图为中科华核电技术研究院研发的换料
机器人。
在核电站核岛厂房反应堆换料水池上，一个看似体态笨拙的机器人正在手脚灵活地装卸核燃料，核电站工作人员则紧张地关注着换料进程。
日前，由中国广核集团（以下简称中广核）牵头的国家863计划“核反应堆专用机器人技术与
应用”课题在广西壮族自治区防城港核电基地通过国家科技部专家组的验收。
随着核电站建设数量的日益增加，我国核电站机器人的研发工作也进入了需求更为迫切的阶段。
完成人类不可能之重任
在位于广东省深圳市大亚湾核电基地的国家能源核电站核级设备研发中心实验基地，核电站机器人是重要的研发方向之一。每天都有不同种类的机器人在基地实验室的试验平台上进行实战演练与培训。
这个基地身兼核电技术研发与培训功能。为了让研发和培训效果更好，基地布局按照核电站的核岛设备1∶1比例建设。“除了没有放射性，其他都与核电站的核岛一样。” 中科华核电技术研究院辅助设备研究所所长吴凤岐介绍，这也是国内第一个完备的核电技术研发、实验基地。
在这些机器人中，“老大哥”非 “反应堆换料机器人”莫属。这个外观庞大的机器人横跨反应堆水池，跨距达7.9米，是每个核电站建设时必须配备的机器人之一。据吴凤岐介绍，它是反应堆专用的装卸核燃料组件的机器人，负责从核燃料厂房把一个燃料组件装进反应堆，或者从反应堆把乏燃料组件卸出运到核燃料厂房贮存。
“在核电站的应急救灾、事故处理、设备维修等方面，智能机器人及相关技术具有重要的应用价值。”吴凤岐告诉记者，“核电站专用机器人技术与应用”课题以核电站工程和运营需求为背景，研制核环境下代替人员进行工作或提高核电站安全性和经济性的机器人。
据了解，这一课题由中广核牵头，由中广核下属的多家单位及北京航空航天大学、北京理工大学、河北工业大学等高校共同参与完成，是国家“十二五”期间唯一一项核电机器人研发课题。经过4年多的研究，课题组掌握了相关应用技术并研制成功若干工程样机产品，且部分产品已经在防城港核电站得到工程示范应用。
“此次课题研发共包括6款核电智能机器人。”课题组组长、中科华核电技术研究院副院长张一心介绍说，目前我国是世界上在建核电机组最多的国家，机器人的需求量也日益增加。日本福岛事故后，我国核电站安全要求全面提升，核电机器人的研发工作也变得日益迫切。
解放高辐射环境下的工作人员
“核电站具有高放射性、环境复杂、空间狭小等特点。高放射性会严重危害维修、作业人员的身体健康，而智能机器人无惧危险环境作业，工作效率高、耐久性强，精确程度也大大超过人类。”在与机器人打交道多年的吴凤岐眼里，这些“大家伙”优点很多，但最重要的是“它们可以减少人员受到的高剂量辐射”。
据介绍，我国相关法律规定，核电站的每个工作人员接受的剂量照射一年不能超过50毫西弗，而企业的规定一般更为严格，一个工作人员每年不能超过20毫西弗的剂量。
“目前在我国核电站，一些剂量特别大的工作场所如果需要人员进入操作，如蒸汽发生器一次侧堵板工作，通常是采用剂量分担的方式去做。比如一组人员轮流进入，每个人进去1分钟~两分钟。”吴凤岐表示，这种方式相对麻烦，也存在一定风险。“因此，最好的方式是使用机器人替代，这也是我们未来研发的方向。”
据介绍，核电站智能机器人当前主要有两个研发方向。一是每个核电站必备的机器人，主要负责完成核电站中人力不可能完成的任务，比如反应堆换料机器人、反应堆整体螺栓拉伸机、反应堆无损检测机器人等；而另一个研发方向则是研究尽可能减少核电站工作人员受照剂量的机器人，在一些高辐射工作场所，尽管依靠人力也可以完成任务，但由于对人体伤害较大，因此，研发替代机器人尤为必要。
