11韓仲武-畢業(yè)論文-核電救災機器人輻射屏蔽材料性能模擬研究_W

1、華東理工大學碩士學位論文 第 I 頁核電救災機器人輻射屏蔽材料性能模擬研究摘要核救災機器人對維護核電站安全運行和處理核事故具有重要意義，而核救災機器人的電子器件極易受到核輻射而失效。通過局部屏蔽或封裝的方法可提高電子器件的耐輻射能力。論文采用蒙特卡羅方法 MCNP 軟件模擬研究了多種重金屬及合金對 射線的屏蔽性能。對比了鎳前鎢后、鎢前鎳后及鎢-鎳合金三種材料組合方式之間的屏蔽性能差異。研究了鎢顆粒的粒徑大小和分布形式對鎢-聚乙烯復合材料屏蔽性能的影響，獲得了如下結(jié)論： 1、針對幾種典型的 射線屏蔽材料鉛、鎢、鉭、鐵、鋇的計算結(jié)果表明，鎢的單位厚度屏蔽性能最好；鉛的單位質(zhì)量屏蔽性能最好，鎢、鉭次

2、之。 2、對鎳前鎢后、鎢前鎳后和鎢-鎳合金三種屏蔽模型的比較研究發(fā)現(xiàn)，鎳前鎢后組合對 射線的屏蔽性能最好，鎢-鎳合金其次，鎢前鎳后組合最差。鎢前鎳后的透射能譜明顯高于其余兩種模型，高出能量范圍集中在 0-0.6 MeV。隨著材料中鎢含量的增加， 鎢前鎳后組合的屏蔽效果趨近于鎳前鎢后組合。兩種金屬薄片層數(shù)變化的影響研究發(fā)現(xiàn)層數(shù)增加對屏蔽性能影響不大。 3、以鎢-聚乙烯復合材料為代表研究了重金屬-有機材料的屏蔽性能，對于重復排列模型， 射線能量在 0-0.05 MeV 時，小粒徑的重金屬復合材料性能優(yōu)于大粒徑材料； 射線能量在 0.05-1 MeV 范圍內(nèi)，不同粒徑材料的屏蔽性能相同。對于間隔排列

3、模型， 在 0-1 MeV 范圍內(nèi)，小粒徑的重金屬顆粒復合材料表現(xiàn)出更好的屏蔽性能。 4、重金屬-有機材料中，當入射 射線能量、材料厚度及粒徑都保持不變時，重復排列模型的屏蔽性能優(yōu)于間隔排列模型。 射線能量增大，兩種模型屏蔽性能差距減小。射線能量達到 0.5MeV 時，重復、間隔排列和不設置粒徑模型的透射能譜變化趨勢相同。 關(guān)鍵詞：核輻射；蒙特卡羅；屏蔽性能；鎢；復合材料 華東理工大學碩士學位論文 第 II 頁Simulation Study on Shielding Property of Anti-Radiation Materials usedon Nuclear Rescue Robo

4、tsAbstractRescue 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, shiel

5、ding 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 followi

6、ng conclusions are obtained:First, tungsten shows the best per thickness -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,

7、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. Its found that

8、 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 to0.5 MeV -ray, but show t

9、he 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 -ray.Fourth, at a certain thickness and radiation intensity of heavy metal particle composite, the shielding propert

10、y of repeated arrangement model is better than the interval one. While the property gap between two models got decreased with the increase of -ray energy. Energy spectrum of three models are the same variation tendency when the radiation energy achieved0.5 MeV.Keywords: nuclear radiation; Monte Carl

11、o method; shielding property; tungsten; composite materials華東理工大學碩士學位論文 第III 頁目錄摘要IAbstractII第 1 章緒論11.11.21.31.41.51.61.71.7.11.7.2課題背景1核事故分類及典型核事故1核電機器人發(fā)展狀況6核輻射射線種類及 . 10核救災機器人輻射敏感部件13核電救災機器人防輻射方法15研究意義和研究內(nèi)容17研究意義17研究內(nèi)容17第 2 章蒙特卡羅方法與金屬、合金屏蔽性能模擬研究192.12.22.32.42.52.62.72.82.9前言19模擬方法與模擬軟件19材料屏蔽性能的表

12、征參數(shù)21建模及計算過程22金屬材料屏蔽性能模擬研究22鎢基、鉭基合金屏蔽性能研究26實驗方法與實驗結(jié)果28鉛、鎢弱吸收區(qū)的模擬研究29本章小結(jié)31第 3 章鎢、鎳組合及鎢-鎳合金的屏蔽性能模擬研究323.13.23.33.43.5前言32模型建立32透射率計算結(jié)果33透射能譜分析37本章小結(jié)40第 4 章重金屬粒子對復合材料屏蔽效果影響分析42華東理工大學碩士學位論文 第 IV 頁4.14.24.34.44.54.5.14.5.24.6前言42模型建立43鎢粒徑大小對鎢-聚乙烯屏蔽性能的影響44鎢粒子分布形式對鎢-聚乙烯屏蔽性能的影響47重復、間隔排列模型與模型 C 透射能譜對比研究48重復

