
根据市场调研的数据分析,全球核机器人市场应用领域主要集中在核设施维护、核设施退役、核事故处理与救援以及其他与核工业相关的特定任务中,随着全球核能产业的不断发展和技术的持续进步,核机器人在各个领域的应用将更加广泛和深入。
一、核电站运维保障
1、智能巡检机器人应用实例
在核电站日常运维工作中,智能巡检机器人发挥着关键作用。以宁德核电站部署的 LE100 智能巡检机器人为例,它集成了先进的多传感器融合技术,搭载有热成像仪、超声波传感器、气体检测传感器等共计 12 类传感器,能够对核电站内的设备状态进行全方位、实时监测。该机器人可自主规划最优巡检路径,一次性完成 386 个监测点的全自动巡检任务。通过其内置的 Transformer 架构多模态算法,能够同步分析设备的温度、振动、辐射剂量等多达 32 维参数,实现对设备异常状态的快速预警,预警时间可缩短至分钟级。这一应用不仅将人工干预的频率从每 2 小时一次大幅降低至每周一次,有效减少了运维人员的辐射暴露风险,还显著提高了巡检工作的效率和准确性,及时发现并处理了多起潜在的设备故障隐患。
华东理工大学机械与动力工程学院研发的 “面向核电站巡检的具身智能机器人” 同样具有创新性。该机器人采用轮式具身设计,运动灵活,具备自主避障、跟踪追踪等功能。通过融合图像、语音、文本等多模态信息的多模态大模型技术,提升了机器人对复杂场景的理解和任务规划能力,使其拥有了 “智慧大脑”。同时,构建 4D 语义地图结合基于深度强化学习的运动控制技术,让机器人能够精确规划行动路径,实现了更高效的巡检作业,为核电站智能化巡检提供了新的解决方案。
2、耐辐照机械臂的作业表现
在高辐射环境下的作业任务中,耐辐照机械臂展现出了卓越的性能。例如,某型六自由度耐辐照机械臂,采用了碳化硅复合材料关节设计、磁流体密封技术以及抗辐射伺服电机,有效提升了其在强辐射场中的稳定性和可靠性。在执行燃料组件抓取作业时,该机械臂能够凭借高精度的运动控制和先进的力反馈技术,实现全程自动化操作。与传统人工操作相比,其操作时间大幅缩短至原有时长的 6%,不仅极大地提高了工作效率,还将操作人员的辐射暴露风险降为零。此外,该机械臂的辐射屏蔽设计借鉴仿生学原理,采用多层纳米陶瓷镀层结构,进一步增强了其抗腐蚀与抗辐射性能,确保在恶劣的核工业环境中能够长期稳定运行。
二、核废料处理攻坚
1、水下机器人的关键作用
在核废料处理领域,水下机器人承担着诸多高风险、高精度的任务。在乏燃料池检测任务中,水下机器人发挥着不可替代的作用。以某型专为核电站乏燃料池巡检设计的水下机器人为例,它采用了独特的防水抗压结构设计,能够在深达 20 米的水下稳定作业。通过集成声波与光通信技术,该机器人可与外界进行实时数据传输,将检测到的乏燃料池内部的图像、数据等信息及时反馈给操作人员。同时,其配备的高精度检测传感器,能够对乏燃料池的焊缝进行探伤检测,检测精度可达毫米级,及时发现焊缝中的裂纹、缺陷等问题,有效保障了乏燃料池的安全运行。
部分水下机器人还具备废料切割封装的能力。采用先进的机械臂设计和力反馈控制技术,这些水下机器人能够在复杂的水下环境中对放射性废料进行精确切割,并将切割后的废料进行安全封装,防止放射性物质泄漏,降低了核废料处理过程中的环境污染风险。
2、废料分类与处理的自动化实践
法国某核废料处理厂在废料分类与处理的自动化实践方面取得了显著成效,该厂采用了先进的机器人技术,通过视觉识别系统与机械臂的协同工作,实现了对核废料的高效分类。视觉识别系统利用耐辐照且具有较宽光谱范围的面阵式 CCD 或 CMOS 摄像机,对传送带上的核废料进行图像采集,并运用 Opencv、Halcon 或 Visionpro 图像处理软件提供的视觉算法和图像阈值分割技术,对图像进行处理分析,以图像灰度强度的二阶导数矩阵为基础获得待识别物体独一无二的角点,并与建立的模板库进行对比分析,从而准确识别核废料的类型、尺寸、形状等特征。
根据视觉识别系统的识别结果,机械臂自动完成对核废料的抓取和分类放置操作。机械臂采用电力驱动,在伺服电机驱动下完成 “抓取回转放置” 动作,动作精准、高效。机械臂以 “逐层码垛” 的方式将不同类型的废料放入相应的金属桶中,并且在放下废物后,会有一个 “下按” 动作,使废料放置更加稳固。这种自动化的废料分类方式,不仅提高了分类的准确性和效率,还避免了人工操作带来的潜在辐射风险。
三、核设施退役助力
1、异构机器人集群协同作业模式
在核设施退役工程中,异构机器人集群协同作业模式逐渐成为主流。以上海电气开发的退役作业平台为例,该平台集成了空中无人机、地面移动平台(包括轮式运输机器人、四足攀爬机器人等)与水下半潜装置等多种类型的机器人,通过 5G 专网实现了数据的实时同步与共享,构建起了三维立体的作业网络。
在实际作业过程中,无人机首先对核设施退役现场进行高空侦察和测绘,利用搭载的高清摄像头和激光雷达等设备,快速获取现场的地形地貌、建筑物布局以及辐射分布等信息,为后续作业提供全面的数据支持。地面移动平台根据无人机传输的数据,制定详细的作业计划。轮式运输机器人负责运输大型的退役设备和废料,其强大的承载能力和稳定的行驶性能确保了运输过程的安全可靠;四足攀爬机器人则凭借其灵活的运动能力,能够在复杂的地形和建筑物结构中自由穿梭,完成对小型部件的拆除和搬运工作。
水下半潜装置主要用于对水下部分的核设施进行检测和拆除作业。它配备了高精度的声呐导航系统和机械臂力反馈控制系统,能够在水下精准定位目标,并完成对水下管道、阀门等设施的拆除和清理工作。各类机器人之间通过智能算法进行任务分配和协同调度,实现了高效的协作,大大提高了核设施退役工程的效率和安全性。
2、降低退役作业风险的实际成效
异构机器人集群在核设施退役工程中的应用,显著降低了传统人工退役作业的危险性。在以往的核设施退役作业中,人工操作面临着高辐射、粉尘污染、结构复杂等多重风险,对操作人员的身体健康和生命安全构成极大威胁。而引入异构机器人集群后,操作人员可以在远离现场的安全区域通过远程控制的方式指挥机器人作业,避免了直接暴露于高辐射环境中,将人员辐射剂量降低至天然本底水平。
机器人的应用还提高了作业的精度和效率,减少了因人为失误导致的事故风险。例如,在拆除过程中,机器人能够根据预设程序和实时监测数据,精确控制拆除力度和位置,避免对周围环境和未拆除设施造成损坏。通过多机器人的协同作业,原本需要数百人年才能完成的核设施退役工程,如今可缩短至十年内完成,大大加快了退役进程,降低了长期辐射对环境和周边居民的潜在影响。