核电厂能够运营80多年才能真正的存活下来？

2002年2月，在俄亥俄州戴维斯-贝斯（Davis-Besse）核电站的一次例行检查中，检查人员在反应堆的压力容器（即封装放射性堆芯）的坚固钢筒盖上发现了三条裂缝。其中一条裂缝位于驱动控制棒进入反应堆堆芯以控制核反应的装置外壳上。起初，这些需要修复的裂缝显得并不是非常的严重——直到工作人员在开始修复裂缝的时候感觉到了晃动，这意味着：出大问题了。

控制棒的外壳轻微偏移，这本来是不可能发生的，因为它应该被反应堆容器的厚达15厘米的钢壁所环绕。在工人们调查时，他们在靠近外壳的钢材上发现了一个大小差不多相当于美式橄榄球的空腔。这个空腔使得保护反应堆容器加压室内部及其放射性堆芯的金属厚度不足1厘米。如果容器在反应堆运行时受压断裂，那么堆芯的冷却水将会通过这个洞涌出。这样重大的“冷却剂流失”事故可能导致堆芯严重受损。为了维修该容器，厂方以大约6亿美元的费用安装了一个新盖。

美国核能管理委员会和电厂的调查认定，早在1990年，控制棒装置上就可能出现了小裂缝。到1995年前后，反应堆内部的酸水通过裂缝渗出，并腐蚀了环绕压力容器的钢壁；在工作人员发现金属损耗之前，酸水已经腐蚀了钢材7年。核研究人员敏锐地意识到，这种缓慢、稳定的降解作用随着核电站的老化而变得更有可能发生。在日常运营中，构成反应堆安全壳结构的坚硬钢材和混凝土会受到辐射轰击，并承受高温和高压。时间一长，即使是最坚固的材料也会被削弱。

在日本福岛第一核电站发生核事故后，世界各国政府重新评估了其核电厂的安全性。在核电占国家电力供应总量20%的美国，所关注的是全国104座正在运行的核反应堆的老化问题，这些核反应堆的平均年龄是32岁。这些反应堆并网时，监管机构授予它们40年的运营许可，这是对其寿命的保守估计。核电厂的运营许可得到延长；73座反应堆已经获准运营至60岁，其中10座已经进入延期运营的新时代。

但是，故事还没有结束。运营商们进行了“中期”大修，每个核电厂的花费可高达10亿美元。与此同时，监管者和核研究人员研究这些处于老化过程的核电，以期找到答案，应对该行业所面临的最重要问题之一：让这些电厂保持运营80年或者更长时间是否安全并具有经济合理性？

欧洲、亚洲和前苏联国家也提出了这个在未来几年中将耗资数十亿美元的问题。虽然各国的许可期限和实际做法不同，但是在大量集中了处于老化过程的核电厂的美国，各种监管性的行业决定会为全世界的反应堆确立准则。如果美国的核工业表明，经过整修的核电厂能够运营80多年甚至更长时间，那么其它国家将会效仿。

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管理老化反应堆包括定期检查最难更换的构件：压力容器、包围压力容器的混凝土安全壳结构，以及连接压力容器的主管道和电缆。过去在华盛顿州里奇兰的太平洋西北国家实验室里，我和我的同事一直在寻找能够提供材料降解预警的新型在线监测和无损检测技术。我们的目标是从当前的“找到和修复”方法转变为我们所谓的“模拟和预测”方法。

在核电站内部，各种剧烈力量在发挥作用。在美国用于发电的压水反应堆和沸水反应堆中，核堆芯是由二氧化铀棒组成的。在这种放射性材料内部，核裂变反应生成能量和多种形式的辐射，其中包括伽马射线和中子。极高的辐射水平被反应堆压力容器的钢壁减少到大约二十分之一的水平，然后被封装容器的巨大钢筋混凝土安全外壳结构降至安全水平。