13、排列模型與模型 C 透射能譜對比48間隔排列模型與模型 C 透射能譜對比50本章小結(jié)52第 5 章結(jié)論、創(chuàng)新點與展望535.15.25.3結(jié)論53創(chuàng)新點54展望54參考文獻55致謝59攻讀碩士期間發(fā)表論文與獎勵60華東理工大學碩士學位論文 第 1 頁第 1 章緒論1.1課題背景石油、煤炭等傳統(tǒng)能源日益減少，這些能源的應用對環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染。全球都在 積極開發(fā)新能源，核能是一種清潔能源并且發(fā)電成本低，因此是大力發(fā)展的能源方式。我國在建的核電機組裝機容量是世界各國在建的首位，到 2020 年我國核電總裝機容量 將居世界第四位。核電的廣泛應用也帶來了核安全問題。日本福島、美國三里島、前蘇 聯(lián)切爾諾貝

14、利核電站事故給人類帶來的啟示是：自然界會發(fā)生超乎人類想象的災害，核 電站緊急救災機器人是國際核電救災領(lǐng)域的發(fā)展前沿和世界性難題。開展核電站緊急救 災機器人基礎(chǔ)科學問題研究，對開發(fā)我國核電站緊急救災機器人裝備、建立和完善快速 高效的核電事故應急救援體系、確保在民族面臨危難之際有必要的救災手段和措施、保 障國家核電安全生產(chǎn)具有重大意義，已成為我國核電站緊急救災機器人發(fā)展的必然趨勢。 核電站緊急救災機器人是在核電站事故發(fā)生后的結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相混雜的無網(wǎng) 絡狹窄空間核輻射環(huán)境下服役、實現(xiàn)靈活運動、大負載作業(yè)和遠程操控的裝備。核電站 應急狀態(tài)和事故發(fā)生條件下，核電站緊急救災機器人的服役環(huán)境及其作業(yè)任務

15、復雜： 核電站事故核心區(qū)及周邊區(qū)域為高輻射、強腐蝕（硼酸侵蝕）、高溫、高濕環(huán)境，核事 故中產(chǎn)生的各種帶電粒子和高能射線會引起救災機器人裝備內(nèi)部半導體器件、集成電路、計算機系統(tǒng)、信息采集和傳輸系統(tǒng)中電子元器件和電路板等電離損傷或失效，對動力供給間作業(yè)，完成降低核事故的任務。 1.2核事故分類及典型核事故典型核事故的分析可以為核電救災機器人的研究提供環(huán)境參數(shù)依據(jù)，如環(huán)境溫度、輻射射線種類、輻射劑量等。 1.2.1核事故分類 根據(jù)國際原子能機構(gòu)規(guī)定，在核電站安全事故的 7 個等級中，1 至 3 級為“”，4 至 7 級為“事故”。1 級常，指出現(xiàn)超過規(guī)定的異常情況；2 級為，指安全措施失效；3 級為

16、重大，指污染擴散、廠內(nèi)工作人員受到過量輻射；4 級為無明顯廠外風險的事故，指核輻射少量釋放、公眾受到遠低于規(guī)定限值的照射；5 級為有廠外風險的事故，指核輻射有限釋放、公眾受到相當于規(guī)定限值的照射；6 為重大事故，指核輻射明顯釋放、有可能需要全面執(zhí)行應急預案；7 級為最重大事故，指核輻射大量釋放、 大范圍受到影響。因存在輻射危險，不僅 1-7 級的核電站事故都要運用機器人替代人實 華東理工大學碩士學位論文 第 2 頁施救災作業(yè)，而且核電站內(nèi)紅區(qū)和橙區(qū)的日常維護也需要機器人。圖 1.1 為核事故的 7個等級及各級事故發(fā)生次數(shù)。 圖 1.1核事故的 7 個等級及發(fā)生次數(shù)Fig. 1.1Seven l

17、evels of nuclear accident and their occurred times自 1954 年世界上第一座核電站建成以來，全世界范圍內(nèi)發(fā)生多起極為嚴重的核電站事故，如 1957 年的英國溫茨凱爾核電站事故（5 級）和前蘇聯(lián)吉斯蒂姆后處理廠事故（6 級）、1973 年的英國溫茨凱爾后處理裝臵事故（4 級）、1979 年的美國三哩島核電站事故（5 級）、1980 年的法國圣洛朗核電廠事故（4 級）、1983 年的阿根廷布宜諾斯艾利斯臨界裝臵事故（4 級）、1987 年的巴西戈雅尼亞銫 137 放射源污染事故（5 級）、1989 年的西班牙范德略斯核電廠事故（3 級）、1999

18、 年的日本茨城縣東海村核臨界事故（4 級）、2011 年的日本福島核電站事故（7 級）等，造成了嚴重的環(huán)境污染、人員傷亡、經(jīng)濟損失和國際影響。核電站事故造成的高輻照環(huán)境對救援人員 極大，如 1986 年前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故（7 級）發(fā)生后，初期采用人工直接救援，導致 31 名消防和救護人員死亡。 1.2.2 核事故類型 常見的核電站包括壓水堆核電站、沸水堆核電站、重水堆核電站等。圖 1.2 為壓水堆核電站結(jié)構(gòu)示意圖。在核電站運行中，最怕出現(xiàn)影響反應性控制、余熱導出、放射性包容等三種安全功能的核事故，核事故類型及相應的機器人救災作業(yè)任務有以下12 種： 1、堆芯熔化事故。2、在嚴重事故情況

