2002年，在美國Davis-Besse核電站的一次例行檢查中，檢查人員在反應堆的壓力容器筒蓋上發現了三條裂紋。其中一條裂紋位于驅動控制棒進入反應堆堆芯以控制核反應的裝置外殼上。起初，這些裂紋不是非常嚴重——直到工作人員開始修復裂紋的時候感覺到了晃動，這意味著：出大問題了。

    美國核能管理委員會和電廠的調查認定，早在1990年，控制棒裝置上就可能出現了小裂紋。到1995年前后，反應堆內部的酸水通過裂紋滲出，并腐蝕了環繞壓力容器的鋼壁；在工作人員發現金屬損耗之前，酸水已經腐蝕了鋼材7年。核研究人員敏銳地意識到，這種緩慢、穩定的降解作用隨著核電站的老化而變得更有可能發生。在日常運營中，構成反應堆安全殼結構的堅硬鋼材和混凝土會受到輻射轟擊，并承受高溫和高壓。時間一長，即使是最堅固的材料也會被削弱。

    在日本福島第一核電站發生核事故后，世界各國政府重新評估了其核電廠的安全性。對于核電占國家電力供應總量20%的美國，其所關注的是全國104座正在運行的核反應堆的老化問題，這些核反應堆的平均年齡是32歲。這些反應堆并網時，監管機構授予它們40年的運營許可，這是對其壽命的保守估計。之后，核電廠的運營許可得到延長，73座反應堆已經獲準運營至60年，其中10座已經進入延期運營的新時代。

    但是，運營商們進行了“中期”大修，每個核電廠的花費可高達10億美元。與此同時，監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備，以應對該行業所面臨的最重要問題之一：讓這些電廠保持運營80年或者更長時間是否安全？并具有經濟合理性？如果美國的核工業表明，經過整修的核電廠能夠運營80多年甚至更長時間，那么其他國家將會效仿。

    管理老化反應堆包括定期檢查最難更換的構件：壓力容器、包圍壓力容器的混凝土安全殼結構，以及連接壓力容器的主管道和電纜。

    高溫、高壓和輻射都對反應堆的構件持續施加著強大的壓力。在反應堆內部，中子轟擊壓力容器的鋼壁；在數年時間內，這種轟擊作用可引起各種反應，造成材料中原子移位，產生雜質和微小的空隙。這些微觀現象可降低金屬的韌度及其抗裂能力。

    美國核能管理委員會和核工業攜手電力研究所（EPRI）確定如何測量并監測反應堆關鍵構件的老化情況。他們主要關注的是：反應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、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。許多分析者認為，建造一個新廠比切開安全外殼抽取并更換壓力容器更為容易。

    那么，如何確定某個容器或者某個主要構件足夠可靠？可以再用20年呢？

    如果你想知道處于老化過程的反應堆內發生的情況，想真正了解反應堆經過多年持續轟擊后其厚厚的鋼材和堅固的混凝土發生怎樣的變化，最好的辦法可能是監聽。核研究人員通過測試聲波和超聲波技術，來監測核壓力容器結構的完整性。

    時間倒回1989年，美國賓夕法尼亞州Limerick Generating Station發電站的檢查人員發現，在將冷卻水送入反應堆底部的壓力容器管道的焊接處有一個微小的裂紋。雖然最后得出的結論是這條裂紋不會構成威脅，但研究人員想看看能否在電廠運營中監測裂紋的發展情況。他們采用了一項被稱作聲發射監測的技術，這項技術一般被用于檢測管道和風力渦輪機葉輪等的金屬結構。該方法的理論依據是，當裂紋變大時，產生的聲波能量會以微小的脈沖形式釋放出來，這就像地震時會發出地震波一樣。一旦安裝了這種聲波系統，人們就可以對指征裂紋生長情況的超聲波進行監聽。

    在這個聲波系統運行的3年時間里，研究人員監聽到該裂紋的一部分深度增加到了12毫米。另外該系統還探測到了傳統監測方法注意不到的那種極小裂紋的發展情況，通過這些反饋，研究人員認為這項技術示范很成功。此后的幾十年中，相繼有其他化石燃料發電廠和石油化工設施安裝了聲發射監測系統，用來實時監測運行中的容器和管道，然而美國的核電站采用此項成熟技術的速度一直非常緩慢。

