廃炉作業ロボットの進化とフィジカルAIがひらく原子力の未来

福島第一原子力発電所の事故から15年。燃料デブリの試験的取り出しが始まり、今後の段階的な取り出し規模の拡大に向け、人が立ち入ることが難しいエリアで調査や作業を担うロボットの重要性が高まっています。日立は、原子炉格納容器内部の調査、原子炉建屋内外の作業環境の整備、燃料デブリ取り出しに向けた作業など、目的に応じたさまざまなロボットと周辺技術を開発してきました。

これまでどのような廃炉作業ロボットを開発し、AIやデジタル技術と組み合わせてどのような将来像を描いているのか。日立GEベルノバニュークリアエナジー株式会社 福島・廃止措置エンジニアリングセンタ 兼 技術統括室の岡田 聡主管技師に聞きました。

調査用に開発したロボットの一つが、形状変化型ロボット「PMORPH」です。目的は、原子炉格納容器(PCV)の内部に入り、構造物の状態や付近の放射線量率を調べ、取り出し対象となる燃料デブリまでのアクセスルートを把握することでした。

格納容器内部へ進入するには直径約10センチメートルの配管を通過し、内部ではグレーチングと呼ばれる格子状の金属板がはめ込まれた床の上を安定して走行する必要があります。それらの条件を満たす形状を検討する中で思いついたのが、クローラで走行し、細い配管を通るときはI字型の棒状に、内部へ入るとU字型へ変形するというコンセプトでした。

初号機のPMORPH1は2015年4月に1号機のPCV内へ入り、カメラ、温度計、線量計を用いてペデスタル外の地上階の状態を確認しました。2017年3月には、カメラと線量計を備えたセンサーユニットをウインチで降下させるPMORPH2を投入し、ペデスタル外の地下階の水中堆積物や線量分布を調査しました。

PMORPH 紹介動画

2017年の調査で確認されたPCV地下階の水中堆積物を詳しく調べるため、日立は6種類の潜水機能付きロボット「ROV」を開発しました。ケーブルの絡まりを防ぐガイドリングの設置、堆積物表面の3次元マッピング、厚さ測定、堆積物の性状を把握するための放射線計測、堆積物の直接サンプリングなど、目的に応じた機能を持たせ、2022年2月から2023年3月にかけて実施された1号機PCV内部調査で、水中堆積物回収工法の策定に必要な情報を収集しました。

ROV 紹介動画

作業空間の整備に用いるロボットとして、配管内にアクセス可能な伸縮型能動スコープカメラ「TASC」を開発しました。1号機では、原子炉補機冷却系の熱交換器内部に残る高濃度汚染水により周辺の線量が高く、その除去・排出が課題でした。

しかし、熱交換器まで水抜き用ホースを届けるには、曲がり角のある配管を通す必要があります。そこで、ホースの周囲を短い繊毛で覆い、モーターの振動で自動的に前進する仕組みを採用しました。先端の車輪で方向を制御しながら熱交換器まで到達させ、内側のホースで水を吸い出します。能動スコープカメラにより、ホース先端の状況も確認できます。現在、1号機熱交換器内部から汚染水の排水作業を進めています。

伸縮型能動スコープカメラ「TASC」の外観と断面図

作業環境の整備に加え、燃料デブリ取り出しにも適用できるロボットとして開発したのが柔構造作業ロボット「HUMALT」です。放射線に弱い制御基板やセンサーなどのエレクトロニクス機器を本体に搭載せず、アームの駆動に複数のシリンダー式水圧アクチュエーターを組み合わせることで、高線量環境下での長時間作業を可能にしました。屈曲・旋回機能を持つ関節モジュールの組み合わせで細かな動きに対応でき、柔軟性があるため対象物や構造物と接触しても互いを破損しにくいことも特徴です。

HUMALT紹介動画

私がもともと専門としていたのは計測技術です。日立入社後は研究所でセンシング技術の研究に携わり、その中で、センサーを計測地点まで運ぶ装置としてのロボット開発にもフィールドを広げていきました。

2011年の東日本大震災当時は、研究所で原子炉内の点検に用いる潜水型ロボットのコンセプト開発を行っていました。その経験を生かすため、福島第一原子力発電所の廃炉作業に投入するロボットの開発に携わるようになりました。最初はコンセプト開発のみでしたが、実際に装置化して現地に投入するという段階で事業部門に移り、現場作業にも従事する様になりました。現在は、廃炉に必要なロボット技術の開発全般に関わっています。

