核設(shè)施退役專業(yè)化成套裝備研制總體考慮

趙 木，范 仲，石伯軒，張 磊，姚振宇

（中核環(huán)保工程設(shè)計(jì)研究有限公司，北京 100083）

我國早期老舊石墨反應(yīng)堆、核燃料循環(huán)設(shè)施及相關(guān)涉核實(shí)驗(yàn)室等核設(shè)施已進(jìn)入退役關(guān)鍵期，如何消除這些設(shè)施的安全隱患并實(shí)現(xiàn)安全退役是當(dāng)前的迫切任務(wù)。放射性物質(zhì)的危害使得核設(shè)施退役任務(wù)變得非常復(fù)雜與困難，退役所需專業(yè)化裝備［1］的發(fā)展水平是退役進(jìn)程與方式的決定性因素。

用遠(yuǎn)程控制機(jī)械裝置代替人工進(jìn)行強(qiáng)輻射場(chǎng)下的核設(shè)施輻射監(jiān)測(cè)、去污和拆除等作業(yè)，能夠減少或避免工作人員的受照劑量,提高工作的安全性，加快核設(shè)施退役的進(jìn)程。近幾十年來，國外［2,3］已研制出許多核設(shè)施退役專業(yè)化裝備，并且這些裝備得到了很好的應(yīng)用。鑒于我國退役對(duì)象的不同特點(diǎn)，我們應(yīng)在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)［4］的同時(shí)，圍繞退役工作中的劑量檢測(cè)、取樣、去污、切割、拆除和廢物整備等主要環(huán)節(jié)，開展?jié)M足核設(shè)施退役的專業(yè)化裝備工作并形成體系，這一工作是退役工作有效實(shí)施的前提。本文根據(jù)早期核設(shè)施退役任務(wù)特點(diǎn)及所需要的專業(yè)化裝備，提出建立我國退役專業(yè)化裝備體系的建議。

1 基于數(shù)字化和遠(yuǎn)程控制的核設(shè)施退役流程

對(duì)于核設(shè)施的退役,科學(xué)、合理的退役方案的制訂及有效實(shí)施是建立在數(shù)字化源項(xiàng)調(diào)查三維建模、仿真與冷態(tài)驗(yàn)證工作及專業(yè)化的遠(yuǎn)程控制裝備基礎(chǔ)上的。我們從圖1可知，自主檢測(cè)機(jī)器人集成搭載各種檢測(cè)設(shè)備，建立待退役區(qū)域源項(xiàng)信息模型和三維實(shí)體模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的仿真模擬退役及場(chǎng)外冷態(tài)驗(yàn)證可以保證安全有效地完成退役任務(wù)。在現(xiàn)場(chǎng)具體實(shí)施任務(wù)時(shí)，應(yīng)用可靠的遠(yuǎn)程控制裝備與執(zhí)行工具是在強(qiáng)輻射環(huán)境下實(shí)施退役任務(wù)的基礎(chǔ)。

圖1 基于數(shù)字化和遠(yuǎn)程控制的核設(shè)施退役流程Fig.1 Decommissioning processbased on digitization and remote control

1.1 源項(xiàng)調(diào)查及三維建模

源項(xiàng)調(diào)查與監(jiān)測(cè)貫穿核設(shè)施退役的全過程，主要目的是通過對(duì)放射性存量、污染核素、污染分布、廢物積存情況、廢物類型、廢物數(shù)量和放射性水平進(jìn)行全面調(diào)查，明確待退役核設(shè)施不同階段內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備和管道等的狀態(tài)及污染水平。

早期老舊核設(shè)施工藝落后且圖紙資料等不完善，所以源項(xiàng)調(diào)查任務(wù)非常繁重與艱巨。在空間小且難以到達(dá)的強(qiáng)輻射場(chǎng)的環(huán)境下，我們需要可遠(yuǎn)程操控的自主檢測(cè)機(jī)器人，并且在機(jī)器人上集成搭載激光掃描儀、γ相機(jī)和γ譜儀等專業(yè)調(diào)查工具進(jìn)入到設(shè)施內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行全景成像，然后操作人員通過軟件計(jì)算進(jìn)行三維合成與場(chǎng)景模擬，明確整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)備和管道坐標(biāo)等。操作人員通過γ相機(jī)成像及內(nèi)部場(chǎng)景地圖確定污染源具體位置。γ譜儀對(duì)污染墻面、地面、管道和設(shè)備等進(jìn)行掃描，然后操作人員通過頻譜分析確定污染的核素種類與放射性比活度。

