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核電機器人:解放高輻射環境下的人類

未知 2019-07-16 10:53

  一場人工智能挑戰人類圍棋的世紀大戰,引發衆多關于機器人進入人類日常的猜想。然而,在核工業應用領域,受到特殊環境要求,需要更先進的機器人,進一步解放高輻射環境下的人類,卻是不争的事實。

  在核工業應用領域,由于設備本身或其運行環境具有放射性,人員操作存在安全風險或操作受限等情況,采用機器人進行設備檢修、放射性廢物處理、應急響應等工作,一方面可降低用于人工防護設備的成本及管理成本,另一方面也可降低工作人員受輻照劑量和勞動強度。随着核電站裝機容量的不斷擴大,出于核電産業較快發展和核安全的需要,核電機器人的需求與日俱增。

  解放高輻射環境下的人類

  最早開展研制核電機器人的可算是美國。上世紀40年代,美國阿貢實驗室研制出一台可操作放射性物質的機械手。到1977年,日本早稻田大學也開發出第一台可用于核電站巡檢的雙足機器人,可完成檢查和開關電站閥門、處理放射性污水等增強操作。

  随着美國三裡島、蘇聯切爾諾貝利核事故的相繼發生,美、法、德、日等國紛紛加大核電站機器人的開發力度,進一步提升核電站機器人在可執行的動作種類、行動的靈活性、電池的工作和傳送信号方面的性能。

  目前,核電機器人大緻可分為觀察型和作業型。第一類觀察型,指攜帶攝像頭、溫度和壓力傳感器以及輻射強度檢測儀等進入後傳回現場數據(在應急情況下尤其必要)。第二類作業型,工作内容包括切割、搬運放射物質、關閥門、噴水等。實際應用上,核電機器人主要包括關鍵核設施維護機器人、核事故處理與救援機器人和小型爬壁式監測機器人。

  關鍵核設施維護機器人主要是對關鍵核設施的維護、退役及放射性廢物處理。對關鍵設施進行維護,是核工業機器人最早的應用目标。核事故處理與救援機器人,即利用輪式、履帶式移動機器人,攜帶操作設備,進入事故現場,開展事故處理與救援相關工作,主要用于發生嚴重核電事故的情況。小型爬壁式監測機器人主要用于核電站安全性的全面監測,即利用小型、智能、爬壁式機器人,攜帶多種先進傳感器,對核電站内的核輻射強度、氫氣濃度、煙霧濃度、關鍵設備及管道的破損情況進行監測,以及時發現問題。

  核電機器人雖能在某種程度上解放高輻射環境下的人類,但是有一個很大的缺點,即并非萬能式通用,而隻适用于在特定環境下完成特定任務。由于可完成任務種類單一,這類機器人在嚴重事故發生時其作用有限,往往所需數量較多,而非一個。

  福島核事故中大顯身手

  在日本福島核事故中,如何深入核電站内部執行拍攝、清掃工作成為焦點。對此,核電救災機器人發揮了重要作用。核電機器人可替代人潛入核電站,将拍攝到的圖像傳出來,讓人們更切實地了解電站内部的真實狀況,尤其是在福島核電站危險區域的監測及瓦礫的清除工作中。

  美國、英國和日本均先後派遣機器人抵達核電廠實施救援工作。美國iRobot公司的PackBot機器人用于檢測現場輻射量,通過數百米長光纖傳回現場圖像和環境數據。英國QinetiQ公司的Talon機器人利用搭載的GPS全球定位系統繪制事故現場的放射線量分布圖。日本緊湊型雙臂重型清潔機器人ASTACO-SoRa用于移除核電站瓦礫。

