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福島核電站的維修進(jìn)展一直受到人們的關(guān)注，日前，國際原子能機構(gòu)調(diào)查團將于2月14日至18日訪問日本，驗證日本福島第一核電站核污染水排海的安全性。
調(diào)查團包括來自國際原子能機構(gòu)各部門和實驗室的工作人員，以及分別來自中、美、俄、英、法等11個國家的11名具有不同技術(shù)能力的、獨立的、國際公認(rèn)的專家。
與這個消息同時發(fā)酵的還有福島核電站處理進(jìn)展，在2月8日，東京電力公司稱，為了取出融化在福島第一核電站1號機組核反應(yīng)堆的核燃料碎片，已再次選擇投入機器人對容器內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)。這是自2017年3月以來，日本時隔5年再次對1號機進(jìn)行調(diào)查。
雖然此前在今年的1月12日，這項調(diào)查計劃曾因投入使用的機器人發(fā)生故障而停止，但東京電力公司稱，今后將陸續(xù)投入6臺安裝不同裝置的機器人收集必要的信息。
福島核電站機器人作業(yè)依然是一個大的難題，雖然與有可比數(shù)據(jù)的2011年11月相比，輻射量減少了70%以上。但東京電力公司仍然表示，根據(jù)5年前通過機器人對福島第一核電站1號機組反應(yīng)堆安全殼內(nèi)實施調(diào)查結(jié)果判斷，沉積在安全殼底部的高活度核污水和作業(yè)用腳手架的西韋特值仍然遠(yuǎn)高預(yù)期。
▍福島核電站機器人清理進(jìn)展
人類一直在嘗試讓機器人進(jìn)入核輻射區(qū)域進(jìn)行工作，一方面是切諾爾貝利、福島核電站的嚴(yán)重事故，都給人類帶來過慘痛的代價。另一方面則是煤炭采掘量不足、新能源汽車的大規(guī)模充電用電、可能出現(xiàn)的“新周期”等等，使得電力需求火爆、供應(yīng)緊張的態(tài)勢蔓延全球，最終的解決本次能源問題的路徑，必然是大幅度增加電量的供給。
因此，發(fā)電規(guī)模大、穩(wěn)定性強的核能再次進(jìn)入人們的視線。
在核電站里，一個反應(yīng)堆一小時的發(fā)電量約100萬度，這也使得發(fā)展核電在人類尚未找到更好替代能源之前，將是解決能源問題的重要選項。
核電站的機器人已經(jīng)大致發(fā)展分為日常作業(yè)以及緊急搶險兩大類，類型包括水中和陸地作業(yè)機器人，而這些機器人在日本由于福島核電站事故，得到了進(jìn)一步的重視和使用。
與蘇聯(lián)時期的切爾諾貝利核泄露事故時機器人和人工智能技術(shù)十分落后不同，在當(dāng)時，機器人嘗試進(jìn)入反應(yīng)堆幾秒鐘便癱瘓，因此只是簡單地將燒毀的反應(yīng)堆埋入混凝土當(dāng)中，而沒有采取進(jìn)一步的清理和隔離措施。
到了現(xiàn)代，日本發(fā)生福島核電站泄露事故以后，日本堅持選擇派出機器人進(jìn)行現(xiàn)場的勘察與執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，不過在2011年，這個由千葉工業(yè)大學(xué)、國際救助系統(tǒng)學(xué)院和日本東北大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的產(chǎn)品Quince 1很快被廢墟里的殘骸纏住，與外界失去聯(lián)系并“擱淺。但日本堅持采取機器人進(jìn)入核廢墟，而不是完全封閉，與此對應(yīng)的行為還有核污水排放。
