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)動控制棒進入反應(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重——直到工作人員開始修復(fù)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(diào)查認定，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。在日常運營中，構(gòu)成反應(yīng)堆安全殼結(jié)構(gòu)的堅硬鋼材和混凝土?xí)艿捷椛滢Z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(fā)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(yīng)總量20%的美國，其所關(guān)注的是全國104座正在運行的核反應(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，監(jiān)管機構(gòu)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(yīng)堆已經(jīng)獲準運營至60年，其中10座已經(jīng)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(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)對該行業(yè)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(jīng)濟合理性？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(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、高壓和輻射都對反應(yīng)堆的構(gòu)件持續(xù)施加著強大的壓力。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和核工業(yè)攜手電力研究所（EPRI）確定如何測量并監(jiān)測反應(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、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(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。核研究人員通過測試聲波和超聲波技術(shù)，來監(jiān)測核壓力容器結(jié)構(gòu)的完整性。

    時間倒回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微小的裂紋。雖然最后得出的結(jié)論是這條裂紋不會構(gòu)成威脅，但研究人員想看看能否在電廠運營中監(jiān)測裂紋的發(fā)展情況。他們采用了一項被稱作聲發(fā)射監(jiān)測的技術(shù)，這項技術(shù)一般被用于檢測管道和風(fēng)力渦輪機葉輪等的金屬結(jié)構(gòu)。該方法的理論依據(jù)是，當裂紋變大時，產(chǎn)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(fā)出地震波一樣。一旦安裝了這種聲波系統(tǒng)，人們就可以對指征裂紋生長情況的超聲波進行監(jiān)聽。

    在這個聲波系統(tǒng)運行的3年時間里，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)還探測到了傳統(tǒng)監(jiān)測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，研究人員認為這項技術(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)測系統(tǒng)，用來實時監(jiān)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(shù)的速度一直非常緩慢。

    隨著近年來計算機技術(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)缀蹩梢詫崟r地顯示數(shù)據(jù)。在太平洋西北國家實驗室，研究人員還對另一項監(jiān)測技術(shù)——使用“導(dǎo)波”的金屬監(jiān)測技術(shù)進行了研究。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)進行傳播。由于超聲波會在材料的不連續(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。這項技術(shù)的優(yōu)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(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(fā)射和導(dǎo)波兩種監(jiān)測方法。在人們能通過視覺確認細小的裂紋之前，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)就已經(jīng)探測到了由裂紋形成所產(chǎn)生的信號。在知道那里有裂紋之后，人們利用導(dǎo)波技術(shù)對其監(jiān)測。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(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。在核工業(yè)領(lǐng)域，監(jiān)管機構(gòu)也在努力規(guī)范監(jiān)測程序。然而，為在運營中的電廠內(nèi)使用此項技術(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200℃。對于大多數(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(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(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，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(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)測棘手的核電站混凝土結(jié)構(gòu)。在這種擴散場技術(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，材料顆粒會對初始能量脈沖產(chǎn)生干涉，把回波送回轉(zhuǎn)換器。所產(chǎn)生的信號（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(xiàn)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(yè)的研究，但將它應(yīng)用于檢查和長期監(jiān)測方面的可能性已經(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(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。

    改造和升級核反應(yīng)堆的代價將會是非常高昂的。一些電廠已經(jīng)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(jīng)濟（而不是技術(shù)）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(yīng)堆繼續(xù)運行，還有不容忽視的財政現(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)模退役將是一個沉重的經(jīng)濟打擊。在美國，年電力需求到2030年預(yù)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(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荷發(fā)電能力。與此相比，認真關(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。