核電廠能夠運營80多年才能真正的存活下來？

2002年2月，在俄亥俄州戴維斯-貝斯（Davis-Besse）核電站的一次例行檢查中，檢查人員在反應(yīng)堆的壓力容器（即封裝放射性堆芯）的堅固鋼筒蓋上發(fā)現(xiàn)了三條裂縫。其中一條裂縫位于驅(qū)動控制棒進入反應(yīng)堆堆芯以控制核反應(yīng)的裝置外殼上。起初，這些需要修復(fù)的裂縫顯得并不是非常的嚴重——直到工作人員在開始修復(fù)裂縫的時候感覺到了晃動，這意味著：出大問題了。

控制棒的外殼輕微偏移，這本來是不可能發(fā)生的，因為它應(yīng)該被反應(yīng)堆容器的厚達15厘米的鋼壁所環(huán)繞。在工人們調(diào)查時，他們在靠近外殼的鋼材上發(fā)現(xiàn)了一個大小差不多相當于美式橄欖球的空腔。這個空腔使得保護反應(yīng)堆容器加壓室內(nèi)部及其放射性堆芯的金屬厚度不足1厘米。如果容器在反應(yīng)堆運行時受壓斷裂，那么堆芯的冷卻水將會通過這個洞涌出。這樣重大的“冷卻劑流失”事故可能導(dǎo)致堆芯嚴重受損。為了維修該容器，廠方以大約6億美元的費用安裝了一個新蓋。

美國核能管理委員會和電廠的調(diào)查認定，早在1990年，控制棒裝置上就可能出現(xiàn)了小裂縫。到1995年前后，反應(yīng)堆內(nèi)部的酸水通過裂縫滲出，并腐蝕了環(huán)繞壓力容器的鋼壁；在工作人員發(fā)現(xiàn)金屬損耗之前，酸水已經(jīng)腐蝕了鋼材7年。核研究人員敏銳地意識到，這種緩慢、穩(wěn)定的降解作用隨著核電站的老化而變得更有可能發(fā)生。在日常運營中，構(gòu)成反應(yīng)堆安全殼結(jié)構(gòu)的堅硬鋼材和混凝土?xí)艿捷椛滢Z擊，并承受高溫和高壓。時間一長，即使是最堅固的材料也會被削弱。

在日本福島第一核電站發(fā)生核事故后，世界各國政府重新評估了其核電廠的安全性。在核電占國家電力供應(yīng)總量20%的美國，所關(guān)注的是全國104座正在運行的核反應(yīng)堆的老化問題，這些核反應(yīng)堆的平均年齡是32歲。這些反應(yīng)堆并網(wǎng)時，監(jiān)管機構(gòu)授予它們40年的運營許可，這是對其壽命的保守估計。核電廠的運營許可得到延長；73座反應(yīng)堆已經(jīng)獲準運營至60歲，其中10座已經(jīng)進入延期運營的新時代。

但是，故事還沒有結(jié)束。運營商們進行了“中期”大修，每個核電廠的花費可高達10億美元。與此同時，監(jiān)管者和核研究人員研究這些處于老化過程的核電，以期找到答案，應(yīng)對該行業(yè)所面臨的最重要問題之一：讓這些電廠保持運營80年或者更長時間是否安全并具有經(jīng)濟合理性？

歐洲、亞洲和前蘇聯(lián)國家也提出了這個在未來幾年中將耗資數(shù)十億美元的問題。雖然各國的許可期限和實際做法不同，但是在大量集中了處于老化過程的核電廠的美國，各種監(jiān)管性的行業(yè)決定會為全世界的反應(yīng)堆確立準則。如果美國的核工業(yè)表明，經(jīng)過整修的核電廠能夠運營80多年甚至更長時間，那么其它國家將會效仿。

