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全世界30個國家共有大約440個商業堆運行，穩定地供應電能。而且很多已經運行了30-50年，有些已經獲得授權運行更長的時間。

為了確保全球在運反應堆和50多座在建反應堆能夠安全高效運行幾十年，科學家和工程師們正努力改進監測、分析和評估這些反應堆主要結構金屬部件強度和完整性的方法。

同時，他們也正在開發新的合金和陶瓷，更好地承受反應堆堆芯極端溫度和壓力下的腐蝕和損壞。

1.“過期”反應堆困境。

反應堆裝置通常設計使用四十年左右，這四十年中，裝置日復一日地承受極端溫度、壓力和電離輻射的環境。而現在，許多“過期”反應堆要求再至少運行20年。

為了延長反應堆的使用壽命，科學家和工程師們正在不斷改進監測和評估相關結構金屬完整性和強度的方法。他們正在開發耐腐蝕的替代材料，保證反應堆安全可靠地運行60年，甚至更長時間。

“美國的核能艦隊幾年后就會到達那里。”加里·沃斯（Gary S. Was）說。

沃斯是美國密歇根大學材料科學家和核材料工程師，也是材料抗腐蝕方面的專家，他指的“核能艦隊”就是商業堆。

根據美國能源信息管理局（EIA）的數據，美國29個州有96個在運反應堆。2019年，這96個反應堆供應了美國約20%的電力，平均使用年限約為38年。

據稱，大多數最先持有40年反應堆運營許可證的公用事業公司，其電站已經獲得了20年延期。

美國核管理委員會（Nuclear regulator Commission）在美國東南部和東北部的公共事務官員羅杰·漢納（Roger Hannah）和尼爾·希恩（Neil Sheehan）分別證實，位于邁阿密以南40公里的土耳其角（Turkey Point）核電站和哈里斯堡東南80公里的桃花底（Peach Bottom）核電站，最近又收到了延期同意許可，兩座電站可以最終運營80年。

漢娜和希恩補充說，其他電廠也在尋求延期的方法。

沃斯說：“業內甚至有人說要延長到100年。”

延長反應堆運行時間的趨勢并不局限美國。世界各地分布著約440座反應堆，平均年齡30年，整體在邁向老齡化。雖然其中一些電站計劃關閉和退役，但許多正在升級部件，希望能夠大大延長其運行年限。

同時也不斷有新電站在建設。例如在美國，佐治亞州韋恩斯博羅附近的沃格特發電廠的兩座反應堆即將完工。

同時，根據世界核協會的數據，目前有50個反應堆在15個國家建造，主要是中國、印度、俄羅斯和阿聯酋。

為了跟上2040年世界能源使用量預計增長28%的步伐，另外100個反應堆正在訂購或計劃中。

馬克·納特（Mark Nutt）說，在考慮如何確保這些反應堆持續、安全、可靠地供應電力時，“基本都是關于老化管理方面的”。

納特說，材料和腐蝕科學的不斷進步對反應堆延長運行起著重要作用。

 2.核電站發電原理

在反應堆中，內部發生裂變反應產生熱量，接著利用冷卻劑回路將熱量輸送出來，加熱水形成蒸汽（白色），驅動蒸汽渦輪機發電。利用完的蒸汽冷卻并冷凝成液態水，返回蒸汽發生器。

通過將控制棒插入反應堆堆芯或將其抽出，電廠操作員可以調節反應堆的溫度和功率輸出。控制棒由鎘、硼和鉿等中子吸收材料制成，可以阻止核裂變連鎖反應。

像這種裝置每個電站都有數百個，每個又都由數百個充滿二氧化鈾顆粒的細長管子組成，在反應堆中沉入數年。

核動力系統利用反應中釋放的高溫發電，其運行原理與燃煤、天然氣和其他化石燃料發電廠大致相同。根據EIA的數據，在2019年，這類燃料發電合計約占美國發電量的63%。

在所有這類電廠中，熱量產生蒸汽，蒸汽驅動渦輪機旋轉運動來發電。在水力和風力渦輪機中，流動的水或風直接使渦輪機旋轉。

與通過燃燒化石燃料產生熱量的發電廠不同，商業反應堆使用的是直徑和長度約為10毫米的二氧化鈾顆粒。

燃料制造商將這些豆子大小的顆粒裝入4.5米長的細長金屬管中，金屬管由可滲透中子的鋯包層材料制成。

根據燃料棒設計，大約200個燃料棒組裝成一組。數百個這樣的裝置包含了數百萬個二氧化鈾顆粒，總重量約100噸，淹沒在一個裝滿載熱介質或冷卻劑的巨型容器中。

在絕大多數商業反應堆中，冷卻劑是水。

驅動反應堆的熱量來自燃料芯塊中的鈾235核。當這些原子核發生自發裂變時，它們分裂成兩個更小的原子核，釋放出熱量和中子。中子可以與二氧化鈾中的其他鈾235核相撞，發生裂變反應，釋放出更多的熱量和額外的中子。

