核環境去污作業機器人研究現狀與關鍵技術分析

□ 秦基偉 □ 常 勇 □ 王天龍 □ 呂 鵬

1.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 沈陽 110016 2.中國科學院機器人與智能制造創新研究院 沈陽 110016 3.中國科學院大學 北京 100049

1 研究背景

目前,商業運行的核電站都是利用放射性重金屬鈾、钚核裂變反應釋放的能量來發電的。核電作為一種清潔高效的能源,已在世界范圍內得到了廣泛的應用[1]。然而,在反應堆運行中,特別是在乏燃料后處理過程中,不可避免地會產生放射性污染物,使設備和工作人員受到不同程度的放射性污染,因此需要定期對核設施進行去污。由于核環境的高放射性,人工去污會增大工作人員的職業照射量。對此,各核能大國積極研制核環境去污作業機器人,以代替人工完成去污作業。應用核環境去污作業機器人,能夠降低核設施和環境的放射性活度,減小工作人員的職業照射量,然而,核工業的惡劣環境提高了核環境去污作業機器人設計與開發的難度。筆者針對熱室內放射性污染物去污的實際需求,對放射性污染物的種類、常用去污方法及核環境去污作業機器人的研究現狀進行了總結,對核環境去污作業機器人的關鍵技術及每種技術面臨的具體問題進行了分析,并總結了核環境去污作業機器人的發展趨勢及研究方向,為核環境去污作業機器人的研制提供參考。

2 放射性污染物去污方法

放射性污染物指因含有放射性核素或被放射性核素污染,放射性濃度或放射性比活度超過國家規定限值的廢棄物[2]。放射性污染物可能產生于鈾礦開采和加工、反應堆運行、乏燃料后處理過程中,特別是在乏燃料后處理過程中,產生的廢物放射性活度較高。根據物質表面與放射性成分相互作用的不同性質,污染機制可以分為三類[3]。

(1) 附著性污染。核素與物體表面通過分子力相結合,基本上屬于物理性質,易于去污。

(2) 弱固定性污染。放射性成分以分子或離子形式通過物理吸附、化學吸附、離子交換與物體表面相結合,屬于表面化學性質,較難去污。

(3) 強固定性污染。放射性成分通過擴散或其它過程滲入基質內部,很難去污。

附著性污染和弱固定性污染是在設備運行維護過程中需要去除的主要污染物。

附著性污染可以采用真空抽吸、擦拭、干冰噴射等物理方法去除。真空抽吸用真空吸塵器吸除附著在物體表面的污染物,適用于去除天花板、管道系統、粗糙表面等去污裝置可接近的非黏性粒子[4]。干冰噴射利用干冰顆粒在沖擊瞬間氣化沖擊污垢層,清除金屬基材表面非金屬污垢的效果非常明顯。李燁等[5]采用干冰噴射去除核設施通風管道表面的放射性污染物,去污效率達到95%以上,所研制的干冰噴射去污裝置具有去污效率高、對基材損傷小、二次廢物產生量小等優點[6]。

弱固定性污染可以采用激光去污、化學去污、可剝離膜法等方法去除。激光去污的主要原理為物體表面污染物吸收激光能量后揮發或瞬間受熱膨脹,進而克服表面的吸附力,脫離物體表面。激光去污效果好,速度快,二次廢物產生少,并能實現精密控制,在管道、不銹鋼表面清洗中均獲得了理想的去污效果[7-8],但是不適合復雜形狀構件的去污?；瘜W去污利用化學去污劑溶解設備表面的放射性污染物?；瘜W去污劑包括無機酸、有機酸、氧化還原劑、絡合劑、堿類、表面活性劑等[9],主要去除粘附在金屬及其氧化膜表面的放射性核素。對于富集在不銹鋼表面的鈾、钚等放射性核素,可采用化學擦拭法進行有效去污[10-12]。采用可剝離膜法,在成膜劑成膜過程中,高分子鏈上的官能團及其中的絡合劑與污染核素發生物理、化學作用,使污染核素從被污染表面進入膜中,剝掉膜便可達到去污目的?？蓜冸x膜法對大部分表面松散型浮塵類污染的去污效率為80%～90%,對不銹鋼表面核素的去污效率達96%～99%[13-15],適用于壁面、地面和天花板的去污,當污染物沉積較厚時則不適用。

