趙 木，范 仲，石伯軒，張 磊，姚振宇

（中核環(huán)保工程設計研究有限公司，北京 100083）

我國早期老舊石墨反應堆、核燃料循環(huán)設施及相關涉核實驗室等核設施已進入退役關鍵期，如何消除這些設施的安全隱患并實現(xiàn)安全退役是當前的迫切任務。放射性物質的危害使得核設施退役任務變得非常復雜與困難，退役所需專業(yè)化裝備［1］的發(fā)展水平是退役進程與方式的決定性因素。

用遠程控制機械裝置代替人工進行強輻射場下的核設施輻射監(jiān)測、去污和拆除等作業(yè)，能夠減少或避免工作人員的受照劑量,提高工作的安全性，加快核設施退役的進程。近幾十年來，國外［2,3］已研制出許多核設施退役專業(yè)化裝備，并且這些裝備得到了很好的應用。鑒于我國退役對象的不同特點，我們應在借鑒國外經驗［4］的同時，圍繞退役工作中的劑量檢測、取樣、去污、切割、拆除和廢物整備等主要環(huán)節(jié)，開展?jié)M足核設施退役的專業(yè)化裝備工作并形成體系，這一工作是退役工作有效實施的前提。本文根據(jù)早期核設施退役任務特點及所需要的專業(yè)化裝備，提出建立我國退役專業(yè)化裝備體系的建議。

1 基于數(shù)字化和遠程控制的核設施退役流程

對于核設施的退役,科學、合理的退役方案的制訂及有效實施是建立在數(shù)字化源項調查三維建模、仿真與冷態(tài)驗證工作及專業(yè)化的遠程控制裝備基礎上的。我們從圖1可知，自主檢測機器人集成搭載各種檢測設備，建立待退役區(qū)域源項信息模型和三維實體模型。在此基礎上進行的仿真模擬退役及場外冷態(tài)驗證可以保證安全有效地完成退役任務。在現(xiàn)場具體實施任務時，應用可靠的遠程控制裝備與執(zhí)行工具是在強輻射環(huán)境下實施退役任務的基礎。

圖1 基于數(shù)字化和遠程控制的核設施退役流程Fig.1 Decommissioning processbased on digitization and remote control

1.1 源項調查及三維建模

源項調查與監(jiān)測貫穿核設施退役的全過程，主要目的是通過對放射性存量、污染核素、污染分布、廢物積存情況、廢物類型、廢物數(shù)量和放射性水平進行全面調查，明確待退役核設施不同階段內部結構、設備和管道等的狀態(tài)及污染水平。

早期老舊核設施工藝落后且圖紙資料等不完善，所以源項調查任務非常繁重與艱巨。在空間小且難以到達的強輻射場的環(huán)境下，我們需要可遠程操控的自主檢測機器人，并且在機器人上集成搭載激光掃描儀、γ相機和γ譜儀等專業(yè)調查工具進入到設施內部進行數(shù)據(jù)采集。激光掃描儀對建筑物進行全景成像，然后操作人員通過軟件計算進行三維合成與場景模擬，明確整個建筑結構及其內部設備和管道坐標等。操作人員通過γ相機成像及內部場景地圖確定污染源具體位置。γ譜儀對污染墻面、地面、管道和設備等進行掃描，然后操作人員通過頻譜分析確定污染的核素種類與放射性比活度。

源項信息模型重點顯示輻射熱點分布與熱點源項相關數(shù)據(jù)，分析是否有泄漏和殘留等狀況，與三維實體模型一起構成源項調查信息處理模型。同時，自主檢測機器人可以搭載取樣執(zhí)行工具進行取樣，以補充和驗證源項信息，取樣工作也可以由單獨的取樣機器人來實施。

1.2 仿真與驗證

仿真模擬［5］與場外冷態(tài)驗證是在退役任務正式實施前必須進行的。這樣可以檢驗退役方案的合理性，在實施前發(fā)現(xiàn)并解決問題，優(yōu)化退役方案及制訂備選方案和應急預案等，保障強輻射場下退役工作的順利與高效進行。

