機(jī)器人可以在核能領(lǐng)域發(fā)揮多種作用，特別是在核電站退役和場地去污方面。最近，機(jī)器人領(lǐng)域的一系列新的進(jìn)展，不僅顯示了機(jī)器人技術(shù)在核能方向的光明前景，而且也為核企業(yè)招聘新一代工程師提供了一條思路。

1、核退役

核退役是一個發(fā)展勢頭不斷增長領(lǐng)域，全世界439座核反應(yīng)堆中，有相當(dāng)一部分電廠接近退役年限。

在全球范圍內(nèi)，有199座動力堆已經(jīng)關(guān)閉，但只有21座完全退役。

國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)預(yù)計(jì)，到2030年，2020年的12-25%的核電發(fā)電能力都將退役。

雖然現(xiàn)有的退役方法或多或少足以完成這項(xiàng)任務(wù)，但隨著技術(shù)創(chuàng)新不斷進(jìn)步，正在發(fā)展更快、更安全、更具成本效益的工作方式。

這其中，數(shù)字技術(shù)與機(jī)器人和無人機(jī)相結(jié)合，為提高工作效率和降低操作員風(fēng)險提供了巨大潛力。

2、IAEA核退役調(diào)查

今年2月，IAEA對核退役的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，越來越多的國家傾向于立即拆除退役核設(shè)施。

IAEA退役和環(huán)境修復(fù)科科長奧列娜·米科萊丘克(Olena Mykolaichuk)解釋說：“以前，許多退役計(jì)劃選擇推遲退役設(shè)施的拆除，但現(xiàn)在的全球主要退役戰(zhàn)略為，立即拆除設(shè)施。”

鑒于最近運(yùn)行的核電站，與幾十年來一直處于關(guān)閉狀態(tài)的核電站相比，活動水平有所增加，這一要求也成為遠(yuǎn)程技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)使用的額外驅(qū)動因素。

新興技術(shù)，再加上越來越多地使用機(jī)器人和無人機(jī)，有可能提供更有效的項(xiàng)目實(shí)施和風(fēng)險降低。

IAEA退役和環(huán)境修復(fù)科的退役專家泰蒂亞納基洛奇茨卡(Tetiana Kilochytska)告訴NEI，“退役界越來越多地介紹和討論機(jī)器人技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的使用。”

作為調(diào)查的一部分，IAEA向50多個國家發(fā)出了一份全球退役戰(zhàn)略調(diào)查表，并評估了這些答復(fù)，以及來自IAEA動力反應(yīng)堆信息系統(tǒng)(PRIS)、研究反應(yīng)堆數(shù)據(jù)庫(RRDB)和綜合核燃料循環(huán)信息系統(tǒng)(iNFCIS)的數(shù)據(jù)。

IAEA在三年內(nèi)還主辦了一系列技術(shù)會議，來自約20個國家的數(shù)十名專家以及經(jīng)合組織(OECD)和歐洲聯(lián)盟委員會的核能機(jī)構(gòu)參加了會議，交流經(jīng)驗(yàn)并提供反饋。

IAEA開發(fā)了一種無人機(jī)新技術(shù)，供日本福島縣在污染地區(qū)進(jìn)行放射性測量。(照片：福島縣)

管理事故現(xiàn)場的國家，如日本，正在使用創(chuàng)新的機(jī)器人技術(shù)和遠(yuǎn)程檢查工具來定位和表征燃料碎片，以回收和處理這些材料。

3D建模或建筑信息建模(BIM)、虛擬現(xiàn)實(shí)和遙控(包括無人機(jī)和機(jī)器人)等技術(shù)也越來越多地應(yīng)用于設(shè)施退役。

