2002年2月，在俄亥俄州戴維斯-貝斯（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（即封裝放射性堆芯）的堅固鋼筒蓋上發(fā)現(xiàn)了三條裂縫。其中一條裂縫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，這些需要修復的裂縫顯得并不是非常的嚴重——直到工作人員在開始修復裂縫的時候感覺到了晃動，這意味著：出大問題了。

控制棒的外殼輕微偏移，這本來是不可能發(fā)生的，因為它應該被反應堆容器的厚達15厘米的鋼壁所環(huán)繞。在工人們調查時，他們在靠近外殼的鋼材上發(fā)現(xiàn)了一個大小差不多相當于美式橄欖球的空腔。這個空腔使得保護反應堆容器加壓室內部及其放射性堆芯的金屬厚度不足1厘米。如果容器在反應堆運行時受壓斷裂，那么堆芯的冷卻水將會通過這個洞涌出。這樣重大的“冷卻劑流失”事故可能導致堆芯嚴重受損。為了維修該容器，廠方以大約6億美元的費用安裝了一個新蓋。

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(xiàn)了小裂縫。到1995年前后，反應堆內部的酸水通過裂縫滲出，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(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。在核電占國家電力供應總量20%的美國，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(jiān)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。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歲，其中10座已經進入延期運營的新時代。

但是，故事還沒有結束。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)管者和核研究人員研究這些處于老化過程的核電，以期找到答案，應對該行業(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濟合理性？

歐洲、亞洲和前蘇聯(lián)國家也提出了這個在未來幾年中將耗資數(shù)十億美元的問題。雖然各國的許可期限和實際做法不同，但是在大量集中了處于老化過程的核電廠的美國，各種監(jiān)管性的行業(yè)決定會為全世界的反應堆確立準則。如果美國的核工業(yè)表明，經過整修的核電廠能夠運營80多年甚至更長時間，那么其它國家將會效仿。

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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。過去在華盛頓州里奇蘭的太平洋西北國家實驗室里，我和我的同事一直在尋找能夠提供材料降解預警的新型在線監(jiān)測和無損檢測技術。我們的目標是從當前的“找到和修復”方法轉變?yōu)槲覀兯^的“模擬和預測”方法。

在核電站內部，各種劇烈力量在發(fā)揮作用。在美國用于發(fā)電的壓水反應堆和沸水反應堆中，核堆芯是由二氧化鈾棒組成的。在這種放射性材料內部，核裂變反應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構降至安全水平。

兩種類型的反應堆都使用水作為冷卻劑。在壓水反應堆中，水大約以275℃的溫度進入反應堆堆芯，當水向上流過堆芯時，會被加熱至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)。在沸水反應堆中，冷卻水保持在大約7.6兆帕，以便在285℃左右時在堆芯中沸騰。以上兩種情況下均會產生蒸汽，以驅動渦輪機發(fā)電。

高溫、高壓和輻射都對反應堆的構件施加壓力。在反應堆內部，中子轟擊壓力容器的鋼壁；在數(shù)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(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)測反應堆關鍵構件的老化情況。其主要關注的是：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。我們只是不知道在任意一家電廠中，這些問題中的哪一個是最為關鍵的。畢竟，長達六七十年的商用規(guī)模核反應堆的經營是前所未有的。我們已經進入了原子時代的新紀元。

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容易。

那么，你如何確定某個容器或者某一個主要構件足夠可靠，以至于可以再用20年？

如果你想知道處于老化過程的反應堆內發(fā)生的情況，想真正了解反應堆經過多年持續(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。核研究人員測試聲波和超聲波監(jiān)測技術，這些技術取自于土木工程和航空航天工程，在上述領域被用來監(jiān)測橋梁或飛機結構完整性。同樣的技術方法可能也適用于核壓力容器。

數(shù)十年前，一家運營中的核電廠展示了一項很有前途的技術。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堆底部的壓力容器管道的焊接處有一個微小的裂縫。經營者得出的結論是這條裂縫不會構成威脅，但他們想看看能否在電廠運營中監(jiān)測裂縫的發(fā)展情況。他們采用了一項被稱作聲波發(fā)射監(jiān)測的技術，這項技術被用來檢查管道和風力渦輪機葉輪之類的金屬結構。該方法所依據(jù)的事實是，當裂縫變大時，產生的聲波能量會以微小的脈沖形式釋放出來——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)，經營者就可以對指征裂縫生長情況的超聲波進行監(jiān)聽。