計算機仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術可以從時間、空間和安全等角度為操作人員搭建虛擬仿真環(huán)境，實現(xiàn)核設施退役的模擬演練，使核設施退役工作變得更安全、有效和簡單。對于強輻射場下的重點項目，我們可同時研制兩套裝置，其中一套專門用于任務執(zhí)行前的場外冷態(tài)驗證，建立1∶1任務場景原型模擬或重點任務及關鍵環(huán)節(jié)模擬，為正式執(zhí)行任務提供經驗。

機械裝置自身的性能驗證和工程任務驗證包括:

（1）機械裝置運動規(guī)劃、步態(tài)優(yōu)化和路徑規(guī)劃等控制驗證，掌握機械裝置本體的環(huán)境適應性及狀態(tài)信息；

（2）工作具體任務中碰撞檢測、狀態(tài)診斷和智能避障等驗證；

（3）多機器人協(xié)作，多執(zhí)行工具同時工作協(xié)同性驗證，機械裝置間互救的措施驗證；

（4）驗證任務合理性，掌握環(huán)境特點與作業(yè)需求，現(xiàn)有機械裝置及執(zhí)行工具適用性分析等。

1.3 機械裝置與執(zhí)行工具總體要求

若待退役核設施環(huán)境劑量高且人員不可達，則需要使用遠程控制裝備實現(xiàn)退役目的。這些遠程控制裝備分兩大類并按照需要組合：一類是通過遠程控制實現(xiàn)探測與處理功能的執(zhí)行工具，如照相設備、檢測設備、去污設備和清除設備等；另一類的主要任務是承載第一類裝置和運輸遠程控制機械裝置，它的功能是使第一類裝置到達指定區(qū)域并支撐其完成任務。遠程控制機械裝置可以是比較通用的運載裝置，也可以是根據(jù)重點與難點任務特點開發(fā)的專門裝置。

現(xiàn)階段，我國應根據(jù)核設施退役環(huán)境與退役工程任務特點，在國內外已有的智能機器人成熟技術基礎上，進行核設施退役機械裝置與執(zhí)行工具二次研發(fā)；在核電站檢修、應急和熱室內機械臂等已有工具基礎上，結合具體應用場景進行功能改進和產品化，研制核設施退役專業(yè)化機械裝置與執(zhí)行工具，以便未來在核設施退役流程中，形成監(jiān)測、去污、切割、拆除、回取、整備與運輸?shù)雀骶唧w任務與機械裝置和執(zhí)行工具的映射關系，建立成套化的裝備體系。這一體系的主要特點如下。

（1）在核反應堆和后處理廠等核設施中存在較多長壽命裂變產物和超鈾核素，機械裝置與執(zhí)行工具需要適應強放射性環(huán)境（劑量率102Gy/h）。機械裝置與執(zhí)行工具應在器件層面、系統(tǒng)層面與整機層面進行抗輻射設計，其中器件層面的抗輻射加固技術是關鍵環(huán)節(jié)。同時，壽期內機械裝置與執(zhí)行工具可在多種場景執(zhí)行任務，故應具有易去污性并配備專用的去污凈化裝置。

（2）通用型機械裝置需要具有多樣性搭載能力，以攜帶不同執(zhí)行工具完成任務；執(zhí)行手臂上需要設計標準化接口以自由切換不同的檢測、去污和切割等執(zhí)行工具，如在執(zhí)行監(jiān)測任務時，可同時攜帶攝像機、γ劑量率儀和γ譜儀等以完成多項指標；在執(zhí)行切割任務時，能夠攜帶冷、熱切割工具潛到水下進行設備或管道的切割和解體。

（3）執(zhí)行異物抓取、泥渣清洗和水下異物處置等不同任務時，機械裝置需要穿越狹窄空間、翻越障礙和水中浮游生物等來完成操作任務，所以要滿足大行程與高精度要求。

（4）具有系列任務一站式完成的能力，如切割過程中切割、抓取和轉移等多任務同時執(zhí)行，多臂機器人從多方向切割與固定，抓取切割解體后的廢物并轉移至廢物桶內。

（5）兼顧移動性能和智能控制，提高機械裝置智能水平是未來發(fā)展重要方向。由于核設施退役主要在信號封閉的環(huán)境中進行，目前的核設施退役以自動化機械裝置為主，拖曳電纜會嚴重影響機械裝置的機動性和任務可達性，所以，在信號傳輸方面應加強信號放大技術、信息無損壓縮技術和中繼傳輸技術的研究。大多數(shù)大規(guī)模集成電路芯片的耐輻照性很差（102Gy量級），在智能芯片抗強輻射加固方面需加強物理屏蔽或關鍵部件更換等研究。

