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毕业论文 核电 救灾 机器人 辐射 屏蔽 材料 性能 模拟 研究

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华东理工大学硕士学位论文 第 I 页 核电救灾机器人辐射屏蔽材料性能模拟研究 摘要 核救灾机器人对维护核电站安全运行和处理核事故具有重要意义，而核救灾机器人的电子器件极易受到核辐射而失效。通过局部屏蔽或封装的方法可提高电子器件的耐辐射能力。论文采用蒙特卡罗方法 MCNP 软件模拟研究了多种重金属及合金对 γ 射线的屏蔽性能。对比了镍前钨后、钨前镍后及钨-镍合金三种材料组合方式之间的屏蔽性能差异。研究了钨颗粒的粒径大小和分布形式对钨-聚乙烯复合材料屏蔽性能的影响，获得了如下结论： 1、针对几种典型的 γ 射线屏蔽材料铅、钨、钽、铁、钡的计算结果表明，钨的单位厚度屏蔽性能最好；铅的单位质量屏蔽性能最好，钨、钽次之。 2、对镍前钨后、钨前镍后和钨-镍合金三种屏蔽模型的比较研究发现，镍前钨后组合对 γ 射线的屏蔽性能最好，钨-镍合金其次，钨前镍后组合最差。钨前镍后的透射能谱明显高于其余两种模型，高出能量范围集中在 0-0.6 MeV。随着材料中钨含量的增加， 钨前镍后组合的屏蔽效果趋近于镍前钨后组合。两种金属薄片层数变化的影响研究发现层数增加对屏蔽性能影响不大。 3、以钨-聚乙烯复合材料为代表研究了重金属-有机材料的屏蔽性能，对于重复排列模型，γ 射线能量在 0-0.05 MeV 时，小粒径的重金属复合材料性能优于大粒径材料；γ 射线能量在 0.05-1 MeV 范围内，不同粒径材料的屏蔽性能相同。对于间隔排列模型， 在 0-1 MeV 范围内，小粒径的重金属颗粒复合材料表现出更好的屏蔽性能。 4、重金属-有机材料中，当入射 γ 射线能量、材料厚度及粒径都保持不变时，重复排列模型的屏蔽性能优于间隔排列模型。γ 射线能量增大，两种模型屏蔽性能差距减小。射线能量达到 0.5MeV 时，重复、间隔排列和不设置粒径模型的透射能谱变化趋势相同。 关键词：核辐射；蒙特卡罗；屏蔽性能；钨；复合材料 华东理工大学硕士学位论文 第 II 页 Simulation Study on Shielding Property of Anti-Radiation Materials used on Nuclear Rescue Robots Abstract Rescue robots are very important for nuclear power plant operation, especially at accidents case. The electronic devices are quite sensible to the nuclear radiation, which can be quickly destroyed. Shielding and encapsulation can enhance the anti-radiation properties. In this thesis, shielding property of different heavy metals and alloys were simulated by MCNP software with Monte Carlo method. The properties of Ni-W, W-Ni and their alloys were compared. The effects of tungsten particle size and particle arrangement form in tungsten polyethylene were studied. As a result, the following conclusions are obtained: First, tungsten shows the best per thickness γ-ray shielding property among lead, tungsten, tantalum, iron and barium. Lead owns the best per weight shielding property, tungsten and tantalum are below lead. Second, among Ni-W combination, W-Ni combination and their alloys, Ni-W combination shows the best property, the next is W-Ni alloy. Energy spectrum of W-Ni combination is higher than the other two models (mainly from 0 to 0.6 MeV). With the increase of tungsten content, the shielding property of W-Ni combination approach to that of Ni-W combination. It’s found that the shielding property of Ni-W combination does not improve with the number of Ni-W layers increase. Third, in repeated arrangement form of tungsten polyethylene composite material, shielding