高燕 田呂 申淑麗

國機(jī)智能科技有限公司，中國·廣東 廣州 510440

1 引言

輕原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量，分別稱為核聚變能和核裂變能，在聚變或者裂變時釋放大量熱量，能量按照“核能——機(jī)械能——電能”進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種電力即可稱為核電。

自1951年12月美國實驗增殖堆1號（EBR-1）首次利用核能發(fā)電以來，世界核電至今已有近70年的發(fā)展歷史。

1951年，美國建成了世界上第一個核發(fā)電裝置；1954年月，蘇聯(lián)建成了世界上第一座核電站，電功率為5MW。世界核能年發(fā)電量于2006年達(dá)到最大值，之后逐步下降，到2010年出現(xiàn)反彈，顯現(xiàn)真正復(fù)蘇的開始；但2011年發(fā)生日本福島核電事故后再次下滑，且下滑速度更快。核電在總發(fā)電量中的比重，于1993年達(dá)到最高值17%，2012年下降到10%，2013年后世界核電進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)。

80年代初期，中國政府制訂了發(fā)展核電的技術(shù)路線和技術(shù)政策，決定發(fā)展壓水堆核電廠。采用“以我為主，中外合作”的方針，引進(jìn)其他國家先進(jìn)技術(shù)，逐步實現(xiàn)設(shè)計自主化和設(shè)備國產(chǎn)化。

自主設(shè)計建造的秦山核電廠300MW壓水堆核電機(jī)組，于1991年底并網(wǎng)發(fā)電，1994年4月投入商業(yè)運(yùn)行。同中國香港合資，從其他國家進(jìn)口成套設(shè)備建造的中國廣東大亞灣核電廠，兩臺930MW壓水堆機(jī)組，分別于1994年2月1日和5月4日投入商業(yè)運(yùn)行。

2 世界核電發(fā)展技術(shù)指標(biāo)的劃分

縱觀核電發(fā)展歷史，核電站技術(shù)方案大致可以分四代。

2.1 第一代

核電站的開發(fā)與建設(shè)開始于20世紀(jì)50年代。1954年，蘇聯(lián)建成電功率為5MW的實驗性核電站，1957年，美國建成電功率為90000kW的shipping port 原型核電站，這些成就證明了利用核能發(fā)電的技術(shù)可行性。國際上把上述實驗性和原型核電機(jī)組稱為第一代核電機(jī)組。

2.2 第二代

20世紀(jì)60年代后期，在實驗性和原型核電機(jī)組基礎(chǔ)上，陸續(xù)建成電功率在3×105kW的壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核電機(jī)組，它們在進(jìn)一步證明核能發(fā)電技術(shù)可行性的同時，使核電的經(jīng)濟(jì)性也得以證明。20世紀(jì)70年代，因石油漲價引發(fā)的能源危機(jī)促進(jìn)了核電的大發(fā)展。世界上商業(yè)運(yùn)行的400多座核電機(jī)組絕大部分是在這段時期建成的，習(xí)慣上稱之為第二代核電機(jī)組。

2.3 第三代

20世紀(jì)90年代，為了解決三里島和切爾諾貝利核電站的嚴(yán)重事故的負(fù)面影響，世界核電業(yè)界集中力量對嚴(yán)重事故的預(yù)防和緩解進(jìn)行了研究和攻關(guān)，美國和歐洲先后出臺了《先進(jìn)輕水堆用戶要求文件》，即URD文件（Utility Requirements Document）和《歐洲用戶對輕水堆核電站的要求》，即EUR文件（European Utility Requirements Document），進(jìn)一步明確了預(yù)防與緩解嚴(yán)重事故、提高安全可靠性和改善人因工程等方面的要求。國際上通常把滿足URD文件或EUR文件的核電機(jī)組稱為第三代核電機(jī)組。對第三代核電機(jī)組要求能在2010年前進(jìn)行商用建造。

