核電廠事故機(jī)器人應(yīng)用研究

王振宇，黃偉奇,*，孫 健，楊劍波

（1.陸軍防化學(xué)院，北京 102205；2.成都理工大學(xué)，成都 610051）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1949 年-1999 年世界上發(fā)生的主要輻射事故多達(dá)136 起［1］，最為嚴(yán)重的有美國三里島核事故、蘇聯(lián)切爾諾貝利核事故、福島核事故（2011 年），在歷次核事故中，機(jī)器人都發(fā)揮了重要作用。目前機(jī)器人在核事故中的應(yīng)用主要圍繞輻射偵察、應(yīng)急通信、工程搶險(xiǎn)補(bǔ)救、環(huán)境監(jiān)測(cè)、去污等環(huán)節(jié)［2］，其中最關(guān)鍵的工作是核心區(qū)的輻射偵察。本文將圍繞輻射偵察機(jī)器人在核電廠核事故中的應(yīng)用及需求進(jìn)行分析。

1 核事故輻射偵察機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

核事故環(huán)境復(fù)雜、輻射對(duì)人危害大，探測(cè)任務(wù)主要由機(jī)器人承擔(dān)，包括圖像偵察和輻射偵察。工作在核心區(qū)的輻射偵察機(jī)器人的性能要求最高，其獲得的事故信息對(duì)于事故的緩解、處理具有至關(guān)重要的作用。

1.1 三里島核事故

最早在三里島核事故中應(yīng)用的探測(cè)機(jī)器人有ROVER、LOUIE I，主要以輪式和履帶式為主要運(yùn)動(dòng)方式。ROVER是一輛六輪遙控偵察車［3］，具有環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻傳輸、采樣、去污洗消的功能。有兩臺(tái)ROVER部署在輻射水平為25 mSv/h到10 Sv/h的2號(hào)機(jī)組地下室，完成了繪制總輻射圖、污泥取樣的任務(wù)［4］。LOUIEⅠ是一輛雙履帶偵察車，能夠傳輸圖像及輻射數(shù)據(jù)，其主要任務(wù)是到達(dá)角落進(jìn)行輻射探測(cè)，與ROVER形成補(bǔ)充［5］。這一時(shí)期也研究了多足式機(jī)器人ODEX-Ⅰ［6］、涉水機(jī)器人SURVEYOR、小型環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)器人SURBOT、樣品采集探測(cè)機(jī)器人ROCOMP等［7］。

圖1 三里島核事故偵察機(jī)器人Fig.1 TMI-2 nuclear accident detection robot

1.2 切爾諾貝利核事故

切爾諾貝利核事故處理期間，機(jī)器人也發(fā)揮了重要的作用，其中的探測(cè)機(jī)器人有：PP 系列輪式［8］、履帶式探測(cè)機(jī)器人［8］（PP-Г1、PP-Г2）和先鋒號(hào)（Pioneer）。PP 系列輪式探測(cè)機(jī)器人主要有：PP-1、PP-2、PP-3、PP-4。PP-1 機(jī)器人由蘇聯(lián)中央機(jī)器人技術(shù)和技術(shù)控制論科學(xué)研究所（RTC）研制，重39 kg,平均移動(dòng)速度為0.2 m/s，攜帶有攝像機(jī)、輻射劑量強(qiáng)度測(cè)量?jī)x，以外接電纜的方式供電，完成了3 號(hào)機(jī)組區(qū)域汽輪機(jī)大廳（500 m2）、4號(hào)機(jī)組通道、裝卸口下廠房（200 m2）的調(diào)查任務(wù)。PP-2機(jī)器人完成了3號(hào)機(jī)組房頂（800 m2）的調(diào)查。PP-Г1、PP-Г2為履帶式探測(cè)機(jī)器人。PPГ1 機(jī)器人重65 kg，移動(dòng)速度0.3 m/s，用于探測(cè)樓梯、通道等。PP-Г1 在用于探測(cè)汽輪機(jī)大廳頂部區(qū)域的通道，РР-Г2 型機(jī)器人用于 4 號(hào)機(jī)組塌陷區(qū)域和3 號(hào)機(jī)組頂部的環(huán)境偵察。先鋒號(hào)（Pioneer-1）由美國能源部、美國宇航局、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)，主要用于調(diào)查石棺內(nèi)部情況［9］。先鋒號(hào)重500 kg，尺寸為L 1219 mm×W 914 mm×H 914 mm，攜帶有視頻系統(tǒng)、取樣工具、機(jī)械手臂、γ／中子劑量傳感器、溫濕度傳感器等［10］，可以收集到堆內(nèi)溫度、濕度、標(biāo)記放射性熱點(diǎn)的數(shù)據(jù)［11］，實(shí)時(shí)測(cè)繪石棺內(nèi)部3D地圖，進(jìn)而評(píng)估石棺結(jié)構(gòu)損壞程度。先鋒號(hào)的核心部件處于工作區(qū)外并通過線纜與車體連接，車載控制電路采用屏蔽盒進(jìn)行防護(hù)，攝像機(jī)采用約1.25 cm的薄鉛層進(jìn)行屏蔽，機(jī)器人系統(tǒng)可在劑量率5-10 Sv/h 的場(chǎng)合下工作并承受高達(dá)10 kSv 的累計(jì)劑量［3，9，12］。

