史思通

摘 要：核電站建設(shè)是當(dāng)今世界新型能源發(fā)展的一項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目，在核電站的建設(shè)過(guò)程中，對(duì)于核電站安全性的提升也是一個(gè)重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容，機(jī)器人在核電站建設(shè)中的運(yùn)用便是提升核電站安全性的一項(xiàng)有效措施。于是，文章結(jié)合核電站機(jī)器人技術(shù)特點(diǎn)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析探討了核電站對(duì)于機(jī)器人功能的需求，總結(jié)出核電站機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期能對(duì)行業(yè)發(fā)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：核電站機(jī)器人;應(yīng)用;發(fā)展

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）10-006-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.10.003

1 核電站機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)狀

1.1 核電站機(jī)器人技術(shù)具有先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

對(duì)于核電站機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠滿足機(jī)器人行走、繞過(guò)或者跨過(guò)阻擋物、進(jìn)行水平或垂直方向上運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)要求，除此之外，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)支撐機(jī)器人結(jié)構(gòu)、穩(wěn)固機(jī)器人結(jié)構(gòu)等功能。另外，在不同的工作環(huán)境中，現(xiàn)在的核電站機(jī)器人也具備了切合于具體環(huán)境的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如現(xiàn)在的輪式、履帶型、四腳型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)被用于爬行機(jī)器人，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這些驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跨過(guò)障礙、跳躍等動(dòng)作以及靈活地進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等基本動(dòng)作。而對(duì)于水下核電站機(jī)器人來(lái)說(shuō)，通常都是運(yùn)用仿生魚(yú)式機(jī)械機(jī)構(gòu)，因?yàn)檫@樣可以使機(jī)器人在水下靈活做出各類動(dòng)作，像游動(dòng)、上浮、下潛等各種水下動(dòng)作，以及能夠讓機(jī)器人固定在水下某一個(gè)確定的高度，實(shí)現(xiàn)水下的懸浮。同時(shí)，就目前的核電站機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一般都是通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)完成整個(gè)過(guò)程，也有采用液壓式驅(qū)動(dòng)方式的[1]。

1.2 核電站機(jī)器人技術(shù)具有較高的耐輻射能力

由于核電站環(huán)境的特殊性，在核電站發(fā)電過(guò)程中肯定會(huì)產(chǎn)生非常大的核輻射，因此核電站機(jī)器人肯定要有別于其他類型的機(jī)器人，就現(xiàn)代的核電站機(jī)器人來(lái)說(shuō)，已經(jīng)具備了不錯(cuò)的耐輻射能力。而為了進(jìn)一步提升核電站機(jī)器人的耐輻射能力，現(xiàn)階段的技術(shù)研究方向?qū)τ跈C(jī)器人的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了全面、精細(xì)的研究，以確保機(jī)器人在投入使用中能夠具備更高的抗輻射能力，從而延長(zhǎng)機(jī)器人的使用壽命。而在現(xiàn)階段，最具代表性的抗輻射技術(shù)就是攝像頭抗輻射技術(shù)，其中比較先進(jìn)的就是美國(guó)研發(fā)出來(lái)的攝像頭耐輻射技術(shù)，到現(xiàn)在基本上能夠滿足核電站正常工況下或者一般事故工況下對(duì)于視頻檢測(cè)的需求，然而要想實(shí)現(xiàn)對(duì)于高輻射環(huán)境中的正常檢測(cè)，目前的技術(shù)手段還是不能夠?qū)崿F(xiàn)。

1.3 核電站機(jī)器人具有靈巧的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)

能夠被遙控的機(jī)械手從最開(kāi)始的第一臺(tái)核電站機(jī)器人被研發(fā)出來(lái)以后，就成為了機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這也是特殊的工作環(huán)境對(duì)于核電站機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要需求。而發(fā)展到現(xiàn)階段，也已經(jīng)出現(xiàn)了各種類型的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅有能夠抓取物體和開(kāi)關(guān)設(shè)備的多關(guān)節(jié)機(jī)械手，而且還有用于實(shí)現(xiàn)水下焊接的自動(dòng)焊接機(jī)，同時(shí)也有能夠打撈核反應(yīng)堆中異物的真空泵[2]。對(duì)于不同的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其機(jī)構(gòu)形式不盡相同，但其都擁有精密度強(qiáng)、可靠性足、抗輻射能力高的優(yōu)點(diǎn)。而伴隨著高科技控制技術(shù)的發(fā)展，核電站機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)也逐漸能夠被運(yùn)用在各種類型的核電站維修環(huán)境中。但是對(duì)于大型核事故來(lái)說(shuō)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然不能完成相關(guān)維修工作，因此進(jìn)一步提升末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行強(qiáng)度，是以后核電站機(jī)器人的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

