0 引言

人類社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，世界各國(guó)都在大力發(fā)展新能源。核能作為一種重要的清潔能源，也得到了持續(xù)的發(fā)展。我國(guó)通過(guò)實(shí)施優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展戰(zhàn)略，使核電在整個(gè)能源中的比例不斷提高。我國(guó)目前已擁有15臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組，總裝機(jī)容量約1 250萬(wàn)kW；在建核電機(jī)組26臺(tái)，裝機(jī)容量約2 760萬(wàn)kW。今后幾年，我國(guó)每年將新開(kāi)工建設(shè)6~8臺(tái)百萬(wàn)kW以上的核電機(jī)組，到2020年，核電運(yùn)行裝機(jī)容量爭(zhēng)取達(dá)到4 000萬(wàn)kW；核電年發(fā)電量達(dá)到2 600—2 800億kW．h[I]。同其他行業(yè)一樣，由于人類認(rèn)識(shí)的不足和行業(yè)本身所具有的危險(xiǎn)性，核能行業(yè)也時(shí)有引起人員傷亡、財(cái)物損失的事故發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自人類和平利用核能以來(lái)，有較多核物質(zhì)泄漏的核與輻射事故發(fā)生了近30次，特別是日本福島核電事故給人類造成了極大的財(cái)產(chǎn)損失和精神恐慌，也給核能行業(yè)的發(fā)展造成了一定程度的沖擊。因此，核與輻射事故救援的及時(shí)性、有效性成為研究的熱點(diǎn)。復(fù)雜、危險(xiǎn)又具有放射性的現(xiàn)場(chǎng)給救援人員及幸存者帶來(lái)了巨大的威脅，也阻礙了應(yīng)急工作快速有效地進(jìn)行。因此，在事故救援中有效使用機(jī)器人就顯得尤為重要。

1 應(yīng)急機(jī)器人應(yīng)用的必要性

1.1核與輻射事故處置中人的安全性和局限性

1.1.1 應(yīng)急處置人員面臨的放射性傷害

核與輻射事故應(yīng)急處置人員與其他事故的應(yīng)急人員相比，最大的區(qū)別就是放射性物質(zhì)對(duì)其傷害的永久性。在核與輻射事故中泄漏的放射性物質(zhì)，有可能使受照人員受到永久性傷害甚至是死亡。

1.1.2 應(yīng)急處置人員面臨的其他傷害

有些核與輻射事故是由其他事故引起的，常常會(huì)產(chǎn)生衍生或次生災(zāi)害，如福島核電事故是由地震、海嘯引起，產(chǎn)生火災(zāi)爆炸等次生災(zāi)害，這些危害因素的疊加給應(yīng)急處置人員帶來(lái)多種傷害。

1.1.3 應(yīng)急處置人員的局限性

由于生理?xiàng)l件的限制和應(yīng)急處置人員的個(gè)體差異，加上核與輻射事故應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)放射性照射、火災(zāi)、高溫、水災(zāi)等其他危害因素的存在，應(yīng)急處置人員在實(shí)際工作中面臨諸多局限性，如人員放射性劑量的控制、高溫條件下人員承受能力和復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)條件下人員可到達(dá)性等。

核與輻射事故應(yīng)急處置人員在事故應(yīng)急處置中的安全性和局限性，給現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作帶來(lái)了極大的困難，常使應(yīng)急救援付出沉重的代價(jià)，特別是對(duì)進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援人員的劑量照射有可能會(huì)影響其終生，甚至產(chǎn)生代際遺傳。所以，在核與輻射事故應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)有效地使用機(jī)器人不但可以提高應(yīng)急效率，而且可以避免或減少應(yīng)急人員的劑量照射和其他傷害。

1.2機(jī)器人在核與輻射應(yīng)急工作中的優(yōu)勢(shì)

（1）現(xiàn)在的第三代智能機(jī)器人一般用不銹鋼或其他硬質(zhì)合金材料做成，通訊系統(tǒng)也可以由耐輻射材料制成。所以，核與輻射事故中劑量照射對(duì)其沒(méi)有影響或影響很小。

（2）核與輻射的衍生或次生事故往往會(huì)產(chǎn)生火、濃煙和水等對(duì)救援人員有致命危險(xiǎn)的因素，這些因素使得應(yīng)急救援很難有效地開(kāi)展，而這些因素對(duì)機(jī)器人基本沒(méi)有影響。