圖2 切爾諾貝利事故偵察機(jī)器人Fig.2 Chernobyl accident detection robot

1.3 福島核事故

2011 年3 月福島核電廠發(fā)生了七級(jí)核事故。廠房航測(cè)任務(wù)由美國公司研制的Honeywell 完成，它是一種小型無人機(jī)，適合于運(yùn)送背包和單人操作，是福島核事故發(fā)生后第一時(shí)間投入使用的機(jī)器人。Honeywell 主要進(jìn)行空中拍攝和環(huán)境測(cè)量，并對(duì)福島核電廠燃料池附近的輻射水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)和檢查。它拍攝的福島核電廠1-4號(hào)機(jī)組照片為評(píng)估事故進(jìn)展，采取有效救災(zāi)措施，提供了重要的參考資料［13］。廠房?jī)?nèi)的探測(cè)任務(wù)由美國 PackBot、英國 TALON、日本 Quince 和 JAEA-3機(jī)器人完成。PackBot 是輕型履帶式機(jī)器人，重30 kg，最大速度為9.36 km/h,采用無線通訊方式，配有γ 相機(jī)、攝像機(jī)、輻射劑量?jī)x等設(shè)備，主要用于監(jiān)測(cè)1、2、3號(hào)機(jī)組室內(nèi)外的輻射劑量、溫濕度、氧氣濃度、圖像等狀態(tài)［12］。TALON 機(jī)器人于5月1日投入福島核事故救援，其主要工作部件有：繪制輻射劑量分布圖系統(tǒng)、防輻射操縱箱、γ射線成像儀、激光3D 成像儀、紅外相機(jī)［14］。Quince 履帶式機(jī)器人重約26.4 kg，移動(dòng)最大速度為1.6 m/s，由日本千葉工業(yè)大學(xué)、大阪大學(xué)和國際救援組織共同研制而成，為了適應(yīng)福島核反應(yīng)堆廠房，Quince 被改裝為雙絞線電纜信號(hào)傳輸，隨后于2011 年 6 月和 PackBot 進(jìn)行 1-3 號(hào)反應(yīng)堆內(nèi)部偵察以及2號(hào)機(jī)組燃料水池調(diào)查的工作。Quince可以對(duì)建筑物上層偵察。福島核事故處置中，先后有兩臺(tái)Quince機(jī)器人投入使用，其中第一臺(tái)于10月份檢測(cè)第三層設(shè)備損壞程度時(shí)電纜出現(xiàn)故障，至今未恢復(fù)。第二臺(tái)Quince 機(jī)器人于2012 年3月投入使用［14］。JAEA-3 是在 JCO 臨界事故后，由機(jī)器人RESQ-A 改裝而來的，配備了伽馬射線成像儀，以一根50米長的電纜進(jìn)行電力和信號(hào)傳輸，于2011年7月2日投入福島第一核電廠工作，進(jìn)行2號(hào)機(jī)組的伽馬輻射成像工作。