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管理老化反應(yīng)堆包括定期檢查最難更換的構(gòu)件：壓力容器、包圍壓力容器的混凝土安全殼結(jié)構(gòu)，以及連接壓力容器的主管道和電纜。過去在華盛頓州里奇蘭的太平洋西北國家實驗室里，我和我的同事一直在尋找能夠提供材料降解預(yù)警的新型在線監(jiān)測和無損檢測技術(shù)。我們的目標是從當前的“找到和修復(fù)”方法轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯^的“模擬和預(yù)測”方法。

在核電站內(nèi)部，各種劇烈力量在發(fā)揮作用。在美國用于發(fā)電的壓水反應(yīng)堆和沸水反應(yīng)堆中，核堆芯是由二氧化鈾棒組成的。在這種放射性材料內(nèi)部，核裂變反應(yīng)生成能量和多種形式的輻射，其中包括伽馬射線和中子。極高的輻射水平被反應(yīng)堆壓力容器的鋼壁減少到大約二十分之一的水平，然后被封裝容器的巨大鋼筋混凝土安全外殼結(jié)構(gòu)降至安全水平。

兩種類型的反應(yīng)堆都使用水作為冷卻劑。在壓水反應(yīng)堆中，水大約以275℃的溫度進入反應(yīng)堆堆芯，當水向上流過堆芯時，會被加熱至315℃左右。水由于受到高壓（通常為15.5兆帕左右，約為海平面大氣壓力的150倍）而保持液體狀態(tài)。在沸水反應(yīng)堆中，冷卻水保持在大約7.6兆帕，以便在285℃左右時在堆芯中沸騰。以上兩種情況下均會產(chǎn)生蒸汽，以驅(qū)動渦輪機發(fā)電。

高溫、高壓和輻射都對反應(yīng)堆的構(gòu)件施加壓力。在反應(yīng)堆內(nèi)部，中子轟擊壓力容器的鋼壁；在數(shù)年時間內(nèi)，這種轟擊作用可引起各種反應(yīng)，造成材料中原子移位，產(chǎn)生雜質(zhì)和微小的空隙。這些微觀現(xiàn)象可降低金屬的韌度及其抗裂能力。

美國核能管理委員會和核工業(yè)攜手電力研究所（EPRI）確定如何測量并監(jiān)測反應(yīng)堆關(guān)鍵構(gòu)件的老化情況。其主要關(guān)注的是：反應(yīng)堆壓力容器及其管道的脆化和開裂；混凝土安全殼的退化情況；電纜老化；以及地下埋水管的侵蝕情況。我們只是不知道在任意一家電廠中，這些問題中的哪一個是最為關(guān)鍵的。畢竟，長達六七十年的商用規(guī)模核反應(yīng)堆的經(jīng)營是前所未有的。我們已經(jīng)進入了原子時代的新紀元。

在過去30多年間，核電廠的許多部件已被更換或整修，其中包括渦輪機、一些主要管道和壓力容器蓋，但從未有過更換核電廠中心部件（壓力容器本身及其鋼筋混凝土和鋼制安全外殼）的計劃。通常，1千兆瓦電廠的壓力容器重約300噸，高度超過12米。許多分析者認為，建造一個新廠比切開安全外殼抽取并更換壓力容器更容易。

那么，你如何確定某個容器或者某一個主要構(gòu)件足夠可靠，以至于可以再用20年？

如果你想知道處于老化過程的反應(yīng)堆內(nèi)發(fā)生的情況，想真正了解反應(yīng)堆經(jīng)過多年持續(xù)轟擊后其厚厚的鋼材和堅固的混凝土發(fā)生怎樣的變化，最好的辦法可能是監(jiān)聽。核研究人員測試聲波和超聲波監(jiān)測技術(shù)，這些技術(shù)取自于土木工程和航空航天工程，在上述領(lǐng)域被用來監(jiān)測橋梁或飛機結(jié)構(gòu)完整性。同樣的技術(shù)方法可能也適用于核壓力容器。

