核電廠退役機器人的技術(shù)研究

李海龍 張健

【摘 要】核電是目前世界上最清潔高效的能源之一，但核電站的退役由于其周期長、風(fēng)險大、費用高的特點，成為制約核電快速發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。智能機器人快速發(fā)展，將其代替人進入高輻射的復(fù)雜環(huán)境作業(yè)，減少核電站退役周期，提高經(jīng)濟效益已成為世界各國的研究熱點。文中首先提出了機器人在核退役過程中的技術(shù)需求，分析了機器人在核退役的研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，對未來機器人在核電站退役過程中的技術(shù)及研究方向進行展望，為我國核電站退役的技術(shù)研究提供參考。

【關(guān)鍵詞】核電站;退役;機器人

中圖分類號： TL943;TM623文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）24-0012-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.007

【Abstract】Nuclear power is one of the cleanest and most efficient energy sources in the world. However， decommissioning of nuclear power plants has become an important link restricting the rapid development of nuclear power due to its characteristics of long cycle， high risk and high cost. With the rapid development of intelligent robots， it has become a research hotspot in the world which replace human beings in the complex environment of high radiation， reduce the decommissioning cycle of nuclear power plants and improve economic benefits. In this paper， the technical requirements of robot in nuclear decommissioning are put forward， and the research status of robot in nuclear decommissioning is analyzed. On this basis， the technology and research direction of nuclear power plant decommissioning robot are prospected， providing a reference for the technical research of nuclear power plant decommissioning in China.

【Key words】Nuclear power plant; Decommissioning; Robot

0 前言

核電站的全生命周期包括選址、設(shè)計、建設(shè)、運行和退役，退役作為核電全壽期的最后一個階段，由于其周期高、風(fēng)險大、費用高等特點，是核電站運行的重要環(huán)節(jié)[1]。核電安全退役是核電可持續(xù)發(fā)展的重要保障，關(guān)系到國家的能源結(jié)構(gòu)安全和環(huán)境安全。

核電退役一般有三種策略，立即拆除、延緩拆除和封固埋葬[2]。就地掩埋或者延緩拆除會長期占用廠址不能再利用，維護核廢料的費用十分高昂，往往會超出退役的預(yù)算，經(jīng)濟性不佳。同時，隨著時間的推移，封固材料和安全系統(tǒng)會有老化失效的風(fēng)險，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境會產(chǎn)生長遠核安全隱患。因此，目前世界上核電退役策略以立即拆除為主。然而，設(shè)備立即拆除需要面臨高放射性環(huán)境，若由工作人員直接進入工作，由于會受到大量的輻射，需要幾個人協(xié)助穿上防護服，并且只能進行幾個小時的作業(yè)，核電站的退役進程十分緩慢，同時還會產(chǎn)生大量的二次核廢物進行處理。根據(jù)已退役核電站經(jīng)驗，拆除核設(shè)施和移除乏燃料需要幾十年的時間完成，而在此過程中產(chǎn)生的二次核廢物呈數(shù)十倍的增長。而核能機器人技術(shù)發(fā)展十分緩慢，沿用仍是上世紀(jì)六十年代產(chǎn)品，通過遠程操縱機械臂完成一些簡單的任務(wù)。現(xiàn)代機器人的快速發(fā)展，將其應(yīng)用到核電退役的過程中，代替人進入高輻射的環(huán)境完成復(fù)雜的任務(wù)，可大大加快核電的退役進度，進而降低了核電退役過程的不確定性和總成本費用。因此，利用機器人進行核電站的退役工作，具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)今世界研究的熱點問題。

1 核退役機器人的技術(shù)特點

核電站是利用原子裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電廠，在原子裂變過程中會產(chǎn)生大量輻射和含有放射性核廢料。核電站的退役需要將核廢料和設(shè)施全部拆除，使核電站的輻射降到安全標(biāo)準(zhǔn)，進而將廠址進行在利用。采用機器人進行核電站的退役工作，對大型含有高輻射的設(shè)施進行拆除，不僅可以降低作業(yè)人員受到輻照和傷害的風(fēng)險，并且在面對高輻射環(huán)境時不需要進行輻射防護和去污處理，減少了大量的二次核廢物的產(chǎn)生。同時，它可以代替人連續(xù)作業(yè)幾天甚至幾個月，大大提高了工作效率，加快核電退役的進程，是未來核電退役技術(shù)發(fā)展的趨勢，具有很大的優(yōu)勢。但由于核電站內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和高輻射環(huán)境，因此，核退役機器人必須具備以下技術(shù)條件：

1.1 多自由度的非結(jié)構(gòu)運動能力

由于核電站內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，因此要求核退役具有行走、攀爬、旋轉(zhuǎn)等靈活的運動能力。先進的逆運動學(xué)控制系統(tǒng)是機器人完成各種工作的基礎(chǔ)，并且還為機器人能夠穩(wěn)定運行和執(zhí)行機構(gòu)提供支撐。而目前機器人的驅(qū)動機構(gòu)主要分為伺服電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動，對于要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的一般選用電機作為動力驅(qū)動，而液壓驅(qū)動機構(gòu)響應(yīng)速度快，扭矩與重量比大，往往用于中型負(fù)載場景。因此，驅(qū)動機構(gòu)和運動控制系統(tǒng)的設(shè)計合理性是核退役機器人靈活運動能力、壁障能力、處理目標(biāo)有效性的重要指標(biāo)。