圖3 福島事故前期偵察機(jī)器人Fig.3 Early detection robot of Fukushima accident

目前福島核電廠的處理工作還在繼續(xù)，探測(cè)機(jī)器人的種類更多、作業(yè)區(qū)域更加廣泛、更靠近堆芯區(qū)域，且增加多種針對(duì)具體區(qū)域的特種偵察機(jī)器人。其中主安全殼內(nèi)部的偵察工作主要由Small Investigation Device（SID）、Shape-changing Robot、Scorpion完成。Small Investigation Device由東京電力公司開發(fā)，雙履帶式行進(jìn)，可越過5 cm的障礙，其外殼用3D 打印機(jī)制造而成。該設(shè)備使用可180°旋轉(zhuǎn)的智能手機(jī)進(jìn)行拍攝，以無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，其任務(wù)為3 號(hào)機(jī)組主安全殼（PCV）設(shè)備艙口的偵察工作［15］。 Shape-changing Robot［15］是日立GE公司開發(fā)的一個(gè)主安全殼內(nèi)部檢查設(shè)備，它的形狀可根據(jù)工作的場(chǎng)景進(jìn)行改變，可以管狀的形式穿過狹窄的管道，并在工作時(shí)膨脹成U 形以穩(wěn)定自身。2015 年4 月，該機(jī)器人投入到1號(hào)機(jī)組主安全殼內(nèi)部柵格表面進(jìn)行探測(cè)。自行式蝎子機(jī)器人Scorpion用于探測(cè)基座內(nèi)部結(jié)構(gòu)和落在控制棒驅(qū)動(dòng)裝置上的燃料碎屑，它可以通過貫穿口進(jìn)入安全殼內(nèi)部進(jìn)行工作［16］。

圖4 主安全殼偵察機(jī)器人Fig.4 Reconnaissance robot of PCV

反應(yīng)堆廠房各層的探測(cè)任務(wù)由Kanicrane、Rosemary、Sakura、High-access Investigation Robot（HIR）和 FRIGO-MA 完成。Kanicrane 機(jī)器人［15］由日立通用公司開發(fā)，重1250 kg,最高移動(dòng)速度為1.5 km/h。配備有一個(gè)可水平旋轉(zhuǎn)345°的伽馬相機(jī)，數(shù)據(jù)通過中繼器以無線方式傳輸，用于反應(yīng)堆廠房一樓4米高處的輻射偵察。Rosemary（65 kg，尺寸為L 700 mm×W 500 mm）和Sakura（35 kg，尺寸為L 500 mm×W 390 mm）由日立GE 千葉理工學(xué)院開發(fā)，用于探測(cè)1-3 號(hào)反應(yīng)堆建筑第二層和第三層。Rosemary 和Sakura協(xié)同進(jìn)行工作，可自行前往充電臺(tái)進(jìn)行充電，無需人員更換電池［15］。High-access Investigation Robo（t簡(jiǎn)稱HIR）主要用于反應(yīng)堆建筑的上層、狹小空間的探測(cè)。該機(jī)器人可以對(duì)最高7 米處的頂部、反應(yīng)堆上層的管道口和通風(fēng)口表面進(jìn)行輻射測(cè)量［15，17］。FRIGO-MA（38 kg，尺寸為L 650 mm×W 490 mm×H 750 mm）適用于反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)小房間的探測(cè)，實(shí)際工作中主要對(duì)主安全殼的氣體控制系統(tǒng)管道進(jìn)行檢測(cè)［15］。

