吳傲立，岳仁亮

(1.江蘇中科睿賽污染控制工程有限公司，江蘇 鹽城 224000；2.中國科學(xué)院過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100190)

0 引言

核設(shè)施退役概念提出始于20世紀(jì)60年代，退役則發(fā)生在20世紀(jì)80年代以后，可分為3階段：20世紀(jì)80—90年代小型研究堆、原型堆類型的核設(shè)施，20世紀(jì)40—60年代開始使用的軍用核設(shè)施及部分民用放射性污染設(shè)施(工廠)開始退役；20世紀(jì)90年代至20世紀(jì)末，美國希平港堆、日本動力示范堆、德國Nideraichbach等核電站示范性或后處理廠開始退役；21世紀(jì)以來，多數(shù)大型核設(shè)施開始退役，如美國PPPL的TFTR的退役，英國JET設(shè)施和場址的退役，日本JRR-2反應(yīng)堆的退役等[1]。

核設(shè)施退役是世界性的問題?！?018世界核能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀報告》提出“核設(shè)施的退役所花費(fèi)的時間通常比預(yù)期要長，在大多數(shù)情況下甚至超過了建造和運(yùn)行時間之和”。目前，已經(jīng)完成退役的反應(yīng)堆中，最快的只用了6年，最慢的花了42年。預(yù)計到2030年，全球核電機(jī)組將關(guān)閉200多臺[2]。機(jī)器人可以代替人完成特種環(huán)境作業(yè)，提高核環(huán)境作業(yè)安全性，加快核退役進(jìn)程。

本文對國內(nèi)外核用機(jī)器人的研究應(yīng)用現(xiàn)狀、共性功能需求、核心技術(shù)突破進(jìn)行了介紹。

1 國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)器人應(yīng)用于核環(huán)境作業(yè)的技術(shù)發(fā)展迅速，采用機(jī)器人主要完成對退役核設(shè)施進(jìn)行拆解切割和移除。據(jù)2017年專利情報研究數(shù)據(jù)顯示，日本、美國、法國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、英國在拆卸解體技術(shù)專利應(yīng)用國(組織)中位于全球前5，中國排在第7位。在全球范圍內(nèi)，東芝、通用、貝思資本、日立是核設(shè)施退役拆卸解體技術(shù)的主要競爭者[3]。

1.1 德國

德國已成功退役多座核設(shè)施。德國第一個商業(yè)核反應(yīng)堆是250 MW的Gundremmingen A機(jī)組，運(yùn)行期間為1966—1977年，1983年后使用水下切割技術(shù)進(jìn)行退役。巴伐利亞州的下艾希巴赫(Niederaichbach)核電站100 MW氣冷重水堆1972—1974年運(yùn)行，1987年開始退役，在1990—1993年使用遠(yuǎn)程操控技術(shù)完成了活化部件的退役，1995年年末全部完成退役，場址實現(xiàn)無限制開發(fā)供農(nóng)業(yè)使用，Niederaichbach核電站退役工程是第一個實現(xiàn)“反應(yīng)堆場址”變“綠地”的退役項目[4]，并將許多用于拆解核設(shè)施的新方法和創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于核設(shè)施退役和拆解項目中。自2010年以來，德國在利用機(jī)械手拆解高放儲罐和熱室設(shè)備的新方法及創(chuàng)新技術(shù)上進(jìn)行了廣泛的原型試驗[5]。

1.2 法國

法國馬庫爾生產(chǎn)堆后處理廠(UP1)自1958年投產(chǎn)使用后運(yùn)行近40年，1998年開始退役，是法國第一個退役的核設(shè)施，退役活動將持續(xù)30年。退役中開發(fā)了兩類遠(yuǎn)程操作裝置用于對連續(xù)性溶解線設(shè)施(MAR200)的舊通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行去污和拆除：第一類是小型專用機(jī)器人，配置刀架和吸嘴，用于取回通風(fēng)管道內(nèi)沉積的高放射性粉末；第二類是安裝在Brokk40運(yùn)載裝置上執(zhí)行不同任務(wù)的機(jī)器人工具，包括ED1、EDA、EDD、EDG、EDM、EDR 6款機(jī)器人[5]。

