核退役作業(yè)機器人的應用

吳傲立，岳仁亮

(1.江蘇中科睿賽污染控制工程有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.中國科學院過程工程研究所 多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100190)

0 引言

核設施退役概念提出始于20世紀60年代，退役則發(fā)生在20世紀80年代以后，可分為3階段：20世紀80—90年代小型研究堆、原型堆類型的核設施，20世紀40—60年代開始使用的軍用核設施及部分民用放射性污染設施(工廠)開始退役；20世紀90年代至20世紀末，美國希平港堆、日本動力示范堆、德國Nideraichbach等核電站示范性或后處理廠開始退役；21世紀以來，多數(shù)大型核設施開始退役，如美國PPPL的TFTR的退役，英國JET設施和場址的退役，日本JRR-2反應堆的退役等[1]。

核設施退役是世界性的問題?！?018世界核能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀報告》提出“核設施的退役所花費的時間通常比預期要長，在大多數(shù)情況下甚至超過了建造和運行時間之和”。目前，已經(jīng)完成退役的反應堆中，最快的只用了6年，最慢的花了42年。預計到2030年，全球核電機組將關閉200多臺[2]。機器人可以代替人完成特種環(huán)境作業(yè)，提高核環(huán)境作業(yè)安全性，加快核退役進程。

本文對國內外核用機器人的研究應用現(xiàn)狀、共性功能需求、核心技術突破進行了介紹。

1 國內外研究應用現(xiàn)狀

機器人應用于核環(huán)境作業(yè)的技術發(fā)展迅速，采用機器人主要完成對退役核設施進行拆解切割和移除。據(jù)2017年專利情報研究數(shù)據(jù)顯示，日本、美國、法國、世界知識產(chǎn)權組織、英國在拆卸解體技術專利應用國(組織)中位于全球前5，中國排在第7位。在全球范圍內，東芝、通用、貝思資本、日立是核設施退役拆卸解體技術的主要競爭者[3]。

1.1 德國

德國已成功退役多座核設施。德國第一個商業(yè)核反應堆是250 MW的Gundremmingen A機組，運行期間為1966—1977年，1983年后使用水下切割技術進行退役。巴伐利亞州的下艾希巴赫(Niederaichbach)核電站100 MW氣冷重水堆1972—1974年運行，1987年開始退役，在1990—1993年使用遠程操控技術完成了活化部件的退役，1995年年末全部完成退役，場址實現(xiàn)無限制開發(fā)供農(nóng)業(yè)使用，Niederaichbach核電站退役工程是第一個實現(xiàn)“反應堆場址”變“綠地”的退役項目[4]，并將許多用于拆解核設施的新方法和創(chuàng)新技術應用于核設施退役和拆解項目中。自2010年以來，德國在利用機械手拆解高放儲罐和熱室設備的新方法及創(chuàng)新技術上進行了廣泛的原型試驗[5]。

1.2 法國

法國馬庫爾生產(chǎn)堆后處理廠(UP1)自1958年投產(chǎn)使用后運行近40年，1998年開始退役，是法國第一個退役的核設施，退役活動將持續(xù)30年。退役中開發(fā)了兩類遠程操作裝置用于對連續(xù)性溶解線設施(MAR200)的舊通風系統(tǒng)進行去污和拆除：第一類是小型專用機器人，配置刀架和吸嘴，用于取回通風管道內沉積的高放射性粉末；第二類是安裝在Brokk40運載裝置上執(zhí)行不同任務的機器人工具，包括ED1、EDA、EDD、EDG、EDM、EDR 6款機器人[5]。

據(jù)國外核新聞報道，2020年，法國歐安諾集團(Orano)計劃使用12 t機器人拆解馬爾庫爾(Marcoule)乏燃料池的金屬結構件。

1.3 日本

1999年9月，日本JCO公司的核燃料加工工廠濃縮鈾臨界事故對日本耐輻照核應急機器人發(fā)展起到了至關重要的影響。日本核安全技術中心(NUSTEC)、日本原子能研究院(JAEA)、制造與技術中心(MSTC)3家機構自2000年后共同研究耐輻照核事故應急機器人，重點要求耐輻照、可20°斜坡行走、可40°樓梯行走、支持通信遙控、滿足事故現(xiàn)場監(jiān)測等[6]。由MSTC聯(lián)合日立、三菱、東芝等5家公司開發(fā)的機器人中，SWAN和MENHTR機器人耐輻照達100 Gy/h，其余的ROBOT系列、RESQ系列、MASR系列、SMERT系列機器人耐輻照均在10 Gy/h及以下[6]。

