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摘 要：针对核电站运行维护期间实际面临的问题，对核电站运维机器人需求进行了梳理研究，总结了核电站运维机器人研发时需要重点关注的共性技术，对今后的核电站运维机器人研发具有良好的指导意义。
关键词：机器人;核电站;运维;共性技术
0 引言
机器人是当今工业的重要组成部分，它们能够精确地执行各种各样的任务和操作，并且无需人们工作时所需的安全措施和舒适的工作条件[1]。加之核电站设备传统的人工维护方式无法从根本上避免辐照对人的伤害，且大量的人工操作也增加了核电站安全上的不确定性[2]，因此核工业界一直致力于开发出适应核辐射环境，性能先进、可靠的核电站机器人进行设备检修、放射性废物处理、应急响应等工作。这一方面降低了用于人工防护设备的成本及管理成本，另一方面降低了工作人员受辐照剂量和劳动强度。随着核电站装机容量的不断扩大，运行年限不断提高，对机器人应用的需求将日益迫切。本文针对核电站运行维护的实际现场需求，结合运维机器人在核电站运维中的应用，总结了核电站运维机器人技术的当前进展，并对涉及的共性关键技术进行了分析。
1 核电站运维机器人需求分析
在核电站中，因為有放射性物质，因此，人们很早就考虑远距离操作及自动化（机器人化）。机器人能自动地远距离处理长尺寸、大重量、大体积的物体，能进行复杂作业，能在大范围内进行多种检测和监视。根据核电站运维机器人应用场景而言，主要可分为以下两个大类：核电站检查及关键设备维修更换。下文将对这两类机器人进行详细分析。
1.1 核电站检查机器人
核电站检查主要包括核电站正常运行期问的巡检和事故发生后高辐射环境现场的侦测，以及换料大修期间重要设备无损检测等方面。
对于活动范围较小的放射性区域，可考虑开发轨道式巡检机器人，代替巡检人员在核辐射区对运行中难以接近的设备进行检查。机器人配置耐辐照摄像机和温度及辐射探测仪器等，定期自动或由工作人员在控制室远程操作，通过图像处理和温度分析、辐照检查等综合判断巡检设备是否正常。对于活动范围较大且不确定的区域，可考虑开发地面移动式机器人或飞行式机器人，移动式可以为履带式或四足式，飞行式可以为无人机式。
核电站换料大修期间需要对设备进行缺陷检查，以保证设备处在完好状态。除常规视频、温度、辐照等检测手段外，往往还需要特殊的超声波探伤、涡流探伤等自动无损检测装置，用于对反应堆压力容器、蒸汽发生器、主管道等的焊缝进行检查，评估剩余寿命，进行早期预警，及时发现问题，确保电站稳定安全运行。这类机器人除防辐照要求外，往往还有防水、耐水压等工作能力要求。以反应堆控制棒驱动机构焊缝检查机器人为例，核电站运行期间，反应堆控制棒驱动机构由于运行工况较恶劣，并且受高温、高压、高辐照、震动等影响。控制棒驱动机构的密封焊缝有可能出现裂纹等缺陷，从而导致出现密封泄漏。控制棒驱动机构在反应堆顶盖上部密集分布，操作空间狭小，而且对此Ω密封焊缝的焊接质量要求很高。历史经验反馈表明，控制棒驱动机构的密封焊缝泄漏事件在国内外核电站均有发生，一旦出现此类故障，不易第一时间发现，且修复困难。目前针对这类缺陷的应急处理方案是整体更换有缺陷的控制棒驱动机构或对缺陷部位进行自动焊接堆焊修复。因此，有必要研发控制棒驱动机构在役检查修复机器人。
1.2 关键设备维修更换机器人
核电站的维修不同于常规电站或其它工业部门的维修，它不仅规模巨大、设备复杂，并且在核安全以及保护公众健康方向甚为重要。因此核电站维修需要机器人替代维修人员从事一些高放射性环境下的工作，如乏燃料水池水下检修，水下异物清理和反应堆冷却剂管道在线修复等。针对以上几个方面，具体讨论相关机器人的应用需求。