數(shù)十年前，一家運營中的核電廠展示了一項很有前途的技術(shù)。1989年，賓夕法尼亞州利默里克發(fā)電站（Limerick Generating Station）的檢查人員發(fā)現(xiàn)，在將冷卻水送入反應(yīng)堆底部的壓力容器管道的焊接處有一個微小的裂縫。經(jīng)營者得出的結(jié)論是這條裂縫不會構(gòu)成威脅，但他們想看看能否在電廠運營中監(jiān)測裂縫的發(fā)展情況。他們采用了一項被稱作聲波發(fā)射監(jiān)測的技術(shù)，這項技術(shù)被用來檢查管道和風(fēng)力渦輪機葉輪之類的金屬結(jié)構(gòu)。該方法所依據(jù)的事實是，當裂縫變大時，產(chǎn)生的聲波能量會以微小的脈沖形式釋放出來——與地震發(fā)出地震波的方式非常相像。一旦安裝了聲波系統(tǒng)，經(jīng)營者就可以對指征裂縫生長情況的超聲波進行監(jiān)聽。

聲波系統(tǒng)運行了3年，在這段時間里，研究人員監(jiān)聽到該裂紋的一部分深度增加到了12毫米。該系統(tǒng)還探測到了傳統(tǒng)監(jiān)測方法注意不到的那種極小裂縫的發(fā)展情況，研究人員認為這項技術(shù)示范很成功。此后幾十年中，化石燃料發(fā)電廠和石油化工設(shè)施安裝了聲發(fā)射系統(tǒng)，用以監(jiān)測容器和管道。然而，美國的核電站采用此項成熟技術(shù)的速度一直很緩慢。

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隨著計算機硬件和處理軟件的發(fā)展，聲發(fā)射系統(tǒng)比筆記本電腦稍大，幾乎可以實時地顯示數(shù)據(jù)。在太平洋西北國家實驗室，我和同事檢測了聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)和另一項使用“導(dǎo)波”的金屬監(jiān)測技術(shù)。在這項技術(shù)中，換能器產(chǎn)生特定頻率的超聲波，通過金屬管或壓力容器壁等結(jié)構(gòu)進行傳播。由于超聲波會在材料的不連續(xù)處分散和反射，因此它們可以明確指出裂縫或侵蝕現(xiàn)象。這項技術(shù)將會十分有用，因為它不需要檢查人員剝開絕緣層來檢查管道（比如讓水循環(huán)流經(jīng)反應(yīng)堆堆芯的非常重要的冷卻水管）。

在實驗室研究中，我們在一根受損的不銹鋼鋼管上測試了這兩種監(jiān)測方法。在我們從視覺上確認細小的裂縫之前，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)探測到了由裂紋形成所產(chǎn)生的信號。在知道那里有裂縫之后，我們利用導(dǎo)波技術(shù)對其監(jiān)測。聲波遇到裂縫時反彈至傳感器；通過監(jiān)測接收到的此類信號，我們追蹤了一條裂縫從最初的2.45毫米深、47.7毫米長擴大到68毫米長的全過程。這一擴大看似乎不是非常的顯著，但對于一個正在運營中的核電廠來說，這樣的裂縫是會引起高度重視的。

迅速成熟起來的導(dǎo)波技術(shù)經(jīng)常用于油氣行業(yè)的管道檢測。在核工業(yè)領(lǐng)域，監(jiān)管機構(gòu)也在努力規(guī)范監(jiān)測程序。然而，為在運營中的電廠內(nèi)使用此項技術(shù)，操作人員必須克服諸如高溫這樣的挑戰(zhàn)——輕水反應(yīng)堆的主要管道內(nèi)部的溫度可達200℃。對于大多數(shù)使用壓電材料把電壓轉(zhuǎn)換成超聲波（在接收器中反之亦然）的常見換能器而言，這個溫度過高。為了解決這一問題，一些研究人員測試更加堅固耐用的壓電材料。其他研究人員則試驗生成波的不同方式——例如使用激光脈沖對管道表面加熱并擴展管道的表面，從而生成向外傳播的波。

