核退役作业机器人的应用

吴傲立，岳仁亮

(1.江苏中科睿赛污染控制工程有限公司，江苏 盐城 224000；2.中国科学院过程工程研究所 多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190)

0 引言

核设施退役概念提出始于20世纪60年代，退役则发生在20世纪80年代以后，可分为3阶段：20世纪80—90年代小型研究堆、原型堆类型的核设施，20世纪40—60年代开始使用的军用核设施及部分民用放射性污染设施(工厂)开始退役；20世纪90年代至20世纪末，美国希平港堆、日本动力示范堆、德国Nideraichbach等核电站示范性或后处理厂开始退役；21世纪以来，多数大型核设施开始退役，如美国PPPL的TFTR的退役，英国JET设施和场址的退役，日本JRR-2反应堆的退役等[1]。

核设施退役是世界性的问题。《2018世界核能产业现状报告》提出“核设施的退役所花费的时间通常比预期要长，在大多数情况下甚至超过了建造和运行时间之和”。目前，已经完成退役的反应堆中，最快的只用了6年，最慢的花了42年。预计到2030年，全球核电机组将关闭200多台[2]。机器人可以代替人完成特种环境作业，提高核环境作业安全性，加快核退役进程。

本文对国内外核用机器人的研究应用现状、共性功能需求、核心技术突破进行了介绍。

1 国内外研究应用现状

机器人应用于核环境作业的技术发展迅速，采用机器人主要完成对退役核设施进行拆解切割和移除。据2017年专利情报研究数据显示，日本、美国、法国、世界知识产权组织、英国在拆卸解体技术专利应用国(组织)中位于全球前5，中国排在第7位。在全球范围内，东芝、通用、贝思资本、日立是核设施退役拆卸解体技术的主要竞争者[3]。

1.1 德国

德国已成功退役多座核设施。德国第一个商业核反应堆是250 MW的Gundremmingen A机组，运行期间为1966—1977年，1983年后使用水下切割技术进行退役。巴伐利亚州的下艾希巴赫(Niederaichbach)核电站100 MW气冷重水堆1972—1974年运行，1987年开始退役，在1990—1993年使用远程操控技术完成了活化部件的退役，1995年年末全部完成退役，场址实现无限制开发供农业使用，Niederaichbach核电站退役工程是第一个实现“反应堆场址”变“绿地”的退役项目[4]，并将许多用于拆解核设施的新方法和创新技术应用于核设施退役和拆解项目中。自2010年以来，德国在利用机械手拆解高放储罐和热室设备的新方法及创新技术上进行了广泛的原型试验[5]。

1.2 法国

法国马库尔生产堆后处理厂(UP1)自1958年投产使用后运行近40年，1998年开始退役，是法国第一个退役的核设施，退役活动将持续30年。退役中开发了两类远程操作装置用于对连续性溶解线设施(MAR200)的旧通风系统进行去污和拆除：第一类是小型专用机器人，配置刀架和吸嘴，用于取回通风管道内沉积的高放射性粉末；第二类是安装在Brokk40运载装置上执行不同任务的机器人工具，包括ED1、EDA、EDD、EDG、EDM、EDR 6款机器人[5]。

据国外核新闻报道，2020年，法国欧安诺集团(Orano)计划使用12 t机器人拆解马尔库尔(Marcoule)乏燃料池的金属结构件。

1.3 日本

1999年9月，日本JCO公司的核燃料加工工厂浓缩铀临界事故对日本耐辐照核应急机器人发展起到了至关重要的影响。日本核安全技术中心(NUSTEC)、日本原子能研究院(JAEA)、制造与技术中心(MSTC)3家机构自2000年后共同研究耐辐照核事故应急机器人，重点要求耐辐照、可20°斜坡行走、可40°楼梯行走、支持通信遥控、满足事故现场监测等[6]。由MSTC联合日立、三菱、东芝等5家公司开发的机器人中，SWAN和MENHTR机器人耐辐照达100 Gy/h，其余的ROBOT系列、RESQ系列、MASR系列、SMERT系列机器人耐辐照均在10 Gy/h及以下[6]。

2011年的日本东京电力公司(TEPCO)福岛核事故后，至少有30多种应急机器人进入事故现场开展救援工作[6]，进入事故现场的机器人主要开展厂房航测、区域去污、厂内探查、泄露探查等，其中8个机器人在作业时因辐射损伤、障碍物阻挡等原因而发生故障[7]。2011年，iRobot公司提供的Packbot机器人是第一个进入福岛核事故厂房内部的机器人，具有爬60°坡、越障和倾翻自调功能，在2011年4月17—18日首次进入反应堆厂房[6-7]。在福岛核事故发生3个月后，由日本千叶工业大学研发的Quince-1机器人交付给东京电力公司使用，用于核电站内部环境的探测。Quince-1机器人针对强辐射环境进行了重新设计和大量测试，抗辐射能力超过了100 mGy[8]。Quince-1在2011年6月20日—10月20日之间完成了6次任务，任务分别持续95 min，193 min，105 min，80 min，90 min，138 min，前5次行走距离分别达到182 m，230 m，100 m，160 m，408 m，在第6次任务后因线缆缠绕被困而未能正常返回[8]。后又在Quince-1改装设计了无线远程遥控的Quince-2和Quince-3机器人[6]。福岛事故中2012—2014年投入的FRIGO-MA，High-Access Survey，ASTACO-SORA，Raccoon，Arounder，SC-ROV耐辐照在10 Gy/h以下，2015年后投入使用的MEISTER，Scorpion，PMORPH耐辐照可达100 Gy/h[6]。

