核电站救灾机器人特征性能及试验方法研究

董亚超　刘青松　钱建华

(中科华核电技术研究院有限公司，广东深圳，518124)

核电站救灾机器人特征性能及试验方法研究

董亚超刘青松钱建华

(中科华核电技术研究院有限公司，广东深圳，518124)

本文介绍核电站典型事故环境条件,分析核电站救灾机器人的特征,提出核电站救灾机器人的性能试验方法，对促进我国核电站救灾机器人开发、提高核事故处理水平具有积极的意义。

机器人，核电站

1　引言

由于核辐射的存在，核电站事故发生后，防止核辐射扩散，降低核辐射对自然和公众的危害，是核电站事故救援的一个重要任务。2011年3月，日本福岛核事故发生后，由于高辐射等原因，人员未及时到达现场，延误了事故的救援，在后续事故处理中，自动化救援装备的应用，特别是可遥控操作或自主作业的机器人在事故处理中发挥的作用，使人们认识到救灾机器人在核电站事故中延缓核事故发展、控制核辐射扩散等方面的重要性。福岛核事故后，各国掀起了核电站救灾机器人研发的热潮。

由于作业环境特殊，核电站救灾机器人具有区别于其他行业机器人的显著特征，且如何验证机器人性能的可靠性，保证其在核电站事故环境中的适应性，成为一个必须解决的问题。

2　核电站典型事故环境分析

核电站事故包括设计基准事故状态和严重事故状态两类。设计基准事故状态是指核电站按确定的设计准则采取了针对性措施的事故工况。严重事故状态是指严重性超过设计基准事故的核电站事故工况，包括造成堆芯严重损坏的状态。设计基准事故不会导致大量放射性物质的外泄，严重事故可导致大量放射性核素向安全壳外释放。严重事故过程一般可分为三个阶段：堆芯熔化解体、压力容器失效、安全壳失效。

以我国主要核电站机组类型——二代加百万千瓦核电机组为例，在严重事故状态下，反应堆第一道屏障（燃料包壳）和第二道屏障（反应堆一回路压力边界）可能出现破坏，反应堆一回路冷却剂可能大量外泄至安全壳，在几十秒钟内，安全壳内峰值压力可达到约0.5MPa，温度可以达到约186℃。随后在正常启动喷淋系统等应急设施的情况下，安全壳内温度和压力逐渐下降，最终温度稳定在65℃左右。

由此可见，当核电站发生严重事故，反应堆一回路冷却剂发生泄漏时，其典型事故环境可以分为核电站安全壳内部和安全壳外部环境两方面。

在安全壳内部，事故环境主要具有以下特点：

1）多积水、多蒸汽、强辐射、能见度低；

2）空间狭小、布置复杂；

3）楼梯较陡、隔间门厚重；

4）部分事故区域存在混凝土或设备碎段，障碍物较多。

上述特点造成救灾机器人较难达到指定区域，为事故救援带来困难。以上述日本福岛核事故为例，当地震和海啸袭击福岛核电站后，核电站厂外电源及应急电源全部丧失，应急设施失效，造成反应堆一回路冷却剂大量外泄，反应堆厂房内弥漫大量高温放射性蒸汽，地面淤积放射性污水，反应堆厂房内障碍物较多，为事故处理和救援带来困难。

在安全壳外部，事故环境具有以下特点：

1）放射性物质外泄，造成周边大气、土地、水体带有放射性；

2）短时间内，高温放射性气体弥漫在核电站周围；

3）若该事故由地震等自然灾害或核电站爆炸引起，核电站厂区外部将存在较多障碍物。

以福岛核电站事故为例，核事故发生后，由于氢爆等原因，造成安全壳破损，核电站厂房外，弥漫了大量放射性气体，并有较多混凝土碎段，阻碍了事故的及时处理。

3　核电站救灾机器人特征分析

根据核电站核事故环境特点、核电站救灾机器人应用经验反馈和国内外发展现状，为满足核电站事故处理要求，核电站救灾机器人及其关键系统应具备如下特征[1]。

1）耐辐射能力高

核电站事故发生后，核心区及周边区域往往为高辐射环境，带电粒子和高能射线会引起救灾机器人内部半导体器件、集成电路、电气元件、光学元件的电离损伤或失效，从而导致救灾机器人系统性能退化或破坏。因此，核电站救灾机器人在关键部件选择、辐射加固、辐射屏蔽方面需进行特殊处理，提高整机耐辐射能力，满足作业任务的要求[2]。

2）适应高温湿热环境

救灾机器人虽然主要应用在核电站事故再循环及后期事故处理阶段，但反应堆厂房内温度仍有可能高达60℃，蒸汽弥漫，能见度低，会降低机器人视觉系统识别能力，对动力供给系统中绝缘、传动机构的连接、密封和润滑等造成危害。因此，核电站救灾机器人的密封结构和材料、视觉照明和处理系统等应进行特殊设计，适应高温、湿热环境。

