根據市場調研的數據分析,全球核機器人市場應用領域主要集中在核設施維護、核設施退役、核事故處理與救援以及其他與核工業(yè)相關的特定任務中,隨著全球核能產業(yè)的不斷發(fā)展和技術的持續(xù)進步,核機器人在各個領域的應用將更加廣泛和深入。
一、核電站運維保障?
1、智能巡檢機器人應用實例?
在核電站日常運維工作中,智能巡檢機器人發(fā)揮著關鍵作用。以寧德核電站部署的 LE100 智能巡檢機器人為例,它集成了先進的多傳感器融合技術,搭載有熱成像儀、超聲波傳感器、氣體檢測傳感器等共計 12 類傳感器,能夠對核電站內的設備狀態(tài)進行全方位、實時監(jiān)測。該機器人可自主規(guī)劃最優(yōu)巡檢路徑,一次性完成 386 個監(jiān)測點的全自動巡檢任務。通過其內置的 Transformer 架構多模態(tài)算法,能夠同步分析設備的溫度、振動、輻射劑量等多達 32 維參數,實現對設備異常狀態(tài)的快速預警,預警時間可縮短至分鐘級。這一應用不僅將人工干預的頻率從每 2 小時一次大幅降低至每周一次,有效減少了運維人員的輻射暴露風險,還顯著提高了巡檢工作的效率和準確性,及時發(fā)現并處理了多起潛在的設備故障隱患。?
華東理工大學機械與動力工程學院研發(fā)的 “面向核電站巡檢的具身智能機器人” 同樣具有創(chuàng)新性。該機器人采用輪式具身設計,運動靈活,具備自主避障、跟蹤追蹤等功能。通過融合圖像、語音、文本等多模態(tài)信息的多模態(tài)大模型技術,提升了機器人對復雜場景的理解和任務規(guī)劃能力,使其擁有了 “智慧大腦”。同時,構建 4D 語義地圖結合基于深度強化學習的運動控制技術,讓機器人能夠精確規(guī)劃行動路徑,實現了更高效的巡檢作業(yè),為核電站智能化巡檢提供了新的解決方案。?
2、耐輻照機械臂的作業(yè)表現?
在高輻射環(huán)境下的作業(yè)任務中,耐輻照機械臂展現出了卓越的性能。例如,某型六自由度耐輻照機械臂,采用了碳化硅復合材料關節(jié)設計、磁流體密封技術以及抗輻射伺服電機,有效提升了其在強輻射場中的穩(wěn)定性和可靠性。在執(zhí)行燃料組件抓取作業(yè)時,該機械臂能夠憑借高精度的運動控制和先進的力反饋技術,實現全程自動化操作。與傳統(tǒng)人工操作相比,其操作時間大幅縮短至原有時長的 6%,不僅極大地提高了工作效率,還將操作人員的輻射暴露風險降為零。此外,該機械臂的輻射屏蔽設計借鑒仿生學原理,采用多層納米陶瓷鍍層結構,進一步增強了其抗腐蝕與抗輻射性能,確保在惡劣的核工業(yè)環(huán)境中能夠長期穩(wěn)定運行。?
二、核廢料處理攻堅?
1、水下機器人的關鍵作用?
在核廢料處理領域,水下機器人承擔著諸多高風險、高精度的任務。在乏燃料池檢測任務中,水下機器人發(fā)揮著不可替代的作用。以某型專為核電站乏燃料池巡檢設計的水下機器人為例,它采用了獨特的防水抗壓結構設計,能夠在深達 20 米的水下穩(wěn)定作業(yè)。通過集成聲波與光通信技術,該機器人可與外界進行實時數據傳輸,將檢測到的乏燃料池內部的圖像、數據等信息及時反饋給操作人員。同時,其配備的高精度檢測傳感器,能夠對乏燃料池的焊縫進行探傷檢測,檢測精度可達毫米級,及時發(fā)現焊縫中的裂紋、缺陷等問題,有效保障了乏燃料池的安全運行。?
部分水下機器人還具備廢料切割封裝的能力。采用先進的機械臂設計和力反饋控制技術,這些水下機器人能夠在復雜的水下環(huán)境中對放射性廢料進行精確切割,并將切割后的廢料進行安全封裝,防止放射性物質泄漏,降低了核廢料處理過程中的環(huán)境污染風險。?