雖然日本沒有放棄對這類搶險機器人的研制，但進(jìn)展一直不大。2011年后的幾年，由日立-通用核能公司（Hitachi-GE Nuclear Energy）和國際核退研究所（International Research Institute for Nuclear Decommissioning）開發(fā)的勘測機器人曾被寄予厚望，但依然在輻射超標(biāo)的現(xiàn)場工作不過半個小時，日方解釋稱這是由于部分區(qū)域的核輻射超出預(yù)期導(dǎo)致。這一度引發(fā)國際社會對于日本不作為的指責(zé)，許多學(xué)者認(rèn)為放任泄露不如采取切爾諾貝利核泄露事故中蓋石頭房子的方法。
但好消息是在2017年11月，核電站的水下機器人進(jìn)入獲得了突破性進(jìn)展。一款配備有輻射硬化材料和傳感器的水下機器人Manbo最終繞過了大量核廢墟，抵擋住了超高核輻射，成功抵達(dá)嚴(yán)重受損的三號反應(yīng)堆，發(fā)回了熔毀鈾燃料棒的視頻，并準(zhǔn)確定位了福島核電站反應(yīng)堆的熔毀鈾燃料。
Manbo的尺寸只有鞋盒大小，能夠使用微小的螺旋槳在水中盤旋滑翔，類似于一架空中無人駕駛機。它是用輻射加固材料制造，能夠利用傳感器避開核電站反應(yīng)堆建筑中的危險熱點，其首次亮相于日本橫須賀的一場展示。
除了Manbo之外，日本工程師們也發(fā)現(xiàn)了履帶型機器人的結(jié)構(gòu)局限性，后續(xù)還建造了一個名叫“蛇”的機器人，用以穿過廢墟檢查其他兩個嚴(yán)重受損的反應(yīng)堆。“蛇”的形態(tài)可以穿過反應(yīng)堆內(nèi)部的殘骸，而它身上攜帶的介子成像設(shè)備可以穿透大多數(shù)阻擋物體。目前，這套介子成像裝置已經(jīng)向工作人員傳輸了一些模糊的反應(yīng)堆內(nèi)部圖像。
同時，日本政府還專門在核電站附近建造了一個造價高達(dá)幾億美元的研究中心，幫助科學(xué)家和工程師們開發(fā)新一代的防輻射機器人，以進(jìn)入受損反應(yīng)堆建筑的深處展開清理工作。
工程師們在附近的楢葉町技術(shù)開發(fā)中心研發(fā)新一代抗輻射機器人，該研發(fā)中心擁有一個機庫大小的倉庫，專門用以容納福島核電站的等比例模型。值得一提的是，研發(fā)中心還擁有一套虛擬現(xiàn)實和虛擬仿真裝備，用以模擬受損反應(yīng)堆建筑的內(nèi)部情況，包括定位已知殘骸和燃料的位置。
▍問題為何遲遲難以解決？
之所以大力發(fā)展應(yīng)急和日常使用的核工業(yè)機器人，是因為日本政府一直在計劃重啟多個退役多年的核電站——日本國境內(nèi)大部分核電站在災(zāi)難發(fā)生后關(guān)閉至今。
日本政府官員們希望通過機器人展開清理工作，來幫助核電站事業(yè)重新獲得公眾的認(rèn)可，從而重新啟動一系列其他未受損的核電站，其中包括廢棄近10年的全球最大核電站柏崎刈羽，此舉一度引發(fā)外界對日本核電安全的擔(dān)憂。
相較直接排入大海，想要讓機器人來從事核燃料的回收和清理工作并非易事。日本研究人員從上世紀(jì)80年代就開始從事?lián)岆U救災(zāi)機器人方面的研發(fā)工作，但進(jìn)展一直并不順利。一般而言，機器人進(jìn)入到輻射等受災(zāi)區(qū)域后，大致都有幾項重要的任務(wù)需要完成。
首先，是對于現(xiàn)場情況的感知和傳遞，例如機器人需要在現(xiàn)場采集比如濕度、溫度、核輻射的劑量率等各類信息，然后傳輸給幾公里外的操作人員，讓人們能夠?qū)崟r看到現(xiàn)場情形。其次，它們還需要采集現(xiàn)場“樣本”，帶出受災(zāi)區(qū)，交給操作人員。最后，機器人最好還具備一些救援操作能力，如開關(guān)閥門的處理，搬開大石頭，更難的操作也有包括直接清理核電站屋頂?shù)取?/span>
一直以來，日本對于核輻射機器人的最終任務(wù)是在福島第一核電站尋找和回收約600噸的熾熱核燃料及殘骸。
