李 力 王 冬 房映彤 劉權(quán)衛(wèi)

（中國核電工程有限公司）

乏燃料后處理是從核燃料中提取鈾、钚及其他重要裂變?cè)氐奶厥饣み^程，是核燃料閉式循環(huán)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 乏燃料后處理過程通常采用普雷克斯（PUREX）工藝流程，利用不同價(jià)態(tài)鈾、钚在磷酸三丁酯（TBP）中分配系數(shù)的差異，將鈾和钚進(jìn)行分離和純化回收，最終實(shí)現(xiàn)乏燃料的再處理。 為保證乏燃料后處理廠穩(wěn)定可靠運(yùn)行、核材料衡算并獲得合格產(chǎn)品，需要對(duì)乏燃料后處理樣品進(jìn)行及時(shí)而準(zhǔn)確的分析。 乏燃料后處理廠的分析樣品具有量大（以英國塞拉菲爾德后處理廠為例，該廠年分析樣品總量約21萬個(gè)）、化學(xué)成分復(fù)雜（含有多種裂片元素和超鈾元素）、放射性活度濃度高、分析環(huán)境苛刻的特點(diǎn)，給樣品分析造成極大的難度。 分析操作往往十分精細(xì)且復(fù)雜，還需要在具有厚生物屏蔽的熱室或手套箱中進(jìn)行操作。 而人工手動(dòng)分析面臨著操作困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)長(zhǎng)、分析誤差大及重復(fù)性差等問題， 長(zhǎng)時(shí)間人工操作又導(dǎo)致受輻照劑量大幅增加，為了保證分析人員的安全、及時(shí)完成分析任務(wù)，后處理廠的分析實(shí)驗(yàn)室又不得不投入大量的人力，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性差。

自1962年第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人問世以來，機(jī)器人技術(shù)得到飛速發(fā)展， 被成功應(yīng)用于機(jī)械加工、貨運(yùn)、服務(wù)及實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化分析等領(lǐng)域。 自動(dòng)化分析技術(shù)在減少人員工作量、 減少人為錯(cuò)誤、提高工作質(zhì)量、提高分析效率和經(jīng)濟(jì)性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是后處理分析技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向，核能發(fā)達(dá)國家也都在積極發(fā)展后處理自動(dòng)化分析技術(shù)。 機(jī)器人技術(shù)為實(shí)現(xiàn)后處理分析技術(shù)的自動(dòng)化、 智能化提供關(guān)鍵的技術(shù)保障和手段，筆者通過一些實(shí)例介紹了機(jī)器人技術(shù)在國內(nèi)外后處理自動(dòng)化分析中的應(yīng)用，分析了當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)在后處理分析領(lǐng)域應(yīng)用需要解決的問題，最后展望了在我國后處理分析領(lǐng)域機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用前景。

1 在乏燃料后處理自動(dòng)化分析中的應(yīng)用

1.1 在同位素稀釋質(zhì)譜法測(cè)定進(jìn)樣料液鈾、钚含量中的應(yīng)用

同位素稀釋質(zhì)譜法是國際公認(rèn)測(cè)量鈾、钚濃度的絕對(duì)分析方法， 操作過程復(fù)雜， 包括熱室中樣品的精確取液、精確稱量、調(diào)價(jià)、同位素稀釋及分離純化等復(fù)雜的預(yù)處理過程和手套箱中樣品的溶解、涂樣、質(zhì)譜測(cè)量過程。 為實(shí)現(xiàn)同位素稀釋質(zhì)譜法的自動(dòng)化， 法國馬庫爾廠實(shí)驗(yàn)室和日本科研人員［1］先后開展了自動(dòng)預(yù)處理裝置和涂樣機(jī)器人的開發(fā)工作。 法國研制的涂樣機(jī)器人將自動(dòng)預(yù)處理分離后的約1μg鈾、 钚待測(cè)溶液，涂敷于50μg厚的錸帶上，然后放在離子源中蒸發(fā)電離。 采用此涂樣機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)涂樣，一小時(shí)可制備6個(gè)樣品，大幅提高了工作效率。 日本科研人員研制的同位素稀釋法自動(dòng)分析系統(tǒng)，包含采用機(jī)器人技術(shù)的3個(gè)子系統(tǒng)，用于樣品的預(yù)處理和制備。 其中子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2中分別設(shè)置兩套和一套直角坐標(biāo)型機(jī)器人，用于物品的轉(zhuǎn)移操作；子系統(tǒng)3中設(shè)置兩套直角坐標(biāo)型機(jī)器人 （一套三軸式和一套二軸式），其中二軸式機(jī)器人手部加裝移液管，用于樣品溶液的涂樣操作， 為保證涂樣的精確性和重復(fù)性， 利用圖像處理技術(shù)對(duì)機(jī)械手的移動(dòng)加以控制。 這套系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制， 可實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)視下的自動(dòng)運(yùn)行。