property with small tungsten particle size type is better than the big one from 0 to 0.5 MeV γ-ray, but show the same shielding property from 0.5 to 1 MeV; in interval arrangement model, the property of small tungsten particle size is better than the big one in the whole range from 0 to 1 MeV γ-ray. Fourth, at a certain thickness and radiation intensity of heavy metal particle composite, the shielding property of repeated arrangement model is better than the interval one. While the property gap between two models got decreased with the increase of γ-ray energy. Energy spectrum of three models are the same variation tendency when the radiation energy achieved 0.5 MeV. Keywords: nuclear radiation; Monte Carlo method; shielding property; tungsten; composite materials 华东理工大学硕士学位论文 第III 页 目录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.2 核事故分类及典型核事故 1 1.3 核电机器人发展状况 6 1.4 核辐射射线种类及危害 10 1.5 核救灾机器人辐射敏感部件 13 1.6 核电救灾机器人防辐射方法 15 1.7 研究意义和研究内容 17 1.7.1 研究意义 17 1.7.2 研究内容 17 第 2 章 蒙特卡罗方法与金属、合金屏蔽性能模拟研究 19 2.1 前言 19 2.2 模拟方法与模拟软件 19 2.3 材料屏蔽性能的表征参数 21 2.4 建模及计算过程 22 2.5 金属材料屏蔽性能模拟研究 22 2.6 钨基、钽基合金屏蔽性能研究 26 2.7 实验方法与实验结果 28 2.8 铅、钨弱吸收区的模拟研究 29 2.9 本章小结 31 第 3 章 钨、镍组合及钨-镍合金的屏蔽性能模拟研究 32 3.1 前言 32 3.2 模型建立 32 3.3 透射率计算结果 33 3.4 透射能谱分析 37 3.5 本章小结 40 第 4 章 重金属粒子对复合材料屏蔽效果影响分析 42 4.1 前言 42 4.2 模型建立 43 4.3 钨粒径大小对钨-聚乙烯屏蔽性能的影响 44 4.4 钨粒子分布形式对钨-聚乙烯屏蔽性能的影响 47 4.5 重复、间隔排列模型与模型 C 透射能谱对比研究 48 4.5.1 重复排列模型与模型 C 透射能谱对比 48 4.5.2 间隔排列模型与模型 C 透射能谱对比 50 4.6 本章小结 52 第 5 章 结论、创新点与展望 53 5.1 结论 53 5.2 创新点 54 5.3 展望 54 参考文献 55 致谢 59 攻读硕士期间发表论文与奖励 60 华东理工大学硕士学位论文 第 1 页 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 石油、煤炭等传统能源日益减少，这些能源的应用对环境产生严重污染。全球都在 积极开发新能源，核能是一种清洁能源并且发电成本低，因此是大力发展的能源方式。我国在建的核电机组装机容量是世界各国在建的首位，到 2020 年我国核电总装机容量将居世界第四位。核电的广泛应用也带来了核安全问题。日本福岛、美国三里岛、前苏 联切尔诺贝利核电站事故给人类带来的启示是：自然界会发生超乎人类想象的灾害，核 电站紧急救灾机器人是国际核电救灾领域的发展前沿和世界性难题。开展核电站紧急救 灾机器人基础科学问题研究，对开发我国核电站紧急救灾机器人装备、建立和完善快速 高效的核电事故应急救援体系、确保在民族面临危难之际有必要的救灾手段和措施、保 障国家核电安全生产具有重大意义，已成为我国核电站紧急救灾机器人发展的必然趋势。 核电站紧急救灾机器人是在核电站事故发生后的结构化与非结构化相混杂的无网 络狭窄空间核辐射环境下服役、实现灵活运动、大负载作业和远程操控的装备。核电站 应急状态和事故发生条件下，核电站紧急救灾机器人的服役环境及其作业任务极端复杂： 核电站事故核心区及周边区域为高辐射、强腐蚀（硼酸侵蚀）、高温、高湿环境，核事 故中产生的各种带电粒子和高能射线会引起救灾机器人装备内部半导体器件、集成电路、计算机系统、信息采集和传输系统中电子元器件和电路板等电离损伤或失效，对动力供 给系统中绝缘、传动机构中连接、密封和润滑造成危害，从而导致救灾机器人系统性能 的退化和破坏，故核电站紧急救灾机器人必须具备安全防护，才能保证在核环境中长时 间作业，完成降低核事故危害的任务。 1.2 核事故分类及典型核事故 典型核事故的分析可以为核电救灾机器人的研究提供环境参数依据，如环境温度、辐射射线种类、辐射剂量等。 1.2.1 核事故分类 根据国际原子能机构规定，在核电站安全事故的 7 个等级中，1 至 3 级为“事件”， 4 至 7 级为“事故”。