核電站應急機器人

核電站應急機器人是指在核電站發生意外緊急情況時能夠適應現場特殊環境並對現場進行處理的機器人。核電產業的快速發展和核安全要求的日益提高，日益顯現出對核電站應急回響機器人研發的迫切需求。核電站應急機器人涉及的電氣部件耐輻射技術、機器人系統耐輻射技術和系統可靠性技術等都是應急機器人的關鍵技術。

基本介紹

• 中文名：核電站應急機器人
• 外文名：Nuclear power plant emergency robots
• 類型： 機器人
• 地點： 核電站
• 領域 ：能源
• 學科： 核能

簡介

目前在世界上有超過450個核電站，其中有210個在歐洲。歐洲約三分之一的電力供應，美國約20%的電力，日本約25%的電力供應均來源於核電。由於化石能源產生的溫室效應，核電站的總裝機容量呈持續上升趨勢。

在核工業套用領域，由於設備本身或其運行環境具有放射性，人員操作存在安全風險或操作受限等情況，而採用機器人進行設備檢修、放射性廢物處理、應急回響等工作，一方面降低了用於人工防護設備的成本及管理成本，另一方面降低了工作人員受輻照劑量和勞動強度。隨著核電站裝機容量的不斷擴大，對機器人套用的需求將日益迫切。

對核電站應急情況而言，在輻射環境下發生事故是個潛在的危險，需要研發一個快速回響應急監測的工具，用於對現場劑量率進行監測，儘快確認現場狀況及故障起因，為儘可能快的進行救援提供參考信息。無論是日本1999年的JCO臨界事故還是福島核事故，都暴露了應對緊急情況時的措施乏力，其中一個原因就是對現場狀況不明，影響了執行救援的及時性。一直以來，研發人員們都在根據新的設計需求不斷地研發核電站特定環境下的機器人系統，以滿足更加嚴苛的現場需求。

核電站應急機器人套用現狀

核電站對應急機器人的要求是如果要對核設施緊急情況採取措施，首先需要了解現場的狀況。由於在事故現場人工收集環境信息存在輻射和爆炸風險，所以採用遠程控制進行監控是非常有必要的。機器人需要在現場非結構化環境中行進，同時配備視頻系統等工具，並將相關採集信息進行回傳到遠程操作台。核電站現場設施周圍環境條件複雜，有很多類型的設備，從而對機器人設計提出了諸多要求，尤其是在核電站應急情況下，必須充分考慮到機器人可能面對的各種狀況。機器人規格設計需要考慮如下方面：

（1）環境灰塵較大，γ輻射劑量率高；

（2）機器人為模組化設計，便於快速維護、更換部件，及清洗去污處理；

（3）溫度變化範圍為-10℃～30℃，可能出現水流，形成小水坑；

（4）現場門入口尺寸受限，必須考慮機器人最小尺寸便於安全通過；

（5）機器人可以爬40度斜坡，地面淨空高度在合理範圍內；

（6）速度範圍為0．3～3m/min，在全負荷下的制動距離不超過3mm；

（7）可以爬樓梯、翻越障礙、開門、搬運現場物品等；

（8）機載多個相機，用於觀察路徑或工作區域，焦距長度在0．5～10m之間；

（9） 照明設備在10m 範圍內照度為120lx；

在很多情況下，尤其對機器人套用，這些條件都會因為切割、焊接、鑽孔作業進行混合，會比類似非核套用的機器人環境更為惡劣。

機器人系統設計面臨的挑戰

（1）輻射防護。需要考慮的主要輻射類型是γ、α、β和中子，α輻射主要和表面塗層、線纜材料有關。中子輻射對某些類型的電子部件影響很大，但中子水平在運行反應堆外一般很低。α和β輻射都可以通過相對薄的外殼進行有效禁止，γ射線是對電子、電氣和機器人部件最有影響的射線。目前機器人技術和電子電路技術取得飛快進展，但由於可靠性等原因對核工業領域影響有限。而且，如果通過鉛板禁止加固防護意味著加大重量，反而降低了機器人的靈活性和機構穩定性。

（2）遠程操作和人機互動接口。在機器人和操作人員之間存在一定距離，這樣就需要操作人員有足夠的感知力和操作技巧，有效完成遠程操作。虛擬現實技術可以輔助完成路徑規劃可視化、動作執行前的預覽、操作培訓等功能，使操作更安全，而且易於使用。

（3）通信系統。機器人終端和遠程操作台之間存在大量的圖像數據和信息傳輸，需要提供足夠的通信頻寬和穩定性。由於現場環境的複雜性，採用主線纜連線可能會出現線纜卡住的情況。採用無線通信，則存在現場建築物禁止等問題，而且電磁波多次反射，延遲會累積，對實際效果帶來影響。

（4）系統集成。由於現場環境的複雜性（狹小空間，很多障礙物），機器人需要體積小重量輕而且易於操作，可以攜帶重工具進行工作。此外，還有高功率、機構剛度、電池性能等要求。