卡爾斯魯厄研究中心Koch L等建立了一種用同位素稀釋質(zhì)譜法分析進(jìn)樣料液中鈾和钚的自動(dòng)分析實(shí)驗(yàn)室［2］。 該實(shí)驗(yàn)室采用Zymate機(jī)器人組成的自動(dòng)前處理系統(tǒng)， 進(jìn)行樣品的自動(dòng)分裝、混合同位素及鈾钚分離等預(yù)處理操作， 采用α譜儀和質(zhì)譜儀進(jìn)行樣品中鈾、 钚同位素組分的測(cè)定。 分析機(jī)器人布置在手套箱中，手套箱內(nèi)部由3個(gè)隔開的工作區(qū)域組成， 分別是樣品引入?yún)^(qū)、主操作區(qū)和樣品蒸發(fā)區(qū)。 在機(jī)器人的四周除了布置有開蓋器、天平、混勻儀、液體分配儀、加熱板及廢物暫存工位等裝置之外，還布置有兩只可互換的夾具，一只用于打開并處理可能受污染的樣品瓶，另一只用于后續(xù)預(yù)處理分析工作。 機(jī)器人技術(shù)的使用增加了分析的重現(xiàn)性和效率，使得該分析實(shí)驗(yàn)室在夜間無人看管的情況下也可以自動(dòng)操作，大幅降低了分析人員所受的輻射劑量和工作負(fù)擔(dān)。

1.2 在工藝樣品化學(xué)分離中的應(yīng)用

國際原子能機(jī)構(gòu)核保障分析實(shí)驗(yàn)室（SAL）Zahradnik P和Swietly H研制了一套由Zymark機(jī)器人、分離裝置和三正辛基氧化膦（TOPO）萃取色譜柱（CEC）組成的自動(dòng)預(yù)處理系統(tǒng)［3］，用于自動(dòng)分離純化乏燃料樣品中的鈾和钚。 CEC分離采用TOPO為萃取劑， 在稀硝酸中對(duì)鈾和钚均有較高的萃取系數(shù)。 系統(tǒng)根據(jù)SAL制定的同位素稀釋質(zhì)譜法測(cè)定樣品中鈾和钚的手動(dòng)操作步驟，采用機(jī)器人模仿化學(xué)家的分析操作，實(shí)現(xiàn)預(yù)處理過程的自動(dòng)化。 預(yù)處理系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是自動(dòng)分離，從樣品中萃取得到钚和鈾；另一部分是Zymark機(jī)械臂，它的功能與人的手臂非常相似，可以操作許多工具和小瓶以溶解樣品，將小瓶移入和移出熱板、混合、平衡、分離、吸取試劑和樣品，機(jī)械臂還可以自動(dòng)添加分離試劑和接收分離組分。 機(jī)械臂配備了4只可更換的手，一只用于操作干凈的玻璃管，一只用于操作被污染的玻璃管， 另外兩只分別用于操作1mL移液管和用注射器取樣。 機(jī)械臂安裝在3～4mm厚的鉛屏蔽的手套箱中， 使用編程工具包對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行編程，機(jī)械臂的工作點(diǎn)通過手持式操作終端進(jìn)行遙測(cè)定位，并在軟件中使用易于識(shí)別的用戶定義名稱進(jìn)行識(shí)別。 整個(gè)系統(tǒng)布置非常緊湊，試劑分配站、電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)主機(jī)安裝在手套箱下方，僅屏幕和鍵盤安裝在單獨(dú)的桌子上，避免酸氣危害電子部件及其金屬表面。 手套箱中的金屬零件盡可能地采用特氟龍或PVC定制零部件代替。 該系統(tǒng)被成功應(yīng)用于乏燃料溶解液和混合鈾、钚濃縮液或產(chǎn)品的預(yù)處理中。 自動(dòng)化預(yù)處理系統(tǒng)故障率低、效率高，使得實(shí)驗(yàn)室年分析樣品量增加了3倍，而且預(yù)處理分離的效果甚至優(yōu)于人工手動(dòng)預(yù)處理的效果。