1.4 核電站機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)控制

在現(xiàn)階段的核電站中，其中的設(shè)施、管道布置相當(dāng)復(fù)雜，而且其中的可操作空間極其狹窄。因此，為了確保機(jī)器人在核電站投入使用過(guò)程中不至于對(duì)相關(guān)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行損傷，目前的核電站機(jī)器人很少使用人工智能技術(shù)下的智能化機(jī)器人，一般都是通過(guò)遠(yuǎn)距離線纜操控的方式，通過(guò)人為下達(dá)工作指令來(lái)控制核電站機(jī)器人完成相關(guān)工作任務(wù)。所以，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)器人的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)控制，目前都是綜合采用實(shí)時(shí)視頻、控制信號(hào)技術(shù)以及傳輸技術(shù)等，同時(shí)對(duì)于這些方面的技術(shù)也投入了大量的研究工作。另一方面，由于電磁信號(hào)傳輸技術(shù)容易受到核輻射環(huán)境的干擾，因此現(xiàn)在很多核電站維修機(jī)器人基本都是通過(guò)線纜方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸控制。到現(xiàn)在，現(xiàn)場(chǎng)總線這種新一代有線傳輸技術(shù)也被全面運(yùn)用在對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)控制上。

2 核電站機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用需求分析

2.1 利用核電站機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃料水池的水下維修

目前，核電站燃料廠房的水池，通常都是通過(guò)不銹鋼材料焊接完成，一般都會(huì)通過(guò)相關(guān)技術(shù)手段來(lái)保證水池能夠結(jié)構(gòu)完整地投入使用。然而，由于電站燃料水池會(huì)產(chǎn)生很多的電子流動(dòng)，這些電子流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電腐蝕，對(duì)水池結(jié)構(gòu)具有非常強(qiáng)的腐蝕作用。這個(gè)時(shí)候，如果通過(guò)維修人員穿上耐腐蝕的防護(hù)服來(lái)完成對(duì)水池的維修工作，就會(huì)由于水池空間狹小以及很有可能產(chǎn)生防護(hù)服被電腐蝕而造成對(duì)維修工作人員的傷害。所以，核電站非常有必要研究能夠耐得住較大腐蝕性以及活動(dòng)靈活的機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料水池的水下維修。

2.2 利用核電站機(jī)器人技術(shù)清理水下異物

對(duì)核電站的放射性水池來(lái)說(shuō)，由于水池面積比較大，同時(shí)又缺乏有效的異物防范方法，而且在維修過(guò)程中參與的人員也比較多，這就造成了時(shí)常都有異物落入水池的現(xiàn)象。然而，由于這些異物掉入的水下空間通常都非常狹窄和不可見(jiàn)，因此通過(guò)普通的打撈工具就難以實(shí)現(xiàn)對(duì)于這些異物的成功打撈，而且如果在打撈過(guò)程中由于工具的不可控性對(duì)反應(yīng)水池造成損害，就很有可能產(chǎn)生大量核輻射，對(duì)打撈人員造成巨大傷害。所以，核電站非常有必要研究出具有多個(gè)自由度以及擁有精確探測(cè)技術(shù)的核電站機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下異物準(zhǔn)確安全的清理工作。

2.3 利用核電站機(jī)器人技術(shù)在線修復(fù)反應(yīng)堆冷卻劑管道

反應(yīng)堆冷卻管道具有包容反應(yīng)過(guò)程中的放射性物質(zhì)的作用，因此在反應(yīng)堆冷卻管道當(dāng)中充滿了高溫高壓的放射性流體，這些流體時(shí)時(shí)刻刻都在對(duì)反應(yīng)堆冷卻管道進(jìn)行腐蝕。在長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕下，會(huì)使得反應(yīng)堆冷卻管道的結(jié)構(gòu)被破壞，而一旦反應(yīng)堆冷卻管道被破壞以后，如果不能及時(shí)有效地對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，將會(huì)給核電站帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)于核電站來(lái)說(shuō)，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)反應(yīng)堆冷卻管道在線修復(fù)核電站機(jī)器人技術(shù)的研究工作，從而減少有可能造成經(jīng)濟(jì)損失的情況。