  盡管如此,由于現有技術不夠成熟,核電站機器人所能發揮的功效仍有限。特别是,進入安全殼内部作業時,放射性物質裂變而釋放的高頻射線,很容易造成核電機器人的電子系統瞬間失靈。同時,強大的屏蔽性使信号無法穿透,這正是所有核電機器人普遍面臨的問題。福島事故五年過去了,由于現場殘留的輻射太強,人們仍無法進入核電站内部取出那些已經熔毀的重達數百噸的燃料棒。五個被送入反應爐執行清理任務的機器人,無一返回。

  目前,東京電力公司已經完成大約10%的清理工作,整個事故現場的完全清理估計需要長達30至40年的時間,而每一個清潔機器人都需要兩年的定制時間。但是,機器人仍是清理廢料的唯一希望,超過100種機器人正在福島事故現場努力工作着。

  中國核電機器人正起步

  起步晚,我國多家核電運營公司大多采購國外的機器人設備。不過,随着我國具備完全自主知識産權的三代核電技術華龍一号的落地,推動更多與核電相關的自主研發技術不斷産生。

  2012年12月,中國科學院光電技術研究所自行研制的多功能水下智能檢查機器人通過專家組鑒定,填補了中國國内核電智能機器人的空白,且已先後為秦山核電、中廣核、中國核動力設計研究院等多家單位提供支持。

  2012年底,我國973計劃項目核電站緊急救災機器人的基礎科學問題正式啟動,旨在解決國家核電站事故防範和救援的迫切需求、順應核電站緊急救災機器人的技術發展趨勢。

  2015年6月,國家863計劃核反應堆專用機器人技術與應用課題在廣西防城港核電基地通過驗收,研發了6款核電智能機器人。其中,兩款機器人在核電工程上得到成功應用。2015年8月,反應堆壓力容器整體式螺栓拉伸機完成防城港核電2号機組壓力容器開關蓋;9月6日,反應堆換料機器人順利完成廣西防城港核電1号機組157根核燃料組件的裝載。這大幅度降低新建核電站換料機器人和螺栓拉伸機的采購成本,其中多項專利技術成果打破了國外技術壟斷。

  在此基礎上,國内核電企業、院校、科研院所、裝備制造企業等31家成員單位共同發起并組建了核電智能裝備與機器人技術創新聯盟,以提升核電機器人産業技術創新能力。

  位于廣東省深圳市大亞灣核電基地的國家能源核電站核級設備研發中心實驗基地,是國内第一個完備的核電技術研發、實驗基地,其中核電站機器人是重要的研發方向之一。每天都有不同種類的機器人在基地實驗室的試驗平台上進行實戰演練與培訓。

  随着我國核電産業步伐的加快,國内對于核電機器人的需求将逐漸打開。但是,核電機器人的技術壁壘和研發周期遠高于普通工業領域的機器人,加上核心技術仍掌握在國外大公司手上,目前國内機器人的研發力量主要集中在高校,尚無成功的市場運作,推進仍需時日。未來發展方向是追趕國際先進技術,達到國際先進水平,同時研發出更适應我國自主技術的核電站智能機器人。

  小而智:未來核電機器人的基因圖譜

  目前,世界核電機器人的研制已取得了較大的進步,在實際應用具有巨大的作用。未來世界核電機器人的發展趨勢将着力解決小型智能核機器人系統創新設計、無損檢測與故障診斷技術、多傳感器信息融合與智能預警策略、核輻射防護技術、惡劣環境下的高穩定遙操作技術等關鍵技術難題。從成本低、運動靈活、操作方便等角度考慮,将繼續向小型化、智能化、實用化方向發展。

  未來機器人要有良好的抗輻射能力;要能夠到達多個位置,需要在容器罐、管道以及地面上自由行走,有靈活的機動能力;可攜帶相應的敏感器,對核電站内部環境、相關設施等進行探測,即具有充分的智能感知能力;還既要具有自主運行的能力,也要支持遙操作,使得操作員可随時幹預、控制機器人的運動,并能臨機處理突發事件。

  然而,核電機器人的研發還需要攻克許多技術難點,核電機器人的應用也将面臨更多的挑戰。

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