后來，SAL安裝了一種新的自動(dòng)化分析分離系統(tǒng)，用于高放射性廢液樣品的化學(xué)分離。 該自動(dòng)化系統(tǒng)由CataLyst-5機(jī)械臂（圖1）和控制泵的幾個(gè)電子學(xué)模塊、加熱板、近紅外開關(guān)和其他設(shè)備組成。 分離單元可容納8個(gè)色譜柱、16個(gè)餾分樣品瓶和8個(gè)廢物收集器。 該自動(dòng)化系統(tǒng)的核心是Thermo/CRS制造的五軸機(jī)械臂CataLyst-5，機(jī)械臂可代替分析操作員執(zhí)行所有的分析任務(wù)，包括移動(dòng)小瓶、抓取移液器和處理移液器吸取頭、將機(jī)架移動(dòng)到合適的位置收集餾分、關(guān)閉和打開加熱板上方的通風(fēng)罩。 機(jī)械臂同樣也結(jié)合手套箱進(jìn)行設(shè)計(jì)， 機(jī)械臂的電子控制元件位于手套箱外，通信電纜穿過手套箱側(cè)板與機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。為了避免手套箱內(nèi)設(shè)備的腐蝕，在手套箱內(nèi)引入強(qiáng)的氣流，在加熱板工位處設(shè)置額外的排氣口以便及時(shí)排出腐蝕性氣體。 機(jī)械臂控制系統(tǒng)還設(shè)置了急停按鈕，防止機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中傷害到設(shè)備或操作人員。 機(jī)械臂采用定制的軟件應(yīng)用程序，易于設(shè)置和控制，確保應(yīng)用程序易于非程序員學(xué)習(xí)和修改。基于CataLyst-5的自動(dòng)化系統(tǒng)能夠在二十四小時(shí)內(nèi)對(duì)多達(dá)32個(gè)乏燃料樣品進(jìn)行常規(guī)化學(xué)分離處理，其樣品處理量比人工處理方法提高了50%～100%。

圖1 CataLyst-5機(jī)械臂

1.3 在痕量鈾分析中的應(yīng)用

復(fù)雜體系中痕量鈾的分析是后處理工藝控制分析和產(chǎn)品分析面臨的一個(gè)難題，痕量鈾樣品的分析通常采用時(shí)間分辨熒光法，不過在測(cè)定之前需要建立預(yù)處理方法消除H+和NO3-的干擾。 梁靚和吳繼宗基于纖維浸泡式的痕量鈾樣品預(yù)處理方法建立了自動(dòng)化預(yù)處理裝置［4］，裝置的機(jī)械主體（圖2）主要包括：自動(dòng)樣品傳送單元、自動(dòng)洗滌單元和精密加液?jiǎn)卧?其中如何使用機(jī)械實(shí)現(xiàn)精密且復(fù)雜的洗滌步驟是該裝置需要解決的關(guān)鍵問題之一。 針對(duì)“拿取樣杯”和“傾倒”兩個(gè)動(dòng)作，筆者在自動(dòng)清洗單元選用了一款?yuàn)A取型機(jī)械抓手，同時(shí)配合安裝4部電機(jī)，分別控制夾取、升降、平移和翻轉(zhuǎn)4個(gè)動(dòng)作。 此外在該單元還布置了按壓篩板、自動(dòng)噴淋器及多部控制電機(jī)，并通過軟件進(jìn)行控制， 實(shí)現(xiàn)完全模擬人手操作拿取樣杯、加注溶液、漂洗纖維及液體傾倒等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)清洗過程的全自動(dòng)化。 該裝置不僅能夠自動(dòng)完成預(yù)處理過程的主要操作，還可以在一小時(shí)內(nèi)完成至少5個(gè)樣品的分析（包括取樣、預(yù)處理和測(cè)量），大幅降低了人員的工作量。