3 核環境去污作業機器人研究現狀

核環境去污作業機器人的典型應用場合包括熱室內壁、地板及設備表面、蒸汽發生器管內[16]。目前,可實現機器人化的去污方式有真空抽吸、濕布擦拭、激光去污、高壓水沖洗、機械剝離等。

1996年,美國阿貢國家實驗室利用安裝于熱室窺視窗兩側的主從機械臂夾持去污裝置,采用真空抽吸和濕布擦拭的方法,對熱室內設備進行去污[17]。這一方法去污范圍及效率有限,后續還需要人工去污。

韓國原子能院研制了一種主從機械臂輔助遠程去污系統,可在熱室內自由移動,采用真空抽吸的方式收集熱室地板、內壁與設備表面的乏燃料殘渣,以及在乏燃料處理過程中產生的放射性污染物[18]。這一遠程去污系統如圖1所示,包括移動單元、收集單元、鼓風機單元、抽吸單元,結構簡單,易于拆裝。工作時,位于熱室外的操作者控制遠程去污系統到達熱室內指定位置,利用主從機械臂抓住抽吸單元末端,將其移動至待去污表面,將污染物吸入收集單元內部,污染物經過濾器使尺寸0.3 μm以上的顆粒留在收集單元內部。

▲圖1 遠程去污系統

韓國原子能院設計的KSI柔性觸手運動靈活,可像象鼻一樣彎曲,其結構如圖2所示[19-20]。KSI柔性觸手采用真空抽吸的方法收集地板上及管道內部的放射性粉末、小碎片,成本較低,在完成熱室去污后可直接棄用,省去對其自身進行放射性去污的麻煩。KSI柔性觸手自身不能移動,需要用起重機懸吊至工作地點。受限于真空泵功率和觸手長度,KSI柔性觸手去污范圍有限,觸手難以靠近的地方不能實現去污。

▲圖2 KSI柔性觸手結構

以上兩款核環境去污作業機器人均采用真空抽吸方法,用于去除熱室內壁、地板及設備可接近表面上松散的附著性污染物。

韓國原子能院還研發了三套遙控清潔機器人系統,分別為ROCCS-Ⅰ、ROCCS-Ⅱ、TORMS[21-22],用于收集熱室地板表面的核燃料碎片等附著性污染物。系統采用模塊化設計,方便進行遠程操作和維護。

ROCCS-Ⅰ采用刷洗與真空吸附相結合的去污方式,主要由履帶式移動平臺、旋轉刷、真空吸附裝置、過濾裝置組成,由電纜進行供電和控制,結構如圖3所示。工作時,利用旋轉刷使污染物脫離地板表面,由真空吸附裝置將污染物吸入內部,經過濾裝置使尺寸在0.3 μm以上的顆粒留在內部。

▲圖3 ROCCS-Ⅰ結構

ROCCS-Ⅱ相比ROCCS-Ⅰ,增加了自主導航能力和圖形模擬器,包括機器人本體和控制臺兩大部分,有自主控制和遠程控制兩種模式。由于操作者對熱室內環境并不完全了解,因此為實現自主導航功能,在ROCCS-Ⅱ四周安裝12個超聲傳感器,采集周圍環境信息。ROCCS-Ⅱ可根據輸入的位置指令及周圍環境自主進行運動規劃[23]。圖形模擬器可以顯示在熱室內的工作狀態及地板清潔情況,方便操作者進行控制操作。

TORMS采用濕拖布清理地板表面的污染物,由位于熱室內的拖地車和熱室外的控制器組成,如圖4所示。拖地車包括履帶式移動平臺、卷布筒、濕布料,利用卷布筒帶動濕布料接觸地板運動,實現對地板的擦拭。卷布筒單筒可擦拭24 m2地板,裝置簡單,去污效率高。TORMS采用雙邊力反饋控制,控制器可以將布料與地板表面的接觸力反饋給操作者,便于操作者控制拖地力。

▲圖4 TORMS系統組成

以上三款遙控清潔機器人系統適用于去除地板表面的附著性污染物。

蒸汽發生器管內的淤渣沉積會腐蝕管材,并導致傳熱效率降低。美國研制的SECIL4機器人采用高壓水沖洗蒸汽發生器管內沉積的淤渣,安裝有小型攝像機,便于遙控機器人完成任務。美國薩斯克漢那核電站中的噴射器管嘴經常發生堵塞,研究人員對此開發了一種帶機械臂和液體激光器的Romote Andros Mark Ⅵ機器人清洗系統,如圖5所示。操作者遠程控制Romote Andros Mark Ⅵ將液體激光器插入管嘴,利用高能激光束對管嘴進行清洗。以上兩種核環境去污作業機器人適用于去除管道內的附著性污染物。