另外兩種超聲波技術(shù)顯示了長期應(yīng)用的可能性。相位陣技術(shù)（通常被用作醫(yī)學(xué)診斷工具）利用單元網(wǎng)格（Grid of Elements）生成許多小的超聲波脈沖。通過使用電子設(shè)備控制單個脈沖的時序和相互作用，操作人員可建立一個單一波前面，并控制波的方向。相位陣技術(shù)現(xiàn)在通常用于核電廠的定期檢查中，不過，此項技術(shù)有可能用于連續(xù)監(jiān)測，此時要將一個單獨的換能器固定到位，并利用電子束控制設(shè)備掃描關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。此項技術(shù)可以檢查鑄造不銹鋼等粗粒材料的退化情況，也可以查找焊接區(qū)的裂縫。

最后，一種源自于地震學(xué)的技術(shù)可用于監(jiān)測棘手的核電站混凝土結(jié)構(gòu)。在這種“擴散場”技術(shù)中，超聲波脈沖被導(dǎo)入巖石、混凝土、鑄造不銹鋼等粗粒材料中。隨著超聲波在這種物質(zhì)中的傳播，材料顆粒會對初始能量脈沖產(chǎn)生干涉，把回波送回轉(zhuǎn)換器。所產(chǎn)生的信號（顯示來自織構(gòu)材料內(nèi)部的全部相互作用）提供了此種材料的獨特標簽。如果材料的彈性改變，或者引起了裂縫或其它退化現(xiàn)象，這種標簽就會變化。迄今為止，擴散超聲波工具僅用于核工業(yè)的研究，但它們應(yīng)用于檢查和長期監(jiān)測方面的可能性已經(jīng)得到了明確證明。

如果美國要繼續(xù)依靠核電點亮全國五分之一的燈泡，核能管理委員會就必須保證有合理的技術(shù)依據(jù)來支持反應(yīng)堆壽命的第二輪延期。到2020年前后，核能管理委員會必須決定是否需要為延期許可額外制定規(guī)則和標準，以便將運營期限從60年延長至80年。這些額外的規(guī)則將為經(jīng)營者提供一個做出關(guān)鍵和昂貴決定的明確框架。實際上，如果屆時核能管理委員會沒有出臺任何決定，核電廠將根本無法實現(xiàn)延期運營，因為有關(guān)構(gòu)件更換、整修和升級的規(guī)劃要花費多年時間。如果到2020年，核能管理委員會不能向公用事業(yè)和其它核電廠經(jīng)營者提供使其能夠預(yù)先安排投資的清晰框架，那么這些經(jīng)營者除了開始規(guī)劃全國核反應(yīng)堆的退役之外將別無選擇。

核反應(yīng)堆的改造和升級將會代價高昂。一些電廠已經(jīng)報告說，它們將各自花費多達10億美元來支持從40到60年的許可證延期。最終，或許是經(jīng)濟（而不是技術(shù)）因素將會決定一家核電廠延期服役到60年的可行性。但是，對于是否讓不斷老化的反應(yīng)堆繼續(xù)運行，還有不容忽視的財政現(xiàn)狀需要考慮：現(xiàn)有核電廠數(shù)量在60年經(jīng)營許可到期之后的減少將是一個沉重的經(jīng)濟打擊。在美國，年電力需求到2030年預(yù)計增加21%左右，達到大約5萬億千瓦時。如果缺少了全國現(xiàn)有的104座反應(yīng)堆中大多數(shù)的支持，這一需求將很難得到滿足。

如果美國決定不再進一步延長經(jīng)營許可，那么將需要數(shù)萬億美元的大規(guī)模投資，來接替全國處于老化過程的核反應(yīng)堆所提供的超過100千兆瓦以上的基本負荷發(fā)電能力。無論這筆資金是投入新核電廠、廉價天然氣電廠還是可再生能源設(shè)施，替代因此而可能失去的這部分電力都將是一個規(guī)模浩大的全國性工程。與此相比，認真關(guān)注和監(jiān)聽我們正在老化的核基礎(chǔ)設(shè)施，或許是更具吸引力的選擇。