两种类型的反应堆都使用水作为冷却剂。在压水反应堆中，水大约以275℃的温度进入反应堆堆芯，当水向上流过堆芯时，会被加热至315℃左右。水由于受到高压（通常为15.5兆帕左右，约为海平面大气压力的150倍）而保持液体状态。在沸水反应堆中，冷却水保持在大约7.6兆帕，以便在285℃左右时在堆芯中沸腾。以上两种情况下均会产生蒸汽，以驱动涡轮机发电。

高温、高压和辐射都对反应堆的构件施加压力。在反应堆内部，中子轰击压力容器的钢壁；在数年时间内，这种轰击作用可引起各种反应，造成材料中原子移位，产生杂质和微小的空隙。这些微观现象可降低金属的韧度及其抗裂能力。

美国核能管理委员会和核工业携手电力研究所（EPRI）确定如何测量并监测反应堆关键构件的老化情况。其主要关注的是：反应堆压力容器及其管道的脆化和开裂；混凝土安全壳的退化情况；电缆老化；以及地下埋水管的侵蚀情况。我们只是不知道在任意一家电厂中，这些问题中的哪一个是最为关键的。毕竟，长达六七十年的商用规模核反应堆的经营是前所未有的。我们已经进入了原子时代的新纪元。

在过去30多年间，核电厂的许多部件已被更换或整修，其中包括涡轮机、一些主要管道和压力容器盖，但从未有过更换核电厂中心部件（压力容器本身及其钢筋混凝土和钢制安全外壳）的计划。通常，1千兆瓦电厂的压力容器重约300吨，高度超过12米。许多分析者认为，建造一个新厂比切开安全外壳抽取并更换压力容器更容易。

那么，你如何确定某个容器或者某一个主要构件足够可靠，以至于可以再用20年？

如果你想知道处于老化过程的反应堆内发生的情况，想真正了解反应堆经过多年持续轰击后其厚厚的钢材和坚固的混凝土发生怎样的变化，最好的办法可能是监听。核研究人员测试声波和超声波监测技术，这些技术取自于土木工程和航空航天工程，在上述领域被用来监测桥梁或飞机结构完整性。同样的技术方法可能也适用于核压力容器。

数十年前，一家运营中的核电厂展示了一项很有前途的技术。1989年，宾夕法尼亚州利默里克发电站（Limerick Generating Station）的检查人员发现，在将冷却水送入反应堆底部的压力容器管道的焊接处有一个微小的裂缝。经营者得出的结论是这条裂缝不会构成威胁，但他们想看看能否在电厂运营中监测裂缝的发展情况。他们采用了一项被称作声波发射监测的技术，这项技术被用来检查管道和风力涡轮机叶轮之类的金属结构。该方法所依据的事实是，当裂缝变大时，产生的声波能量会以微小的脉冲形式释放出来——与地震发出地震波的方式非常相像。一旦安装了声波系统，经营者就可以对指征裂缝生长情况的超声波进行监听。

声波系统运行了3年，在这段时间里，研究人员监听到该裂纹的一部分深度增加到了12毫米。该系统还探测到了传统监测方法注意不到的那种极小裂缝的发展情况，研究人员认为这项技术示范很成功。此后几十年中，化石燃料发电厂和石油化工设施安装了声发射系统，用以监测容器和管道。然而，美国的核电站采用此项成熟技术的速度一直很缓慢。

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随着计算机硬件和处理软件的发展，声发射系统比笔记本电脑稍大，几乎可以实时地显示数据。在太平洋西北国家实验室，我和同事检测了声发射监测技术和另一项使用“导波”的金属监测技术。在这项技术中，换能器产生特定频率的超声波，通过金属管或压力容器壁等结构进行传播。由于超声波会在材料的不连续处分散和反射，因此它们可以明确指出裂缝或侵蚀现象。这项技术将会十分有用，因为它不需要检查人员剥开绝缘层来检查管道（比如让水循环流经反应堆堆芯的非常重要的冷却水管）。