▲圖5 Romote Andros Mark Ⅵ機器人清洗系統

斯洛伐克在核事故堆退役過程中設計了化學去污裝置。DEZA-OD用于管道、槽罐及類似設備拆卸解體前的預去污,可以完成去污液加熱、浸泡去污對象、循環去污、排泄去污廢液、收集固體顆粒物等去污流程。MT-15是一種遙操作化學去污裝置,可配置多種作業工具清理、裝桶高輻射區內散放的高污染雜物,并對地面高污染物進行機械剝離,實現真空吸塵去污。DOV-Deco配置高壓水噴嘴和真空集水集塵頭,可以對污染物表面進行高壓水沖洗,去污后的廢水及污染物由裝在噴嘴下的真空集水集塵頭收集于桶內。

中國工程物理研究院研制的遠距測量和去污機器人系統對Brokk180機器人、放射性污染遠距離測量裝置和去污工具進行集成,用于反應堆等核設施的退役去污。Brokk180機器人如圖6所示。Brokk180機器人攜帶測量裝置,獲取污染源的輻射信息,并利用去污工具將污染源剝離。Brokk180機器人去污速度快,單次剝離厚度為2～5 mm,缺點為存在時延問題。

▲圖6 Brokk180機器人

4 核環境去污作業機器人關鍵技術

相對于在常規環境下工作的機器人,核環境去污作業機器人設計時必須考慮以下特殊要求:① 本體必須具有耐輻射能力、模塊化結構、可靠的供電系統及系統故障狀態下的應急處理裝置;② 需配備攝像機和射線傳感器,對環境進行實時監控,并保證在封閉環境中的可靠通信;③ 去污裝置應具備去污能力強、去污效率高、拆卸方便、便于控制等特點;④ 完成去污作業后自身應便于去污。耐輻射技術、可靠通信技術、高效去污技術是核環境去污作業機器人的關鍵技術。

4.1 耐輻射技術

核放射環境中主要存在伽馬、阿爾法、貝塔和中子輻射。阿爾法粒子和貝塔射線在物質中的射程較短,利用外殼即可屏蔽。只有在反應堆運行期間,壓力容器附近區域才存在強中子輻射場,而伽馬輻射普遍存在于核放射環境中,因此伽馬輻射是核環境去污作業機器人輻射防護主要需要考慮的對象。根據輻射損傷機理,可以將輻射效應分為單粒子事件、電離總劑量、位移損傷等[24]。

對于單粒子事件,高能粒子射入電路板后,會在徑跡附近發生強烈的瞬態電離,產生瞬態等離子體,使寄生器件狀態發生變化,導致各類損傷。

對于電離總劑量,高能粒子射入場效應管或雙極性器件時,使二氧化硅電離產生大量電子空穴對;有外加電場時,電子和空穴沿電場方向相向運動,空穴的累積形成柵氧空穴捕獲和界面捕獲,柵氧空穴捕獲和界面捕獲產生的額外電場導致元器件異常。

對于位移損傷,高能粒子射入元器件及材料時,與原子核產生庫侖彈性碰撞,使晶格原子離開正常位置,造成器件功能部位的晶格缺陷,導致器件性能參數退化,缺陷逐步累積,直至器件喪失功能。

應從耐輻射材料的選擇、各電氣部件的耐輻射策略展開核環境去污作業機器人耐輻射研究。將組成核環境去污作業機器人的所有材料或器件分為金屬及其合金、光學材料、有機材料、電子學器件[25]。金屬結構的耐輻射性能較好,特別是鐵、鎳、鉛、鎢等元素,對伽馬射線和快中子都具有較好的減弱作用。其中,含硼奧氏體不銹鋼對中子和伽馬射線的綜合屏蔽性能較好,同時具備高強度和良好的韌性,可以作為結構材料使用[26]。光學材料的輻射效應主要表現為透光率降低,在光學材料中摻雜某些元素或在鏡頭外包裹屏蔽材料,能提高耐輻射性能[27]。對于輪胎、絕緣材料、密封劑、潤滑劑、粘合劑等有機材料,輻射易造成力學性能和絕緣性能降低[28]。通過改進材料組分,可以提高有機材料的耐輻射性能。對于塑料、橡膠、樹脂、油漆、涂料等耐輻射性能較差的材料[29],應盡量替換為耐輻射性能較好的材料。電子學器件涉及無源器件、半導體元件、成品配件和集成電路。通過材料和工藝的改進,可以提高無源器件和半導體元件的耐輻射性能,當然,需要在使用前進行輻照試驗篩選。攝像機中一般選用電荷耦合器件相機,并通過改進傳感器生產工藝,采用抗輻射加固材料提高耐輻射性能。選用電機時,應首選電容啟動的單相交流電機、帶永久密封軸承的電機、低壓電機或高溫絕緣電機,避免使用內置電子電路的直流電機。核環境中使用超聲傳感器和無刷旋轉變壓器,可靠性較高。電磁傳感器可將電子電路布置在遠端,提高耐輻射性能[30]。標準的光電編碼器耐輻射性能較差[31]。