19、下安全殼內(nèi)環(huán)形地坑水過濾器堵塞事故。3、燃料組件包殼破裂導致核泄漏事故。4、一回路管道破裂導致的安全殼內(nèi)環(huán)形地坑水過濾器堵塞事故。5、安全殼內(nèi)氫氣濃度。6、發(fā)生核事故需要安全殼隔離時，安全殼內(nèi)閥門控制功能失效事故。7、堆芯出口溫度達 650oC 事故。8、換料水箱泄漏事故。9、乏燃料池泄漏事故。10、二回路管道破裂事故。11、自然災害導致核電站通道堵塞事故。 12、凈化系統(tǒng)所在輔助廠房出現(xiàn)事故。 華東理工大學碩士學位論文 第 3 頁圖 1.2壓水堆核電站結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1.2Structure diagram of pressurized water reactor nuclear pow

20、er plant1.2.3典型核事故 1、三里島采用的是輕水反應堆，這種反應堆把水當作冷卻劑和慢化劑，用來給核燃料降溫和減慢裂變反應向外釋放中子的速度。1979 年 3 月 28 日凌晨 4 時，美國賓夕法尼亞的三里島核電站第 2 組反應堆的操作室里，系統(tǒng)報警，渦輪機停轉(zhuǎn)，堆芯壓力和溫度驟然升高，2 小時后，大量放射性物質(zhì)溢出。緊接著，反應堆二次回路冷凝水泵出現(xiàn)故障，由于兩天前維修時的一個出水閥沒有打開，反應堆的冷卻水斷流，但一時間沒人察覺，而系統(tǒng)自動添加高壓注入冷卻水不久，卻被控制人員錯誤地關(guān)閉閥門給擋了回去1。 這一系列失誤造成的結(jié)果就是反應堆堆芯冷卻水逐漸喪失，部分燃料棒鋯包殼和鈾燃料熔

21、化，事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，堆芯嚴重損壞，約 20 噸二氧堆積在壓力槽底部，大量放射性物質(zhì)堆積在反應堆保護殼內(nèi)，不過只有很少量放射性物質(zhì)隨部分冷卻水的泄漏而釋放到外部。事故反應堆在最初 3 小時內(nèi)最危險。但由于反應堆系統(tǒng)安全設施都自動啟動， 同時反應堆有幾道安全屏障，事故沒進一步惡化。美國核管理機構(gòu)在調(diào)查后公布， 事故產(chǎn)生的重大破壞力量主要在反應堆內(nèi)，對于外界的輻射出乎意料地小，對環(huán)境和居民也沒有造成任何和傷亡。調(diào)查說，只有在事故現(xiàn)場的 3 人受到了略高于半年的容許劑量的照射；核電站附近 80 公里內(nèi)的民眾，最大個人所受劑量，也只相當于一次 X 光醫(yī)療照射。152 個空氣樣品，只有 8 個樣品發(fā)現(xiàn)微量放

22、射性碘，而土壤樣品均未查出放射性碘。 2、切爾諾貝利事故比三里島事故要嚴重得多，1986 年 4 月 26 日，切爾諾貝利核電 站的 4 號核反應堆功率大規(guī)模、性地激增，導致蒸汽爆炸，撕裂反應堆的頂部，使核心暴露，并散發(fā)出大量的放射性微粒和氣態(tài)殘?。ㄖ饕獮?Cs-137 和 Sr-90），致使空氣與高溫核芯中的 1700 噸可燃性石墨減速劑接觸；燃燒的石墨加速了放射性粒子的泄漏。并且當時蘇聯(lián)的反應堆不像西方的核電站建有圍阻體，放射性物質(zhì)沒有圍阻體的阻 攔，隨風穿越了國界2。 華東理工大學碩士學位論文 第 4 頁爆炸發(fā)生當晚，渦輪機廠房屋頂?shù)妮椛湔丈鋸姸葹槊啃r 20000 倫琴（約為170Gy

23、/h），被炸開的反應堆內(nèi)部是每小時 30000 倫琴（252Gy/h）。據(jù)估算，事故核素釋放量地區(qū)分配比例大概為，事故現(xiàn)場占 12%，20km 范圍占 51%，20km 以外占 37%。周圍 5 萬多平方公里土地受到直接污染，320 多萬人受到核輻射污染。表 1.1 是此次核事故堆芯內(nèi)各種核素放射性活度總量和累積釋放量。 表 1.1切爾諾貝利核電站事故堆芯內(nèi)放射性核素總量和累積釋放量3Table 1.1The total amount of radioactive nuclides and cumulative release quantity of chernobyl nuclearpowe

24、r plant accident放射性核素半衰期總量 (PBq)釋放率(%)衰變類型Xe-133 I-131 Te-132 Cs-134 Cs-137 Mo-99 Zr-95 Ru-103 Ru-106 Ba-140 Ce-141 Ce-144 Sr-89 Sr-90 Np-239 Pu-238 Pu-241Am-241Cm-2425.25d8.04d3.26d2.06a30.0a2.8d64d 39.3d368d12.7d285d285d50.5d29.1a2.36d87.7a14.4a432.1a163d8496785024851858437585000848488484884848848