這些中子可以撞擊其他鈾核，從而引發連鎖反應，加熱燃料棒組件，進而加熱水。

核電站操作人員通過將吸收中子的控制棒插入堆芯并取出，來調節連鎖反應和反應堆溫度。

最常見的核動力反應堆是壓水堆。這種反應堆將水保持在高于15 MPa（150 atm）的高壓下，當水流過燃料棒時，雖然溫度升高，但仍保持為熱液體。在這種環境下，水的溫度可以達到320°C左右。

為防止放射性物質擴散，這一部分的水是在一個封閉的環境內循環：稱為一回路的管道系統，與外界沒有直接接觸，利用過熱的加壓水循環將熱量傳遞到非放射性二回路，使其中的水沸騰，變成蒸汽驅動渦輪機。

3.商業堆運行的主要損傷

無論金屬有多堅硬，與高溫、高壓的水不斷接觸都會對金屬造成損害。由于反應堆環境中較為極端的熱量、壓力和輻射強度環境，一個小問題可以很快發展成大缺陷。

PNNL（美國能源部太平洋西北國家實驗室）的項目經理亞倫·迪亞茲（Aaron Diaz）說，出于這個原因，檢驗人員經常使用高分辨率超聲波、電磁成像和其他方法，在25厘米厚的反應堆壁、安全系統和其他反應堆部件中尋找微小的缺陷、裂縫和疲勞跡象。

雖然反應堆部件中的不銹鋼和鎳基合金能夠在很大程度上承受住損傷和腐蝕，但有效果不太好。有些情況下，一種稱為應力腐蝕開裂（SCC）的化學損傷能夠削弱關鍵部件強度。

根據PNNL材料科學家MychailoToloczko的說法，這種類型的損傷可能發生在異種金屬之間的焊接接頭處，因為焊縫會隨著冷卻和收縮而產生機械應力，進而產生斑點損傷。如果這些斑點開始腐蝕，就會特別容易發生微觀開裂，從而導致失效。

Toloczko說，這種破壞模式通常被認為是商業堆的“主要壽命限制的退化機制”。

俄亥俄州托萊多附近的戴維斯-貝斯核電站就發生過這種嚴重破壞，不過通過對檢測到的腐蝕問題進行分析，人們更好地了解了鎳基合金的損傷機理，并努力開發出更耐腐蝕的材料。

4.戴維斯-貝斯核電站

2002年，戴維斯-貝斯核電站在一次例行停堆換料和安全檢查期間，電廠操作人員注意到反應堆頂部出現腐蝕和開裂。

當時的換料停機活動是按規定進行的，通常每隔12-18個月例行關閉一次反應堆，移除用過的核燃料，替換添加新燃料。

在2002年的例行安全檢查中，檢查人員發現，將控制棒放入反應堆堆芯的機械裝置已經受損，這種機械裝置可以使鏈式反應停止，并調節反應堆溫度和功率輸出。

在取下部分上部部件后，檢查人員在下方發現了硼酸沉積物和“一個足球大小的孔”。博格丹·亞歷山德羅努（BogdanAlexandreanu）說（亞歷山德羅努是阿貢國家實驗室（Argonne NationalLaboratory）研究員，后專門分析受損封頭的碎片）。

亞歷山德羅努解釋說，由于硼能有效地捕獲中子，工程師通常會在冷卻劑水中添加微量濃度（百萬分之幾）的硼酸，以幫助控制裂變速率。他們通過添加氫氧化鋰來平衡pH值。

應力腐蝕導致控制棒機構的一部分形成了微小的裂紋，而且該部位通過焊接連接了各種合金，包括一種被稱為600合金的鎳-鉻-鐵材料。

這些裂縫使含硼熱水從反應堆內部緩慢通過并從縫中逸出。隨著泄漏的水聚集并蒸發，硼酸的濃度增加，逐漸形成腐蝕性溶液。反應堆頂蓋不是由600合金制成的，腐蝕性溶液侵蝕了大部分的反應堆頂蓋。

較低層由另一種合金制成，扛住了腐蝕性溶液的侵蝕。這層材料同時控制著加壓冷卻劑，避免了可能的災難。

電廠操作人員用一個非常相似的頂蓋替換了受損的頂蓋，該頂蓋從一個取消的電廠施工作業中獲得。

2010年，這個頂蓋與第一次更換時相同的位置失效：含有600合金的焊接部位。