解密核电应急机器人:强核辐射环境下的“孤胆英雄”

贺晓栋 王垚/微信公众号“中科院之声”

2017-07-06 09:13

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超强核辐射环境是人类的禁区,但却往往有着人类不得不去完成的任务。
2017年2月,战士“蝎子”只身前往日本福岛核泄露的核心区域。在那片禁地中,“蝎子”要执行一系列调查取样的任务。能承受强辐射的它,在执行任务的过程中,还是以“牺牲”告终。
日本此前公布的蝎子机器人照片
但人类在探索适应核辐射环境下的特种机器人的道路,才刚刚开始。
中科院光电技术研究所(简称光电所)有一支专门研发耐辐射装备和机器人的团队。90年代,光电所成为国内最早涉足这一领域的科研团队。如今,中国几乎所有的核电站都在使用光电所研发的耐辐射机器人设备,它们会代替人们进入核反应堆内部,完成一系列的特殊任务。
前不久,由光电所、西南科技大学及中物院联合主持的项目“强辐射环境强适应型机器人关键技术及其应用”获得了四川省科技进步一等奖。
许多人联想到,如果机器人适应强辐射,是不是就可以应用于例如日本福田核泄漏一样的事故?
事实上,光电所特种光电智能化装备研发团队从2014年起就开始与大亚湾核电站开展对“核环境下应急机器人”的联合研发,一套能应用于高辐射区域侦查救援的“应急机器人”,已于2016年底正式亮相。
手在前 头在后 它能抵御每小时100西弗的核辐射
这些小家伙并不庞大,最大的也不超过100公斤。一只灵巧的机械手臂高高悬起,可以上下左右灵活摆动。眼睛大而萌,那是摄像镜头的所在。它的脚可以是几只小巧的圆轮,也可以是两条霸气的履带,随时听候主人的吩咐。不过它的大脑不同于任何机器人的族群,它的大脑在身子的后方,因为那里最需要被保护。除去机器人主体身躯,其他的功能模块,大多可拆可卸可拼接。比如只用“眼睛”,就可以不安装“手臂”。
水下多功能智能化机器人
最重要的是,它所有的“器官”,都能在超强辐射的环境下正常工作。这些小家伙的工作场所,在核电站之中。
核电站通常每运行18个月后会停堆大修,但很多环境,人进不去,例如核反应堆水池、乏燃料水池以及许多设备旁。但机器人可以代替人进去完成相应任务。可是,没有好的耐辐射技术,机器人进入强辐射区很快会就会停止工作,2011年福岛核电事故中很多机器人就是因不能耐强辐射而很快瘫痪。
高耐辐射技术正是光电所的核心技术之一。在核电站中,光电所研制的机器人可以承受高达65度的高温,同时抵御每小时100个西弗(Sv)的核辐射。而机器人携带的相机等传感器,甚至可以抵御高达每小时10000个西弗(Sv)的核辐射。公开资料显示,在平时生活中,做一次胸部CT扫描的辐射量在6-18毫西弗,当人类一次性遭受4000毫西弗会导致死亡。
从技术上来讲,高耐辐射并不是简单的选择耐辐射材料,更多的是通过合理规划机器人各功能区的布局、分布设计电路并将传感器主被动加固等方式来实现的。达到整体耐辐射,是一项综合技术。
能“看”、能“抓”、能打磨 核电站体检要靠它
核电现场的机器人有很多不同的功能,主要分为三类:一类负责摄像,将现场的情况实时传输,“直播”到操作人员手中;第二种负责水下任务执行,进行水下的异物打捞;还有一类是“特种作业”机器人,比如给现场机械零件做一做切割、打磨之类的检修。这些看似不难的举动,在强烈的核辐射环境中,若要人亲自来完成,就成了大难题。机器人责任重大,它们成为了深入“禁地”的“孤胆英雄”。
比如在反应堆内部,反应堆水池里是不允许有异物的。但是偶尔会掉落一些细小部件。曾经人们使用过长杆打捞,像鱼竿,前面吊着摄像机镜头,伸进水里四处捞,或者再吊个小重锤,外面包上一圈胶布,通过胶粘的方式打捞异物。结果很容易想象,刚粘起来一不留神又掉下去,掉到水底死角里,再要捞难上加难。
不过水下异物打捞机器人就聪明多了,不仅耐辐射、防水和耐高温,它进入水池后,通过自身视觉等传感器,能迅速定位到异物,“眼神机敏”。随后它会通过机械臂的爪手将异物夹取,并打捞出来,“手臂灵活”。若是打捞很小的异物,它还可以把机械爪手换成类似吸尘器的吸盘,轻松将异物吸出来。
小型水下异物打捞机器人
要知道,在核电站里,一个反应堆一小时的发电量约100万度,价值40万人民币,一天就是一千万左右。核电站每18个月一次的“体检”,通常需要20天到30天。通过机器人代替人进行某些特种作业,能大大提高工作效率,同时也能更好的保护人免遭辐射。
