解密強核輻射環境下的「孤膽英雄」——核電應急機器人

新聞 07-06

超強核輻射環境是人類的禁區，但卻往往有著人類不得不去完成的任務。2017年2月，戰士「蠍子」只身前往日本福島核泄露的核心區域。在那片禁地中，「蠍子」要執行一系列調查取樣的任務。能承受強輻射的它，在執行任務的過程中，還是以「犧牲」告終。但人類在探索適應核輻射環境下的特種機器人的道路，才剛剛開始。

中科院光電技術研究所（簡稱光電所）有一支專門研發耐輻射裝備和機器人的團隊。90年代，光電所成為國內最早涉足這一領域的科研團隊。如今，中國幾乎所有的核電站都在使用光電所研發的耐輻射機器人設備，它們會代替人們進入核反應堆內部，完成一系列的特殊任務。

前不久，由光電所、西南科技大學及中物院聯合主持的項目「強輻射環境強適應型機器人關鍵技術及其應用」獲得了四川省科技進步一等獎。

許多人聯想到，如果機器人適應強輻射，是不是就可以應用於例如日本福田核泄漏一樣的事故？

事實上，光電所特種光電智能化裝備研發團隊從2014年起就開始與大亞灣核電站開展對「核環境下應急機器人」的聯合研發，一套能應用於高輻射區域偵查救援的「應急機器人」，已於2016年底正式亮相。

手在前頭在後它能抵禦每小時100西弗的核輻射

這些小傢伙並不龐大，最大的也不超過100公斤。一隻靈巧的機械手臂高高懸起，可以上下左右靈活擺動。眼睛大而萌，那是攝像鏡頭的所在。它的腳可以是幾隻小巧的圓輪，也可以是兩條霸氣的履帶，隨時聽候主人的吩咐。不過它的大腦不同於任何機器人的族群，它的大腦在身子的後方，因為那裡最需要被保護。除去機器人主體身軀，其他的功能模塊，大多可拆可卸可拼接。比如只用「眼睛」，就可以不安裝「手臂」。

水下多功能智能化機器人

最重要的是，它所有的「器官」，都能在超強輻射的環境下正常工作。這些小傢伙的工作場所，在核電站之中。

核電站通常每運行18個月後會停堆大修，但很多環境，人進不去，例如核反應堆水池、乏燃料水池以及許多設備旁。但機器人可以代替人進去完成相應任務。可是，沒有好的耐輻射技術，機器人進入強輻射區很快會就會停止工作，2011年福島核電事故中很多機器人就是因不能耐強輻射而很快癱瘓。

高耐輻射技術正是光電所的核心技術之一。在核電站中，光電所研製的機器人可以承受高達65度的高溫，同時抵禦每小時100個西弗（Sv）的核輻射。而機器人攜帶的相機等感測器，甚至可以抵禦高達每小時10000個西弗（Sv）的核輻射。公開資料顯示，在平時生活中，做一次胸部CT掃描的輻射量在6-18毫西弗，當人類一次性遭受4000毫西弗會導致死亡。

從技術上來講，高耐輻射並不是簡單的選擇耐輻射材料，更多的是通過合理規劃機器人各功能區的布局、分布設計電路並將感測器主被動加固等方式來實現的。達到整體耐輻射，是一項綜合技術。

能「看」、能「抓」、能打磨核電站體檢要靠它

核電現場的機器人有很多不同的功能，主要分為三類：一類負責攝像，將現場的情況實時傳輸，「直播」到操作人員手中；第二種負責水下任務執行，進行水下的異物打撈；還有一類是「特種作業」機器人，比如給現場機械零件做一做切割、打磨之類的檢修。這些看似不難的舉動，在強烈的核輻射環境中，若要人親自來完成，就成了大難題。機器人責任重大，它們成為了深入「禁地」的「孤膽英雄」。

比如在反應堆內部，反應堆水池裡是不允許有異物的。但是偶爾會掉落一些細小部件。曾經人們使用過長桿打撈，像魚竿，前面吊著攝像機鏡頭，伸進水裡四處撈，或者再吊個小重鎚，外麵包上一圈膠布，通過膠粘的方式打撈異物。結果很容易想像，剛粘起來一不留神又掉下去，掉到水底死角里，再要撈難上加難。

不過水下異物打撈機器人就聰明多了，不僅耐輻射、防水和耐高溫，它進入水池後，通過自身視覺等感測器，能迅速定位到異物，「眼神機敏」。隨後它會通過機械臂的爪手將異物夾取，並打撈出來，「手臂靈活」。若是打撈很小的異物，它還可以把機械爪手換成類似吸塵器的吸盤，輕鬆將異物吸出來。