（1）乏燃料水池水下检修
核电站的乏燃料水池由不锈钢覆面焊接构成，这些钢覆面在建造初期需要进行液体渗透检查和真空检查后，确保结构的完整性才投入使用。但是在电站运行一段时间后，由于腐蚀现象可能会对钢覆面板产生破坏，所以必须定期对水池钢覆面进行检测，如果腐蚀现象严重，则必须对腐蚀表面进行修复。同时意外的高空坠落物体也可能会击穿不锈钢覆面，造成不锈钢覆面漏水，需要紧急修复。由于该区域空间狭小，设备密布，潜水作业人员操作时要格外小心，作业空间受限。所以，乏燃料水池水下焊接维修机器人有着切实需求。
（2）水下异物清理
核电站内放射性水池面积较大又没有绝对可靠的异物防范措施，在大修期间由于参与的人员多，常常都是许多工种交叉作业，因此，异物落入水池的事件也曾有发生。特别是异物若落入反应堆底部或堆芯狭窄的环境中，普通的异物打捞工具往往束手无策，通常需要吊出反应堆堆芯组件进行彻底检查和异物打捞，这种情况将造成大修关键路径的延迟和重大的经济损失。此外，堆芯大件的吊装往往面临一些不可知风险，操作不当，会对电站内的维修人员造成极大的辐照危害。因此，核电站有必要开发一些多自由度的机器人及智能系统应用于反应堆堆芯及构件池等水下环境中精确打捞。
（3）反应堆冷却剂管道检修
反应堆冷却剂管道是一回路边界的组成部分，起着包容放射性物质的作用。与压力容器相连的这些管道长期处在高温高压流体下，运行多年后，会因为磨损和应力腐蚀，造成局部管道变薄或潜在缺陷。如果不及时发现和修复，一但发生破口，会对电厂造成重大经济损失。目前一般做法是定期检查，并更换管道或者对缺陷管道进行补焊处理。但是由于管道布置错综复杂，通道狭隘，工作空间小，因此检查困难，维修工期较长，人工维修可达性、可靠性也较差。因此，研发管道自动检查及焊接机器人，可以较好处理压力容器相连管道的日常检查和应急修复处理。
2 核电站运维机器人共性技术分析
核电站机运维器人除了结构设计、导航与定位技术、多传感系统融合技术、实时控制技术外，区别于其它工业机器人的关键技术主要包括以下两个方面： 2.1 耐輻射技术
机器人系统需要在放射性环境中或是对放射性部件本身进行检查或操作，而机器人系统中包含有电子部件，可能会被γ辐射和放射材料释放的其他粒子所损害。除了离反应堆很近的距离范围外，γ辐射是能影响材料和电子线路的主要辐射来源。γ射线是对电子、电气和机器人部件最有影响的放射性粒子，不同元件耐γ射线性能如下表1所示。因此，需要从部件级和系统级两个角度提高机器人耐辐照性能。
部件级优化的常见方法有选择耐辐射电子元器件、耐辐射电路设计、辐射屏蔽、将敏感元件移除辐照环境等方式。目前主流研究通过对机器人系统和电子学部件辐射损伤机理与损伤特性，准确定位辐射环境下机器人的易损单元区域，量化机器人的辐射损伤程度，通过多层次、多种途径的耐辐照加固方法，实现不同层次之间合理分配耐辐照加固强度，减小机器人系统的尺寸和重量，解决单一屏蔽方式带来的机器人笨重和环境适应性差的问题。
系统级辐射处理是考虑到移动机器人通常在密度变化的放射区域内工作，不太可能受到连续高水平辐射，所以最简单的办法是直接使用商用移动机器人，对总吸收剂量进行监控，在部件失效前移出高辐射区域，更换辐射敏感模块。另一个延长系统使用寿命的方式是采用冷备份，去电状态的CMOS电路要比运行中的电路承受更高剂量的辐射。因此整个系统的承受剂量可以通过冷备份冗余系统进行翻倍，当主系统故障或是性能下降到一定程度时，就切换到备用系统来维持系统操作。
2.2 系统可靠性