25、84851068484885294396558333385135853784518400818276.520.713.50.641.01.982.311.980.862.822.311.362.90.1211.10.000410.0710.000050.011 和 和 由表 1.1 可知，切爾諾貝利核電站事故發(fā)生后，輻射射線中大致包含 、和 射線，其中最主要的為 射線和 ，雖然輻射 的元素種類較多，但 射線的輻射量較大，一般來講， 粒子射程較短，一張薄鋁板即可將其屏蔽，因此設計災變核電站機器人及核設施的時候，主要還是應該考慮 射線的影響。 在切爾諾貝利的核事故發(fā)生后，向現(xiàn)場派去的第一批機器人中

26、，除一臺德國產(chǎn) 華東理工大學碩士學位論文 第 5 頁機器人堅持工作了20 多分鐘之外，其它國家派出的機器人短時間內(nèi)都失去了作業(yè)能力， 耐輻射強度不夠或者電纜被卡在現(xiàn)場導致它們都未成功完成任務。因此初期只好采用人工直接救援，導致 31 名消防和救護人員死亡。之后蘇聯(lián)第一個為這場核事故設計了專門的核救災機器人 Mobot-ChHV4，這個機器人在發(fā)生的 4 個月后派到事故現(xiàn)場并成功地完成了清理屋頂?shù)娜蝿铡Ｔ?Mobot-ChHV 上裝有電子機械傳動器，但并沒有純電子元器件。之后美國能源部及宇航局 NASA 聯(lián)合資助了代號為“先鋒”的項目，研制的機器人于 1999 年 5 月進入切爾諾貝利核電站封堆

27、后的“石棺”內(nèi)進行探查。 3、日本福島核電站從 20 世紀 70 年始運營，它由 6 座沸水反應堆（BWR）組 成。在 3 月 11 日大地震發(fā)生時，4、5、6 號機正處于停機備檢狀態(tài)，當偵測到地震時， 1、2、3 號機組立刻進入自動停機程序。由于機組與電力網(wǎng)的連接也遭受大規(guī)模損毀， 只能依賴緊急柴油發(fā)電機驅(qū)動電子系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)。但是，隨即而來的大海嘯淹沒了緊急發(fā)電機室，損毀了緊急柴油發(fā)電機，供電給控制系統(tǒng)的電池只能維持 8 小時，冷卻系統(tǒng)因此停止運作，反應堆開始過熱。而第一臺移動式發(fā)電機由于地震后路況不佳在事故發(fā)生 后的 9 個小時才抵達。通常情況下，發(fā)電機可以接到地下室的電源開關(guān)，但是當時

28、 地下室已被海嘯淹沒。所以，一直到第二天 15 時，員工還在努力連接移動式發(fā)電機到 水泵的工作。 圖 1.3福島第一核電站輻射測定點5Radiation measuring point of the first nuclear power plant in FukushimaFig. 1.3在之后的幾個小時到幾天內(nèi)，1、2、3 號反應堆經(jīng)歷了堆芯融毀，盡管努力設法使反應堆得以冷卻，但又發(fā)生了幾起氫氣爆炸 。核電站里的 6 座反應堆，有 4 座接連出現(xiàn)故障，它們在 4 天時間里連續(xù)發(fā)生 3 次爆炸，導致 2 個安全殼被毀。圖 1.3 和圖 1.4所示為核電站內(nèi)部一些測量點的輻射劑量率。 華東理工

29、大學碩士學位論文 第 6 頁圖 1.4福島第一核電站內(nèi)一些測定的輻射劑量率6Fig. 1.4Some detected radiation dose rate of the first nuclear power plant in Fukushima3 月 12 日 10 時，核電站正門裁定 射線劑量率為 385.5Sv/h；3 月 14 日 21 時， 核電廠正門 射線劑量率曾高達 3130Sv/h7；3 月 15 日 2 號機爆炸兩小時后，劑量率從 73Sv/h 上升到 8217Sv/h，只剩下 50 死士在核電站內(nèi)執(zhí)行冷卻工作，1 小時后輻射劑量率繼續(xù)提高至 11900Sv/h，如果在現(xiàn)

30、場救災一小時，相當于普通人 12 年所吸收的輻射劑量率；3 月 27 日，二號發(fā)電機渦輪組地下室和建筑物外鋪設管道的積水測出超過1000mSv/h 的輻射；4 月 2 日，超過 1000mSv/h 的受污染海水已經(jīng)從混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫中滲出并流至海水；5 月 12 日 11 時 30 分，福島第一核電廠正門輻射率為 43Sv/h；5 月 16 日核電站事物館南邊 396Sv/h，西門 15Sv/h。 多次核電站事故給人類帶來的啟示是：自然界會發(fā)生超乎人類想象的災害。開展核電站緊急救災機器人研究不僅是我國核電站安全運行的需要，而且是體現(xiàn)國家對人民生命財產(chǎn)安全高度負責任的舉措，也是我國機器人研究者責

