核能作为一种清洁、高效、低碳的能源多年来备受关注，获得了长足发展。在核工业应用领域，由于辐射环境的特殊性，人员操作存在安全风险或操作受限等情况。采用机器人进行设备检修、环境监测、放射性废物处理、应急响应等工作，具有节省成本、保障工作人员安全的优势。随着世界核电的可持续发展，核电厂对机器人的需求日益迫切，核电机器人的应用日益广泛，并向更加智能化、实用化方向发展[1]。
机器人不仅可以在核电建设和运营过程中有所应用，而且在几次核事故中也展现了难以替代的优势[2]，如美国三里岛核事故、苏联切尔诺贝利核事故、福岛核事故中，应急机器人就在辐射侦察、环境监测等工作中发挥了重要作用。
在三里岛核事故中，有两台ROVER遥控探测机器人部署在辐射水平为25 mSv/h到10Sv/h的2号机组地下室，完成了辐射监测、污泥取样的工作。切尔诺贝利核实故中卡耐基梅隆大学等研发的Pioneer机器人系统采用模块化设计，携带有远程视频系统、取样工具、机械手臂、传感器，针对4号机组内部状态进行了记录。
目前，多型公开报道的核环境机器人均与几次重大核事故密切相关，且早期主要是履带式、轮式、足式等陆用机器人，福岛核事故后开始使用了无人机、水下机器人等新型机器人，为核电领域机器人应用提供了新的研究方向。
现有文献中有关陆用机器人的应用介绍较多，而针对水下机器人涉及较少。由于核电厂水下环境有设备检修、异物清理、环境监测、应急响应等需求，为有效解决人工操作受限的问题以及降低人员安全风险，节约成本，发展水下机器人将十分必要。随着我国核用机器人技术的进步，耐辐照技术、通信技术的发展，以及水下机器人技术的积累，发展核电水下机器人将有广阔前景。本文将从核电水下机器人研究现状、关键技术和发展趋势等方面进行分析，为研究人员提供参考。
1核电厂水下机器人研究现状
乏燃料池（图 1a)）和换料水池（图 1b)）日常巡查和检修以及突发事故的应急处理方面，水下机器人具有显著优势，近年来发展迅速。
图1 国内某电站核电水池
目前，核电厂水下机器人主要应用在水下监控和检测、异物打捞、焊接、应急响应等方面。
1.1 水下监控和检测
核电厂役前检查是保障设备安全运行的必要过程，运行期间也需要定期对设备进行检测。水下监测机器人可完成多种检测任务，如反应堆压力容器主螺栓、燃料组件、控制棒束组件、蒸汽发生器筒体焊接缝及接管焊缝、主泵焊缝、主管道等检测。
中科院光电技术研究所研制的水下机器人可实现多传感器信号融合，完成视频图像采集识别、水下姿态检测、可在高辐射环境中从事水下探测任务，目前已在广东核电集团、秦山核电有限公司等单位应用。上海交通大学水下工程研究所研制了核反应堆内构件无损检测机器人（图 2a），可实现堆内信息的观测。北京航空航天大学研制了应用于核反应堆池的观察级水下机器人（图 2b），并验证了导航的新型算法[4]。
图2 国内核电水下检测机器人
1.2 水下异物清理机器人
异物是核电工程建设中重要隐患，异物控制不当可能会对核电厂后续运行带来灾难性的后果。核反应堆水池面积较大，防范异物进入的措施有限，由于经常要进行各种大修工作，涉及工作人员较多，作业之间也相互交叉，进一步加剧异物跌落进反应堆水池底部的风险。图3为国内某核电厂水下异物螺栓。
图3 燃料水池异物螺栓
为解决目前人工进行异物拾取效率低下且对操作人员带来辐射伤害等问题，需要研制能够巡检及异物打捞的机器人。
2007年，韩国原子能研究院其在传统ROV上搭载了一个5自由度机械臂，可以实现核反应堆底部的异物拾取。2013 年，日本千叶工业大学研制出水陆两用核电厂作业机器人“樱花 2 号”，参与了福岛第一核电站的废料清理工作。河北工业大学设计了一款水下机器人，其采用了六轮式设计，可以在堆底实现自由行走。其上搭载了5自由度机械臂，用来实现堆底异物打捞作业[5]。
1.3 水下焊接机器人
核电水池泄漏是比较常见的事故之一，对于核电水池的紧急修复作业更是世界性难题。利用水下焊接机器人在不影响核电站正常运行的状态下，高效率完成对水池进行焊接堵漏、巡查潜在裂纹、清洁壁面等工作，具有巨大的经济效益和社会效益。
哈尔滨工业大学研制一款可以实现核电水池裂纹在线焊接修复的水下焊接机器人原理样机，并对其进行移动系统性能测试、焊接系统功能测试实验，证明了系统设计的合理性[6]。华南理工大学研制的水下焊接机器人已在中广核等示范应用，可完成强核辐射环境水下焊接与在役修复。
1.4 水下应急响应机器人
在福岛核事故后，为增加核电厂的技术储备，提供应急响应解决方案，各国增大了核电机器人的研究。在核事故下，水下应急响应机器人设计需要考虑水下环境辐射剂量和温度变化范围增大的干扰以及水体变浊、周边环境结构变化的影响。