1.2 能夠持續(xù)承受高輻射的能力

核退役機器人需要在高輻射的環(huán)境下長時間作業(yè)，其內(nèi)部的電子元件和輻射敏感部件如不經(jīng)過輻射防護處理，將會很快失效，影響到核退役機器人的正常工作壽命。因此，核退役機器人的材料必須是耐輻照的，內(nèi)部設(shè)計必須具備輻射防護功能，只有提高核退役機器人在核環(huán)境下的工作周期，才能提高核退役機器人的效率，降低時間和金錢成本。目前，世界上也僅有少數(shù)機器人具備抗強輻射的能力，是核退役機器人發(fā)展的難題之一。

1.3 具有無線通訊能力

遠程操縱員與現(xiàn)場機器人之間需要進行實時的音頻、指令等數(shù)據(jù)通訊，如果利用電纜進行連接，機器人在工作過程中必須避開與現(xiàn)場的設(shè)備、障礙物等纏繞在一起，這樣機器人的機動性和靈活性將會大大降低。因此，具備無線通訊能力，抗干擾能力強，能夠?qū)崟r傳輸大量的數(shù)據(jù)，以便遠程操縱員對能夠直觀的獲取現(xiàn)場的信息，是核退役機器人必須具備的能力。

1.4 豐富的環(huán)境感知和處理能力

核退役機器人需要對周圍的環(huán)境和目標(biāo)進行識別和分析，因此需要安裝各種傳感器采集信息，機器人需要具備半智能或者全智能的處理能力，這樣可以自主完成上下攀爬和避障、目標(biāo)識別和定位、搬運和切割等復(fù)雜的工作，可以大大提高遠程操縱員的上手能力，減少人員操作失誤的可能。

2 核退役機器人的技術(shù)應(yīng)用

2.1 核退役機器人在A-1核電站退役的應(yīng)用

捷克斯洛伐克共和國第一臺核電站為A-1核電站，電功率為150MW，1972年開始發(fā)電。在運行的5年間，接連發(fā)生了2次事故，最終決定將該機組退役。當(dāng)時并沒有關(guān)于核電退役的法律法規(guī)，直到1992年制定出核退役的標(biāo)準(zhǔn)和A-1核電站退役時間表。2007年，A-1核電站的退役工作全部完成。

在a-1核電站退役過程中，輻射和有毒有害物質(zhì)限制了人員進入核電站內(nèi)部設(shè)施，VUJE公司為此研發(fā)出多種先進機器人技術(shù)，實現(xiàn)更安全和更低成本的核電站退役[3]。

2.1.1 MT-15普通型移動機器人

MT-15是一種可以在放射性環(huán)境中進行采樣、測量和凈化的移動遙控機器人。MT-15是模塊化系統(tǒng)，主要包含遙控車輛模塊、機械手模塊和工作模塊，可根據(jù)不同工作任務(wù)選擇工作模塊。工作電源可由自身攜帶的蓄電池供電，也可以通過電纜連接外部電纜供電。機械手有4個自由度，具有很強的靈活性。MT-15還配備了兩個攝像頭和一個用于遠程操作。

2.1.2 MT-80通用性機器人

MT-80型退役機器人適用于高輻射環(huán)境內(nèi)執(zhí)行較重的退役任務(wù)，主要包括拆卸設(shè)備、切割管道、回收廢物等。其機械手包含了6個自由度，滿足了大多數(shù)任務(wù)對靈活度的要求。機械臂由液壓驅(qū)動，特殊鈦合金制成，可以執(zhí)行重達80公斤的載荷任務(wù)。另外，MT-80是防水設(shè)計，表面有一層特殊的可拆卸保護涂層，可以保障退役機器人在輻射環(huán)境下的正常工作。MT-80的運行由位于控制面板的主控制器和位于機械臂上不銹鋼盒中的副控制器控制。所有控制任務(wù)都可以在控制面板上操作，控制面板距離機械臂距離可達3公里，避免了操作員處于強輻射環(huán)境。

2.1.3 DENAR-41長臂機器人

a-1核電站退役需要對地下存儲罐進行凈化處理。DENAR-41長臂機器人應(yīng)用于存儲罐尺寸大，但是口徑小，常規(guī)機器人無法進入的環(huán)境。DENAR-41是一種長臂液壓機器人，有7個自由度，固定在一個軸承結(jié)構(gòu)上。機械手本身由一個帶有旋轉(zhuǎn)柱的垂直裝置和三個傾斜臂組成。垂直單元固定在軸承結(jié)構(gòu)上，可以圍繞垂直，軸旋轉(zhuǎn)的柱子被插入到存儲罐中，傾斜臂附在柱的底部，這樣的設(shè)計可以到達存儲罐內(nèi)部的任何點。DENAR-41型機器人配有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，方便操縱員了解罐內(nèi)情況，方便進行切割、凈化、清淤等工作任務(wù)。