2.4 第四代

2000年1月，在美國能源部的倡議下，美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大、巴西、韓國和阿根廷等十個有意發(fā)展核能的國家，聯(lián)合組成了“第四代國際核能論壇”（GIF），于2001年7月簽署了合約，約定共同合作研究開發(fā)第四代核能技術(shù)。根據(jù)設(shè)想，第四代核能方案的安全性和經(jīng)濟(jì)性將更加優(yōu)越，廢物量極少，無需廠外應(yīng)急，并具備固有的防止核擴(kuò)散的能力。高溫氣冷堆、熔鹽堆、鈉冷快堆就是具有第四代特點(diǎn)的反應(yīng)堆。

第一代核電站為原型堆，其目的在于驗證核電設(shè)計技術(shù)和商業(yè)開發(fā)前景；第二代核電站為技術(shù)成熟的商業(yè)堆，在運(yùn)的核電站絕大部分屬于第二代核電站；第三代核電站為符合URD或EUR要求的核電站，其安全性和經(jīng)濟(jì)性均較第二代有所提高，屬于未來發(fā)展的主要方向之一；第四代核電站強(qiáng)化了防止核擴(kuò)散等方面的要求，處在原型堆技術(shù)研發(fā)階段。

3 第三代核電技術(shù)

第三代核電技術(shù)的發(fā)展設(shè)計主要是針對第二代核電機(jī)組發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行效率提升設(shè)計與安全防護(hù)設(shè)計。第三代核電技術(shù)的設(shè)計主要有以下兩個原則：第一，經(jīng)濟(jì)性原則。第二代核電技術(shù)推廣的過程中，前期投入的資源量過大，導(dǎo)致很多國家在建設(shè)商用核電站的過程中，存在資金周轉(zhuǎn)上的困難。同時，核電站產(chǎn)生的電能資源成本較高，不利于大面積商務(wù)推廣。第二，安全性原則。第三代核電技術(shù)的發(fā)展要完全符合URD文件、EUR文件的相關(guān)管理規(guī)定，將安全性與穩(wěn)定性作為核電站發(fā)展建設(shè)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，避免核電站在建設(shè)過程當(dāng)中出現(xiàn)核泄漏事故[2]。

3.1 第三代核電機(jī)組的技術(shù)發(fā)展特征

3.1.1 安全性特點(diǎn)

第三代核電機(jī)組具有自預(yù)防性質(zhì)，可以對核電站中的核原料進(jìn)行一定的安全防護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)原料泄露問題時，可以延緩嚴(yán)重事故的出現(xiàn)。經(jīng)過近10年的技術(shù)分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，第三代核電機(jī)組的堆芯熔化事故概率較低，相較第二代核電機(jī)組的堆芯熔化事故概率下降了近千倍。同時，第三代核電機(jī)組的放射性釋放大大降低，燃料熱工安全余量大大上升。上述幾種性能的顯著提升，保障了第三代核電技術(shù)的安全性，使核電站可以在經(jīng)濟(jì)上與天燃?xì)怆娬鞠喔偁?，降低了商用核電站的電能省成本?/p>

3.1.2 使用壽命長

目前，第三代核電機(jī)組的可利用率已經(jīng)達(dá)到了90%，設(shè)計壽命在60年左右，建設(shè)周期可以控制在50個月以內(nèi)。第三代核電技術(shù)采用非能動安全技術(shù)，利用材料的天然物理對流性質(zhì)，降低材料使用過程當(dāng)中的動力驅(qū)動，保障材料使用過程當(dāng)中的安全性。在緊急的環(huán)境下，技術(shù)人員可以在短時間內(nèi)對材料進(jìn)行冷卻，并帶走堆芯余熱，減少余熱造成的輻射，進(jìn)一步提升堆芯的安全性。同時，這種設(shè)計也大大簡化了核電機(jī)組的使用程序，降低了第三代核電機(jī)組的建設(shè)成本與管理成本，方便技術(shù)人員對出現(xiàn)輕微故障的核電機(jī)組進(jìn)行后期維修[3]。

