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(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高的特點(diǎn)，成為制約核電快速發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。智能機(jī)器人快速發(fā)展，將其代替人進(jìn)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(jì)效益已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。文中首先提出了機(jī)器人在核退役過(guò)程中的技術(shù)需求，分析了機(jī)器人在核退役的研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)機(jī)器人在核電站退役過(guò)程中的技術(shù)及研究方向進(jìn)行展望，為我國(guó)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(jī)器人

中圖分類(lèi)號(hào)： TL943;TM623文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jì)、建設(shè)、運(yùn)行和退役，退役作為核電全壽期的最后一個(gè)階段，由于其周期高、風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高等特點(diǎn)，是核電站運(yùn)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(guó)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(huì)長(zhǎng)期占用廠址不能再利用，維護(hù)核廢料的費(fèi)用十分高昂，往往會(huì)超出退役的預(yù)算，經(jīng)濟(jì)性不佳。同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，封固材料和安全系統(tǒng)會(huì)有老化失效的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)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(jìn)入工作，由于會(huì)受到大量的輻射，需要幾個(gè)人協(xié)助穿上防護(hù)服，并且只能進(jìn)行幾個(gè)小時(shí)的作業(yè)，核電站的退役進(jìn)程十分緩慢，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的二次核廢物進(jìn)行處理。根據(jù)已退役核電站經(jīng)驗(yàn)，拆除核設(shè)施和移除乏燃料需要幾十年的時(shí)間完成，而在此過(guò)程中產(chǎn)生的二次核廢物呈數(shù)十倍的增長(zhǎng)。而核能機(jī)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(guò)遠(yuǎn)程操縱機(jī)械臂完成一些簡(jiǎn)單的任務(wù)?，F(xiàn)代機(jī)器人的快速發(fā)展，將其應(yīng)用到核電退役的過(guò)程中，代替人進(jìn)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(jìn)度，進(jìn)而降低了核電退役過(guò)程的不確定性和總成本費(fèi)用。因此，利用機(jī)器人進(jìn)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(diǎn)問(wèn)題。

1 核退役機(jī)器人的技術(shù)特點(diǎn)

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(guò)程中會(huì)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(jìn)而將廠址進(jìn)行在利用。采用機(jī)器人進(jìn)行核電站的退役工作，對(duì)大型含有高輻射的設(shè)施進(jìn)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(xiǎn)，并且在面對(duì)高輻射環(huán)境時(shí)不需要進(jìn)行輻射防護(hù)和去污處理，減少了大量的二次核廢物的產(chǎn)生。同時(shí)，它可以代替人連續(xù)作業(yè)幾天甚至幾個(gè)月，大大提高了工作效率，加快核電退役的進(jìn)程，是未來(lái)核電退役技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，具有很大的優(yōu)勢(shì)。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(jī)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)能力。先進(jìn)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制系統(tǒng)是機(jī)器人完成各種工作的基礎(chǔ)，并且還為機(jī)器人能夠穩(wěn)定運(yùn)行和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供支撐。而目前機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，對(duì)于要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的一般選用電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)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(chǎng)景。因此，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性是核退役機(jī)器人靈活運(yùn)動(dòng)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(jī)器人需要在高輻射的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)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(guò)輻射防護(hù)處理，將會(huì)很快失效，影響到核退役機(jī)器人的正常工作壽命。因此，核退役機(jī)器人的材料必須是耐輻照的，內(nèi)部設(shè)計(jì)必須具備輻射防護(hù)功能，只有提高核退役機(jī)器人在核環(huán)境下的工作周期，才能提高核退役機(jī)器人的效率，降低時(shí)間和金錢(qián)成本。目前，世界上也僅有少數(shù)機(jī)器人具備抗強(qiáng)輻射的能力，是核退役機(jī)器人發(fā)展的難題之一。

1.3 具有無(wú)線通訊能力

遠(yuǎn)程操縱員與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人之間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的音頻、指令等數(shù)據(jù)通訊，如果利用電纜進(jìn)行連接，機(jī)器人在工作過(guò)程中必須避開(kāi)與現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、障礙物等纏繞在一起，這樣機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和靈活性將會(huì)大大降低。因此，具備無(wú)線通訊能力，抗干擾能力強(qiáng)，能夠?qū)崟r(shí)傳輸大量的數(shù)據(jù)，以便遠(yuǎn)程操縱員對(duì)能夠直觀的獲取現(xiàn)場(chǎng)的信息，是核退役機(jī)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(jī)器人需要對(duì)周?chē)沫h(huán)境和目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和分析，因此需要安裝各種傳感器采集信息，機(jī)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(shí)別和定位、搬運(yùn)和切割等復(fù)雜的工作，可以大大提高遠(yuǎn)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(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用

2.1 核退役機(jī)器人在A-1核電站退役的應(yīng)用

捷克斯洛伐克共和國(guó)第一臺(tái)核電站為A-1核電站，電功率為150MW，1972年開(kāi)始發(fā)電。在運(yùn)行的5年間，接連發(fā)生了2次事故，最終決定將該機(jī)組退役。當(dāng)時(shí)并沒(méi)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(shí)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(guò)程中，輻射和有毒有害物質(zhì)限制了人員進(jìn)入核電站內(nèi)部設(shè)施，VUJE公司為此研發(fā)出多種先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)，實(shí)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(dòng)機(jī)器人

