中广核研究院：创新升级 提升我国核电站智能运维水平

文/潘慧 陈敏翼

[导语]

中广核研究院有限公司（以下简称“中广核研究院”）是中国广核集团科技研发、专业技术服务、高端装备制造专业化平台，紧密围绕集团发展战略、服务集团未来发展，聚焦以新堆型和核燃料为代表的未来先进生产力开展科技创新，实现关键核心技术自主可控，推进科技成果向应用端的转化，为集团发展提供有竞争力的产品和技术。在今年广东省科技创新大会上，中广核研究院“核电站高效安全换料大修机器人关键技术与智能装备研发及应用”项目荣获2021年度广东省科技进步奖一等奖。

荣获2021年度广东省科技进步奖一等奖

《广东科技》：恭喜贵公司“核电站高效安全换料大修机器人关键技术与智能装备研发及应用”项目荣获2021年度广东省科技进步奖一等奖。请介绍你们的获奖项目及其科研团队的基本情况。

中广核研究院：谢谢！中广核研究院有限公司（原中科华核电技术研究院有限公司，于2015年10月28日正式更名），隶属于中国广核电力股份有限公司（01816.HK），是中国广核集团的国家级企业技术中心，也是国家能源核电站核级设备研发（实验）中心、国家能源先进核燃料元件研发（实验）中心的建设依托单位。公司注册资本金23.36亿元，设有7个专业研究所、2个基础研究所（平台）、2个研发项目部，此外还设有实验堆工程项目部（科研项目管理支持中心）及南方中心筹建办公室，办公区域遍布北京、深圳、上海、成都、阳江等地，拥有各类专业科技人员1400余人。

中广核研究院主要研究方向包括核电新堆型、燃料及相关关键技术和设备的研究开发、新能源等技术的研究开发，主要业务领域是科技研发、专业技术服务，高端设备制造和核能综合利用。中广核研究院拥有一批国家级、省市级科研平台，如国家能源核电站核级设备研发中心、国家能源先进燃料元件研发（实验）中心、国家认定企业技术中心、国家高新技术企业、深圳市核电安全与仿真工程技术研究开发中心、深圳市核反应堆安全重点实验室和深圳市核电行业机器人关键技术工程实验室。中广核研究院前后承担国家863计划项目“核反应堆专用机器人技术研究”国家973计划项目“评估与鉴定核电站紧急救灾机器人”，国家能源局项目“应急救援探测及多功能作业机器人”“燃料棒应急更换机器人”“水下焊接机器人”等国家级和省部级重大科研项目40余项，突破多项特种环境机器人系统研制关键技术，获得省部级以上科技奖项累计30余项，承担国家级标准编制超过150项。

中广核研究院换料机器人

中广核研究院荣获2021年度广东省科技进步奖一等奖证书

中广核研究院监测机器人

此次获奖项目“核电站高效安全换料大修机器人关键技术与智能装备研发及应用”，针对我国核电换料大修过程中采用的特种机器人整体工艺设计先进性不高、智能化程度低、缺乏鉴定标准等问题，在国家863、973计划支持下，基于新工艺、智能化、高可靠性、高安全性与高效率的思路，提出了一种安全高效的一次偏置全自动换料新工艺，发明了面向操作对象安全的载荷保护与重量补偿方法；提出了一种辐照环境受限空间下的数字化全自动测量技术，建立了复杂核环境下的应用环境评估与装备可靠性评价技术体系，并通过创新集成，研制了6套核电特种机器人，在国内30多个核电站获得批量应用，赢得广泛赞誉。

该项目研发团队成员由多名国家级/地方级高层次人才组成，通过项目为合作高校培养了大批硕士、博士等高质量人才。团队通过“大师讲堂”、定期举办学术论坛等方式将基础科学前沿技术引入到科研工作中，形成了一套完整的、适用于核电领域的机电一体化及机器人学科体系；积极参与国内外学术论坛，分享最新的科研成果，有效提升团队在该学科领域的影响力。在科技部指导下，研究院联合国内相关单位共同发起成立了核电智能装备与机器人技术创新联盟，吸引了国内80多家高校、高端制造企业参与其中，充分发挥了产学研优势，有效提升了我国核电领域的装备制造水平。团队所在机构先后被授予国家能源局不可接近设备研发中心、深圳核电作业机器人关键技术工程实验室、国家发改委工程技术中心等国家和省部级工程研究中心称号。

经过十年的艰苦努力，该团队已成为一支被国内外同行广泛认可、年龄和知识结构合理、研究工作具有鲜明特色、团结协作富有朝气、创新能力强、科研成果突出的创新团队。

核反应堆专用机器人技术取得重大进展

中广核研究院压力容器无损检测机器人

中广核研究院整体螺栓拉伸机

中广核研究院燃料自动传输装备

《广东科技》：贵院科研团队当初为何选择此技术作为课题的研究方向？该项目的创新思路和主要内容、解决的难点问题（创新点）及意义是什么，取得了哪些重要科研成果，经济和社会效益如何？

中广核研究院：中国是核电大国，在建和在运装机容量达到80多台。核电站需定期换料大修，换料大修每节约一小时，每年可以为中国核电带来2000多万元的发电收益。高效安全智能装备可缩短大修关键路径，在该领域欧、美、日等国家和地区处于垄断地位，国内基本依赖国外进口设备或人工作业，且存在“卡脖子”问题。从“十二五”开始，我院研究团队坚持习近平主席提出的“理性、协调、并进”的中国核安全观，将核电高端智能装备自主化研发、提高我国核电核心设备智能化水平作为主攻方向，将维持核电站长期安全稳定运行、实现从核电大国向核电强国转变作为自己的目标任务。

