其中一條裂縫位于驅(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，這些需要修復(fù)的裂縫顯得并不是非常的嚴(yán)重——直到工作人員在開(kāi)始修復(fù)裂縫的時(shí)候感覺(jué)到了晃動(dòng)，這意味著：出大問(wèn)題了。
控制棒的外殼輕微偏移，這本來(lái)是不可能發(fā)生的，因?yàn)樗鼞?yīng)該被反應(yīng)堆容器的厚達(dá)15厘米的鋼壁所環(huán)繞。在工人們調(diào)查時(shí)，他們?cè)诳拷鈿さ匿摬纳习l(fā)現(xiàn)了一個(gè)大小差不多相當(dāng)于美式橄欖球的空腔。這個(gè)空腔使得保護(hù)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(yùn)行時(shí)受壓斷裂，那么堆芯的冷卻水將會(huì)通過(guò)這個(gè)洞涌出。這樣重大的“冷卻劑流失”事故可能導(dǎo)致堆芯嚴(yán)重受損。為了維修該容器，廠方以大約6億美元的費(fèi)用安裝了一個(gè)新蓋。
美國(guó)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)了小裂縫。到1995年前后，反應(yīng)堆內(nèi)部的酸水通過(guò)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(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(yíng)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(zhǎng)，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(guó)政府重新評(píng)估了其核電廠的安全性。在核電占國(guó)家電力供應(yīng)總量20%的美國(guó)，所關(guān)注的是全國(guó)104座正在運(yùn)行的核反應(yīng)堆的老化問(wèn)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(yíng)許可，這是對(duì)其壽命的保守估計(jì)。核電廠的運(yùn)營(yíng)許可得到延長(zhǎng);73座反應(yīng)堆已經(jīng)獲準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)至60歲，其中10座已經(jīng)進(jìn)入延期運(yùn)營(yíng)的新時(shí)代。
但是，故事還沒(méi)有結(jié)束。運(yùn)營(yíng)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)管者和核研究人員研究這些處于老化過(guò)程的核電，以期找到答案，應(yīng)對(duì)該行業(yè)所面臨的最重要問(wèn)題之一：讓這些電廠保持運(yùn)營(yíng)80年或者更長(zhǎng)時(shí)間是否安全并具有經(jīng)濟(jì)合理性?
歐洲、亞洲和前蘇聯(lián)國(guó)家也提出了這個(gè)在未來(lái)幾年中將耗資數(shù)十億美元的問(wèn)題。雖然各國(guó)的許可期限和實(shí)際做法不同，但是在大量集中了處于老化過(guò)程的核電廠的美國(guó)，各種監(jiān)管性的行業(yè)決定會(huì)為全世界的反應(yīng)堆確立準(zhǔn)則。如果美國(guó)的核工業(yè)表明，經(jīng)過(guò)整修的核電廠能夠運(yùn)營(yíng)80多年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，那么其它國(guó)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。過(guò)去在華盛頓州里奇蘭的太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(cè)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。我們的目標(biāo)是從當(dāng)前的“找到和修復(fù)”方法轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯^的“模擬和預(yù)測(cè)”方法。
在核電站內(nèi)部，各種劇烈力量在發(fā)揮作用。在美國(guó)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(jìn)入反應(yīng)堆堆芯，當(dāng)水向上流過(guò)堆芯時(shí)，會(huì)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(shí)在堆芯中沸騰。以上兩種情況下均會(huì)產(chǎn)生蒸汽，以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。
高溫、高壓和輻射都對(duì)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(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(guó)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。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(kāi)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(wèn)題中的哪一個(gè)是最為關(guān)鍵的。畢竟，長(zhǎng)達(dá)六七十年的商用規(guī)模核反應(yīng)堆的經(jīng)營(yíng)是前所未有的。我們已經(jīng)進(jìn)入了原子時(shí)代的新紀(jì)元。
在過(guò)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(guò)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(guò)12米。許多分析者認(rèn)為，建造一個(gè)新廠比切開(kāi)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(gè)容器或者某一個(gè)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(guò)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(guò)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(tīng)。核研究人員測(cè)試聲波和超聲波監(jiān)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)橋梁或飛機(jī)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(yùn)營(yíng)中的核電廠展示了一項(xiàng)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(gè)微小的裂縫。經(jīng)營(yíng)者得出的結(jié)論是這條裂縫不會(huì)構(gòu)成威脅，但他們想看看能否在電廠運(yùn)營(yíng)中監(jiān)測(cè)裂縫的發(fā)展情況。他們采用了一項(xiàng)被稱作聲波發(fā)射監(jiān)測(cè)的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)被用來(lái)檢查管道和風(fēng)力渦輪機(jī)葉輪之類的金屬結(jié)構(gòu)。該方法所依據(jù)的事實(shí)是，當(dāng)裂縫變大時(shí)，產(chǎn)生的聲波能量會(huì)以微小的脈沖形式釋放出來(lái)——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(yíng)者就可以對(duì)指征裂縫生長(zhǎng)情況的超聲波進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。
