在全球氣候變暖備受關注的背景下，人類急需發展新的電力能源，核能是當前有效解決溫室效應與高品質社會對能源大規模需求的為數不多的方案之一。自1954年第一座核電站建造以來，人類已和平利用核能64年。世界核協會（World Nuclear Association）于2017年8月公布，全球共有447臺核電機組，總裝機容量約390百萬千瓦，為世界提供將近11%的電力。作為如此重要的優秀能源，核廢料的處置卻是其長期面臨的一個揮之不去的問題，而造成核廢料處置難的其中一個關鍵問題則是核廢料（特別是高放射性的乏燃料）處理設備的腐蝕問題。

——題記

問題一：何謂“核廢料”及“乏燃料”，問題重要性在哪？

“核廢料”泛指在核燃料生產、加工及核反應堆用過的不再需要的并具有放射性的廢料，其中最重要的一部分是乏燃料。“乏燃料”則特指已在商業核反應堆中使用過的燃料組件，但這些燃料組件不能再經濟地維持核反應。核廢料中97%是中低放廢物，3%是高放廢物（絕大多數源于乏燃料），乏燃料中含有95%的鈾或二氧化鈾、1%的钚及4%的其他核素，如圖1。

圖1 核廢料的組成

雖然有個“乏”字作前綴，可乏燃料并非“無用的廢物”。相反，它渾身是寶，但又充滿危險，若不善加處理，會造成資源高浪費與輻射高污染。

從燃料利用率方面來看，目前僅能利用天然鈾中0.7%的U-235作為核燃料，而絕大多數U-238卻未加利用，鈾資源綜合利用率不到1%。據世界能源組織估計，按目前核燃料消耗速率，地球上的鈾儲量大約只夠使用200年。

從輻射危害性方面來看，我國乏燃料累積量逐年迅速增長，如2015年運行的22個核電機組產生約600噸乏燃料，如果不做任何處理，則其中150公斤的高放射廢物需1.2×1010萬噸水稀釋才能達到排放標準，相當于長江136年的水流量。如不做任何處理直接排放到大自然中，放射性可殘留數十萬年，其造成的危害可想而知！

因此，無論是從經濟性還是安全性考慮，對反應堆產生的這些核廢料，尤其是乏燃料，必須得到妥善處理。

問題二：如何處理乏燃料，有哪些腐蝕問題？

最簡單粗暴的處理方式為“一次通過”方式，即找個與世無爭的地方將乏燃料刨坑埋了，這種方式一勞永逸，但不能保證數百萬年的地質穩定和輻射安全，還可能因各種天災人禍早早就發生意外泄露事故。

所以科學家們提出了兩種方法來處理乏燃料：

第一為開式燃料循環，即乏燃料經冷卻、包裝后作為廢物送到深地質層處置或長期貯存；第二為閉式燃料循環，乏燃料在核電站乏燃料水池貯存5～6年（此時其衰變熱和放射性已經降到適當水平）后，運至后處理廠進行后處理。在后處理環節，乏燃料被切成小塊，放進酸里溶解，提取有用的鈾和钚重新做成燃料循環使用，剩下的廢液交由玻璃固化廠進行固化，再裝進特制干式貯存容器中，送至永久性處置場進行封存。

目前，國際上大多采用這種濕法儲存再進行閉式循環的后處理方式，如圖2。

圖2 乏燃料的產生及儲存

儲存是一個長鏈，中間各環節存在各式各樣的腐蝕問題，其中最具有核電特色也最為重要的兩個問題如下：

乏燃料水池的腐蝕，主要涉及乏燃料儲存過程中水池中的硼酸對乏燃料水池不銹鋼覆面的腐蝕，詳細內容在下文進行敘述。還有人認為由于核電站建在靠海的地方，空氣中的氯離子有可能會吸附在乏燃料水池不銹鋼覆面，由于氯離子是引起點蝕和應力腐蝕的重要因素，從而也會造成乏燃料水池發生腐蝕失效。

干式儲存桶的腐蝕，干式儲存桶通常為金屬制密閉容器（如美國薩凡納河廠采用304L），容器外層為混凝土或金屬來屏蔽輻射，內部采用CO2、空氣或惰性氣體來冷卻乏燃料。干式桶用來儲存轉化為硼硅酸鹽玻璃的放射性廢物，然后被送至深地質層進行長期儲存。由于所有的環境中都存在氯化物，如土壤、地下水、涂料以及汗水中等，并且金屬容器不可避免存在殘余拉應力，灌滿熔融的玻璃以后，又采用焊接密封，加上乏燃料剩余反應產生的余熱累積，很難保證這些干式桶在數百年內不會發生腐蝕失效。此外，乏燃料的溶解過程或揮發過程會造成嚴重的設備腐蝕，產生的固態廢物難以進一步處理等。例如美國Yucca山放射性廢物永久性處置庫建造項目，其中有一部分原因便是由于儲存桶的腐蝕泄漏造成輻射污染問題而被廢除。鑒于篇幅原因，干式儲存桶的腐蝕問題本文不做詳述，而主要對乏燃料水池相關的腐蝕問題進行討論。

