机器人在核与辐射事故应急中的应用展望

0 引言

    人类社会对能源的需求越来越大，世界各国都在大力发展新能源。核能作为一种重要的清洁能源，也得到了持续的发展。我国通过实施优化能源结构的发展战略，使核电在整个能源中的比例不断提高。我国目前已拥有15台在运核电机组，总装机容量约1 250万kW；在建核电机组26台，装机容量约2 760万kW。今后几年，我国每年将新开工建设6~8台百万kW以上的核电机组，到2020年，核电运行装机容量争取达到4 000万kW；核电年发电量达到2 600—2 800亿kW．h[I]。同其他行业一样，由于人类认识的不足和行业本身所具有的危险性，核能行业也时有引起人员伤亡、财物损失的事故发生。据统计，自人类和平利用核能以来，有较多核物质泄漏的核与辐射事故发生了近30次，特别是日本福岛核电事故给人类造成了极大的财产损失和精神恐慌，也给核能行业的发展造成了一定程度的冲击。因此，核与辐射事故救援的及时性、有效性成为研究的热点。复杂、危险又具有放射性的现场给救援人员及幸存者带来了巨大的威胁，也阻碍了应急工作快速有效地进行。因此，在事故救援中有效使用机器人就显得尤为重要。

1 应急机器人应用的必要性

    1.1核与辐射事故处置中人的安全性和局限性

    1.1.1  应急处置人员面临的放射性伤害

    核与辐射事故应急处置人员与其他事故的应急人员相比，最大的区别就是放射性物质对其伤害的永久性。在核与辐射事故中泄漏的放射性物质，有可能使受照人员受到永久性伤害甚至是死亡。

    1.1.2  应急处置人员面临的其他伤害

    有些核与辐射事故是由其他事故引起的，常常会产生衍生或次生灾害，如福岛核电事故是由地震、海啸引起，产生火灾爆炸等次生灾害，这些危害因素的叠加给应急处置人员带来多种伤害。

    1.1.3  应急处置人员的局限性

    由于生理条件的限制和应急处置人员的个体差异，加上核与辐射事故应急现场放射性照射、火灾、高温、水灾等其他危害因素的存在，应急处置人员在实际工作中面临诸多局限性，如人员放射性剂量的控制、高温条件下人员承受能力和复杂现场条件下人员可到达性等。

    核与辐射事故应急处置人员在事故应急处置中的安全性和局限性，给现场应急工作带来了极大的困难，常使应急救援付出沉重的代价，特别是对进入事故现场应急救援人员的剂量照射有可能会影响其终生，甚至产生代际遗传。所以，在核与辐射事故应急现场有效地使用机器人不但可以提高应急效率，而且可以避免或减少应急人员的剂量照射和其他伤害。

    1.2机器人在核与辐射应急工作中的优势

    （1）现在的第三代智能机器人一般用不锈钢或其他硬质合金材料做成，通讯系统也可以由耐辐射材料制成。所以，核与辐射事故中剂量照射对其没有影响或影响很小。

    （2）核与辐射的衍生或次生事故往往会产生火、浓烟和水等对救援人员有致命危险的因素，这些因素使得应急救援很难有效地开展，而这些因素对机器人基本没有影响。

    （3）可连续执行高危险程度的应急救援任务。在高危险的应急工作环境下，应急人员因注意力高度集中，体力、精力都消耗很快，容易感到疲劳，而疲劳会导致救援效率的下降或人员伤亡事故的发生。机器人在本质上属于机器，不会像人一样感到疲劳，能够常时间、持久地开展应急救援工作。

    （4）可到达人员难以到达的空间、地点，能够承受人类难以承受的温度。机器人因其重量、体积小，能够到达狭小空间和高危地点，有些机器人还可以在空中实施救援活动。另外，机器人由于材质坚硬、熔点高，可以在高温环境中工作。

2 机器人在福岛核电事故中的应用

    2011年3月11日，日本东北部沿海发生历史上毁灭最严重的9.0级地震，地震引发的海啸导致滨海的福岛核电站发生了核事故。由于事故现场为高温、高辐射环境，日本救援当局不得不求助于机器人参与救援活动。由美国iRobot公司研制的机器人“PackBot”、由日本千叶工业大学、东北大学及国际救援系统研究机构ⅡRS）研制的机器人“Qunce”和日本东碧公司研制的机器人“Survey Runner”第一时间进入了事故现场，对事故区域的环境损失进行了估计，并对现场进行了放射性剂量监测。这些数据的取得，对后续的救援起到了至关重要的作用圈。