3.1.3 容量大

第三代核電機(jī)組的單機(jī)容量進(jìn)一步擴(kuò)大。例如，目前法國輕水堆核電站的單位容量，已經(jīng)可以達(dá)到16×105kW。這一單機(jī)容量是第二代核電機(jī)組單機(jī)容量的3～4倍。根據(jù)世界范圍內(nèi)第三代核電機(jī)組的研究和工程建造經(jīng)驗，可以分析得出，隨著技術(shù)的進(jìn)步，第三代核電機(jī)組的單機(jī)容量還將進(jìn)一步擴(kuò)大。例如，歐洲瑪法的UPR機(jī)組電功率為17×105kW，日本三菱的21型壓水堆核電機(jī)組，功率為17×105kW，美國和俄羅斯的相關(guān)研究組織正在建設(shè)當(dāng)中的核電機(jī)組，單機(jī)容量也達(dá)到了17×105kW。

3.1.4 自動化控制

第三代核電機(jī)組在建設(shè)與管理的過程中，主要采用自動化的數(shù)字控制方式對核電機(jī)組的建設(shè)進(jìn)行管理。例如，法國、英國、捷克、日本等多個國家，都采用數(shù)字化儀表控制的方式，對正在建設(shè)的第三代核電機(jī)組進(jìn)行管理。這種自動化的控制方式，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)人員可以采用遠(yuǎn)程操作的方式，利用計算機(jī)電子設(shè)備，對機(jī)組的建設(shè)進(jìn)行自動化控制、自動化監(jiān)控和自動化操作。這種方式可以顯著減少人為操作的空間，避免由于技術(shù)人員錯誤操作而造成核電站原料的管理不當(dāng)。目前，自動化控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在中國的核電機(jī)組建設(shè)與管理當(dāng)中。

3.1.5 模塊化

第三代核電技術(shù)的建設(shè)與發(fā)展，還呈現(xiàn)了明顯的模塊化特征。技術(shù)人員從整體性的角度，考慮新核電機(jī)組的設(shè)計過程。不斷加強(qiáng)核電機(jī)組設(shè)計建造的預(yù)算管理，進(jìn)行設(shè)計方式改變，逐漸提升核電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。技術(shù)人員采用裝配式的設(shè)計與施工，在工廠中預(yù)先生產(chǎn)核電機(jī)組的構(gòu)件，在施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝，縮短施工的周期，進(jìn)一步降低施工的成本。

3.2 中國三代核電發(fā)展現(xiàn)狀

中國已成為少數(shù)自主掌握三代核電技術(shù)的國家，具備了自主化、批量化、規(guī)?；ㄔO(shè)三代核電的條件和比較優(yōu)勢。

目前中國有5種第三代核電技術(shù)，分別是AP1000、CAP1400、華龍一號、法國核電技術(shù)(EPR)以及俄羅斯核電技術(shù)(WER)。

2018年以來，中國三代核電建設(shè)取得突破性進(jìn)展，全球AP1000首堆、EPR首堆相繼在中國建成并投入商用；自主三代核電技術(shù)“華龍一號”首堆工程建設(shè)進(jìn)展順利，重大節(jié)點(diǎn)均按期實現(xiàn)，有望在2020年底前后投入商運(yùn)；自主三代核電技術(shù)CAP 1400首堆即將開工。

4 核電站機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

自從20世紀(jì)中前葉開始，核電工業(yè)和技術(shù)得到迅速發(fā)展，同時伴隨著機(jī)器人技術(shù)的快速進(jìn)步與變革，針對核電站巡檢與應(yīng)急處理任務(wù)的核電機(jī)器人技術(shù)得到了世界各國諸多研究人員廣泛的研究，并取得了一些研究成果。