核电站机器人在工作时，大多面对高放射性。核心设备一旦发生故障，不仅本身无法完成任务，而且还会成为新的事故源，带来更棘手的事故处理问题。因此高可靠性是核电站运维机器人追求的最主要性能指标之一。目前，远程控制机器人的先进技术在核工业领域应用比较慢，其中一个原因就是新技术缺乏相应的可靠性验证。系统的可靠性更多地取决于设计可靠性、远程通信和人机交互使用的可靠性。核电站机器人高可靠性技术上要包括结构的优化设计、控制系统冗余设计、模块化设计技术、机电一体化集成技术和三维建模及运动仿真技术。此外，基于故障发生原因、类型、概率、发展规律等建立的故障模型而开发出的机器人自我诊断和自我处理能力，可进一步提高核电站机器人的可靠性。
3 总结
随着我国核电产业的较快发展和核安全保障的实际需要，开发更多的核电站运维机器人替代人在核电站运行维修中进行工作愈发显得迫切和重要。机器人技术是一个多学科综合发展的领域，随着我国精密机械加工、电子元器件、材料、计算机技术、自动化控制、光学等领域不断取得长足进步，开发针对核电运维的机器人已可实现，核电机器人技术必将有一个美好的明天。
[参考文献]
[1] Saeed B. Niku（著）孙富春 朱纪洪 刘国栋（译）. 机器人学导论——分析、系统及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2004：1-22
[2] Nagatanil K， Kiribayashil S， Okadal Y， et al. Emergency response to the nuclear accident at the Fukushi-ma Daiichi Nuclear Power Plants using mobile rescue robots [J]. Journal of Field Robotics， 2013， 30（1）：44-63
[3] Taylor Moore.Robots for nuclear power plants[R].USA：IAEA BULLETIN，1985：31-38.
关键词：机器人;核电站;运维;共性技术
0 引言
机器人是当今工业的重要组成部分，它们能够精确地执行各种各样的任务和操作，并且无需人们工作时所需的安全措施和舒适的工作条件[1]。加之核电站设备传统的人工维护方式无法从根本上避免辐照对人的伤害，且大量的人工操作也增加了核电站安全上的不确定性[2]，因此核工业界一直致力于开发出适应核辐射环境，性能先进、可靠的核电站机器人进行设备检修、放射性废物处理、应急响应等工作。这一方面降低了用于人工防护设备的成本及管理成本，另一方面降低了工作人员受辐照剂量和劳动强度。随着核电站装机容量的不断扩大，运行年限不断提高，对机器人应用的需求将日益迫切。本文针对核电站运行维护的实际现场需求，结合运维机器人在核电站运维中的应用，总结了核电站运维机器人技术的当前进展，并对涉及的共性关键技术进行了分析。
1 核电站运维机器人需求分析
在核电站中，因為有放射性物质，因此，人们很早就考虑远距离操作及自动化（机器人化）。机器人能自动地远距离处理长尺寸、大重量、大体积的物体，能进行复杂作业，能在大范围内进行多种检测和监视。根据核电站运维机器人应用场景而言，主要可分为以下两个大类：核电站检查及关键设备维修更换。下文将对这两类机器人进行详细分析。
1.1 核电站检查机器人
核电站检查主要包括核电站正常运行期问的巡检和事故发生后高辐射环境现场的侦测，以及换料大修期间重要设备无损检测等方面。
