核设施检查维修与核事故应急处理机器人系统

核设施在役检查维修与核事故应急处理机器人系统研究与应用863先进制造技术领域专家组2010年5月一、重大需求与战略意义“加快发展核电、提高核电等清洁能源占能源供给总量的比重”是我国能源发展的战略重点。2007年国家《核电中长期发展规划》：到2020年我国核电运行装机容量4000万千瓦，核电占电力总装机比例达到4%以上;近期将推出修改版规划:7000万万千瓦,核电占比5%。按照每千瓦机组造价1.2万元计算，直接投资将达到上万亿。据能源研究部门预测，2035年我国核能发电量有望达到当年全国电力总发电量的16%，达到目前世界核电发展的平均水平。其它0.6%核电1.3%水电20.3%火电77.8%现有电力装机情况2020年能源结构图核电5%气电6%新能源4%火电62%水电24%至2020年全国核电装机增长(万千瓦)70009102010年2020年一、重大需求与战略意义(续)核电和常规动力电站不同之处：核燃料和核废物具有放射性，伴随安全性问题。美国三哩岛核电厂、前苏联切尔诺贝利核电厂、日本美滨核电厂核动力设施在运行以后，按照相关规范的要求，必须定期或不定期对相关设备进行在役检查，发现是否存在危险性缺陷，定期对其进行跟踪检查或维修，以免发生严重的核泄漏事故。一、重大需求与战略意义(续)核设施的在役检查与维修，往往涉及强放射性场所(图中红色椭圆标示部分)，有的甚至需在有辐射的水下进行，操作者难以接近，给这些工作带来很大的困难。国外普遍使用机器人完成这些检查与维修任务;国内以进口设备为主，价格昂贵，后期养护成本极大，许多工作仍靠人工完成。目前国际和国内辐射防护标准已将放射性工作人员的年剂量限值由原来的50mSv(毫希伏)降到20mSv，强调“以人为本”。核电加上军品生产和科研活动，已经积累了大量的低、中水平放射性固体废物。有的废物包装与屏蔽不够规范，对周围环境安全构成很大隐患。废物在送处置场之前，需要先进行废物的回取，即必须对废物进行识别、分类、收集、减容、固定等处理整备，以减少体积，提高稳定性，使废物及包装满足处置场接受要求，从而达到安全、经济处置废物的目的。由于我国核废物前期存储不规范，情况非常复杂，废物回取的难度很大，急切需要开发从暂存库回取废物和对其分类的专用机器人。一、重大需求与战略意义(续)核能技术在其他领域的应用也日益广泛。目前全国共有密封放射源10多万枚，用于辐照加工的约占95%。源量为30万居里以上的大型辐照单位也已达到100多家。一些突发事故，需要进行应急处理。如在核辐照技术领域，核放射事故发生率，美国每年、每万枚放射源约为0.25次，而我国约为5.6次，要比美国高出20倍。最近连续发生在河南杞县、广东番禺等多起卡源事故，在社会上造成了很大的影响。常规移动机器人难以胜任，“卡西诺”，“灵晰机器人”均失陷瘫痪在现场；作业任务多样：测、铲、推、搬、挂、拉一、重大需求与战略意义(续)恐慌的群众辐射源卡源现场简易的处置工具普通铲车手动挂钩装置玩具小车核设施安全稳定运行，辐射环境、放射源与放射性废物得到安全有效控制，是促进核能开发和核技术利用的根本保证。胡锦涛总书记指出，中国经济的发展不仅要做到又好又快，而且要做到节约发展、清洁发展、安全发展，做到全面协调可持续发展。研制开发面向核工业特殊应用的服务机器人有着迫切需求。尽快开展这方面的工作将有助于打破国外技术垄断、满足国家核电和核科学技术可持续发展需求，同时对提高核科技工业的自动化水平、增强核安全和应急处理能力、保护工作人员的健康和安全，以及构建和谐社会主义社会都有积极和重大的社会意义。一、重大需求与战略意义(续)二、预期的明确目标与指标总体研究目标：针对我国核科学实验、核设施在役检查与维修、核燃料棒更换、核废物回取处理等作业对机器人技术的迫切需求，以行业与典型应用为引导，开展核环境下机器人相关共性核心技术和应用关键技术研究，研制开发出系列化核环境下智能机器人系统，并进行示范应用，为核安全和核事故应急处理提供技术支撑平台，满足国家核电和核科学技术可持续发展需求。