MT-15是一種可以在放射性環(huán)境中進(jìn)行采樣、測(cè)量和凈化的移動(dòng)遙控機(jī)器人。MT-15是模塊化系統(tǒng)，主要包含遙控車(chē)輛模塊、機(jī)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(guò)電纜連接外部電纜供電。機(jī)械手有4個(gè)自由度，具有很強(qiáng)的靈活性。MT-15還配備了兩個(gè)攝像頭和一個(gè)用于遠(yuǎn)程操作。

2.1.2 MT-80通用性機(jī)器人

MT-80型退役機(jī)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(jī)械手包含了6個(gè)自由度，滿(mǎn)足了大多數(shù)任務(wù)對(duì)靈活度的要求。機(jī)械臂由液壓驅(qū)動(dòng)，特殊鈦合金制成，可以執(zhí)行重達(dá)80公斤的載荷任務(wù)。另外，MT-80是防水設(shè)計(jì)，表面有一層特殊的可拆卸保護(hù)涂層，可以保障退役機(jī)器人在輻射環(huán)境下的正常工作。MT-80的運(yùn)行由位于控制面板的主控制器和位于機(jī)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(jī)械臂距離可達(dá)3公里，避免了操作員處于強(qiáng)輻射環(huán)境。

2.1.3 DENAR-41長(zhǎng)臂機(jī)器人

a-1核電站退役需要對(duì)地下存儲(chǔ)罐進(jìn)行凈化處理。DENAR-41長(zhǎng)臂機(jī)器人應(yīng)用于存儲(chǔ)罐尺寸大，但是口徑小，常規(guī)機(jī)器人無(wú)法進(jìn)入的環(huán)境。DENAR-41是一種長(zhǎng)臂液壓機(jī)器人，有7個(gè)自由度，固定在一個(gè)軸承結(jié)構(gòu)上。機(jī)械手本身由一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)柱的垂直裝置和三個(gè)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(chǔ)罐中，傾斜臂附在柱的底部，這樣的設(shè)計(jì)可以到達(dá)存儲(chǔ)罐內(nèi)部的任何點(diǎn)。DENAR-41型機(jī)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(jìn)行切割、凈化、清淤等工作任務(wù)。

2.2 日本核退役機(jī)器人的應(yīng)用

2011年4月12日，日本由于發(fā)生9.0級(jí)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(guó)際社會(huì)為事故救災(zāi)和輻射處理提供了很大幫助，開(kāi)發(fā)多種現(xiàn)代機(jī)器人進(jìn)行核事故處理工作[4]。

Honeywell公司研發(fā)的T-Hawk型無(wú)人機(jī)主要進(jìn)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?chē)妮椛鋭┝亢芨?，人員無(wú)法進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)勘察。利用T-Hawk型無(wú)人機(jī)對(duì)輻射區(qū)域進(jìn)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(xiǎn)。i-ROBOT研發(fā)出的PackBOT型機(jī)器人被用于進(jìn)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(jī)器人的所有部件是防輻射加固的，整機(jī)具有防水防震功能，在福島核事故后先后多次進(jìn)入反應(yīng)堆內(nèi)部環(huán)境探測(cè)，為評(píng)估核事故處理提供了大量的數(shù)據(jù)[5]。

3 核退役機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展

核電廠的退役是一項(xiàng)長(zhǎng)期、非常復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，核退役機(jī)器人的應(yīng)用過(guò)程中仍面臨許多問(wèn)題和困難，需要不斷發(fā)展先進(jìn)的技術(shù)提高核電站退役的安全性和經(jīng)濟(jì)性。核退役機(jī)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(jī)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(kāi)發(fā)不同功能的核退役機(jī)器人，對(duì)于其他退役核設(shè)施不適用。因此，需制定核退役機(jī)器人的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，核退役機(jī)器人模塊化組裝，這樣可大大降低核退役機(jī)器人的研發(fā)費(fèi)用，降低核電站的退役成本。

3.2 核退役機(jī)器人試驗(yàn)訓(xùn)練系統(tǒng)

核退役機(jī)器人在投入使用前，都需要通過(guò)嚴(yán)格試驗(yàn)功能驗(yàn)證。同時(shí)，核退役機(jī)器人操縱員需要對(duì)退役機(jī)器人進(jìn)行操作熟悉，以提高退役機(jī)器人工作效率。日本福島事故后，成立遠(yuǎn)程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心進(jìn)行福島退役的技術(shù)開(kāi)發(fā)。該中心主要對(duì)機(jī)器人在避障、攀爬、防水等功能進(jìn)行測(cè)試。未來(lái)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和3D技術(shù)的成熟，可開(kāi)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(shí)的模擬環(huán)境，提高核退役機(jī)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(wú)線通信的可靠性會(huì)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?jī)?nèi)環(huán)境惡劣，將直接影響操作核退役機(jī)器人的準(zhǔn)確有效。因此，應(yīng)針對(duì)核輻射和廠房屏蔽環(huán)境下，開(kāi)發(fā)耐輻射的通信設(shè)備和低延時(shí)、無(wú)中斷等性能的通信技術(shù)。

4 結(jié)論

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

【參考文獻(xiàn)】

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[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(qián)輝環(huán)，徐揚(yáng)生，徐文福.核環(huán)境下遙操作機(jī)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.