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[分享] 老核电站+新监测技术,能否保证安全运营80年?

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上材NDT杂志 发表于 2018-8-15 16:14:56 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
2002年,在美国Davis-Besse核电站的一次例行检查中,检查人员在反应堆的压力容器筒盖上发现了三条裂纹。其中一条裂纹位于驱动控制棒进入反应堆堆芯以控制核反应的装置外壳上。起初,这些裂纹不是非常严重——直到工作人员开始修复裂纹的时候感觉到了晃动,这意味着:出大问题了。

美国核能管理委员会和电厂的调查认定,早在1990年,控制棒装置上就可能出现了小裂纹。到1995年前后,反应堆内部的酸水通过裂纹渗出,并腐蚀了环绕压力容器的钢壁;在工作人员发现金属损耗之前,酸水已经腐蚀了钢材7年。核研究人员敏锐地意识到,这种缓慢、稳定的降解作用随着核电站的老化而变得更有可能发生。在日常运营中,构成反应堆安全壳结构的坚硬钢材和混凝土会受到辐射轰击,并承受高温和高压。时间一长,即使是最坚固的材料也会被削弱。

在日本福岛第一核电站发生核事故后,世界各国政府重新评估了其核电厂的安全性。对于核电占国家电力供应总量20%的美国,其所关注的是全国104座正在运行的核反应堆的老化问题,这些核反应堆的平均年龄是32岁。这些反应堆并网时,监管机构授予它们40年的运营许可,这是对其寿命的保守估计。之后,核电厂的运营许可得到延长,73座反应堆已经获准运营至60年,其中10座已经进入延期运营的新时代。

但是,运营商们进行了“中期”大修,每个核电厂的花费可高达10亿美元。与此同时,监管者和核研究人员开始着重研究这些处于老化过程的核电设备,以应对该行业所面临的最重要问题之一:让这些电厂保持运营80年或者更长时间是否安全?并具有经济合理性?如果美国的核工业表明,经过整修的核电厂能够运营80多年甚至更长时间,那么其他国家将会效仿。


管理老化反应堆包括定期检查最难更换的构件:压力容器、包围压力容器的混凝土安全壳结构,以及连接压力容器的主管道和电缆。

高温、高压和辐射都对反应堆的构件持续施加着强大的压力。在反应堆内部,中子轰击压力容器的钢壁;在数年时间内,这种轰击作用可引起各种反应,造成材料中原子移位,产生杂质和微小的空隙。这些微观现象可降低金属的韧度及其抗裂能力。


美国核能管理委员会和核工业携手电力研究所(EPRI)确定如何测量并监测反应堆关键构件的老化情况。他们主要关注的是:反应堆压力容器及其管道的脆化和开裂,混凝土安全壳的退化情况,电缆老化,以及地下埋水管的侵蚀情况。

在过去30多年间,核电厂的许多部件已被更换或整修,其中包括涡轮机、一些主要管道和压力容器盖,但从未有过更换核电厂中心部件(压力容器本身及其钢筋混凝土和钢制安全外壳)的计划。通常,1千兆瓦电厂的压力容器重约300吨,高度超过12米。许多分析者认为,建造一个新厂比切开安全外壳抽取并更换压力容器更为容易。

那么,如何确定某个容器或者某个主要构件足够可靠?可以再用20年呢?

如果你想知道处于老化过程的反应堆内发生的情况,想真正了解反应堆经过多年持续轰击后其厚厚的钢材和坚固的混凝土发生怎样的变化,最好的办法可能是监听。核研究人员通过测试声波和超声波技术,来监测核压力容器结构的完整性。

时间倒回1989年,美国宾夕法尼亚州Limerick Generating Station发电站的检查人员发现,在将冷却水送入反应堆底部的压力容器管道的焊接处有一个微小的裂纹。虽然最后得出的结论是这条裂纹不会构成威胁,但研究人员想看看能否在电厂运营中监测裂纹的发展情况。他们采用了一项被称作声发射监测的技术,这项技术一般被用于检测管道和风力涡轮机叶轮等的金属结构。该方法的理论依据是,当裂纹变大时,产生的声波能量会以微小的脉冲形式释放出来,这就像地震时会发出地震波一样。一旦安装了这种声波系统,人们就可以对指征裂纹生长情况的超声波进行监听。

在这个声波系统运行的3年时间里,研究人员监听到该裂纹的一部分深度增加到了12毫米。另外该系统还探测到了传统监测方法注意不到的那种极小裂纹的发展情况,通过这些反馈,研究人员认为这项技术示范很成功。此后的几十年中,相继有其他化石燃料发电厂和石油化工设施安装了声发射监测系统,用来实时监测运行中的容器和管道,然而美国的核电站采用此项成熟技术的速度一直非常缓慢。