問題三：什么是乏燃料水池（Spent Fuel Pool）呢？

乏燃料水池（簡稱SFP）屬于核安全二級設備，核安全共分為1、2、3、4四個等級，輻射依次減弱。SFP的主要功能是貯存反應后的核燃料組件，為核設備運行提供適宜和清潔的環境，阻止放射性物質滲入核電站內部混凝土結構，確保工作人員的工作環境安全，方便核電站退役后清潔處理，燃料臨時存放，廢料處理等。因此，保證SFP的結構完整性至關重要，其直接影響著核電站運行的安全性。

圖3是典型的SFP圖片，類似于游泳池，是一個有四面豎直墻壁、一個底面且頂部敞口的結構。乏燃料水池中的主要冷卻劑是硼酸水，以我國秦山核電站為例，其SFP尺寸為7.9×7.9×12.15（m），基礎結構是0.8～3m厚的鋼筋混凝土。為防止硼酸水泄漏，在混凝土水池內壁設計一層不銹鋼襯里（常用材料是304L奧氏體不銹鋼，目前在建和在研的三代核電站采用S32101雙相不銹鋼），稱為不銹鋼覆面。覆面厚度約為4～6mm，以混凝土墻中預埋的支撐骨架為墊板進行組對焊接，如圖4所示。

說到這里，關于乏燃料水池的結構和功能，相信大家一定會有一個深刻的了解，接下來該說明乏燃料水池不銹鋼覆面在硼酸水溶液中的腐蝕問題。

圖3 乏燃料水池典型結構圖

圖4 覆面以節點板為支撐骨架焊接結構示意圖

問題四：為什么乏燃料水池會發生硼酸腐蝕？

由于硼酸可以有效吸收中子，減緩核反應，因此被作為一種安全防護物質廣泛應用于核工業。硼酸本身是一種弱酸，在腐蝕防護中可作為緩蝕劑使用，通常它對設備的腐蝕影響很小，腐蝕發生的主要原因是由于硼酸泄漏，水分子蒸發濃縮后形成濃縮硼酸水溶液，最后形成結晶，在95℃下飽和硼酸水溶液的pH＜3，具有很強的腐蝕性，常常使碳鋼和低合金鋼這類材料發生溶解腐蝕。

一般乏燃料水池水溫小于50℃，短期異常或事故下最高溫度約80℃，水池中含硼2000～2500mg/L、Cl-濃度＜0.5mg/L，水溶液pH接近中性，發生腐蝕的幾率應該很小，但是工程實踐表明確有腐蝕發生。

研究表明，不銹鋼覆面拼接焊縫處屬于薄弱區域，最易遭受腐蝕，若焊縫缺陷區域產生穿孔或腐蝕裂紋（裂紋處產生應力集中進而誘發應力腐蝕破裂）后，導致硼酸水溶液泄露至覆面與混凝土間的夾層區，混凝土層受到硼酸水溶液的浸泡和腐蝕，即使是在50℃的低溫下，也會使硼水溶液中的水分緩慢蒸發，使得局部區域硼酸濃度升高產生酸化環境，而酸化是引起點腐蝕的重要因素，進而使不銹鋼覆面焊縫處發生點蝕孔穴（圖5），蝕孔處作為新的應力源，造成危害更深的應力腐蝕破裂。此外由于硼酸水溶液向混凝土墻體的隨機滲入，從混凝土中滲出的Cl-也會加速不銹鋼引發應力腐蝕破裂的危險。圖6正是覆面由于硼酸溶液浸泡混凝土后，混凝土中滲出的Cl-促使覆面發生氯離子應力腐蝕破裂。

圖5 焊縫缺陷處引發的點蝕現象

圖6 304L不銹鋼覆面氯離子穿晶應力腐蝕破裂（a）光學顯微鏡下裂紋截面的形貌 （b）裂紋尖端的顯微形貌

材料工作者們不僅從實地考察水池發生泄漏的原因。還進一步在實驗室模擬水池服役環境，研究304L不銹鋼在硼酸水溶液中的腐蝕行為，發現在室溫下，304L整體耐蝕性良好，隨著浸泡時間的延長，局部區域稍顯腐蝕，最終腐蝕速率基本保持穩定；隨著溫度升高，304L耐蝕性減弱。不僅如此，材料學家們也從源頭查找問題，比如材料的成分、品質是否達標，施工建造是否符合要求，并且努力研發綜合性能更加優良的材料替換失效的材料。