攻克一批核环境下机器人共性核心技术及应用技术研制开发系列化核环境下智能机器人系统形成示范应用为核安全与应急处理提供技术支撑三、主要研究内容研究核环境下机器人共性关键技术，包括：机器人模块化和可靠性设计技术；机器人抗辐射加固技术、去污技术；基于力觉反馈的机器人远程操作与自主控制技术；机器人在核工业环境下的应用标准与规范等；研制开发面向核设施在役检查与维修的系列化机器人系统，包括：管道外部和设备间在役检查机器人；核电站管道内部检查模块化机器人系列，适用于100mm-900mm不同口径的管道；核电站1000mm直径主管道焊缝维修机器人装置；核反应堆内构件检测与维修大型机器人；研制开发核废物回取处理机器人系统，可用于放射性固体废物库散乱堆放的废物遥控回取、收集、装桶或装筐；研制开发核反应堆燃料棒更换机器人系统，抽离核反应堆旧的燃料棒，并进行新燃料棒的安装；研制开发面向放射源核事故应急检测与处理机器人，可用于核污染环境探测，核污染源的收集、转移和清理，以及辐照厂卡源事故处理等。2011年-2015年项目研究路线图共性关键技术20112012201520132014管道外部和设备间在役检查机器人核电站管道内部检查模块化机器人系列核反应堆内构件检测与维修机器人系统核废物回取处理机器人系统面向放射源核事故应急检测与处理机器人系统核电站主管道焊缝维修机器人系统核反应堆燃料棒更换机器人系统预期成果四、前期基础先进机器人技术一直是国家863高技术研究发展规划的重点主题之一，在机器人机构、感知、驱动、智能控制等方面不仅取得若干关键技术突破，在国家经济发展与国防建设中发挥了重要作用，缩小了与国外的差距，而且在人才团队和实验平台方面提供了重要储备。在863计划的支持下，国内在危险作业机器人、核工业用机器人方面也有了一些前期工作。“八五”期间研制了“核工业遥控关节履带式移动机器人”原理样机，开发了核工业废液储罐壁面移动机器人等。近期又研制了“核辐射探测与处理机器人系统”以及“危险化学品泄漏检测与修补移动机械手系统”等，在移动机器人载带平台、机械臂设计、防辐射设计、小型核辐射探测装置等方面积累了一定的经验。中国核工业集团对国外进口的一些用于核动力设施检查与维修的自动化装置进行了部分消化吸收，如核反应堆压力容器检查机器人、蒸汽发生器传热管检查与维修定位系统，管道焊缝超声波自动检查系统等，在核设施在役检查与维修方面经验丰富，并开发了一些简易视觉检查装置。微漏处理机器人化学危险源探测与定位机器人2010年研制成功的核辐射探测与处理机器人系统小型核素活度测量装置蒸汽发生器内表面堆焊层电视摄像检查装置稳压器内表面堆焊层电视摄像检查装置五、组织方式与建议承担单位以中国原子能科学研究院、中国核工业集团公司和中广核集团公司等单位具体需求为牵引，联合国内在危险作业机器人领域有相当工作基础和很强技术实力的科研单位，以整体形式申报，由企业或用户牵头、产学研联盟共同承担。成立项目总体组，并实行组长负责制，负责项目执行过程中重大问题的决策，协调示范基地的确定，技术攻关、设计、制造、安装、调试和施工的组织及项目的检查验收等工作，项目总体组接受科技部和863计划专家组的直接领导。专家组负责项目进展和完成情况的全过程监督、检查。执行年度报告和检查、中期检查和期末检查验收等制度。同时在项目立项、管理过程中，结合国家高技术发展布局的创新技术研究中心建设，注重人才团队建设培养以及形成产业化基地。建议承担单位：中国原子能科学研究院、中国广东核电（中广核）集团公司、中国核工业集团公司核动力运行研究所、北京航空航天大学、河北工业大学、北京石油化工学院（管道焊接）请提出宝贵意见！