无人机与机器人技术在核辐射监测中的应用研究

一、引言

核能作为高效清洁的能源，在全球能源结构中的占比持续攀升。国际原子能机构（IAEA）数据显示，截至 2023 年，全球在运核电机组达 438座，核电发电量约占全球总发电量的 10% 。无人机与机器人技术凭借独特优势，可突破传统监测方法的桎梏，实现核辐射的高效精准监测，为该领域带来全新变革。

二、 核辐射的危害

核辐射是原子核结构或能量状态转变时释放的微观粒子流，包括 α粒子、β 粒子、γ 射线等。这些高能粒子穿透人体组织后，会与细胞分子发生相互作用。研究表明，当人体受到 1-2Sv 的 γ 射线照射时，会出现恶心、呕吐等急性放射病症状；超过 4Sv 的照射，致死率高达 50% 以上 。在环境层面，核辐射对生态系统破坏巨大。以切尔诺贝利核事故为例，事故发生后，周边 1000 多平方公里的森林因辐射影响，树木大面积死亡，形成 “ 红色森林” ；受污染区域的水源中放射性物质超标数千倍，导致鱼类等水生生物大量死亡，生态系统遭受毁灭性打击，至今仍有超过 2600 平方公里的土地因辐射污染无法居住和耕种 。

三、无人机与机器人技术在核辐射监测中的优势

3.1 无人机技术优势

1.灵活机动性：无人机体积小巧，能在复杂环境中灵活飞行。其飞行速度可达 30-60 公里 / 小时，可在 20 分钟内飞抵半径 20 公里内的监测区域 。在山区监测中，无人机能轻松穿越山谷、飞越海拔 3000 米以上的山峰，相比传统监测手段，监测覆盖范围扩大了 3 - 5 倍 。

2.非接触式监测：无人机可在距辐射源 50 - 100 米的安全距离外进行监测，避免人员直接接触高辐射区域。在核事故现场，无人机能在辐射强度高达 1000μSv/h 的环境中持续工作 30 分钟以上，为应急决策提供实时数据支持 。

3.2 机器人技术优势

1.适应复杂环境：机器人具备多种运动方式，履带式机器人在松软沙地的行驶速度可达 5 - 10 米 / 分钟，攀爬坡度超过 30^∘ 。在核设施内部，轮式机器人可在直径 0.8 米以上的管道中自由穿行，完成管道内部的辐射监测任务 。

2.具备强大负载能力：现代机器人负载能力不断提升，部分大型机器人可搭载重达 50 公斤的设备。例如，某型号机器人可同时搭载辐射剂量率仪、伽马能谱仪、高清摄像头和气体传感器等设备，实现对核辐射及温度、湿度、有害气体浓度等 10 余项环境参数的同步监测 。

四、无人机与机器人技术在核辐射监测中的关键技术

4.1 无人机关键技术

无人机在核辐射监测中的高效应用，离不开先进的导航与控制技术、数据传输技术和辐射探测技术。在导航与控制方面，高精度的卫星导航系统（如北斗系统）和惯性导航系统相互配合，使无人机定位精度可达厘米级，确保其能精准飞行至目标监测区域 。避障技术的发展也至关重要，激光雷达、视觉传感器等设备的应用，让无人机在复杂环境中能够实时感知周围障碍物，自动规划安全航线，降低碰撞风险。数据传输上，5G 技术的引入显著提升了数据传输速率和稳定性，可实现每秒 100MB 以上的辐射数据、图像数据的实时回传 。辐射探测设备不断升级，新型的半导体探测器灵敏度大幅提高，能检测到低至 0.01μSv/h 的微弱辐射变化 。

