Metodi per l'integrazione della realtà virtuale nella progettazione di sistemi ingegneristici per studi di fattibilità di operazioni complesse di manutenzione in ambienti ristretti e difficili.

In recent years, Extended Reality (XR) technologies (Virtual and Augmented Reality) have reached a level of robustness, maturity, and cost accessibility, enabling their application in fields beyond gaming, supporting professional uses and scientific experiments. XR technologies are increasingly applied in industries for data visualization, training, and customer support. One area where these technologies show great potential is the nuclear industry. XR represents a powerful tool for optimizing human-factor design, particularly in improving ergonomics and minimizing human operation time in hazardous environments, which reduces Occupational Radiation Exposure (ORE) in line with the ALARA (As Low As Reasonably Achievable) principle. The aim of this research is to develop a methodology that demonstrates the feasibility of using XR for validating engineering system designs and conceptualizing maintenance operations in constrained and harsh environments. Specifically, this study investigates the application of immersive VR simulations to optimize procedures and ensure effective design validation within the Test Blanket Module (TBM) project. The methodology involves producing numerical immersive simulations complemented by real-time demonstrations where operators perform tasks while wearing VR headsets. The case study focuses on the replacement operations of the TBM Port Cell at the ITER facility. In the first part, a methodology is developed that integrates VR into the design validation process, optimizing maintenance procedures and addressing critical design issues at an early stage. By using full-scale virtual prototypes, VR simulations help identify and resolve challenges such as limited access and complex robot interactions in congested environments. By anticipating these issues during the design phase using virtual mock-ups before constructing physical mock-ups, the methodology improves both time and cost efficiency. In the second part, the integration of VR tools is further enhanced through a structured documented workflow designed to ensure traceability and reliability of simulation results. This workflow introduces a VR maintenance verification plan that systematically guides collaborative virtual sessions. By engaging engineers, designers, safety experts, and nuclear specialists in synchronized decision-making, the workflow helps optimize design and operational procedures with a particular focus on accessibility and feasibility. The VR simulations ensures that human factors are consistently incorporated into the design process, leading to more reliable evaluations of future operations. Finally, to validate the use of VR simulations, an experimental validation protocol was developed, comparing virtual interventions with real-world operations. Using tracking technologies such as optical sensors and monitoring systems for real-time data collection, key performance indicators, such as task completion times, ergonomic assessments (RULA scores), and collision counts, were analyzed. The results confirm that VR simulations are consistent with real-world scenarios, demonstrating their reliability for predicting human performance and validating engineering designs. These experimental findings reinforce the role of immersive simulations in optimizing maintenance procedures and improving overall design process. This study highlights the potential of XR technologies in optimizing the design and maintenance in nuclear facilities. Immersive tools enhance early detection of design flaws and facilitate the integration of human factors into the design process. Furthermore, these tools support more effective collaboration among interdisciplinary teams and employ digital technologies with a human-centered design approach.

Negli ultimi anni, le tecnologie di Realtà Estesa (XR) (Realtà Virtuale e Aumentata) hanno raggiunto un livello di robustezza e accessibilità economica consentendone l’uso in ambito professionale e scientifico. Le tecnologie XR sono sempre più impiegate nelle industrie per visualizzazione dei dati, formazione e supporto clienti. Un'area in cui queste tecnologie mostrano grande potenziale è l'industria nucleare. XR rappresenta uno strumento potente per ottimizzare il design orientato ai fattori umani, migliorando l'ergonomia e minimizzando il tempo di operazione in ambienti contaminati, riducendo così l’Occupational Radiation Exposure (ORE) in linea con il principio ALARA (As Low As Reasonably Achievable). L'obiettivo di questa ricerca è sviluppare una metodologia che dimostri la fattibilità dell'uso della XR per convalidare il design di componenti e di operazioni di manutenzione in ambienti vincolati. In particolare, questo studio esplora l'applicazione delle simulazioni VR nell’ambito del progetto Test Blanket Module (TBM). La metodologia prevede l’utilizzo di simulazioni immersive completate da dimostrazioni in tempo reale, in cui gli operatori eseguono compiti indossando visori VR. Lo studio si concentra sulle operazioni di sostituzione dei moduli TBM a ITER. Nella prima parte, viene sviluppata una metodologia che integra la VR nel processo di convalida del design, ottimizzando le procedure di intervento e affrontando potenziali criticità in una fase progettuale iniziale. Utilizzando prototipi virtuali in scala 1:1, le simulazioni VR aiutano a identificare e risolvere problemi come l'accesso limitato e le interazioni complesse di robot in ambienti congestionati. Anticipando queste problematiche durante la fase di design con modelli virtuali, prima della costruzione di prototipi fisici, la metodologia migliora l'efficienza in termini di tempo e costi. Nella seconda parte, l'integrazione degli strumenti VR è migliorata attraverso un flusso di lavoro documentato, progettato per garantire la tracciabilità e l'affidabilità dei risultati delle simulazioni. Questo include l’introduzione di un ‘VR maintenance verification plan’: un piano che guida le sessioni VR. Coinvolgendo ingegneri, designers, esperti di sicurezza e specialisti nucleari in un processo decisionale collaborativo, il piano di verifica contribuisce a ottimizzare il design delle componenti, validando accessibilità e fattibilità. Le simulazioni VR assicurano che i fattori umani siano integrati nel processo di design, portando a valutazioni più affidabili delle operazioni future. Infine, per convalidare l'uso delle simulazioni VR, è stato sviluppato un protocollo di validazione sperimentale che confronta le simulazioni virtuali con le operazioni reali. Grazie a tecnologie di tracciamento, come sensori ottici e sistemi di monitoraggio per la raccolta di dati in tempo reale, sono stati analizzati indicatori di prestazione, come i tempi di completamento delle attività, le valutazioni ergonomiche (punteggi RULA) e il numero di collisioni. I risultati confermano che le simulazioni VR sono coerenti con le operazioni nel mondo reale, dimostrando la loro affidabilità nel prevedere le prestazioni degli operatori e convalidare i design delle componenti. Questi risultati rafforzano l’uso delle simulazioni immersive nel miglioramento del processo di design. Questo studio evidenzia il potenziale delle tecnologie XR nell'ottimizzazione del design di componenti e di operazioni di manutenzione nel settore nucleare. Gli strumenti immersivi migliorano la rilevazione di difetti progettuali e facilitano l'integrazione dei fattori umani. Inoltre, supportano una collaborazione più efficace tra team interdisciplinari e impiegano tecnologie digitali con un approccio al design incentrato sull'uomo.