核电站能像胡佛大坝一样使用那么久吗？
据行业高管、监管机构和科学家称，美国的核电站越来越可靠，排放的温室气体也少，预计将再运行 50 年甚至 70 年才会退役——远超几十年前计划的 40 年寿命。
如果对导致温室效应的二氧化碳排放进行定价，核电提供的持续电力将变得更具成本效益，公用事业公司发现现在可以更换因辐射暴露或磨损而损坏的涡轮机或顶盖。许多工程师确信，几乎任何工厂部件（其中大多数部件的设计都不是为了更换）都可以更换。
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法国国有核能巨头 EDF 运营的核研究机构材料老化研究所 (MAI) 主任 Jan van der Lee 说：“我们认为我们可以更换核电站中的几乎所有组件。”该研究所本周在法国成立。
他说：“我们不想等到出现问题才采取行动。” 他说，通过识别正在磨损的组件并更换它们，核电站会突然发现“从技术上讲，没有使用年限限制”。
事实上，随着美国监管机构开始考虑延长核电站的运营时间——核管理委员会（NRC）预计，首份 80 年许可证申请可能会在五年或更短的时间内提交——也许最大的遗留问题是基础科学问题：长期大量辐射如何从根本上改变钢材和混凝土等材料？
密歇根大学凤凰能源研究所所长、材料老化专家 Gary Was 说：“我们花了多年时间才理解这个问题。三十年前，我们没有技术来观察这些变化。”
直到最近，这类研究一直没有成为优先事项。但在过去几年里，能源部启动了一个项目，研究业内所称的“长期运营”。参议院的气候法案中的条款呼吁能源部增加这些调查，以期将工厂寿命“大大超出首次许可证延期期限”。
能源部与法国的 MAI 和位于美国的电力研究所（EPRI）合作进行这项研究，后者是一家由许多核电公司资助的非营利组织。考虑到美国反应堆的寿命，美国在该领域的领导地位是自然的，其中许多反应堆已经接近超过其预期的运行寿命。
美国最古老的商业核电站今年迎来了 40 周年，平均核电站已运行 30 年。目前，全国 100 多个反应堆中，有一半以上的初始许可证已延长 20 年。预计该国几乎所有的核电站最终都将获得此类延期。
根据 2007 年的一项调查，由于公司在确保 60 年的运营方面几乎没有遇到任何障碍，大多数高管表示，他们的核电站很可能运营 80 年或更长时间。Was 表示，这是一个相当自然的进展。
Was 说：“如果它们能持续到 60 年，也许就能持续到 80 年。天哪，也许是 100 年？”
许多人认为，在绝大多数美国能源都来自碳密集型化石燃料的情况下，这些延长的使用寿命（比几乎任何燃煤电厂都长，堪比胡佛大坝等水电项目）是必要的。核能供应着美国约 20% 的电力。
Was 说，如果没有最近的延期，电力市场将面临严重的供应短缺，这将是“灾难性的”，并导致建设更多的燃煤或燃气发电厂，并增加温室气体排放。
Was 说：“如果没有重新许可，我们将在五年后跌入悬崖。”
华盛顿的许多辩论都集中在新建核电站上，但据爱达荷国家实验室能源部轻水反应堆可持续发展计划技术主管 Ronald Szilard 称，除非寻求进一步延期，否则这些核电站只会取代现有设施产生的电力。
他说：“目前，重点非常放在建设新的核电站上，因为我们已经意识到，如果不进一步推动核能发展，未来就无法[减少]温室气体排放。现有核电站和新建核电站都必须做出贡献。”
EPRI 长期运营项目首席技术经理 John Gaertner 补充说，美国核电站最初的 40 年许可期限从来不是关于核电站技术寿命的问题。
他说：“工程师们并没有举手说，‘这就是我能从这些东西中获得的寿命。’ 这不是技术原因。”
工程师们已经学到了很多关于如何运营核电站的知识，从而减少了反应堆在日常运营期间离线的时间。田纳西河谷管理局 (Tennessee Valley Authority) 发言人 Scott Brooks 说，虽然具体情况因个例而异，但“更换核电站部件越来越划算”的假设通常是正确的。该机构运营着几个核电站。
Gaertner 说：“凭借 30 年的运营经验，我们认为我们可以重新评估运营核电站所涉及的许多原始假设。”
裂缝致命
自从恩里科·费米及其合作者在芝加哥大学废弃的运动场看台下创造了世界上第一次人工裂变反应以来，已经过去了近 70 年。在此期间，科学家们已经了解了很多关于中子（为原子核提供压载的无电荷粒子）如何改变材料组成的信息。