随着近年来计算机技术的飞速发展,声发射系统的体积已经缩减到仅仅比笔记本电脑稍大一些,并且几乎可以实时地显示数据。在太平洋西北国家实验室,研究人员还对另一项监测技术——使用“导波”的金属监测技术进行了研究。导波技术是基于换能器产生特定频率的超声波,通过金属管或压力容器壁等结构进行传播。由于超声波会在材料的不连续处分散和反射,因此它们可以明确指出材料中的裂纹或腐蚀现象。这项技术的优势在于,它不需要检测人员剥开绝缘层以后再来检查管道(这对于反应堆堆芯的水循环冷却水管等重要的管道来说非常必要)。

太平洋西北国家实验室的研究人员在一根受损的不锈钢钢管上分别运用了声发射和导波两种监测方法。在人们能通过视觉确认细小的裂纹之前,声发射监测技术就已经探测到了由裂纹形成所产生的信号。在知道那里有裂纹之后,人们利用导波技术对其监测。结果研究人员追踪到了一条裂纹从最初的2.45毫米深、47.7毫米长,扩大到68毫米长的全过程。这一扩展过程看起来似乎不是非常的显著,但对于一个正在运营中的核电厂来说,这样的裂纹足以引起人们的高度重视。

迅速发展成熟起来的导波技术经常用于油气行业的管道检测。在核工业领域,监管机构也在努力规范监测程序。然而,为在运营中的电厂内使用此项技术,操作人员必须克服诸如高温这样的挑战——轻水反应堆的主要管道内部的温度可达200℃。对于大多数使用压电材料将电流转换成超声波(在接收器中反之亦然)的常见换能器而言,这个温度过高了。

为了解决这一问题,研究人员不断测试其他更加坚固耐用的压电材料;另外还有一些研究人员则致力于试验生成波的不同方式——例如使用激光脉冲对管道表面加热并使其扩展到管道的表面,从而生成向外传播的波。

此外,还有两种超声波技术显示出了长期应用的可能性。相控阵技术利用单元网格(Grid of Elements)生成许多小的超声波脉冲。通过使用电子设备控制单个脉冲的时序和相互作用,操作人员可建立一个单一波前,并控制波的方向。相控阵技术现在通常用于核电厂的定期检查中,不过该技术也有可能用于连续监测,此时要将一个单独的换能器固定到位,并利用电子束控制设备扫描关键结构。该技术可以检查铸造不锈钢等粗粒材料的退化情况,也可以查找焊接区的裂纹等缺陷。

最后,一种源自于地震学的技术可用于监测棘手的核电站混凝土结构。在这种扩散场技术中,超声波脉冲被导入岩石、混凝土、铸造不锈钢等粗粒材料中,随着超声波在这种物质中传播,材料颗粒会对初始能量脉冲产生干涉,把回波送回转换器。所产生的信号(显示来自织构材料内部的全部相互作用)提供了此种材料的独特标签。如果材料的弹性改变,或者引起了裂纹或其它退化现象,这种标签就会变化。迄今为止,扩散超声波工具还仅用于核工业的研究,但将它应用于检查和长期监测方面的可能性已经得到了明确证明。


如果美国要继续依靠核电点亮全国五分之一的灯泡,核能管理委员会就必须保证有合理可靠的技术依据来支持核电反应堆的第二轮延寿,如果到2020年他们还不能提供清晰的技术措施或者其他预计投资框架,那么现在这些核电站的经营者除了开始规划全国核反应堆的退役之外将别无选择。

改造和升级核反应堆的代价将会是非常高昂的。一些电厂已经出具报告,表示他们将各自花费多达10亿美元来支持从40年到60年的许可证延期。最终,或许是经济(而不是技术)因素将会决定一家核电厂延期服役到60年的可行性。对于是否让不断老化的反应堆继续运行,还有不容忽视的财政现状需要考虑:现有核电厂在60年经营许可到期之后的大规模退役将是一个沉重的经济打击。在美国,年电力需求到2030年预计会增加21%左右,将达到大约5万亿千瓦时。如果缺少了全国现有的104座反应堆中大多数的支持,这一需求将很难得到满足。

如果美国决定不再进一步延长经营许可,那么他们将需要数万亿美元的大规模投资,来接替全国处于老化过程的核反应堆所提供的超过100千兆瓦以上的基本负荷发电能力。与此相比,认真关注和监听我们正在老化的核基础设施,或许是更具吸引力的选择。


来源:悦智网、中国核网
作者:Leonard J. Bond
本文系转载,略有删减,如涉及版权等问题,请联系我们删除。
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