“以反应堆密封面打磨抛光机器人为例，这个机器人的主要功能是对核电站反应堆压力容器密封面和顶盖密封槽进行打磨、抛光和检测。”据吴凤岐介绍，以往压力容器密封面采用人工打磨的方式，顶盖密封槽由于密封面内凹设计，无法进行人工打磨抛光作业，并且此处剂量强度要高出密封面3倍~4倍，以往采用不处理的方式，增加核电站主设备的运行风险。压力容器密封面打磨一般需要10人~12人同时工作，连续作业20多分钟。由于剂量水平偏高，需要考虑剂量分担，每人承受剂量300微西弗~400微西弗，所有人员的总照射剂量可能达到5毫西弗以上。使用抛光机器人进行操作，仅需两名操作人员进行操作，不但能打磨抛光密封面，也能打磨抛光顶盖密封槽，在打磨抛光作业期间操作人员可以不留守高剂量现场，设备作业时间不超过30分钟，作业人员总照射剂量仅为几十微西弗，只有原来的百分之一。另外，放射性设备抛光作业属于高吸入性照射（内照射）风险工作，使用抛光机器人代替人则可以有效消除作业人员内照射风险。
据记者了解，像这样为减少人员辐射而研发的机器人还包括蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人、反应堆压力容器螺栓孔清洗机、反应堆主螺栓螺母清洗机器人等。
“下一步我们的研发重点就是把人员从高劳动强度和高辐射环境中解放出来，真正的安全不仅要保证核电站的运转安全，也要保证操作人员的安全，这也是使用机器人的最终目的。”吴凤岐说。
自主核电技术的配套研发
随着我国具备完全自主知识产权的三代核电技术“华龙一号”的落地，自主研发核电站配套机器人的任务在科研人员脑中的弦绷得更紧了。
“使用‘华龙一号’三代核电技术的机组在某些技术参数上与当前国内大多数使用二代改进型核电技术的核电站存在不少区别，因此，智能机器人的参数设置也不同。”吴凤岐说。
以换料机器人为例，吴凤岐告诉记者，采用“华龙一号”示范机组的核电站，载装燃料组件要用177个，而现在普遍使用的二代技术载装燃料组件是157个，那么，换料机器人在这方面的参数就要根据我国的技术进行调整。
“在我国核电站建设初期，配套的智能机器人一般都要依靠进口，但随着核电机组建设数量的增加，一直依靠进口会限制我们的发展，因此，研发出具有我们自主知识产权的机器人变得越来越重要。”谈起我国核电站智能机器人的自主研发，吴凤岐深有感慨，“核电技术上我们有了具备完全自主知识产权的‘华龙一号’，配套的智能机器人没理由要一直依靠进口。”
据介绍，当前我国核电站智能机器人的自主研发主要是参考国外先进技术再吸收或自主创新。机器人的研发还会根据不同核电站的具体技术在某些参数上做一些调整，从而使之符合每个核电站的实际情况。
“换料机器人在2011年开始自主研发，2013年在大亚湾核电基地技能培训中心投入培训使用，其技术水平即使在国际上也处于领先地位，甚至比国外的设备还好。”吴凤岐说，“研发时我们参考了国外设备，比如在核电设备上非常专业的美国西屋公司和法国RELL公司的设备等。”
然而，吴凤岐也坦言，当前我国核电机器人水平与国际先进水平仍有一段距离。
“目前世界核电智能机器人的研发强国是美国、法国和日本等，主要是他们起步较早，研发时间长。我国核电机器人目前已经历了起步和初步发展阶段，未来方向主要是追赶国际先进技术，达到国际先进水平，同时研发出更适应我国自主技术的核电站智能机器人。”