這些技術(shù)能夠更有效地收集、理解、顯示和管理數(shù)據(jù)，從而在拆卸和去污活動的規(guī)劃和準(zhǔn)備過程中可視化不同的場景。

幫助領(lǐng)導(dǎo)IAEA項(xiàng)目的瑞士聯(lián)邦核安全監(jiān)察局的漢內(nèi)斯·漢吉(Hannes Hanggi)說：“將BIM與GPS或位置感知Wifi網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以部署半自主或完全自主的機(jī)器人系統(tǒng)和無人機(jī)，它們有可能大幅降低成本，進(jìn)一步提高安全性，并提高退役項(xiàng)目的性能。”

3、切爾諾貝利和福島的教訓(xùn)

幫助清潔切爾諾貝利核電站的Mobot-h-hv專用設(shè)備(圖源：viacheslav_petrusha)

基洛奇茨卡告訴了NEI，切爾諾貝利和福島事故如何影響了機(jī)器人技術(shù)在退役中的使用。

她指出：“在烏克蘭，1986年4月切爾諾貝利核電站4號機(jī)組發(fā)生事故幾年后，開展了研究和開發(fā)機(jī)器人技術(shù)的活動，用于受損設(shè)施內(nèi)的不同用途。由于電廠內(nèi)部的高暴露劑量和放射性氣溶膠的濃度，采用機(jī)器人技術(shù)的方法似乎非常有應(yīng)用前景，例如，用于描述場所和放射性材料的采樣。這將減少參與工人遭受的輻射劑量，并幫助規(guī)劃進(jìn)一步的行動。”

然而，這其中也存在著挑戰(zhàn)。

機(jī)器人無法移動，因?yàn)楹穗姀S內(nèi)部表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜——大量建筑垃圾，沒有移動空間——而且極高的暴露劑量影響了電子設(shè)備。

基洛奇茨卡補(bǔ)充說：“如果機(jī)器人設(shè)備停止工作或卡在裝置內(nèi)部的某個地方，將它們帶回來非常困難，有時也很危險。已經(jīng)有一些機(jī)器人因故障無法移動，丟在了切爾諾貝利核電廠內(nèi)。”

盡管如此，目前已有計(jì)劃在日本福島使用機(jī)器人設(shè)備。

開發(fā)福島用機(jī)器人的主要機(jī)構(gòu)是國際核退役研究所(IRID)，該研究所于2013年緊急成立，旨在升級和開發(fā)福島第一核電站的退役技術(shù)。包括為不同目的開發(fā)、測試和使用一系列機(jī)器人。

此外，總部位于美國的雅各布斯(Jacobs)設(shè)計(jì)并制造了一種機(jī)器人工具，以獲取受損反應(yīng)堆的關(guān)鍵信息。

使用機(jī)器人在福島核電現(xiàn)場采集樣本，以幫助確定退役材料的特性(圖源：Jacobs)

它將收集安全殼底部的卵石狀碎片。該原型通過了三菱重工(MHI)極其嚴(yán)格的工廠驗(yàn)收和性能測試，MHI是該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者，預(yù)計(jì)將建造一個防輻射版本用于部署。

雅各布斯能源、安全與技術(shù)高級副總裁凱倫·維梅爾特(Karen Wiemelt)說：“這是我們?nèi)绾螌?chuàng)新工程和深入的核知識結(jié)合起來，幫助退役機(jī)構(gòu)將放射性遺留場地轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珗龅氐囊粋€主要例子。”

機(jī)器人必須足夠小，才能進(jìn)入受損的安全殼，并通過桶式回收裝置來收集尺寸達(dá)10mm的沙子和卵石。

碎片的確切性質(zhì)目前尚不清楚，對回收碎片樣本的檢查將為退役的下一步提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)表明，遠(yuǎn)程操作員在內(nèi)置攝像頭圖像的引導(dǎo)下，將裝置插入安全殼并取回碎片樣本所需時間不超過8分鐘，從而將輻射損傷對裝置的影響降至最低。

“日本政府和東京電力公司(TEPCO)計(jì)劃在2022年底前對福島第一核電站2號機(jī)組反應(yīng)堆內(nèi)的燃料碎片進(jìn)行回收測試。” 基洛奇茨卡說。

