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核电机器人:解放高辐射环境下的人类_8

未知 2019-07-06 11:40

  一场人工智能挑战人类围棋的世纪大战,引发众多关于机器人进入人类日常的猜想。然而,在核工业应用领域,受到特殊环境要求,需要更先进的机器人,进一步解放高辐射环境下的人类,却是不争的事实。

  在核工业应用领域,由于设备本身或其运行环境具有放射性,人员操作存在安全风险或操作受限等情况,采用机器人进行设备检修、放射性废物处理、应急响应等工作,一方面可降低用于人工防护设备的成本及管理成本,另一方面也可降低工作人员受辐照剂量和劳动强度。随着核电站装机容量的不断扩大,出于核电产业较快发展和核安全的需要,核电机器人的需求与日俱增。

  解放高辐射环境下的人类

  最早开展研制核电机器人的可算是美国。上世纪40年代,美国阿贡实验室研制出一台可操作放射性物质的机械手。到1977年,日本早稻田大学也开发出第一台可用于核电站巡检的双足机器人,可完成检查和开关电站阀门、处理放射性污水等增强操作。

  随着美国三里岛、苏联切尔诺贝利核事故的相继发生,美、法、德、日等国纷纷加大核电站机器人的开发力度,进一步提升核电站机器人在可执行的动作种类、行动的灵活性、电池的工作和传送信号方面的性能。

  目前,核电机器人大致可分为观察型和作业型。第一类观察型,指携带摄像头、温度和压力传感器以及辐射强度检测仪等进入后传回现场数据(在应急情况下尤其必要)。第二类作业型,工作内容包括切割、搬运放射物质、关阀门、喷水等。实际应用上,核电机器人主要包括关键核设施维护机器人、核事故处理与救援机器人和小型爬壁式监测机器人。

  关键核设施维护机器人主要是对关键核设施的维护、退役及放射性废物处理。对关键设施进行维护,是核工业机器人最早的应用目标。核事故处理与救援机器人,即利用轮式、履带式移动机器人,携带操作设备,进入事故现场,开展事故处理与救援相关工作,主要用于发生严重核电事故的情况。小型爬壁式监测机器人主要用于核电站安全性的全面监测,即利用小型、智能、爬壁式机器人,携带多种先进传感器,对核电站内的核辐射强度、氢气浓度、烟雾浓度、关键设备及管道的破损情况进行监测,以及时发现问题。

  核电机器人虽能在某种程度上解放高辐射环境下的人类,但是有一个很大的缺点,即并非万能式通用,而只适用于在特定环境下完成特定任务。由于可完成任务种类单一,这类机器人在严重事故发生时其作用有限,往往所需数量较多,而非一个。

  福岛核事故中大显身手

  在日本福岛核事故中,如何深入核电站内部执行拍摄、清扫工作成为焦点。对此,核电救灾机器人发挥了重要作用。核电机器人可替代人潜入核电站,将拍摄到的图像传出来,让人们更切实地了解电站内部的真实状况,尤其是在福岛核电站危险区域的监测及瓦砾的清除工作中。

  美国、英国和日本均先后派遣机器人抵达核电厂实施救援工作。美国iRobot公司的PackBot机器人用于检测现场辐射量,通过数百米长光纤传回现场图像和环境数据。英国QinetiQ公司的Talon机器人利用搭载的GPS全球定位系统绘制事故现场的放射线量分布图。日本紧凑型双臂重型清洁机器人ASTACO-SoRa用于移除核电站瓦砾。

  尽管如此,由于现有技术不够成熟,核电站机器人所能发挥的功效仍有限。特别是,进入安全壳内部作业时,放射性物质裂变而释放的高频射线,很容易造成核电机器人的电子系统瞬间失灵。同时,强大的屏蔽性使信号无法穿透,这正是所有核电机器人普遍面临的问题。福岛事故五年过去了,由于现场残留的辐射太强,人们仍无法进入核电站内部取出那些已经熔毁的重达数百吨的燃料棒。五个被送入反应炉执行清理任务的机器人,无一返回。

  目前,东京电力公司已经完成大约10%的清理工作,整个事故现场的完全清理估计需要长达30至40年的时间,而每一个清洁机器人都需要两年的定制时间。但是,机器人仍是清理废料的唯一希望,超过100种机器人正在福岛事故现场努力工作着。

  中国核电机器人正起步

  起步晚,我国多家核电运营公司大多采购国外的机器人设备。不过,随着我国具备完全自主知识产权的三代核电技术华龙一号的落地,推动更多与核电相关的自主研发技术不断产生。

  2012年12月,中国科学院光电技术研究所自行研制的多功能水下智能检查机器人通过专家组鉴定,填补了中国国内核电智能机器人的空白,且已先后为秦山核电、中广核、中国核动力设计研究院等多家单位提供支持。

  2012年底,我国973计划项目核电站紧急救灾机器人的基础科学问题正式启动,旨在解决国家核电站事故防范和救援的迫切需求、顺应核电站紧急救灾机器人的技术发展趋势。

  2015年6月,国家863计划核反应堆专用机器人技术与应用课题在广西防城港核电基地通过验收,研发了6款核电智能机器人。其中,两款机器人在核电工程上得到成功应用。2015年8月,反应堆压力容器整体式螺栓拉伸机完成防城港核电2号机组压力容器开关盖;9月6日,反应堆换料机器人顺利完成广西防城港核电1号机组157根核燃料组件的装载。这大幅度降低新建核电站换料机器人和螺栓拉伸机的采购成本,其中多项专利技术成果打破了国外技术垄断。

  在此基础上,国内核电企业、院校、科研院所、装备制造企业等31家成员单位共同发起并组建了核电智能装备与机器人技术创新联盟,以提升核电机器人产业技术创新能力。

  位于广东省深圳市大亚湾核电基地的国家能源核电站核级设备研发中心实验基地,是国内第一个完备的核电技术研发、实验基地,其中核电站机器人是重要的研发方向之一。每天都有不同种类的机器人在基地实验室的试验平台上进行实战演练与培训。

  随着我国核电产业步伐的加快,国内对于核电机器人的需求将逐渐打开。但是,核电机器人的技术壁垒和研发周期远高于普通工业领域的机器人,加上核心技术仍掌握在国外大公司手上,目前国内机器人的研发力量主要集中在高校,尚无成功的市场运作,推进仍需时日。未来发展方向是追赶国际先进技术,达到国际先进水平,同时研发出更适应我国自主技术的核电站智能机器人。

  小而智:未来核电机器人的基因图谱

  目前,世界核电机器人的研制已取得了较大的进步,在实际应用具有巨大的作用。未来世界核电机器人的发展趋势将着力解决小型智能核机器人系统创新设计、无损检测与故障诊断技术、多传感器信息融合与智能预警策略、核辐射防护技术、恶劣环境下的高稳定遥操作技术等关键技术难题。从成本低、运动灵活、操作方便等角度考虑,将继续向小型化、智能化、实用化方向发展。

  未来机器人要有良好的抗辐射能力;要能够到达多个位置,需要在容器罐、管道以及地面上自由行走,有灵活的机动能力;可携带相应的敏感器,对核电站内部环境、相关设施等进行探测,即具有充分的智能感知能力;还既要具有自主运行的能力,也要支持遥操作,使得操作员可随时干预、控制机器人的运动,并能临机处理突发事件。

  然而,核电机器人的研发还需要攻克许多技术难点,核电机器人的应用也将面临更多的挑战。

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