（3）可連續(xù)執(zhí)行高危險(xiǎn)程度的應(yīng)急救援任務(wù)。在高危險(xiǎn)的應(yīng)急工作環(huán)境下，應(yīng)急人員因注意力高度集中，體力、精力都消耗很快，容易感到疲勞，而疲勞會(huì)導(dǎo)致救援效率的下降或人員傷亡事故的發(fā)生。機(jī)器人在本質(zhì)上屬于機(jī)器，不會(huì)像人一樣感到疲勞，能夠常時(shí)間、持久地開(kāi)展應(yīng)急救援工作。

（4）可到達(dá)人員難以到達(dá)的空間、地點(diǎn)，能夠承受人類難以承受的溫度。機(jī)器人因其重量、體積小，能夠到達(dá)狹小空間和高危地點(diǎn)，有些機(jī)器人還可以在空中實(shí)施救援活動(dòng)。另外，機(jī)器人由于材質(zhì)堅(jiān)硬、熔點(diǎn)高，可以在高溫環(huán)境中工作。

2 機(jī)器人在福島核電事故中的應(yīng)用

2011年3月11日，日本東北部沿海發(fā)生歷史上毀滅最嚴(yán)重的9.0級(jí)地震，地震引發(fā)的海嘯導(dǎo)致濱海的福島核電站發(fā)生了核事故。由于事故現(xiàn)場(chǎng)為高溫、高輻射環(huán)境，日本救援當(dāng)局不得不求助于機(jī)器人參與救援活動(dòng)。由美國(guó)iRobot公司研制的機(jī)器人“PackBot”、由日本千葉工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)及國(guó)際救援系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)ⅡRS）研制的機(jī)器人“Qunce”和日本東碧公司研制的機(jī)器人“Survey Runner”第一時(shí)間進(jìn)入了事故現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)事故區(qū)域的環(huán)境損失進(jìn)行了估計(jì)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了放射性劑量監(jiān)測(cè)。這些數(shù)據(jù)的取得，對(duì)后續(xù)的救援起到了至關(guān)重要的作用圈。

這次事故救援中，機(jī)器人“Qunce”執(zhí)行了較多的救援任務(wù)觀表1），并出色地完成，得到了救援當(dāng)局的認(rèn)可。

表1機(jī)器人“Qunce”執(zhí)行的救援任務(wù)清單

正是由于救援當(dāng)局使用的這些機(jī)器人在事故前期獲得了現(xiàn)場(chǎng)的重要信息，對(duì)后續(xù)救援方案的制定和實(shí)施起到了決定性作用。

3 當(dāng)前機(jī)器人在核與輻射事故應(yīng)急救援中的不足

3.1 機(jī)器人的輻照射穩(wěn)定性不足

核與輻射事故救援現(xiàn)場(chǎng)與其他事故現(xiàn)場(chǎng)最重要的區(qū)別就是現(xiàn)場(chǎng)有放射性物質(zhì)的存在，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的救援人員和儀器有輻照作用，這就要求參與救援的機(jī)器人要有較高的輻照穩(wěn)定性。

機(jī)器人的輻照穩(wěn)定性取決于其組成部分的材料性能，特別對(duì)于放射性最為脆弱的電子器件的輻照穩(wěn)定性，而目前商業(yè)上普遍應(yīng)用的電子器件的輻照劑量總限值在100 Gy，在一般放射性照射劑量的事故救援現(xiàn)場(chǎng)可以滿足需要。如在福島核事故救援現(xiàn)場(chǎng)的劑量最大值為100 mGy/h，機(jī)器人可以在事故現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展工作。但在較大輻射劑量的事故救援現(xiàn)場(chǎng)，這個(gè)劑量值就不能滿足救援的需要。

3.2機(jī)器人的自動(dòng)搜索性能差

目前，可用于核與輻射事故救援現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人為一般事故救援用的搜尋或救援機(jī)器人。一般事故救援機(jī)器人設(shè)計(jì)目標(biāo)為常見(jiàn)事故，其配置不能滿足核與輻射事故應(yīng)急的需要。在發(fā)生核與輻射事故時(shí)，需要在緊急時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行改裝。這種情況下的改裝往往又達(dá)不到事故處置對(duì)機(jī)器人自動(dòng)搜索功能的要求。如在福島核事故應(yīng)急中，復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)條件和臨時(shí)安裝的輻射劑量監(jiān)測(cè)儀表，給機(jī)器人自動(dòng)搜索功能的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了一定困難。