核電機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)條件下行動，可以根據(jù)人工智能技術(shù)來運(yùn)行，具有一定的感知能力，還可以進(jìn)行復(fù)雜的行動，比一般機(jī)器人的機(jī)動性和靈活性更好。核電站機(jī)器人涉及大量學(xué)科，如計算機(jī)科學(xué)、控制工程、結(jié)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、仿生學(xué)、光學(xué)、微電子學(xué)、人工智能等。在20世紀(jì)40年代各個發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開始研究核環(huán)境下的機(jī)器人技術(shù)，并研制成功許多樣機(jī)[4]。

4.1 其他國家研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)40年代，美國、法國和日本等發(fā)達(dá)國家就成功研制了某些應(yīng)用在核工業(yè)的機(jī)器人。

美國阿貢國家實驗室就研制了一款可操縱放射性物質(zhì)的機(jī)械手，取名為M1，M1具備一定的耐箱射能力，能夠抓取固定外形的核污染樣品。在M1的基礎(chǔ)上美國Odetics Incorporated公司研制了六足移動機(jī)械臂搭載平臺，并將它與改進(jìn)的機(jī)械背系統(tǒng)組成移動機(jī)械背系統(tǒng)，取名為ODEX。隨后20世紀(jì)80年代，美國Savannah River實驗室與Odetics Incorporated展開合作，針對于Savannah River核電站的實際應(yīng)用對ODEX機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，并研制成功了與之功能類似，且外形為圓柱體狀的ROBIN核電站機(jī)器人。

ROBIN機(jī)器人比較龐大，重量很重，機(jī)械臂在完全展開狀態(tài)時的最大抓取重量為13.6kg。六足由三個4V電機(jī)控制，繞主體成60o均勻展開，可沿任意方向移動，六足排成兩排，跨度可達(dá)88.9cm，主體底部離地面可控制距離范圍為5～50cm，單腿承重可達(dá)113kg。

美國Remotec科技有限公司于1987年成功研制了SURBOT機(jī)器人用于核電站的維護(hù)和巡檢，采用兩個行走電機(jī)驅(qū)動的驅(qū)動輪和一個自由飛輪的移動模式使機(jī)器人系統(tǒng)能夠靈活移動，反向驅(qū)動自由飛輪可使機(jī)器人系統(tǒng)回轉(zhuǎn)半徑接近于0。機(jī)器人外形為圓柱體狀，直徑為790mm，高度達(dá)到1400mm，重量為270kg。機(jī)器人搭載有自由度的機(jī)械臂，可執(zhí)行開關(guān)口閥、清潔溢出物等任務(wù)。該機(jī)器人采用有纜控制，機(jī)器人內(nèi)部?？谂溆芯€纜收放機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人能夠不停對核電站多個室內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。此類有纜核電機(jī)器人雖然避開了能源和通信等難題，卻存在工作空間有限、増大工作空間卻又増加線纜絞繹的可能性進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器人被困等問題[5]。

1990年開始，美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）開發(fā)了緊急事務(wù)響應(yīng)機(jī)器人HAZBOT，并將其交付給消防部口使用，它能應(yīng)用于危險物質(zhì)泄漏突發(fā)事故的應(yīng)急處置任務(wù)，可在現(xiàn)場執(zhí)行泄漏物質(zhì)鑒別、泄漏源定位、現(xiàn)場監(jiān)測等任務(wù)，使消防人員免于危險物質(zhì)的傷害。HAZBOT機(jī)器人移動緩慢，占地空間較大，該機(jī)器人前后均采用雙導(dǎo)臂的履帶式結(jié)構(gòu)，移動平臺上搭載重型機(jī)械手，能夠在任務(wù)現(xiàn)場執(zhí)行抓取重物和開關(guān)閉閥口等任務(wù)。