圖2 機(jī)械主體設(shè)計(jì)

1.4 在工藝樣品中硝酸濃度分析中的應(yīng)用

工藝樣品中硝酸濃度是后處理工藝控制重要的分析項(xiàng)目之一， 酸堿滴定法測(cè)定費(fèi)時(shí)費(fèi)力，分析誤差較大。 李定明等研發(fā)了一種自動(dòng)分析放射性樣品中硝酸濃度的分析系統(tǒng)［5］，該系統(tǒng)包括跑兔系統(tǒng)、暫存區(qū)、測(cè)量裝置、兩個(gè)識(shí)別模塊和兩個(gè)移動(dòng)模塊，分別用于氣動(dòng)樣品瓶、暫存氣動(dòng)樣品瓶、樣品測(cè)量、圖像獲取和樣品瓶的移動(dòng)。 兩個(gè)移動(dòng)模塊的移動(dòng)動(dòng)作均通過自動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行，在該系統(tǒng)中選用六軸機(jī)械手，機(jī)械手前端為自動(dòng)夾具， 防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP54， 手臂外部有防酸霧防護(hù)衣，避免酸霧的腐蝕。 自動(dòng)機(jī)械手和近紅外光譜儀通過PLC控制，將跑兔技術(shù)、自動(dòng)機(jī)械手與近紅外光譜分析技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)放射性樣品中硝酸濃度的自動(dòng)化快速無損分析，該系統(tǒng)的應(yīng)用有望極大提高工藝樣品中硝酸濃度的分析效率。

1.5 在液體樣品取樣和分裝中的應(yīng)用

取樣和分裝是進(jìn)行樣品預(yù)處理和分析的前提。 在高放射性環(huán)境下，操作人員采用手動(dòng)主從機(jī)械手對(duì)帶蓋瓶裝放射性液體進(jìn)行分裝，操作難度大、工作效率低、分裝精度不能保證。 為克服人工采用主從機(jī)械手分裝時(shí)存在的不足，聶詩良等研制了一種瓶裝放射性液體自動(dòng)取樣裝置［6］，該取樣裝置以機(jī)器人自動(dòng)作業(yè)技術(shù)、移液器和電子天平為基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶蓋瓶裝放射性液體的自動(dòng)定量取樣和自動(dòng)精確稱重。 在該裝置中，分裝機(jī)構(gòu)采用了3個(gè)三自由度機(jī)器人，主要負(fù)責(zé)樣品瓶的轉(zhuǎn)移、開蓋、蓋蓋、移液和取樣嘴的更換。 機(jī)器人的使用，大幅提高了放射性液體樣品的分裝效率和自動(dòng)化水平，減少了人員的輻射傷害，有望應(yīng)用于高放射性環(huán)境下的自動(dòng)取樣和分裝。

2 展望

隨著我國自主建設(shè)先進(jìn)大型乏燃料后處理廠的需求越來越迫切，現(xiàn)有的自動(dòng)化分析技術(shù)不能適應(yīng)和滿足實(shí)際需求的情況日益凸顯，機(jī)器人技術(shù)作為自動(dòng)化分析技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和核心技術(shù)之一， 將在我國后處理分析領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 因此，一方面迫切需要開展適合中高放射性環(huán)境下操作的專用自動(dòng)機(jī)器人的研制； 另一方面，要加大投入和研發(fā)力度，促進(jìn)并不斷擴(kuò)展機(jī)器人在后處理樣品分析中的應(yīng)用，讓機(jī)器人成為分析人員的“得力助手”，滿足自主建設(shè)先進(jìn)大型商業(yè)后處理廠的要求。