2011年的日本東京電力公司(TEPCO)福島核事故后，至少有30多種應急機器人進入事故現(xiàn)場開展救援工作[6]，進入事故現(xiàn)場的機器人主要開展廠房航測、區(qū)域去污、廠內探查、泄露探查等，其中8個機器人在作業(yè)時因輻射損傷、障礙物阻擋等原因而發(fā)生故障[7]。2011年，iRobot公司提供的Packbot機器人是第一個進入福島核事故廠房內部的機器人，具有爬60°坡、越障和傾翻自調功能，在2011年4月17—18日首次進入反應堆廠房[6-7]。在福島核事故發(fā)生3個月后，由日本千葉工業(yè)大學研發(fā)的Quince-1機器人交付給東京電力公司使用，用于核電站內部環(huán)境的探測。Quince-1機器人針對強輻射環(huán)境進行了重新設計和大量測試，抗輻射能力超過了100 mGy[8]。Quince-1在2011年6月20日—10月20日之間完成了6次任務，任務分別持續(xù)95 min，193 min，105 min，80 min，90 min，138 min，前5次行走距離分別達到182 m，230 m，100 m，160 m，408 m，在第6次任務后因線纜纏繞被困而未能正常返回[8]。后又在Quince-1改裝設計了無線遠程遙控的Quince-2和Quince-3機器人[6]。福島事故中2012—2014年投入的FRIGO-MA，High-Access Survey，ASTACO-SORA，Raccoon，Arounder，SC-ROV耐輻照在10 Gy/h以下，2015年后投入使用的MEISTER，Scorpion，PMORPH耐輻照可達100 Gy/h[6]。

2017年7月，日本“小太陽魚”潛水機器人首次拍攝到福島事故反應堆內核燃料熔融物圖像，標志著日本耐強輻射堆內勘查機器人研制取得里程碑式進展，為反應堆退役與核事故處置提供了必要手段[9]。

1.4 美國

20世紀40年代，世界上最早用于核工業(yè)的遙控機械手在阿貢實驗室研制成功，這臺機械手可在放射性環(huán)境中工作，取名M1[10]。1979年3月，三哩島核事故使用的機器人只具有基本的輻射監(jiān)測、圖像傳輸?shù)裙δ?，并不具較高耐輻射性。三哩島核事故暴露了高輻射環(huán)境作業(yè)機器人的需求，因此，事故后開始研究高輻射環(huán)境作業(yè)機器人，Odetics公司研制出美國第一款應用于放射性環(huán)境的ODEX系列機器人[11]。

在1986年切爾諾貝利核電站核事故中投入的機器人均因耐輻射強度不夠或者環(huán)境限制而短時間喪失行動能力，受此影響，美國能源部和航空航天局對耐輻照核事故應急機器人開展了廣泛的研究[12]。Red Zone公司研制的Pioneer機器人在5～10 Gy/h的輻射強度下，抗輻射能力達10 kGy，在1998年進入切爾諾貝利核事故現(xiàn)場進行監(jiān)測作業(yè)，同時采用3D虛擬現(xiàn)實技術構建事故現(xiàn)場三維圖[13]。美國公用事業(yè)電力與煤氣公司于20世紀80年代中期開始實施PSE&G機器人計劃，并應用在Salem-1、Salem-2和Hope creek 3個核電站中。2010年，美國特殊應用技術公司(SAT)向蘇格蘭敦雷(Dounreay)核設施退役場址交付了第1臺動力遠程機械手(PRM)，用于熱室去污和核設施退役[5]。2012年，超鈾廢物處理中心(TWPC)與SAT合作，研發(fā)了一種具有7個自由度的液壓型強健動力遠程機械手，靈活度高、負載能力高，可用于核設施退役中高放廢物的分揀、包裝、切割處理等[5]。

