核事故紧急救灾机器人探讨

1、核事故紧急救灾机器人探讨我国当前在建核电机组装机容量居世界首位，根据国家核电中长期发展规划（2005-2020年）数据显示，2020年我国核电总装机容量将达4000万kW,排在美、法、日之后居世界第四位。一旦核电站发生严重核事故，将会直接影响国家能源生产，严重破坏自然环境，极大威胁人民生命财产安全，造成重大经济损失，产生重大社会影响。本文面向核电站应急状态和重大事故救援对救灾机器人的迫切需求，针对核电站事故复杂救灾作业面临的难题，对核电站紧急救灾机器人的基础科学问题展开探讨，旨在为此领域的发展提供一定的理论和技术支撑。核事故与机器人根据国际原子能机构（InternationalAtomicEn

2、ergyAgency，IAEA）规定，核电站安全事故分为7级。自1954年世界上第一座核电站建成以来，全世界范围内发生多起极严重的核电站事故，例如1957年英国温茨凯尔核电站事故（5级）、1979年美国三里岛核电站事故（5级）、1986年前苏联切尔诺贝利核电站事故（7级）、2011年日本福岛核电站事故（7级）等均造成了严重的人员伤亡、经济损失、环境污染和国际影响。核事故造成的高辐照环境对救援人员危害极大，切尔诺贝利核电站事故发生后，初期采用了人工直接救援的方式，导致31名消防和救护人员死亡。虽然世界各国先后开展了核电站紧急救灾机器人的研究，但是部分发达国家认为核电站本身采用了高安全度的设计和建

3、筑标准，对研制核电器人的研究大都半途而废。国际社会利用机器人参与核电站事故救灾的案例并不多见，其主要用于核事故现场图像获取及辐射监测。日本福岛核电站事故使国际社会充分认识到开展核电站紧急救灾机器人研究的必要性和紧迫性。在核电站运行中，最怕出现影响反应性控制、余热导出、放射性包容等安全功能的核事故，其典型核事故类型主要分为12类：堆芯熔化事故是指反应堆堆芯熔化导致大量放射性物质释放的严重事故。堆芯熔化事故出现时，压力容器内外需要注入足量水。因强辐射，救灾人员无法进入安全壳，失电时需要机器人拖放软管从消防栓处取水注入堆芯。水过滤器堵塞事故发生严重事故时，安注系统（安全注射系统）需要足量注水，水会进

4、入安全壳内壁宽度为1m、深度为2m的环形地坑中，通过位于坑内1.5m高处的水过滤器进行过滤，通电时采用安注系统实现水的循环冷却，但核事故中保温层、漆皮、石棉、工具等杂物会随水进入地坑，堵塞过滤器，使水冷却循环失效。燃料组件包壳破裂事故在核电站维修及核燃料组件更换时，由于人为因素、机械因素或控制系统故障等原因，可能会造成燃料元件包壳破裂，导致核泄漏严重事故。一回路管道破裂、阻塞事故一回路没有任何阀门，管道破裂时，300的水与裂变产物进入安全壳，安全壳内温度会达到150，压力达到5个大气压，只能依靠地坑循环水注入堆芯冷却。氢气浓度超标核事故发生后，安全壳内氢气聚集，浓度上升，需要及时消氢，以降低氢

5、气浓度。氢气浓度在4310%寸处于可控燃烧状态，可以采用点火方式消氢。因电池储能有限，AP1000（AdvancedPassivePWR,非能动先进压水堆，1000为其功率水平）目前设计的点火器只能维持工作4h,而紧急救灾机器人在安全壳内可确保随时点火消氢。阀门控制功能失效事故核事故发生后，需实现安全壳隔离，避免事故继续发展；如需关闭安全壳内管道的阀门（如二回路蒸汽输出管道的阀门等），当失电或阀门驱动系统失效时，机器人在安全壳内可实现机械操作方式，关闭阀门。“650”事故因事故造成堆芯出口温度达到650时，主控室操作员实施救灾作业，应急指挥中心根据紧急救灾机器人获取的安全壳外、燃料厂房、安全设

6、备厂房、辅助厂房等环境信息进行测量，获取辐射剂量、压力、温度等数据，并据此判断事故实情，指挥应急处理和操作。换料水箱泄漏事故在安全壳内，更换核燃料作业前，需要用换料水箱的水淹没压力容器，水深为20mo换料水箱（AP1000为安全壳内珞式换料水箱，2代核电站为安全壳外珞式换料水箱）内需存储水2000t。若换料水箱发生泄漏，采用人工实施补漏作业，则需把水箱抽干，既耗时耗能，又影响核电站正常运行和安全，因此需要机器人实施水下探测和堵焊作业。乏燃料池泄漏事故在安全壳外，若燃料厂房水池漏水，衰变热导致乏燃料元件升温和破损，放射性物质将会外泄，必须确保乏燃料水池的水量和水的循环，紧急救灾机器人应及时进行水