1998年由美國航空航天局（NASA）和能源局（DOE）及烏克蘭當(dāng)局針對切爾諾貝利核事故的慘痛教訓(xùn)，組織開展了核電機(jī)器人項目PIONIEER，PIONIEER占地空間尺寸約為1.2×0.9×0.9m，重量達(dá)500kg。該機(jī)器人攜帶長度達(dá)1m、重量達(dá)70kg的鉆頭，并可通過遠(yuǎn)程控制對反應(yīng)堆的厚重墻壁打孔、取樣等操作，在核事故突發(fā)后能夠根據(jù)采集的樣品判斷核島安全殼內(nèi)實時情況，達(dá)到對核反應(yīng)單元遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

20世紀(jì)90年代由中歐技術(shù)研究院（CEIT）和西班牙Erdrola and Nuclenor公司共同研發(fā)的微小型爬壁機(jī)器人Robicent可在蒸汽發(fā)生器和其他大直徑管道的表面爬行，達(dá)到監(jiān)測核電站內(nèi)設(shè)備的目的。該機(jī)器人重量很輕，僅有2.5kg，體積很小，占地范圍尺寸約為290×160×250mm。該機(jī)器人可搭載多種小型傳感器，對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行小范圍巡檢與探測。機(jī)器人本體?？谠O(shè)有4個能夠吸附于弧形壁面的真空吸盤，通過控制系統(tǒng)對4個吸盤的步態(tài)進(jìn)行有序控制以改變機(jī)器人的運(yùn)動速度和方向。

20世紀(jì)末，英國樸次茅斯大學(xué)、Portech公司、德國的凱澤斯勞滕大學(xué)和比利時的立碑盧布塞爾大學(xué)等多個研究機(jī)構(gòu)的機(jī)器人專家聯(lián)合設(shè)計了能夠用于核污染環(huán)境工作的遙操作機(jī)器人ROBUG，它具有8條仿生結(jié)構(gòu)的腿，占地空間尺寸約為0.8×0.6×0.6m，能代替人類進(jìn)入核輻射及對人有害的環(huán)境中從事多種工作，并水平拖動100kg的物體，隨身攜帶25kg負(fù)荷。

1999年9月，日本愛知縣軸回收廠發(fā)生嚴(yán)重的核廢料泄漏事故，造成核輻射慘劇。不久應(yīng)日本政府要求開展?？趹?yīng)對核泄漏事故的核工業(yè)機(jī)器人的研究，日本原子力開發(fā)研究機(jī)構(gòu)（JAEA）曾經(jīng)開發(fā)過多款能夠抵御核輻射的遙控機(jī)器人，其中RaBot機(jī)器人就是一種能夠抵御核輻射，可打開、關(guān)閉閥口的雙臂機(jī)器人[6]。

另一款耐輻照機(jī)器人Monirobo由日本核安全中心研發(fā)，該機(jī)器人體積龐大，占地空間尺寸約為（0.8×1.5×1.5）m，采用雙履帶的移動方式，移動速度最大能夠達(dá)到0.6m/s。機(jī)器人主體配有機(jī)械臂，可移除障礙并搜集樣品。研究人員稱該機(jī)器人配備了輻射探測、3D攝像機(jī)以及溫濕度傳感器等感知系統(tǒng)，可檢測粉塵樣品和環(huán)境中的可燃?xì)怏w。

而在2011年日本發(fā)生福島大地震時，人們普遍期待這款機(jī)器人能參與搶險救災(zāi)工作，然而外界卻始終沒有看到RaBot機(jī)器人和Monirobo機(jī)器人的身影。究其根源，日本政府認(rèn)為日本發(fā)生大規(guī)模核泄漏的可能性極低，在經(jīng)過幾年的研制之后，最終放棄了核放射性環(huán)境下感知機(jī)器人的研制工作。福島核事故中，日本為其忽視核放射性環(huán)境下機(jī)器人技術(shù)的研究付出了極為慘重的代價。

