老核電站+新監(jiān)測(cè)技術(shù)，能否保證安全運(yùn)營80年？

2002年，在美國Davis-Besse核電站的一次例行檢查中，檢查人員在反應(yīng)堆的壓力容器筒蓋上發(fā)現(xiàn)了三條裂紋。其中一條裂紋位于驅(qū)動(dòng)控制棒進(jìn)入反應(yīng)堆堆芯以控制核反應(yīng)的裝置外殼上。起初，這些裂紋不是非常嚴(yán)重——直到工作人員開始修復(fù)裂紋的時(shí)候感覺到了晃動(dòng)，這意味著：出大問題了。

美國核能管理委員會(huì)和電廠的調(diào)查認(rèn)定，早在1990年，控制棒裝置上就可能出現(xiàn)了小裂紋。到1995年前后，反應(yīng)堆內(nèi)部的酸水通過裂紋滲出，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(shí)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(yùn)營中，構(gòu)成反應(yīng)堆安全殼結(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬鋼材和混凝土?xí)艿捷椛滢Z擊，并承受高溫和高壓。時(shí)間一長，即使是最堅(jiān)固的材料也會(huì)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(píng)估了其核電廠的安全性。對(duì)于核電占國家電力供應(yīng)總量20%的美國，其所關(guān)注的是全國104座正在運(yùn)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(shí)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)授予它們40年的運(yùn)營許可，這是對(duì)其壽命的保守估計(jì)。之后，核電廠的運(yùn)營許可得到延長，73座反應(yīng)堆已經(jīng)獲準(zhǔn)運(yùn)營至60年，其中10座已經(jīng)進(jìn)入延期運(yùn)營的新時(shí)代。

但是，運(yùn)營商們進(jìn)行了“中期”大修，每個(gè)核電廠的花費(fèi)可高達(dá)10億美元。與此同時(shí)，監(jiān)管者和核研究人員開始著重研究這些處于老化過程的核電設(shè)備，以應(yīng)對(duì)該行業(yè)所面臨的最重要問題之一：讓這些電廠保持運(yùn)營80年或者更長時(shí)間是否安全？并具有經(jīng)濟(jì)合理性？如果美國的核工業(yè)表明，經(jīng)過整修的核電廠能夠運(yùn)營80多年甚至更長時(shí)間，那么其他國家將會(huì)效仿。

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。

高溫、高壓和輻射都對(duì)反應(yīng)堆的構(gòu)件持續(xù)施加著強(qiáng)大的壓力。在反應(yīng)堆內(nèi)部，中子轟擊壓力容器的鋼壁；在數(shù)年時(shí)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(huì)和核工業(yè)攜手電力研究所（EPRI）確定如何測(cè)量并監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆關(guān)鍵構(gòu)件的老化情況。他們主要關(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。

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(jī)、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(jì)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(rèn)為，建造一個(gè)新廠比切開安全外殼抽取并更換壓力容器更為容易。

那么，如何確定某個(gè)容器或者某個(gè)主要構(gòu)件足夠可靠？可以再用20年呢？

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(jiān)固的混凝土發(fā)生怎樣的變化，最好的辦法可能是監(jiān)聽。核研究人員通過測(cè)試聲波和超聲波技術(shù)，來監(jiān)測(cè)核壓力容器結(jié)構(gòu)的完整性。

時(shí)間倒回1989年，美國賓夕法尼亞州Limerick Generating Station發(fā)電站的檢查人員發(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(gè)微小的裂紋。雖然最后得出的結(jié)論是這條裂紋不會(huì)構(gòu)成威脅，但研究人員想看看能否在電廠運(yùn)營中監(jiān)測(cè)裂紋的發(fā)展情況。他們采用了一項(xiàng)被稱作聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)一般被用于檢測(cè)管道和風(fēng)力渦輪機(jī)葉輪等的金屬結(jié)構(gòu)。該方法的理論依據(jù)是，當(dāng)裂紋變大時(shí)，產(chǎn)生的聲波能量會(huì)以微小的脈沖形式釋放出來，這就像地震時(shí)會(huì)發(fā)出地震波一樣。一旦安裝了這種聲波系統(tǒng)，人們就可以對(duì)指征裂紋生長情況的超聲波進(jìn)行監(jiān)聽。

在這個(gè)聲波系統(tǒng)運(yùn)行的3年時(shí)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。另外該系統(tǒng)還探測(cè)到了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法注意不到的那種極小裂紋的發(fā)展情況，通過這些反饋，研究人員認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)示范很成功。此后的幾十年中，相繼有其他化石燃料發(fā)電廠和石油化工設(shè)施安裝了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的容器和管道，然而美國的核電站采用此項(xiàng)成熟技術(shù)的速度一直非常緩慢。

隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，聲發(fā)射系統(tǒng)的體積已經(jīng)縮減到僅僅比筆記本電腦稍大一些，并且?guī)缀蹩梢詫?shí)時(shí)地顯示數(shù)據(jù)。在太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室，研究人員還對(duì)另一項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)——使用“導(dǎo)波”的金屬監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。導(dǎo)波技術(shù)是基于換能器產(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(jìn)行傳播。由于超聲波會(huì)在材料的不連續(xù)處分散和反射，因此它們可以明確指出材料中的裂紋或腐蝕現(xiàn)象。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，它不需要檢測(cè)人員剝開絕緣層以后再來檢查管道（這對(duì)于反應(yīng)堆堆芯的水循環(huán)冷卻水管等重要的管道來說非常必要）。

太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員在一根受損的不銹鋼鋼管上分別運(yùn)用了聲發(fā)射和導(dǎo)波兩種監(jiān)測(cè)方法。在人們能通過視覺確認(rèn)細(xì)小的裂紋之前，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)就已經(jīng)探測(cè)到了由裂紋形成所產(chǎn)生的信號(hào)。在知道那里有裂紋之后，人們利用導(dǎo)波技術(shù)對(duì)其監(jiān)測(cè)。結(jié)果研究人員追蹤到了一條裂紋從最初的2.45毫米深、47.7毫米長，擴(kuò)大到68毫米長的全過程。這一擴(kuò)展過程看起來似乎不是非常的顯著，但對(duì)于一個(gè)正在運(yùn)營中的核電廠來說，這樣的裂紋足以引起人們的高度重視。

迅速發(fā)展成熟起來的導(dǎo)波技術(shù)經(jīng)常用于油氣行業(yè)的管道檢測(cè)。在核工業(yè)領(lǐng)域，監(jiān)管機(jī)構(gòu)也在努力規(guī)范監(jiān)測(cè)程序。然而，為在運(yùn)營中的電廠內(nèi)使用此項(xiàng)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(dá)200℃。對(duì)于大多數(shù)使用壓電材料將電流轉(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(gè)溫度過高了。

為了解決這一問題，研究人員不斷測(cè)試其他更加堅(jiān)固耐用的壓電材料；另外還有一些研究人員則致力于試驗(yàn)生成波的不同方式——例如使用激光脈沖對(duì)管道表面加熱并使其擴(kuò)展到管道的表面，從而生成向外傳播的波。

此外，還有兩種超聲波技術(shù)顯示出了長期應(yīng)用的可能性。相控陣技術(shù)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(gè)脈沖的時(shí)序和相互作用，操作人員可建立一個(gè)單一波前，并控制波的方向。相控陣技術(shù)現(xiàn)在通常用于核電廠的定期檢查中，不過該技術(shù)也有可能用于連續(xù)監(jiān)測(cè)，此時(shí)要將一個(gè)單獨(dú)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)。該技術(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)的裂紋等缺陷。

最后，一種源自于地震學(xué)的技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)棘手的核電站混凝土結(jié)構(gòu)。在這種擴(kuò)散場(chǎng)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)中傳播，材料顆粒會(huì)對(duì)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(hào)（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(dú)特標(biāo)簽。如果材料的彈性改變，或者引起了裂紋或其它退化現(xiàn)象，這種標(biāo)簽就會(huì)變化。迄今為止，擴(kuò)散超聲波工具還僅用于核工業(yè)的研究，但將它應(yīng)用于檢查和長期監(jiān)測(cè)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(diǎn)亮全國五分之一的燈泡，核能管理委員會(huì)就必須保證有合理可靠的技術(shù)依據(jù)來支持核電反應(yīng)堆的第二輪延壽，如果到2020年他們還不能提供清晰的技術(shù)措施或者其他預(yù)計(jì)投資框架，那么現(xiàn)在這些核電站的經(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。

改造和升級(jí)核反應(yīng)堆的代價(jià)將會(huì)是非常高昂的。一些電廠已經(jīng)出具報(bào)告，表示他們將各自花費(fèi)多達(dá)10億美元來支持從40年到60年的許可證延期。最終，或許是經(jīng)濟(jì)（而不是技術(shù)）因素將會(huì)決定一家核電廠延期服役到60年的可行性。對(duì)于是否讓不斷老化的反應(yīng)堆繼續(xù)運(yùn)行，還有不容忽視的財(cái)政現(xiàn)狀需要考慮：現(xiàn)有核電廠在60年經(jīng)營許可到期之后的大規(guī)模退役將是一個(gè)沉重的經(jīng)濟(jì)打擊。在美國，年電力需求到2030年預(yù)計(jì)會(huì)增加21%左右，將達(dá)到大約5萬億千瓦時(shí)。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(jìn)一步延長經(jīng)營許可，那么他們將需要數(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(fù)荷發(fā)電能力。與此相比，認(rèn)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。


來源：悅智網(wǎng)、中國核網(wǎng)
作者：Leonard J. Bond
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