Notfall-Robotik: Wenn die Brennelemente im Kernreaktor zerbrechen, schlägt die Stunde der Roboter

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Beim Roboterwettbewerb Enrich im österreichischen Zwentendorf war am Dienstag der Tag des Testens. Die teilnehmenden Teams konnten ihre Roboter sowohl im Innern des Kernkraftwerks auf der Ebene in knapp 40 Meter Höhe herumfahren, um die Manövrierbarkeit und die Sensoren zu testen, als auch im Freien hinter dem Kraftwerksgebäude die Strahlungssensoren an dort deponierten radioaktiven Stoffen zu erproben. Jedes Team hatte für die Tests im Gebäude 40 Minuten Zeit, wozu auch der Transport auf die Einsatzebene mithilfe eines Krans gehörte.

Hochaktives Material einsammeln

Das zugrundeliegende Szenario erklärte Rudolf Deutsch vom österreichischen Bundesheer, der für die sichere Handhabung der Strahlungsquellen verantwortlich ist: Nach einem Austausch der Brennelemente sind die alten Brennstäbe zunächst in einem Abklingbecken neben dem Reaktorbecken gelagert worden, bis sie für den Abtransport bereit sind. Bei diesem Abtransport durch den Kran, so die Annahme, ist ein Brennelement heruntergefallen und zerbrochen, sodass radioaktives Material auf dem Boden verstreut ist. Nun ist es die Aufgabe der Roboter, zunächst das hochaktive Material einzusammeln und sicher zu deponieren, bevor Menschen den Raum betreten, um das schwachaktive Material einzusammeln.

Um dieses Szenario zu simulieren, wurden in dem Reaktorraum einige Behälter mit radioaktivem Material verteilt, die ungefähr die Größe eines Kugelschreibers haben. Daneben gibt es auch gleichartige Behälter ohne radioaktiven Inhalt. Aufgabe der Teams war es, die radioaktiven Proben zu finden und in einem Eimer zu deponieren, der durch einige Bleiziegel von außen abgeschirmt ist. Ursprünglich sollten sich die Bleiziegel im Eimer befinden, das wäre jedoch mit dem Risiko verbunden gewesen, dass die Strahlungsproben ungünstig dazwischen fallen und mit dem üblichen Sicherheitswerkzeug nicht hätten herausgeholt werden können. Der Bediener des Krans war während des Robotereinsatzes durch eine 300 kg schwere Bleiwand geschützt, andere Personen durften sich nicht im Einsatzbereich aufhalten.

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Enrich: Die Stunde der Roboter im Atomkraftwerk (7 Bilder)

Abgeknickte Kabel

Bei den Testläufen am Dienstag waren jedoch Zuschauer erlaubt. Ein besonderer Höhepunkt war dabei der Transport des Roboters des schwedisch-italienischen Teams Brokk, für den wegen seiner Größe eine eigene Transportwanne erforderlich war und der Schwerlastkran zum Einsatz kommen musste. Es brauchte 15 Minuten, um den Koloss nach oben zu hieven. Dort gab er einige Geräusche von sich, ließ auch ein, zwei Mal ein Licht aufblinken, rührte sich aber ansonsten nicht. Da der Fehler nicht gleich zu identifizieren war, musste das Team abbrechen und es ging wieder 15 Minuten nach unten. Der Roboter wurde über Kabel mit Energie versorgt und war mit Glasfaserkabeln an die Kontrollstation im Erdgeschoss angeschlossen. Insbesondere das 40 Meter herab hängende Stromkabel zog mit schätzungsweise 70 Kilogramm an dem Roboter und mag zum Abknicken der Datenkabel geführt haben.

Ganz aus eigener Kraft gelangte der Flugroboter des Flyability aus Lausanne auf die Einsatzebene und zeigte dabei beeindruckende Manövrierbarkeit. Auch gelegentliche Kollisionen mit herabhängenden Kabeln waren kein Problem. Wie gut er Umgebungskarten erstellen kann, wird sich dagegen erst im eigentlichen Wettbewerb zeigen.