1.5 英國

英國目前已有29座反應堆開始退役[2]。20世紀90年代，英國Magnox核電站使用了Nero和SADIE兩種遠距離爬行機器人，配真空抓爪，越障高度25 mm[8]。英國溫茨凱爾(WAGR)先進氣冷堆在2011年5月完成退役，是英國首次完成的核電機組退役，也是英國核電反應堆退役的國家示范項目。該反應堆在拆除WAGR轉移堆芯和壓力容器活化部件時，采用了遙控拆除裝置(可370°旋轉)、遙控操縱器(有效荷載100 kg)、懸掛式吊車(3 t)等遠程操作系統(tǒng)，操作員可在控制室進行遙控操作。

2017年，英國鎂諾克斯公司(Magnox)將遠程控制長距離的激光切割蛇臂機器人LaserSnake應用在英國溫弗里斯(Winfrith)冗余的Dragon反應堆強放射性堆芯，在管網(wǎng)密集、布局復雜、難以靠近的背景下，通過反應堆芯外圍3 m厚混凝土屏蔽中狹窄的孔道插入到堆芯，用不到3 h切割掉反應堆中直徑40 cm的吹掃氣預冷器容器(PGPC)。LaserSnake機器人曾在塞拉菲爾德(Sellafield)核燃料加工廠退役中使用。

英國曼徹斯特大學在應對核退役中在放射性廢物鑒定方面研發(fā)了多款機器人原型，也在降低操作時間、改善操作情景意識等方面做了研究并試驗驗證[5]。

1.6 中國

目前，國內核設施中使用的機械手、機器人等遠程操作裝置大多從國外進口[5]。相較于國外，國內核用機器人研究應用起步較晚，20世紀80年代末在“863計劃”支持下將移動式作業(yè)機器人和壁面爬行式檢查機器人作為開發(fā)目標，此后陸續(xù)開展相關研究。

1994年，在中國科學院沈陽自動化研究所和上海交通大學牽頭帶領下，“勇士號”遙控移動作業(yè)機器人研制成功[14]。此后，東南大學、西南科技大學、北京航空航天大學、中國廣核集團、中國輻射防護研究院等也陸續(xù)開展了相關研究[15]。西南科技大學研制的“叉車式機器人”和“機械臂式移動機器人”2009年6月進入河南省杞縣卡源事故現(xiàn)場，歷時7日成功完成了機器人降源處置工作[6,16]。東南大學自2004年7月起歷經(jīng)7年，突破10多項關鍵性技術，研制五代小型核化探測與應急處理遙操作機器人，在20 Gy/h的輻射強度下可連續(xù)工作3 h，可爬60°坡、40°樓梯，越障30 cm，填補了國內空白[17]。中廣核聯(lián)合國內優(yōu)勢科研院所，研制高輻射水下機器人、無損在役檢查設備、檢修機器人等，耐輻照100 Gy/h、總劑量10 kGy，可爬30°坡[7,10]。中科院光電所也先后研制了水下多功能作業(yè)機器人、核應急救災機器人等核用機器人[15]。中國輻射防護研究院開發(fā)一種至少能夠在100 Gy/h的強輻射場中正常工作的遙控機器人，可承受的累積劑量預期可達3 kGy[6]。

中科院成都光電技術研究所與中廣核聯(lián)合研制的國內首套核電應急機器人于2016年11月交付大亞灣核電站，可在最高100 Sv/h環(huán)境下工作并回傳200萬～500萬像素高清圖像，或者是在最高10 000 Sv/h環(huán)境中工作并回傳600線清晰度的圖像。

2 關鍵技術突破

通過對核環(huán)境作業(yè)機器人的研究應用現(xiàn)狀的分析、總結，認為核環(huán)境作業(yè)機器人的應用主要需突破如下關鍵技術：(1)抗輻射加固，提高高輻射環(huán)境的工作壽命；(2)人機智能化，實現(xiàn)臨場感的人機交互設計及通信可靠性控制；(3)特殊環(huán)境穩(wěn)定性，保障極端環(huán)境下各敏感部件仍能正常工作。