1 级为异常，指出现超过规定的异常情况；2 级为事件，指安全措施失效；3 级为重大事件，指污染扩散、厂内工作人员受到过量辐射；4 级为无明显厂外风险的事故，指核辐射少量释放、公众受到远低于规定限值的照射；5 级为有厂外风险的事故，指核辐射有限释放、公众受到相当于规定限值的照射；6 为重大事故，指核辐射明显释放、有可能需要全面执行应急预案；7 级为最重大事故，指核辐射大量释放、大范围受到影响。因存在辐射危险，不仅 1-7 级的核电站事故都要运用机器人替代人实 华东理工大学硕士学位论文 第 2 页 施救灾作业，而且核电站内红区和橙区的日常维护也需要机器人。图 1.1 为核事故的 7 个等级及各级事故发生次数。 图 1.1 核事故的 7 个等级及发生次数 Fig. 1.1 Seven levels of nuclear accident and their occurred times 自 1954 年世界上第一座核电站建成以来，全世界范围内发生多起极为严重的核电站事故，如 1957 年的英国温茨凯尔核电站事故（5 级）和前苏联吉斯蒂姆后处理厂事故 （6 级）、1973 年的英国温茨凯尔后处理装臵事故（4 级）、1979 年的美国三哩岛核电站事故（5 级）、1980 年的法国圣洛朗核电厂事故（4 级）、1983 年的阿根廷布宜诺斯艾利斯临界装臵事故（4 级）、1987 年的巴西戈雅尼亚铯 137 放射源污染事故（5 级）、1989 年的西班牙范德略斯核电厂事故（3 级）、1999 年的日本茨城县东海村核临界事故（4 级）、2011 年的日本福岛核电站事故（7 级）等，造成了严重的环境污染、人员伤亡、经济损失和国际影响。核电站事故造成的高辐照环境对救援人员危害极大，如 1986 年前苏联切尔诺贝利核电站事故（7 级）发生后，初期采用人工直接救援，导致 31 名消防和救护人员死亡。 1.2.2 核事故类型 常见的核电站包括压水堆核电站、沸水堆核电站、重水堆核电站等。图 1.2 为压水堆核电站结构示意图。在核电站运行中，最怕出现影响反应性控制、余热导出、放射性包容等三种安全功能的核事故，核事故类型及相应的机器人救灾作业任务有以下12 种： 1、堆芯熔化事故。2、在严重事故情况下安全壳内环形地坑水过滤器堵塞事故。3、燃料组件包壳破裂导致核泄漏事故。4、一回路管道破裂导致的安全壳内环形地坑水过滤器堵塞事故。5、安全壳内氢气浓度超标。6、发生核事故需要安全壳隔离时，安全壳内阀门控制功能失效事故。7、堆芯出口温度达 650oC 事故。8、换料水箱泄漏事故。9、乏燃料池泄漏事故。10、二回路管道破裂事故。11、自然灾害导致核电站通道堵塞事故。12、净化系统所在辅助厂房出现事故。 华东理工大学硕士学位论文 第 3 页 图 1.2 压水堆核电站结构示意图 Fig. 1.2 Structure diagram of pressurized water reactor nuclear power plant 1.2.3 典型核事故 1、三里岛采用的是轻水反应堆，这种反应堆把水当作冷却剂和慢化剂，用来给核燃料降温和减慢裂变反应向外释放中子的速度。1979 年 3 月 28 日凌晨 4 时，美国宾夕 法尼亚的三里岛核电站第 2 组反应堆的操作室里，系统报警，涡轮机停转，堆芯压力和温度骤然升高，2 小时后，大量放射性物质溢出。紧接着，反应堆二次回路冷凝水泵出现故障，由于两天前维修时的一个出水阀没有打开，反应堆的冷却水断流，但一时间没人察觉，而系统自动添加高压注入冷却水不久，却被控制人员错误地关闭阀门给挡了回去[1]。 这一系列失误造成的结果就是反应堆堆芯冷却水逐渐丧失，部分燃料棒锆包壳和铀燃料熔化，事后调查发现，堆芯严重损坏，约 20 吨二氧化铀堆积在压力槽底部，大量放射性物质堆积在反应堆保护壳内，不过只有很少量放射性物质随部分冷却水的泄漏而释放到外部。事故反应堆在最初 3 小时内最危险。但由于反应堆系统安全设施都自动启动，同时反应堆有几道安全屏障，事故没进一步恶化。美国核管理机构在调查后公布， 事故产生的重大破坏力量主要在反应堆内，对于外界的辐射出乎意料地小，对环境和居民也没有造成任何危害和伤亡。调查说，只有在事故现场的 3 人受到了略高于半年的容许剂量的照射；核电站附近 80 公里内的民众，最大个人所受剂量，也只相当于一次 X 光医疗照射。152 个空气样品，只有 8 个样品发现微量放射性碘，而土壤样品均未查出放射性碘。 2、切尔诺贝利事故比三里岛事故要严重得多，1986 年 4 月 26 日，切尔诺贝利核电 站的 4 号核反应堆功率大规模、灾难性地激增，导致蒸汽爆炸，撕裂反应堆的顶部，使核心暴露，并散发出大量的放射性微粒和气态残骸（主要为 Cs-137 和 Sr-90），致使空气与高温核芯中的 1700 吨可燃性石墨减速剂接触；燃烧的石墨加速了放射性粒子的泄漏。并且当时苏联的反应堆不像西方的核电站建有围阻体，放射性物质没有围阻体的阻拦，随风穿越了国界[2]。 华东理工大学硕士学位论文 第 4 页 爆炸发生当晚，涡轮机厂房屋顶的辐射照射强度为每小时 20000 伦琴（约为 170Gy/h），被炸开的反应堆内部是每小时 30000 伦琴（252Gy/h）。据估算，事故核素释放量地区分配比例大概为，事故现场占 12%，20km 范围占 51%，20km 以外占 37%。周围 5 万多平方公里土地受到直接污染，320 多万人受到核辐射污染。表 1.1 是此次核事故堆芯内各种核素放射性活度总量和累积释放量。 