小型水下異物打撈機器人

要知道，在核電站里，一個反應堆一小時的發電量約100萬度，價值40萬人民幣，一天就是一千萬左右。核電站每18個月一次的「體檢」，通常需要20天到30天。通過機器人代替人進行某些特種作業，能大大提高工作效率，同時也能更好的保護人免遭輻射。

截至目前，許多高校及科研機構也在對耐核輻射機器人進行研發，但光電所研發的水下高耐輻射機器人，仍是國內唯一在核電站現場使用過的機器人。

未雨綢繆國內首套核環境下應急機器人在中科院誕生

核輻射環境縱然聽起來有些嚇人，但離我們普通人的生活還是太遠。幾年前，很少會有人將耐輻射的機器人與核輻射環境救援聯繫起來，而發生在2011年的日本福島核泄漏事故，讓「機器人敢死隊」走進了人們的視野。

從幾乎沒什麼防核輻射能力的救援機器人進入泄露區瞬間被「秒殺」；到後來載入了核輻射抵禦指數的機器人「勇士們」逐一前往，有的堅持了幾分鐘，有的堅持了一個小時再「犧牲」。這些「英雄」般的機器人們，讓人們意識到一切都應未雨綢繆。也正是福島的這一案例，讓一些技術領先的國家開始了對核輻射應急救援類機器人技術的重視，從而開始了相關的研發工作。

我國也不例外。具備國內這一領域最領先技術的光電所，從2014年起與大亞灣核電站開始聯合研發「核電應急機器人」。該項目去年已經在成都完成了初步研發工作，並成功做出了第一套共4個應急機器人，目前已運至大亞灣核電站。這是國內目前誕生的第一套用於核電應急的耐核輻射機器人。

當然，我國在役的有近40個核反應堆，每一個都具備極高的安全係數。在日本福島的核泄漏事故之前，包括日本在內，幾乎各國都沒有系統研究過核輻射環境下的救援問題。但是福島事件的影響一直延續到現在，各國都開始未雨綢繆，再安全的環境，也需要對應急有所準備，所以我國也開始開展相關的自主研發工作。這套應急機器人隨時可以使用，一共4個機器人，平時裝在一個大集裝箱里，如果遇到需要使用的情況，可以隨整個集裝箱立刻拉走。

深入「絕境」的「特種部隊」

「應急機器人」的造型，就像是普通核電站用的機器人的升級版。這一套4個型號的機器人，就像一支小小的特種部隊。它們主要分為水上工作和水下工作兩類，分工各有不同。

水下的機器人，一個在水底工作，一個懸停在水中工作如「潛艇」。它們將進入反應堆水池、燃料水池等等存在有強核輻射的環境中執行任務。陸上的機器人通常在距離控制器操作人員一兩百米範圍內，接受操作人員的指揮調度。但是在應急狀態下，操作人員必須在遠離輻射區的幾公里外的安全區域，這時候的機器人就像一個孤獨的戰士，必須獨自前進幾公里深入到核心輻射區域去執行嚴峻的任務。

與其他的救援現場不同，其他救援現場的設備可以通過吊車、電梯等輸送到現場。而在輻射區中，機器人只能靠自己。因此，要完成這樣的現實要求，它首先被賦予了強大的「行進能力」。它的爬坡、越障的能力超強，有複雜的履帶和輪軸設計，對它而言，上個台階就是小意思。

陸地應急巡檢機器人

另一方面，為了能夠時刻跟操作人員保持聯絡，保證信號不中斷，它們還承擔一個額外任務，就是每走一段路，就在沿途自行安裝一個「中繼器」。通過這個「中繼器」，它才能隨時將信息傳遞給操作人員。試想一下，一個沿路越過重重障礙的「孤膽英雄」，深入無人險境，沿途安裝信號器來跟組織保持聯絡，代替人類完成種種艱難任務，何其英勇。

它們是一線「敢死隊」現場偵查靠它們

機器人進入到輻射區域後，有幾項重要的任務需要完成。首先，現場的情況要能實時傳遞到外面去，讓人們看到現場情形。同時，它們要在現場採集各類信息，比如濕度、溫度、核輻射的劑量率等，傳輸給幾公里外的操作人員。

再有，它們還需要採集現場「樣本」，帶出輻射區，交給操作人員。除此之外，它們甚至還具備一些救援操作的能力，比如開關、閥門的處理，比如在應急現場開關安全門，這些都是比較艱巨的任務。這一系列的任務，都是「應急救援」的一線工作，也是第一步，一切應急的開端。

沒有第一手現場信息的掌握，所有的後續應急方案，就無法科學制定，就無法對症下藥。而核電應急機器人，就是那可以第一時間深入前線的「敢死隊」。