2、廢料分類與處理的自動化實踐?
法國某核廢料處理廠在廢料分類與處理的自動化實踐方面取得了顯著成效,該廠采用了先進的機器人技術,通過視覺識別系統(tǒng)與機械臂的協(xié)同工作,實現了對核廢料的高效分類。視覺識別系統(tǒng)利用耐輻照且具有較寬光譜范圍的面陣式 CCD 或 CMOS 攝像機,對傳送帶上的核廢料進行圖像采集,并運用 Opencv、Halcon 或 Visionpro 圖像處理軟件提供的視覺算法和圖像閾值分割技術,對圖像進行處理分析,以圖像灰度強度的二階導數矩陣為基礎獲得待識別物體獨一無二的角點,并與建立的模板庫進行對比分析,從而準確識別核廢料的類型、尺寸、形狀等特征。?
根據視覺識別系統(tǒng)的識別結果,機械臂自動完成對核廢料的抓取和分類放置操作。機械臂采用電力驅動,在伺服電機驅動下完成 “抓取回轉放置” 動作,動作精準、高效。機械臂以 “逐層碼垛” 的方式將不同類型的廢料放入相應的金屬桶中,并且在放下廢物后,會有一個 “下按” 動作,使廢料放置更加穩(wěn)固。這種自動化的廢料分類方式,不僅提高了分類的準確性和效率,還避免了人工操作帶來的潛在輻射風險。?
三、核設施退役助力?
1、異構機器人集群協(xié)同作業(yè)模式?
在核設施退役工程中,異構機器人集群協(xié)同作業(yè)模式逐漸成為主流。以上海電氣開發(fā)的退役作業(yè)平臺為例,該平臺集成了空中無人機、地面移動平臺(包括輪式運輸機器人、四足攀爬機器人等)與水下半潛裝置等多種類型的機器人,通過 5G 專網實現了數據的實時同步與共享,構建起了三維立體的作業(yè)網絡。?
在實際作業(yè)過程中,無人機首先對核設施退役現場進行高空偵察和測繪,利用搭載的高清攝像頭和激光雷達等設備,快速獲取現場的地形地貌、建筑物布局以及輻射分布等信息,為后續(xù)作業(yè)提供全面的數據支持。地面移動平臺根據無人機傳輸的數據,制定詳細的作業(yè)計劃。輪式運輸機器人負責運輸大型的退役設備和廢料,其強大的承載能力和穩(wěn)定的行駛性能確保了運輸過程的安全可靠;四足攀爬機器人則憑借其靈活的運動能力,能夠在復雜的地形和建筑物結構中自由穿梭,完成對小型部件的拆除和搬運工作。?
水下半潛裝置主要用于對水下部分的核設施進行檢測和拆除作業(yè)。它配備了高精度的聲吶導航系統(tǒng)和機械臂力反饋控制系統(tǒng),能夠在水下精準定位目標,并完成對水下管道、閥門等設施的拆除和清理工作。各類機器人之間通過智能算法進行任務分配和協(xié)同調度,實現了高效的協(xié)作,大大提高了核設施退役工程的效率和安全性。?
2、降低退役作業(yè)風險的實際成效?
異構機器人集群在核設施退役工程中的應用,顯著降低了傳統(tǒng)人工退役作業(yè)的危險性。在以往的核設施退役作業(yè)中,人工操作面臨著高輻射、粉塵污染、結構復雜等多重風險,對操作人員的身體健康和生命安全構成極大威脅。而引入異構機器人集群后,操作人員可以在遠離現場的安全區(qū)域通過遠程控制的方式指揮機器人作業(yè),避免了直接暴露于高輻射環(huán)境中,將人員輻射劑量降低至天然本底水平。?
機器人的應用還提高了作業(yè)的精度和效率,減少了因人為失誤導致的事故風險。例如,在拆除過程中,機器人能夠根據預設程序和實時監(jiān)測數據,精確控制拆除力度和位置,避免對周圍環(huán)境和未拆除設施造成損壞。通過多機器人的協(xié)同作業(yè),原本需要數百人年才能完成的核設施退役工程,如今可縮短至十年內完成,大大加快了退役進程,降低了長期輻射對環(huán)境和周邊居民的潛在影響。