在实验室研究中，我们在一根受损的不锈钢钢管上测试了这两种监测方法。在我们从视觉上确认细小的裂缝之前，声发射监测技术探测到了由裂纹形成所产生的信号。在知道那里有裂缝之后，我们利用导波技术对其监测。声波遇到裂缝时反弹至传感器；通过监测接收到的此类信号，我们追踪了一条裂缝从最初的2.45毫米深、47.7毫米长扩大到68毫米长的全过程。这一扩大看似乎不是非常的显著，但对于一个正在运营中的核电厂来说，这样的裂缝是会引起高度重视的。

迅速成熟起来的导波技术经常用于油气行业的管道检测。在核工业领域，监管机构也在努力规范监测程序。然而，为在运营中的电厂内使用此项技术，操作人员必须克服诸如高温这样的挑战——轻水反应堆的主要管道内部的温度可达200℃。对于大多数使用压电材料把电压转换成超声波（在接收器中反之亦然）的常见换能器而言，这个温度过高。为了解决这一问题，一些研究人员测试更加坚固耐用的压电材料。其他研究人员则试验生成波的不同方式——例如使用激光脉冲对管道表面加热并扩展管道的表面，从而生成向外传播的波。

另外两种超声波技术显示了长期应用的可能性。相位阵技术（通常被用作医学诊断工具）利用单元网格（Grid of Elements）生成许多小的超声波脉冲。通过使用电子设备控制单个脉冲的时序和相互作用，操作人员可建立一个单一波前面，并控制波的方向。相位阵技术现在通常用于核电厂的定期检查中，不过，此项技术有可能用于连续监测，此时要将一个单独的换能器固定到位，并利用电子束控制设备扫描关键结构。此项技术可以检查铸造不锈钢等粗粒材料的退化情况，也可以查找焊接区的裂缝。

最后，一种源自于地震学的技术可用于监测棘手的核电站混凝土结构。在这种“扩散场”技术中，超声波脉冲被导入岩石、混凝土、铸造不锈钢等粗粒材料中。随着超声波在这种物质中的传播，材料颗粒会对初始能量脉冲产生干涉，把回波送回转换器。所产生的信号（显示来自织构材料内部的全部相互作用）提供了此种材料的独特标签。如果材料的弹性改变，或者引起了裂缝或其它退化现象，这种标签就会变化。迄今为止，扩散超声波工具仅用于核工业的研究，但它们应用于检查和长期监测方面的可能性已经得到了明确证明。

如果美国要继续依靠核电点亮全国五分之一的灯泡，核能管理委员会就必须保证有合理的技术依据来支持反应堆寿命的第二轮延期。到2020年前后，核能管理委员会必须决定是否需要为延期许可额外制定规则和标准，以便将运营期限从60年延长至80年。这些额外的规则将为经营者提供一个做出关键和昂贵决定的明确框架。实际上，如果届时核能管理委员会没有出台任何决定，核电厂将根本无法实现延期运营，因为有关构件更换、整修和升级的规划要花费多年时间。如果到2020年，核能管理委员会不能向公用事业和其它核电厂经营者提供使其能够预先安排投资的清晰框架，那么这些经营者除了开始规划全国核反应堆的退役之外将别无选择。

核反应堆的改造和升级将会代价高昂。一些电厂已经报告说，它们将各自花费多达10亿美元来支持从40到60年的许可证延期。最终，或许是经济（而不是技术）因素将会决定一家核电厂延期服役到60年的可行性。但是，对于是否让不断老化的反应堆继续运行，还有不容忽视的财政现状需要考虑：现有核电厂数量在60年经营许可到期之后的减少将是一个沉重的经济打击。在美国，年电力需求到2030年预计增加21%左右，达到大约5万亿千瓦时。如果缺少了全国现有的104座反应堆中大多数的支持，这一需求将很难得到满足。

如果美国决定不再进一步延长经营许可，那么将需要数万亿美元的大规模投资，来接替全国处于老化过程的核反应堆所提供的超过100千兆瓦以上的基本负荷发电能力。无论这笔资金是投入新核电厂、廉价天然气电厂还是可再生能源设施，替代因此而可能失去的这部分电力都将是一个规模浩大的全国性工程。与此相比，认真关注和监听我们正在老化的核基础设施，或许是更具吸引力的选择。