截至目前,许多高校及科研机构也在对耐核辐射机器人进行研发,但光电所研发的水下高耐辐射机器人,仍是国内唯一在核电站现场使用过的机器人。
未雨绸缪国内首套核环境下应急机器人在中科院诞生
核辐射环境纵然听起来有些吓人,但离我们普通人的生活还是太远。几年前,很少会有人将耐辐射的机器人与核辐射环境救援联系起来,而发生在2011年的日本福岛核泄漏事故,让“机器人敢死队”走进了人们的视野。
从几乎没什么防核辐射能力的救援机器人进入泄露区瞬间被“秒杀”;到后来加载了核辐射抵御指数的机器人“勇士们”逐一前往,有的坚持了几分钟,有的坚持了一个小时再“牺牲”。这些“英雄”般的机器人们,让人们意识到一切都应未雨绸缪。也正是福岛的这一案例,让一些技术领先的国家开始了对核辐射应急救援类机器人技术的重视,从而开始了相关的研发工作。
我国也不例外。具备国内这一领域最领先技术的光电所,从2014年起与大亚湾核电站开始联合研发“核电应急机器人”。该项目去年已经在成都完成了初步研发工作,并成功做出了第一套共4个应急机器人,目前已运至大亚湾核电站。这是国内目前诞生的第一套用于核电应急的耐核辐射机器人。
当然,我国在役的有近40个核反应堆,每一个都具备极高的安全系数。在日本福岛的核泄漏事故之前,包括日本在内,几乎各国都没有系统研究过核辐射环境下的救援问题。但是福岛事件的影响一直延续到现在,各国都开始未雨绸缪,再安全的环境,也需要对应急有所准备,所以我国也开始开展相关的自主研发工作。这套应急机器人随时可以使用,一共4个机器人,平时装在一个大集装箱里,如果遇到需要使用的情况,可以随整个集装箱立刻拉走。
深入“绝境”的“特种部队”
“应急机器人”的造型,就像是普通核电站用的机器人的升级版。这一套4个型号的机器人,就像一支小小的特种部队。它们主要分为水上工作和水下工作两类,分工各有不同。
水下的机器人,一个在水底工作,一个悬停在水中工作如“潜艇”。它们将进入反应堆水池、燃料水池等等存在有强核辐射的环境中执行任务。陆上的机器人通常在距离控制器操作人员一两百米范围内,接受操作人员的指挥调度。但是在应急状态下,操作人员必须在远离辐射区的几公里外的安全区域,这时候的机器人就像一个孤独的战士,必须独自前进几公里深入到核心辐射区域去执行严峻的任务。
与其他的救援现场不同,其他救援现场的设备可以通过吊车、电梯等输送到现场。而在辐射区中,机器人只能靠自己。因此,要完成这样的现实要求,它首先被赋予了强大的“行进能力”。它的爬坡、越障的能力超强,有复杂的履带和轮轴设计,对它而言,上个台阶就是小意思。
陆地应急巡检机器人
另一方面,为了能够时刻跟操作人员保持联络,保证信号不中断,它们还承担一个额外任务,就是每走一段路,就在沿途自行安装一个“中继器”。通过这个“中继器”,它才能随时将信息传递给操作人员。试想一下,一个沿路越过重重障碍的“孤胆英雄”,深入无人险境,沿途安装信号器来跟组织保持联络,代替人类完成种种艰难任务,何其英勇。
它们是一线“敢死队” 现场侦查靠它们
机器人进入到辐射区域后,有几项重要的任务需要完成。首先,现场的情况要能实时传递到外面去,让人们看到现场情形。同时,它们要在现场采集各类信息,比如湿度、温度、核辐射的剂量率等,传输给几公里外的操作人员。
再有,它们还需要采集现场“样本”,带出辐射区,交给操作人员。除此之外,它们甚至还具备一些救援操作的能力,比如开关、阀门的处理,比如在应急现场开关安全门,这些都是比较艰巨的任务。这一系列的任务,都是“应急救援”的一线工作,也是第一步,一切应急的开端。
没有第一手现场信息的掌握,所有的后续应急方案,就无法科学制定,就无法对症下药。而核电应急机器人,就是那可以第一时间深入前线的“敢死队”。
光电所核电机器人亮相海外
(本文来源:中国科学院光电技术研究所,发于微信公众号“中科院之声,澎湃新闻获授权转载。原标题:解密强核辐射环境下的“孤胆英雄”——核电应急机器人)
责任编辑:王心馨澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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