集成電路的耐輻射性能都相對較弱,因此針對集成電路的耐輻射設計是核環境去污作業機器人耐輻射技術的關鍵,目前主要有兩種方法:采用抗輻射加固的材料或器件,硬件或軟件的優化設計?？馆椛浼庸滩捎霉杓夹g、硅單晶膜、砷化鎵、金剛石和鐵電材料等加固器件,提高大規模集成電路在強輻射條件下的可靠性,僅有少數制造商能夠生產,造價昂貴,品種和型號較少[32]。硬件或軟件的優化設計方法主要有分離、屏蔽、冗余、電路優化設計和控制軟件設計。分離指將機械部分與電子學部分相分離,但工作距離受限,不適合用于機電一體化機器人。屏蔽指采用輻射屏蔽材料對元器件進行整體防護,屏蔽材料可減緩一次粒子的能量產生,并吸收次級輻射,從而使被屏蔽的元器件不受或少受輻射損傷,但會增大核環境去污作業機器人自重,影響其靈活性。為減小屏蔽材料的厚度,經常在器件表面的管殼上進行局部屏蔽。冗余設計主要指利用半導體器件,尤其是集成電路芯片在斷電時能承受更大輻射量這一現象,重復配置關鍵元器件,提高系統的可靠性。電路優化設計通過對電路失效模式進行分析,預測輻射損傷的薄弱環節,通過容差設計、降額設計等方法提高電路的耐輻射性能。中國工程物理研究院采用降額使用、冗余設計方法提高了三端穩壓器電源電路的抗中子注量水平,降低了因器件輻射性能分散而引起的加固失效風險[33]。中國輻射防護研究院選用耐輻射的現場可編程門陣列芯片,通過降額與容差設計,提高了核環境去污作業機器人控制系統電路的耐輻射性能[34]。該院研制的核環境去污作業機器人選用耐輻射性能較強的電子元器件,通過電路的優化設計將電路體積減至最小,并選擇鎢作為屏蔽材料,可以在100 Gy/h的強輻射環境中工作[35]?？刂栖浖O計中采用容錯控制方法,可以提高核環境去污作業機器人的耐輻射性能。丑武勝等[36]設計了雙機冗余容錯控制系統,根據不同層面的情況采用多種檢測方法判斷故障的具體位置,并針對各種故障采用相應的處理方法,提高了核環境去污作業機器人的可靠性。

4.2 可靠通信技術

核環境去污作業機器人工作于人不能到達的放射性環境,一般采用遙操作控制,因此必須保證核環境去污作業機器人與遠程控制終端的可靠通信。在核輻射環境中,光纖通信條件差,通信數據可靠性低、錯誤率高。受混凝土墻體的屏蔽作用,通信帶寬低,信號強度弱。通信環節中存在時間延遲。以上因素均會對遙操作閉合回路的穩定性和透明性產生不利影響[37]。

高能輻射易引起光纖中電子或原子核移位,使光纖發生物理或化學變化,信號的傳輸能力降低[38]。在光纖中摻雜適量的氟、氮等元素,可以提高耐輻射性能,但摻雜元素的種類和濃度會影響光纖的光學性能。針對數據通信可能存在的錯誤,將里德-所羅門碼應用于核環境去污作業機器人遙操作系統,可以提高數據通信的可靠性[39]。

