核應(yīng)急處置機(jī)器人重要電氣部件γ和中子輻照前后性能對(duì)比

朱性利，李宜全，汪曼，管朝鵬，張志義

（核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430223）

0 引言

核動(dòng)力裝置、核電站和輻照中心運(yùn)行和維護(hù)期間，當(dāng)主控顯示異常情況時(shí)，需盡快確認(rèn)閥門(mén)、儀表等狀態(tài)；在發(fā)生承壓設(shè)備泄漏、主設(shè)備損壞、海嘯和地震等大型地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，需盡快獲取現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)泄漏、損壞情況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采取相應(yīng)的應(yīng)急處置、救援作業(yè)等。通常在核設(shè)施發(fā)生事故時(shí)，越早獲取現(xiàn)場(chǎng)第一手材料，事故處置、救援作業(yè)的應(yīng)對(duì)措施也越有效，也能盡最大限度減輕核事故所造成的危害，因此亟需研制核應(yīng)急處置機(jī)器人[1]。

核反應(yīng)堆運(yùn)行期間和事故后，通常存在高放射性的γ和中子輻射，核應(yīng)急處置機(jī)器人的抗γ和中子輻照性能對(duì)其研制至關(guān)重要[2]。為更好地評(píng)估核應(yīng)急處置機(jī)器人重要電氣部件在γ和中子輻照后的狀態(tài)變化，在核應(yīng)急處置機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中，針對(duì)其使用的重要電氣部件，如直流有刷電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、鋰電池、位置編碼器、驅(qū)動(dòng)器等在γ和中子輻照前后進(jìn)行了多項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試和對(duì)比。

1 核應(yīng)急處置機(jī)器人組成與結(jié)構(gòu)

核應(yīng)急處置機(jī)器人主要包括機(jī)器人本體、自動(dòng)收放線系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制箱等。機(jī)器人本體通過(guò)雙擺臂+主履帶移動(dòng)車(chē)體的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在核設(shè)施復(fù)雜環(huán)境內(nèi)的靈活移動(dòng)，車(chē)體上部搭載五軸機(jī)械臂，通過(guò)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡控制，以及安裝在機(jī)械臂前端的作業(yè)工具的張合、旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)核應(yīng)急場(chǎng)景下的異物抓取、開(kāi)關(guān)防火門(mén)和閥門(mén)；控制箱通過(guò)光纖連接機(jī)器人本體與遠(yuǎn)程操作箱，實(shí)現(xiàn)兩者在核設(shè)施屏蔽環(huán)境下的有線通信；遠(yuǎn)程操作箱用于機(jī)器人本體的遠(yuǎn)程移動(dòng)、機(jī)械臂作業(yè)的遠(yuǎn)程遙控，并通過(guò)車(chē)體上攜帶的云臺(tái)攝像頭、作業(yè)工具監(jiān)視攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人周邊環(huán)境及作業(yè)工具的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

核應(yīng)急處置機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 NEDRo系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

核應(yīng)急處置機(jī)器人主要參數(shù)如下：質(zhì)量為98.4 kg；耐γ輻照峰值劑量率為100 Gy/h，累計(jì)325 Gy；耐中子輻照，中子注量率為1.06×106n/（cm2·s），累計(jì)1.39×1010n/cm2中子注量；輻射探測(cè)范圍為0～10 Gy/h；越障性能，跨越150 mm高障礙物，攀爬31.7°斜坡。

核應(yīng)急處置機(jī)器人研制所使用的電氣部件包括電動(dòng)機(jī)、位置編碼器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、主控板、無(wú)線通信模塊、光端機(jī)、鋰電池、交換機(jī)等，其中除電動(dòng)機(jī)、位置編碼器、鋰電池未采用γ、中子屏蔽保護(hù)外，其它各電氣部件都采用專(zhuān)門(mén)的γ、中子屏蔽材料進(jìn)行集中屏蔽防護(hù)，以提升各部件的耐輻照性能。

2 重要電氣部件輻照試驗(yàn)描述

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

核應(yīng)急處置機(jī)器人電氣部件抗輻射加固驗(yàn)證試驗(yàn)工作主要在中科院上海應(yīng)用物理研究所、中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所進(jìn)行，通過(guò)目視、專(zhuān)用儀器、工器具等完成抗輻射加固各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

1）γ輻射驗(yàn)證輻射源。γ輻照試驗(yàn)采用中科院上海應(yīng)用物理研究所的γ輻射試驗(yàn)裝置，如圖2所示。

圖2 γ輻照試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要指標(biāo)如下：輻照源強(qiáng)度為15.8 萬(wàn)Ci；最小劑量率為72 Gy/h；最大劑量率為10 kGy/h。

