燃料デブリ取り出しのための機械式マニピュレータのナビゲーションおよび制御(委託研究); 令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

Novel mechanical manipulator for efficient fuel debris retrieval (Contract research); FY2023 Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project

廃炉環境国際共同研究センター; 東京大学*

Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science; The University of Tokyo*

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究および人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和3年度に採択された研究課題のうち、「燃料デブリ取り出しのための機械式マニピュレータのナビゲーションおよび制御」の令和3年度から令和5年度分の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、未知環境での衝突対応のための機械的可変インピーダンスアクチュエータを用いたロボットマニピュレータの開発および効率的な探査・廃止措置のための人工知能を使った制御手法の構築に取り組む。従来調査では困難だった開口部から奥の領域における調査を行う他、先端部のグリッパーでペデスタルの底部に存在する小石状の燃料デブリの回収を目指す。ペデスタル内部の環境制約に対応するためのマニピュレータ機構と遠隔操作システムの開発に取り組む。令和5年度は、マニピュレータのナビゲーションアルゴリズムの開発とマニピュレータの制御性能の評価実験ならびに現場の使用シーンを想定した実証実験に取り組んだ。令和4年度の成果等に基づき、CVT-VIAの構築検討を行い、機械式インピーダンスアクチュエータに反映した。また、駆動のためのモデル構築や制御アルゴリズムの設計構築および評価手法の検討を行った。マニピュレータの制御性能の評価を行った。また、シミュレーションモデルとの比較を適宜進めた。また、模擬環境としてJAEA楢葉遠隔技術開発センター等を活用し、実証実験を行った。英国チームや外部アドバイザとの隔週ミーティングなど密な連携のもと、研究を推進した。年度末には、共同ワークショップや東京大学とミュンヘン工科大学(TUM)主催の国際ワークショップにて、プロジェクト紹介の口頭発表を行った。

The Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science (CLADS), Japan Atomic Energy Agency (JAEA), had been conducting the Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project (hereafter referred to "the Project") in FY2023. The Project aims to contribute to solving problems in the nuclear energy field represented by the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, Tokyo Electric Power Company Holdings, Inc. (TEPCO). For this purpose, intelligence was collected from all over the world, and basic research and human resource development were promoted by closely integrating/collaborating knowledge and experiences in various fields beyond the barrier of conventional organizations and research fields. The sponsor of the Project was moved from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology to JAEA since the newly adopted proposals in FY2018. On this occasion, JAEA constructed a new research system where JAEA-academia collaboration is reinforced and medium-to-long term research/development and human resource development contributing to the decommissioning are stably and consecutively implemented. Among the adopted proposals in FY2021, this report summarizes the research results of the "Novel mechanical manipulator for efficient fuel debris retrieval" conducted from FY2021 to FY2023. The present study aims to the development of a collision-tolerant robotic manipulator with the mechanical variable impedance actuators in an unknown environment. Another research target is the system architecture of an artificial intelligence-based control method for efficient exploration and decommissioning. In addition to conducting an investigation in the area deep inside the aperture, which has been difficult with conventional investigations, we aim to recover pebble-shaped fuel debris at the bottom of the pedestal using a gripper at the tip of the manipulator. We will establish a manipulator mechanism and remote-control system to cope with the environmental constraints inside the pedestal. This year focused on developing a manipulator navigation algorithm, evaluating control performance, and conducting on-site scenario demonstration experiments. Studies included building a driving model, designing a control algorithm, and assessing manipulator control performance, with comparisons to simulation models. Demonstration experiments were conducted at facilities like the JAEA Naraha Center for Remote Control Technology Development. The research was promoted in close collaboration with the UK team and external advisors, including bi-weekly meetings. At the end of the fiscal year, an oral presentation introducing the project was given at an international workshop organized by the University of Tokyo and Technical University of Munich (TUM).