日本福島第一核電站，全副武裝的東電員工在存放核燃料棒的燃料池前視察。

“為此，TEPCO一直在與英國合作建造一個機(jī)器人手臂，該機(jī)器人手臂已經(jīng)抵達(dá)日本。目前正在進(jìn)行評估測試，一旦完成，它將被放置在一個模擬設(shè)施中進(jìn)行碎片回收培訓(xùn)。此外，各種遠(yuǎn)程控制設(shè)備正在用于監(jiān)控高劑量區(qū)域的情況，如反應(yīng)堆內(nèi)部。”

日本原子能機(jī)構(gòu)高級退役科學(xué)合作實(shí)驗(yàn)室(CLADS)燃料碎片處理部門的Tadahiro Washiya表示，回收燃料碎片是福島第一核電站退役工作中最具挑戰(zhàn)性的部分。

Washiya說：“對受損1號機(jī)組[F1]的調(diào)查是通過機(jī)器人和遠(yuǎn)程檢查工具進(jìn)行的;然而，在了解燃料碎片的狀況方面存在許多不確定性，包括其成分和機(jī)械性能。”

俄羅斯圣彼得堡赫洛賓鐳研究所(Khlopin Radium Institute)的鮑里斯·布拉科夫(Boris Burakov)說，從1986年切爾諾貝利事故中獲得的知識已經(jīng)支持了福島第一核電站的工作，2019年10月，該公司與日本專家舉辦了一次培訓(xùn)研討會，使用了真實(shí)的切爾諾貝利燃料碎片樣本。

“切爾諾貝利樣本的材料研究結(jié)果對于預(yù)測福島第一核電站F1燃料碎片的主要屬性非常重要，”布拉科夫說，因?yàn)閮蓚€地點(diǎn)的燃料碎片有一些相似之處，包括熔巖狀物質(zhì)、熔巖與水接觸產(chǎn)生的多孔燃料以及熱顆粒與燃料和堆芯基質(zhì)。

4、吸引專業(yè)人才

IAEA眾包挑戰(zhàn)旨在鼓勵設(shè)計(jì)和運(yùn)營創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)成本效益高、效率高的智能解決方案。
上圖：基于機(jī)器人平臺采集樣本的圖像處理與人工智能相結(jié)合。

由于許多核電站計(jì)劃在未來幾十年內(nèi)關(guān)閉，核工業(yè)將需要更多的專業(yè)人員從事退役工作。

為了吸引該領(lǐng)域的新人才，2020年，IAEA舉辦了一次全球眾包挑戰(zhàn)，從年輕人那里尋求原始概念或項(xiàng)目大綱，以推動核設(shè)施退役或放射性污染場地的環(huán)境修復(fù)。

參賽作品包括特征描述工具包、用于現(xiàn)場測量和收集3D輻射數(shù)據(jù)的儀器以及機(jī)器人和人工智能。

共收到12個國家提交的26份材料，并根據(jù)創(chuàng)新和創(chuàng)造力水平等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評估。

在IAEA選出的五個最佳參賽作品中，有幾個依靠機(jī)器人技術(shù)。例如，印度尼西亞國家核能局(BATAN)的澤尼·安格拉尼(Zeni Anggraini)領(lǐng)導(dǎo)了一個團(tuán)隊(duì)，提出了一個機(jī)器人的概念，用于污染區(qū)域的測繪和監(jiān)測。

他說：“到目前為止，污染的測量僅限于一個小區(qū)域，而且是人工進(jìn)行的。我們希望制造一種機(jī)器人，可以用來避免對工作人員的潛在輻射風(fēng)險。需要在使用機(jī)器人測量和可視化受影響區(qū)域污染的輻射監(jiān)測方法上取得突破。”

