Abstract
The number of decommissioning projects related to nuclear power plants is increasing and has been regarded as a challenging task for many nations. For example, Germany has decided to phase out nuclear power plants by the year 2022. To reduce the hazardous potential and the personal radiation exposure of the employees, robotic support in the decommissioning process is needed. In this contribution, a robot-based closed chain is presented as an important component for an automation and digitalization of the dismantling process of a nuclear power plant. The focus of the chain is on the investigation and decontamination of flat wall areas in nuclear facilities. First, geometric and radiation data are collected autonomously with a mobile, agile robot. The collected data is processed by using Building Information Modelling (BIM) methods to support the following steps. A second, industrial platform is modified to enable the positioning of two developed tools, a milling tool, and a contamination array, which will be used for decontamination and clearance measurement of concrete surfaces.
Zusammenfassung
Die Zahl der Stilllegungsprojekte im Bereich kerntechnischer Anlagen nimmt zu und wird von vielen Ländern als eine Herausforderung betrachtet. Deutschland hat zum Beispiel beschlossen, bis zum Jahr 2022 aus der Kernenergie auszusteigen. Um das Gefährdungspotenzial und die persönliche Strahlenbelastung der Mitarbeiter zu reduzieren, ist eine Unterstützung durch Robotersysteme im Rückbauprozess erforderlich. In diesem Beitrag wird eine roboterbasierte geschlossene Kette als wichtiger Bestandteil für eine Automatisierung und Digitalisierung des Rückbauprozesses eines Kernkraftwerkes vorgestellt. Der Schwerpunkt der Kette liegt auf der Untersuchung und Dekontamination von ebenen Wandbereichen in kerntechnischen Anlagen. Zunächst werden Geometrie- und Strahlungsdaten autonom mit einem mobilen, agilen Roboter erfasst. Die gesammelten Daten werden mit Hilfe von Building Information Modeling (BIM) Methoden verarbeitet, um die folgenden Schritte zu unterstützen. Eine zweite, industrielle Plattform wird modifiziert, um die Positionierung von zwei entwickelten Werkzeugen zu ermöglichen, einem Fräswerkzeug und einem Kontaminationsarray, die für die Dekontaminierung und Freimessung von Betonoberflächen verwendet werden sollen.
About the authors
Ziyuan Chen was a research associate at the Institute of Technology and Management in Construction at Karlsruhe until June 2022. Her research interests are in the field BIM of automated construction from Point cloud data to BIM model and the usage of BIM for project planning.
Prof. Dr.-Ing. Sascha Gentes is a professor at the Karlsruhe Institute of Technology in Karlsruhe (KIT), Germany and has the first German professorship in decommissioning of nuclear facilities in 2008 at the Institute for Technology and Management in Construction, KIT established. His recent research lies in decommissioning and management methods for nuclear facilities, nuclear waste management, socio-political studies on decommissioning effects, as well as deconstruction of conventional buildings. Prof. Gentes is a member of the advisory board of IAEA’s International Decommissioning Network (IDN), a member of the Kerntechnische Gesellschaft e.V. (KTG), and also a member of VDI board “resource efficiency”.
Dennis Hartmann is a research associate at the Institute for Anthropomatics at Robotics and Karlsruhe. His research interests are autonomous mobile robots, semantic segmentation and path planning.
Prof. Dr.-Ing. habil. Björn Hein was professor for Interaction Technologies for Robot Systems at the Institute for Anthropomatics and Robotics (IAR) – Intelligent Process Automation and Robotics Lab (IPR) at Karlsruhe Institute of Technology (KIT) from 2012-2018. Currently he holds a professorship at the University of Applied Sciences in Karlsruhe in the Robotics and Autonomous Systems Research Group. His research focus lies in algorithms for collision free motion planning and path optimization, methods for intuitive and automatic programming of robots, human-robot interaction, novel sensor-technologies for enhancing capabilities of robot systems.
Siavash Kazemi is a research associate at the Institute of Technology and Management in Construction at Karlsruhe. His research interests are automation and control engineering.