據(jù)國外核新聞報道，2020年，法國歐安諾集團(tuán)(Orano)計劃使用12 t機(jī)器人拆解馬爾庫爾(Marcoule)乏燃料池的金屬結(jié)構(gòu)件。

1.3 日本

1999年9月，日本JCO公司的核燃料加工工廠濃縮鈾臨界事故對日本耐輻照核應(yīng)急機(jī)器人發(fā)展起到了至關(guān)重要的影響。日本核安全技術(shù)中心(NUSTEC)、日本原子能研究院(JAEA)、制造與技術(shù)中心(MSTC)3家機(jī)構(gòu)自2000年后共同研究耐輻照核事故應(yīng)急機(jī)器人，重點要求耐輻照、可20°斜坡行走、可40°樓梯行走、支持通信遙控、滿足事故現(xiàn)場監(jiān)測等[6]。由MSTC聯(lián)合日立、三菱、東芝等5家公司開發(fā)的機(jī)器人中，SWAN和MENHTR機(jī)器人耐輻照達(dá)100 Gy/h，其余的ROBOT系列、RESQ系列、MASR系列、SMERT系列機(jī)器人耐輻照均在10 Gy/h及以下[6]。

2011年的日本東京電力公司(TEPCO)福島核事故后，至少有30多種應(yīng)急機(jī)器人進(jìn)入事故現(xiàn)場開展救援工作[6]，進(jìn)入事故現(xiàn)場的機(jī)器人主要開展廠房航測、區(qū)域去污、廠內(nèi)探查、泄露探查等，其中8個機(jī)器人在作業(yè)時因輻射損傷、障礙物阻擋等原因而發(fā)生故障[7]。2011年，iRobot公司提供的Packbot機(jī)器人是第一個進(jìn)入福島核事故廠房內(nèi)部的機(jī)器人，具有爬60°坡、越障和傾翻自調(diào)功能，在2011年4月17—18日首次進(jìn)入反應(yīng)堆廠房[6-7]。在福島核事故發(fā)生3個月后，由日本千葉工業(yè)大學(xué)研發(fā)的Quince-1機(jī)器人交付給東京電力公司使用，用于核電站內(nèi)部環(huán)境的探測。Quince-1機(jī)器人針對強(qiáng)輻射環(huán)境進(jìn)行了重新設(shè)計和大量測試，抗輻射能力超過了100 mGy[8]。Quince-1在2011年6月20日—10月20日之間完成了6次任務(wù)，任務(wù)分別持續(xù)95 min，193 min，105 min，80 min，90 min，138 min，前5次行走距離分別達(dá)到182 m，230 m，100 m，160 m，408 m，在第6次任務(wù)后因線纜纏繞被困而未能正常返回[8]。后又在Quince-1改裝設(shè)計了無線遠(yuǎn)程遙控的Quince-2和Quince-3機(jī)器人[6]。福島事故中2012—2014年投入的FRIGO-MA，High-Access Survey，ASTACO-SORA，Raccoon，Arounder，SC-ROV耐輻照在10 Gy/h以下，2015年后投入使用的MEISTER，Scorpion，PMORPH耐輻照可達(dá)100 Gy/h[6]。

2017年7月，日本“小太陽魚”潛水機(jī)器人首次拍攝到福島事故反應(yīng)堆內(nèi)核燃料熔融物圖像，標(biāo)志著日本耐強(qiáng)輻射堆內(nèi)勘查機(jī)器人研制取得里程碑式進(jìn)展，為反應(yīng)堆退役與核事故處置提供了必要手段[9]。