圖5 廠房偵察機(jī)器人Fig.5 Reconnaissance robot of building

反應(yīng)堆地下抑壓室中有Swimming Robot、Crawling Robot、Telescopic Arm Runner（1-2）、Lake Fisher、VT-ROV、DL-ROV、SC-ROV、Water Boat等機(jī)器人進(jìn)行探測(cè)工作［15］。Swimming Robot、Crawling Robot和Water Boat負(fù)責(zé)抑壓室環(huán)壁的檢測(cè)工作。Swimming Robot由日立GE公司開發(fā)，重22 kg，尺寸為L 480 mm×W 420 mm×H 375 mm，具有可±45°調(diào)整的數(shù)碼相機(jī)、浮力調(diào)整和推進(jìn)裝置。Crawling Robot由日立GE公司開發(fā)，重40 kg，尺寸為L 650 mm×W 480 mm×H 350 mm，上方和后方各有一個(gè)相機(jī)，上部相機(jī)可在10-90°范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，可針對(duì)水中管壁進(jìn)行偵察。Water Boat 是日立通用公司開發(fā)的船式機(jī)器人，能夠漂浮在抑壓室內(nèi)部水面上，主要從內(nèi)部檢測(cè)環(huán)壁有無泄漏點(diǎn)。抑壓室上部的探測(cè)工作由Telescopic Arm Runner（1-2）、Lake Fisher 完成。Telescopic Arm Runner（重70 kg，尺寸為L 550 mm×W 509 mm×H 826 mm）是日立GE 公司開發(fā)的一款升降機(jī)器人，其升降桅桿可達(dá)3826 mm 高，用于對(duì)抑壓室頂部進(jìn)行偵察。另一個(gè)抑壓室偵測(cè)裝備（Telescopic Arm Runner-2）重100 kg，尺寸為L 550 mm×W 509 mm×H 1161 mm，其采取自上而下吊掛相機(jī)的方式對(duì)抑壓室上部進(jìn)行探測(cè)，吊掛長度可達(dá)1461 mm，同時(shí)配有一個(gè)聲吶，對(duì)水中障礙物進(jìn)行探測(cè)。Lake Fisher 重180 kg，尺寸為L 1038 mm×W 658 mm×H 1016 mm，是履帶式機(jī)器人。相機(jī)裝在向下升降的桅桿頭部，可對(duì)抑壓室外側(cè)狹窄處進(jìn)行偵測(cè)。抑壓室室外下表面探測(cè)裝置由三款東芝公司開發(fā)的機(jī)器人VT-ROV、DL-ROV、SC-ROV 組成。其中，D/W 彎管結(jié)合部探測(cè)裝置（VT-ROV）尺寸為L 300 mm×W 280 mm×H 90 mm，主要用于探測(cè)D/W 外殼和膨潤管結(jié)合部的泄露水。VT-ROV可通過直徑350 mm的管道，利用磁石材料附著在鋼質(zhì)外殼和管道上行動(dòng)，同時(shí)具有防水密封結(jié)構(gòu)和最高400-500 mSv/h 和累積200 Gy耐輻射性。排水管探測(cè)裝置（DL-ROV）主要通過釋放示蹤器的方式檢測(cè)排水管出水流泄露情況。其主要性能有：可進(jìn)入直徑350 mm 的管道內(nèi)；最大防水深度為10 m；具有最高400-500 mSv/h 和累積200 Gy 耐輻射性；工作范圍約150-2000 m；探測(cè)光源可視距離為600 mm。地下環(huán)形室的探測(cè)工作由Quadruped 和Survey Runner完成。Quadruped 機(jī)器人由東芝公司設(shè)計(jì)的子母機(jī)器人組合，母體重量約65 kg，高106 mm，最大速度1 km/h，可釋放子機(jī)器人（重約2 kg）用于狹小空間探測(cè)，完成了地下環(huán)形室內(nèi)排氣管周圍的探測(cè)。Survey Runner 機(jī)器人重45 kg，尺寸為L 505 mm×W 510 mm×H 830 mm，用于2號(hào)機(jī)組環(huán)型室的探測(cè)工作。主要性能為：設(shè)計(jì)了一個(gè)長約165 mm 的爬行式履帶，可通過最高235 mm的障礙，最大爬升角度為45°，行駛速度最高為2 km/h［15］。