31、無旁貸的歷史使命，在民族面 臨核災害危難之際確保國家有必要的救災能力和手段。 1.3核電機器人發(fā)展狀況1.3.1 普通核機器人發(fā)展狀況 伴隨著核電技術(shù)的高速發(fā)展，對核工業(yè)機器人的研究從未停止過，并已取得了很大進展，其主要應用包括8-15：(1)關(guān)鍵核設施的維護、退役及放射性廢物處理，如對蒸汽 發(fā)生器、反應堆容器等的檢查、安裝、維修，以及退役反應堆的封存、掩埋或拆卸，放射性廢物處理等作業(yè)；(2)核電站安全性的全面監(jiān)測，即利用小型、智能、爬壁式機器人， 攜帶多種先進傳感器，對核電站內(nèi)的核輻射強度、氫氣濃度、煙霧濃度、關(guān)鍵設備及管 華東理工大學碩士學位論文 第 7 頁道的破損情況等進行監(jiān)測，以及時發(fā)

32、現(xiàn)問題。 美國、法國、德國、日本等發(fā)達國家早在上世紀 40 年代就已經(jīng)展開了核環(huán)境下機器人技術(shù)的研究工作，并研制成功了多種樣機。比較具有代表性的包括：美國阿貢實驗室開發(fā)的世界上最早用于核工業(yè)，名為 M1 的遙控式機械手，它可用于放射性物質(zhì)的操作， 之后美國又相繼開發(fā)出世界上第一臺雙足行走機器人，用于核電站設備的檢查工作。1997年，日本早稻田大學開發(fā)出世界上第一臺用于核電站設備的檢查工作的雙足行走機器人。表 1.2 羅列出了這些普通機器人里耐輻射強度較高的機器人。 表 1.2耐輻射強度較高的普通核機器人Table 1.2Ordinary nuclear robots with high rad

33、iation resistant capability抗輻射劑抗輻射劑量率機器人開發(fā)商量(Gy)(Gy/h)106103105105103NEATER 760 BD250Gamma 7F TarzanSMF英國AEA Technology/美國RedZone robotics/德國 Mak System Gmbh/ 1031021.3.2 國外核救災機器人發(fā)展現(xiàn)狀 核事故處理與救援，即利用輪式、履帶式移動機器人，攜帶操作設備，進入事故現(xiàn)場，開展事故處理與救援相關(guān)工作；多年來，國際上一些發(fā)達國家認為核電站采用了高安全帶的設計和建造標準，對核電站事故救災機器人的必要性沒有足夠認識，各國核電站救災機

34、器人的研究計劃大都半途而廢。 德國在 20 世紀 60 年代即為核電行業(yè)研制遙控操縱器，但到 1989 年相關(guān)機器人計劃被終止；三里島核電站發(fā)生事故后日本在1983 年啟動了一個核探測機器人研究計劃， 耗資 200 億日元，但 1990 年該計劃終止；1999 年日本茨城縣東海村發(fā)生核臨界事故以后，日本政府因為向美國借機器人解決問題感到“極為難堪”，再次撥款 30 億日元用于核電站救災的遙控機器人，共嘗試制造六臺，但一年后該項目又被終止，六臺半成品機器人被廢棄，圖 1.5-1.8 就是當時制造的機器人1617。 圖 1.5 為日立集團制造的輕作業(yè)機器人，用于開關(guān)較輕的門以及開關(guān)；圖 1.6 中

35、是中作業(yè)機器人，能開關(guān)普通的門，并在設備或水管上打孔；圖 1.7 為“高耐輻射”機器人， 但其耐輻射劑量率為 100Gy/h，總劑量 104Gy，用于切斷水管；圖 1.8 為東芝提供的監(jiān)測-協(xié)助機器人，它由一個車輛形式的監(jiān)測機器人 I 和一個可伸縮的監(jiān)測機器人組成， 機器人可以迅速獲取環(huán)境的大致信息，機器人則負責獲取更詳細的信息；此外還有一個輔助設備，它裝載有為所有機器人提供電源的供給設備、電纜、控制設備和運輸容 器。 華東理工大學碩士學位論文 第 8 頁圖 1.5輕作業(yè)機器人Fig. 1.5Light work robot圖 1.6中作業(yè)機器人Fig. 1.6Middleweight wor

36、k robot圖 1.7高耐輻射機器人Fig. 1.7High radiation resistant robot圖 1.8東芝監(jiān)測-協(xié)助機器人Fig. 1.8Toshiba monitor robotiRobot 公司的 PackBot 和 Warrior 機器人， 這次福島核電站事故國派出了QinetiQ 公司的 Talon 和 Dragon Runner 機器人，分別如圖 1.9-1.12 所示。其中 PackBot 機器人用于檢測現(xiàn)場輻射量，通過數(shù)百米長光纖傳回現(xiàn)場圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)；Warrior 機器人用于清理放射性碎石；Talon 機器人利用搭載的 GPS 全球定位系統(tǒng)繪制事故現(xiàn)場的

37、放射線量分布圖；Dragon Runner 機器人實施現(xiàn)場監(jiān)視和勘測；瑞典 Brokk 公司提供的 機器人攜帶不同工具在高放射性條件下進行現(xiàn)場清理和廢物處置18。 華東理工大學碩士學位論文 第 9 頁圖 1.9PackBot 進入反應堆建筑Fig. 1.9Robot PackBot entering reactor building圖 1.10機器人 TalonFig. 1.10Robot Talon圖 1.11機器人 BrokkFig. 1.11Robot Brokk1.3.3國內(nèi)核救災機器人研究狀況圖 1.12機器人 WarriorFig. 1.12Robot Warrior我國核電的發(fā)展