1.4 美國

20世紀(jì)40年代，世界上最早用于核工業(yè)的遙控機(jī)械手在阿貢實驗室研制成功，這臺機(jī)械手可在放射性環(huán)境中工作，取名M1[10]。1979年3月，三哩島核事故使用的機(jī)器人只具有基本的輻射監(jiān)測、圖像傳輸?shù)裙δ埽⒉痪咻^高耐輻射性。三哩島核事故暴露了高輻射環(huán)境作業(yè)機(jī)器人的需求，因此，事故后開始研究高輻射環(huán)境作業(yè)機(jī)器人，Odetics公司研制出美國第一款應(yīng)用于放射性環(huán)境的ODEX系列機(jī)器人[11]。

在1986年切爾諾貝利核電站核事故中投入的機(jī)器人均因耐輻射強(qiáng)度不夠或者環(huán)境限制而短時間喪失行動能力，受此影響，美國能源部和航空航天局對耐輻照核事故應(yīng)急機(jī)器人開展了廣泛的研究[12]。Red Zone公司研制的Pioneer機(jī)器人在5～10 Gy/h的輻射強(qiáng)度下，抗輻射能力達(dá)10 kGy，在1998年進(jìn)入切爾諾貝利核事故現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測作業(yè)，同時采用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建事故現(xiàn)場三維圖[13]。美國公用事業(yè)電力與煤氣公司于20世紀(jì)80年代中期開始實施PSE&G機(jī)器人計劃，并應(yīng)用在Salem-1、Salem-2和Hope creek 3個核電站中。2010年，美國特殊應(yīng)用技術(shù)公司(SAT)向蘇格蘭敦雷(Dounreay)核設(shè)施退役場址交付了第1臺動力遠(yuǎn)程機(jī)械手(PRM)，用于熱室去污和核設(shè)施退役[5]。2012年，超鈾廢物處理中心(TWPC)與SAT合作，研發(fā)了一種具有7個自由度的液壓型強(qiáng)健動力遠(yuǎn)程機(jī)械手，靈活度高、負(fù)載能力高，可用于核設(shè)施退役中高放廢物的分揀、包裝、切割處理等[5]。

1.5 英國

英國目前已有29座反應(yīng)堆開始退役[2]。20世紀(jì)90年代，英國Magnox核電站使用了Nero和SADIE兩種遠(yuǎn)距離爬行機(jī)器人，配真空抓爪，越障高度25 mm[8]。英國溫茨凱爾(WAGR)先進(jìn)氣冷堆在2011年5月完成退役，是英國首次完成的核電機(jī)組退役，也是英國核電反應(yīng)堆退役的國家示范項目。該反應(yīng)堆在拆除WAGR轉(zhuǎn)移堆芯和壓力容器活化部件時，采用了遙控拆除裝置(可370°旋轉(zhuǎn))、遙控操縱器(有效荷載100 kg)、懸掛式吊車(3 t)等遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，操作員可在控制室進(jìn)行遙控操作。

2017年，英國鎂諾克斯公司(Magnox)將遠(yuǎn)程控制長距離的激光切割蛇臂機(jī)器人LaserSnake應(yīng)用在英國溫弗里斯(Winfrith)冗余的Dragon反應(yīng)堆強(qiáng)放射性堆芯，在管網(wǎng)密集、布局復(fù)雜、難以靠近的背景下，通過反應(yīng)堆芯外圍3 m厚混凝土屏蔽中狹窄的孔道插入到堆芯，用不到3 h切割掉反應(yīng)堆中直徑40 cm的吹掃氣預(yù)冷器容器(PGPC)。LaserSnake機(jī)器人曾在塞拉菲爾德(Sellafield)核燃料加工廠退役中使用。

英國曼徹斯特大學(xué)在應(yīng)對核退役中在放射性廢物鑒定方面研發(fā)了多款機(jī)器人原型，也在降低操作時間、改善操作情景意識等方面做了研究并試驗驗證[5]。