2）強(qiáng)流聚變中子源裝置。中子輻照試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所的強(qiáng)流中子源與輻射技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 強(qiáng)流中子源實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要技術(shù)與性能指標(biāo)：?jiǎn)文苤凶訉?shí)驗(yàn)條件為2.5 MeV/14 MeV；寬能譜中子實(shí)驗(yàn)條件為熱中子～20 MeV；最高中子源強(qiáng)技術(shù)指標(biāo)為1012n/s。

3）測(cè)試用儀器和設(shè)備。測(cè)試過(guò)程中所使用的儀器和設(shè)備如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)測(cè)試用設(shè)備

4）被測(cè)對(duì)象。機(jī)器人重要電氣部件采用與機(jī)器人同樣型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器、主控板、無(wú)線模塊等組成的電氣部件性能測(cè)試模塊，用于對(duì)中子、γ輻照測(cè)試前后的電氣部件進(jìn)行性能指標(biāo)變化的測(cè)量、對(duì)比和功能驗(yàn)證，被測(cè)的電氣部件如圖4所示。

圖4 被測(cè)重要電氣部件

被測(cè)的電氣部件型號(hào)如下：驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為Whi-20/100；主控板型號(hào) 為 Cm2 -500；無(wú)線模塊型號(hào)為UT1900-S；光端機(jī)型號(hào)為COE-B-4523-41-1；鋰電池規(guī)格為24 V、15.6 A·h；交換機(jī)型號(hào)為AOK-IES100501；伺服電動(dòng)機(jī)；石墨電刷直流電動(dòng)機(jī)；位置編碼器。

2.2 試驗(yàn)環(huán)境選擇和條件

1）γ輻照試驗(yàn)方案。γ輻照試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)本次輻照驗(yàn)證試驗(yàn)劑量率要求，在輻照室內(nèi)預(yù)先測(cè)量好劑量率為100 Gy/h的多個(gè)位置，將機(jī)器人電氣部件放置在輻照室內(nèi)，電氣部件前端面應(yīng)放置在預(yù)設(shè)位置更靠近γ放射源處，以保證機(jī)器人重要電氣部件前端面γ劑量率不低于100 Gy/h。輻照測(cè)試期間，每隔特定時(shí)間進(jìn)行重要電氣部件的功能驗(yàn)證，以確認(rèn)該段輻照期間各項(xiàng)功能正常。γ輻射試驗(yàn)設(shè)備布局示意圖如圖5所示。

圖5 γ輻射試驗(yàn)設(shè)備布局示意圖

2）中子輻照試驗(yàn)方案。根據(jù)累計(jì)注量要求，擬將機(jī)器人電氣部件放置于試驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)應(yīng)輻照前端面的注量率水平為≥1×106n/（cm2·s），具體運(yùn)行參數(shù)以樣品的實(shí)際尺寸及布放位置進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到≥1×1010n/cm2的累計(jì)注量。在中子累計(jì)注量達(dá)到要求后，等待環(huán)境劑量下降至許可水平，將其從輻照?qǐng)鰞?nèi)取出，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行重要電氣部件功能驗(yàn)證和性能指標(biāo)測(cè)試，驗(yàn)證電氣部件的抗中子輻射水平。

中子輻照試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)設(shè)備布局如圖6所示。

圖6 中子輻射試驗(yàn)設(shè)備布局示意圖

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 基準(zhǔn)判定

在非輻射環(huán)境條件下對(duì)機(jī)器人重要電氣部件的各項(xiàng)功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證、測(cè)試，并在輻照前的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果記錄表中記錄測(cè)量結(jié)果，其測(cè)試數(shù)據(jù)作為抗輻射加固驗(yàn)證試驗(yàn)的數(shù)據(jù)基準(zhǔn)。

2.3.2 中子抗輻射加固驗(yàn)證試驗(yàn)方法

在中科院合肥核能安全技術(shù)研究所進(jìn)行中子輻照驗(yàn)證試驗(yàn)，采用強(qiáng)流中子源實(shí)驗(yàn)裝置作為輻射源，環(huán)境溫度為室溫，主要完成以下驗(yàn)證試驗(yàn)：

1）在機(jī)器人電氣部件前端面中子注量率為106n/（cm2·s）的輻射場(chǎng)內(nèi)，采用“原位在線”方式通過(guò)遠(yuǎn)程操作平臺(tái)確認(rèn)機(jī)器人電氣部件的各項(xiàng)功能是否正常。