2.4 利用核電站機(jī)器人技術(shù)完成燃料事故處理

在核電站運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)刻都有可能發(fā)生燃料事故，而燃料事故一旦發(fā)生，由于核輻射的破壞性極其強(qiáng)大，對(duì)于燃料事故的處理是困擾很多核電站的一項(xiàng)工作難點(diǎn)。而一旦對(duì)燃料事故的處理不能達(dá)到預(yù)定效果，將會(huì)對(duì)核電站造成安全性和經(jīng)濟(jì)上的雙重打擊。所以，通過(guò)制定技術(shù)應(yīng)急方案預(yù)防事故，并切合有可能出現(xiàn)的燃料事故，進(jìn)行核電站機(jī)器人燃料事故預(yù)防處理技術(shù)研究，以及利用機(jī)器人完成可能出現(xiàn)的嚴(yán)重事故下的救災(zāi)工作，對(duì)核電站來(lái)說(shuō)有著至關(guān)重要的意義。

3 核電站機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 朝著高智能化方向發(fā)展

針對(duì)核電站工作環(huán)境下空間狹窄、輻射性高、工況復(fù)雜等特點(diǎn)，核電站機(jī)器人技術(shù)在未來(lái)朝著更加智能化的方向發(fā)展成為大勢(shì)所趨。首先，未來(lái)核電站機(jī)器人的行動(dòng)肯定會(huì)更加智能，將會(huì)通過(guò)更加有效的科技手段來(lái)完成對(duì)機(jī)器人活動(dòng)的遠(yuǎn)程控制，并會(huì)逐步走向核電站機(jī)器人人工智能化趨勢(shì)。再者，未來(lái)的核電站機(jī)器人將會(huì)實(shí)現(xiàn)智能避讓、自動(dòng)搜索、自動(dòng)控制等全面智能化，并且還將會(huì)對(duì)相關(guān)復(fù)雜工況環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)判斷，從而自動(dòng)進(jìn)行和完成相關(guān)工作任務(wù)。

3.2 向著高可靠性的趨勢(shì)發(fā)展

由于核電站環(huán)境比較特殊，未來(lái)的核電站機(jī)器人將會(huì)朝著更高可靠性的趨勢(shì)發(fā)展。首先，未來(lái)的機(jī)器人將不能夠在投入使用過(guò)程中出現(xiàn)故障，能夠非常可靠地完成相關(guān)工作任務(wù);其次，未來(lái)的核電站機(jī)器人性能必須滿足核電站對(duì)維修時(shí)間、應(yīng)急事故處理時(shí)效和安全性能等可靠性的要求。而要達(dá)到這些可靠性要求，關(guān)鍵是對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及通過(guò)相關(guān)科技手段來(lái)提升機(jī)器人的技術(shù)性能等。

3.3 能夠越來(lái)越適應(yīng)更加惡劣的環(huán)境

核電站一旦出現(xiàn)一丁點(diǎn)紕漏，都有可能造成非常嚴(yán)重的事故，而嚴(yán)重的事故一旦發(fā)生，將會(huì)造成非常惡劣的環(huán)境影響。因此，對(duì)于惡劣維修環(huán)境更大的適應(yīng)能力，將會(huì)成為核電站機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的又一個(gè)趨勢(shì)[3]。提升機(jī)器人對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力，通常都是通過(guò)對(duì)構(gòu)成機(jī)器人元件的強(qiáng)度的研究，以及對(duì)機(jī)器人傳感技術(shù)的強(qiáng)化的研究來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.4 機(jī)器人的功能會(huì)越來(lái)越多樣化

未來(lái)核電站的很多工作，基本上都將會(huì)脫離人工完成，這也說(shuō)明核電站機(jī)器人將會(huì)朝著功能越來(lái)越多樣化的趨勢(shì)發(fā)展。核電站機(jī)器人將能實(shí)現(xiàn)在高輻射環(huán)境下，針對(duì)高放射性機(jī)械設(shè)備的檢查、缺陷維護(hù)以及應(yīng)急處理等各種形式的工作內(nèi)容，而通過(guò)對(duì)功能多樣化的核電站機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)維修質(zhì)量的提升并有效縮短維修時(shí)間，減少事故造成的進(jìn)一步傷害。

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