Le projet de drone BUDDAWAK
Résultats globaux du projet
Le projet Belgian Unmanned aerial systems for Decommissioning, Detection and AWAreness of radioactive risK ou BUDDAWAK, financé par le Service public fédéral belge Économie, PME, Classes moyennes et Énergie, dans le cadre du Fonds de transition énergétique (ETF4 – projet 39), est arrivé à son terme. Cela nous donne l’occasion de présenter une vue d’ensemble des résultats.
Le projet a été défini comme un projet de démonstration industrielle. Il a été lancé à l’automne 2020 en combinant l’expertise unique de la SABCA dans l’aéronautique et du SCK CEN dans le domaine nucléaire pour définir de nouvelles opportunités et normes dans les mesures radiologiques avec des véhicules aériens sans équipage, communément appelés drones.
💡 Buddawak (Burri Bootyau) est le nom aborigène d’une chouette fuligineuse mythique, un oiseau nocturne qui niche dans les grottes en Australie. Cette chouette symbolise le projet, la SABCA fournissant les ailes et les rotors uniques nécessaires pour transporter les grands yeux (détecteurs) de rayons gamma développés par le SCK CEN.
2 combinaisons drone-détecteur
Au cours du projet, deux combinaisons drone-détecteur ont été conçues, testées et mises en service : un système à voilure fixe de longue durée (avec une autonomie allant jusqu’à 12 heures) transportant un seul spectromètre à rayons gamma CsI entièrement optimisé et un grand système multicoptère équipé d’un ensemble de trois grands détecteurs, permettant d’obtenir une sensibilité directionnelle élevée pour mesurer de petites quantités de radioactivité.
Indépendamment du développement des systèmes de détection des drones, ces systèmes ont fait l’objet d’essais rigoureux au cours d’un grand nombre de vols. Les vols effectués comprenaient, outre les vols d’essai au DronePort, des vols complexes au-dessus et autour d’un environnement industriel dans la zone nucléaire de Mol-Dessel. Des études à plus haute altitude (plus de 200 mètres de garde au sol) au-dessus des installations nucléaires ont été réalisées, ainsi que des vols dédiés le long des bâtiments et des sites d’entreposage de déchets. Ces vols ont démontré l’utilité des mesures par drone pour la surveillance lors d’activités normales ou d’incidents, ainsi que dans des conditions de démantèlement et de mise hors service de centrales nucléaires.
Étapes du projet BUDDAWAK
Drone à voilure fixe avec système de détection CsI
🎞️ Assurez-vous de visionner cette vidéo pour voir le drone à voilure fixe en action.
La première étape a été le couplage d’une charge utile optimisée composée d’un système de détection CsI sur un drone à voilure fixe. Le drone (ou UAV) à voilure fixe a une envergure de 3,3 m, une masse maximale au décollage de 23 kg et peut atteindre une vitesse maximale de 94 km/h. Il peut fonctionner à des altitudes allant jusqu’à 15 000 pieds (environ 4 500 mètres), grâce à son moteur à essence à deux temps. Le drone est lancé par une catapulte et dispose d’un parachute et d’un airbag pour la récupération. Il dispose d’une autonomie impressionnante de 12 heures et d’une portée de 100 kilomètres. Cette configuration est idéale pour les vols de surveillance au-dessus de vastes zones et/ou les vols de longue durée. Le système de détection a été entièrement personnalisé (en termes de type, de taille et d’électronique) afin d’atteindre une sensibilité maximale pour la détection des rayonnements provenant de radionucléides tels que le Cs137 et le Co60, tout en respectant les restrictions imposées en matière de charge utile, à savoir 2,5 kilogrammes. Sur la base de simulations Monte Carlo approfondies, le système a été conçu, mis en service, testé et étalonné. Par la suite, le système de détection a été entièrement intégré dans le drone à voilure fixe. Le couplage des systèmes de détection avec le drone, ainsi que la collecte initiale de données avec le système intégré dans le drone ont été effectués par Annelies Verlinden, la ministre fédérale de l’Intérieur, lors d’une visite de travail au SCK CEN le 18 mai 2021.