3.3機(jī)器人的信息采集傳輸性能適用性較低

機(jī)器人的信息采集、傳輸功能是機(jī)器人的重要功能。迅速有效地采集事故處置現(xiàn)場(chǎng)的信息并傳輸?shù)綉?yīng)急指揮部，對(duì)整個(gè)應(yīng)急救援工作起著至關(guān)重要的作用。在核與輻射事故情況下，由于事故現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜，造成信息采集和傳輸系統(tǒng)無(wú)法正常工作。如在福島核事故現(xiàn)場(chǎng)，由于濕度過(guò)大，導(dǎo)致負(fù)責(zé)信息采集的攝像機(jī)分辨率下降而無(wú)法采集到有效圖像；由于反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)空間狹小，又有厚重的混凝土和輻射照射的存在，依靠無(wú)線通訊系統(tǒng)操作者和機(jī)器人之間難以建立有效的聯(lián)系。在無(wú)線通訊不可用的情況下，操作者使用了電纜，但由于事故現(xiàn)場(chǎng)障礙物過(guò)多，電纜絞纏不能收回，導(dǎo)致機(jī)器人沒(méi)有返回。

3.4機(jī)器人操作的精確性差

核與輻射事故現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人操作對(duì)專業(yè)性要求很高，操作者需要具備機(jī)器人和核與輻射事故兩方面的專業(yè)知識(shí)，并要經(jīng)過(guò)適應(yīng)性培訓(xùn)。操作者能力的高低和技能的熟練程度對(duì)應(yīng)急效果有很大的影響。如福島核事故現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人操作者為核電站的工人，對(duì)機(jī)器人的專業(yè)知識(shí)知道得不多，未能充分發(fā)揮機(jī)器人的作用。

3.5機(jī)器人執(zhí)行繁重工作任務(wù)能力弱

核與輻射事故應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的情況比較復(fù)雜，有些事故還是由其他事故引發(fā)或產(chǎn)生其他次生或衍生事故，這就要求機(jī)器人具有較高的執(zhí)行繁重工作任務(wù)的能力。如福島核事故是由地震和海嘯引發(fā)，事故現(xiàn)場(chǎng)被污水、倒塌物充斥，崎嶇不平又沒(méi)有電源，能見(jiàn)度和可行走性都很差，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)有滑落現(xiàn)象。

4 關(guān)于發(fā)展適用于核與輻射事故應(yīng)急的機(jī)器人的建議

4.1 提高機(jī)器人輻照穩(wěn)定性

機(jī)器人的各部件，特別是電子器件有無(wú)較高的輻照穩(wěn)定性，是機(jī)器人在核與輻射事故中能否有效應(yīng)用的關(guān)鍵因素。要研發(fā)各種輻照條件下，特別是高輻照條件下適用的機(jī)器人總照射劑量承受能力超過(guò)100 Gy），以滿足較高輻照核事故條件下的應(yīng)用。

4.2 強(qiáng)化機(jī)器人的自動(dòng)搜索功能

隨著救援的專業(yè)化，機(jī)器人的分工越來(lái)越細(xì)。我國(guó)作為核能利用大國(guó)，有必要研制專業(yè)化的機(jī)器人，為其安裝專用的儀器和設(shè)備，提高其在核與輻射事故中的自動(dòng)搜索功能。

4.3 確保信息采集傳輸系統(tǒng)的有效

事故條件下信息采集傳輸系統(tǒng)的有效與否，影響著機(jī)器人的功能能否正常發(fā)揮和事故救援的進(jìn)程，所以要提高對(duì)機(jī)器人信息采集傳輸系統(tǒng)，特別是在復(fù)雜救援條件下適用的高清攝像系統(tǒng)和大功率無(wú)線通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，以確保信息采集傳輸系統(tǒng)的有效。

4.4 提高機(jī)器人操作的精確性

機(jī)器人操作的精確性是決定救援效果好壞的另一個(gè)方面。隨著核能利用事業(yè)的發(fā)展，有必要在專業(yè)的救援隊(duì)伍培養(yǎng)機(jī)器人操作者，提高機(jī)器人在應(yīng)急處置中的操作精確性，以使機(jī)器人在應(yīng)急救援中發(fā)揮事半功倍的作用。

4.5 提高機(jī)器人繁重任務(wù)的執(zhí)行能力

事故條件下，對(duì)機(jī)器人各方面的要求都比較高，要在提高機(jī)器人繁重任務(wù)的執(zhí)行能力上下功夫，提高機(jī)器人在崎嶇地面、滑濕地面的行走能力，在跨越坡度和在黑暗、高溫環(huán)境中的救援能力。