本次获奖项目基于新工艺、核安全、智能化和高可靠的思路，提出了4个技术创新点，成功研制了6款机器人，取得了系列引领行业的创新成果。

一是提出了一种安全高效的一次偏置全自动换料新工艺。针对核燃料组件布置紧凑且易破损、装卸料难度高的问题，采用水平方向高效同步驱动工艺设计、零间隙双臂伸缩串联机构、基于二维数组技术的智能换料算法等，实现了狭窄空间下核燃料组件精准定位与精细操作新工艺要求，每次节省换料时间超过17小时以上。

二是发明了面向操作对象安全的载荷保护与重量补偿方法。针对机器人作业对象安全性要求高的问题，建立了燃料组件单端翻转的“重心－拉力”力学模型，在国际上首次提出了全行程跟踪重心位移变化的动态载荷保护算法；设计了双伺服耦合驱动、自适应实时对中的重载螺栓重量补偿模型，提出以实时负载和螺栓旋转速度为反馈的螺栓重量补偿算法。

三是提出了一种辐照环境受限空间下的数字化全自动测量技术。针对辐照环境受限空间下的拉伸量测量自动化程度低的问题，国际上首次开发了测量数据二次封装传输并远程重解读的全自动拉伸量测量系统，实现狭窄空间远程自动取放及拉伸量实时精确测量。

四是建立了复杂核环境下的应用环境评估与装备可靠性评价技术体系。针对智能运维装备在核电复杂环境下的动态作业性能及高可靠性保障问题，建设典型应用环境测试平台并开展设计验证、功能验证和操作验证，开发并建立了环境评估和动力评价的核电智能运维装备可靠性评价方法体系。

该项目单次换料大修可缩短关键路径30余小时，直接发电收益超1300万元。培养“大国工匠”1人、国家/地方级领军人才11名，为合作高校培养了20余名博士、40余名硕士。获得授权发明专利110余项，软件著作权6项，行业标准5项，论文43篇。叶奇蓁资深院士组织项目成果的鉴定会认定“项目总体技术水平达到国际领先水平，关键指标优于国外同类设备，具有良好的经济和社会效益”。项目实现累计供货合同额超过150亿元，近3年产值近70亿元，新增利润10亿元。获得广东省科技进步奖一等奖1项、中国专利优秀奖3项、深圳市科技进步奖一等奖1项、2021年中国核学会核科技成果奖一等奖1项、中广核集团科技进步奖一等奖2项。研发成果多次被中央电视台以及国内外权威刊物进行专题报道，并在美国时代广场进行了播报，获得了各方的高度认可。

在项目实施期间，日本发生了福岛核事故，这是继切尔诺贝利核事故后，对世界核电发展的又一次影响深远事件，对世界核能持续发展有着深远的警示意义。作为项目主管单位的科技部，对该项目立项背景中提出的采用先进机器人技术提升我国核电运维能力、提高核安全水平的前瞻性眼光给予了高度赞扬。科技部官网以“我国核反应堆专用机器人技术取得重大进展”为题进行了报道，认为项目成果“将为我国核电站核心设备的安全检测与运行维护提供重要的技术支撑与作业装备，对打破国外垄断，推动我国核电站核心设备自主化与国产化，实现我国核电站生产、运维装备与技术的升级改造，提升我国核电站生产的安全保障水平具有重要意义。”

为我国核电事业发展注入源源不断的动力

《广东科技》：接下来，贵院将继续开展哪些攻关研究。

中广核研究院：随着新版核安全法的实施和国内核安全监管力度的加强，核电站的重要设备运维水平将整体提升到新的高度，技术水平也将成为运维水平提高的重要制约。智能机器人在核环境下应用，可显著降低检修人员的受照剂量，实现核电ALARA目标（合理可行最低），并满足核法规的要求。因此，智能化核电运维装备是核电产业健康发展和安全运行的重要保障，是国家核电发展战略的重要组成部分。

我院研发团队根据国内外核电站多年的运行经验反馈并梳理核电站目前面临的迫切需求和现状，拟在高放射性部件自动更换作业、放射性环境设备拆解处置作业、反应堆压力容器自动化检修、堆内构件典型重大异常缺陷检测修复与评估、蒸汽发生器及稳压器重大异常缺陷检测修复与评估等领域开展重点研究，开展核运维装备机构创成理论及设计方法、核复杂环境混合传动特性及行为、控制系统科学及仿真研究、耐辐照机器人多功能控制板卡、高效可靠控制算法研究、临场感仿真技术、多传感器信息智能融合技术、机器学习与人工智能、人机共享操作技术及评价标准、多机协同技术、机电系统辐射失效机理及防护技术等共性关键技术攻关，完成设备样机设计及试制，在模拟试验平台进行试验验证，最终形成满足现场使用要求且性能可靠的成熟产品，推广应用至核电站现场，满足核电站日常运维和应急处理需求。

预计在未来两年内，研发团队将形成5套核电运维和应急处理装备，申请高价值发明专利50件，发表高水平学术论文20篇，培养博士5名、硕士15名，为我国核电事业的发展注入源源不断的动力，为中国核安全的健康、良性、持续发展提供设备和人才保障。