核电厂退役机器人的技术研究
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【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。 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，Xi’an，China.
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