表 1.1 切尔诺贝利核电站事故堆芯内放射性核素总量和累积释放量[3] 放射性核素 半衰期 总量 (PBq) 释放率(%) 衰变类型 Xe-133 5.25d 84967 76.5 γ I-131 8.04d 85024 20.7 γ 和β Te-132 3.26d 85185 13.5 β Cs-134 2.06a 84375 0.64 β Cs-137 30.0a 85000 1.0 β Mo-99 2.8d 84848 1.98 β Zr-95 64d 84848 2.31 β Ru-103 39.3d 84848 1.98 γ 和β Ru-106 368d 84884 0.86 β Ba-140 12.7d 85106 2.82 β Ce-141 285d 84848 2.31 β Ce-144 285d 85294 1.36 β Sr-89 50.5d 39655 2.9 β Sr-90 29.1a 83333 0.12 β Np-239 2.36d 85135 11.1 β Pu-238 87.7a 8537 0.00041 α Pu-241 14.4a 8451 0.071 β Am-241 432.1a 8400 0.00005 α Cm-242 163d 8182 0.011 α Table 1.1 The total amount of radioactive nuclides and cumulative release quantity of chernobyl nuclear power plant accident 由表 1.1 可知，切尔诺贝利核电站事故发生后，辐射射线中大致包含 α、β 和 γ 射线， 其中最主要的为 γ 射线和 β，虽然辐射 β 的元素种类较多，但 γ 射线的辐射量较大，一般来讲，β 粒子射程较短，一张薄铝板即可将其屏蔽，因此设计灾变核电站机器人及核设施的时候，主要还是应该考虑 γ 射线的影响。 在切尔诺贝利的核事故发生后，向灾难现场派去的第一批机器人中，除一台德国产 华东理工大学硕士学位论文 第 5 页 机器人坚持工作了20 多分钟之外，其它国家派出的机器人短时间内都失去了作业能力， 耐辐射强度不够或者电缆被卡在现场导致它们都未成功完成任务。因此初期只好采用人工直接救援，导致 31 名消防和救护人员死亡。之后苏联第一个为这场核事故设计了专门的核救灾机器人 Mobot-ChHV[4]，这个机器人在灾难发生的 4 个月后派到事故现场并成功地完成了清理屋顶的任务。在 Mobot-ChHV 上装有电子机械传动器，但并没有纯电子元器件。之后美国能源部及宇航局 NASA 联合资助了代号为“先锋”的项目，研制的机器人于 1999 年 5 月进入切尔诺贝利核电站封堆后的“石棺”内进行探查。 3、日本福岛核电站从 20 世纪 70 年代开始运营，它由 6 座沸水反应堆（BWR）组 成。在 3 月 11 日大地震发生时，4、5、6 号机正处于停机备检状态，当侦测到地震时， 1、2、3 号机组立刻进入自动停机程序。由于机组与电力网的连接也遭受大规模损毁， 只能依赖紧急柴油发电机驱动电子系统与冷却系统。但是，随即而来的大海啸淹没了紧急发电机室，损毁了紧急柴油发电机，供电给控制系统的电池只能维持 8 小时，冷却系统因此停止运作，反应堆开始过热。而第一台移动式发电机由于地震后路况不佳在事故发生后的 9 个小时才抵达。通常情况下，发电机可以接到地下室的电源开关，但是当时 地下室已被海啸淹没。所以，一直到第二天 15 时，员工还在努力连接移动式发电机到水泵的工作。 图 1.3 福岛第一核电站辐射测定点[5] Fig. 1.3 Radiation measuring point of the first nuclear power plant in Fukushima 在之后的几个小时到几天内，1、2、3 号反应堆经历了堆芯融毁，尽管努力设法使反应堆得以冷却，但又发生了几起氢气爆炸事件。核电站里的 6 座反应堆，有 4 座接连 出现故障，它们在 4 天时间里连续发生 3 次爆炸，导致 2 个安全壳被毁。图 1.3 和图 1.4 所示为核电站内部一些测量点的辐射剂量率。 华东理工大学硕士学位论文 第 6 页 图 1.4 福岛第一核电站内一些测定的辐射剂量率[6] Fig. 1.4 Some detected radiation dose rate of the first nuclear power plant in Fukushima 3 月 12 日 10 时，核电站正门裁定 γ 射线剂量率为 385.5μSv/h；3 月 14 日 21 时， 核电厂正门 γ 射线剂量率曾高达 3130μSv/h[7]；3 月 15 日 2 号机爆炸两小时后，剂量率从 73μSv/h 上升到 8217μSv/h，只剩下 50 死士在核电站内执行冷却工作，1 小时后辐射剂量率继续提高至 11900μSv/h，如果在现场救灾一小时，相当于普通人 12 年所吸收的辐射剂量率；3 月 27 日，二号发电机涡轮组地下室和建筑物外铺设管道的积水测出超过1000mSv/h 的辐射；4 月 2 日，超过 1000mSv/h 的受污染海水已经从混凝土结构的裂缝中渗出并流至海水；5 月 12 日 11 时 30 分，福岛第一核电厂正门辐射率为 43μSv/h；5 月 16 日核电站事物馆南边 396μSv/h，西门 15μSv/h。 多次核电站事故给人类带来的启示是：自然界会发生超乎人类想象的灾害。开展核电站紧急救灾机器人研究不仅是我国核电站安全运行的需要，而且是体现国家对人民生命财产安全高度负责任的举措，也是我国机器人研究者责无旁贷的历史使命，在民族面临核灾害危难之际确保国家有必要的救灾能力和手段。 1.3 核电机器人发展状况 1.3.1 普通核机器人发展状况 伴随着核电技术的高速发展，对核工业机器人的研究从未停止过，并已取得了很大进展，其主要应用包括[8-15]：(1)关键核设施的维护、退役及放射性废物处理，如对蒸汽发生器、反应堆容器等的检查、安装、维修，以及退役反应堆的封存、掩埋或拆卸，放射性废物处理等作业；(2)核电站安全性的全面监测，即利用小型、智能、爬壁式机器人， 携带多种先进传感器，对核电站内的核辐射强度、氢气浓度、烟雾浓度、关键设备及管 华东理工大学硕士学位论文 第 7 页 道的破损情况等进行监测，以及时发现问题。 