圖6 抑壓室偵察機(jī)器人Fig.6 Suppression chamber detect robot

2 核事故特點(diǎn)與需求分析

21世紀(jì)的機(jī)器人技術(shù)取得了長足的發(fā)展，在各行各業(yè)的工作中展現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。福島核事故以來，世界各國也愈發(fā)重視機(jī)器人在核事故中的作用。但核事故環(huán)境存在著強(qiáng)輻射場(chǎng)、地形復(fù)雜、高溫高濕等特點(diǎn)，機(jī)器人需要更高的技術(shù)性能來適應(yīng)核環(huán)境。

2.1 輻射場(chǎng)強(qiáng)

放射性物質(zhì)泄露水平是衡量核事故等級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo)，因此高強(qiáng)度的輻射場(chǎng)是核事故區(qū)別于一般應(yīng)急事故最顯著的特征。IAEA在1990年頒布的國際核事件分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（INES）［18］中規(guī)定等效放射性超過1016Bq131I 的屬于7 級(jí)特大事故（切爾諾貝利核電廠事故、福島第一核電廠事故），切爾諾貝利事故廠區(qū)部分地方輻射讀數(shù)達(dá)到100 Gy/h［19］，而人的半致死劑量為 5 Sv。高精密機(jī)器、機(jī)械對(duì)輻射更為敏感，輻射會(huì)激發(fā)半導(dǎo)體器件內(nèi)部的原子，使之產(chǎn)生空穴，嚴(yán)重干擾半導(dǎo)體器件工作，直至癱瘓。在核事故中也發(fā)生過多次機(jī)器人因輻射失效的案例，例如切爾諾貝利事故中，STR-1在執(zhí)行清理放射性廢物任務(wù)時(shí)，僅7分鐘就失去了行動(dòng)能力，福島核事故處理中，Shape Shifiting-2 在探查1 號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆底座時(shí)，由于輻照劑量率過高（4.1 Gy/h）無法返回；TOKYO（AP）在探查2號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆底座時(shí)，由于高劑量率輻射（約80 Gy/h）導(dǎo)致攝像機(jī)無法正常工作而返回；Scorpion在探測(cè)2號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆底座內(nèi)部時(shí)，由于高劑量率輻射（70 Gy/h）導(dǎo)致履帶無法移動(dòng)［20］。核事故場(chǎng)景下的輻射種類有很多，由于α、β可以被機(jī)器外殼輕易阻攔，對(duì)機(jī)器人設(shè)備起主要影響作用的是中子和γ射線。高輻射場(chǎng)強(qiáng)要求機(jī)器人具有較好的輻射防護(hù)能力，這也是核事故機(jī)器人區(qū)別與一般機(jī)器人最顯著的特征。以往對(duì)于電離輻射防護(hù)，加屏蔽層是其首選方法，但對(duì)于核事故機(jī)器人來講，厚重的鉛層會(huì)極大地增加機(jī)器人重量，限制其運(yùn)動(dòng)能力和穩(wěn)定性，必須在材料的屏蔽效果和密度之間合適選擇，目前其技術(shù)難點(diǎn)在于新型防輻射材料的研究。

