核电厂退役机器人的技术研究

李海龙 张健

【摘 要】核电是目前世界上最清洁高效的能源之一，但核电站的退役由于其周期长、风险大、费用高的特点，成为制约核电快速发展的重要环节。智能机器人快速发展，将其代替人进入高辐射的复杂环境作业，减少核电站退役周期，提高经济效益已成为世界各国的研究热点。文中首先提出了机器人在核退役过程中的技术需求，分析了机器人在核退役的研究现状。在此基础上，对未来机器人在核电站退役过程中的技术及研究方向进行展望，为我国核电站退役的技术研究提供参考。

【关键词】核电站;退役;机器人

中图分类号： TL943;TM623文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）24-0012-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.007

【Abstract】Nuclear power is one of the cleanest and most efficient energy sources in the world. However， decommissioning of nuclear power plants has become an important link restricting the rapid development of nuclear power due to its characteristics of long cycle， high risk and high cost. With the rapid development of intelligent robots， it has become a research hotspot in the world which replace human beings in the complex environment of high radiation， reduce the decommissioning cycle of nuclear power plants and improve economic benefits. In this paper， the technical requirements of robot in nuclear decommissioning are put forward， and the research status of robot in nuclear decommissioning is analyzed. On this basis， the technology and research direction of nuclear power plant decommissioning robot are prospected， providing a reference for the technical research of nuclear power plant decommissioning in China.

【Key words】Nuclear power plant; Decommissioning; Robot

0 前言

核電站的全生命周期包括选址、设计、建设、运行和退役，退役作为核电全寿期的最后一个阶段，由于其周期高、风险大、费用高等特点，是核电站运行的重要环节[1]。核电安全退役是核电可持续发展的重要保障，关系到国家的能源结构安全和环境安全。

核电退役一般有三种策略，立即拆除、延缓拆除和封固埋葬[2]。就地掩埋或者延缓拆除会长期占用厂址不能再利用，维护核废料的费用十分高昂，往往会超出退役的预算，经济性不佳。同时，随着时间的推移，封固材料和安全系统会有老化失效的风险，对当地环境会产生长远核安全隐患。因此，目前世界上核电退役策略以立即拆除为主。然而，设备立即拆除需要面临高放射性环境，若由工作人员直接进入工作，由于会受到大量的辐射，需要几个人协助穿上防护服，并且只能进行几个小时的作业，核电站的退役进程十分缓慢，同时还会产生大量的二次核废物进行处理。根据已退役核电站经验，拆除核设施和移除乏燃料需要几十年的时间完成，而在此过程中产生的二次核废物呈数十倍的增长。而核能机器人技术发展十分缓慢，沿用仍是上世纪六十年代产品，通过远程操纵机械臂完成一些简单的任务。现代机器人的快速发展，将其应用到核电退役的过程中，代替人进入高辐射的环境完成复杂的任务，可大大加快核电的退役进度，进而降低了核电退役过程的不确定性和总成本费用。因此，利用机器人进行核电站的退役工作，具有广阔的应用前景，是当今世界研究的热点问题。

1 核退役机器人的技术特点

核电站是利用原子裂变产生的能量转换成电能的发电厂，在原子裂变过程中会产生大量辐射和含有放射性核废料。核电站的退役需要将核废料和设施全部拆除，使核电站的辐射降到安全标准，进而将厂址进行在利用。采用机器人进行核电站的退役工作，对大型含有高辐射的设施进行拆除，不仅可以降低作业人员受到辐照和伤害的风险，并且在面对高辐射环境时不需要进行辐射防护和去污处理，减少了大量的二次核废物的产生。同时，它可以代替人连续作业几天甚至几个月，大大提高了工作效率，加快核电退役的进程，是未来核电退役技术发展的趋势，具有很大的优势。但由于核电站内部的结构复杂和高辐射环境，因此，核退役机器人必须具备以下技术条件：