中子是核能的有效触发器。每次铀在核反应堆中分裂时，都会以高能量射出中子。这些中子反过来又会导致更多的铀分裂，从而产生自持反应。但是，在引起这些分裂的同时，中子也会无情地冲击包裹核反应堆的钢材和其他金属，即压力容器。
Gaertner 说：“从物理学家的角度来看，[中子]就像保龄球一样。”
他补充说：“每年都会发生数百万次、数百万次的撞击。在某个时候，它开始影响反应堆容器。”
Was 说，经过一段时间（几十年或更长时间），辐射会导致金属的微观结构发生变化。无情的轰击会产生微小的缺陷，例如位错环或沉淀物，这些缺陷“往往会使材料硬化”，Was 说。“当它变硬时，代价是延展性——即变形的能力。”
随着金属失去这种可塑性，它们就失去了让步的能力，变得脆化，并成为裂缝和裂纹的滋生地。当涉及到核电站时，裂缝是致命的。
Was 说：“裂缝，即压力容器的失效，一直是限制核电站寿命的主要问题之一。如果你不能证明它的完整性，那么在延长寿命方面你就无能为力了。”
在尚未理解的方式中，核反应堆中使用的纯净水最终会伴随腐蚀，从而与金属合金中初始的断裂相互作用并加剧这种断裂。据该机构发言人 Scott Burnell 称，在考虑美国反应堆的未来时，此类裂缝是 NRC 关注的主要问题之一。
科学家们说，这种会影响到挡板螺栓等核心部件的裂缝已经研究了 30 年，但仍然无法解释。与此同时，据 EPRI 称，由于被迫停运、增加检查要求、更换部件和加强监管审查，它已给美国核工业造成了约 100 亿美元的损失。
Gaertner 说，在未来十年里，控制年龄引起的裂缝将成为核科学家和工程师的主要任务之一，因为预计美国监管机构在将延期期限延长至 80 年时会更加严格，他们将要求建立预测何时会发生裂缝的模型。
由于重现 60 年的自然中子暴露几乎不具有时间效益，因此科学家们使用测试反应堆来使钢和其他合金（在反应堆系统中可以找到多达 25 种金属）暴露于更高能量的辐射，从而模拟核电站的条件。
一旦模拟完成，就会对金属进行高功率成像。因此，法国的MAI拥有世界上最强大的电子显微镜之一。这种成像技术和计算能力的巨大提升，现在使科学家能够将从金属表面蒸发掉的数百万个原子重构成类似于照片的图像。据Was说，所达到的分辨率使得人们对金属开裂有了前所未有的深入了解。
“我们对它们的形成方式以及形成原因有了更好的理解，”Was说。“一旦我们知道了这一点，我们就可以利用这些知识来预测未来硬化将会如何发生，以及潜在的风险是什么。”
未解决的问题
美国能源部的Szilard说，还有一些可能完全无法预料的风险，或者其他需要研究的材料，例如辐射对混凝土的长期影响，这方面人们知之甚少。
“我们将寻找可能迄今为止尚未显现的机制，”他说。
该行业已经熟练掌握了更换大型昂贵部件（如反应堆堆头和汽轮机）的技能——在大修中，可能花费数亿美元。一旦发现缺陷，几乎所有结构问题都可以解决。
美国能源部发言人蒂芙尼·爱德华兹说：“今天，反应堆电厂中的几乎每个部件都曾被更换过一次。例外情况是反应堆压力容器和混凝土[安全壳]结构。但是，即使是这些也可以考虑更换。”
压力容器仍然是科学家们面临的最大挑战，他们试图确定哪些类型的容器可能无法使用到80年。如果发现潜在的缺陷，则有可能使用一种称为退火的冶金技术，这种技术过去曾在俄罗斯的核反应堆中使用过，但在美国从未用过。
简而言之，退火需要加热压力容器的金属，以消除辐射造成的损伤，可能使其恢复到接近原始状态。“这是一项非常大的工作，而且非常具有挑战性，”Was说。
“存在着损伤会多快恢复的问题，”他说。“并非所有这些问题都得到了解答，但令人鼓舞的是，即使是压力容器也可以被更换。”
MAI的李说，美国的第一代核电站的工程师们非常谨慎，这为美国带来了好处，正如其电厂能够顺利跨越40年大关所见证的那样。
李说：“我们知道，考虑到所留下的裕量，它们的设计过于充分，因此超过40年没有问题。”
虽然最终何时延长核电站寿命的决定将取决于公用事业公司，但加特纳预计这些决定不会因结构问题而受阻。
他说：“我们非常有信心，所有问题都有技术解决方案，而且成本可能值得。”
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