源項(xiàng)信息模型重點(diǎn)顯示輻射熱點(diǎn)分布與熱點(diǎn)源項(xiàng)相關(guān)數(shù)據(jù)，分析是否有泄漏和殘留等狀況，與三維實(shí)體模型一起構(gòu)成源項(xiàng)調(diào)查信息處理模型。同時(shí)，自主檢測(cè)機(jī)器人可以搭載取樣執(zhí)行工具進(jìn)行取樣，以補(bǔ)充和驗(yàn)證源項(xiàng)信息，取樣工作也可以由單獨(dú)的取樣機(jī)器人來實(shí)施。

1.2 仿真與驗(yàn)證

仿真模擬［5］與場(chǎng)外冷態(tài)驗(yàn)證是在退役任務(wù)正式實(shí)施前必須進(jìn)行的。這樣可以檢驗(yàn)退役方案的合理性，在實(shí)施前發(fā)現(xiàn)并解決問題，優(yōu)化退役方案及制訂備選方案和應(yīng)急預(yù)案等，保障強(qiáng)輻射場(chǎng)下退役工作的順利與高效進(jìn)行。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以從時(shí)間、空間和安全等角度為操作人員搭建虛擬仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)核設(shè)施退役的模擬演練，使核設(shè)施退役工作變得更安全、有效和簡單。對(duì)于強(qiáng)輻射場(chǎng)下的重點(diǎn)項(xiàng)目，我們可同時(shí)研制兩套裝置，其中一套專門用于任務(wù)執(zhí)行前的場(chǎng)外冷態(tài)驗(yàn)證，建立1∶1任務(wù)場(chǎng)景原型模擬或重點(diǎn)任務(wù)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)模擬，為正式執(zhí)行任務(wù)提供經(jīng)驗(yàn)。

機(jī)械裝置自身的性能驗(yàn)證和工程任務(wù)驗(yàn)證包括:

（1）機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、步態(tài)優(yōu)化和路徑規(guī)劃等控制驗(yàn)證，掌握機(jī)械裝置本體的環(huán)境適應(yīng)性及狀態(tài)信息；

（2）工作具體任務(wù)中碰撞檢測(cè)、狀態(tài)診斷和智能避障等驗(yàn)證；

（3）多機(jī)器人協(xié)作，多執(zhí)行工具同時(shí)工作協(xié)同性驗(yàn)證，機(jī)械裝置間互救的措施驗(yàn)證；

（4）驗(yàn)證任務(wù)合理性，掌握環(huán)境特點(diǎn)與作業(yè)需求，現(xiàn)有機(jī)械裝置及執(zhí)行工具適用性分析等。

1.3 機(jī)械裝置與執(zhí)行工具總體要求

若待退役核設(shè)施環(huán)境劑量高且人員不可達(dá)，則需要使用遠(yuǎn)程控制裝備實(shí)現(xiàn)退役目的。這些遠(yuǎn)程控制裝備分兩大類并按照需要組合：一類是通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)探測(cè)與處理功能的執(zhí)行工具，如照相設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、去污設(shè)備和清除設(shè)備等；另一類的主要任務(wù)是承載第一類裝置和運(yùn)輸遠(yuǎn)程控制機(jī)械裝置，它的功能是使第一類裝置到達(dá)指定區(qū)域并支撐其完成任務(wù)。遠(yuǎn)程控制機(jī)械裝置可以是比較通用的運(yùn)載裝置，也可以是根據(jù)重點(diǎn)與難點(diǎn)任務(wù)特點(diǎn)開發(fā)的專門裝置。

現(xiàn)階段，我國應(yīng)根據(jù)核設(shè)施退役環(huán)境與退役工程任務(wù)特點(diǎn)，在國內(nèi)外已有的智能機(jī)器人成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行核設(shè)施退役機(jī)械裝置與執(zhí)行工具二次研發(fā)；在核電站檢修、應(yīng)急和熱室內(nèi)機(jī)械臂等已有工具基礎(chǔ)上，結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行功能改進(jìn)和產(chǎn)品化，研制核設(shè)施退役專業(yè)化機(jī)械裝置與執(zhí)行工具，以便未來在核設(shè)施退役流程中，形成監(jiān)測(cè)、去污、切割、拆除、回取、整備與運(yùn)輸?shù)雀骶唧w任務(wù)與機(jī)械裝置和執(zhí)行工具的映射關(guān)系，建立成套化的裝備體系。這一體系的主要特點(diǎn)如下。