無人水面交通工具的獲獎設(shè)計(jì)在芬蘭的洛維薩核電站進(jìn)行了實(shí)際測試。(圖源：IAEA)

另一個以機(jī)器人為特色的提案來自美國。

美國佛羅里達(dá)國際大學(xué)的研究助理丹尼爾·馬丁(Daniel Martin)說：“隨著核工業(yè)的發(fā)展，對新項(xiàng)目專家的需求越來越高。隨著技術(shù)在我們的生活中不斷發(fā)展，對這些領(lǐng)域?qū)＜业男枨笠苍絹碓酱螅鐧C(jī)器人技術(shù)。”

其團(tuán)隊(duì)設(shè)想使用機(jī)器人平臺和人工智能，以幫助防止缺陷發(fā)生在待拆除的設(shè)施中。

與此同時，英國布里斯托爾大學(xué)的博士生艾林霍蘭德(Erin Holland)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提交了加速退役活動的特征描述工具包。

霍蘭德說：“核機(jī)器人技術(shù)是一門快速發(fā)展的學(xué)科，先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)的物理演示有助于使人類操作員更快、更安全地完成核退役。”

他補(bǔ)充說：“該項(xiàng)目的總體目標(biāo)是使舊工廠，如鈾和釷礦石加工廠保持在安全輻射范圍內(nèi)。”

5、野外應(yīng)用

Spot機(jī)器狗已經(jīng)部署在塞拉菲爾德核電現(xiàn)場(圖源：MikeDotta)

塞拉菲爾德(Sellafield)核電站是英國最大的核設(shè)施，也是其核退役工作的重點(diǎn)，正在越來越多地使用機(jī)器人。

Spot這款機(jī)器狗于2021年10月在塞拉菲爾德首次亮相，經(jīng)過三天的成功試用，并在活動區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。

塞拉菲爾德的修復(fù)團(tuán)隊(duì)與總部位于坎布里亞的工程顧問Createc、英國原子能機(jī)構(gòu)(UKAEA)及其美國制造商波士頓動力公司(Boston Dynamics)合作，領(lǐng)導(dǎo)Spot在塞拉菲爾德有限公司的部署。

波士頓動力公司的SPOT機(jī)器人在英國塞拉菲爾德核電現(xiàn)場的部署試驗(yàn)。在這次試驗(yàn)中，
SPOT使用了一臺高清攝像機(jī)、一個伽馬成像系統(tǒng)和一個激光掃描裝置。(圖源：Sellafield Limited)

利用Createc提供的系統(tǒng)，通過激光掃描和伽馬輻射成像收集了有價值的信息。

機(jī)器人穿著UKAEA專門設(shè)計(jì)和制造的防護(hù)服完成了工作，該防護(hù)服保護(hù)機(jī)器人免受任何放射性污染。

塞拉菲爾德有限公司修復(fù)能力開發(fā)經(jīng)理克里斯·霍普(Chris Hope)表示：“這是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)——我們將Spot部署到一個復(fù)雜、雜亂、高度污染的地區(qū)，任務(wù)是捕獲信息。我們捕獲的數(shù)據(jù)質(zhì)量非常高，將幫助我們進(jìn)行退役和廢物規(guī)劃。”

他補(bǔ)充說：“到目前為止，這種類型的調(diào)查依賴于我們的操作員在危險環(huán)境中手動部署設(shè)備，并穿戴全套防護(hù)設(shè)備。這證明Spot可以幫助我們?nèi)祟愡h(yuǎn)離傷害。這使我們能夠讓工人自由地完成其他增值工作。防護(hù)服也發(fā)揮了作用——機(jī)器人由我們的健康物理團(tuán)隊(duì)監(jiān)控和清理，并且能夠離開塞拉菲爾德現(xiàn)場。”

Lyra機(jī)器人被用于在敦雷(Dounreay)核電站測量140米長的地下管道(圖源：曼徹斯特大學(xué))

