核设施退役中机器人技术的应用现状与展望

前言

核能作为高效低碳能源，在全球能源结构中地位关键。自 20 世纪中叶起，大量核电站及核设施投入运行，如今部分因老化或达设计寿命需进行退役处理。核设施退役涉及放射性物质处理、高辐射区域拆改等复杂任务，传统人工操作风险高、效率低，难以适配大规模需求。机器人技术凭借极端环境作业能力，可精准执行任务，降低人员辐射暴露，提升安全性与效率，其在该领域的应用进展显著[1]，已成研究热点。

一、核设施退役概述

1. 核设施退役的必要性

核设施在长期运行过程中，设备老化、性能下降，维护成本不断增加，且存在更高的安全风险，影响核设施的安全稳定运行。同时，随着技术进步，新型、更安全高效的核设施不断涌现，老旧核设施的退役有助于推动核能产业的升级换代。此外，从环境保护角度看，及时退役不再使用的核设施，妥善处理其中的放射性物质，能够避免潜在的环境污染风险，保障周边居民的健康与安全。

2. 核设施退役的主要阶段与任务

核设施退役主要分三个阶段，一是退役前准备阶段，需全面评估设施结构、辐射场分布及放射性物质情况，制定退役计划与应急预案；二是拆除阶段，拆除反应堆堆芯、核燃料处理系统等设备，严控放射性物质释放；三是场地清理阶段，对场地进行放射性去污与土壤修复，使其达标可再利用。各阶段任务关联，且因高辐射、结构复杂等，对技术设备要求极高。

二、机器人技术在核设施退役中的应用现状

1. 巡检与监测机器人

1.1 移动机器人

移动机器人常配备辐射剂量、气体成分、视觉等传感器，能在复杂核设施环境自主导航，实时监测辐射水平、空气质量与设备状态。例如美国某公司的轮式巡检机器人，可在核电站廊道、厂房自主行驶，借高精度辐射剂量率仪快速绘辐射场分布图，为退役提供数据支持。其采用 SLAM 算法，无 GPS 时也能室内精准定位与规划路径，适配核设施复杂地形布局。

1.2 爬行机器人

针对管道、罐体表面等特殊结构核设施，爬行机器人具独特优势。它借吸附机构可在垂直或倾斜表面稳定爬行，近距离检测评估设备表面。如日本福岛核事故后，大量爬行机器人用于受损核电站管道系统检查，其配备的超声检测传感器能检测管道内部腐蚀、裂纹等缺陷，为拆除或修复提供依据，部分还可携带小型工具，开展管道表面放射性污染局部清理作业 [2]。

2. 拆除作业机器人

2.1 机械臂

机械臂可用于对核设施内各类设备和结构进行精确拆除。在高辐射环境下，操作人员通过远程控制机械臂，完成切割、抓取、搬运等任务，避免人员直接暴露于高辐射区域。例如，法国某公司研发的一款多自由度核用机械臂，具有极高的定位精度和负载能力。在某核电站退役项目中，该机械臂用于拆除反应堆内部的控制棒驱动机构，通过配备的专用切割工具，能够在狭小空间内对复杂结构进行精确切割，切割精度达到毫米级，大大提高了拆除工作的效率与安全性。

2.2 特种拆除机器人

针对核设施中一些特殊结构或难以接近区域的拆除任务，特种拆除机器人应运而生。例如，对于反应堆压力容器内部的拆除工作，由于空间狭小且辐射强度极高，常规机械臂难以施展。某科研团队研发的一种小型履带式拆除机器人，能够通过狭窄通道进入压力容器内部。该机器人配备微型切割工具和高清摄像头，操作人员可通过远程控制，利用机器人对压力容器内部的部件进行精细拆除，有效解决了此类特殊场景下的拆除难题。

3. 放射性废物处理机器人

3.1 分拣机器人

核设施退役会产生大量放射性废物，需先分拣以方便后续分类处理。放射性废物分拣机器人依托先进图像识别与辐射检测技术，能快速准确识别废物种类、材质及放射性水平。如国内某单位研发的该类机器人，借 AI 视觉识别系统可区分混合废物中金属、塑料、混凝土等材质，结合辐射探测器信息分离高、低放射性废物，分拣效率高，大幅提升了放射性废物处理的效率与准确性。

3.2 封装机器人

封装机器人能够根据废物的形状、尺寸和放射性水平，选择合适的封装容器和封装方式，实现自动化的封装作业。例如，国外某企业生产的放射性废物封装机器人，采用先进的机械手臂和智能控制系统，可对各类放射性废物进行精准抓取、放置到专用的封装容器中，并完成密封操作。该机器人具备高度的自动化和可靠性，能够在高辐射环境下连续稳定工作，有效保障了放射性废物封装的质量与安全性。

三、未来展望

1. 技术发展趋势

1.1 智能化与自主化

未来，核设施退役机器人通过引入人工智能、机器学习、深度学习等先进技术，机器人能够对复杂的核设施环境进行实时感知、分析和决策，实现自主规划路径、自主完成任务。例如，利用深度学习算法，机器人可根据大量的历史数据和实时监测信息，自动识别核设施内的各类设备和结构，自主制定最佳的拆除方案和作业流程，大大提高作业效率和质量 [3]。

1.2 多机器人协作

为应对核设施退役中多样化的任务需求，多机器人协作系统将成为重要发展方向。不同类型的机器人，如移动机器人、机械臂、水下机器人等，可通过无线通信技术实现信息共享和协同作业。例如，在大规模核设施拆除项目中，移动机器人负责运输拆除下来的废物，机械臂进行设备拆除，水下机器人对乏燃料水池等水下设施进行清理，各机器人之间相互配合，形成高效的作业团队，提高整体作业效率。

2. 应用拓展方向

2.1 小型模块化机器人

随着核设施退役工作的深入开展，对于能够在狭小空间、复杂结构中作业的小型模块化机器人的需求将不断增加。小型模块化机器人可根据不同的作业任务，快速组装成具有特定功能的机器人系统，适应各种复杂的核设施环境。例如，在拆除核设施内部一些精细部件时，可将多个小型机器人模块组合成具有高精度操作能力的机械臂，完成精细拆除任务。

2.2 新型材料与结构应用

为提高机器人在核辐射环境下的性能，新型抗辐射材料和特殊结构设计将得到更广泛应用。例如，采用新型纳米复合材料制造机器人的外壳和关键部件，可有效提高机器人的抗辐射能力和机械强度；研发具有自修复功能的材料，用于机器人的电子线路和传感器，使其在受到辐射损伤时能够自动修复，提高机器人的可靠性和使用寿命。

结束语

机器人技术在核设施退役领域应用成果显著，为退役工作安全高效开展提供有力支持。当前，该技术在辐射环境适应性、复杂环境作业能力及可靠性与维护性方面仍存挑战。随着科技进步，未来将向智能化、自主化、多机器人协作方向发展。通过技术创新与实践，其有望发挥更大作用，推动全球核设施退役工作升级，为核能产业可持续发展奠定基础。

参考文献：

[1] 韩毅, 王川, 王超, 等. 核设施退役场景中耐辐射机器人应用设计[J].核电子学与探测技术 ,2022,42(6):992-999.

[2] 杨瑞 , 张秋菊 , 张元昕 . 核退役机器人自主拆解作业规划 [J]. 制造业自动化 ,2022,44(6):75-79.

[3] 伍浩松 , 李颖涵 . 英日开展核工业机器人和自动化技术研发合作 [J].国外核新闻 ,2021,000(002):P.2-2.