“智能機(jī)器人”活躍于核電領(lǐng)域
2024-12-14
應(yīng)用”課題在廣西壯族自治區(qū)防城港核電基地通過國家科技部專家組的驗收。 隨著核電站建設(shè)數(shù)量的日益增加，我國核電站機(jī)器人的研發(fā)工作也進(jìn)入了需求更為迫切的階段。
完成人類不可能之重任
在位于廣東省深圳市大亞灣核電基地的國家能源核電站核級設(shè)備研發(fā)中心實驗基地，核電站機(jī)器人是重要的研發(fā)方向之一。每天都有不同種類的機(jī)器人在基地實驗室的試驗平臺上進(jìn)行實戰(zhàn)演練與培訓(xùn)。
這個基地身兼核電技術(shù)研發(fā)與培訓(xùn)功能。為了讓研發(fā)和培訓(xùn)效果更好，基地布局按照核電站的核島設(shè)備1∶1比例建設(shè)?！俺藳]有放射性，其他都與核電站的核島一樣?！敝锌迫A核電技術(shù)研究院輔助設(shè)備研究所所長吳鳳岐介紹，這也是國內(nèi)第一個完備的核電技術(shù)研發(fā)、實驗基地。
在這些機(jī)器人中，“老大哥”非“反應(yīng)堆換料機(jī)器人”莫屬。這個外觀龐大的機(jī)器人橫跨反應(yīng)堆水池，跨距達(dá)7.9米，是每個核電站建設(shè)時必須配備的機(jī)器人之一。據(jù)吳鳳岐介紹，它是反應(yīng)堆專用的裝卸核燃料組件的機(jī)器人，負(fù)責(zé)從核燃料廠房把一個燃料組件裝進(jìn)反應(yīng)堆，或者從反應(yīng)堆把乏燃料組件卸出運到核燃料廠房貯存。
“在核電站的應(yīng)急救災(zāi)、事故處理、設(shè)備維修等方面，智能機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值?！眳区P岐告訴記者，“核電站專用機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”課題以核電站工程和運營需求為背景，研制核環(huán)境下代替人員進(jìn)行工作或提高核電站安全性和經(jīng)濟(jì)性的機(jī)器人。
據(jù)了解，這一課題由中廣核牽頭，由中廣核下屬的多家單位及北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等高校共同參與完成，是國家“十二五”期間唯一一項核電機(jī)器人研發(fā)課題。經(jīng)過4年多的研究，課題組掌握了相關(guān)應(yīng)用技術(shù)并研制成功若干工程樣機(jī)產(chǎn)品，且部分產(chǎn)品已經(jīng)在防城港核電站得到工程示范應(yīng)用。
“此次課題研發(fā)共包括6款核電智能機(jī)器人?！闭n題組組長、中科華核電技術(shù)研究院副院長張一心介紹說，目前我國是世界上在建核電機(jī)組最多的國家，機(jī)器人的需求量也日益增加。日本福島事故后，我國核電站安全要求全面提升，核電機(jī)器人的研發(fā)工作也變得日益迫切。
解放高輻射環(huán)境下的工作人員
“核電站具有高放射性、環(huán)境復(fù)雜、空間狹小等特點。高放射性會嚴(yán)重危害維修、作業(yè)人員的身體健康，而智能機(jī)器人無懼危險環(huán)境作業(yè)，工作效率高、耐久性強，精確程度也大大超過人類?！痹谂c機(jī)器人打交道多年的吳鳳岐眼里，這些“大家伙”優(yōu)點很多，但最重要的是“它們可以減少人員受到的高劑量輻射”。
據(jù)介紹，我國相關(guān)法律規(guī)定，核電站的每個工作人員接受的劑量照射一年不能超過50毫西弗，而企業(yè)的規(guī)定一般更為嚴(yán)格，一個工作人員每年不能超過20毫西弗的劑量。
“目前在我國核電站，一些劑量特別大的工作場所如果需要人員進(jìn)入操作，如蒸汽發(fā)生器一次側(cè)堵板工作，通常是采用劑量分擔(dān)的方式去做。比如一組人員輪流進(jìn)入，每個人進(jìn)去1分鐘~兩分鐘?！眳区P岐表示，這種方式相對麻煩，也存在一定風(fēng)險?！耙虼?，最好的方式是使用機(jī)器人替代，這也是我們未來研發(fā)的方向?！?/div>
據(jù)介紹，核電站智能機(jī)器人當(dāng)前主要有兩個研發(fā)方向。一是每個核電站必備的機(jī)器人，主要負(fù)責(zé)完成核電站中人力不可能完成的任務(wù)，比如反應(yīng)堆換料機(jī)器人、反應(yīng)堆整體螺栓拉伸機(jī)、反應(yīng)堆無損檢測機(jī)器人等；而另一個研發(fā)方向則是研究盡可能減少核電站工作人員受照劑量的機(jī)器人，在一些高輻射工作場所，盡管依靠人力也可以完成任務(wù)，但由于對人體傷害較大，因此，研發(fā)替代機(jī)器人尤為必要。