聲波系統(tǒng)運行了3年，在這段時間里，研究人員監(jiān)聽到該裂紋的一部分深度增加到了12毫米。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縫的發(fā)展情況，研究人員認為這項技術示范很成功。此后幾十年中，化石燃料發(fā)電廠和石油化工設施安裝了聲發(fā)射系統(tǒng)，用以監(jiān)測容器和管道。然而，美國的核電站采用此項成熟技術的速度一直很緩慢。

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隨著計算機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，幾乎可以實時地顯示數(shù)據(jù)。在太平洋西北國家實驗室，我和同事檢測了聲發(fā)射監(jiān)測技術和另一項使用“導波”的金屬監(jiān)測技術。在這項技術中，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(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。這項技術將會十分有用，因為它不需要檢查人員剝開絕緣層來檢查管道（比如讓水循環(huán)流經反應堆堆芯的非常重要的冷卻水管）。

在實驗室研究中，我們在一根受損的不銹鋼鋼管上測試了這兩種監(jiān)測方法。在我們從視覺上確認細小的裂縫之前，聲發(fā)射監(jiān)測技術探測到了由裂紋形成所產生的信號。在知道那里有裂縫之后，我們利用導波技術對其監(jiān)測。聲波遇到裂縫時反彈至傳感器；通過監(jiān)測接收到的此類信號，我們追蹤了一條裂縫從最初的2.45毫米深、47.7毫米長擴大到68毫米長的全過程。這一擴大看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，這樣的裂縫是會引起高度重視的。

迅速成熟起來的導波技術經常用于油氣行業(yè)的管道檢測。在核工業(yè)領域，監(jiān)管機構也在努力規(guī)范監(jiān)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(zhàn)——輕水反應堆的主要管道內部的溫度可達200℃。對于大多數(shù)使用壓電材料把電壓轉換成超聲波（在接收器中反之亦然）的常見換能器而言，這個溫度過高。為了解決這一問題，一些研究人員測試更加堅固耐用的壓電材料。其他研究人員則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擴展管道的表面，從而生成向外傳播的波。

另外兩種超聲波技術顯示了長期應用的可能性。相位陣技術（通常被用作醫(yī)學診斷工具）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面，并控制波的方向。相位陣技術現(xiàn)在通常用于核電廠的定期檢查中，不過，此項技術有可能用于連續(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備掃描關鍵結構。此項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(qū)的裂縫。

最后，一種源自于地震學的技術可用于監(jiān)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的傳播，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，或者引起了裂縫或其它退化現(xiàn)象，這種標簽就會變化。迄今為止，擴散超聲波工具僅用于核工業(yè)的研究，但它們應用于檢查和長期監(jiān)測方面的可能性已經得到了明確證明。

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的技術依據(jù)來支持反應堆壽命的第二輪延期。到2020年前后，核能管理委員會必須決定是否需要為延期許可額外制定規(guī)則和標準，以便將運營期限從60年延長至80年。這些額外的規(guī)則將為經營者提供一個做出關鍵和昂貴決定的明確框架。實際上，如果屆時核能管理委員會沒有出臺任何決定，核電廠將根本無法實現(xiàn)延期運營，因為有關構件更換、整修和升級的規(guī)劃要花費多年時間。如果到2020年，核能管理委員會不能向公用事業(yè)和其它核電廠經營者提供使其能夠預先安排投資的清晰框架，那么這些經營者除了開始規(guī)劃全國核反應堆的退役之外將別無選擇。

核反應堆的改造和升級將會代價高昂。一些電廠已經報告說，它們將各自花費多達10億美元來支持從40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。但是，對于是否讓不斷老化的反應堆繼續(xù)運行，還有不容忽視的財政現(xiàn)狀需要考慮：現(xiàn)有核電廠數(shù)量在60年經營許可到期之后的減少將是一個沉重的經濟打擊。在美國，年電力需求到2030年預計增加21%左右，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營許可，那么將需要數(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堆所提供的超過100千兆瓦以上的基本負荷發(fā)電能力。無論這筆資金是投入新核電廠、廉價天然氣電廠還是可再生能源設施，替代因此而可能失去的這部分電力都將是一個規(guī)模浩大的全國性工程。與此相比，認真關注和監(jiān)聽我們正在老化的核基礎設施，或許是更具吸引力的選擇。