2017年7月，日本“小太阳鱼”潜水机器人首次拍摄到福岛事故反应堆内核燃料熔融物图像，标志着日本耐强辐射堆内勘查机器人研制取得里程碑式进展，为反应堆退役与核事故处置提供了必要手段[9]。

1.4 美国

20世纪40年代，世界上最早用于核工业的遥控机械手在阿贡实验室研制成功，这台机械手可在放射性环境中工作，取名M1[10]。1979年3月，三哩岛核事故使用的机器人只具有基本的辐射监测、图像传输等功能，并不具较高耐辐射性。三哩岛核事故暴露了高辐射环境作业机器人的需求，因此，事故后开始研究高辐射环境作业机器人，Odetics公司研制出美国第一款应用于放射性环境的ODEX系列机器人[11]。

在1986年切尔诺贝利核电站核事故中投入的机器人均因耐辐射强度不够或者环境限制而短时间丧失行动能力，受此影响，美国能源部和航空航天局对耐辐照核事故应急机器人开展了广泛的研究[12]。Red Zone公司研制的Pioneer机器人在5～10 Gy/h的辐射强度下，抗辐射能力达10 kGy，在1998年进入切尔诺贝利核事故现场进行监测作业，同时采用3D虚拟现实技术构建事故现场三维图[13]。美国公用事业电力与煤气公司于20世纪80年代中期开始实施PSE&G机器人计划，并应用在Salem-1、Salem-2和Hope creek 3个核电站中。2010年，美国特殊应用技术公司(SAT)向苏格兰敦雷(Dounreay)核设施退役场址交付了第1台动力远程机械手(PRM)，用于热室去污和核设施退役[5]。2012年，超铀废物处理中心(TWPC)与SAT合作，研发了一种具有7个自由度的液压型强健动力远程机械手，灵活度高、负载能力高，可用于核设施退役中高放废物的分拣、包装、切割处理等[5]。

1.5 英国

英国目前已有29座反应堆开始退役[2]。20世纪90年代，英国Magnox核电站使用了Nero和SADIE两种远距离爬行机器人，配真空抓爪，越障高度25 mm[8]。英国温茨凯尔(WAGR)先进气冷堆在2011年5月完成退役，是英国首次完成的核电机组退役，也是英国核电反应堆退役的国家示范项目。该反应堆在拆除WAGR转移堆芯和压力容器活化部件时，采用了遥控拆除装置(可370°旋转)、遥控操纵器(有效荷载100 kg)、悬挂式吊车(3 t)等远程操作系统，操作员可在控制室进行遥控操作。

2017年，英国镁诺克斯公司(Magnox)将远程控制长距离的激光切割蛇臂机器人LaserSnake应用在英国温弗里斯(Winfrith)冗余的Dragon反应堆强放射性堆芯，在管网密集、布局复杂、难以靠近的背景下，通过反应堆芯外围3 m厚混凝土屏蔽中狭窄的孔道插入到堆芯，用不到3 h切割掉反应堆中直径40 cm的吹扫气预冷器容器(PGPC)。LaserSnake机器人曾在塞拉菲尔德(Sellafield)核燃料加工厂退役中使用。

英国曼彻斯特大学在应对核退役中在放射性废物鉴定方面研发了多款机器人原型，也在降低操作时间、改善操作情景意识等方面做了研究并试验验证[5]。

1.6 中国

目前，国内核设施中使用的机械手、机器人等远程操作装置大多从国外进口[5]。相较于国外，国内核用机器人研究应用起步较晚，20世纪80年代末在“863计划”支持下将移动式作业机器人和壁面爬行式检查机器人作为开发目标，此后陆续开展相关研究。

1994年，在中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学牵头带领下，“勇士号”遥控移动作业机器人研制成功[14]。此后，东南大学、西南科技大学、北京航空航天大学、中国广核集团、中国辐射防护研究院等也陆续开展了相关研究[15]。西南科技大学研制的“叉车式机器人”和“机械臂式移动机器人”2009年6月进入河南省杞县卡源事故现场，历时7日成功完成了机器人降源处置工作[6,16]。东南大学自2004年7月起历经7年，突破10多项关键性技术，研制五代小型核化探测与应急处理遥操作机器人，在20 Gy/h的辐射强度下可连续工作3 h，可爬60°坡、40°楼梯，越障30 cm，填补了国内空白[17]。中广核联合国内优势科研院所，研制高辐射水下机器人、无损在役检查设备、检修机器人等，耐辐照100 Gy/h、总剂量10 kGy，可爬30°坡[7,10]。中科院光电所也先后研制了水下多功能作业机器人、核应急救灾机器人等核用机器人[15]。中国辐射防护研究院开发一种至少能够在100 Gy/h的强辐射场中正常工作的遥控机器人，可承受的累积剂量预期可达3 kGy[6]。