一開始，科學(xué)家認(rèn)為配備相應(yīng)的防輻射攝像頭、放射量測定器和其他工具后，機器人便可進(jìn)入人類無法進(jìn)入的任何環(huán)境，如果足夠強大和靈活，甚至可以攜帶樣本供科學(xué)家檢測，但現(xiàn)實卻因為環(huán)境的波動變量很大，導(dǎo)致了一次次機器人嘗試的失敗。
毫無疑問，機器人的故障與大劑量核輻射脫不開干系。其核心原因是核輻射會導(dǎo)致機器電路板上的半導(dǎo)體出現(xiàn)功能紊亂，造成機器的“趴窩”。
核輻射越大，對于電路板的破壞也會越大，機器壞的越快，機器人在高輻射環(huán)境中“四肢”和金屬外殼材料會快速老化，“大腦”芯片被損毀導(dǎo)致控制傳輸?shù)碾娮釉O(shè)備失靈、“眼睛”攝像機也會黑屏，甚至最終變成“玻璃渣”。
例如在工程師們把前面提到的Quince 1機器人解救出來之后，發(fā)現(xiàn)它的監(jiān)控屏幕已經(jīng)變成黑色，其內(nèi)部電子部件遭到了核輻射的嚴(yán)重破壞。事后的報道表明，當(dāng)時機器人周圍核輻射達(dá)到了每小時70西韋特的驚人水平，而一個西韋特的輻射量就足以引起人體的輻射病變。這種正常環(huán)境下無法預(yù)料的核輻射情況，對機器人綜合技術(shù)提出了更高的要求。
根據(jù)日本政府的計劃，福島第一核電站的報廢分為核污染水處理、核燃料取出、核電站整體拆除“廢爐”三個階段，2021年前后開始用10-15年時間取出全部核燃料，最終到2041-2051年才能徹底完成，耗時長達(dá)25-35年。但這一計劃一度隨著機器人進(jìn)入情況的不理想進(jìn)一步推遲，而近期則在國際輿論的關(guān)注下再次得到推進(jìn)。
▍關(guān)于未來
就機器人技術(shù)而言，在設(shè)計和制造中，高耐輻射技術(shù)是技術(shù)核心之一，但機器人不是簡單地由抗輻射材料制成，而是更多地通過對機器人各種功能區(qū)域的合理規(guī)劃、電路的分布式設(shè)計以及傳感器的主動和被動加固來實現(xiàn)整體抗輻射，正如一些專家所提到的，達(dá)到整體耐輻射更是一項綜合技術(shù)。
當(dāng)然，這項技術(shù)隨著材料學(xué)的進(jìn)步也在不斷實現(xiàn)突破，目前德國EMSM系列、美國SASIN系列機器人都能夠在真實的高輻射環(huán)境應(yīng)用，且可遠(yuǎn)距離操控，而中國在2017年，由中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所與中廣核核電運營有限公司聯(lián)合研發(fā)的核電機器人團隊也正式亮相，并開始在廣東大亞灣服役。該核電機器人團隊有五個成員，包括陸地巡檢機器人、水下多功能智能機器人、水下巡檢機器人、異物打撈機器人及小型水下觀測機器人。
與日本德國等國家的核能源產(chǎn)業(yè)一度陷入全面停滯不同，我國核能源建設(shè)一直在安全有序進(jìn)行。根據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù)，截至2021年1月，中國大陸共有49臺商運核電機組，16臺在建、擬建核電站，數(shù)量上看位居世界前列，但發(fā)電量僅占到整體用電量的5%左右。企業(yè)主體主要包括了中國廣核、中核集團、國家電力投資集團和華能集團，涉及的主要公司包括中國核電、中國核建、中國廣核、中廣核電力等。
雖然目前全世界市場上提供的包括攝像系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、多振動傳感器等零部件絕大多數(shù)設(shè)計上并沒有抗輻照功能，反言之，抗輻照的零部件基本上沒有市場。但在不遠(yuǎn)的將來，我們有可能會看到核電政策的持續(xù)松動。而這些松動的跡象，也必然會以安全、環(huán)保、潛在風(fēng)險可控為重要的出發(fā)點，那時候，全世界與核電運維和搶險息息相關(guān)的核電機器人市場，必然將迎來一波快速發(fā)展浪潮。