Après une série de tests exhaustifs au sol, il a été déterminé qu’il n’y avait pas d’interférences entre le drone à voilure fixe et le système de détection susceptibles de compromettre la sécurité du vol. Par la suite, des plans de vol, notamment un plan d’intervention d’urgence (ERP), des évaluations des risques liés aux opérations spécifiques (SORA) et des concepts d’opération (CONOPS), ont été élaborés et des autorisations ont été demandées pour des vols dans un environnement industriel spécifique. Entre-temps, des vols d’essai ont été effectués au DronePort, à Saint-Trond. Tout au long de ces vols, différents modèles de vol, y compris des modèles circulaires et quadrillés, ont été testés et une méthodologie permettant de convertir les données de mesure brutes en paramètres utiles, tels que les concentrations de radionucléides dans le sol, ainsi que des corrections pour la garde au sol, a été mise en place et vérifiée. Un article scientifique en libre accès a été publié dans la revue Remote Sensing.
Une fois que les autorités belges de l’aviation civile ont autorisé les vols au-dessus des installations nucléaires de la zone de Mol-Dessel, quatre jours complets de vols ont été effectués, ce qui a permis de collecter plus de 47 000 spectres de rayons gamma individuels. Les résultats ont montré que la sensibilité et la flexibilité du système, même lorsqu’il est utilisé à plus de 200 mètres au-dessus du sol et que les niveaux de rayonnement sont conformes aux normes réglementaires, ont permis une évaluation complète de la situation radiologique. La haute résolution temporelle et spatiale a permis de détecter et d’identifier les niveaux de rayonnement statiques provenant de l’entreposage de déchets à différents endroits, ainsi que les variations des niveaux de rayonnement dues à des rejets atmosphériques mineurs de radioactivité pendant le fonctionnement normal du réacteur belge 1 (BR1).
En conclusion, le système à voilure fixe a clairement dépassé les résultats escomptés lors du lancement du projet. S’il est planifié à l’avance, le système peut être déployé en deux heures pour évaluer le niveau de rayonnement dans une zone. Cette capacité s’applique non seulement dans le contexte d’une intervention d’urgence, mais aussi lors de la surveillance radiologique de routine de sites ou de lieux suspects (par exemple, dans le contexte d’événements liés à la sécurité). Cela correspond à un niveau de maturité technologique (technology readiness level ou TRL) proche de 8 ou 9, au lieu du TRL 5 initialement prévu.
Système multicoptère avec charge utile unique de rayonnement
Parallèlement à la plate-forme à voilure fixe pour les mesures radiologiques, un système multicoptère a été développé avec une charge utile unique pour les rayonnements. Le multicoptère permet d’effectuer des vols stationnaires et d’examiner en détail des environnements plus restreints, ce qui est essentiel lors du démantèlement et de la mise hors service des installations nucléaires. Dans le cadre de ce projet, un multicoptère spécialisé dans les applications nucléaires a été mis au point. Il s’agissait de développer un hexacoptère doté de bras inclinés pour une meilleure stabilité, de bras amovibles d’une envergure supérieure à 2 m, d’une autonomie de 45 minutes avec une capacité de charge utile de 5 kg, d’un système anticollision de base utilisant la technologie LIDAR intégrée, d’un système de bus Ethernet et d’un module LTE (technologie cellulaire Long Term Evolution) pour la communication avec la charge utile. En outre, le multicoptère bénéficie d’une protection IP55, qui le protège contre les jets d’eau à basse pression provenant de toutes les directions. Le système de détection des rayonnements a lui aussi été entièrement personnalisé, grâce à une conception innovante qui lui confère une sensibilité directionnelle sans nécessiter de blindage lourd. Cela permet non seulement d’éviter une augmentation du poids de la charge utile, mais aussi d’améliorer l’efficacité de la détection. L’étude de conception a abouti à un système innovant composé de trois détecteurs cylindriques à scintillation CsI, mesurant chacun 7 cm (diamètre) x 7 cm (longueur), équipés de photomultiplicateurs en silicium. En additionnant les données des trois détecteurs, on obtient une efficacité de détection exceptionnellement élevée, même à des niveaux d’énergie élevés des rayons gamma. Cependant, lorsque les mesures des différents détecteurs sont analysées séparément, on obtient une sensibilité directionnelle, ce qui permet d’obtenir une résolution spatiale plus élevée lors des mesures en vol. En raison de problèmes de livraison de composants concernant le drone hexacoptère, les essais et les vols transportant la charge utile ont été effectués avec un octocoptère entièrement électrique (configuration X8), doté d’une masse maximale au décollage (MTOW) de 22 kg, d’une vitesse maximale de 72 km/h, d’un taux de montée de 7 m/s à la MTOW, d’une capacité de charge utile de 6 kg avec une autonomie de 15 minutes et équipé d’un parachute intégré.