美国、法国、德国、日本等发达国家早在上世纪 40 年代就已经展开了核环境下机器人技术的研究工作，并研制成功了多种样机。比较具有代表性的包括：美国阿贡实验室开发的世界上最早用于核工业，名为 M1 的遥控式机械手，它可用于放射性物质的操作，之后美国又相继开发出世界上第一台双足行走机器人，用于核电站设备的检查工作。1997 年，日本早稻田大学开发出世界上第一台用于核电站设备的检查工作的双足行走机 器人。表 1.2 罗列出了这些普通机器人里耐辐射强度较高的机器人。 表 1.2 耐辐射强度较高的普通核机器人 Table 1.2 Ordinary nuclear robots with high radiation resistant capability 机器人 开发商 抗辐射剂 量(Gy) 抗辐射剂量率 (Gy/h) NEATER 760 英国AEA Technology 106 / BD250 / 103 / Gamma 7F 美国RedZone robotics 105 / Tarzan / 105 103 SMF 德国 Mak System Gmbh 103 102 1.3.2 国外核救灾机器人发展现状 核事故处理与救援，即利用轮式、履带式移动机器人，携带操作设备，进入事故现场，开展事故处理与救援相关工作；多年来，国际上一些发达国家认为核电站采用了高安全带的设计和建造标准，对核电站事故救灾机器人的必要性没有足够认识，各国核电站救灾机器人的研究计划大都半途而废。 德国在 20 世纪 60 年代即为核电行业研制遥控操纵器，但到 1989 年相关机器人计 划被终止；三里岛核电站发生事故后日本在1983 年启动了一个核探测机器人研究计划， 耗资 200 亿日元，但 1990 年该计划终止；1999 年日本茨城县东海村发生核临界事故以 后，日本政府因为向美国借机器人解决问题感到“极为难堪”，再次拨款 30 亿日元用于核电站救灾的遥控机器人，共尝试制造六台，但一年后该项目又被终止，六台半成品机器人被废弃，图 1.5-1.8 就是当时制造的机器人[16][17]。 图 1.5 为日立集团制造的轻作业机器人，用于开关较轻的门以及开关；图 1.6 中是 中作业机器人，能开关普通的门，并在设备或水管上打孔；图 1.7 为“高耐辐射”机器人， 但其耐辐射剂量率为 100Gy/h，总剂量 104Gy，用于切断水管；图 1.8 为东芝提供的监测-协助机器人，它由一个车辆形式的监测机器人 I 和一个可伸缩的监测机器人Ⅱ组成， 机器人Ⅰ可以迅速获取环境的大致信息，机器人Ⅱ则负责获取更详细的信息；此外还有一个辅助设备，它装载有为所有机器人提供电源的供给设备、电缆、控制设备和运输容器。 华东理工大学硕士学位论文 第 8 页 图 1.5 轻作业机器人 图 1.6 中作业机器人 Fig. 1.5 Light work robot Fig. 1.6 Middleweight work robot 图 1.7 高耐辐射机器人 图 1.8 东芝监测-协助机器人 Fig. 1.7 High radiation resistant robot Fig. 1.8 Toshiba monitor robot 这次福岛核电站事故中，美国派出了 iRobot 公司的 PackBot 和 Warrior 机器人， QinetiQ 公司的 Talon 和 Dragon Runner 机器人，分别如图 1.9-1.12 所示。其中 PackBot 机器人用于检测现场辐射量，通过数百米长光纤传回现场图像和环境数据；Warrior 机器人用于清理放射性碎石；Talon 机器人利用搭载的 GPS 全球定位系统绘制事故现场的放射线量分布图；Dragon Runner 机器人实施现场监视和勘测；瑞典 Brokk 公司提供的机器人携带不同工具在高放射性条件下进行现场清理和废物处置[18]。 华东理工大学硕士学位论文 第 9 页 图 1.9 PackBot 进入反应堆建筑 图 1.10 机器人 Talon Fig. 1.9 Robot PackBot entering reactor building Fig. 1.10 Robot Talon 图 1.11 机器人 Brokk 图 1.12 机器人 Warrior Fig. 1.11 Robot Brokk Fig. 1.12 Robot Warrior 1.3.3 国内核救灾机器人研究状况 我国核电的发展总体而言较为落后，经历了“起步”、“适度发展”阶段，战略上已向“积极发展”转变[19]．目前投入运营的核电站共有 13 台机组，这些投入运营的核电站属于改进型二代核电站，与福岛核电站(属于二代)相比，虽然对严重事故的预防和缓解做了部分考虑，但与正在发展的第三代、第四代核电厂相比，在安全性方面仍然存在重大隐患[20]。其中，秦山核电站和大亚湾核电站，运行时间均已超过 l7 年，正值设备检修、更换的频繁期。因此我国目前对核电站的应急研究重点放在设计基准事故阶段，对严重事故的环境条件、事故缓解和救灾研究较少，特别是事故环境下机器人的功能验证更是尚未涉足。2010 年东南大学宋爱国教授的课题组成功研制了履带式核生化机器人， 这个机器人具备在强核辐射环境下工作的能力，可通过遥控操作进行控制[21], 在机器内部，有一个小小的核探测仪，只要在事故现场转一圈，周围核辐射的情况都能灵敏地测量出来，还能画出一幅辐射分布图，并从中找到辐射强度最大的地方，那可能就是辐射源或是辐射的泄漏点。