聲波系統(tǒng)運(yùn)行了3年，在這段時(shí)間里，研究人員監(jiān)聽(tīng)到該裂紋的一部分深度增加到了12毫米。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縫的發(fā)展情況，研究人員認(rèn)為這項(xiàng)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(cè)容器和管道。然而，美國(guó)的核電站采用此項(xiàng)成熟技術(shù)的速度一直很緩慢。
隨著計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)地顯示數(shù)據(jù)。在太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，我和同事檢測(cè)了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)和另一項(xiàng)使用“導(dǎo)波”的金屬監(jiān)測(cè)技術(shù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，換能器產(chǎn)生特定頻率的超聲波，通過(guò)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裂縫或侵蝕現(xiàn)象。這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)十分有用，因?yàn)樗恍枰獧z查人員剝開(kāi)絕緣層來(lái)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(shí)驗(yàn)室研究中，我們?cè)谝桓軗p的不銹鋼鋼管上測(cè)試了這兩種監(jiān)測(cè)方法。在我們從視覺(jué)上確認(rèn)細(xì)小的裂縫之前，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)到了由裂紋形成所產(chǎn)生的信號(hào)。在知道那里有裂縫之后，我們利用導(dǎo)波技術(shù)對(duì)其監(jiān)測(cè)。聲波遇到裂縫時(shí)反彈至傳感器;通過(guò)監(jiān)測(cè)接收到的此類信號(hào)，我們追蹤了一條裂縫從最初的2.45毫米深、47.7毫米長(zhǎng)擴(kuò)大到68毫米長(zhǎng)的全過(guò)程。這一擴(kuò)大看似乎不是非常的顯著，但對(duì)于一個(gè)正在運(yùn)營(yíng)中的核電廠來(lái)說(shuō)，這樣的裂縫是會(huì)引起高度重視的。
迅速成熟起來(lái)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(yíng)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)使用壓電材料把電壓轉(zhuǎn)換成超聲波(在接收器中反之亦然)的常見(jiàn)換能器而言，這個(gè)溫度過(guò)高。為了解決這一問(wèn)題，一些研究人員測(cè)試更加堅(jiān)固耐用的壓電材料。其他研究人員則試驗(yàn)生成波的不同方式——例如使用激光脈沖對(duì)管道表面加熱并擴(kuò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)，此項(xiàng)技術(shù)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)。此項(xiàng)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(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)中的傳播，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(lái)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，或者引起了裂縫或其它退化現(xiàn)象，這種標(biāo)簽就會(huì)變化。迄今為止，擴(kuò)散超聲波工具僅用于核工業(yè)的研究，但它們應(yīng)用于檢查和長(zhǎng)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(guó)要繼續(xù)依靠核電點(diǎn)亮全國(guó)五分之一的燈泡，核能管理委員會(huì)就必須保證有合理的技術(shù)依據(jù)來(lái)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(huì)必須決定是否需要為延期許可額外制定規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，以便將運(yùn)營(yíng)期限從60年延長(zhǎng)至80年。這些額外的規(guī)則將為經(jīng)營(yíng)者提供一個(gè)做出關(guān)鍵和昂貴決定的明確框架。實(shí)際上，如果屆時(shí)核能管理委員會(huì)沒(méi)有出臺(tái)任何決定，核電廠將根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)延期運(yùn)營(yíng)，因?yàn)橛嘘P(guān)構(gòu)件更換、整修和升級(jí)的規(guī)劃要花費(fèi)多年時(shí)間。如果到2020年，核能管理委員會(huì)不能向公用事業(yè)和其它核電廠經(jīng)營(yíng)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(yíng)者除了開(kāi)始規(guī)劃全國(guó)核反應(yīng)堆的退役之外將別無(wú)選擇。
核反應(yīng)堆的改造和升級(jí)將會(huì)代價(jià)高昂。一些電廠已經(jīng)報(bào)告說(shuō)，它們將各自花費(fèi)多達(dá)10億美元來(lái)支持從40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。但是，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)有核電廠數(shù)量在60年經(jīng)營(yíng)許可到期之后的減少將是一個(gè)沉重的經(jīng)濟(jì)打擊。在美國(guó)，年電力需求到2030年預(yù)計(jì)增加21%左右，達(dá)到大約5萬(wàn)億千瓦時(shí)。如果缺少了全國(guó)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(guó)決定不再進(jìn)一步延長(zhǎng)經(jīng)營(yíng)許可，那么將需要數(shù)萬(wàn)億美元的大規(guī)模投資，來(lái)接替全國(guó)處于老化過(guò)程的核反應(yīng)堆所提供的超過(guò)100千兆瓦以上的基本負(fù)荷發(fā)電能力。無(wú)論這筆資金是投入新核電廠、廉價(jià)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(gè)規(guī)模浩大的全國(guó)性工程。與此相比，認(rèn)真關(guān)注和監(jiān)聽(tīng)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。