Interview mit Michael Gustmann, Betriebsleiter der KHG

Leiter der Jury, die die Leistungen der Roboter bei Enrich beurteilen soll, ist Michael Gustmann. Als Betriebsleiter der Kerntechnischen Hilfsdienst-Gesellschaft (KHG) in Deutschland kennt er sich mit der Problematik von Robotereinsätzen in Kernkraftwerken gut aus: Die KHG ist die Hilfsorganisation für Störfälle in deutschen kerntechnischen Anlagen. Dazu gehören Kernkraftwerke, in Betrieb oder Rückbau, ebenso wie Lagerstätten und Forschungseinrichtungen. Wir haben mit ihm über die Herausforderung des Einsatzes von Robotern in verstrahlten Umgebungen gesprochen.

heise online: Herr Gustmann, für die Nutzung der Kernenergie waren von vornherein technische Verfahren zur sicheren Handhabung von radioaktivem Material erforderlich. Insofern liegt hier eine wichtige Wurzel der modernen Robotik. Dennoch waren bei der Reaktorkatastrophe 2011 in Fukushima zunächst keine Roboter zur Stelle. Haben Sie eine Erklärung für diesen Widerspruch?

Gustmann: Es ist richtig, in Deutschland wurde in den 1960er-Jahren im damaligen Kernforschungszentrum in Karlsruhe Handhabungstechnik für den Einsatz in kerntechnischen Anlagen entwickelt, auch damals schon mit besonderem Augenmerk auf den Einsatz in einem Störfall. Man wollte technisches Gerät zur Verfügung haben, das anstelle von Menschen in Bereichen der Kraftwerke eingesetzt werden kann, die aufgrund erhöhter Ortsdosisleistungen nicht zugänglich sind.

Nun hat man natürlich im Lauf der Jahrzehnte zumindest in Deutschland ein wenig Übungserfahrungen sammeln können und hat "profitiert" von den Erfahrungen, die in anderen Ländern bei schweren Unfällen gemacht worden sind. So gab es 1986 in Tschernobyl die Situation, dass weltweit Fernhantierungstechnik angefordert wurde zur Unterstützung der sowjetischen Kräfte. Damals lieferte auch die KHG drei Manipulatorfahrzeuge, die mit durchwachsenem Erfolg dort eingesetzt wurden. Durchwachsen insofern, als der Erfolg von der genauen Einsatzumgebung und den tatsächlichen Dosisleistungswerten abhing.

Auf dem Dach des Reaktors in Tschernobyl zum Beispiel hat ein damals eingesetztes Gerät nur recht kurze Zeit überlebt, bis die Elektronik ausgefallen ist, während ein anderes KHG-Gerät für Inspektionsaufgaben die Einsätze durchgehalten hat und auch in der Zeit danach noch für Ausbildungszwecke verwendet wurde.

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heise online: Muss mit dem Ausfall der Geräte immer gerechnet werden, selbst wenn sie gegen die Strahlung gehärtet sind?

Gustmann: Der damalige Stand im Jahr 1986 war, dass kaum Geräte mit strahlungsresistenter Elektronik zur Verfügung standen. Bei Sensoren wie Kamerasystemen hat man zwar darauf geachtet, Röhrenkameras zu verwenden, die recht unempfindlich gegen Strahlung sind. Ansonsten gab es bei der Elektronik aber Komponenten, die bei diesen sehr hohen Strahlenfeldern in Tschernobyl versagt haben. Ähnlich war es dann 25 Jahre später in Fukushima. Dort hatte man zwar sicherlich schon Geräte zur Verfügung, die von der Strahlenresistenz her geeignet waren. Man hat nach der Katastrophe aber viele Inspektionen zur optischen und radiometrischen Aufklärung auch mit "Standardgeräten" aus militärischen Anwendungen gefahren und dabei viele Verluste verzeichnet.

heise online: War es nicht auch ein Problem, dass kaum Personal zur Verfügung stand, das sich sowohl mit der Bedienung der Roboter als auch mit der Reaktoranlage auskannte?

Gustmann: In Deutschland gibt es die gesetzliche Verpflichtung, dass die Betreiber kerntechnischer Anlagen Gerät und Personal für Störfälle vorhalten. Das umfasst eben am Beispiel der KHG auch das regelmäßige Training mit den Geräten an den Standorten kerntechnischer Anlagen. Ähnlich wird vorgegangen in Frankreich wie auch in vielen Bereichen der russischen Anlagen. Japan hatte sich nicht für diesen Weg der Vorsorge entschieden und hatte daher einen relativ geringen Gerätebestand und nur eine sehr kleine Zahl ausgebildeter Experten.