“以反應(yīng)堆密封面打磨拋光機(jī)器人為例，這個機(jī)器人的主要功能是對核電站反應(yīng)堆壓力容器密封面和頂蓋密封槽進(jìn)行打磨、拋光和檢測?！睋?jù)吳鳳岐介紹，以往壓力容器密封面采用人工打磨的方式，頂蓋密封槽由于密封面內(nèi)凹設(shè)計，無法進(jìn)行人工打磨拋光作業(yè)，并且此處劑量強度要高出密封面3倍~4倍，以往采用不處理的方式，增加核電站主設(shè)備的運行風(fēng)險。壓力容器密封面打磨一般需要10人~12人同時工作，連續(xù)作業(yè)20多分鐘。由于劑量水平偏高，需要考慮劑量分擔(dān)，每人承受劑量300微西弗~400微西弗，所有人員的總照射劑量可能達(dá)到5毫西弗以上。使用拋光機(jī)器人進(jìn)行操作，僅需兩名操作人員進(jìn)行操作，不但能打磨拋光密封面，也能打磨拋光頂蓋密封槽，在打磨拋光作業(yè)期間操作人員可以不留守高劑量現(xiàn)場，設(shè)備作業(yè)時間不超過30分鐘，作業(yè)人員總照射劑量僅為幾十微西弗，只有原來的百分之一。另外，放射性設(shè)備拋光作業(yè)屬于高吸入性照射（內(nèi)照射）風(fēng)險工作，使用拋光機(jī)器人代替人則可以有效消除作業(yè)人員內(nèi)照射風(fēng)險。
據(jù)記者了解，像這樣為減少人員輻射而研發(fā)的機(jī)器人還包括蒸汽發(fā)生器一次側(cè)堵板操作機(jī)器人、反應(yīng)堆壓力容器螺栓孔清洗機(jī)、反應(yīng)堆主螺栓螺母清洗機(jī)器人等。
“下一步我們的研發(fā)重點就是把人員從高勞動強度和高輻射環(huán)境中解放出來，真正的安全不僅要保證核電站的運轉(zhuǎn)安全，也要保證操作人員的安全，這也是使用機(jī)器人的最終目的?！眳区P岐說。
自主核電技術(shù)的配套研發(fā)
隨著我國具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)“華龍一號”的落地，自主研發(fā)核電站配套機(jī)器人的任務(wù)在科研人員腦中的弦繃得更緊了。
“使用‘華龍一號’三代核電技術(shù)的機(jī)組在某些技術(shù)參數(shù)上與當(dāng)前國內(nèi)大多數(shù)使用二代改進(jìn)型核電技術(shù)的核電站存在不少區(qū)別，因此，智能機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置也不同?！眳区P岐說。
以換料機(jī)器人為例，吳鳳岐告訴記者，采用“華龍一號”示范機(jī)組的核電站，載裝燃料組件要用177個，而現(xiàn)在普遍使用的二代技術(shù)載裝燃料組件是157個，那么，換料機(jī)器人在這方面的參數(shù)就要根據(jù)我國的技術(shù)進(jìn)行調(diào)整。
“在我國核電站建設(shè)初期，配套的智能機(jī)器人一般都要依靠進(jìn)口，但隨著核電機(jī)組建設(shè)數(shù)量的增加，一直依靠進(jìn)口會限制我們的發(fā)展，因此，研發(fā)出具有我們自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人變得越來越重要?！闭勂鹞覈穗娬局悄軝C(jī)器人的自主研發(fā)，吳鳳岐深有感慨，“核電技術(shù)上我們有了具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的‘華龍一號’，配套的智能機(jī)器人沒理由要一直依靠進(jìn)口?！?/div>
據(jù)介紹，當(dāng)前我國核電站智能機(jī)器人的自主研發(fā)主要是參考國外先進(jìn)技術(shù)再吸收或自主創(chuàng)新。機(jī)器人的研發(fā)還會根據(jù)不同核電站的具體技術(shù)在某些參數(shù)上做一些調(diào)整，從而使之符合每個核電站的實際情況。
“換料機(jī)器人在2011年開始自主研發(fā)，2013年在大亞灣核電基地技能培訓(xùn)中心投入培訓(xùn)使用，其技術(shù)水平即使在國際上也處于領(lǐng)先地位，甚至比國外的設(shè)備還好?！眳区P岐說，“研發(fā)時我們參考了國外設(shè)備，比如在核電設(shè)備上非常專業(yè)的美國西屋公司和法國RELL公司的設(shè)備等。”
然而，吳鳳岐也坦言，當(dāng)前我國核電機(jī)器人水平與國際先進(jìn)水平仍有一段距離。
“目前世界核電智能機(jī)器人的研發(fā)強國是美國、法國和日本等，主要是他們起步較早，研發(fā)時間長。我國核電機(jī)器人目前已經(jīng)歷了起步和初步發(fā)展階段，未來方向主要是追趕國際先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到國際先進(jìn)水平，同時研發(fā)出更適應(yīng)我國自主技術(shù)的核電站智能機(jī)器人?！?/div>