但目前还没有相关实验数据显示该机器人的性能和工作情况。核救灾机器人的研究刻不容缓，本课题是国家 973 项目核电站紧急救灾机器人的基础科学 华东理工大学硕士学位论文 第 10 页 问题的子课题，主要进行核环境作业机器人抗失效防护研究。 1.4 核辐射射线种类及危害 1.4.1 核辐射射线的种类 核辐射是指能量通过空间或物质以波的形式进行放射或传播，能量放射的这一过程叫做放射性，释放的波或粒子叫做放射性。核辐射可以使物质引起电离或激发，故称为电离辐射。电离辐射又分直接致电离辐射和间接致电离辐射。直接致电离辐射包括质子等带电粒子。间接致电离辐射包括光子、中子等不带电粒子。核事故现场射线和波种类主要包括四种:α射线、β射线、γ射线（光子）和中子。其中对材料威胁最大的是快中子流(指能量大于0.5 MeV的中子)和γ射线(能量在1 MeV左右)。 1.4.2 光子(γ 射线)与物质的相互作用 光子是电磁辐射，可通过光电效应、康普顿效应、电子对产生三种效应与介质发生作用。带能量的光子（γ 射线及 X 射线）同固体物质相互作用时，电离损伤是主要的损伤机理[22]。 1、光电效应：光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量交给原子中的一个电子。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，称为光电子。光电子能继续与介质作用，如图 1.13 所示。 2、康普顿效应：光子只将部分能量传递给原子中最外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中逸出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互作用。如图 1.14 所示。 图 1.13 光电效应示意图 图 1.14 康普顿效应示意图 Fig. 1.13 Photoelectric effect schematic diagram Fig. 1.14 Compton effect schematic diagram 3、电子对产生：能量大于 1.02Mev 的光子在物质中通过时，可与原子核碰撞，转变成一个正电子和一个负电子，从原子中发射出来。被发射出的负电子和正电子还能继续与介质发生相互作用，如图 1.15 所示。 光子通过上述三种效应，能量逐渐减弱、方向发生不同的改变，最终也可表现为被吸收。 华东理工大学硕士学位论文 第11 页 图 1.15 正负电子对效应示意图 Fig. 1.15 Electron pair effect schematic diagram 1.4.3 中子与物质的相互作用 中子和X 射线、γ 射线一样，都不带电。但是，它与物质相互作用，既和带电粒子不同，又和X 射线、γ 射线不同，它总是与组成物质的原子核发生作用。中子与物质的相互作用主要有以下三种形式。 1、散射。中子是不带电的，因此很容易穿过原子的核外电子层而直接与原子核发生碰撞。在碰撞的过程中，中子失去了一部分能量，并偏离了原来的入射方向，折一个角度继续运动，也就是说中子发生了散射，成为散射中子。受碰撞的原子核，因为获得了中子的一部分能量而向另一个方向运动，这就是说原子核发生了反冲，成为反冲核。中子的散射也有弹性散射与非弹性散射之分。如果碰撞前后中子和原子核的总动能和总动量都保持不变，这种散射就是弹性散射。另外一种情况就是，在中子与原子核碰撞后， 使原子核处于激发状态，而激发状态的原子核是不稳定的，当它从激发态回到基态时会放出γ光子，因此碰撞前后中子和原子核的总动能不相等（碰撞前的大于碰撞后的），这种碰撞就叫做非弹性散射。(1) 弹性散射（elastic scattering），弹性散射是中子通过物质时损失能量的重要方式。原子核从中子动能中得到一部分能量而形成反冲核，中子则失去部分动能且偏离原方向。反冲核越轻、反冲角越大、反冲核得到的能量越多。反冲核动能和入射中子能量成正比。(2) 非弹性散射（inelastic scattering），入射中子与原子核作用形成复合核，复合核放出中子后如处在激发态，则会立即会放出γ射线而回到基态。入射中子的能量必须大于原子核的最低激发能，非弹性散射才可能发生。 2、中子俘获（neutron capture）。中子俘获（neutron capture）亦称“中子吸收”。中 子在与原子核相互碰撞后，被核所吸收并发出γ射线的过程。在有些情况下亦会导致核的β衰变或裂变。慢中子或热中子与物质作用时，很容易被原子核俘获而产生核反应。核反应的产物可能是稳定核素，也可能是放射性核素，同时还释放出γ 光子和其它粒子。某些稳定核素，在慢中子作用下，生成放射性核素，称为感生放射性核素（induced radionuclide），它具有的放射性，称为感生放射性(induced radioactivity)。有时中子打到某种原子的原子核时会被原子核俘获，同时发出一个γ 光子，原来的原子变成了另一种同位素。这种反应称为辐射俘获，又叫做（n，γ）反应，意思是入射一个中子，放出一 华东理工大学硕士学位论文 第 12 页 个γ 光子。人们常常利用（n，γ）反应来生产放射性同位素，例如前面提到的60Co 就是利用中子去轰击59Co 稳定同位素的辐射俘获效应，使59Co俘获一个中子变成放射性同位素60Co，同时发出一个γ 光子。这个反应可以写成59Co+n→60Co+ γ. 3、核裂变。用中子轰击某些高原子序数的重原子核时，会使重原子核分裂成2个较轻的原子核，同时释放出大量的能量，这种反应就是核裂变。一个235U 在中子的轰击下， 分裂成2种不同元素的原子核，放出2-3个中子和大约200MeV 的能量。这是迄今人类利用原子能的主要形式。