Alena Wernke is a research associate at the Institute of Technology and Management in Construction at Karlsruhe. Her research interests are the automation of contamination measurements for the release of nuclear power plants.
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Author contributions: All the authors have accepted responsibility for the entire content of this submitted manuscript and approved submission.
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Research funding: Bundesministerium für Bildung und Forschung (Award Number: 13N14678).
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Conflict of interest statement: The authors declare no conflicts of interest regarding this article.
References
[1] Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Forka – Forschung Für Den Rückbau Kerntechnischer Anlagen: Förderkonzept: Rückbau Und Entsorgung, Bonn, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Referat Stilllegung, Rückbau und Entsorgung Kerntechnischer Versuchsanlagen, 2017.Search in Google Scholar
[2] S. Gentes, A. Aminy, N. Gabor, and S. Reinhardt, Internationale Rückbautechniken und Managementmethoder für kerntechnische Anlagen – Eine wissenschaftliche Analyse aufbauend auf dem internationalen Stand der Technik (IRMKA), Endbericht der Forschungsprojekts mit dem Förderkennzeichen, 2015, p. 02S8851.Search in Google Scholar
[3] J. F. Schüler, Digitalisierung der Informationskette für Rückbauplanungen von Atom- und Kernkraftwerken unter Berücksichtigung der Building Information Modeling(BIM) – Methode, Dresden, Technische Universität Dresden, 2019.Search in Google Scholar
[4] International Atomic Energy Agency, State of the Art Technology for Decontamination and Dismantling of Nuclear Facilities, Technical Reports Series, 1999.Search in Google Scholar
[5] T. Göhlich, “Measurement technology for the radiological evaluation of building structures,” 2020. Available at: https://www.nuviatech-instruments.com/de/messtechnik-fuer-die-radiologische-bewertung-von-gebaeudestrukturen/ [accessed: Dec. 09, 2021].Search in Google Scholar
[6] T. C. Detert. “Bots2ReC: introducing mobile robotic units on construction sites for asbestos rehabilitation.” Constr. Robot., vol. 1, pp. 29–37, 2017. https://doi.org/10.1007/s41693-017-0007-1.Search in Google Scholar
[7] Lehtola, VV, H. P. Kaartinen, “Comparison of the selected state-of-the-Art 3D indoor scanning and point cloud generation methods,” Remote Sens., vol. 9, no. 8, p. 796, 2017. https://doi.org/10.3390/rs9080796.Search in Google Scholar
[8] A. Bircher, M. Kamel, K. Alexis, H. Oleynikova, and R. Siegwart, “Receding horizon “Next-Best-View” planner for 3D Exploration,” in IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2016, pp. 1462–1468.10.1109/ICRA.2016.7487281Search in Google Scholar
[9] A. Borrmann, M. König, C. Koch, and J. Beetz, Building Information Modeling: Technologische Grundlagen und industrielle Praxis. (1. Ausg.), Wiesbaden, Springer, 2015.10.1007/978-3-658-05606-3Search in Google Scholar
[10] Manitou BF SA (kein Datum), Technical Data Sheet, Ancenis, France, Manitou 100VJR, 2021.Search in Google Scholar
[11] S. Bruno, O. Khatib, and T. Kröger, Handbook of Robotics (200. Ausg.), Berlin, Springer, 2008.Search in Google Scholar
[12] S. Thierfeldt and F. Schartmann, Stilllegung und Rückbau kerntechnischer Anlagen: Erfahrungen und Perspektiven (4. Ausg.), Aachen, Erstellt im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) durch die Brenk Systemplanung GmbH, 2012.Search in Google Scholar
[13] Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, Leitfaden zur Freigabe nach Teil 2 Kapitel 3 der Strahlenschutzverordnung, Stuttgart, Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, 2020.Search in Google Scholar
[14] ISO/TC 85/SC 2, Bestimmung der Radioaktivität Messung und Bewertung der Oberflächenkontamination – Teil 1: Allgemeine Grundlagen (ISO 7503-1:2016). Measurement of radioactivity – Measurement and evaluation of surface contamination, DIN ISO 7503-1:2017-12 (VDE 0493-2-5031:2017-12), 2017.Search in Google Scholar
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