2011年3月，里氏9级地震及其引起的13米高海啸导致了核电历史上的第三次重大核事故——福岛核事故。事故发生后，核电站建筑内部辐射水平不明确，为了减少不必要的人员伤害，救援机器人被委任为第一批“勇士”进入电厂探明核电站内部的辐射水平，为人类进一步行动提供了宝贵数据。

海啸对福岛核电站的破坏场景 （来自东京电力公司TEPCO）

1. 日本核事故下的那些机器人“勇士”

NO.1 PackBOT机器人

福岛核电站发生氢爆之后，急需对反应堆内部的情况进行探查。由于反应堆内部情况不明，机器人成为执行这次任务的首选。由i-ROBOT公司提供的两个PackBOT机器人承担了此次重任。在正式投放之前，PackBOT首先在同样采用Mark-1型沸水堆型的5号机组进行了模拟演练，随后正式进入厂房，并成功获得了事故后反应堆厂房内部的第一张照片。通过PackBOT机器人获得的照片、辐射水平、温度等宝贵数据，为操作人员的进入提供了参照依据。但由于PackBOT不能上下楼梯，因此对事故现场探查的深入程度有限。

PackBOT在打开反应堆厂房第二道门

PackBOT拍摄的事故后反应堆厂房内的景象

NO.2 Quince机器人

Quince机器人

Quince的机器人具备翻越瓦砾、上下台阶的能力，由千叶工业研究所、日本东北大学、国际救援系统研究所共同开展的NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization)计划研发，Quince最初并不是作为核救援机器人开发，也没有立刻加派到福岛现场救援。由于反应堆容器的屏蔽无法接收无线信号，在投放前被改进为使用双绞线进行信号传输。2011年7月改进的Quince 被派到福岛核电站反应堆1-3机组进行勘察，最终，Quince也不负众望，对反应堆的上层进行了有效地勘察。

福岛第一核电站改进的Quince

NO.3 蝎型机器人

今年2月，日本东京电力公司再次启用蝎型机器人进入福岛核电站调查。蝎型机器人因其安装摄像头的部位像蝎子尾巴一样向上翘起故而得名。蝎型机器人上安装了摄像头、辐射测量仪、温度计，用来调查安全壳内的辐射量、堆积物周边的温度、压力容器的具体破损情况等。这个能自动行走的蝎型机器人也首次进入了福岛第一核电站2号机组反应堆安全壳内。

蝎型机器人

2. 要打造真正的核电版“变形金刚”并非易事

由于核电站特殊的作业环境，目前的援救机器人进入核电站作业时仍有几个需要解决的问题：机器人的移动性、耐辐照性、通讯设备、安装传感器以及硬件可靠性。

 移动性

对机器人而言，事故现场的“路况”较差，因而在设计时，机器人就需能够越过不平坦的地面、上下台阶、辗过碎石，如Quince机器人的设计满足上面对机器人性能的要求。

 耐辐照性

通常情况下，常规机器抗辐射最弱的部分是电子器件。目前的机器人如Quince机器人就是由常规的电子器件组成，关于他们如何在γ射线辐照下存活的信息十分有限，所以装置的耐辐照性仍有待研究。

  通讯设备

混合型网络设计是针对空间较大的环境，而反应堆的空间较小，屏蔽γ射线的混凝土墙壁进一步阻碍了无线通信信号，因此需要检查建筑内部的信号接收条件，如果信号不好，就需要有线通信的解决方案来确保可靠的通讯。

 传感器优化

机器人原本就缺少剂量测量功能，3D影像对了解灾难现场环境是一个很好的工具。因此，为了便于执行任务，需要优化传感器。

 可维修性

由于机器人的实际操作者是核电厂的员工，而不是开发工程师，而机器人在执行任务时，是暴露在辐射条件下的，接触机器人是不安全的，因而提高机器人的可操作性，使机器人便于操作者维修或改造也非常有必要。

3. 韩国的“类人猿”“变形金刚”

近年来，为了避免重蹈福岛核事故中不明智的紧急措施，韩国的核电机器人也取得了极大的进展，韩国水电公司(KHNP)和韩国先进科学技术研究所(KAIST)合作，于2014年1月启动了一项研究项目，开发了一款事故监测机器人。