2.2 日本核退役機器人的應(yīng)用

2011年4月12日，日本由于發(fā)生9.0級大地震導(dǎo)致福島核電站發(fā)生核泄漏事故。在事故發(fā)生后，國際社會為事故救災(zāi)和輻射處理提供了很大幫助，開發(fā)多種現(xiàn)代機器人進行核事故處理工作[4]。

Honeywell公司研發(fā)的T-Hawk型無人機主要進福島核電站的物理環(huán)境和輻射檢查任務(wù)。當(dāng)福島核電站發(fā)生核事故后，大量核燃料暴露在環(huán)境中，周圍的輻射劑量很高，人員無法進入到現(xiàn)場勘察。利用T-Hawk型無人機對輻射區(qū)域進行環(huán)境和輻射信息采集，大大降低了人員受輻照等風(fēng)險。i-ROBOT研發(fā)出的PackBOT型機器人被用于進入福島核電站內(nèi)部，獲取內(nèi)部不同區(qū)域的圖像、溫度、輻射水平等信息，根據(jù)獲取的信息判斷工人是可以反應(yīng)堆內(nèi)部的。Quince型機器人的所有部件是防輻射加固的，整機具有防水防震功能，在福島核事故后先后多次進入反應(yīng)堆內(nèi)部環(huán)境探測，為評估核事故處理提供了大量的數(shù)據(jù)[5]。

3 核退役機器人的技術(shù)發(fā)展

核電廠的退役是一項長期、非常復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的項目，核退役機器人的應(yīng)用過程中仍面臨許多問題和困難，需要不斷發(fā)展先進的技術(shù)提高核電站退役的安全性和經(jīng)濟性。核退役機器人的技術(shù)發(fā)展需要從以下幾方面突破：

3.1 耐輻射機器人的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化制定

不同核電廠退役需求不同，需要開發(fā)不同功能的核退役機器人，對于其他退役核設(shè)施不適用。因此，需制定核退役機器人的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，核退役機器人模塊化組裝，這樣可大大降低核退役機器人的研發(fā)費用，降低核電站的退役成本。

3.2 核退役機器人試驗訓(xùn)練系統(tǒng)

核退役機器人在投入使用前，都需要通過嚴(yán)格試驗功能驗證。同時，核退役機器人操縱員需要對退役機器人進行操作熟悉，以提高退役機器人工作效率。日本福島事故后，成立遠程技術(shù)開發(fā)中心進行福島退役的技術(shù)開發(fā)。該中心主要對機器人在避障、攀爬、防水等功能進行測試。未來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3D技術(shù)的成熟，可開發(fā)更加高效的訓(xùn)練系統(tǒng)，將核電廠內(nèi)部的環(huán)境納入訓(xùn)練系統(tǒng)，為操作員提供更加真實的模擬環(huán)境，提高核退役機器人的可靠性。

3.3 輻射環(huán)境下的通信技術(shù)

輻射環(huán)境下，無線通信的可靠性會大大降低，一方面是通訊設(shè)備的耐輻射能力弱，另一方面廠房內(nèi)環(huán)境惡劣，將直接影響操作核退役機器人的準(zhǔn)確有效。因此，應(yīng)針對核輻射和廠房屏蔽環(huán)境下，開發(fā)耐輻射的通信設(shè)備和低延時、無中斷等性能的通信技術(shù)。

4 結(jié)論

我國的核電站退役研究還處于初期，核退役機器人還未形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，未來必將具有廣闊的發(fā)展前景。文中在對核退役機器人的應(yīng)用進行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出未來我國核退役機器人的技術(shù)需求：一、耐輻射機器人的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的制定;二、以虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D掃描技術(shù)等為基礎(chǔ)的核退役機器人試驗訓(xùn)練系統(tǒng);三、在輻射環(huán)境下的無線通訊技術(shù)。

【參考文獻】

[1]曹俊杰，陳戲三，我國核電廠退役現(xiàn)狀及思考[J].科技視界，2019.

[2]宋學(xué)斌，核設(shè)施退役實踐[M].中國原子能出版社，2013

[3]Stanislav Capuska， Stefan Brecka， Stanislav Kosnac，Jozef Martinkovic， Manipulator Robotics in Use for Decommissioning of A-1 Nuclear Power Plant， 12th International Conference on Advanced Robotics， 2005.

[4]Nagatani K， Kiribayashi S， Okada Y， et al. Emergency Response to the Nuclear Accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants using Mobile Rescue Robots[J].Journal of Field Robotics. Journal of Field Robotics. 2013，30（1）：44-63.

[5]錢輝環(huán)，徐揚生，徐文福.核環(huán)境下遙操作機器人的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].Proceedings of the 32nd Chinese Control Conference July 26-28，2013，Xian，China.