机器人如何从福岛反应堆中抓取燃料？

TEPCO

日本北部福岛第一核电站在发生了大地震和海啸，导致断电、熔毁和放射性物质大量释放之后（https://spectrum.ieee.org/24-hours-at-fukushima），3年后，运营商东京电力公司（TEPCO）近日启动从该核电站提取第一批熔融燃料——这要归功于一种特殊的伸缩机器人装置。

尽管日本在工业机器人技术方面实力雄厚，但东京电力公司在灾难发生后没有机器人可供部署（https://www.cnet.com/culture/where-are-the-robots-in-japans-nuclear-crisis/）。然而，从那时起，机器人就被用来测量辐射水平，清理建筑碎片，并俯瞰太平洋，调查工厂的外部和内部情况。

福岛第一核电站的退役将需要几十年的时间，最危险、最复杂的任务之一是在海啸袭击时正在运行的三座反应堆建筑中移除和储存约880吨高放射性熔融燃料。东京电力公司认为，铀、锆和其他金属的混合物积聚在反应堆主安全壳（PCV）底部周围，但这种材料的确切成分尚不清楚。这种材料是“燃料碎片”，东京电力公司将其定义为与燃料棒和容器结构一起熔化的过热燃料，然后冷却并重新固化。开采本应于2021年开始，但在开采过程中遇到了开发延误和障碍；冠状病毒疫情也减缓了工作进度。

虽然东京电力公司希望对熔融燃料样本进行精确成分分析，但事实证明，只获得一茶匙这种物质都相当棘手，以至于这项工作比计划晚了好几年。

一旦机组人员部署伸缩装置瞄准2号机组的237吨燃料碎片，这种情况可能会很快改变。与其他反应堆建筑相比，其受到的破坏较小，也没有发生氢气爆炸，使其成为一个更容易、更安全的试验台。

东京电力公司发言人Tatsuya Matoba表示：“我们计划从2号机组回收少量燃料碎片，对其进行分析，以评估其特性和形成过程，然后进行大规模回收。我们认为，从回收的燃料碎片中提取尽可能多的信息可能会对未来的工作做出巨大贡献。”

东京电力公司计划如何检索燃料样本

说起来容易做起来难。受损的PCV形状像一个倒置的灯泡，是一个33米高的钢结构，里面装有发生核裂变的反应堆压力容器。一个2米长的隔离阀位于PCV的底部，用于阻止放射性物质的释放，而机器人将进入那里。燃料碎片本身部分位于水下。

7月31日，日本核管理局批准使用机器人手臂，试图在不进一步污染外部环境的情况下取回3克燃料碎片。那么这个机器人到底是什么，它是如何工作的呢？

三菱重工、国际核退研究所和英国威立雅核解决方案公司开发了机器人手臂，可以进入PCV的小开口，在那里它可以调查内部并抓取燃料。该手臂主要由不锈钢和铝制成，长22米，重4.6吨，可沿18个自由度移动。这是一种吊杆式手臂，与国际空间站上的机器人手臂不同，在不伸展时，它放在一个密封的外壳箱中（https://spectrum.ieee.org/robotic-arms-help-upgrade-international-space-station）。

该臂由四个主要元件组成：一个将组件推过开口的托架、一个可以像点阵打印机纸一样折叠的臂连杆、一个有三个伸缩台的臂，以及一个带有摄像头和尖端夹持器的“棒”（一个可伸缩的管状部件）。手臂和棒都可以朝目标区域向下倾斜。

在将组件推入PCV的隔离阀后，它在一条7.2米长的轨道上向下倾斜，朝向反应堆底部。它继续穿过基座上的现有开口，基座是支撑反应堆的混凝土结构，平台是反应堆下方的平坦表面。

然后，将尖端放在一根电缆上，就像爪式机器中的抓取器一样，朝向基座底部的碎片场。组件末端的夹持工具有两个精致的钳子（只有5平方毫米），可以夹住一小块碎片。碎片被转移到一个容器中，如果一切顺利，会通过开口带回并放置在手套箱中：反应堆厂房中的一个密封的负压容器，可以在那里进行初步测试。然后，它将被转移到附近茨城县的日本原子能机构设施进行详细分析。

虽然夹持器能够到达碎片场并抓住一块瓦砾——尚不清楚它是否真的是熔化的燃料——但上个月，该设备上的四个摄像头中的两个在几天后停止工作，该设备最终被卷回外壳箱中。工作人员确认，反应堆厂房控制面板的信号接线没有问题，并继续进行示波器测试。东京电力公司推测，穿过相机半导体元件的辐射会导致电荷积聚，如果相机在相对低剂量的环境中打开，电荷就会耗尽。

“从福岛第一核电站回收燃料碎片是一项极其困难的任务，也是退役的一个非常重要的部分，”Matoba说，“为了在30到40年内完成退役工作，我们认为，从战略上和系统地推进手头的每一步工作非常重要。”