4.2 机器人关键技术

机器人应用于核辐射监测，涉及环境感知、自主导航和智能控制等关键技术。环境感知方面，多传感器融合技术是核心，将辐射传感器、超声波传感器、红外传感器等多种传感器集成，使机器人能全面感知周围环境的辐射强度、地形地貌、障碍物等信息 。自主导航技术通过 SLAM（即时定位与地图构建）算法，让机器人在未知环境中能快速构建地图并规划最优路径，例如在核设施复杂的管道网络中，机器人可在 5 分钟内完成地图构建并规划出监测路线 。智能控制技术则赋予机器人决策能力，基于深度学习的控制算法，可使机器人根据环境变化和任务需求，自动调整运动姿态和监测策略，如在遇到高辐射区域时，自动调整探测频率和监测时长。

五、无人机与机器人技术在核辐射监测中的应用

5.1 无人机在核辐射监测中的应用

1.空中巡检：无人机搭载辐射剂量率仪、伽马能谱仪等设备，对核设施周边、核废料存储场等区域进行定期巡检。某核电站采用无人机巡检后，监测效率提升了 8 倍，监测成本降低了 60% 。无人机巡检数据采集频率可达每秒 10 次，能绘制精度达 1 米 × 1 米的辐射剂量率分布图 。

2.事故应急监测：核事故发生时，无人机可迅速响应。在福岛核事故中，国际原子能机构部署的无人机，飞行高度达 100-300 米，在 72 小时内完成了对 200 平方公里事故区域的辐射监测，确定了辐射源位置和污染范围，为 20 万居民的疏散提供了关键数据支持 。

5.2 机器人在核辐射监测中的应用

1.地面移动监测：地面移动机器人在核设施内部和污染场地发挥重要作用。某核废料处理厂部署的机器人，每日可巡检面积达 5000 平方米，相比人工巡检效率提升 20 倍，且能发现 的辐射异常变化 。

2.狭小空间与复杂地形监测：管道检查机器人可在直径 0.3 - 1 米的管道中爬行，检测速度为 0.5 - 1 米 / 分钟，能精准定位管道泄漏点 。在核事故废墟清理中，机器人进入废墟内部，探测到的辐射源定位误差小于 0.5米，为清理工作提供了安全保障 。

3.辐射源定位与处置辅助：部分机器人配备高精度辐射源定位设备，定位精度可达 ±5 厘米 。在海关口岸，智能机器人辐射巡检系统可在 30秒内完成对 10 平方米区域的放射性物质检测，集成的机械臂处置装置能在 2 分钟内完成对小型放射性物质的初步屏蔽处理，将口岸查验通关效率提升 40% 。

六、无人机与机器人技术在核辐射监测中面临的挑战

尽管无人机与机器人技术在核辐射监测中展现出显著优势，但也面临诸多挑战。在技术层面，无人机的续航能力仍是一大瓶颈，目前多数无人机的续航时间仅为 30 - 90 分钟，难以满足长时间、大范围的监测需求 。机器人在高辐射环境下的可靠性也有待提高，辐射可能导致电子元件性能下降甚至损坏，据统计，在辐射强度超过 500μSv/h 的环境中，机器人电子元件的故障率会增加 30% 以上 。在成本方面，高端的无人机和机器人设备价格昂贵，一套具备高精度辐射探测功能的无人机监测系统成本高达数十万元，而复杂功能的机器人成本更是超过百万元，这限制了其在一些预算有限单位的推广应用。此外，相关专业技术人才匮乏，操作和维护这些先进设备需要具备辐射防护、电子技术、自动化控制等多学科知识的复合型人才，目前行业内此类人才缺口达 40% 以上 。

参考文献：

[1]宋轩彬.无人机与机器技术在核辐射中的应用[J].云南水力发电,2022,38(12):85-87.

[2] 秦兆明. 无人机机械在核辐射中的监测研究[J]. 水利技术监督,2022,(06):60-62.

作者简介：大学本科学历，工程师。长期从事辐射环境监测、监督、应急处置及采样工作，实操经验丰富。

姓名：董泽坤，单位： 邮编：，籍贯：云南保山，学历：大学本科，目前职称：工程师，主要从事工作方向：辐射环境监测、监督、应急处置及采样。