在熱室內工作的核環境去污作業機器人與控制器之間存在厚度為1.5～2 m的混凝土墻體,混凝土墻體對無線通信信號有極強的屏蔽,有線通信則易引起通信線纜纏繞,影響核環境去污作業機器人的行進和工作。針對這一問題,主要采用三方面措施:通信線纜防纏繞設計,發展高頻無線通信,在核環境去污作業機器人系統與遠程終端間增加通信中繼。參與福島核事故救援的背包機器人采用無線與有線通信相結合的方式,無線通信距離為800 m,同時配備200 m長通信線纜,在無線通信不可用時使用有線通信。線纜卷軸器能夠根據背包機器人的運動自動收放線纜,盡可能減少線纜纏繞。背包機器人可根據需要配備2.4 GHz或4.9 GHz頻段全向天線,增強信號的穿透能力。同樣參與救援的Quince2號機器人采用光纖通信加中繼器模式,如圖7所示。其中,一臺機器人作為中繼器,中繼器與基站之間采用無線通信,與另一臺機器人之間采用光纖通信,擴大了機器人的運動范圍,提高了通信可靠性。

▲圖7 Quince2號機器人通信

目前,針對時延問題的遙操作方法主要有力反饋雙邊控制、圖形預測控制和監督控制。力反饋雙邊控制使操作者和遠端通過力與速度的反饋相互作用,不需要對遠端環境進行建模。鄧啟文等[40]通過控制算法提高了力反饋雙邊控制的穩定性和透明性,從而減小通信時延造成的影響。王?；萚41]將從操作臂的距離信息轉換為主操作臂施加給操作者的力,從而降低因時延造成從操作臂與環境發生碰撞的可能性。李焱等[42]基于監控思想和遙編程概念,實現了應用虛擬現實的大時延遙操作。

4.3 高效去污技術

核環境去污作業機器人的去污能力是性能的重要指標。目前,核環境去污作業機器人常用的去污方法見表1。其中,真空抽吸和濕布擦拭僅適合去除表面松散污染物,激光和高壓水沖洗比較適合平面或管道內部的去污。目前,去污裝置的應用對象和范圍仍然有限,難以去除復雜形狀表面的弱固定性和強固定性污染物[43]。

表1 核環境去污作業機器人去污方法

5 核環境去污作業機器人發展趨勢

去污技術的發展、集成電路的耐輻射性能及機器人智能化程度的提高推動了核環境去污作業機器人的發展。然而,由于放射性環境惡劣、污染物種類多、去污過程復雜,核環境去污作業機器人的發展面臨重大挑戰。為了能夠在各種核環境中完成去污工作,核環境去污作業機器人將向三方面發展。

(1) 集成電路耐輻射加固技術。集成電路是組件中耐輻射性能最差的部分,采用硬件或軟件的優化設計提高了系統的復雜度,降低了系統的性能,并且不能從根本上提高系統的耐輻射性能。對半導體材料耐輻射性能進行提高是提高集成電路耐輻射性能的根本方法,其主要研究內容包括:從微觀層面對半導體材料的輻射損傷機理進行研究,對影響材料耐輻射性能的微觀結構進行改進,研制出耐輻射能力強的半導體材料,對材料的制造工藝進行改進等。

(2) 可靠性技術。核環境具有高放射性及封閉性,使工作于其中的核環境去污作業機器人較易發生安全事故。因此,提高核環境去污作業機器人的可靠性是保證正常工作的前提?？蓮囊韵聨追矫嫣岣吆谁h境去污作業機器人的可靠性:優化作業流程,以盡量減少工作時間;根據耐輻射性能規定在輻射環境中工作的最長時間;控制系統簡單可靠,關鍵系統采取冗余備份;考慮突發事故的應對策略;保證在較強屏蔽環境中的可靠通信,減少通信延時。

(3) 去污高效技術。目前,核環境去污作業機器人對去污環境的適應性較差,適合采用的去污方法有限。因此,進一步提高核環境去污作業機器人的靈活性和智能化程度,并根據核環境去污作業機器人的作業能力和去污環境研制出合適的去污裝置,是提高核環境去污作業機器人去污能力的關鍵。

6 結束語

筆者針對利用機器人對核環境中放射性污染物進行去污的需求,開展了核環境去污作業機器人的相關技術調研。根據放射性污染物的種類,介紹了常用的去污方法及現有幾種核環境去污作業機器人的去污原理與應用范圍。分析了核環境去污作業機器人需要解決的關鍵問題。核環境去污作業機器人在核環境中的耐輻射性能、可靠性及高效的去污能力,仍然是研究的關鍵技術,并且是性能評價的重要指標。