计算结果表明，1千克的235U 核裂变时所发出的能量等于2500吨煤燃烧所释放的能量。 1.4.4 核事故辐射射线种类 总结典型核事故发现γ射线是核事故中剂量最大，最具危害的射线。切尔诺贝利核电站事故发生后，辐射射线中包含α、β和γ射线，其中最主要的为γ射线和β射线，虽然辐射β射线的元素种类较多，但γ射线的辐射量较大。福岛核事故发生后，3月12日10时核电站正门裁定γ射线剂量率为385.5μSv/h；3月14日21时，核电厂正门γ射线剂量率曾高达3130μSv/h。 核事故的辐射主要来自于爆炸和燃烧放出的核素，主要裂变产物见表1.3，远距离监测是碘131，铯137。放射性气体包括[23]：235U裂变后以气体状态出现的产物，主要是131I， 135I*，85Kr，133Xe，135Xe等。放射性气溶胶：放射性物质的微小固体或液体粒子悬浮与 空气中成为放射性气溶胶。放射性微粒主要是14C，51Cr，56Mn，60Co和59Fe等。关于活化产物，反应堆内一切材料（钢、镍、铁等）在中子照射下都会活化而带有放射性， 包括燃料组件、控制棒、冷却剂、慢化剂等会带出堆外，主要活化产物见表1.4。γ射线具有很强的穿透能力，能使有机材料发生交联或降解、电子器件产生电离，导致器件性能瞬间失效。 由于 β 粒子射程较短，一张薄铝板即可将其屏蔽，因此设计灾变核电站机器人及核设施的时候，主要还是应该考虑 γ 射线的影响，而核事故后的核素种类繁多，射线半衰期和能量大小分布各不相同。射线能量范围从 0.081MeV 到 1.48MeV，故有必要对各个能量范围射线的穿透性进行研究分析。 表 1.3 核事故主要裂变产物[23] Table 1.3 Main fission products of nuclear accident 核素 半衰期 能量（MeV） 85K 10.8a 0.514 90Sr 28a 0.235,0.722 95Zr 55.5d 0.754 131I 8.05d 0.365 华东理工大学硕士学位论文 第13 页 133Xe 5.3d 0.081 137Cs 30a 0.662 144Ce 285d 0.134 135Xe 9.1h 0.250 表 1.4 核事故主要活化产物[23] Table 1.4 Main activated products of nuclear accident 核素 半衰期 能量（MeV） 56Mn 2.6h 0.85,1.81,2.1131 51Cr 27d 0.32 59Fe 44.5d 1.099,1.29 60Co 5.27a 1.17,1.33 65Ni 2.56h 1.48,1.12 64Cu 12.7h 1.3457 58Co 70d 0.81 1.5 核救灾机器人辐射敏感部件 对核救灾机器人来说，对核辐射敏感的元件可归为以下三类：a.半导体电子元件；b、传感器；c、光学器件，最易损伤结构如下： 1.5.1 双极晶体管 在辐射中，对双极型器件危险最大的是 γ 射线。γ 射线辐射主要使器件材料产生电离效应，使器件引入表面缺陷，在反偏 PN 结中形成瞬时光电流。快中子流辐射引起的位移效应和γ 射线辐射引起的电离效应都会引起双极晶体管电流放大系数的下降和漏电流的增大，从而对电路性能造成严重甚至是致命的损伤：对于功率晶体管，衬底电阻率的增加和电流增益的降低会导致饱和深度减小，使其饱和压降明显增大；对于开关晶体管，少数载流子寿命的降低以及电阻率的增加，会使其上升时间增加，存储时间和下降时间减少。实验证实，因 Si/SiO2 退化而使器件失效的 γ 总剂量约为体内位移损伤失效的总剂量的 1/50。可见，对于双极器件的电离辐射而言，表面损伤是主要的。一般来说， 当总剂量超过 104Gy 时，SiO2 覆盖下的基区P 型（对于 NPN 器件）硅开始反型[24]。 除了总剂量外，高剂量率也会改变晶体管的参数值，当剂量率高达 106Gy/s 时，初 始光电流与 γ 剂量率的线性关系将被改变；而当剂量率高达 8.510 8Gy/s 时，有一些晶体管可能烧毁[25]。 华东理工大学硕士学位论文 第 14 页 1.5.2 晶体振荡器 晶体振荡器，用于各种电路中，产生振荡频率。受到辐射时，晶体振荡器的串联谐振频率会产生变化，由此给电路产生影响，相较于总剂量辐射，晶体振荡器对瞬间辐射较为敏感。实验证明：即使总剂量达 104Gy[26]，这种晶体的振荡频率几乎没有变化。如果晶体的硅氧化物共价电子因瞬时辐射而损失，则硅-氧键就断裂，自由电子迁移到缺陷位置就不俘获，于是电子就不再能恢复断裂的共价键，晶体的剪切刚性度是共价键数的函数，晶体频率正比于剪切刚性度的平方根，因此，价键的断裂就减少了晶振频率。 1.5.3 MOS 数字集成电路 MOS 是指金属-氧化物半导体，MOS 技术建立的基础是 MOS 场效应晶体管，这些器件主要用在数字电路中，因为 MOS 场效晶体管可以作十分完善的开关。未加固的MOS 设备对辐射极为敏感，大部分 MOS 设备的抗辐射能力不超过 100Gy，但 MOS 元件对中子辐射具有很强的天然耐辐射能力，经中子辐射后，其电参数变化很小，受 γ 总剂量辐射后变化则较大。最重要的辐射损伤因素是电离效应，在 102-103Gy 时，其栅阈值电压常有几伏的漂移，将使性能严重退化。其退化机理主要是氧化层内俘获电荷的积累和 Si/SiO2 界面引入了表面态所致。在大剂量（大于 104Gy）γ 辐射时，MOS 晶体管的退化趋于饱和[27]。 1.5.4 微处理器 CPU CPU 是一种功能复杂的大规模集成电路。从 20 世纪 80 年代初至 21 世纪初，国内外对 CPU 作了大量辐射效应试验，加固水平也逐步得到提高，抗总剂量辐射水平从最初 NMOS 工艺的几个 Gy 到目前 CMOS 工艺的大于 104Gy；γ 瞬时辐射扰动水平从510 3Gy/s-510 5Gy/s 到现在的大于 108Gy/s[23]；耐中子水平最高达 1015/cm2。