2）累積輻射時(shí)間達(dá)到3 h，前端面中子注量達(dá)到1010n/cm2后，采用“原位在線”方式通過(guò)遠(yuǎn)程操作平臺(tái)確認(rèn)機(jī)器人電氣部件的各項(xiàng)功能是否正常。

3）將機(jī)器人電氣部件從輻射場(chǎng)內(nèi)退出，在預(yù)先布置的無(wú)輻射測(cè)試區(qū)域進(jìn)行電氣部件性能測(cè)試。

2.3.3 γ射線抗輻射加固驗(yàn)證試驗(yàn)方法

在中科院上海應(yīng)用物理研究所進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，采用60Co作為輻射源，環(huán)境溫度為室溫，主要完成以下驗(yàn)證試驗(yàn)：

1）在機(jī)器人電氣部件前端面環(huán)境劑量率為100 Gy/h的輻射場(chǎng)內(nèi)，采用“原位在線”方式通過(guò)遠(yuǎn)程操作平臺(tái)確認(rèn)電氣部件的各項(xiàng)功能是否正常。

2）累積輻射時(shí)間達(dá)到3 h，劑量達(dá)到300 Gy后，采用“原位在線”方式通過(guò)遠(yuǎn)程操作平臺(tái)確認(rèn)機(jī)器人電氣部件的各項(xiàng)功能是否正常。

3）將機(jī)器人電氣部件從輻射場(chǎng)內(nèi)退出，在預(yù)先布置的無(wú)輻射測(cè)試區(qū)域進(jìn)行機(jī)器人整體和電氣部件性能測(cè)試。

2.3.4 電動(dòng)機(jī)測(cè)試方法

電動(dòng)機(jī)測(cè)試通過(guò)采用專(zhuān)用儀器對(duì)輻照后的電動(dòng)機(jī)線圈電阻、電感、絕緣電阻、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證輻照后對(duì)電動(dòng)機(jī)性能影響。受測(cè)量條件和測(cè)量?jī)x器耐輻照指標(biāo)影響，電動(dòng)機(jī)測(cè)試在輻照后的非輻照區(qū)進(jìn)行。

1）線圈電阻和電感測(cè)試。測(cè)量伺服電動(dòng)機(jī)A-B、B-C、C-A的線電阻和線電感，并將測(cè)量值轉(zhuǎn)換為25 ℃的換算電阻值。直流有刷電動(dòng)機(jī)只需測(cè)試1個(gè)線圈的相電阻和相電感。

2）絕緣電阻測(cè)試。將電動(dòng)機(jī)的所有線圈終端短接到一起，在終端和地之間施加測(cè)試電壓，讀取60 s時(shí)刻的電阻值。注意所施加的測(cè)試電壓不應(yīng)超過(guò)線圈絕緣的額定電壓。

3）轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測(cè)試。電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器和負(fù)載配合可得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性曲線。將被測(cè)電動(dòng)機(jī)、傳感器、磁滯負(fù)載通過(guò)聯(lián)軸器連接，并固定在測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)控制磁滯負(fù)載輸入的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)測(cè)量被測(cè)電動(dòng)機(jī)、磁滯負(fù)載之間的傳感器參數(shù)，從而獲取被測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性[3]。

2.3.5 位置編碼器測(cè)試方法

位置編碼器測(cè)試通過(guò)采用專(zhuān)用儀器對(duì)輻照后的線圈電阻、電壓變比等進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證輻照后對(duì)位置編碼器性能的影響。受測(cè)量條件和測(cè)量?jī)x器耐輻照指標(biāo)影響，位置編碼器測(cè)試在輻照后的非輻照區(qū)進(jìn)行。通過(guò)多功能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量位置編碼器的電阻，從而獲取線圈電阻。

2.3.6 鋰電池測(cè)試方法

鋰電池測(cè)試通過(guò)采用專(zhuān)用儀器對(duì)輻照后的鋰電池容量進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證輻照后對(duì)鋰電池性能的影響。受測(cè)量條件和測(cè)量?jī)x器耐輻照指標(biāo)影響，鋰電池測(cè)試在輻照后的非輻照區(qū)進(jìn)行。

測(cè)量鋰電池容量時(shí)，通過(guò)對(duì)充滿(mǎn)電的鋰電池在測(cè)試儀內(nèi)置負(fù)載范圍內(nèi)持續(xù)放電，記錄起止時(shí)間，并通過(guò)積分計(jì)算獲得鋰電池容量[4]。