1.6 中國

目前，國內(nèi)核設(shè)施中使用的機(jī)械手、機(jī)器人等遠(yuǎn)程操作裝置大多從國外進(jìn)口[5]。相較于國外，國內(nèi)核用機(jī)器人研究應(yīng)用起步較晚，20世紀(jì)80年代末在“863計劃”支持下將移動式作業(yè)機(jī)器人和壁面爬行式檢查機(jī)器人作為開發(fā)目標(biāo)，此后陸續(xù)開展相關(guān)研究。

1994年，在中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和上海交通大學(xué)牽頭帶領(lǐng)下，“勇士號”遙控移動作業(yè)機(jī)器人研制成功[14]。此后，東南大學(xué)、西南科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國廣核集團(tuán)、中國輻射防護(hù)研究院等也陸續(xù)開展了相關(guān)研究[15]。西南科技大學(xué)研制的“叉車式機(jī)器人”和“機(jī)械臂式移動機(jī)器人”2009年6月進(jìn)入河南省杞縣卡源事故現(xiàn)場，歷時7日成功完成了機(jī)器人降源處置工作[6,16]。東南大學(xué)自2004年7月起歷經(jīng)7年，突破10多項關(guān)鍵性技術(shù)，研制五代小型核化探測與應(yīng)急處理遙操作機(jī)器人，在20 Gy/h的輻射強(qiáng)度下可連續(xù)工作3 h，可爬60°坡、40°樓梯，越障30 cm，填補(bǔ)了國內(nèi)空白[17]。中廣核聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢科研院所，研制高輻射水下機(jī)器人、無損在役檢查設(shè)備、檢修機(jī)器人等，耐輻照100 Gy/h、總劑量10 kGy，可爬30°坡[7,10]。中科院光電所也先后研制了水下多功能作業(yè)機(jī)器人、核應(yīng)急救災(zāi)機(jī)器人等核用機(jī)器人[15]。中國輻射防護(hù)研究院開發(fā)一種至少能夠在100 Gy/h的強(qiáng)輻射場中正常工作的遙控機(jī)器人，可承受的累積劑量預(yù)期可達(dá)3 kGy[6]。

中科院成都光電技術(shù)研究所與中廣核聯(lián)合研制的國內(nèi)首套核電應(yīng)急機(jī)器人于2016年11月交付大亞灣核電站，可在最高100 Sv/h環(huán)境下工作并回傳200萬～500萬像素高清圖像，或者是在最高10 000 Sv/h環(huán)境中工作并回傳600線清晰度的圖像。

2 關(guān)鍵技術(shù)突破

通過對核環(huán)境作業(yè)機(jī)器人的研究應(yīng)用現(xiàn)狀的分析、總結(jié)，認(rèn)為核環(huán)境作業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用主要需突破如下關(guān)鍵技術(shù)：(1)抗輻射加固，提高高輻射環(huán)境的工作壽命；(2)人機(jī)智能化，實現(xiàn)臨場感的人機(jī)交互設(shè)計及通信可靠性控制；(3)特殊環(huán)境穩(wěn)定性，保障極端環(huán)境下各敏感部件仍能正常工作。

2.1 抗輻射加固

耐輻射性能是核環(huán)境作業(yè)機(jī)器人區(qū)別于常規(guī)機(jī)器人的最明顯特征，耐輻射能力的高低很大程度上直接決定了機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)范圍和作業(yè)壽命。高輻射會對機(jī)器人造成損壞[18]，耐輻射能力的限制會導(dǎo)致既定作業(yè)任務(wù)無法完成，同時也會額外增加放射性廢物量。機(jī)器人在核環(huán)境作業(yè)中因輻射失效的很多：切爾諾貝利事故中投入的機(jī)器人因耐輻照強(qiáng)度不夠或被電纜卡住而在很短時間內(nèi)就失去了行動能力[6]；福島核事故中TOKYO(AP)在2017年2月9日進(jìn)入2號機(jī)組反應(yīng)堆基座內(nèi)部探測時因高輻射(約80 Gy/h)導(dǎo)致攝像機(jī)圖像質(zhì)量下降而返回，Scorpion在2017年2月16日進(jìn)入2號機(jī)組反應(yīng)堆基座內(nèi)部探測時因高輻射(約70 Gy/h)導(dǎo)致左側(cè)履帶不能移動[7]。