2.1 抗輻射加固

耐輻射性能是核環(huán)境作業(yè)機器人區(qū)別于常規(guī)機器人的最明顯特征，耐輻射能力的高低很大程度上直接決定了機器人的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)范圍和作業(yè)壽命。高輻射會對機器人造成損壞[18]，耐輻射能力的限制會導致既定作業(yè)任務無法完成，同時也會額外增加放射性廢物量。機器人在核環(huán)境作業(yè)中因輻射失效的很多：切爾諾貝利事故中投入的機器人因耐輻照強度不夠或被電纜卡住而在很短時間內就失去了行動能力[6]；福島核事故中TOKYO(AP)在2017年2月9日進入2號機組反應堆基座內部探測時因高輻射(約80 Gy/h)導致攝像機圖像質量下降而返回，Scorpion在2017年2月16日進入2號機組反應堆基座內部探測時因高輻射(約70 Gy/h)導致左側履帶不能移動[7]。

眾多文獻顯示，目前機器人耐輻射性能基本在102Gy/h、累積劑量104Gy量級[7]。目前，國內外研究人員主要在材料選擇、結構設計、抗輻射加固和控制算法等方面開展了大量研究。美國Mirion公司開發(fā)的IST系列攝像頭耐輻射能力可達106rad/h[10]。近10年文獻顯示，國內科研機構也對中子屏蔽新材料、耐輻照新型材料等方面進行了廣泛的研究，例如東北大學制備的環(huán)氧樹脂耐輻照93.5 kGy[19]，華東理工大學采用羥基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)改性環(huán)氧樹脂為基體制備的耐核輻照超疏水涂層在107rad(即100 kGy)輻照下仍具自清潔能力[18]。

2.2 人機智能化

人工智能作為新基建的七大領域之一，近年來已滲透到社會和產(chǎn)業(yè)的多個領域并發(fā)展迅速。智能化也是核工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。早在1998年美國Pioneer機器人就使用了3D虛擬現(xiàn)實技術[13]。目前大部分核環(huán)境作業(yè)機器人仍處于人工控制階段：一方面?zhèn)鹘y(tǒng)依照預設程序實現(xiàn)動作任務已經(jīng)無法滿足復雜多樣的需求；另一方面人工控制下無法保障作業(yè)精準性，且人及人工作業(yè)所帶來的不確定性無法嚴格控制。因此，核電站機器人在復雜環(huán)境下能夠感知環(huán)境和目標信息，進行智能避讓、自動搜索、快速決策、自主規(guī)劃等是一個重要的研究方向[10]。提升機器人智能化程度，融合“人-機-環(huán)”，在核環(huán)境作業(yè)中具有顯著的實用性和經(jīng)濟性。

2.3 特殊環(huán)境穩(wěn)定性

核反應堆廠房可以說是目前最為復雜的工程結構，并且核電廠在長期運轉過程中增加或者改造，進一步增大了內部空間地形的復雜程度[20]。除了高輻射環(huán)境中制約機器人應用的關鍵因素是耐輻射性能，常規(guī)的大部分作業(yè)面臨的都是中低放輻射環(huán)境，在此環(huán)境下制約機器人實際應用效果的關鍵因素是空間可達性和控制性能，機器人的重量、形態(tài)、行動性能、通信方式等會直接影響到作業(yè)空間的可達性[7]。2011年，日本福島核事故后，進入事故現(xiàn)場作業(yè)發(fā)生故障的Quince-1、Warrior、Shape Shifting-1就因空間障礙物阻擋而失效，因此Quince-2和Quince-3機器人總結了Quince-1 因線纜纏繞而被困的教訓，對通信系統(tǒng)進行了改進[7]。核環(huán)境作業(yè)機器人需要對極端未知環(huán)境、空間局限、障礙等特殊環(huán)境具有靈活適用性，以增加作業(yè)過程的穩(wěn)定。

3 總結

核設施退役是一項長期而復雜的項目，核退役作業(yè)機器人的應用過程中仍面臨許多問題和困難。隨著核電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，針對抗輻射加固、人機智能化、特殊環(huán)境穩(wěn)定性3個方面的技術開發(fā)是核退役作業(yè)機器人未來的發(fā)展趨勢；同時，核環(huán)境作業(yè)機器人的系列化、系統(tǒng)性、通用性發(fā)展也是必要的，核電機器人技術的應用必將迎來一個快速發(fā)展期。