在福島核事故發(fā)生3個月后的2011年6月20日，由iRoBot公司生產(chǎn)的PackBot和Warrior機(jī)器人改裝后由日本千葉工業(yè)大學(xué)的Quince交付東京電力公司使用，并先后進(jìn)入反應(yīng)堆廠房內(nèi)部，進(jìn)行事故現(xiàn)場的實景拍攝和環(huán)境輻射劑量的測量。Warrior機(jī)器人屬于中型機(jī)器人，體積較大，力量也較大，最大可搬運(yùn)90kg的重物，在事故現(xiàn)場能夠執(zhí)行放射性障礙物清理工作。PackBot是一種輕型機(jī)器人，能夠在殘骸中穿行，通過有線光纖傳回核電站內(nèi)部圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)。

Warrior機(jī)器人為PackBot機(jī)器人進(jìn)入核反應(yīng)堆內(nèi)部清理道路上的障礙，保證有足夠的空間使得PackBot機(jī)器人進(jìn)入反應(yīng)堆。機(jī)器人均采用遠(yuǎn)程控制方式。PackBot、Quince機(jī)器人先后走遍了1至4號機(jī)組的多個樓層，進(jìn)行了輻射劑量率、溫度測量以及放射性廢水取樣測量，工作人員依據(jù)返回的數(shù)據(jù)繪制各機(jī)組的輻射分布圖。同時，它們提供的照片、數(shù)據(jù)為制定核電站事故后續(xù)處理方案提供了依據(jù)，提高了救災(zāi)工作效率，降低了人員的輻照危險性。

福島核事故后，世界各國對核電站巡檢與應(yīng)急處理有了重新認(rèn)識，紛紛投入大量資金開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。日本政府也重新啟動核電站機(jī)器人研究計劃，委托新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)實施“災(zāi)害對應(yīng)無人系統(tǒng)研究開發(fā)計劃”，將核災(zāi)害搶險機(jī)器人作為主要研究內(nèi)容之一，并于2012年10月開發(fā)出兩款機(jī)器人用于福島救災(zāi)現(xiàn)場。

4.2 中國研究現(xiàn)狀

福島核事故爆發(fā)之后，中國政府十分重視核電站巡檢與救援機(jī)器人的研制。2012年，在以往技術(shù)的基礎(chǔ)上，由中廣核集團(tuán)牽頭的國家“863計劃”項目——“核反應(yīng)堆專用機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”正式獲批，研究6項核電站專用機(jī)器人，部分機(jī)器人將被應(yīng)用于核電站事故處理。2011年國家能源局和國防科工局也分別資助了核電站救援機(jī)器人和核電站反應(yīng)堆廠房環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人研發(fā)項目。

2015年6月，由中國廣核集團(tuán)（簡稱中廣核）牽頭，眾多科研機(jī)構(gòu)、高等院校參與的國家863計劃“核反應(yīng)堆專用機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”課題，通過國家科技部專家組驗收。核電機(jī)器人能滿足核電特殊的工作環(huán)境，特別是耐輻照等，在同等的功能需求下，在其他工業(yè)領(lǐng)域也將有廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)介紹，在核電站的應(yīng)急救災(zāi)、事故處理、設(shè)備維修等方面，機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值。研究人員經(jīng)過4年多的研究攻關(guān)，掌握了相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，并研制成功多個工程樣機(jī)產(chǎn)品，部分產(chǎn)品已經(jīng)安裝在防城港核電站[7]。

此次研發(fā)的6款核電智能機(jī)器人，包括反應(yīng)堆換料機(jī)器人、反應(yīng)堆整體螺栓拉伸機(jī)、反應(yīng)堆壓力容器無損檢測機(jī)器人、核電站多功能水下爬行機(jī)器人、蒸汽發(fā)生器一次側(cè)堵板操作機(jī)器人、核電站微小型作業(yè)潛艇等。

