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全世界30個(gè)國(guó)家共有大約440個(gè)商業(yè)堆運(yùn)行，穩(wěn)定地供應(yīng)電能。而且很多已經(jīng)運(yùn)行了30-50年，有些已經(jīng)獲得授權(quán)運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。

為了確保全球在運(yùn)反應(yīng)堆和50多座在建反應(yīng)堆能夠安全高效運(yùn)行幾十年，科學(xué)家和工程師們正努力改進(jìn)監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)估這些反應(yīng)堆主要結(jié)構(gòu)金屬部件強(qiáng)度和完整性的方法。

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

1.“過期”反應(yīng)堆困境。

反應(yīng)堆裝置通常設(shè)計(jì)使用四十年左右，這四十年中，裝置日復(fù)一日地承受極端溫度、壓力和電離輻射的環(huán)境。而現(xiàn)在，許多“過期”反應(yīng)堆要求再至少運(yùn)行20年。

為了延長(zhǎng)反應(yīng)堆的使用壽命，科學(xué)家和工程師們正在不斷改進(jìn)監(jiān)測(cè)和評(píng)估相關(guān)結(jié)構(gòu)金屬完整性和強(qiáng)度的方法。他們正在開發(fā)耐腐蝕的替代材料，保證反應(yīng)堆安全可靠地運(yùn)行60年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

“美國(guó)的核能艦隊(duì)幾年后就會(huì)到達(dá)那里。”加里·沃斯（Gary S. Was）說。

沃斯是美國(guó)密歇根大學(xué)材料科學(xué)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(duì)”就是商業(yè)堆。

根據(jù)美國(guó)能源信息管理局（EIA）的數(shù)據(jù)，美國(guó)29個(gè)州有96個(gè)在運(yùn)反應(yīng)堆。2019年，這96個(gè)反應(yīng)堆供應(yīng)了美國(guó)約20%的電力，平均使用年限約為38年。

據(jù)稱，大多數(shù)最先持有40年反應(yīng)堆運(yùn)營(yíng)許可證的公用事業(yè)公司，其電站已經(jīng)獲得了20年延期。

美國(guó)核管理委員會(huì)（Nuclear regulator Commission）在美國(guó)東南部和東北部的公共事務(wù)官員羅杰·漢納（Roger Hannah）和尼爾·希恩（Neil Sheehan）分別證實(shí)，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(yùn)營(yíng)80年。

漢娜和希恩補(bǔ)充說，其他電廠也在尋求延期的方法。

沃斯說：“業(yè)內(nèi)甚至有人說要延長(zhǎng)到100年。”

延長(zhǎng)反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間的趨勢(shì)并不局限美國(guó)。世界各地分布著約440座反應(yīng)堆，平均年齡30年，整體在邁向老齡化。雖然其中一些電站計(jì)劃關(guān)閉和退役，但許多正在升級(jí)部件，希望能夠大大延長(zhǎng)其運(yùn)行年限。

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

同時(shí)，根據(jù)世界核協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，目前有50個(gè)反應(yīng)堆在15個(gè)國(guó)家建造，主要是中國(guó)、印度、俄羅斯和阿聯(lián)酋。

為了跟上2040年世界能源使用量預(yù)計(jì)增長(zhǎng)28%的步伐，另外100個(gè)反應(yīng)堆正在訂購(gòu)或計(jì)劃中。

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

納特說，材料和腐蝕科學(xué)的不斷進(jìn)步對(duì)反應(yīng)堆延長(zhǎng)運(yùn)行起著重要作用。

 2.核電站發(fā)電原理

在反應(yīng)堆中，內(nèi)部發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生熱量，接著利用冷卻劑回路將熱量輸送出來(lái)，加熱水形成蒸汽（白色），驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電。利用完的蒸汽冷卻并冷凝成液態(tài)水，返回蒸汽發(fā)生器。

通過將控制棒插入反應(yīng)堆堆芯或?qū)⑵涑槌觯姀S操作員可以調(diào)節(jié)反應(yīng)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(yīng)。

像這種裝置每個(gè)電站都有數(shù)百個(gè)，每個(gè)又都由數(shù)百個(gè)充滿二氧化鈾顆粒的細(xì)長(zhǎng)管子組成，在反應(yīng)堆中沉入數(shù)年。

核動(dòng)力系統(tǒng)利用反應(yīng)中釋放的高溫發(fā)電，其運(yùn)行原理與燃煤、天然氣和其他化石燃料發(fā)電廠大致相同。根據(jù)EIA的數(shù)據(jù)，在2019年，這類燃料發(fā)電合計(jì)約占美國(guó)發(fā)電量的63%。