38、總體而言較為落后，經(jīng)歷了“起步”、“適度發(fā)展”階段，戰(zhàn)略上已向“積極發(fā)展”轉(zhuǎn)變19目前投入運營的核電站共有 13 臺機組，這些投入運營的核電站屬于改進型二代核電站，與福島核電站(屬于二代)相比，雖然對嚴重事故的預防和緩解做了部分考慮，但與正在發(fā)展的第三代、第四代核電廠相比，在安全性方面仍然存在重大隱患20。其中，秦山核電站和大亞灣核電站，運行時間均已超過 l7 年，正值設備檢修、更換的頻繁期。因此我國目前對核電站的應急研究重點放在設計基準事故階段，對嚴重事故的環(huán)境條件、事故緩解和救災研究較少，特別是事故環(huán)境下機器人的功能驗證更是尚未涉足。2010 年東南大學宋愛國教授的課題組成功研制了履帶式核

39、生化機器人， 這個機器人具備在強核輻射環(huán)境下工作的能力，可通過遙控操作進行控制21, 在機器內(nèi)部，有一個小小的核探測儀，只要在事故現(xiàn)場轉(zhuǎn)一圈，周圍核輻射的情況都能靈敏地測量出來，還能畫出一幅輻射分布圖，并從中找到輻射強度最大的地方，那可能就是輻射源或是輻射的泄漏點。但目前還沒有相關(guān)實驗數(shù)據(jù)顯示該機器人的性能和工作情況。核 救災機器人的研究刻不容緩，本課題是國家 973 項目核電站緊急救災機器人的基礎(chǔ)科學 華東理工大學碩士學位論文 第 10 頁問題的子課題，主要進行核環(huán)境作業(yè)機器人抗失效防護研究。1.4核輻射射線種類及1.4.1核輻射射線的種類 核輻射是指能量通過空間或物質(zhì)以波的形式進行放射或傳

40、播，能量放射的這一過程叫做放射性，釋放的波或粒子叫做放射性。核輻射可以使物質(zhì)引起電離或激發(fā)，故稱為電離輻射。電離輻射又分直接致電離輻射和間接致電離輻射。直接致電離輻射包括質(zhì)子等帶電粒子。間接致電離輻射包括光子、中子等不帶電粒子。核事故現(xiàn)場射線和波種類主要包括四種:射線、射線、射線（光子）和中子。其中對材料威脅最大的是快中子流(指能量大于0.5 MeV的中子)和射線(能量在1 MeV左右)。 1.4.2光子( 射線)與物質(zhì)的相互作用 光子是電磁輻射，可通過光電效應、康普頓效應、電子對產(chǎn)生三種效應與介質(zhì)發(fā)生作用。帶能量的光子（ 射線及 X 射線）同固體物質(zhì)相互作用時，電離損傷是主要的損傷機理22。

41、 1、光電效應：光子與介質(zhì)的原子相互作用時，整個光子被原子吸收，其所有能量交給原子中的一個電子。該電子獲得能量后就離開原子而被發(fā)射出來，稱為光電子。光電子能繼續(xù)與介質(zhì)作用，如圖 1.13 所示。 2、康普頓效應：光子只將部分能量傳遞給原子中最外層電子，使該電子脫離核的 束縛從原子中逸出。光子本身改變運動方向。被發(fā)射出的電子稱康普頓電子，能繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生相互作用。如圖 1.14 所示。 圖 1.13光電效應示意圖Fig. 1.13Photoelectric effect schematic diagram圖 1.14康普頓效應示意圖Fig. 1.14Compton effect schemati

42、c diagram3、電子對產(chǎn)生：能量大于 1.02Mev 的光子在物質(zhì)中通過時，可與原子核碰撞，轉(zhuǎn)變成一個正電子和一個負電子，從原子中發(fā)射出來。被發(fā)射出的負電子和正電子還能繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生相互作用，如圖 1.15 所示。 光子通過上述三種效應，能量逐漸減弱、方向發(fā)生不同的改變，最終也可表現(xiàn)為被 吸收。 華東理工大學碩士學位論文 第11 頁圖 1.15正負電子對效應示意圖Fig. 1.15Electron pair effect schematic diagram1.4.3 中子與物質(zhì)的相互作用 中子和X 射線、 射線一樣，都不帶電。但是，它與物質(zhì)相互作用，既和帶電粒子不同，又和X 射線、 射線

43、不同，它總是與組成物質(zhì)的原子核發(fā)生作用。中子與物質(zhì)的相互作用主要有以下三種形式。 1、散射。中子是不帶電的，因此很容易穿過原子的核外電子層而直接與原子核發(fā)生碰撞。在碰撞的過程中，中子失去了一部分能量，并偏離了原來的入射方向，折一個角度繼續(xù)運動，也就是說中子發(fā)生了散射，成為散射中子。受碰撞的原子核，因為獲得了中 子的一部分能量而向另一個方向運動，這就是說原子核發(fā)生了反沖，成為反沖核。中子的 散射也有彈性散射與非彈性散射之分。如果碰撞前后中子和原子核的總動能和總動量都保持不變，這種散射就是彈性散射。另外一種情況就是，在中子與原子核碰撞后， 使原子核處于激發(fā)狀態(tài)，而激發(fā)狀態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的，當它從