3）运动感知系统适应非结构环境

核电站安全壳内地理环境复杂，具有通道狭窄、陡峭坡壁、管网交错等特征。事故后非结构化程度加剧，环境更为复杂，要求救灾机器人必须具备适应复杂地理环境的灵活移动和动态平衡能力，以适应非结构化环境作业任务。所以，机器人一般采用履带式或足式运动系统，以提高机器人越障能力，机器人本体安装多种环境感知传感器，使机器人具备一定自主能力，适应非结构化环境。

4）多任务协调执行

核电站救灾机器人作业包括通道清障、抓取搬运、水下切割、水下焊接、拆卸螺栓、打孔泄压、堵漏、开关阀门、水下异物捡拾等，作业任务多样、负荷随机多变、操作对象各异。故核电站救灾机器人执行机构应采用模块化设计，控制系统具备较高的兼容性，以便于实现多任务作业协调和切换。

5）有线和无线通信相结合

由于核电站安全壳等钢筋混凝土结构对无线信号的屏蔽作用，在安全壳内工作的机器人很难通过无线信号控制，根据福岛核事故中Quince机器人的使用经验，单纯使用有缆控制，一旦出现控制电缆损坏或电缆缠绕，容易造成机器人故障。所以，新开发的安全壳内救灾机器人，大多采用有线和无线相结合的通信方式，将无线传输方式作为备用或延长通信距离的手段，这种工作方式不仅增大了操作人员与辐射源的距离，而且提高了机器人信号传输的可靠性[3]。

4　核电站救灾机器人试验方法

由于核电站救灾环境复杂和动态多变，核事故中产生的各种带电粒子和高能射线会造成机械构造和电子器件的损伤失效，高温、高湿、腐蚀环境易引起机械运动部件断裂、韧性下降、密封和润滑失效，因此，建立虚拟、半物理和物理模拟环境，验证机器人在核事故环境下的适应性，是保证核电站救灾机器人成功应用的重要手段。

根据核电站救灾机器人作业环境和本身特征，其性能试验方法包括基于虚拟现实技术的三维仿真和典型环境模拟试验两种。

基于虚拟现实技术的三维仿真，首先需建立核电站三维环境模型和机器人运动仿真模型，然后利用虚拟现实技术，实现机器人与三维作业环境的交互，模拟机器人作业过程，验证机器人狭小作业空间适应能力以及控制系统性能。

典型环境模拟试验是指局部模拟机器人作业环境，完成救灾机器人关键部件、整机性能试验，包括辐射环境试验、水下环境试验、湿热老化试验等。

1) 辐射环境试验

辐射环境试验可以验证核电站救灾机器人视觉系统、传感器件、控制电路以及信号传输系统在强辐射环境中的性能和可靠性。其试验方法是：将机器人置于一定辐射强度的均匀场中，使关键系统或整机处于工作状态，测试机器人辐射瞬时剂量和累积剂量两方面的耐辐照指标。

2) 事故后水下环境试验

事故后水下环境试验可以验证机器人动力系统、密封系统和视觉系统的性能、整机环境适应性以及性能随工作时间变化的情况，确定机器人寿命。其试验方法是：建立模拟核电站事故后水池高温、硼酸、多悬浮物以及恶劣光照条件的试验台架，将机器人置于试验台架中，进行试验验证。

3） 湿热老化试验

湿热老化试验主要模拟安全壳内部高温蒸汽弥漫的环境，验证机器人视觉系统、密封等关键系统在高温、湿热环境中的适应能力以及性能随时间变化的情况，以确定机器人是否适合在事故后的核电站安全壳内工作。其试验方法是：将机器人置于按照严重事故条件建立的湿热老化箱中，使机器人处于工作状态，验证关键系统和整机抗湿热老化能力。湿热老化试验可采用加速试验的方法，以缩短试验时间。

5　结论

利用机器人代替工作人员在高放射区域完成指定任务，不仅可以提高核电站事故处理效率，遏制事故进一步发展，降低事故造成的经济损失和社会、环境影响，而且能降低工作人员的受照剂量。基于这两方面的优越性，核电站救灾机器人研发一直受到各国的重视，特别是2011年福岛核事故，使人们更加充分认识到机器人在核电站事故处理中的重要性和优越性。

研究核电站救灾机器人的特征和性能试验方法，可以为实现我国核电站救灾机器人解决方案打下基础，对增强公众核电接受程度，提高我国核事故处理水平有积极的意义。

[1] 杨秀清,骆敏舟,梅涛.核环境下的机器人研究现状与发展趋势[J].机器人技术与应用，2008(01)：31-39.

[2] 刘青松,张一心,向文元,等.核电站机器人技术应用现状及发展趋势[J].机器人技术与应用，2011(03)：12-16.

[3] Taylor Moore. Robots for nuclear power plants[R]. USA∶IAEA BULLETIN，1985∶31-38.