2 反應堆退役

2.1 反應堆退役特點

某早期老舊反應堆堆本體結構坐落在方形坑內，方坑四壁是厚的鋼筋混凝土生物屏蔽墻；內部金屬結構安全殼承受整個堆芯及部分本體結構重量，構成側面和上下屏蔽層，圍成堆主體空間；反應堆以天然鈾為燃料，石墨作為慢化劑和反射層。經過多年的運行輻照，堆本體積累和殘存了大量的放射性物質而成為一個強放射源，某些長壽命的超鈾元素、裂變產物、活化產物（如239Pu、241Am、137Cs、60Co等）會在數(shù)百年、數(shù)千年甚至更長時間里釋放放射性射線，威脅著周圍的生態(tài)環(huán)境和公眾安全；內部石墨砌體比活度尤其高，含有大量放射性物質14C，結構可能已有變形與坍塌等情況。

目前，反應堆堆本體已經停運并封閉幾十年時間，退役將產生大量廢石墨、廢混凝土和廢鋼鐵。由于反應堆結構復雜、系統(tǒng)繁多且輻射強度大，所以其退役高度依賴于遠程控制裝備。裝備的功能與成熟度是關鍵因素。反應堆堆本體的拆除是退役的核心工作，安全殼、冷卻劑壓力管線、石墨和生物屏蔽防護層等具有很強放射性，切割解體任務艱巨，尤其切割和拆除反應堆安全殼厚鋼板挑戰(zhàn)更大，需要設計專門的大型機械裝置。

2.2 切割方法

在借鑒國內外已完成的實驗堆、生產堆和小型堆等退役經驗基礎上，針對老舊核反應堆不同切割部位，我們需要建立最優(yōu)化的切割方法及方案。表1為反應堆退役已實踐過的一些方法［6］。

表1 部分實踐過的主要切割方法Table1 Themain partial cutting method

2.3 退役機械裝置

退役機械裝置主要解決反應堆安全殼厚鋼板的切割問題，兼顧解決石墨、堆內構件和混凝土等切割和吊運問題。機械裝置設置成環(huán)形軌道，具有大行程、重載、高定位精度、高耐輻照的特點。軌道可在反應堆上方或外部水平布置，機械裝置沿著環(huán)形軌道移動。環(huán)形機械裝置具備切割拆除過程中多任務同時執(zhí)行、多方向切割和多方向固定的功能。環(huán)形軌道解決了機械手水平方向的行程問題，液壓式機械臂或伸縮式套筒結構解決了機械裝置在垂直方向上的行程問題。機械裝置執(zhí)行手臂上設計標準化接口，自由切換不同切割工具，實現(xiàn)對金屬和混凝土等不同材料的切割。由于在去污和切割過程中產生大量氣溶膠等放射性污染，所以需由環(huán)形機械裝置攜帶工具進行堆內金屬構件水下機械切割、水下熱切割和水下爆炸切割等。安全殼厚鋼板的切割與運輸是環(huán)形軌道機械裝置最重要的工作，環(huán)形軌道機械裝置可攜帶金剛石鋸等對安全殼厚鋼板進行環(huán)形水平方向與垂直方向切割，將其切割成塊狀。

3 后處理廠退役

3.1 后處理廠退役特點

后處理廠有眾多廠房和設備，工藝設備多數(shù)置于屏蔽室中，如燃料接收設施、燃料貯存水池、燃料脫殼或剪切設備等。設備表面一般有嚴重污染，存在較多長壽命裂變產物和錒系核素并且有核臨界安全隱患。

后處理廠設備退役需要遠距離操作或需要施加臨時屏蔽體和設置臨時通風，其中最難退役的是工藝設備室。工藝設備室作為遠距離操作的工藝場所,長和高都超過20 m，內部安裝有操作強放射性物料的設備和管道等。設備室內的設備一般為圓柱體和長方體，管道密集且布置復雜，空間狹小且劑量率高。設備室退役的主要任務是切割拆除管道、設備、鋼覆面和混凝土等，在源項調查基礎上清理及整備積存廢物，倒空系統(tǒng)殘留液，展開去污、切割等工作。