对于活动范围较小的放射性区域，可考虑开发轨道式巡检机器人，代替巡检人员在核辐射区对运行中难以接近的设备进行检查。机器人配置耐辐照摄像机和温度及辐射探测仪器等，定期自动或由工作人员在控制室远程操作，通过图像处理和温度分析、辐照检查等综合判断巡检设备是否正常。对于活动范围较大且不确定的区域，可考虑开发地面移动式机器人或飞行式机器人，移动式可以为履带式或四足式，飞行式可以为无人机式。
核电站换料大修期间需要对设备进行缺陷检查，以保证设备处在完好状态。除常规视频、温度、辐照等检测手段外，往往还需要特殊的超声波探伤、涡流探伤等自动无损检测装置，用于对反应堆压力容器、蒸汽发生器、主管道等的焊缝进行检查，评估剩余寿命，进行早期预警，及时发现问题，确保电站稳定安全运行。这类机器人除防辐照要求外，往往还有防水、耐水压等工作能力要求。以反应堆控制棒驱动机构焊缝检查机器人为例，核电站运行期间，反应堆控制棒驱动机构由于运行工况较恶劣，并且受高温、高压、高辐照、震动等影响。控制棒驱动机构的密封焊缝有可能出现裂纹等缺陷，从而导致出现密封泄漏。控制棒驱动机构在反应堆顶盖上部密集分布，操作空间狭小，而且对此Ω密封焊缝的焊接质量要求很高。历史经验反馈表明，控制棒驱动机构的密封焊缝泄漏事件在国内外核电站均有发生，一旦出现此类故障，不易第一时间发现，且修复困难。目前针对这类缺陷的应急处理方案是整体更换有缺陷的控制棒驱动机构或对缺陷部位进行自动焊接堆焊修复。因此，有必要研发控制棒驱动机构在役检查修复机器人。
1.2 关键设备维修更换机器人
核电站的维修不同于常规电站或其它工业部门的维修，它不仅规模巨大、设备复杂，并且在核安全以及保护公众健康方向甚为重要。因此核电站维修需要机器人替代维修人员从事一些高放射性环境下的工作，如乏燃料水池水下检修，水下异物清理和反应堆冷却剂管道在线修复等。针对以上几个方面，具体讨论相关机器人的应用需求。
（1）乏燃料水池水下检修
核电站的乏燃料水池由不锈钢覆面焊接构成，这些钢覆面在建造初期需要进行液体渗透检查和真空检查后，确保结构的完整性才投入使用。但是在电站运行一段时间后，由于腐蚀现象可能会对钢覆面板产生破坏，所以必须定期对水池钢覆面进行检测，如果腐蚀现象严重，则必须对腐蚀表面进行修复。同时意外的高空坠落物体也可能会击穿不锈钢覆面，造成不锈钢覆面漏水，需要紧急修复。由于该区域空间狭小，设备密布，潜水作业人员操作时要格外小心，作业空间受限。所以，乏燃料水池水下焊接维修机器人有着切实需求。
（2）水下异物清理
核电站内放射性水池面积较大又没有绝对可靠的异物防范措施，在大修期间由于参与的人员多，常常都是许多工种交叉作业，因此，异物落入水池的事件也曾有发生。特别是异物若落入反应堆底部或堆芯狭窄的环境中，普通的异物打捞工具往往束手无策，通常需要吊出反应堆堆芯组件进行彻底检查和异物打捞，这种情况将造成大修关键路径的延迟和重大的经济损失。此外，堆芯大件的吊装往往面临一些不可知风险，操作不当，会对电站内的维修人员造成极大的辐照危害。因此，核电站有必要开发一些多自由度的机器人及智能系统应用于反应堆堆芯及构件池等水下环境中精确打捞。
（3）反应堆冷却剂管道检修
反应堆冷却剂管道是一回路边界的组成部分，起着包容放射性物质的作用。与压力容器相连的这些管道长期处在高温高压流体下，运行多年后，会因为磨损和应力腐蚀，造成局部管道变薄或潜在缺陷。如果不及时发现和修复，一但发生破口，会对电厂造成重大经济损失。目前一般做法是定期检查，并更换管道或者对缺陷管道进行补焊处理。但是由于管道布置错综复杂，通道狭隘，工作空间小，因此检查困难，维修工期较长，人工维修可达性、可靠性也较差。因此，研发管道自动检查及焊接机器人，可以较好处理压力容器相连管道的日常检查和应急修复处理。
2 核电站运维机器人共性技术分析