在英國其他地方，今年，多恩雷場地恢復(fù)有限公司(DSRL)開始與核能機(jī)器人和人工智能(RAIN)合作，開發(fā)第二代機(jī)器人Lyra。

它包括一整套測量措施，包括激光雷達(dá)、多角度攝像機(jī)、輻射探頭以及使用機(jī)械臂采集拭子。

今年2月，機(jī)器人完成了對一條140米長的地下管道的調(diào)查，該管道穿過實(shí)驗(yàn)室之間的中央走廊，提供了有助于退役的有用信息。

DSRL項(xiàng)目經(jīng)理杰森·辛普森(Jason Simpson)說：“現(xiàn)在特征調(diào)查已經(jīng)完成，我們已經(jīng)對管道有了非常全面的圖片分析，這將有助于我們就管道應(yīng)如何退役做出明智的決定。”

OC Robotics 激光蛇形(LaserSnake)系統(tǒng)一直在英國溫弗里思(Winfrith)
核電站DRAGON反應(yīng)堆的高放射性堆芯上工作(圖源：OC Roboteics)

OC Robotics柔性蛇形臂機(jī)器人已被部署用于其高功率切割激光器，幫助英國溫弗里斯的Dragon反應(yīng)堆退役。

它穿過堆芯周圍3米厚混凝土中的一個狹窄孔，穿過連接在反應(yīng)堆堆芯上的直徑為400mm的吹掃氣體預(yù)冷卻器(PGPC)容器。由OC Robotics和TWI利用NDA的研發(fā)資金開發(fā)，LaserSnake允許在現(xiàn)有輻射屏蔽內(nèi)進(jìn)行工作，節(jié)省時間和金錢。

Magnox高級項(xiàng)目經(jīng)理安迪·菲爾普斯(Andy Philps)說：“我們相信這是激光切割技術(shù)首次直接應(yīng)用于核反應(yīng)堆的核心。”

2021年，法馬通公司確認(rèn)了用于

處理和分揀高劑量廢物成分機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行，為提高自動化程度鋪平了道路。

由德國聯(lián)邦教育和研究部資助的虛擬遠(yuǎn)程機(jī)器人(VIRERO)項(xiàng)目開發(fā)了拆除和分類高劑量廢物、包裝放射性廢物后處理，以及處理、儲存和處置的放射性分類技術(shù)。VIRERO項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2023年底完成。

據(jù)Kilochtska稱，目前，許多遠(yuǎn)程控制設(shè)備可用于退役期間的表面特征描述，用于拆卸可能受到放射性污染的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件。

“此外，無人機(jī)等機(jī)器人技術(shù)可以調(diào)查輻射情況，并測量房屋和房間內(nèi)的污染水平，”她告訴NEI，“通過這種方式，可以避免工人遭受輻射，并且可以減少進(jìn)行這些行動(例如，表征或拆卸)所需的時間和資金。與3D建模一起，這使得可以創(chuàng)建特定房間或設(shè)施的全貌，從而更容易規(guī)劃進(jìn)一步的活動，同時考慮到劑量率和污染水平。”

她指出了未來使用機(jī)器人技術(shù)的一些要點(diǎn)。

“首先，有必要評估實(shí)際需求和潛在效益，同時考慮特定設(shè)施退役的特定計(jì)劃。通常，此類技術(shù)的開發(fā)需要大量投資。此外，設(shè)備的進(jìn)一步使用需要維護(hù)成本，以支持運(yùn)營和維修(如需要)，如有合格的工作人員。“

她補(bǔ)充說，這類設(shè)備的去污也可能存在一些問題，“在做出開發(fā)或購買設(shè)備的決定之前，應(yīng)提前考慮這些。”

顯然，機(jī)器人技術(shù)和其他數(shù)字工具在推進(jìn)核退役項(xiàng)目方面發(fā)揮著越來越重要的作用，不僅使專家能夠描述環(huán)境和退役挑戰(zhàn)，而且還改善了其執(zhí)行。