Après des essais intensifs au sol, des vols préliminaires ont été effectués au DronePort et au SCK CEN, en utilisant d’abord des sources précises bien définies. Le système a ainsi pu être évalué dans des conditions de référence bien caractérisées, englobant des vols à différentes altitudes, vitesses et configurations, ainsi que pour différentes géométries de sources. L’étalonnage de la sensibilité directionnelle du système de détection fait partie des défis rencontrés. Cela s’est avéré particulièrement difficile en raison de l’importance cruciale de déterminer avec précision l’orientation absolue du système de détection, en particulier lorsqu’il est monté sur un drone en mouvement. Afin d’optimiser la sensibilité de la détection, une installation expérimentale a été mise en place hors ligne. Dans cette installation, les sources de rayonnement, composées de sources de faible activité en dessous du niveau d’exemption, peuvent tourner en orbite autour du système de détection à différentes distances. L’aboutissement de ces tests et de ces efforts d’étalonnage a permis de mettre au point un système opérationnel, doté d’un logiciel en temps réel pour l’interprétation des mesures.
Par la suite, le système a fait l’objet d’une présentation et d’une démonstration dans un environnement approprié. Au cours de différentes journées de vol, un total de 3 x 11 000 spectres de rayons gamma individuels a été recueilli en volant le long de conteneurs de déchets, de bâtiments BR3 et d’autres structures complexes. Le système a permis de détecter rapidement des niveaux élevés de rayonnement, d’identifier les radionucléides spécifiques en cause et d’indiquer la direction d’où provenait la majeure partie du rayonnement. Un article scientifique relatif à ces mesures est actuellement en préparation.
Atelier de restitution
Enfin, un atelier de restitution technique a été organisé à Tabloo à Dessel le 30 mai 2023 pour toutes les parties prenantes intéressées, y compris les autorités, l’industrie nucléaire, les instituts de recherche et les ONG. Au cours de cet atelier, les objectifs et les résultats des projets ont été présentés et ont fait l’objet de discussions. Au cours d’un débat sur les futures utilisations de ce type de technologie de drone, les avantages du système ont été présentés pour une utilisation dans des scénarios ordinaires et d’urgence, ainsi que pour les processus associés au démantèlement et à la mise hors service.
Projets futurs
Au-delà des résultats obtenus dans le cadre du projet BUDDAWAK, l’expertise acquise au cours du projet a suscité une grande confiance au sein de la SABCA et du SCK CEN. Ils sont convaincus qu’en utilisant les systèmes mis au point au cours du projet ou en tirant parti de l’expertise acquise pour créer des solutions personnalisées, ils pourront répondre efficacement à toutes les demandes concernant la surveillance radiologique dans l’environnement extérieur à l’aide de drones. En outre, ils pourront accomplir ces missions en toute sécurité, même dans des environnements complexes et difficiles.