日本开发ITER覆盖层组装机器人工具

日本正在开发一套专门的机器人工具，以支持位于法国Cadarache正在建设的国际热核聚变实验堆（ITER）覆盖层组件的初始组装。这些工具设计用于在狭小空间内操作，能够以极高的精度进行抓取、紧固、拧紧、焊接和切割。

在ITER中，覆盖层是一个巨大的模块化屏蔽系统，完全覆盖真空容器的内壁。它是反应堆中技术要求最高的部件之一，因为它直接面向等离子体。覆盖层的主要作用是作为强烈聚变反应与机器其余部分之间的屏障，保护不锈钢真空容器和敏感的低温超导磁体免受聚变过程中产生的高能中子和极高温的影响。

ITER日本国内机构团队负责人Tanaka Takeyuki表示，覆盖层的初始组装计划于2032年开始，持续数月，这将是2034年开始等离子体运行道路上关键的一步。在此阶段，440个覆盖层屏蔽块必须运输到真空容器内的特定位置，并通过柔性弹匣和键垫等接口组件螺栓固定在结构上。

“重型屏蔽块将使用塔吊等输送设备运输，而螺栓拧紧和松开，或者管道焊接和切割等精确任务，将使用类似于远程维护中采用的技术来完成，”Takeyuki说。“在日本，我们正在开发末端执行器（安装在机械臂上的外围设备）以及用于抓取、紧固和冷却管道焊接及切割的工具。”

这些抓具不仅仅是简单的搬运工具，而是设计为多功能末端执行器，既能够牢固地抓持覆盖层模块，又能执行临时螺栓拧紧。这种多功能性在早期组装阶段至关重要，当时必须在有限空间内执行多项任务。

“一旦覆盖层模块被临时固定，螺栓必须以极高的扭矩拧紧，以承受等离子体运行的力，”他指出。“此外，冷却水管道——无论是相邻覆盖层模块之间的管道，还是模块与主冷却通道之间的管道——都必须进行焊接。对于这些初始组装活动，我们需要专门的螺栓拧紧工具和焊接工具。”

日本一直在根据ITER组织签署的采购协议开展覆盖层远程处理系统的开发，并将这一经验应用于初始覆盖层组装工具的研发。

与将在高辐射条件下执行覆盖层模块远程维护的覆盖层远程处理系统不同，用于初始组装的抓具和工具将在真空容器内的非放射性环境中使用。由于此阶段发生在等离子体运行之前，操作人员可以在设备附近工作，从而可以直接观察工具在受限空间内的行为和性能。

“这种在预活化组装阶段的直接接触提供了获取实际洞察的独特机会，这些洞察在系统活化后将不可得，”Takeyuki解释道。“然后，可以系统地应用这些观察结果来提高工具的可维护性，完善远程处理策略，并指导未来高辐射环境的设计改进，最终加强ITER的长期远程维护方法。”

他表示，在众多工程挑战中，有一个挑战尤为困难——在极其有限的工作空间（孔洞内部）实现可靠的焊接。“与通常从外部进行的传统管道焊接不同，聚变反应堆中的空间限制使得这种方法无法实施。相反，我们正在开发一种技术，将工具插入冷却管道的狭窄内部（内径为43.7毫米），并从内部对管道进行焊接或切割。”

覆盖层组装环境的有限空间对工具尺寸和关节、接近角度以及焊接过程中的稳定性施加了严格限制。“设计一种既能以足够精度操作，又不会损害结构刚性的机构，需要仔细平衡机械复杂性、坚固性和操作可靠性。我们还必须规划高水平的清洁度：任何时候都不允许金属屑掉入真空容器中，”他补充道。

“总之，我们正在开发的用于覆盖层初始组装的末端执行器和工具，将为将先进机器人功能、逐工序可操作性以及人员操作专业知识集成到ITER的组装策略中提供一个试验平台。我坚信，在初始组装阶段获得的实际经验对未来远程处理维护以及聚变反应堆的更广泛发展将具有无法估量的价值。”