuos, pero también quiero mencionar que al mismo tiempo estamos ejecutando proyectos que investigan otras áreas, por ejemplo, la fusión atómica", dice Gao.
Como tal, cree que la robótica tendrá un papel mucho más importante en la industria nuclear en el futuro. El equipo de Gao actualmente está llevando a cabo pruebas de subsección, con ensayos completos del sistema integrado en los próximos meses, y con suerte una prueba completa dentro de un emplazamiento nuclear real antes de fin de año. Si tiene éxito, esta tecnología podría convertirse pronto en un complemento común en la industria nuclear.
De cara al futuro, el éxito de la robótica también se basa en la formación de una nueva generación de ingenieros. "Por el momento, trabajamos en estrecha colaboración con ingenieros y científicos del NNL, pero lo que queremos hacer ahora, probablemente hacia finales de este año o principios del próximo, es ayudar a capacitar también a los ingenieros y operadores", dice Gao.
La investigación de STAR Lab está progresando a un ritmo impresionante gracias a una fórmula de trabajo colaborativa. A este ritmo, parece que los robots se convertirán en una herramienta clave en el desmantelamiento nuclear para garantizar aún más seguridad en estos procedimientos, sin poner en riesgo a ningún ser humano.
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