Strahlungsresistenz von Robotern

heise online: Mehr als sechs Jahre später geht es nicht mehr darum, die Katastrophe zu begrenzen, sondern ein umfassendes Bild von den Schäden zu gewinnen und den Rückbau vorzubereiten. Sie haben die Entwicklung sicherlich aufmerksam verfolgt. Können Sie uns ein Bild vom gegenwärtigen Stand des Robotereinsatzes in Fukushima vermitteln?

Gustmann: An der Universität Tokio gibt es unter Professor Asama einen Bereich, der sich sehr intensiv mit dieser Frage beschäftigt und sicherlich genauer beschreiben könnte, welche Geräte mit welchem Erfolg in welchen Bereichen bisher eingesetzt worden sind. Es geht dabei insbesondere auch um den zukünftigen Bedarf, um den weiteren Rückbau der verunfallten Anlagen mit starker Unterstützung durch Fernhantierungstechnik zu bewerkstelligen. Wenn ich jetzt versuchen wollte, aus diesen umfangreichen japanischen Arbeiten zu zitieren, könnte das nur sehr lückenhaft ausfallen.

heise online: Mein Eindruck ist, dass in den ersten Monaten nach der Katastrophe die fehlende Strahlungsresistenz der Roboter nicht im Vordergrund stand, während inzwischen häufiger über Ausfälle durch Strahlungsschäden berichtet wird.

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Gustmann: Die Frage ist, wie lange muss sich das jeweilige Robotersystem an dem jeweiligen Ort für die Durchführung der Arbeiten aufhalten. Bei einer reinen Inspektionsaufgabe können Sie sich relativ schnell bewegen, sofern der Fahrweg das zulässt, und können Bereiche hoher Dosisleistung auch schnell wieder verlassen, sobald Sie Fotos aufgenommen und die radiologischen Werte erfasst haben. Wenn aber an diesen Orten Arbeiten durchgeführt werden sollen, ist die Verweilzeit natürlich sehr viel höher und damit auch die insgesamt auf dem System auflaufende Dosis. Dafür sind strahlentolerante Systeme unbedingt erforderlich.

heise online: Den einen Roboter für alle Aufgaben gibt es ja nicht. Sie brauchen ebenso schweres Gerät, um große Brocken wegzuräumen, wie kleine Roboter, die sich durch enge Öffnungen bewegen können. Wie gehen Sie mit dieser Herausforderung um?

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Zerstörte Ortschaft

Gustmann: Das sind genau die Erfahrungen, die für uns aus dem Fukushima-Einsatz abgeleitet worden sind. Die verfügbaren Berichte aus Japan zeigen sehr deutlich auf, dass man eine ganze Familie von verschieden großen Robotersystemen braucht. Manchmal kriechende Systeme, die sehr enge Geometrien erkunden und dort die Informationsaufnahme durchführen können, manchmal aber auch sehr starke, hydraulische Systeme, die mehrere Tonnen schwere Lasten aus dem Weg räumen können. Dem tragen wir bei der KHG seit Jahren Rechnung mit einer Roboterfamilie vom kleinen, kabelgebundenen Rohrkrabbler bis hin zur 23 Tonnen schweren ferngesteuerten Laderaupe.

Die zweite sehr wichtige Aussage aus dem Einsatz in Japan ist, dass es eine sehr wertvolle Hilfe sein kann, wenn zwei Robotersysteme zusammen arbeiten. Bei der Überwindung von Treppen zum Beispiel ist es hilfreich, wenn ein zweites Fahrzeug ein Videobild von dem Fahrzeug auf der Treppe übermitteln kann. Auch bei der Öffnung von Türen oder der Überwindung anderer Hindernisse können sich zwei Systeme auf diese Weise sehr gut ergänzen. In unseren Trainingskursen läuft das unter der Überschrift "Kooperierendes Arbeiten mehrerer Manipulatorfahrzeuge", gerade auch mit unterschiedlich großen Systemen, um die Fähigkeiten sich ergänzen zu lassen.

Roboter-Teams und autonome Roboter

heise online: Dient diese Kooperation nicht auch dazu, den Funkkontakt aufrecht zu erhalten?