1.1 多自由度的非结构运动能力

由于核电站内部环境复杂，因此要求核退役具有行走、攀爬、旋转等灵活的运动能力。先进的逆运动学控制系统是机器人完成各种工作的基础，并且还为机器人能够稳定运行和执行机构提供支撑。而目前机器人的驱动机构主要分为伺服电机驱动和液压驱动，对于要求结构紧凑、体积小的一般选用电机作为动力驱动，而液压驱动机构响应速度快，扭矩与重量比大，往往用于中型负载场景。因此，驱动机构和运动控制系统的设计合理性是核退役机器人灵活运动能力、壁障能力、处理目标有效性的重要指标。

1.2 能够持续承受高辐射的能力

核退役机器人需要在高辐射的环境下长时间作业，其内部的电子元件和辐射敏感部件如不经过辐射防护处理，将会很快失效，影响到核退役机器人的正常工作寿命。因此，核退役机器人的材料必须是耐辐照的，内部设计必须具备辐射防护功能，只有提高核退役机器人在核环境下的工作周期，才能提高核退役机器人的效率，降低时间和金钱成本。目前，世界上也仅有少数机器人具备抗强辐射的能力，是核退役机器人发展的难题之一。

1.3 具有无线通讯能力

远程操纵员与现场机器人之间需要进行实时的音频、指令等数据通讯，如果利用电缆进行连接，机器人在工作过程中必须避开与现场的设备、障碍物等缠绕在一起，这样机器人的机动性和灵活性将会大大降低。因此，具备无线通讯能力，抗干扰能力强，能够实时传输大量的数据，以便远程操纵员对能够直观的获取现场的信息，是核退役机器人必须具备的能力。

1.4 丰富的环境感知和处理能力

核退役机器人需要對周围的环境和目标进行识别和分析，因此需要安装各种传感器采集信息，机器人需要具备半智能或者全智能的处理能力，这样可以自主完成上下攀爬和避障、目标识别和定位、搬运和切割等复杂的工作，可以大大提高远程操纵员的上手能力，减少人员操作失误的可能。

2 核退役机器人的技术应用

2.1 核退役机器人在A-1核电站退役的应用

捷克斯洛伐克共和国第一台核电站为A-1核电站，电功率为150MW，1972年开始发电。在运行的5年间，接连发生了2次事故，最终决定将该机组退役。当时并没有关于核电退役的法律法规，直到1992年制定出核退役的标准和A-1核电站退役时间表。2007年，A-1核电站的退役工作全部完成。

在a-1核电站退役过程中，辐射和有毒有害物质限制了人员进入核电站内部设施，VUJE公司为此研发出多种先进机器人技术，实现更安全和更低成本的核电站退役[3]。

2.1.1 MT-15普通型移动机器人

MT-15是一种可以在放射性环境中进行采样、测量和净化的移动遥控机器人。MT-15是模块化系统，主要包含遥控车辆模块、机械手模块和工作模块，可根据不同工作任务选择工作模块。工作电源可由自身携带的蓄电池供电，也可以通过电缆连接外部电缆供电。机械手有4个自由度，具有很强的灵活性。MT-15还配备了两个摄像头和一个用于远程操作。

2.1.2 MT-80通用性机器人

MT-80型退役机器人适用于高辐射环境内执行较重的退役任务，主要包括拆卸设备、切割管道、回收废物等。其机械手包含了6个自由度，满足了大多数任务对灵活度的要求。机械臂由液压驱动，特殊钛合金制成，可以执行重达80公斤的载荷任务。另外，MT-80是防水设计，表面有一层特殊的可拆卸保护涂层，可以保障退役机器人在辐射环境下的正常工作。MT-80的运行由位于控制面板的主控制器和位于机械臂上不锈钢盒中的副控制器控制。所有控制任务都可以在控制面板上操作，控制面板距离机械臂距离可达3公里，避免了操作员处于强辐射环境。

2.1.3 DENAR-41长臂机器人

a-1核电站退役需要对地下存储罐进行净化处理。DENAR-41长臂机器人应用于存储罐尺寸大，但是口径小，常规机器人无法进入的环境。DENAR-41是一种长臂液压机器人，有7个自由度，固定在一个轴承结构上。机械手本身由一个带有旋转柱的垂直装置和三个倾斜臂组成。垂直单元固定在轴承结构上，可以围绕垂直，轴旋转的柱子被插入到存储罐中，倾斜臂附在柱的底部，这样的设计可以到达存储罐内部的任何点。DENAR-41型机器人配有视频监控系统，方便操纵员了解罐内情况，方便进行切割、净化、清淤等工作任务。