2.3.7 驅(qū)動(dòng)器測(cè)試方法

驅(qū)動(dòng)器的性能指標(biāo)變化可以通過(guò)所連接電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)量分析。分別測(cè)試輻照試驗(yàn)前后電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值，再結(jié)合電動(dòng)機(jī)輻照前后的線圈電阻和電感，可以分析驅(qū)動(dòng)器在輻照實(shí)驗(yàn)前后的輸出性能變化情況。

另外，通過(guò)采用原位在線的功能試驗(yàn)測(cè)試驅(qū)動(dòng)器的工作是否正常。將驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、主控板等連接好之后放置于輻射環(huán)境中，在電動(dòng)機(jī)軸上安裝涂有顏色標(biāo)志的圓盤(pán)，人員操作端通過(guò)線纜引出至非輻射環(huán)境。人員在遠(yuǎn)端操控電動(dòng)機(jī)按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，觀察電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)是否卡頓、是否停止等。

2.3.8 通信鏈路測(cè)試方法

通信鏈路分為有線模式和無(wú)線模式。兩種模式共同包含的元件包括交換機(jī)、主控板，無(wú)線模式還包括無(wú)線傳輸發(fā)射模塊，有線模式包括光端機(jī)。

有線通信鏈路測(cè)試采用原位在線測(cè)試。測(cè)試時(shí)，將驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、主控板、光端機(jī)等連接好之后放置于輻射環(huán)境中，在電動(dòng)機(jī)軸上安裝涂有顏色標(biāo)志的圓盤(pán)，人員操作端通過(guò)線纜引出至非輻射環(huán)境。人員在遠(yuǎn)端通過(guò)光端機(jī)操控電動(dòng)機(jī)啟?；蛘哒{(diào)速，觀察電動(dòng)機(jī)是否按發(fā)送的指令響應(yīng)，同時(shí)測(cè)試響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和成功率。

2.4 輻照測(cè)試結(jié)果

機(jī)器人電氣部件γ、中子輻照測(cè)試驗(yàn)證如圖7所示。記錄機(jī)器人電氣部件輻照前后的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖7 機(jī)器人電氣部件γ及中子輻照

1）石墨電刷直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 直流電動(dòng)機(jī)輻照前后性能對(duì)比

2）伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 伺服電動(dòng)機(jī)輻照前后性能對(duì)比

3）鋰電池。鋰電池的測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 鋰電池輻照前后性能對(duì)比

4）位置編碼器。位置編碼器的測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 位置編碼器輻照前后性能對(duì)比

5）驅(qū)動(dòng)器。直流電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表6所示。

表6 用直流電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器性能對(duì)比

6）通信鏈路。光端機(jī)、交換機(jī)、光纖等組成的有線通信鏈路經(jīng)過(guò)γ、中子屏蔽材料進(jìn)行加固后，通過(guò)在原位在線輻照檢驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)通信錯(cuò)誤或明顯可見(jiàn)通信延遲；輻照完成后，交換機(jī)、無(wú)線模塊等組成的無(wú)線通信鏈路未發(fā)現(xiàn)通信錯(cuò)誤或明顯可見(jiàn)通信延遲。

3 結(jié)論

1）未采取輻照加固的機(jī)械臂手抓監(jiān)視攝像頭在峰值劑量率為100 Gy/h的γ輻照條件下，工作約1.67 h后失去工作能力，累計(jì)劑量約167 Gy，且在多次重啟后無(wú)法恢復(fù)。

2）鋰電池在1.06×106n/（cm2·s）中子注量率，在累計(jì)1.39×1010n/cm2中子注量后，可正常工作，但電池容量發(fā)現(xiàn)約4.2%下降；鋰電池在峰值劑量率為100 Gy/h，累計(jì)劑量為325 Gy的伽瑪射線條件可正常工作，鋰電池容量未發(fā)現(xiàn)變化。

3）直流有刷電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和位置編碼器等電氣部件未采用γ、中子屏蔽材料進(jìn)行防護(hù)，在1.06×106n/（cm2·s）中子注量率，累計(jì)1.39×1010n/cm2中子注量后，可正常工作；在峰值劑量率為100 Gy/h，累計(jì)劑量為325 Gy的伽瑪射線條件可正常工作。

4）驅(qū)動(dòng)器、光端機(jī)、無(wú)線模塊、交換機(jī)等采用γ、中子屏蔽材料進(jìn)行加固后，在峰值劑量率為100 Gy/h，累計(jì)劑量為325 Gy的伽瑪射線條件正常工作，在1.06×106n/（cm2·s）中子注量率、累計(jì)1.39×1010n/cm2中子注量條件下功能正常。