眾多文獻(xiàn)顯示，目前機(jī)器人耐輻射性能基本在102Gy/h、累積劑量104Gy量級[7]。目前，國內(nèi)外研究人員主要在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗輻射加固和控制算法等方面開展了大量研究。美國Mirion公司開發(fā)的IST系列攝像頭耐輻射能力可達(dá)106rad/h[10]。近10年文獻(xiàn)顯示，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也對中子屏蔽新材料、耐輻照新型材料等方面進(jìn)行了廣泛的研究，例如東北大學(xué)制備的環(huán)氧樹脂耐輻照93.5 kGy[19]，華東理工大學(xué)采用羥基封端的聚二甲基硅氧烷(PDMS)改性環(huán)氧樹脂為基體制備的耐核輻照超疏水涂層在107rad(即100 kGy)輻照下仍具自清潔能力[18]。

2.2 人機(jī)智能化

人工智能作為新基建的七大領(lǐng)域之一，近年來已滲透到社會和產(chǎn)業(yè)的多個領(lǐng)域并發(fā)展迅速。智能化也是核工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。早在1998年美國Pioneer機(jī)器人就使用了3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)[13]。目前大部分核環(huán)境作業(yè)機(jī)器人仍處于人工控制階段：一方面?zhèn)鹘y(tǒng)依照預(yù)設(shè)程序?qū)崿F(xiàn)動作任務(wù)已經(jīng)無法滿足復(fù)雜多樣的需求；另一方面人工控制下無法保障作業(yè)精準(zhǔn)性，且人及人工作業(yè)所帶來的不確定性無法嚴(yán)格控制。因此，核電站機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下能夠感知環(huán)境和目標(biāo)信息，進(jìn)行智能避讓、自動搜索、快速決策、自主規(guī)劃等是一個重要的研究方向[10]。提升機(jī)器人智能化程度，融合“人-機(jī)-環(huán)”，在核環(huán)境作業(yè)中具有顯著的實用性和經(jīng)濟(jì)性。

2.3 特殊環(huán)境穩(wěn)定性

核反應(yīng)堆廠房可以說是目前最為復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，并且核電廠在長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中增加或者改造，進(jìn)一步增大了內(nèi)部空間地形的復(fù)雜程度[20]。除了高輻射環(huán)境中制約機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵因素是耐輻射性能，常規(guī)的大部分作業(yè)面臨的都是中低放輻射環(huán)境，在此環(huán)境下制約機(jī)器人實際應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素是空間可達(dá)性和控制性能，機(jī)器人的重量、形態(tài)、行動性能、通信方式等會直接影響到作業(yè)空間的可達(dá)性[7]。2011年，日本福島核事故后，進(jìn)入事故現(xiàn)場作業(yè)發(fā)生故障的Quince-1、Warrior、Shape Shifting-1就因空間障礙物阻擋而失效，因此Quince-2和Quince-3機(jī)器人總結(jié)了Quince-1 因線纜纏繞而被困的教訓(xùn)，對通信系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)[7]。核環(huán)境作業(yè)機(jī)器人需要對極端未知環(huán)境、空間局限、障礙等特殊環(huán)境具有靈活適用性，以增加作業(yè)過程的穩(wěn)定。

3 總結(jié)

核設(shè)施退役是一項長期而復(fù)雜的項目，核退役作業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用過程中仍面臨許多問題和困難。隨著核電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，針對抗輻射加固、人機(jī)智能化、特殊環(huán)境穩(wěn)定性3個方面的技術(shù)開發(fā)是核退役作業(yè)機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢；同時，核環(huán)境作業(yè)機(jī)器人的系列化、系統(tǒng)性、通用性發(fā)展也是必要的，核電機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用必將迎來一個快速發(fā)展期。