4.3 未來發(fā)展趨勢

早期簡單的遙控式機(jī)械手已經(jīng)被淘汰，取而代之的是融入先進(jìn)技術(shù)的自動化智能機(jī)器人。以下從高水平的驅(qū)動技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、耐輻射能力、多功能性以及智能化幾個方面介紹核電站機(jī)器人未來發(fā)展趨勢。

4.3.1 新型驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)是核電機(jī)器人在地面自由行走、輕松跨越障礙物、在水下工作的內(nèi)驅(qū)力，還能支撐整個機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)不同的工作環(huán)境科研人員設(shè)計了不同的驅(qū)動系統(tǒng)，如爬行機(jī)器人的內(nèi)驅(qū)系統(tǒng)有輪式、履帶式、四足式、吸盤式四種類型，這可以使機(jī)器人在地面靈活前進(jìn)、后退、翻越障礙物等；水下工作的機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)被設(shè)計成螺旋槳式、仿生魚結(jié)構(gòu)，可以使機(jī)器人在水下工作時靈活上浮、下潛等。此外，為了使人員盡量遠(yuǎn)離高輻射區(qū)域，現(xiàn)場總線等新一代有線傳輸技術(shù)在核電站機(jī)器人產(chǎn)品中也得到了廣泛的應(yīng)用。

4.3.2 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

較多的設(shè)備和密集的管道，使核電機(jī)器人只能在有限的空間操作，加大了工作的難度。為了避免核電站機(jī)器人在行走、工作中破壞設(shè)備，技術(shù)人員在核電站機(jī)器人中融入了遠(yuǎn)程操控技術(shù)，輕松控制機(jī)器人完成任務(wù)。此外有些工作區(qū)域的磁場環(huán)境較為復(fù)雜，無線信號無法傳輸，可以采用有纜操作的方式來操控機(jī)器人。隨著制造業(yè)和控制技術(shù)的發(fā)展，核電站機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)已能滿足越來越多正常檢修場合的需要。

4.3.3 強(qiáng)耐輻射能力

核電站機(jī)器人與其他工業(yè)機(jī)器人相比，可以適應(yīng)高輻射環(huán)境，這對機(jī)器人信號傳輸系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、視頻檢查系統(tǒng)提出了更高的要求。為了滿足這一需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、控制算法、輻射防護(hù)加固等方面，學(xué)界進(jìn)行了深入研究，其中最具代表性的研究就是攝像頭耐輻射技術(shù)。在這一方面，美國Mirion公司是最為成功的，其開發(fā)的IST攝像頭耐輻射能力可以達(dá)到106rad/h，可以滿足核電站的一般工作需求。但是如果要適應(yīng)事故下的工作環(huán)境，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。目前中國開發(fā)的攝像頭耐輻射能力可以達(dá)到104rad/h，部分科研所已經(jīng)致力于研究更高水平的攝像頭。

各國針對核電站的需求不斷進(jìn)行機(jī)器人的研究和改造，希望核電站機(jī)器人能完成核電設(shè)備的常規(guī)維修、應(yīng)急事故處理、核廢物處理等工作。核電站機(jī)器人的技術(shù)取得進(jìn)一步成果，甚至在部分領(lǐng)域攻克了關(guān)鍵技術(shù)。但是近年來地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害的高頻率發(fā)生開始讓人們關(guān)注核泄漏問題，目前大多數(shù)核電站機(jī)器人只是代替工作人員進(jìn)行輻射環(huán)境下的檢修活動，高智能、多功能、高惡劣環(huán)境適應(yīng)性的機(jī)器人尚未開發(fā)出來，這也是未來研究的重要方向。

4.3.4 多功能性

核電站的工作環(huán)境惡劣，對人的輻射性強(qiáng)，在一些管道密集的地方，工作人員無法進(jìn)入。就需要多功能性的機(jī)器人替代工作人員進(jìn)行檢查設(shè)備、修復(fù)、應(yīng)急處理等工作，這些機(jī)器人的研發(fā)，不僅能提高工作效率、縮短檢修時間，更重要的是保證工作人員的身體健康[8]。