專用機(jī)器人的研制。 充分考慮分析對(duì)象高放射性、強(qiáng)腐蝕性的特點(diǎn)，基于分析自動(dòng)化的要求和借鑒民用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，開展后處理樣品分析專用機(jī)器人的研制。 后處理樣品和分析方法眾多，機(jī)器人操作對(duì)象極其復(fù)雜，加之分析操作精細(xì)、分析精度要求高，因此需要針對(duì)不同的分析方法和操作對(duì)象，對(duì)機(jī)器人操作力、操作范圍、結(jié)構(gòu)、材料選擇和檢修方法進(jìn)行研究，滿足后處理自動(dòng)分析對(duì)專用機(jī)器人的可操作性、可維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性要求。

拓展機(jī)器人的應(yīng)用范圍。 后處理廠分析任務(wù)包括工藝控制分析、衡算分析和產(chǎn)品分析，分析樣品量大、分析項(xiàng)目多，應(yīng)從以下兩個(gè)方面突破技術(shù)難點(diǎn)，拓展機(jī)器人的應(yīng)用范圍：一是從自動(dòng)分析的迫切程度、可行性及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合考慮，對(duì)目前應(yīng)用的眾多分析方法進(jìn)行分類歸納，針對(duì)不同類別的分析方法，借鑒機(jī)器人技術(shù)的研究成果， 開展自動(dòng)化分析方法的探索和研究；二是對(duì)分析儀器和裝置進(jìn)行改造，建立適合高放射性環(huán)境使用和機(jī)器人操縱的自動(dòng)分析裝置，實(shí)現(xiàn)分析過程自動(dòng)化，不斷擴(kuò)大自動(dòng)分析項(xiàng)目的范圍。 例如重點(diǎn)開展機(jī)器人技術(shù)在高放射性樣品中酸的濃度分析、進(jìn)樣料液中的鈾和钚的預(yù)處理分離技術(shù)、高放射性廢液中化學(xué)組分分析等關(guān)鍵分析項(xiàng)目中的應(yīng)用研究，突破高放射性樣品分析的難點(diǎn)。 可以肯定，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和性能的不斷提高，機(jī)器人在后處理分析領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

后處理分析技術(shù)屬于國際敏感技術(shù)，從現(xiàn)有公開的有限資料來看，機(jī)器人技術(shù)在后處理分析中的應(yīng)用范圍還比較窄，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化分析的項(xiàng)目也比較少，對(duì)于高放射性樣品的預(yù)處理或分析難以實(shí)現(xiàn)全過程的自動(dòng)化。 近年來，我國后處理分析技術(shù)得到了快速發(fā)展，但目前還沒有研制出能夠真正應(yīng)用到后處理廠進(jìn)行相關(guān)自動(dòng)化分析操作的機(jī)器人，嚴(yán)重阻礙了我國后處理自動(dòng)化分析技術(shù)的發(fā)展和分析實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化水平的提高。 造成目前這種狀況的原因有以下3點(diǎn)：一是分析環(huán)境苛刻，操作對(duì)象放射性強(qiáng)、腐蝕性強(qiáng)，極易導(dǎo)致機(jī)器人的腐蝕和電子元件的損壞，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；二是檢維修困難，后處理樣品的分析需在有防護(hù)措施的密封箱室中進(jìn)行，大幅增加了設(shè)備檢修和更換難度；三是專用機(jī)器人研發(fā)投入不足，后處理自動(dòng)化分析中應(yīng)用的機(jī)器人大多是在民用機(jī)器人的基礎(chǔ)上加以改造的，模塊化設(shè)計(jì)不足和輻射防護(hù)設(shè)計(jì)不足，由于市場(chǎng)相對(duì)較小，研發(fā)設(shè)計(jì)企業(yè)對(duì)于后處理分析專用機(jī)器人投入意愿較低。 今后在這幾個(gè)方面還需要努力克服，進(jìn)行改進(jìn)。