核电站机运维器人除了结构设计、导航与定位技术、多传感系统融合技术、实时控制技术外，区别于其它工业机器人的关键技术主要包括以下两个方面： 2.1 耐輻射技术
机器人系统需要在放射性环境中或是对放射性部件本身进行检查或操作，而机器人系统中包含有电子部件，可能会被γ辐射和放射材料释放的其他粒子所损害。除了离反应堆很近的距离范围外，γ辐射是能影响材料和电子线路的主要辐射来源。γ射线是对电子、电气和机器人部件最有影响的放射性粒子，不同元件耐γ射线性能如下表1所示。因此，需要从部件级和系统级两个角度提高机器人耐辐照性能。
部件级优化的常见方法有选择耐辐射电子元器件、耐辐射电路设计、辐射屏蔽、将敏感元件移除辐照环境等方式。目前主流研究通过对机器人系统和电子学部件辐射损伤机理与损伤特性，准确定位辐射环境下机器人的易损单元区域，量化机器人的辐射损伤程度，通过多层次、多种途径的耐辐照加固方法，实现不同层次之间合理分配耐辐照加固强度，减小机器人系统的尺寸和重量，解决单一屏蔽方式带来的机器人笨重和环境适应性差的问题。
系统级辐射处理是考虑到移动机器人通常在密度变化的放射区域内工作，不太可能受到连续高水平辐射，所以最简单的办法是直接使用商用移动机器人，对总吸收剂量进行监控，在部件失效前移出高辐射区域，更换辐射敏感模块。另一个延长系统使用寿命的方式是采用冷备份，去电状态的CMOS电路要比运行中的电路承受更高剂量的辐射。因此整个系统的承受剂量可以通过冷备份冗余系统进行翻倍，当主系统故障或是性能下降到一定程度时，就切换到备用系统来维持系统操作。
2.2 系统可靠性
核电站机器人在工作时，大多面对高放射性。核心设备一旦发生故障，不仅本身无法完成任务，而且还会成为新的事故源，带来更棘手的事故处理问题。因此高可靠性是核电站运维机器人追求的最主要性能指标之一。目前，远程控制机器人的先进技术在核工业领域应用比较慢，其中一个原因就是新技术缺乏相应的可靠性验证。系统的可靠性更多地取决于设计可靠性、远程通信和人机交互使用的可靠性。核电站机器人高可靠性技术上要包括结构的优化设计、控制系统冗余设计、模块化设计技术、机电一体化集成技术和三维建模及运动仿真技术。此外，基于故障发生原因、类型、概率、发展规律等建立的故障模型而开发出的机器人自我诊断和自我处理能力，可进一步提高核电站机器人的可靠性。
3 总结
随着我国核电产业的较快发展和核安全保障的实际需要，开发更多的核电站运维机器人替代人在核电站运行维修中进行工作愈发显得迫切和重要。机器人技术是一个多学科综合发展的领域，随着我国精密机械加工、电子元器件、材料、计算机技术、自动化控制、光学等领域不断取得长足进步，开发针对核电运维的机器人已可实现，核电机器人技术必将有一个美好的明天。
[参考文献]
[1] Saeed B. Niku（著）孙富春 朱纪洪 刘国栋（译）. 机器人学导论——分析、系统及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2004：1-22
[2] Nagatanil K， Kiribayashil S， Okadal Y， et al. Emergency response to the nuclear accident at the Fukushi-ma Daiichi Nuclear Power Plants using mobile rescue robots [J]. Journal of Field Robotics， 2013， 30（1）：44-63
[3] Taylor Moore.Robots for nuclear power plants[R].USA：IAEA BULLETIN，1985：31-38.