一口に廃炉と言っても、通常炉と事故炉では環境が大きく異なります。事故炉では高線量エリアが多く、放射性物質の閉じ込めのため閉所や狭隘(きょうあい)環境も多く存在します。通常の原子炉にはない障害物、ダストや蒸気による空間視認性の低さ、滞留水の透明度の低さ、照明を持ち込めない場所での暗所作業など、さまざまな悪条件が重なっており、一般環境向けのロボット技術をそのまま持ち込むことはできません。最大の障害はやはり放射線です。センサー類の放射線対策に加え、作業者の安全確保と操作負担軽減をいかに図るかが問われます。

放射線対策としては、センサー類そのものの耐放射線化や放射線遮蔽材の追加、ロボット本体からのセンサー類などの電子機器の分離などが挙げられます。機器が累積放射線量による稼働限界に達する前に交換するなど、運用面も含めた設計も必要です。

作業者の安全確保と操作負担の軽減には、一定の作業自動化と、数十～数百メートル離れた場所からの遠隔操作が欠かせません。自動化に向けては、放射線量率が比較的低いエリアでのがれき撤去など、繰り返し作業をロボットに任せる自律制御システムを開発しています。最終判断はオペレーターが行うことで、作業効率と作業品質の両立を図ります。

燃料デブリ取り出しのような非定型作業はオペレーターによる遠隔操作が基本となりますが、直接目視できないため操作が難しいという課題があります。現在、耐放射線性を持つカメラを開発中ですが、ロボット本体にセンサーやカメラを取り付けられない場合を想定し、外部に設置したステレオカメラの画像をもとにロボットとその周囲の3次元位置やアーム姿勢を推定するシステムも開発しています。また、HUMALTのような多関節ロボットの操作を支援するための制御技術も検討しています。

燃料デブリ取り出しの初期段階では、多くの場面で人間の力と判断を必要とします。その中で、移動や把持などの定型化できる部分から自動化を進めていき、将来は、人間の指示を受けたロボットが状況を判断しながら自律的に作業できるようにすることで、作業のスピードを高められるでしょう。

今後、そうした技術の土台となるのが、日立グループが強みとするフィジカルAIです。センサーで取得した現場データや熟練者のノウハウと、ロボット、AI、デジタルツイン技術を組み合わせ、廃炉作業に携わるフロントラインワーカーの負担軽減と、作業の安全性、確実性の向上をめざしています。日立にはPMORPHやHUMALTのような独自の強いフィジカルと、それらを賢く動かすAI技術があります。両者を融合させることで、長期にわたる廃炉を支えていく仕組みができると考えています。

廃炉の技術課題は、調査段階、燃料デブリ取り出し段階、最終的な更地化をめざす段階でそれぞれ異なり、都度、ロボットに求められる要件も変化していきます。開発に終わりはなく、福島第一原子力発電所の廃炉で培ったロボット技術や知見を、通常炉の廃炉や再稼働後の点検にも広げていくことも求められます。

原子力分野においてロボット技術がめざすべきは、現場で働くフロントラインワーカーの安全と働きがいを支え、その先にある「幸せ」の実現に貢献することだと私は考えています。人とロボットの協働によって、安全に、安心して、充実感をもって働ける環境をつくることは、今後数十年続く福島の廃炉作業と、重要なエネルギーインフラとして社会を支える原子力の発展に欠かせません。

そのためにも、日立のロボティクス分野をよりいっそう発展させていくことが大切です。ロボットは、筐体、アクチュエーター、移動機構、計測技術、データ処理技術、ソフトウェア技術、制御技術、さらにAI技術などの多彩な要素技術を掛け合わせて形になるものです。私の部署でも、機械工学、材料工学、化学、制御など、さまざまな専門知識を持つ人財が活躍しており、廃炉の完遂に貢献していくという使命感をもって技術開発を進めています。

未知の作業となる廃炉を担うロボットに、あらかじめ用意された正解はありません。社内外に広くアンテナを張り、常に技術の「シーズ」を探す。現場の「ニーズ」を聞き、みずから課題を見つけ、手を動かして形にする。そうしたプロセスは、開発の難しさであると同時に、おもしろさでもあります。

「PMORPH」の構想時、最初に行ったのは自力で小さな模型を作ってみることでした。開発に必要なのは、まさに「和・誠・開拓者精神」という日立創業の精神(VALUES)です。廃炉は長い道のりですが、だからこそ開拓者としての気持ちを忘れず、原子力の未来をひらくロボット開発に取り組んでいきます。