總之，雖然SFP水化學環境優良，但是由于一些材料設計不當或者施工操作不規范等原因，也會發生腐蝕。如果碰上不可預測的自然災害，如特大風暴、海嘯、地震等，可能造成其過早失效，服役壽命顯著縮短，還會給我們帶來巨大的經濟損失甚至人員傷亡。

問題五：如何檢測及預防硼酸泄露？

核電站設計壽命一般為40～60年，為保證SFP在核電運行期間不發生泄露，萬一發生泄漏也能及時發現并修復，因此有必要對其進行細心設計與安裝。

為達到這一目的，在設計中采用的方法有：

在安裝現場設置檢測槽，便于射線檢測；在保證焊接工藝的條件下，盡量減小焊接接頭，使母材受焊接影響的區域最小，減小腐蝕敏感區域；在所有的焊縫處設置泄露檢測槽，用于檢測焊縫是否泄露。

圖7是SFP不銹鋼底覆面以探傷通道為支撐骨架的結構示意圖。這里的探傷通道也就是泄露檢測槽，通過泄露檢測槽的引漏管可以判斷是否發生硼酸水泄露，由于SFP表面積較大，一般需要幾小時或幾天才能觀察到有明顯水位下降。底覆面焊縫背部裝有射線檢測插片，用于檢測發生泄漏的位置，其余覆面焊縫背部只有工藝疏水槽。

圖7 覆面焊縫以探傷通道為支撐骨架的結構示意圖

圖8是核電站水池泄漏的分析流程。主要檢漏技術有：

外觀目視檢測（Visual Testing，簡稱VT），即通過放大鏡放大或直接目視觀察檢查泄漏點。若VT仍有疑問，需采用真空發泡法等進行檢驗是否存在泄漏點。

真空發泡法，是將起泡溶液涂裝在受檢表面，再將真空盒置于焊縫上，通過真空泵抽吸使盒內與外部空氣保持一定的壓力差，保壓20s后觀察盒內是否有氣泡，若無則受檢焊縫合格。

液體滲透檢驗（Penetrant testing，簡稱PT），將含有熒光染料或著色燃料的滲透劑施涂于試樣表面，在毛細管作用下，經過一段時間，滲透劑滲入表面開口缺陷；去除表面多余滲透劑后，再施涂顯像劑，缺陷中保留的滲透劑受到顯像劑的吸引，回滲入顯像劑，在光源照射下，缺陷處的滲透劑痕跡被顯示出來，從而探測到缺陷的形貌及分布狀態。由于PT在裂紋、氣孔等表面缺陷檢驗方面具有很高的靈敏度，因此在水池泄漏檢測中受到廣泛應用。

氦質譜檢漏，其靈敏度更高，目前廣泛應用于核電站凝汽器、汽輪機真空和水池的檢漏。氦質譜檢漏分為真空（負壓）檢漏和充氣（正壓）檢漏。前者以噴吹法最常見，后者則以吸槍法為代表。

圖8 核電站水池泄漏分析處理流程圖

問題六：核電站到底安全嗎？

作為結尾，很有必要釋疑公眾最關心的兩個焦點問題：

（1）核電站會不會像廣島原子彈那樣發生爆炸？

（2）核電站究竟會給周邊環境帶來多大的核輻射核污染？

首先說明一下第一個問題，核電站不會像廣島原子彈那樣發生爆炸。因為兩者的設計思想、構造和部件是截然不同的。以圖9為例，雖然核電和原子彈都以鈾U為核燃料，但是核電中反應堆里裝的是低濃度的U-235，含量不到5%；原子彈采用的是高濃度的武器級U-235或Pu-239，含量高達90%以上。其次，原子彈采用的不可控制的自持鏈式反應，而反應堆則是一種人工控制的自持鏈式反應。

圖9 核電站與原子彈的比較接著看一下第二個問題，核電站帶來的輻射不到天然輻射的1%。由于核電站的多重屏蔽和嚴格管理，核電站周圍公眾所受到的輻射劑量為0.01毫希/年，小于胸肺透視，乘坐飛機，土壤等帶來的輻射，如圖10所示。

圖10 居民在生活中受到的天然輻射劑量核電不僅安全，還很清潔和經濟。相對于火電來說，核電在運行期間幾乎零排放，特別是溫室氣體碳排放，更有利于環保；其次核燃料價格穩定，不像石油和煤炭受國際能源危機的影響，并且核能發電高效，如一公斤鈾能發5萬度電，相當于2700噸標準煤，從長遠角度來看應該發展核電。隨著人類對核電的積極發展及正確認識，相信核能一定會更好地為我們人類服務，使我們的環境更加友善，經濟更加發達，生活更加美好！

核電從60余年的風風雨雨中一路走來，一直與安全問題做著斗爭。乏燃料水池作為核電站中的一個重要環節，硼酸腐蝕泄露問題還需進一步研究改善，經過科學家和工程師們的努力克服，核電將會以新的姿態為人類提供更加安全高效的服務。