4.3.5 高智能化

核電站里有許多狹窄的通道，工作空間有限，而且有核心設(shè)備的地方都有很高的輻射，在檢修的過程中很困難?，F(xiàn)在還是人員遠(yuǎn)程控制核電站機(jī)器人，操作人員稍有不慎，就會造成嚴(yán)重后果。要保證核電站機(jī)器人在無人操作的情況下能夠在復(fù)雜的環(huán)境中自動搜索、自動避讓、快速搜索目標(biāo)并精確定位，這就需要對驅(qū)動技術(shù)、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行深層次研究，這也是一個重要的研究方向。

5 核電機(jī)器人技術(shù)研究工作方向建議

針對目前核電機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)研發(fā)情況，提出以下工作思路。

5.1 突破耐輻照技術(shù)

核作業(yè)環(huán)境的特殊性，首先體現(xiàn)在高輻照劑量水平。耐輻照能力直接決定了核用機(jī)器人的使用周期以及使用范圍。以福島核事故為例，事故發(fā)生后最先投入使用的部分應(yīng)急機(jī)器人受限于強(qiáng)放射性環(huán)境而無法作業(yè)并返回，既沒有完成既定任務(wù)，同時，也額外增加了放射性廢物。反應(yīng)堆內(nèi)的α、β、γ射線和中子會對機(jī)器人的電子元器件以及傳感器造成嚴(yán)重?fù)p壞，特別是攝像模塊，采用的光電傳感器容易受到強(qiáng)輻照干擾，從而喪失功能。從耐輻照材料的研發(fā)工作入手，突破耐輻照技術(shù)，有助于進(jìn)一步提升核用機(jī)器人的使用周期以及使用范圍。

5.2 研究通信技術(shù)

機(jī)器人進(jìn)入核電作業(yè)區(qū)域后，如何快速、可靠地向操作人員反饋現(xiàn)場信息，是一項亟需解決的技術(shù)難點(diǎn)。采用有線通信方式，在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境內(nèi)，機(jī)器人的過多操作可能會發(fā)生通信線路打結(jié)纏繞的情況，致使通信功能喪失、機(jī)器人無法返回；研究無線通信方式，在強(qiáng)輻照環(huán)境下，無線通信的通信距離、通信穩(wěn)定性都受到極大的限制。攻克通信中繼器或者優(yōu)化通信線路設(shè)計相關(guān)的核心技術(shù)，能夠保證機(jī)器人的穩(wěn)定通信，有助于核機(jī)器人及時反饋信息并執(zhí)行相關(guān)動作。

5.3 攻克先進(jìn)智能控制技術(shù)

傳統(tǒng)的單一遙控機(jī)器人在智能技術(shù)的推動下，逐漸向擁有智能決策功能的機(jī)器人演化。通過搭配的攝像模塊、紅外、超聲波等傳感器，豐富機(jī)器人對環(huán)境條件的反饋能力，研發(fā)自主可控的機(jī)器人智能控制技術(shù)，可以實現(xiàn)智能機(jī)器人對環(huán)境的智能感知、操作任務(wù)分析判斷及自動化實施，從而實現(xiàn)“人——機(jī)——環(huán)”的深度融合，也是今后工作的重點(diǎn)。

6 結(jié)語

本文介紹了核電技術(shù)的發(fā)展歷程，深入對比分析了核電機(jī)器人在國際上研究現(xiàn)狀，闡述了核電機(jī)器人未來強(qiáng)耐輻射能力、多功能性、高智能化等發(fā)展趨勢，最后結(jié)合核電機(jī)器人在國際上研究現(xiàn)狀，在前期調(diào)研和項目規(guī)劃方面，給出了核電機(jī)器人技術(shù)研究的工作建議，這對于形成自主可控的核電機(jī)器人技術(shù)，促進(jìn)核電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常重要的作用。