新一代核電機器人技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀綜述

高燕 田呂 申淑麗

國機智能科技有限公司，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壓水堆核電機組，于1991年底并網(wǎng)發(fā)電，1994年4月投入商業(yè)運行。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壓水堆機組，分別于1994年2月1日和5月4日投入商業(yè)運行。

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組稱為第一代核電機組。

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)的能源危機促進(jìn)了核電的大發(fā)展。世界上商業(yè)運行的400多座核電機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文件的核電機組稱為第三代核電機組。對第三代核電機組要求能在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；第四代核電站強化了防止核擴散等方面的要求，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 第三代核電機組的技術(shù)發(fā)展特征

3.1.1 安全性特點

第三代核電機組具有自預(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，第三代核電機組的堆芯熔化事故概率較低，相較第二代核電機組的堆芯熔化事故概率下降了近千倍。同時，第三代核電機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組的使用程序，降低了第三代核電機組的建設(shè)成本與管理成本，方便技術(shù)人員對出現(xiàn)輕微故障的核電機組進(jìn)行后期維修[3]。

3.1.3 容量大

第三代核電機組的單機容量進(jìn)一步擴大。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。這一單機容量是第二代核電機組單機容量的3～4倍。根據(jù)世界范圍內(nèi)第三代核電機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，第三代核電機組的單機容量還將進(jìn)一步擴大。例如，歐洲瑪法的UPR機組電功率為17×105kW，日本三菱的21型壓水堆核電機組，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)中的核電機組，單機容量也達(dá)到了17×105kW。

3.1.4 自動化控制

第三代核電機組在建設(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，利用計算機電子設(shè)備，對機組的建設(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，考慮新核電機組的設(shè)計過程。不斷加強核電機組設(shè)計建造的預(yù)算管理，進(jìn)行設(shè)計方式改變，逐漸提升核電機組運行的穩(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)點均按期實現(xiàn)，有望在2020年底前后投入商運；自主三代核電技術(shù)CAP 1400首堆即將開工。

4 核電站機器人研究現(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，比一般機器人的機動性和靈活性更好。核電站機器人涉及大量學(xué)科，如計算機科學(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)境下的機器人技術(shù)，并研制成功許多樣機[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械臂搭載平臺，并將它與改進(jìn)的機械背系統(tǒng)組成移動機械背系統(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核電站機器人。

ROBIN機器人比較龐大，重量很重，機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機器人用于核電站的維護(hù)和巡檢，采用兩個行走電機驅(qū)動的驅(qū)動輪和一個自由飛輪的移動模式使機器人系統(tǒng)能夠靈活移動，反向驅(qū)動自由飛輪可使機器人系統(tǒng)回轉(zhuǎn)半徑接近于0。機器人外形為圓柱體狀，直徑為790mm，高度達(dá)到1400mm，重量為270kg。機器人搭載有自由度的機械臂，可執(zhí)行開關(guān)口閥、清潔溢出物等任務(wù)。該機器人采用有纜控制，機器人內(nèi)部專口配有線纜收放機構(gòu)，使機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機器人移動緩慢，占地空間較大，該機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。機器人本體專口設(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器人的運動速度和方向。

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)等多個研究機構(gòu)的機器人專家聯(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)日本政府要求開展專口應(yīng)對核泄漏事故的核工業(yè)機器人的研究，日本原子力開發(fā)研究機構(gòu)（JAEA）曾經(jīng)開發(fā)過多款能夠抵御核輻射的遙控機器人，其中RaBot機器人就是一種能夠抵御核輻射，可打開、關(guān)閉閥口的雙臂機器人[6]。

另一款耐輻照機器人Monirobo由日本核安全中心研發(fā)，該機器人體積龐大，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。機器人主體配有機械臂，可移除障礙并搜集樣品。研究人員稱該機器人配備了輻射探測、3D攝像機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機器人和Monirobo機器人的身影。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機器人屬于中型機器人，體積較大，力量也較大，最大可搬運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機器人為PackBot機器人進(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機器人進(jìn)入反應(yīng)堆。機器人均采用遠(yuǎn)程控制方式。PackBot、Quince機器人先后走遍了1至4號機組的多個樓層，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器人研究計劃，委托新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(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)堆專用機器人技術(shù)與應(yīng)用”正式獲批，研究6項核電站專用機器人，部分機器人將被應(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器人和核電站反應(yīng)堆廠房環(huán)境監(jiān)測機器人研發(fā)項目。

2015年6月，由中國廣核集團(tuán)（簡稱中廣核）牽頭，眾多科研機構(gòu)、高等院校參與的國家863計劃“核反應(yīng)堆專用機器人技術(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款核電智能機器人，包括反應(yīng)堆換料機器人、反應(yīng)堆整體螺栓拉伸機、反應(yīng)堆壓力容器無損檢測機器人、核電站多功能水下爬行機器人、蒸汽發(fā)生器一次側(cè)堵板操作機器人、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，還能支撐整個機器人的末端執(zhí)行機構(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，這可以使機器人在地面靈活前進(jìn)、后退、翻越障礙物等；水下工作的機器人的驅(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。為了避免核電站機器人在行走、工作中破壞設(shè)備，技術(shù)人員在核電站機器人中融入了遠(yuǎn)程操控技術(shù)，輕松控制機器人完成任務(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器人。隨著制造業(yè)和控制技術(shù)的發(fā)展，核電站機器人末端執(zhí)行機構(gòu)已能滿足越來越多正常檢修場合的需要。

4.3.3 強耐輻射能力

核電站機器人與其他工業(yè)機器人相比，可以適應(yīng)高輻射環(huán)境，這對機器人信號傳輸系統(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)行機器人的研究和改造，希望核電站機器人能完成核電設(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，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 核電機器人技術(shù)研究工作方向建議

針對目前核電機器人的發(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)急機器人受限于強放射性環(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)一步提升核用機器人的使用周期以及使用范圍。

5.2 研究通信技術(shù)

機器人進(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。采用有線通信方式，在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境內(nèi)，機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、機器人無法返回；研究無線通信方式，在強輻照環(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)，能夠保證機器人的穩(wěn)定通信，有助于核機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，豐富機器人對環(huán)境條件的反饋能力，研發(fā)自主可控的機器人智能控制技術(shù)，可以實現(xiàn)智能機器人對環(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——環(huán)”的深度融合，也是今后工作的重點。

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器人在國際上研究現(xiàn)狀，闡述了核電機器人未來強耐輻射能力、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。