2.2 日本核退役机器人的应用

2011年4月12日，日本由于发生9.0级大地震导致福岛核电站发生核泄漏事故。在事故发生后，国际社会为事故救灾和辐射处理提供了很大帮助，开发多种现代机器人进行核事故处理工作[4]。

Honeywell公司研发的T-Hawk型无人机主要进福岛核电站的物理环境和辐射检查任务。当福岛核电站发生核事故后，大量核燃料暴露在环境中，周围的辐射剂量很高，人员无法进入到现场勘察。利用T-Hawk型无人机对辐射区域进行环境和辐射信息采集，大大降低了人员受辐照等风险。i-ROBOT研发出的PackBOT型机器人被用于进入福岛核电站内部，获取内部不同区域的图像、温度、辐射水平等信息，根据获取的信息判断工人是可以反应堆内部的。Quince型机器人的所有部件是防辐射加固的，整机具有防水防震功能，在福岛核事故后先后多次进入反应堆内部环境探测，为评估核事故处理提供了大量的数据[5]。

3 核退役机器人的技术发展

核电厂的退役是一项长期、非常复杂和具有挑战性的项目，核退役机器人的应用过程中仍面临许多问题和困难，需要不断发展先进的技术提高核电站退役的安全性和经济性。核退役机器人的技术发展需要从以下几方面突破：

3.1 耐辐射机器人的模块化、标准化制定

不同核电厂退役需求不同，需要开发不同功能的核退役机器人，对于其他退役核设施不适用。因此，需制定核退役机器人的相关标准，核退役机器人模块化组装，这样可大大降低核退役机器人的研发费用，降低核电站的退役成本。

3.2 核退役机器人试验训练系统

核退役机器人在投入使用前，都需要通过严格试验功能验证。同时，核退役机器人操纵员需要对退役机器人进行操作熟悉，以提高退役机器人工作效率。日本福岛事故后，成立远程技术开发中心进行福岛退役的技术开发。该中心主要对机器人在避障、攀爬、防水等功能进行测试。未来，随着虚拟现实技术和3D技术的成熟，可开发更加高效的训练系统，将核电厂内部的环境纳入训练系统，为操作员提供更加真实的模拟环境，提高核退役机器人的可靠性。

3.3 辐射环境下的通信技术

辐射环境下，无线通信的可靠性会大大降低，一方面是通讯设备的耐辐射能力弱，另一方面厂房内环境恶劣，将直接影响操作核退役机器人的准确有效。因此，应针对核辐射和厂房屏蔽环境下，开发耐辐射的通信设备和低延时、无中断等性能的通信技术。

4 结论

我国的核电站退役研究还处于初期，核退役机器人还未形成产业化发展，未来必将具有广阔的发展前景。文中在对核退役机器人的应用进行分析的基础上，总结出未来我国核退役机器人的技术需求：一、耐辐射机器人的模块化、标准化的制定;二、以虚拟现实技术、3D扫描技术等为基础的核退役机器人试验训练系统;三、在辐射环境下的无线通讯技术。

【参考文献】

[1]曹俊杰，陳戏三，我国核电厂退役现状及思考[J].科技视界，2019.

[2]宋学斌，核设施退役实践[M].中国原子能出版社，2013

[3]Stanislav Capuska， Stefan Brecka， Stanislav Kosnac，Jozef Martinkovic， Manipulator Robotics in Use for Decommissioning of A-1 Nuclear Power Plant， 12th International Conference on Advanced Robotics， 2005.

[4]Nagatani K， Kiribayashi S， Okada Y， et al. Emergency Response to the Nuclear Accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plants using Mobile Rescue Robots[J].Journal of Field Robotics. Journal of Field Robotics. 2013，30（1）：44-63.

[5]钱辉环，徐扬生，徐文福.核环境下遥操作机器人的研究现状与关键技术[J].Proceedings of the 32nd Chinese Control Conference July 26-28，2013，Xian，China.