44、激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時會放出光子，因此碰撞前后中子和原子核的總動能不相等（碰撞前的大于碰撞后的），這種碰撞就叫做非彈性散射。(1) 彈性散射（elastic scattering），彈性散射是中子通過物質(zhì)時損失能量的重要方式。原子核從中子動能中得到一部分能量而形成反沖核，中子則失去部分動能且偏離原方向。反沖核越輕、反沖角越大、反沖核得到的能量越多。反沖核動能和入射中子能量成正比。(2) 非彈性散射（inelastic scattering），入射中子與原子核作用形成復合核，復合核放出中子后如處在激發(fā)態(tài)，則會立即會放出射線而回到基態(tài)。入射中子的能量必須大于原子核的最低激發(fā)能，非彈性散射才可能發(fā)生。 2

45、、中子俘獲（neutron capture）。中子俘獲（neutron capture）亦稱“中子吸收”。中 子在與原子核相互碰撞后，被核所吸收并發(fā)出射線的過程。在有些情況下亦會導致核的衰變或裂變。慢中子或熱中子與物質(zhì)作用時，很容易被原子核俘獲而產(chǎn)生核反應。核反應的產(chǎn)物可能是穩(wěn)定核素，也可能是放射性核素，同時還釋放出 光子和其它粒子。某些穩(wěn)定核素，在慢中子作用下，生成放射性核素，稱為感生放射性核素（induced radionuclide），它具有的放射性，稱為感生放射性(induced radioactivity)。有時中子打到某種原子的原子核時會被原子核俘獲，同時發(fā)出一個 光子，原來的原子

46、變成了另一種 同位素。這種反應稱為輻射俘獲，又叫做（n，）反應，意思是入射一個中子，放出一 華東理工大學碩士學位論文 第 12 頁個 光子。人們常常利用（n，）反應來生產(chǎn)放射性同位素，例如前面提到的60Co 就是利用中子去轟擊59Co 穩(wěn)定同位素的輻射俘獲效應，使59Co俘獲一個中子變成放射性同位素60Co，同時發(fā)出一個 光子。這個反應可以寫成59Co+n60Co+ .3、核裂變。用中子轟擊某些高原子序數(shù)的重原子核時，會使重原子核分裂成2個較輕的原子核，同時釋放出大量的能量，這種反應就是核裂變。一個235U 在中子的轟擊下， 分裂成2種不同元素的原子核，放出2-3個中子和大約200MeV 的能

47、量。這是迄今人類利用原子能的主要形式。計算結(jié)果表明，1千克的235U 核裂變時所發(fā)出的能量等于2500噸煤燃燒所釋放的能量。 1.4.4 核事故輻射射線種類 總結(jié)典型核事故發(fā)現(xiàn)射線是核事故中劑量最大，最具的射線。切爾諾貝利核電站事故發(fā)生后，輻射射線中包含、和射線，其中最主要的為射線和射線，雖然輻射射線的元素種類較多，但射線的輻射量較島核事故發(fā)生后，3月12日10時核電站正門裁定射線劑量率為385.5Sv/h；3月14日21時，核電廠正門射線劑量率曾高達3130Sv/h。 核事故的輻射主要來自于爆炸和燃燒放出的核素，主要裂變產(chǎn)物見表1.3，遠距離監(jiān)測是碘131，銫137。放射性氣體包括23：23

48、5U裂變后以氣體狀態(tài)出現(xiàn)的產(chǎn)物，主要是131I， 135I*，85Kr，133Xe，135Xe等。放射性氣溶膠：放射性物質(zhì)的微小固體或液體粒子懸浮與 空氣中成為放射性氣溶膠。放射性微粒主要是14C，51Cr，56Mn，60Co和59Fe等。關(guān)于活化產(chǎn)物，反應堆內(nèi)一切材料（鋼、鎳、鐵等）在中子照射下都會活化而帶有放射性， 包括燃料組件、控制棒、冷卻劑、慢化劑等會帶出堆外，主要活化產(chǎn)物見表1.4。射線具有很強的穿透能力，能使有機材料發(fā)生交聯(lián)或降解、電子器件產(chǎn)生電離，導致器件性能瞬間失效。 由于 粒子射程較短，一張薄鋁板即可將其屏蔽，因此設計災變核電站機器人及核設施的時候，主要還是應該考慮 射線的影

49、響，而核事故后的核素種類繁多，射線半衰期和能量大小分布各不相同。射線能量范圍從 0.081MeV 到 1.48MeV，故有必要對各個能量范圍射線的穿透性進行研究分析。 表 1.3核事故主要裂變產(chǎn)物23Table 1.3Main fission products of nuclear accident核素半衰期能量（MeV）85K90Sr10.8a0.51428a0.235,0.72295Zr55.5d0.754131I8.05d0.365華東理工大學碩士學位論文 第13 頁133Xe5.3d0.081137Cs30a0.662144Ce285d0.134135Xe9.1h0.250表 1.4核