日本日立公司研制的有Swimming Robot、Crawling Robot进行了福岛核电站抑压室环壁的检测工作。东芝公司公司的DL-ROV进行了排水管出水流辐射泄漏的探测情况[3]。
2014年起中国科学院光电技术研究所与大亚湾核电站联合研发“核环境下应急机器人”。该机器人可对水下核辐射剂量、水温、压强等数据进行采集，还可完成异物夹取、水下部分阀门开关等应急处置任务。
2 核电厂水下机器人关键技术及发展趋势
2.1 核电水下机器人关键技术
当前水下机器人关键技术及发展方向如图4所示。核电水下机器人除了具备水下机器人的发展特点，还因为工作环境特殊性，具有如下的制约因素。
图4 水下机器人关键技术及发展趋势
1）耐辐照性。
高精密机器对辐射敏感，辐射会激发半导体器件内部的原子，严重干扰半导体器件工作，直至瘫痪。燃料水池等环境中存在一定的辐射，而在核事故中，辐射剂量将显著增大，考验水下机器人的可靠性。一旦出现故障，将形成新的障碍物，影响安全运行及事故处理。因此，耐辐照器件的选型、电路耐辐照设计、屏蔽材料的研发等均是核电厂水下机器人的关键核心技术。
2）遥控通信技术
核设施内部结构复杂，在应对核事故时，现场环境更加多变。现有核电水下机器人工作时，操作者需要在相对安全的位置，根据作业监测图像进行主机器人控制，可靠的通信遥控技术是其关键技术。
3）水下作业能力
由于水下环境的复杂性，机器人在进行异物打捞、焊接等作业时面临受限水域水下定位、变质心运动控制、冗余推力分配等关键技术。机械手、焊接系统的设计水平制约作业的能力。
2.2 核电水下机器人发展趋势
水下机器人因为操作方便、节约人工成本、工作效率高、可搭载传感器和执行机构进行作业，得到迅速发展。随着计算机技术、控制技术、传感器技术等发展，核电水下机器人朝着高稳定性、模块化及小型化、智能化方向发展，其在水下复杂环境的工作能力将逐步加强。
1）高稳定性
随着核辐射防护技术、高湿辐射环境下远程遥控技术、运动控制技术的发展，水下机器人的运行稳定性将获得提升，使其向着更加安全可靠的方向发展，降低核电人员使用风险顾虑，扩大应用范围。
2）小型化及模块化
水下机器人常受到狭窄水域及环境复杂性的限制，制约了观测、作业能力。小型化将增加操纵灵活性，扩大活动范围，提升应用能力。当下，大部分核环境作业机器人的零部件均为专用定制，难以批量化生产以及通用标准制造，使得不同机器人的零部件难以互换和匹配。模块化、通用化将使得拆装、更换更加便捷，降低核电水下机器人研发的难度和周期，使得未来有更广阔的发展空间。
3）智能化
随着机器视觉、机器学习、智能控制等技术的发展，核电水下机器人将在探测识别、决策控制、作业能力上有较大提升。智能化将进一步减少人员参与度，保障任务的顺利开展，是重要的发展方向。
3 总结
本文对国内外核电水下机器人的研究现状进行综述，总结了不同用途水下机器人的特点及研究进展，并对其关键技术进行了简要分析，归纳了核环境水下作业机器人的未来发展趋势。当前我国核工业规模逐渐扩大，安全保障需求日益迫切，水下机器人技术有望在未来的核电厂运营中展现出显著的优势。随着该领域技术的快速发展，核心部件水平及总体设计技术的不断提高，核电水下机器人将会迎来大规模应用的时代。
参考文献
[1] 冯常, 王从政, 赵建平, 等. 核环境作业机器人研究现状及关键技术分析[J]. 光电工程, 2020, 47(10): 88-98.
[2] 刘呈则, 严智, 邓景珊, 等. 核电站应急机器人研究现状与关键技术分析[J]. 核科学与工程, 2013, 33(01): 97-105.
[3] 王振宇, 黄伟奇, 孙健, 等. 核电厂事故机器人应用研究[J]. 核安全, 2020, 20(02): 73-78.
[4] Dong M, Chou W, Yao G. A new navigation strategy for underwater robot in reactor pool combined propeller speed detection and dynamics analysis with sonar data correction[J]. Journal of Nuclear Science and Technology, 2018, 55(1): 1-10.
[5] 黄晓辰. 核反应堆水下异物打捞机器人系统分析与实验研究[D]. 天津: 河北工业大学, 2016.
[6] 罗阳. 面向核电水池焊接修复的水下机器人关键技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019.
作者简介：
姓名任艳军（1986—），男，陕西榆林人，工程师，本科，现主要从事核安全监督管理工作