Gustmann: Ja, wir werden auch bei diesem Wettbewerb in Zwentendorf sehen, dass der Trend eindeutig zu Kommunikationsnetzwerken geht. Vom Leitstand aus werden auf dem gesamten Fahrweg bis hin zur Einsatzstelle Relaisknoten ausgesetzt, um permanente Kommunikation zwischen dem Leitstand und dem Roboter zu ermöglichen und über dieses Netztwerk auch mehrere Roboter agieren zu lassen. Ich bin sehr gespannt, wie sich im Lauf der Woche bei den Teilnehmern vielleicht der Einsatz mehrerer Roboterfahrzeuge zeigen wird.

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heise online: Wie haben Sie das Szenario für den Wettbewerb entwickelt? Mir fällt auf, dass die Überwindung von Treppen, die in Fukushima anfangs ein großes Problem darstellte, offenbar keine Rolle spielt.

Gustmann: Für diese erste Veranstaltung in einem realen Kernkraftwerk können wir noch nicht von einem sehr anspruchsvollen Unfallszenario sprechen. Wir wollten zunächst einmal anfangen, die Teams mit dem Vorhandensein wirklicher radioaktiver Quellen zu konfrontieren, sodass sich alles auf dem Beckenflur auf der Ebene 39,4 Meter hier im Kraftwerk abspielt. Der Zugang zu der Ebene ist aber durchaus nach einem Störfall realistisch, insofern wir davon ausgehen, dass ein ferngesteuerter Kran noch zur Verfügung steht, um ohne Gefährdung von Personen diese Ebene zu erreichen. Ein Teil der Aufgabe besteht darin, dass die dort ankommenden Systeme auch ohne menschliche Hilfe ihre Arbeit aus der Krangondel heraus starten, sich auf dem Arbeitsflur bewegen und die gestellten Aufgaben in Angriff nehmen.

heise online: Heißt das, die Roboter sollen autonom agieren?

Gustmann: Ich denke, dass wir hier einige Funktionen sehen werden, die der Bedienerunterstützung dienen. Ob man dafür den Begriff Autonomie verwenden sollte, werden wir im Lauf des Wettbewerbs sehen. Ich denke, es geht in erster Linie darum, den Bediener von monotonen Tätigkeiten zu entlasten und ihm vielleicht auch mehr Präzision zu ermöglichen. Ich bin gespannt.

heise online: Es ist aber kein spezieller Fokus des Wettbewerbs?

Gustmann: Im Prinzip ist das ja kein Wettbewerb, sondern die Teams sind frei, ihren eigenen Fokus zu setzen. Deswegen wird es für uns als Beobachter auch interessant zu sehen, wie viel die einzelnen Teams probieren und wie sehr sie daran arbeiten, verlässliche Fernsteuerungsstrecken zur Verfügung zu haben.

heise online: Wie sieht die Zukunft der KHG aus, wenn in Deutschland die Kernkraftwerke nach und nach abgeschaltet werden?

Gustmann: Die Verpflichtung unserer jetzigen Hauptfinanziers, nämlich der großen Energieversorgungsunternehmen in Deutschland, wird mit dem Abschalten und der Brennstofffreiheit der Kernkraftwerke entfallen. Etwa ab 2025 werden die vier großen Energieversorger in Deutschland nicht mehr die Hauptfinanzierung der KHG bewerkstelligen.

Wir haben ja eine Entscheidung innerhalb Deutschlands, dass die Zuständigkeit für alle Brennelemente, die zugehörigen oberirdischen Zwischenlagerstätten und das Endlager in der Verantwortung des Bundes liegt. Wir sagen immer etwas flapsig, die Radioaktivität verschwindet nicht mit dem Abschalten der Kernkraftwerke. Insofern hat vielleicht auch der Bund als Betreiber der Lagerstätten ein Anliegen, die Kompetenz der KHG zu erhalten – was wir natürlich hoffen. Wir sind gesprächsbereit, unter welchen veränderten Bedingungen es vielleicht eine Perspektive über 2025 hinaus geben kann.

heise online: Über welchen Jahresetat reden wir da?

Gustmann: Die KHG ist von Beginn an seit ihrer Gründung in den 1970er-Jahren sparsam aufgestellt. Es gibt eine Stammbelegschaft von 22 Mitarbeitern sowie weitere 140 Personen, die eigentlich in kerntechnischen Anlagen arbeiten und bei uns regelmäßig trainiert werden für die Unterstützung in Einsatzfällen. Die Investitionen werden auch relativ sparsam gestaltet. Die Lebensdauer der Geräte bei der KHG ist sehr hoch, sodass wir ein Jahresbudget von vier bis fünf Millionen Euro brauchen. (kbe)