IAEA副總干事兼核能部部長米哈伊爾·丘達(dá)科夫(Mikhail Chudakov)表示：“創(chuàng)新數(shù)字技術(shù)可以為退役項(xiàng)目的規(guī)劃和實(shí)施提供重要的見解。它們可以在對人類工人來說困難或危險的退役情況下提供支持，并有助于確保項(xiàng)目安全有效地執(zhí)行。”

6、IRID機(jī)器人突破

國際核退役研究所(IRID)由18家專業(yè)研發(fā)公司和組織組成，包括：

兩個國家研發(fā)機(jī)構(gòu)：日本原子能機(jī)構(gòu);國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所。

四家工廠制造商：東芝能源系統(tǒng)與解決方案公司;日立GE核能有限公司;三菱重工有限公司;阿托克斯(ATOX)有限公司。

12家電力公司：北海道電力公司;東北電力公司;東京電力公司(TEPCO)控股公司;中部電力公司;北陸電力公司;關(guān)西電力公司;中央電力公司;四國電力公司;九州電力公司;日本原子能公司;電力發(fā)展有限公司;日本核燃料有限公司。

由于高輻射水平，福島第一核電站的許多區(qū)域仍然太危險，人類無法進(jìn)入，機(jī)器人被用于執(zhí)行一些退役工作。IRID開發(fā)了機(jī)器人，用于調(diào)查主安全殼(PCV)內(nèi)的情況和燃料碎片的擴(kuò)散。

已經(jīng)引入了各種類型的機(jī)器人。

最早的兩個機(jī)器人——Rosemary和“櫻花”——在1號機(jī)組反應(yīng)堆廠房內(nèi)共同檢查放射源。這兩種機(jī)器人都是由位于習(xí)志野市的千葉理工學(xué)院(CIT)開發(fā)。IRID(日立GE)后來對其進(jìn)行了修改，以調(diào)查建筑物內(nèi)的劑量率。

Rosemary配備了英國制造的伽瑪相機(jī)(N-Visage)，用于檢測輻射劑量率。

Rosemary通過無線系統(tǒng)操作該攝像機(jī)，因?yàn)椴粔虼螅瑹o法配備通信電纜。然而，由于在建筑物內(nèi)難以維持無線通信。“櫻花”支持Rosemary作為無線傳輸站。

2014年，MHI測試了MEISTeR(遠(yuǎn)程控制的維護(hù)設(shè)備集成系統(tǒng))機(jī)器人，該機(jī)器人隨后完成了1號和2號機(jī)組的去污工作和混凝土芯樣取樣。

MEISTeR能夠進(jìn)行混凝土鉆孔、切割扶手和管道、清除障礙物、去污和維修工作等。巖芯樣本的采集使用了一個MEISTeR臂上配備的巖芯鉆孔設(shè)備，另一個臂上配備了鑿子。

同樣在2014年，日立GE核能公司開發(fā)的游泳機(jī)器人和爬行機(jī)器人在2號機(jī)組環(huán)面室內(nèi)進(jìn)行了狀態(tài)檢查和流量檢測調(diào)查。

機(jī)器人在水下游泳，使用攝像機(jī)檢查滲透點(diǎn)，并使用示蹤器檢查流量，而爬行機(jī)器人使用超聲波聲納系統(tǒng)測量和監(jiān)測示蹤器的流量。

次年的調(diào)查是在1號機(jī)組PCV上進(jìn)行的，使用的是日立GE核能公司開發(fā)的兩個變形機(jī)器人。

開發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了許多修改和改進(jìn)，使機(jī)器人能夠承受反應(yīng)堆內(nèi)的高輻射環(huán)境。

可變形狀機(jī)器人首先采用管狀形式穿過狹窄管道，以到達(dá)安全殼內(nèi)部。隨后為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性，機(jī)器人在收集安全殼內(nèi)部條件的必要信息時變成U形。

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