    隨著近年來計算機技術的飛速發展，聲發射系統的體積已經縮減到僅僅比筆記本電腦稍大一些，并且幾乎可以實時地顯示數據。在太平洋西北國家實驗室，研究人員還對另一項監測技術——使用“導波”的金屬監測技術進行了研究。導波技術是基于換能器產生特定頻率的超聲波，通過金屬管或壓力容器壁等結構進行傳播。由于超聲波會在材料的不連續處分散和反射，因此它們可以明確指出材料中的裂紋或腐蝕現象。這項技術的優勢在于，它不需要檢測人員剝開絕緣層以后再來檢查管道（這對于反應堆堆芯的水循環冷卻水管等重要的管道來說非常必要）。

    太平洋西北國家實驗室的研究人員在一根受損的不銹鋼鋼管上分別運用了聲發射和導波兩種監測方法。在人們能通過視覺確認細小的裂紋之前，聲發射監測技術就已經探測到了由裂紋形成所產生的信號。在知道那里有裂紋之后，人們利用導波技術對其監測。結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，擴大到68毫米長的全過程。這一擴展過程看起來似乎不是非常的顯著，但對于一個正在運營中的核電廠來說，這樣的裂紋足以引起人們的高度重視。

    迅速發展成熟起來的導波技術經常用于油氣行業的管道檢測。在核工業領域，監管機構也在努力規范監測程序。然而，為在運營中的電廠內使用此項技術，操作人員必須克服諸如高溫這樣的挑戰——輕水反應堆的主要管道內部的溫度可達200℃。對于大多數使用壓電材料將電流轉換成超聲波（在接收器中反之亦然）的常見換能器而言，這個溫度過高了。

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

    此外，還有兩種超聲波技術顯示出了長期應用的可能性。相控陣技術利用單元網格（Grid of Elements）生成許多小的超聲波脈沖。通過使用電子設備控制單個脈沖的時序和相互作用，操作人員可建立一個單一波前，并控制波的方向。相控陣技術現在通常用于核電廠的定期檢查中，不過該技術也有可能用于連續監測，此時要將一個單獨的換能器固定到位，并利用電子束控制設備掃描關鍵結構。該技術可以檢查鑄造不銹鋼等粗粒材料的退化情況，也可以查找焊接區的裂紋等缺陷。

    最后，一種源自于地震學的技術可用于監測棘手的核電站混凝土結構。在這種擴散場技術中，超聲波脈沖被導入巖石、混凝土、鑄造不銹鋼等粗粒材料中，隨著超聲波在這種物質中傳播，材料顆粒會對初始能量脈沖產生干涉，把回波送回轉換器。所產生的信號（顯示來自織構材料內部的全部相互作用）提供了此種材料的獨特標簽。如果材料的彈性改變，或者引起了裂紋或其它退化現象，這種標簽就會變化。迄今為止，擴散超聲波工具還僅用于核工業的研究，但將它應用于檢查和長期監測方面的可能性已經得到了明確證明。

    如果美國要繼續依靠核電點亮全國五分之一的燈泡，核能管理委員會就必須保證有合理可靠的技術依據來支持核電反應堆的第二輪延壽，如果到2020年他們還不能提供清晰的技術措施或者其他預計投資框架，那么現在這些核電站的經營者除了開始規劃全國核反應堆的退役之外將別無選擇。

    改造和升級核反應堆的代價將會是非常高昂的。一些電廠已經出具報告，表示他們將各自花費多達10億美元來支持從40年到60年的許可證延期。最終，或許是經濟（而不是技術）因素將會決定一家核電廠延期服役到60年的可行性。對于是否讓不斷老化的反應堆繼續運行，還有不容忽視的財政現狀需要考慮：現有核電廠在60年經營許可到期之后的大規模退役將是一個沉重的經濟打擊。在美國，年電力需求到2030年預計會增加21%左右，將達到大約5萬億千瓦時。如果缺少了全國現有的104座反應堆中大多數的支持，這一需求將很難得到滿足。

    如果美國決定不再進一步延長經營許可，那么他們將需要數萬億美元的大規模投資，來接替全國處于老化過程的核反應堆所提供的超過100千兆瓦以上的基本負荷發電能力。與此相比，認真關注和監聽我們正在老化的核基礎設施，或許是更具吸引力的選擇。

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責任編輯：殷鵬飛

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