（5）系統運行性能，包括移動性能和執行任務的性能，影響因素較多，包括機構設計、感測器感知能力、控制系統回響能力等。

應急機器人研發現狀

一直以來，各國的研發人員都在根據新的設計需求研發核電站事故應急用機器人，以滿足現場的各種具體需求。下面結合車諾比、日本JCO、福島核事故之後的研發機器人進行描述。

（1）車諾比核事故

在1986年發生的車諾比事故中，投入了一批機器人用於清理高放射性現場的垃圾。一個德國機器人只持續了7分鐘，輻射就摧毀了機器人機載的電子部件，使其喪失了工作能力。後續投入的Mobot－ChHV 裝備有電機組件，不配備電子部件，用於清除屋頂上的放射性垃圾。車諾比事件激勵一些研發人員更多地投入到遠程操作機器人技術上來。其中，卡耐基梅隆大學的一些研究人員成立了RedZone機器人公司，用於研發危險環境下的遠程機器人技術，並成功完成了ROSIE、Pioneer等機器人系統。以Pioneer為例，該機器人為全電控的履帶車輛，採用模組化設計，用於核事故後處理操作，主要針對車諾比核電站4號機組內部狀態進行記錄。Pioneer機器人由拖動車輛和中心升降桿（1.4m高）構成，攜帶有遠程視頻系統、取樣工具、機械手臂、感測器（γ/中子劑量感測器、溫濕度感測器）等，機械手臂為6自由度機械手，在最大臂展1.68m時提供45kg的負荷能力。控制電路採用禁止盒進行防護，每個攝像頭採用1.25cm 的鉛板。機器人系統可在劑量率5-10Sv/h的場合下承受高達10kSv的劑量。

（2）JCO臨界核事故

1999年9月日本發生JCO核臨界事故，由於人員在高輻射水平下操作受限，過了一定時間才得到事故信息，然後終止臨界反應。為此，日立、東芝、三菱重工、日本原子能研究院JAERI等研製了各種緊急救援用的機器人系統。JAERI研發的RaBOT耐輻照機器人，是一款帶有雙手臂的移動機器人，基本配置為4個獨立控制的履帶、7個CCD相機（布置在頂端雲台、兩側、後側和機械手末端）、2個機械手臂，總重量約430kg。RaBOT 通過移動貨櫃進行有線或無線控制，無線操作採用2．4GHz無線通信系統，使用中繼器提供通信區域。RaBOT 可以在γ輻射達105Sv、劑量率10Sv/h的現場下工作，爬行40度斜坡，完成開關閥門、開關門、樣品收集等操作。該機器人的電子部件如CCD相機、控制設備等採用模組化，可以在事故現場進行遠程更換。東芝公司研發了兩種移動機器人SMERT－M 和SMERT－K，用於迅速到達緊急區域收集信息。SMERT－M 是雙履帶機構的移動機器人系統，裝備有感測器單元、伸縮桿機構、多軸機械手臂和運載SMERT－K 的斜坡。感測器包括有輻射監測（γ射線、中子）、溫濕度感測器、氧氣/氫氣濃度、CCD/紅外相機和耐輻射相機。SMERT－K 為小型的輪式機器人，可以在狹窄空間內迅速靈活移動。三菱重工同樣採用履帶機構研發了MARS－A/T機器人。主要指標為：最大斜坡角度40度，行走速度2km/h；環境條件：最高溫度50度，最高濕度100%，在10Sv/h環境下可運行數小時，根據累計劑量可以更換控制單元；控制信號和供電連線通過10mm直徑的線纜傳輸，帶有自動卷收線纜系統。核安全技術中心研發了環境監控機器人，用於收集事故點的信息，輔助確定輻照防護措施。機器人由貨櫃卡車運輸到現場，貨櫃內配備有發電機、操作室（機器人控制單元、搖桿手柄、通信單元、視頻顯示等）。日立公司的SWAN 機器人尺寸為620mm×960mm×1700mm，重量約330kg，可以攀爬0.2m高的樓梯，執行開關門操作、開關閥門操作、氣體取樣、水取樣等操作。機器人配備6自由度機械手及氣動操作工具，臂展0.9m，最大負荷100N。遠程操作台提供搖桿方式的操作，和機械手操作界面。同時提供2套多視頻監視器和頭戴式立體視頻，用於監控遠端操作。

（3）福島核事故

日本2011年3月11日發生了東部地震，隨之即來的就是福島核電站事故。由於現場為高放射性區域，人員無法進入，美國、瑞典和日本均先後派遣機器人抵達核電站實施救援工作。美國iRobot公司的packBot機器人主要用於監測1、2、3號機組室內室外的狀態監測，可以拍攝圖像、記錄輻射劑量、溫濕度、氧氣濃度等物理量。PackBot外形尺寸約為700mm×530mm×180mm，重約35kg，最大速度9.3km/h，最大不間斷續航時間為4h。此外，PackBot可以提供傾翻自調整、通信自恢復、GPS定位等功能。