2.2 高溫高濕

國際原子能組織（IAEA）核動(dòng)力反應(yīng)堆數(shù)據(jù)庫2020年的數(shù)據(jù)顯示［21］，世界目前現(xiàn)有的440個(gè)反應(yīng)堆機(jī)組中，有67.5%為壓水堆，在中國這一比例高達(dá)93.9%，此外全球在建核電機(jī)組中，壓水堆的比例達(dá)81.5%。壓水堆嚴(yán)重事故也是環(huán)境最為復(fù)雜的核事故。反應(yīng)堆事故一般是由于一回路的冷卻劑補(bǔ)充能力不足或冷卻劑的意外喪失，使堆芯失去冷卻，進(jìn)一步導(dǎo)致燃料棒熔毀。反應(yīng)堆正常工作時(shí)，燃料棒溫度約600°左右，發(fā)生熔毀事故時(shí)其溫度可達(dá)到2000 °以上［22］，除此之外，壓水堆嚴(yán)重事故往往伴隨著蒸汽爆炸和鋯水反應(yīng)生成的氫氣爆炸，使得發(fā)電廠廠房?jī)?nèi)充斥著大量的水蒸氣。對(duì)于一般機(jī)器人和電氣設(shè)備來說，大量的水蒸氣是致命的威脅。即使堆芯熔毀得到了控制，仍會(huì)有大量的余熱不斷釋放，于是在事故處理階段，高溫和積水也極大限制了人員和機(jī)器人的工作范圍。針對(duì)這一特點(diǎn)，在福島事故發(fā)生后，人們研究應(yīng)用了Underwater ROV、Survey Runner、Gengo、Trydiver 等多款適用于水環(huán)境的核事故機(jī)器人。此外機(jī)器人應(yīng)有較好的熱防護(hù)技術(shù)，以支持其深入堆芯處的探測(cè)和工作能力。

2.3 空間狹窄復(fù)雜

核事故的發(fā)生往往是多種因素綜合作用的結(jié)果，例如福島核電廠事故是由地震、海嘯引起，各種人為因素導(dǎo)致進(jìn)一步惡化的。此外核事故也會(huì)帶來火災(zāi)爆炸等次生災(zāi)害，多種危害因素的疊加導(dǎo)致核事故場(chǎng)景極其復(fù)雜惡劣。核反應(yīng)堆核島內(nèi)的典型設(shè)備與系統(tǒng)有：反應(yīng)堆堆芯、壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、主循環(huán)泵、抑壓池、乏燃料水池、通風(fēng)系統(tǒng)、安注系統(tǒng)、余熱冷卻系統(tǒng)等。核反應(yīng)堆廠房是一個(gè)高約60 m的龐大建筑，其內(nèi)部管道錯(cuò)綜復(fù)雜，各房間結(jié)構(gòu)依據(jù)其功能差異較大，可以說是目前最為復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)。在火災(zāi)爆炸、積水蔓延破壞的情況下，核反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的復(fù)雜情況難以想象。例如在福島核電廠近40年的長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，人們?cè)谠袡C(jī)組設(shè)備上增加了許多新的控制系統(tǒng)，致使其內(nèi)部通道更加蜿蜒曲折，空間支離破碎。到事故發(fā)生時(shí)，進(jìn)一步增大了內(nèi)部空間地形的復(fù)雜程度。福島核事故后核事故機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力有了較大的拓展，能夠較好地適應(yīng)樓梯、管道、鋼材外壁等情況。未來的核事故及常規(guī)檢查中，應(yīng)有適用于更多特定場(chǎng)景的機(jī)器人，例如微型機(jī)器人、移動(dòng)更加靈活的球形機(jī)器人等。

3 總結(jié)

本文綜述了三次核電廠事故中輻射偵察機(jī)器人的性能和作業(yè)詳情。核事故輻射偵察機(jī)器人的發(fā)展可以總結(jié)為三個(gè)階段：（1）三里島事故時(shí)期：此階段核事故機(jī)器人剛剛起步，以ROVER、LOUIEⅠ為代表的機(jī)器人只具有基本的輻射監(jiān)測(cè)、視頻傳輸?shù)裙δ?，并不具備較好的耐輻射能力。（2）切爾諾貝利事故時(shí)期：三里島事故后，人們針對(duì)機(jī)器人的輻射防護(hù)性能進(jìn)行了研究，以Pioneer 為代表的機(jī)器人在耐輻照和核環(huán)境探測(cè)方面的能力有了較大改進(jìn)。（3）福島核事故時(shí)期：此階段發(fā)展較為迅速，涌現(xiàn)了大量的核事故機(jī)器人，福島核電廠現(xiàn)役機(jī)器的功能更加齊全，呈現(xiàn)小型化、智能化、協(xié)同作業(yè)的特點(diǎn)。其中典型機(jī)器人有：Small Investigation Device、Shape-changing Robot、Quadruped。