機器人可以在核能領域發(fā)揮多種作用，特別是在核電站退役和場地去污方面。最近，機器人領域的一系列新的進展，不僅顯示了機器人技術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)展勢頭不斷增長領域，全世界439座核反應堆中，有相當一部分電廠接近退役年限。

在全球范圍內，有199座動力堆已經(jīng)關閉，但只有21座完全退役。

國際原子能機構(IAEA)預計，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任務，但隨著技術創(chuàng)新不斷進步，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)字技術與機器人和無人機相結合，為提高工作效率和降低操作員風險提供了巨大潛力。

2、IAEA核退役調查

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

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

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

新興技術，再加上越來越多地使用機器人和無人機，有可能提供更有效的項目實施和風險降低。

IAEA退役和環(huán)境修復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器人技術和遠程控制技術的使用。”

作為調查的一部分，IAEA向50多個國家發(fā)出了一份全球退役戰(zhàn)略調查表，并評估了這些答復，以及來自IAEA動力反應堆信息系統(tǒng)(PRIS)、研究反應堆數(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在三年內還主辦了一系列技術會議，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)盟委員會的核能機構參加了會議，交流經(jīng)驗并提供反饋。

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

管理事故現(xiàn)場的國家，如日本，正在使用創(chuàng)新的機器人技術和遠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)實和遙控(包括無人機和機器人)等技術也越來越多地應用于設施退役。

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

幫助領導IAEA項目的瑞士聯(lián)邦核安全監(jiān)察局的漢內斯·漢吉(Hannes Hanggi)說：“將BIM與GPS或位置感知Wifi網(wǎng)絡相結合，可以部署半自主或完全自主的機器人系統(tǒng)和無人機，它們有可能大幅降低成本，進一步提高安全性，并提高退役項目的性能。”

3、切爾諾貝利和福島的教訓

幫助清潔切爾諾貝利核電站的Mobot-h-hv專用設備(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器人技術在退役中的使用。

她指出：“在烏克蘭，1986年4月切爾諾貝利核電站4號機組發(fā)生事故幾年后，開展了研究和開發(fā)機器人技術的活動，用于受損設施內的不同用途。由于電廠內部的高暴露劑量和放射性氣溶膠的濃度，采用機器人技術的方法似乎非常有應用前景，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)劃進一步的行動。”

然而，這其中也存在著挑戰(zhàn)。

機器人無法移動，因為核電廠內部表面結構復雜——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備。

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

盡管如此，目前已有計劃在日本福島使用機器人設備。

開發(fā)福島用機器人的主要機構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。包括為不同目的開發(fā)、測試和使用一系列機器人。

此外，總部位于美國的雅各布斯(Jacobs)設計并制造了一種機器人工具，以獲取受損反應堆的關鍵信息。

使用機器人在福島核電現(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)極其嚴格的工廠驗收和性能測試，MHI是該項目的領導者，預計將建造一個防輻射版本用于部署。

雅各布斯能源、安全與技術高級副總裁凱倫·維梅爾特(Karen Wiemelt)說：“這是我們如何將創(chuàng)新工程和深入的核知識結合起來，幫助退役機構將放射性遺留場地轉變?yōu)榘踩珗龅氐囊粋€主要例子。”

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

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

試驗表明，遠程操作員在內置攝像頭圖像的引導下，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)計劃在2022年底前對福島第一核電站2號機組反應堆內的燃料碎片進行回收測試。” 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器人手臂，該機器人手臂已經(jīng)抵達日本。目前正在進行評估測試，一旦完成，它將被放置在一個模擬設施中進行碎片回收培訓。此外，各種遠程控制設備正在用于監(jiān)控高劑量區(qū)域的情況，如反應堆內部。”

日本原子能機構高級退役科學合作實驗室(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號機組[F1]的調查是通過機器人和遠程檢查工具進行的;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研討會，使用了真實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果對于預測福島第一核電站F1燃料碎片的主要屬性非常重要，”布拉科夫說，因為兩個地點的燃料碎片有一些相似之處，包括熔巖狀物質、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。

4、吸引專業(yè)人才

IAEA眾包挑戰(zhàn)旨在鼓勵設計和運營創(chuàng)新，以實現(xiàn)成本效益高、效率高的智能解決方案。
上圖：基于機器人平臺采集樣本的圖像處理與人工智能相結合。

由于許多核電站計劃在未來幾十年內關閉，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目大綱，以推動核設施退役或放射性污染場地的環(huán)境修復。

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)造力水平等標準進行了評估。

在IAEA選出的五個最佳參賽作品中，有幾個依靠機器人技術。例如，印度尼西亞國家核能局(BATAN)的澤尼·安格拉尼(Zeni Anggraini)領導了一個團隊，提出了一個機器人的概念，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，而且是人工進行的。我們希望制造一種機器人，可以用來避免對工作人員的潛在輻射風險。需要在使用機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計在芬蘭的洛維薩核電站進行了實際測試。(圖源：IAEA)