3.2 切割方法

在強輻射條件下，切割機械裝置需要完成設備、管道拆除和廢物切割解體作業(yè)。由于設備室內操作空間小，所以切割機械裝置不僅要安全性高，還要操作可達性好。后處理廠設備室內管道與設備切割主要有冷切割和熱切割兩大類，需要經過研究與驗證，在工程實踐中固化特定場景與工序下的專用切割工具。冷切割產生煙塵和氣溶膠污染少、操作簡單，但會產生較多的固體微粒廢物，常用的切割方法如機械切割、高壓水射流切割和磨料射流切割等。熱切割的切割速度快，可切割厚件物體，但會產生較多的氣溶膠和煙塵物，常用的切割方法如氧炔焰切割、電弧切割、微波切割、等離子體切割、爆炸切割、熱反應切割和激光切割等。

3.3 機械裝置

強輻射場下作業(yè)的機械裝置具有作業(yè)場景三維感知能力，能夠對拆除作業(yè)空間的分布及被拆除對象進行識別和智能修正，對狹窄空間復雜傳動結構進行設計及控制。設備室退役機械裝置在10 Sv/h的強輻射場下累計工作100 h以上，可設置水平與垂直軌道以解決大行程問題，垂直工作范圍為7.2 m以上，作業(yè)半徑不小于2.0 m。由于機械裝置需要同時完成切割、抓取、回收一系列任務，抓取能力不小于30 kg，需要多執(zhí)行工具同時工作。機械裝置與攜帶的執(zhí)行工具需要根據(jù)不同任務快速切換冷、熱切割工具,將設備切割解體成400 mm×400 mm的小塊，將管道切割成長度小于700 mm小段，并能夠將其轉移至200 L標準廢物桶內。

4 放射性去污裝備

4.1 去污特點

核設施退役的各個階段都需要去污，以降低放射性水平，便于切割解體和拆卸活動，降低屏蔽和遠距離操作要求。去污是去除或減少核設施和廠址范圍內放射性核素的沾附物，轉移放射性核素存在的位置或方式，去污過程會產生二次廢物。退役過程中，許多設備、槽罐、箱室、管道和廠房構筑物需要去污，去污面積大。污染核素種類復雜，常有垢物、沉積物和粉塵覆蓋層等放射性核素載體。通常情況下，金屬表層1-10μm深度內集中98%的放射性污染核素，混凝土表層3-5 mm范圍內集中了主要的放射性污染核素。

4.2 去污方法

一般情況下，常用的去污技術為機械－物理法（包括吸塵法、機械擦試法、高壓射流法、超聲波去污法、微波去污法、激光去污法和等離子體去污法等）、化學法、電化學法和生物法等。在切割解體前，我們需要進行廠房松散污染去污、設備表面污染去污和設備內部污染去污；在切割解體后，需要對切割對象進行深度去污；在設備拆除后，需要進行建筑物表面去污，之后再拆除建筑與場址修復。

4.3 機械裝置

遠程控制機械裝置在強輻射場下搭載去污工具以及其他輔助設施系統(tǒng)進行去污作業(yè)。去污作業(yè)機械裝置的運動性能、負載動力、動力方式及作業(yè)工具攜載方式、作業(yè)流程和輔助設備設施均需要進行研究、設計和驗證。機械裝置應選擇穩(wěn)定可靠性高的方式，例如多關節(jié)伸縮機械手或伸縮筒式形式；有些去污場景可采用加寬履帶式機器人行動方式，以避免在泥濘環(huán)境沉陷，減少機械沖擊。

5 展望

老舊核設施的安全隱患消除及安全退役的進程與方式高度依賴專業(yè)化機械裝置，針對不同核設施和不同任務特點研發(fā)并應用特定的功能裝置，以形成專業(yè)化成套遠程控制退役裝備體系，不僅可助力早期老舊核設施退役順利完成，而且有利于未來承擔我國核電站退役及國際核退役任務。