Beim sicheren Rückbau eines Kernkraftwerkes werden demontierte Anlagenteile aus dem Kontrollbereich – vielfach beschichtete Stahlteile – auf mögliche Kontamination untersucht. Eventuelle oberflächlich anhaftende radioaktive Partikel werden im Rahmen der Dekontamination entfernt. Hierbei kommt oft das händisch durchzuführende, mechanische Verfahren der Wasser-Hochdruckreinigung in speziellen Reinigungskabinen zum Einsatz. Allerdings ist manuelles UHD-Wasserstrahlen im Rückbau von kerntechnischen Anlagen zeit- und kostenintensiv, ergonomisch stark belastend, radiologisch relevant und aufgrund der Lärmbelastung auf etwa 2,5h/Tag und Werker begrenzt. Zusätzlich ist aus Sicherheitsgründen eine externe Prozessüberwachung erforderlich. Die große Variantenvielfalt der Bauteile sowie fehlende CAD-Daten erschweren klassische Automatisierungslösungen. Ziel war daher die Entwicklung eines autonomen, Alara-konformen Verfahrens mit reproduzierbarer Qualität für freie Formen, Hinterschneidungen und Bohrungen.
Planung im digitalen Zwilling
Das System kombiniert einen rotierenden Endeffektor mit einer UHD-Düse, die über sechs Austritte verfügt und mit etwa 1.500 Umdrehungen/min arbeitet. Ergänzt wird sie durch einen gekapselten Linienlaser-Scanner, der sich hinter einer Schutzklappe befindet. Eine kontinuierliche Spülluft mit rund 0,5bar dient sowohl der Kühlung als auch der Abdichtung sensibler Komponenten. Eingesetzt wird das System in einer geschlossenen Roboterzelle mit einem siebenchachsigen Hochleistungs-Industriearm. Die Bauteile werden auf einem Rundtisch positioniert, der in Biblis um 45° indiziert ist und mit einem Nullpunktspannsystem eine reproduzierbare und schnelle Fixierung ermöglicht.
Die autonome 3D-Oberflächenerfassung basiert auf einer adaptiven Sichtplanung, die speziell auf reflektierende Metalloberflächen ausgelegt ist. Durch gezielte Artefaktunterdrückung sowie eine zuverlässige Trennung von Spannvorrichtung und Objekt entstehen überwiegend geschlossene 3D-Oberflächenmodelle, die keine manuelle Nachbearbeitung erfordern. Aufbauend darauf erfolgt die Planung im digitalen Zwilling: Kinematik, Kollisionsvermeidung, Kabinengeometrie und empirisch ermittelte Prozessfenster – etwa der optimale Arbeitsabstand von 50 bis 60mm, der Anstellwinkel und der Vorschub – werden gemeinsam optimiert. Für einzelne Pfadsegmente werden lokale Setpoints definiert, während Ventil, Pumpe und Rundtisch synchronisiert angesteuert werden, um den Verschleiß der Komponenten gezielt zu minimieren.
Betriebserprobung
In Biblis (RWE02) ist ein stabiler und reproduzierbarer Prozess unter realistischen Einsatzbedingungen erreicht. Der Betrieb erfolgt bei Drücken von 2.200 bis 2.400bar, einem Volumenstrom von 24l/min und einer Prozesstemperatur von rund 80°C. Die optische Sicht kollabiert bereits nach wenigen Sekunden vollständig, sodass der Prozess konsequent vollautonom abläuft. Die anschließende Reinigung der Kabine dauert etwa zwei Minuten und entspricht dabei ungefähr 60 vollständigen Luftwechseln. In Bezug auf die Performance wird auf über 90% der Bauteile eine Dekontaminationsrate von mindestens 90% erreicht. Die Netto-Prozesszeit für Scannen und UHD-Bearbeitung liegt unter 12min/Teil, während die Gesamtzeit inklusive Handling und Umspannen unter 30min bleibt. Während einer Laufzeit von insgesamt 390 Betriebsstunden traten weder Kollisionen noch Ausfälle an Schläuchen oder Rotary-Feedthroughs auf. Auch die Robustheit des Systems konnte bestätigt werden. Der geschützte Scanner arbeitet zuverlässig, und die zweistufige Kollisionsdetektion – bestehend aus Mikroschaltern am Schutzrohr und einer zusätzlichen Drehmomentüberwachung – funktioniert ohne Fehlauslösungen. Eine überwachte Autonomie über Taster und grafische Benutzeroberfläche ermöglicht den sicheren Betrieb, während eine sektorweise Nachreinigung – etwa getrennt für Innen- und Außenflächen von Rohrschalen – ohne erneuten Scan durchgeführt werden kann.
Sicherheit und Ausblick
Das Sicherheitskonzept ermöglicht einen personenfreien UHD-Betrieb gemäß Alara. PLC-Sicherheitskreise (S7-1500/ET200), redundante Kollisionswächter, gekapselte Optik und synchronisierte Medienführung verhindern Freistrahlen und reduzieren Aerosole sowie Verschleiß. Messungen erfolgen außerhalb der Kabine, sämtliche Prozessdaten werden teilbezogen dokumentiert. Für den Serieneinsatz wird eine dedizierte Zelle mit servogetriebenem Rundtisch, automatischem Teilehandling und vereinheitlichter HMI empfohlen. Das Folgeprojekt Arrive (Autonome robotergestützte Reinigung und Vormessung) erweitert Robbe um Laserablation sowie integrierte radiologische Vor- und Freimessung und schafft eine durchgängige autonome Prozesskette. Die Produktisierung als schlüsselfertige Zelle bzw. Retrofit ist angelaufen (TRL 7-8).
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