（1）在核反應(yīng)堆和后處理廠等核設(shè)施中存在較多長壽命裂變產(chǎn)物和超鈾核素，機(jī)械裝置與執(zhí)行工具需要適應(yīng)強(qiáng)放射性環(huán)境（劑量率102Gy/h）。機(jī)械裝置與執(zhí)行工具應(yīng)在器件層面、系統(tǒng)層面與整機(jī)層面進(jìn)行抗輻射設(shè)計(jì)，其中器件層面的抗輻射加固技術(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，壽期內(nèi)機(jī)械裝置與執(zhí)行工具可在多種場(chǎng)景執(zhí)行任務(wù)，故應(yīng)具有易去污性并配備專用的去污凈化裝置。

（2）通用型機(jī)械裝置需要具有多樣性搭載能力，以攜帶不同執(zhí)行工具完成任務(wù)；執(zhí)行手臂上需要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化接口以自由切換不同的檢測(cè)、去污和切割等執(zhí)行工具，如在執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)，可同時(shí)攜帶攝像機(jī)、γ劑量率儀和γ譜儀等以完成多項(xiàng)指標(biāo)；在執(zhí)行切割任務(wù)時(shí)，能夠攜帶冷、熱切割工具潛到水下進(jìn)行設(shè)備或管道的切割和解體。

（3）執(zhí)行異物抓取、泥渣清洗和水下異物處置等不同任務(wù)時(shí)，機(jī)械裝置需要穿越狹窄空間、翻越障礙和水中浮游生物等來完成操作任務(wù)，所以要滿足大行程與高精度要求。

（4）具有系列任務(wù)一站式完成的能力，如切割過程中切割、抓取和轉(zhuǎn)移等多任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，多臂機(jī)器人從多方向切割與固定，抓取切割解體后的廢物并轉(zhuǎn)移至廢物桶內(nèi)。

（5）兼顧移動(dòng)性能和智能控制，提高機(jī)械裝置智能水平是未來發(fā)展重要方向。由于核設(shè)施退役主要在信號(hào)封閉的環(huán)境中進(jìn)行，目前的核設(shè)施退役以自動(dòng)化機(jī)械裝置為主，拖曳電纜會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)械裝置的機(jī)動(dòng)性和任務(wù)可達(dá)性，所以，在信號(hào)傳輸方面應(yīng)加強(qiáng)信號(hào)放大技術(shù)、信息無損壓縮技術(shù)和中繼傳輸技術(shù)的研究。大多數(shù)大規(guī)模集成電路芯片的耐輻照性很差（102Gy量級(jí)），在智能芯片抗強(qiáng)輻射加固方面需加強(qiáng)物理屏蔽或關(guān)鍵部件更換等研究。

2 反應(yīng)堆退役

2.1 反應(yīng)堆退役特點(diǎn)

某早期老舊反應(yīng)堆堆本體結(jié)構(gòu)坐落在方形坑內(nèi)，方坑四壁是厚的鋼筋混凝土生物屏蔽墻；內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)安全殼承受整個(gè)堆芯及部分本體結(jié)構(gòu)重量，構(gòu)成側(cè)面和上下屏蔽層，圍成堆主體空間；反應(yīng)堆以天然鈾為燃料，石墨作為慢化劑和反射層。經(jīng)過多年的運(yùn)行輻照，堆本體積累和殘存了大量的放射性物質(zhì)而成為一個(gè)強(qiáng)放射源，某些長壽命的超鈾元素、裂變產(chǎn)物、活化產(chǎn)物（如239Pu、241Am、137Cs、60Co等）會(huì)在數(shù)百年、數(shù)千年甚至更長時(shí)間里釋放放射性射線，威脅著周圍的生態(tài)環(huán)境和公眾安全；內(nèi)部石墨砌體比活度尤其高，含有大量放射性物質(zhì)14C，結(jié)構(gòu)可能已有變形與坍塌等情況。

目前，反應(yīng)堆堆本體已經(jīng)停運(yùn)并封閉幾十年時(shí)間，退役將產(chǎn)生大量廢石墨、廢混凝土和廢鋼鐵。由于反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)繁多且輻射強(qiáng)度大，所以其退役高度依賴于遠(yuǎn)程控制裝備。裝備的功能與成熟度是關(guān)鍵因素。反應(yīng)堆堆本體的拆除是退役的核心工作，安全殼、冷卻劑壓力管線、石墨和生物屏蔽防護(hù)層等具有很強(qiáng)放射性，切割解體任務(wù)艱巨，尤其切割和拆除反應(yīng)堆安全殼厚鋼板挑戰(zhàn)更大，需要設(shè)計(jì)專門的大型機(jī)械裝置。