中科院成都光电技术研究所与中广核联合研制的国内首套核电应急机器人于2016年11月交付大亚湾核电站，可在最高100 Sv/h环境下工作并回传200万～500万像素高清图像，或者是在最高10 000 Sv/h环境中工作并回传600线清晰度的图像。

2 关键技术突破

通过对核环境作业机器人的研究应用现状的分析、总结，认为核环境作业机器人的应用主要需突破如下关键技术：(1)抗辐射加固，提高高辐射环境的工作寿命；(2)人机智能化，实现临场感的人机交互设计及通信可靠性控制；(3)特殊环境稳定性，保障极端环境下各敏感部件仍能正常工作。

2.1 抗辐射加固

耐辐射性能是核环境作业机器人区别于常规机器人的最明显特征，耐辐射能力的高低很大程度上直接决定了机器人的作业环境、作业范围和作业寿命。高辐射会对机器人造成损坏[18]，耐辐射能力的限制会导致既定作业任务无法完成，同时也会额外增加放射性废物量。机器人在核环境作业中因辐射失效的很多：切尔诺贝利事故中投入的机器人因耐辐照强度不够或被电缆卡住而在很短时间内就失去了行动能力[6]；福岛核事故中TOKYO(AP)在2017年2月9日进入2号机组反应堆基座内部探测时因高辐射(约80 Gy/h)导致摄像机图像质量下降而返回，Scorpion在2017年2月16日进入2号机组反应堆基座内部探测时因高辐射(约70 Gy/h)导致左侧履带不能移动[7]。

众多文献显示，目前机器人耐辐射性能基本在102Gy/h、累积剂量104Gy量级[7]。目前，国内外研究人员主要在材料选择、结构设计、抗辐射加固和控制算法等方面开展了大量研究。美国Mirion公司开发的IST系列摄像头耐辐射能力可达106rad/h[10]。近10年文献显示，国内科研机构也对中子屏蔽新材料、耐辐照新型材料等方面进行了广泛的研究，例如东北大学制备的环氧树脂耐辐照93.5 kGy[19]，华东理工大学采用羟基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)改性环氧树脂为基体制备的耐核辐照超疏水涂层在107rad(即100 kGy)辐照下仍具自清洁能力[18]。

2.2 人机智能化

人工智能作为新基建的七大领域之一，近年来已渗透到社会和产业的多个领域并发展迅速。智能化也是核工业发展的必然趋势。早在1998年美国Pioneer机器人就使用了3D虚拟现实技术[13]。目前大部分核环境作业机器人仍处于人工控制阶段：一方面传统依照预设程序实现动作任务已经无法满足复杂多样的需求；另一方面人工控制下无法保障作业精准性，且人及人工作业所带来的不确定性无法严格控制。因此，核电站机器人在复杂环境下能够感知环境和目标信息，进行智能避让、自动搜索、快速决策、自主规划等是一个重要的研究方向[10]。提升机器人智能化程度，融合“人-机-环”，在核环境作业中具有显著的实用性和经济性。

2.3 特殊环境稳定性

核反应堆厂房可以说是目前最为复杂的工程结构，并且核电厂在长期运转过程中增加或者改造，进一步增大了内部空间地形的复杂程度[20]。除了高辐射环境中制约机器人应用的关键因素是耐辐射性能，常规的大部分作业面临的都是中低放辐射环境，在此环境下制约机器人实际应用效果的关键因素是空间可达性和控制性能，机器人的重量、形态、行动性能、通信方式等会直接影响到作业空间的可达性[7]。2011年，日本福岛核事故后，进入事故现场作业发生故障的Quince-1、Warrior、Shape Shifting-1就因空间障碍物阻挡而失效，因此Quince-2和Quince-3机器人总结了Quince-1 因线缆缠绕而被困的教训，对通信系统进行了改进[7]。核环境作业机器人需要对极端未知环境、空间局限、障碍等特殊环境具有灵活适用性，以增加作业过程的稳定。

3 总结

核设施退役是一项长期而复杂的项目，核退役作业机器人的应用过程中仍面临许多问题和困难。随着核电产业的迅速发展，针对抗辐射加固、人机智能化、特殊环境稳定性3个方面的技术开发是核退役作业机器人未来的发展趋势；同时，核环境作业机器人的系列化、系统性、通用性发展也是必要的，核电机器人技术的应用必将迎来一个快速发展期。