γ 总剂量对微处理器的影响主要是下线频率的增加，上限频率的下降。γ 剂量率辐射可以使处于工作状态的微处理机产生扰动和闭锁，甚至可因光电流过大而烧毁，它由 γ 电离衬底反偏PN 结产生光电离而引起。CPU 接口状态对 γ 脉冲辐射很灵敏。 1.5.5 其它元件的耐辐射性能 除了电子元件外，机器人中还有一些元件也会收到辐射的巨大影响。比如机器人的伺服电机，虽然电机大部分由耐辐射强度较高的金属制成，但由于它还包含润滑油、焊缝、弹性元件等部分，它们在核事故的极端环境下其本身性质会发生改变，由此最终导致电机无法工作，使机器人失去能量供给。表 1.5 是部分非电子元件辐射效应。 表 1.5 部分非电子元件的辐射效应[28] Table 1.5 Part of nonelectronic device radiation effect 材料 最大耐辐射强 度（Gy） 辐射效应 陶瓷 云母陶瓷 5107 尺寸胀大以及密度减小 华东理工大学硕士学位论文 第15 页 氧化铝陶瓷 51010 塑料 聚四氟乙烯 100 开裂、起泡铝板上的乙烯 2.1106 涂层 钢铁上的苯乙烯 8.7106 断裂、起泡和表面剥落 环氧树脂 5106 结键 玻璃 石英 1107 变黑 磁体 软磁体 1106 磁性减弱 电阻 碳膜 104-107 化学降解导致电阻能力减小 粘着剂 氯丁橡胶酚醛树脂 1106 损害粘着剂的化学性质，减少粘 1.6 核电救灾机器人防辐射方法 1.6.1 典型核救灾机器人抗辐射分析 虽然核事故发生过多次，但是真正在核事故环境中执行过任务的机器人屈指可数。在切尔诺贝利核事故之前，还没有类似机器人出现。核事故救灾机器人的发展普通落后 于其它类型的机器人。下面选取其中几个机器人对其相关元件及其耐辐射性能进行分析。 1、“先锋号”机器人。切尔诺贝利核事故发生后，第一批派出的机器人都无法完成 任务，之后俄美联合共同开发了“先锋号”机器人以检测石棺内部的情况。“先锋号” 机器人采用了全电动，轨道为主的平台，而且模块化的设计使这个车辆型机器人可以分 离为独立的模块，进入切尔诺贝利核电站内部后在组装。先锋号装有一个远程观测系统， 一个负责收集混凝土样品的钻子，一个机械臂，一套传感器设备，在机器人前方装了一 个有挖掘功能的工具。设计这套设备是为了从核电站内部的墙和地板上获取混凝土试样， 尽管“石棺”已建成，但因为强辐射环境使它存在一定的结构缺陷。 在这样的环境中操纵机器人，除了强辐射的严峻考验外，石棺里没有照明设备，但其内部又崎岖不平，这些都对机器人带来了巨大的考验。因此，先锋号机器人只好安装上一个观测系统，这个观测系统包括一个彩色相机，且经过加固技术处理后可耐 10MGy 的总剂量和 1kGy/h 的辐射剂量率。另外将三个未经过加固的摄像机用铅屏蔽起来，依靠该系统绘制周围环境的 3D 图。这些摄像机以及另外的四个 150W 的灯，其角度都由操纵者控制。 而取水泥试样的系统则包括一个旋转电机，一个线性助力器，一个 6 轴力—扭矩传感器以及一个钻石切割钻头，钻孔机最重要的是保持稳定。这个系统里的电子元件都被缩小并进行了加固处理，预期能承受 10kGy 的总剂量辐射以及 35Gy/h 的辐射剂量率。这个系统可水平或竖直地接近地面或墙的试样，同样，这个系统也由操作员控制。 为了避免失效，先锋号的核心控制电子元件（如集成电路，CPU）没有装载在机器人上，而是放置于控制处。但是控制视觉系统以及钻具和机械臂的电子元件都装载在机 华东理工大学硕士学位论文 第 16 页 器人上，为了保护这些电子元件，采用了钨屏蔽，由此这些电子元件可耐 1kGy-10kGy 的总剂量辐射。 2、PackBot。这是 iRobot 公司设计的军用机器人，但由于其高耐辐射性，福岛事故中它较早时就被送入爆炸后的楼里，并测量了现场的核辐射剂量。虽然目前无法得知PackBot 具体能耐多大剂量的辐射，但从它现场获得的数据来看，它在福岛核电站接受的辐射总剂量大于 100Gy[20]。 3、Quince。由于 PackBot 没有上下楼的能力，所以改装了本土机器人 Quince。Quince 原本是个搜救机器人，可以在不平整的路面行进，但没有耐辐射性，经改装后，它于 2011 年 7 月被送入福岛核电站。改装内容包括增加了有线电缆，因为无线通信一旦进入反应堆建筑里就会失去信号。表 1.6 是改装 Quince 过程中对其进行的辐射测试，原计划中若耐辐射强度不够，就考虑对它采取屏蔽。 表 1.6 Quince 关键元件所承受的总剂量及最终状况[29] Table 1.6 The cumulative dose on the key devices of Quince and final results 设备 总剂量(Gy) 最终状态 CPU 主板，POE 设备 206.0 正常工作 电机驱动板 206.0 正常工作 激光扫描仪 UXM-30LN 229.0 正常工作 激光扫描仪 UTM-30LX No data 正常工作 激光扫描仪 Eco-scan FX8 225.0 正常工作 摄像机 Axis 212 219.5 正常工作 激光扫描仪 URG-04LN 124.2 在 124.2 Gy 后损坏 摄像机 CY-RC51KD 169.0 在 169.0 Gy 后损坏 1.6.2 电子器件的抗辐射加固 现在很多核救灾机器人通常都是用一个普通但本身性能较为出色的机器人改造过来的。因此这些机器人里本来就有一套电路系统，但为了达到耐辐射要求必须进行必要的改造。包括两种方法：第一种是找出设计里

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