2.2 切割方法

在借鑒國內(nèi)外已完成的實(shí)驗(yàn)堆、生產(chǎn)堆和小型堆等退役經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)老舊核反應(yīng)堆不同切割部位，我們需要建立最優(yōu)化的切割方法及方案。表1為反應(yīng)堆退役已實(shí)踐過的一些方法［6］。

表1 部分實(shí)踐過的主要切割方法Table1 Themain partial cutting method

2.3 退役機(jī)械裝置

退役機(jī)械裝置主要解決反應(yīng)堆安全殼厚鋼板的切割問題，兼顧解決石墨、堆內(nèi)構(gòu)件和混凝土等切割和吊運(yùn)問題。機(jī)械裝置設(shè)置成環(huán)形軌道，具有大行程、重載、高定位精度、高耐輻照的特點(diǎn)。軌道可在反應(yīng)堆上方或外部水平布置，機(jī)械裝置沿著環(huán)形軌道移動(dòng)。環(huán)形機(jī)械裝置具備切割拆除過程中多任務(wù)同時(shí)執(zhí)行、多方向切割和多方向固定的功能。環(huán)形軌道解決了機(jī)械手水平方向的行程問題，液壓式機(jī)械臂或伸縮式套筒結(jié)構(gòu)解決了機(jī)械裝置在垂直方向上的行程問題。機(jī)械裝置執(zhí)行手臂上設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化接口，自由切換不同切割工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬和混凝土等不同材料的切割。由于在去污和切割過程中產(chǎn)生大量氣溶膠等放射性污染，所以需由環(huán)形機(jī)械裝置攜帶工具進(jìn)行堆內(nèi)金屬構(gòu)件水下機(jī)械切割、水下熱切割和水下爆炸切割等。安全殼厚鋼板的切割與運(yùn)輸是環(huán)形軌道機(jī)械裝置最重要的工作，環(huán)形軌道機(jī)械裝置可攜帶金剛石鋸等對(duì)安全殼厚鋼板進(jìn)行環(huán)形水平方向與垂直方向切割，將其切割成塊狀。

3 后處理廠退役

3.1 后處理廠退役特點(diǎn)

后處理廠有眾多廠房和設(shè)備，工藝設(shè)備多數(shù)置于屏蔽室中，如燃料接收設(shè)施、燃料貯存水池、燃料脫殼或剪切設(shè)備等。設(shè)備表面一般有嚴(yán)重污染，存在較多長壽命裂變產(chǎn)物和錒系核素并且有核臨界安全隱患。

后處理廠設(shè)備退役需要遠(yuǎn)距離操作或需要施加臨時(shí)屏蔽體和設(shè)置臨時(shí)通風(fēng)，其中最難退役的是工藝設(shè)備室。工藝設(shè)備室作為遠(yuǎn)距離操作的工藝場(chǎng)所,長和高都超過20 m，內(nèi)部安裝有操作強(qiáng)放射性物料的設(shè)備和管道等。設(shè)備室內(nèi)的設(shè)備一般為圓柱體和長方體，管道密集且布置復(fù)雜，空間狹小且劑量率高。設(shè)備室退役的主要任務(wù)是切割拆除管道、設(shè)備、鋼覆面和混凝土等，在源項(xiàng)調(diào)查基礎(chǔ)上清理及整備積存廢物，倒空系統(tǒng)殘留液，展開去污、切割等工作。

3.2 切割方法

在強(qiáng)輻射條件下，切割機(jī)械裝置需要完成設(shè)備、管道拆除和廢物切割解體作業(yè)。由于設(shè)備室內(nèi)操作空間小，所以切割機(jī)械裝置不僅要安全性高，還要操作可達(dá)性好。后處理廠設(shè)備室內(nèi)管道與設(shè)備切割主要有冷切割和熱切割兩大類，需要經(jīng)過研究與驗(yàn)證，在工程實(shí)踐中固化特定場(chǎng)景與工序下的專用切割工具。冷切割產(chǎn)生煙塵和氣溶膠污染少、操作簡單，但會(huì)產(chǎn)生較多的固體微粒廢物，常用的切割方法如機(jī)械切割、高壓水射流切割和磨料射流切割等。熱切割的切割速度快，可切割厚件物體，但會(huì)產(chǎn)生較多的氣溶膠和煙塵物，常用的切割方法如氧炔焰切割、電弧切割、微波切割、等離子體切割、爆炸切割、熱反應(yīng)切割和激光切割等。