50、事故主要活化產(chǎn)物23Table 1.4Main activated products of nuclear accident核素半衰期能量（MeV）56Mn51Cr2.6h0.85,1.81,2.113127d0.3259Fe44.5d1.099,1.2960Co5.27a1.17,1.3365Ni2.56h1.48,1.1264Cu12.7h1.345758Co70d0.811.5核救災機器人輻射敏感部件對核救災機器人來說，對核輻射敏感的元件可歸為以下三類：a.半導體電子元件；b、傳感器；c、光學器件，最易損傷結(jié)構(gòu)如下： 1.5.1雙極晶體管 在輻射中，對雙極型器件危險最大的是 射線。 射線

51、輻射主要使器件材料產(chǎn)生電離效應，使器件引入表面缺陷，在反偏 PN 結(jié)中形成瞬時光電流?？熘凶恿鬏椛湟鸬奈灰菩?射線輻射引起的電離效應都會引起雙極晶體管電流放大系數(shù)的下降和漏電流的增大，從而對電路性能造成嚴重甚至是致命的損傷：對于功率晶體管，襯底電阻率的增加和電流增益的降低會導致飽和深度減小，使其飽和壓降明顯增大；對于開關(guān)晶體 管，少數(shù)載流子壽命的降低以及電阻率的增加，會使其上升時間增加，存儲時間和下降 Si/SiO2時間減少。實驗證實，因而使器件失效的 總劑量約為體內(nèi)位移損傷失效的總劑量的 1/50。可見，對于雙極器件的電離輻射而言，表面損傷是主要的。一般來說， 當總劑量超過 104Gy

52、 時，SiO2 覆蓋下的基區(qū)P 型（對于 NPN 器件）硅開始反型24。 除了總劑量外，高劑量率也會改變晶體管的參數(shù)值，當劑量率高達 106Gy/s 時，初始光電流與 劑量率的線性關(guān)系將被改變；而當劑量率高達 8.510 8Gy/s 時，有一些晶體管可能燒毀25。 華東理工大學碩士學位論文 第 14 頁1.5.2晶體振蕩器 晶體振蕩器，用于各種電路中，產(chǎn)生振蕩頻率。受到輻射時，晶體振蕩器的串聯(lián)諧振頻率會產(chǎn)生變化，由此給電路產(chǎn)生影響，相較于總劑量輻射，晶體振蕩器對瞬間輻射較為敏感。實驗證明：即使總劑量達 104Gy26，這種晶體的振蕩頻率幾乎沒有變化。如果晶體的硅氧化物共價電子因瞬時輻射而損失，

53、則硅-氧鍵就斷裂，自由電子遷移到缺陷位置就不俘獲，于是電子就不再能恢復斷裂的共價鍵，晶體的剪切剛性度是共價鍵數(shù)的函數(shù)，晶體頻率正比于剪切剛性度的平方根，因此，價鍵的斷裂就減少了晶振頻率。 1.5.3MOS 數(shù)字集成電路 MOS 是指金屬-氧化物半導體，MOS 技術(shù)建立的基礎(chǔ)是 MOS 場效應晶體管，這些器件主要用在數(shù)字電路中，因為 MOS 場效晶體管可以作十分完善的開關(guān)。未加固的MOS 設備對輻射極為敏感，大部分 MOS 設備的抗輻射能力不超過 100Gy，但 MOS 元件對中子輻射具有很強的天然耐輻射能力，經(jīng)中子輻射后，其電參數(shù)變化很小，受 總劑量輻射后變化則較大。最重要的輻射損傷因素是電離

54、效應，在 102-103Gy 時，其柵閾 值電壓常有幾伏的漂移，將使性能嚴重。其機理主要是氧化層內(nèi)俘獲電荷的積 104Gy） 輻射時，MOS 晶體管 Si/SiO2 界面引入了表面態(tài)所致。在大劑量（大于累和的趨于飽和27。 1.5.4 微處理器 CPUCPU 是一種功能復雜的大規(guī)模集成電路。從 20 世紀 80 年代初至 21 世紀初，國內(nèi)外對 CPU 作了大量輻射效應試驗，加固水平也逐步得到提高，抗總劑量輻射水平從最初 NMOS 工藝的幾個 Gy 到目前 CMOS 工藝的大于 104Gy； 瞬時輻射擾動水平從510 3Gy/s-510 5Gy/s 到現(xiàn)在的大于 108Gy/s23；耐中子水平最高達 1015/cm2。 總劑量對微處理器的影響主要是下線頻率的增加，上限頻率的下降。 劑量率輻射可以使處于工作狀態(tài)的微處理機產(chǎn)生擾動和閉鎖，甚至可因光電流過大而燒毀，它由 電離襯底反偏PN 結(jié)產(chǎn)生光電離而引起。CPU 接口狀態(tài)對 脈沖輻射很靈敏。 1.5.5 其它元件的耐輻射性能 除了電子元件外，機器人中還有一些元件也會收到輻射的巨大影響。比如機器人的伺服電機，雖然電機大部分由耐輻射強度較高的金屬制成，但由于它還包含潤滑油、焊縫、彈性元件等部分，它們在核事故的環(huán)境下其本身性質(zhì)會發(fā)生改變，由此最終導致電機無法工作，使機器人失去能量供給。表 1.5 是部分非電子元