    这次事故救援中，机器人“Qunce”执行了较多的救援任务观表1），并出色地完成，得到了救援当局的认可。

表1机器人“Qunce”执行的救援任务清单

    正是由于救援当局使用的这些机器人在事故前期获得了现场的重要信息，对后续救援方案的制定和实施起到了决定性作用。

3  当前机器人在核与辐射事故应急救援中的不足

    3.1  机器人的辐照射稳定性不足

    核与辐射事故救援现场与其他事故现场最重要的区别就是现场有放射性物质的存在，对现场的救援人员和仪器有辐照作用，这就要求参与救援的机器人要有较高的辐照稳定性。

    机器人的辐照稳定性取决于其组成部分的材料性能，特别对于放射性最为脆弱的电子器件的辐照稳定性，而目前商业上普遍应用的电子器件的辐照剂量总限值在100 Gy，在一般放射性照射剂量的事故救援现场可以满足需要。如在福岛核事故救援现场的剂量最大值为100 mGy/h，机器人可以在事故现场开展工作。但在较大辐射剂量的事故救援现场，这个剂量值就不能满足救援的需要。

    3.2机器人的自动搜索性能差

    目前，可用于核与辐射事故救援现场的机器人为一般事故救援用的搜寻或救援机器人。一般事故救援机器人设计目标为常见事故，其配置不能满足核与辐射事故应急的需要。在发生核与辐射事故时，需要在紧急时间内对其进行改装。这种情况下的改装往往又达不到事故处置对机器人自动搜索功能的要求。如在福岛核事故应急中，复杂的现场条件和临时安装的辐射剂量监测仪表，给机器人自动搜索功能的实现带来了一定困难。

    3.3机器人的信息采集传输性能适用性较低

    机器人的信息采集、传输功能是机器人的重要功能。迅速有效地采集事故处置现场的信息并传输到应急指挥部，对整个应急救援工作起着至关重要的作用。在核与辐射事故情况下，由于事故现场的复杂，造成信息采集和传输系统无法正常工作。如在福岛核事故现场，由于湿度过大，导致负责信息采集的摄像机分辨率下降而无法采集到有效图像；由于反应堆厂房内空间狭小，又有厚重的混凝土和辐射照射的存在，依靠无线通讯系统操作者和机器人之间难以建立有效的联系。在无线通讯不可用的情况下，操作者使用了电缆，但由于事故现场障碍物过多，电缆绞缠不能收回，导致机器人没有返回。

    3.4机器人操作的精确性差

    核与辐射事故现场的机器人操作对专业性要求很高，操作者需要具备机器人和核与辐射事故两方面的专业知识，并要经过适应性培训。操作者能力的高低和技能的熟练程度对应急效果有很大的影响。如福岛核事故现场机器人操作者为核电站的工人，对机器人的专业知识知道得不多，未能充分发挥机器人的作用。

    3.5机器人执行繁重工作任务能力弱

    核与辐射事故应急现场的情况比较复杂，有些事故还是由其他事故引发或产生其他次生或衍生事故，这就要求机器人具有较高的执行繁重工作任务的能力。如福岛核事故是由地震和海啸引发，事故现场被污水、倒塌物充斥，崎岖不平又没有电源，能见度和可行走性都很差，机器人在执行任务时有滑落现象。

4 关于发展适用于核与辐射事故应急的机器人的建议

    4.1  提高机器人辐照稳定性

    机器人的各部件，特别是电子器件有无较高的辐照稳定性，是机器人在核与辐射事故中能否有效应用的关键因素。要研发各种辐照条件下，特别是高辐照条件下适用的机器人总照射剂量承受能力超过100 Gy），以满足较高辐照核事故条件下的应用。

    4.2  强化机器人的自动搜索功能

    随着救援的专业化，机器人的分工越来越细。我国作为核能利用大国，有必要研制专业化的机器人，为其安装专用的仪器和设备，提高其在核与辐射事故中的自动搜索功能。

    4.3  确保信息采集传输系统的有效

    事故条件下信息采集传输系统的有效与否，影响着机器人的功能能否正常发挥和事故救援的进程，所以要提高对机器人信息采集传输系统，特别是在复杂救援条件下适用的高清摄像系统和大功率无线通讯系统的设计能力，以确保信息采集传输系统的有效。

    4.4  提高机器人操作的精确性

    机器人操作的精确性是决定救援效果好坏的另一个方面。随着核能利用事业的发展，有必要在专业的救援队伍培养机器人操作者，提高机器人在应急处置中的操作精确性，以使机器人在应急救援中发挥事半功倍的作用。

    4.5  提高机器人繁重任务的执行能力

    事故条件下，对机器人各方面的要求都比较高，要在提高机器人繁重任务的执行能力上下功夫，提高机器人在崎岖地面、滑湿地面的行走能力，在跨越坡度和在黑暗、高温环境中的救援能力。