7、池漏处的水下探测和堵焊作业。二回路管道破裂事故二回路管道破裂会导致高温高压情况出现，饱和温度高达230左右，气压高达67个大气压，紧急救灾机器人可进入高温高压、强潮湿滑的事故环境关闭阀门和清理现场。通道堵塞事故在地震等自然灾害发生后，安全壳外的安全厂房、辅助厂房、燃料厂房、净化厂房等处易发生坍塌事故，容易堵塞通道。辅助厂房事故辅助厂房内的净化系统常有辐射，若非必要，一般情况下人员不宜进入；一旦出现事故，紧急救灾机器人需入内进行救灾作业。核电站紧急救灾机器人严重事故救援作业任务可划分为3类，即强辐射环境探测，狭窄空间内移动和重载灵巧救灾操作，水下探测与焊接堵漏。将辐射强、空间窄、承载大、灵活度高

8、、水下作业等诸多功能特点综合起来开发核电站紧急救灾机器人，对核电安全生产十分必要。救灾环境复杂核电站紧急救灾机器人是在核电站事故发生后的结构化与非结构化相混杂的无网络狭窄空间核辐射环境下服役，实现灵活运动、大负载作业和远程操控的装备。核电站应急状态和事故发生条件下，核电站紧急救灾机器人的服役环境复杂。一是核电站事故核心区及周边区域为高辐射、高温、高湿环境，核事故中产生的各种带电粒子和高能射线会引起紧急救灾机器人装备内部半导体器件、集成电路、计算机系统、信息采集和传输系统中电子元器件、电路板等电离损伤或失效，对动力供给系统中绝缘、传动机构中连接、密封和润滑造成危害，从而导致救灾机器人系统性能的退

9、化和破坏。二是核电站内、外地理环境异常复杂，其通道狭窄、陡峭坡壁、管网交错。三是救灾现场存在高辐射、高温、高压、高度屏蔽等复杂物理环境，事故核心区域救援人员无法接近，因此核电站紧急救灾机器人事故现场的实时状态信息感知和无网络条件下的远程信息传输能力尤为重要。四是核电站紧急救灾机器人作业任务复杂，如通道清障、抓取搬运、水下切割、水下焊接、水下异物捡拾等，作业任务多样、负荷随机多变、操作对象各异。五是核电站事故救灾作业工况复杂、现场状况动态多变。因此，核电站紧急救灾机器人必须具备核事故复杂环境和作业任务适应能力、灾变信息感知与实时传输和重构能力、多机多任务协调和人机交互与自律协同控制能力、抗失效防

10、护能力以及合理可靠的功能适用性评价手段。面临多重挑战复杂环境的适应性核电站内部构造复杂，紧急救灾机器人必须具备适应复杂空间环境的灵活爬坡、穿越狭缝、水下运动等移动能力和适应复杂作业任务的灵巧操作能力。因此，在装备移动与操作机构设计时，需要考虑2方面问题：一是机器人移动与操作自由度多，需要通过多自由度合理配置，保证移动机构具有灵活机动行走能力和动态稳定性；为保证复杂环境下的高效、大载荷救灾作业，行走机构要求具有较高的承载自重比，机器人装备需要冗余并联驱动，并具有良好的复杂地形适应性和大承载能力。二是紧急救灾机器人作业环境复杂，救灾操作装备应具备抓持、搬运、对准、联接、切割等重载灵巧作业能力，操作

11、机构和末端执行器的设计需要保证多维输出力和刚度的合理匹配，实现多自由度高承载灵巧操作特性。传输信息的准确性核电站应急状态和事故救灾中，需要在核岛屏蔽的无网络环境下实时感知并向外界传输灾变现场信息，为人机交互远程救灾操控提供数据和信息，实现救灾决策的及时响应。救灾现场往往处于易燃易爆、气液混合物弥散、视觉反差大的环境，传感器系统在这种极端环境下容易失效。同时，在核岛屏蔽无网络环境下，需要构建信息传输通道，实现感知信息的长距离对外可靠传输。此外，核电站紧急救灾机器人人机交互系统需要实时感知和重建核事故环境、装备作业运动和操作对象的状态变化，产生救灾作业复杂操控信息。为保证所感知的核事故环境信息与现场的一致性，需要利用多元信息快速建立灾害动态模型，实现现场环境信息的动态重构和现场灾变状态的预测预估。防护能力的可靠性核事故现场的环境复杂性需要紧急救灾机器人的组成材料、机械结构与运动界面具有可靠的安全防护能力，以适应在核事故极端条件下工作，重点考虑2点问题：一是核事故产生的各种带电粒子和高能射线会引起视频传感器、信号传输与控制系统电子器件、计算机系统的电离损伤，造成系统的性能