在所有這類電廠中，熱量產(chǎn)生蒸汽，蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)電。在水力和風(fēng)力渦輪機(jī)中，流動(dòng)的水或風(fēng)直接使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。

與通過燃燒化石燃料產(chǎn)生熱量的發(fā)電廠不同，商業(yè)反應(yīng)堆使用的是直徑和長(zhǎng)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(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)金屬管中，金屬管由可滲透中子的鋯包層材料制成。

根據(jù)燃料棒設(shè)計(jì)，大約200個(gè)燃料棒組裝成一組。數(shù)百個(gè)這樣的裝置包含了數(shù)百萬(wàn)個(gè)二氧化鈾顆粒，總重量約100噸，淹沒在一個(gè)裝滿載熱介質(zhì)或冷卻劑的巨型容器中。

在絕大多數(shù)商業(yè)反應(yīng)堆中，冷卻劑是水。

驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆的熱量來(lái)自燃料芯塊中的鈾235核。當(dāng)這些原子核發(fā)生自發(fā)裂變時(shí)，它們分裂成兩個(gè)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(fā)生裂變反應(yīng)，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(fā)連鎖反應(yīng)，加熱燃料棒組件，進(jìn)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(lái)調(diào)節(jié)連鎖反應(yīng)和反應(yīng)堆溫度。

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

為防止放射性物質(zhì)擴(kuò)散，這一部分的水是在一個(gè)封閉的環(huán)境內(nèi)循環(huán)：稱為一回路的管道系統(tǒng)，與外界沒有直接接觸，利用過熱的加壓水循環(huán)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(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。

3.商業(yè)堆運(yùn)行的主要損傷

無(wú)論金屬有多堅(jiān)硬，與高溫、高壓的水不斷接觸都會(huì)對(duì)金屬造成損害。由于反應(yīng)堆環(huán)境中較為極端的熱量、壓力和輻射強(qiáng)度環(huán)境，一個(gè)小問題可以很快發(fā)展成大缺陷。

PNNL（美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）的項(xiàng)目經(jīng)理亞倫·迪亞茲（Aaron Diaz）說，出于這個(gè)原因，檢驗(yàn)人員經(jīng)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(yīng)堆壁、安全系統(tǒng)和其他反應(yīng)堆部件中尋找微小的缺陷、裂縫和疲勞跡象。

雖然反應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂（SCC）的化學(xué)損傷能夠削弱關(guān)鍵部件強(qiáng)度。

根據(jù)PNNL材料科學(xué)家MychailoToloczko的說法，這種類型的損傷可能發(fā)生在異種金屬之間的焊接接頭處，因?yàn)楹缚p會(huì)隨著冷卻和收縮而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生斑點(diǎn)損傷。如果這些斑點(diǎn)開始腐蝕，就會(huì)特別容易發(fā)生微觀開裂，從而導(dǎo)致失效。

Toloczko說，這種破壞模式通常被認(rèn)為是商業(yè)堆的“主要壽命限制的退化機(jī)制”。

俄亥俄州托萊多附近的戴維斯-貝斯核電站就發(fā)生過這種嚴(yán)重破壞，不過通過對(duì)檢測(cè)到的腐蝕問題進(jìn)行分析，人們更好地了解了鎳基合金的損傷機(jī)理，并努力開發(fā)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(yīng)堆頂部出現(xiàn)腐蝕和開裂。

當(dāng)時(shí)的換料停機(jī)活動(dòng)是按規(guī)定進(jìn)行的，通常每隔12-18個(gè)月例行關(guān)閉一次反應(yīng)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(fā)現(xiàn)，將控制棒放入反應(yīng)堆堆芯的機(jī)械裝置已經(jīng)受損，這種機(jī)械裝置可以使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)停止，并調(diào)節(jié)反應(yīng)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(fā)現(xiàn)了硼酸沉積物和“一個(gè)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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(huì)在冷卻劑水中添加微量濃度（百萬(wàn)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(lái)平衡pH值。

應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致控制棒機(jī)構(gòu)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(yīng)堆內(nèi)部緩慢通過并從縫中逸出。隨著泄漏的水聚集并蒸發(fā)，硼酸的濃度增加，逐漸形成腐蝕性溶液。反應(yīng)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(yīng)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(shí)控制著加壓冷卻劑，避免了可能的災(zāi)難。

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

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