另一個以機器人為特色的提案來自美國。

美國佛羅里達國際大學的研究助理丹尼爾·馬丁(Daniel Martin)說：“隨著核工業(yè)的發(fā)展，對新項目專家的需求越來越高。隨著技術在我們的生活中不斷發(fā)展，對這些領域專家的需求也越來越大，例如機器人技術。”

其團隊設想使用機器人平臺和人工智能，以幫助防止缺陷發(fā)生在待拆除的設施中。

與此同時，英國布里斯托爾大學的博士生艾林霍蘭德(Erin Holland)領導的團隊提交了加速退役活動的特征描述工具包。

霍蘭德說：“核機器人技術是一門快速發(fā)展的學科，先進機器人系統(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。”

他補充說：“該項目的總體目標是使舊工廠，如鈾和釷礦石加工廠保持在安全輻射范圍內。”

5、野外應用

Spot機器狗已經(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施，也是其核退役工作的重點，正在越來越多地使用機器人。

Spot這款機器狗于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)域內進行了轉換。

塞拉菲爾德的修復團隊與總部位于坎布里亞的工程顧問Createc、英國原子能機構(UKAEA)及其美國制造商波士頓動力公司(Boston Dynamics)合作，領導Spot在塞拉菲爾德有限公司的部署。

波士頓動力公司的SPOT機器人在英國塞拉菲爾德核電現(xiàn)場的部署試驗。在這次試驗中，
SPOT使用了一臺高清攝像機、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。

機器人穿著UKAEA專門設計和制造的防護服完成了工作，該防護服保護機器人免受任何放射性污染。

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

他補充說：“到目前為止，這種類型的調查依賴于我們的操作員在危險環(huán)境中手動部署設備，并穿戴全套防護設備。這證明Spot可以幫助我們人類遠離傷害。這使我們能夠讓工人自由地完成其他增值工作。防護服也發(fā)揮了作用——機器人由我們的健康物理團隊監(jiān)控和清理，并且能夠離開塞拉菲爾德現(xiàn)場。”

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

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

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

今年2月，機器人完成了對一條140米長的地下管道的調查，該管道穿過實驗室之間的中央走廊，提供了有助于退役的有用信息。

DSRL項目經(jīng)理杰森·辛普森(Jason Simpson)說：“現(xiàn)在特征調查已經(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反應堆的高放射性堆芯上工作(圖源：OC Roboteics)

OC Robotics柔性蛇形臂機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，穿過連接在反應堆堆芯上的直徑為400mm的吹掃氣體預冷卻器(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)有輻射屏蔽內進行工作，節(jié)省時間和金錢。

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

2021年，法馬通公司確認了用于

處理和分揀高劑量廢物成分機器人系統(tǒng)的運行，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程機器人(VIRERO)項目開發(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。VIRERO項目預計將于2023年底完成。

據(jù)Kilochtska稱，目前，許多遠程控制設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構、系統(tǒng)和部件。

“此外，無人機等機器人技術可以調查輻射情況，并測量房屋和房間內的污染水平，”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)建特定房間或設施的全貌，從而更容易規(guī)劃進一步的活動，同時考慮到劑量率和污染水平。”

她指出了未來使用機器人技術的一些要點。

“首先，有必要評估實際需求和潛在效益，同時考慮特定設施退役的特定計劃。通常，此類技術的開發(fā)需要大量投資。此外，設備的進一步使用需要維護成本，以支持運營和維修(如需要)，如有合格的工作人員。“

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

顯然，機器人技術和其他數(shù)字工具在推進核退役項目方面發(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·丘達科夫(Mikhail Chudakov)表示：“創(chuàng)新數(shù)字技術可以為退役項目的規(guī)劃和實施提供重要的見解。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，并有助于確保項目安全有效地執(zhí)行。”

6、IRID機器人突破

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)機構：日本原子能機構;國家先進工業(yè)科學技術研究所。

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，人類無法進入，機器人被用于執(zhí)行一些退役工作。IRID開發(fā)了機器人，用于調查主安全殼(PCV)內的情況和燃料碎片的擴散。

已經(jīng)引入了各種類型的機器人。

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

Rosemary配備了英國制造的伽瑪相機(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，因為不夠大，無法配備通信電纜。然而，由于在建筑物內難以維持無線通信。“櫻花”支持Rosemary作為無線傳輸站。

2014年，MHI測試了MEISTeR(遠程控制的維護設備集成系統(tǒng))機器人，該機器人隨后完成了1號和2號機組的去污工作和混凝土芯樣取樣。

MEISTeR能夠進行混凝土鉆孔、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)的游泳機器人和爬行機器人在2號機組環(huán)面室內進行了狀態(tài)檢查和流量檢測調查。

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

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

開發(fā)團隊進行了許多修改和改進，使機器人能夠承受反應堆內的高輻射環(huán)境。

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

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