核電站機器人關鍵技術分析

1　耐輻射技術

機器人系統需要在放射性環境中或是對放射性部件本身進行檢查或操作，而機器人系統中包含有電子部件，可能會被γ輻射和放射材料釋放的其他粒子所損害。除了離反應堆很近的距離範圍外，γ輻射是能影響材料和電子線路的主要輻射來源。γ射線是對電子、電氣和機器人部件最有影響的放射性粒子，需要提供足夠的鉛板，才能有效防護，但在很多情況下增加鉛板會帶來過多的額外重量，以60co為例，需要4cm厚的鉛板，137Cs需要2cm厚的鉛板禁止來削弱同樣的輻射。對輻射固化的研究分析表明，電子器件的耐輻射性能與總劑量、劑量率都有關係。γ輻射的劑量率和總劑量在核電廠範圍內變化很大，一些場合的輻射密度和劑量比較低，這些場合下可以使用常規部件（或積體電路），在其他場合下（如在反應堆壓力容器內的操作），劑量率可能達到每小時幾百個Sv，這時需要做一些特定的防護。

2　系統可靠性

核電站應急回響機器人系統通常工作在危險區域，由於這些系統失效很難維修，導致維修時間較長，所以需要確保系統的高可靠性。目前，遠程控制機器人的先進技術在核工業領域套用比較慢，其中一個原因就是新技術缺乏相應的可靠性驗證。系統的可靠性更多地取決於設計可靠性、遠程通信和人機互動使用的可靠性。

從機器人控制系統可靠性設計的角度，JaeKwon　Kim等人將控制系統劃分為三個層次的結構，從控制器、主控制器和監控單元。從控制器設計為冷備份的雙處理器和雙CAN通信機構，確保高可靠性，放置在最危險區域，用於現場信息反饋和執行機構動作。主控制器採用實時作業系統，放置在現場區域，和從控制器一同構成反饋控制閉環。主控制器通過乙太網線將機器人狀態信息傳輸到監控單元。監控單元放置在安全區域，向主控制器傳送命令。為了實現可靠的遠程系統，需要高可信的視頻、可靠而且連續的通信。機器人依賴於操作人員的連續、低層次命令輸入，而對通信故障的應對很有限。操作人員有可能會因此失去對車輛的控制，所以機器人需要配備看門狗系統，用於監控通信連線的狀態。DavidJ．Bruemmer等人對遠程操作任務中的人機動態互動和主從策略進行了分析，提出了新的混合控制結構，將人機互動分為4種模式，從基本的遠程指令操作、機器人的局部自治到全自治行為，在不同的運行狀況下可以採用不同的人機互動模式，這樣就有可能實現在失去通信的情況下通過機器人的自主行為來恢復通信連線。

此外，操作人員必須和機器人控制器之間進行精確的三維的任務定量數據互動。遠程操作控制的關鍵一點，就是操作人員能夠準確、可靠的就後續操作進行必要的判斷。通用方法是，操作人員應根據遠程現場和機器人或機械手臂的模型，使用本地計算機進行遠端現場的整體建模。一旦得到了足夠的模型信息，就可以將預期指令傳遞給控制計算機進行演練。

即使不是對機器人進行實際操作，操作人員也可以操作遠程系統的3D定量模型，這就使得操作人員可以嘗試在非實時狀態下進行動作演練，在確認預定操作安全有效後才將軌跡點和控制信號轉遞給遠端現場。

目前已有多個國家進行了機器人遠程互動仿真技術的研發。法國Laurent　Chodorge等人研發了CHAVIR 軟體仿真工具，幫助核電站用戶對人工操作進行模擬，該軟體可以讀入CAD實際模型，對劑量率進行評估，也可以執行純機械模擬，模擬實際場景並確認位置可達性。Sandia國家實驗室使用商用仿真工具及擴展模組，結合圖形編程接口進行環境建模編程，將系統配置、環境需求和操作集成到系統視窗，完成互動過程的物理仿真。

總結

隨著核電產業的較快發展和核安全的需要，尤其是日本福島核事故發生後救援不利的情況，日益顯現出開發核電站特定環境下機器人替代人工進行核電站應急回響的需求。結合核電站環境條件分析了核電站應急機器人的設計需求和面臨的主要問題，綜述了以往核事故之後國際上對核電站應急機器人系統的研發進展及實用情況，並就各國研究人員針對核工業領域套用對普通商用機器人的改進做了總結。就核電站應急機器人涉及的關鍵技術，包括部件耐輻射技術、系統耐輻射和系統可靠性技術進行了具體分析。目前，我國的機器人技術相比其他國家而言比較落後，而且在核電站機器人領域仍處於起步階段，亟須加大在核電站應急機器人方面的研發力度，並從耐輻射技術、系統可靠性技術等方面進行相關技術研發。