为了研发适用于核电站的机器人，研发过程主要对机器人现面临的三种主要障碍进行了突破，即: 通讯问题、移动性和定位。

为了解决无线电通讯问题，在无线电未覆盖区域使用wi - fi扩展器；为了加强机器人的行走能力，开发了两腿和四腿可互相转换的行走方式，适应地面的脚装置，防摔设计，以及开发机器人摔倒后自动恢复站立的功能；允许机器人自己确定在安全壳的位置，选取条形码地标读取的方法。当发生严重事故时，机器人可以对事故工况进行监控，期望机器人能在高辐射中充当工人正常操作。

机器人两条腿和四条腿行走

机器人骨盆转换为两腿和四腿行走

适应地面角度脚的结构

机器人分阶段复原

机器人定位在地图上的计算方法

4. 对我国救援机器人的启示

1999年日本东海村发生核临界事故后，就开始研发核电救援机器人，可惜的是，还没有迅速部署到位，福岛第一核电站事故就发生了。究其原因，一方面是虽然研究人员已经开发机器人系统，但最终用户(电力公司)没有参与其中。另一个可能的原因是工厂制造商合作开发机器人系统，但那个特定的机器人制造商没有参与开发。由此可见，救援机器人研发相关的用户、研究所、制造商甚至是日本民众对危机的认识并没有统一的步伐。日本的核灾救援机器人的开发只是为开发而开发，而不是为了核应急。

从日本救援机器人的研发过程来看，对改进我国的机器人研发有哪些借鉴意义呢？可以从四个方面考虑对救援机器人的改进。

1.制定组织和操作维护方案

这是研发应对核灾难的机器人工作前期应做的计划。

2.提前准备系统化的设备

如果没有额外的硬件，在核电站内仍无法成功地使用机器人。硬件包括控制车辆，γ射线成像仪，电视指示灯，冷却器/加热器, 发电机。根据事故情况，所有这些都应该提前准备和设备系统化。应该特别指出的是供电设备一般在灾害中是无法保障的，如福岛地震和海啸的接连发生。

3.优化紧急情况下的机器人系统

为了快速优化机器人系统，推荐使用平台和工具系统。平台根据工具的大小和重量，可以准备两种或三种的移动机械。使用平台和工具间的标准连接件转换工具。应根据事故特点，方便操作人员优化。

4.保持机器人的可移动性

由于没有反应堆退役的经验，福岛1-4号反应堆发生严重事故后，无论是对远程还是现场机器人都将会面临诸多挑战，如：远程除污，反应堆内部观察设备，遥感机器人下水处理渗漏，远程修理泄漏机器、远程碎片取样等。因而，对机器人的可移动性要求更高。

展望

三里岛、切尔诺贝利、福岛三次核事故的发生，虽然在核能应用发展上了沉重的一课，但不可否认，核事故给了人类经验教训的同时，也促使核工业在安全和管理上日臻完善。一方面，核电站从设计阶段即遵循冗余、多样、独立的设计理念，从而使得在紧急情况下，反应堆能够采用保守的方法实现安全停堆；另一方面，与其“亡羊补牢”不如“未雨绸缪”，做好核应急部署工作，开展类似核电机器人的研究，从头到尾高度重视安全，才能让核电更好地造福人类。

 参考文章

1. Shinji Kawatsuma, Mineo Fukushima and Takashi Okada. Emergency response by robots to FukushimaDaiichi accident: summary and lessons learned. Industrial Robot: An International Journal 39/5 (2012) 428–435.

2. Emergency response to the nuclear accident at the Fukushima Daiichi nuclear power plants using mobile rescue robots

http://www.astro.mech.tohoku.ac.jp/

3. Jong Seog Kim* and You Hyun Jang . Development of Stable Walking Robot for Accident Condition Monitoring on Uneven Floors in a Nuclear Power Plant. Nuclear Engineering and Technology 49（2017）632-637.

4. http://news.sina.com.cn/o/2017-02-16/doc-ifyarrcc7410623.shtml

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