3.3 機(jī)械裝置

強(qiáng)輻射場(chǎng)下作業(yè)的機(jī)械裝置具有作業(yè)場(chǎng)景三維感知能力，能夠?qū)Σ鸪鳂I(yè)空間的分布及被拆除對(duì)象進(jìn)行識(shí)別和智能修正，對(duì)狹窄空間復(fù)雜傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及控制。設(shè)備室退役機(jī)械裝置在10 Sv/h的強(qiáng)輻射場(chǎng)下累計(jì)工作100 h以上，可設(shè)置水平與垂直軌道以解決大行程問題，垂直工作范圍為7.2 m以上，作業(yè)半徑不小于2.0 m。由于機(jī)械裝置需要同時(shí)完成切割、抓取、回收一系列任務(wù)，抓取能力不小于30 kg，需要多執(zhí)行工具同時(shí)工作。機(jī)械裝置與攜帶的執(zhí)行工具需要根據(jù)不同任務(wù)快速切換冷、熱切割工具,將設(shè)備切割解體成400 mm×400 mm的小塊，將管道切割成長度小于700 mm小段，并能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)移至200 L標(biāo)準(zhǔn)廢物桶內(nèi)。

4 放射性去污裝備

4.1 去污特點(diǎn)

核設(shè)施退役的各個(gè)階段都需要去污，以降低放射性水平，便于切割解體和拆卸活動(dòng)，降低屏蔽和遠(yuǎn)距離操作要求。去污是去除或減少核設(shè)施和廠址范圍內(nèi)放射性核素的沾附物，轉(zhuǎn)移放射性核素存在的位置或方式，去污過程會(huì)產(chǎn)生二次廢物。退役過程中，許多設(shè)備、槽罐、箱室、管道和廠房構(gòu)筑物需要去污，去污面積大。污染核素種類復(fù)雜，常有垢物、沉積物和粉塵覆蓋層等放射性核素載體。通常情況下，金屬表層1-10μm深度內(nèi)集中98%的放射性污染核素，混凝土表層3-5 mm范圍內(nèi)集中了主要的放射性污染核素。

4.2 去污方法

一般情況下，常用的去污技術(shù)為機(jī)械－物理法（包括吸塵法、機(jī)械擦試法、高壓射流法、超聲波去污法、微波去污法、激光去污法和等離子體去污法等）、化學(xué)法、電化學(xué)法和生物法等。在切割解體前，我們需要進(jìn)行廠房松散污染去污、設(shè)備表面污染去污和設(shè)備內(nèi)部污染去污；在切割解體后，需要對(duì)切割對(duì)象進(jìn)行深度去污；在設(shè)備拆除后，需要進(jìn)行建筑物表面去污，之后再拆除建筑與場(chǎng)址修復(fù)。

4.3 機(jī)械裝置

遠(yuǎn)程控制機(jī)械裝置在強(qiáng)輻射場(chǎng)下搭載去污工具以及其他輔助設(shè)施系統(tǒng)進(jìn)行去污作業(yè)。去污作業(yè)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)性能、負(fù)載動(dòng)力、動(dòng)力方式及作業(yè)工具攜載方式、作業(yè)流程和輔助設(shè)備設(shè)施均需要進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。機(jī)械裝置應(yīng)選擇穩(wěn)定可靠性高的方式，例如多關(guān)節(jié)伸縮機(jī)械手或伸縮筒式形式；有些去污場(chǎng)景可采用加寬履帶式機(jī)器人行動(dòng)方式，以避免在泥濘環(huán)境沉陷，減少機(jī)械沖擊。

5 展望

老舊核設(shè)施的安全隱患消除及安全退役的進(jìn)程與方式高度依賴專業(yè)化機(jī)械裝置，針對(duì)不同核設(shè)施和不同任務(wù)特點(diǎn)研發(fā)并應(yīng)用特定的功能裝置，以形成專業(yè)化成套遠(yuǎn)程控制退役裝備體系，不僅可助力早期老舊核設(shè)施退役順利完成，而且有利于未來承擔(dān)我國核電站退役及國際核退役任務(wù)。