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全球反应堆延期问题探索(上)
时间:2020年10月07日 来源:微信公众号:嘿嘿能源heypower 点击量:492 分享:

全世界30个国家共有大约440个商业堆运行,稳定地供应电能。而且很多已经运行了30-50年,有些已经获得授权运行更长的时间。

 

为了确保全球在运反应堆和50多座在建反应堆能够安全高效运行几十年,科学家和工程师们正努力改进监测、分析和评估这些反应堆主要结构金属部件强度和完整性的方法。


同时,他们也正在开发新的合金和陶瓷,更好地承受反应堆堆芯极端温度和压力下的腐蚀和损坏。

 

1.“过期”反应堆困境。

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反应堆装置通常设计使用四十年左右,这四十年中,装置日复一日地承受极端温度、压力和电离辐射的环境。而现在,许多“过期”反应堆要求再至少运行20年。

 

为了延长反应堆的使用寿命,科学家和工程师们正在不断改进监测和评估相关结构金属完整性和强度的方法。他们正在开发耐腐蚀的替代材料,保证反应堆安全可靠地运行60年,甚至更长时间。

 

“美国的核能舰队几年后就会到达那里。”加里·沃斯(Gary S. Was)说。

 

沃斯是美国密歇根大学材料科学家和核材料工程师,也是材料抗腐蚀方面的专家,他指的“核能舰队”就是商业堆。

 

根据美国能源信息管理局(EIA)的数据,美国29个州有96个在运反应堆。2019年,这96个反应堆供应了美国约20%的电力,平均使用年限约为38年。

 

据称,大多数最先持有40年反应堆运营许可证的公用事业公司,其电站已经获得了20年延期。

 

美国核管理委员会(Nuclear regulator Commission)在美国东南部和东北部的公共事务官员罗杰·汉纳(Roger Hannah)和尼尔·希恩(Neil Sheehan)分别证实,位于迈阿密以南40公里的土耳其角(Turkey Point)核电站和哈里斯堡东南80公里的桃花底(Peach Bottom)核电站,最近又收到了延期同意许可,两座电站可以最终运营80年。

 

汉娜和希恩补充说,其他电厂也在寻求延期的方法。

 

沃斯说:“业内甚至有人说要延长到100年。”


延长反应堆运行时间的趋势并不局限美国。世界各地分布着约440座反应堆,平均年龄30年,整体在迈向老龄化。虽然其中一些电站计划关闭和退役,但许多正在升级部件,希望能够大大延长其运行年限。

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同时也不断有新电站在建设。例如在美国,佐治亚州韦恩斯博罗附近的沃格特发电厂的两座反应堆即将完工。

 

同时,根据世界核协会的数据,目前有50个反应堆在15个国家建造,主要是中国、印度、俄罗斯和阿联酋。

 

为了跟上2040年世界能源使用量预计增长28%的步伐,另外100个反应堆正在订购或计划中。

 

马克·纳特(Mark Nutt)说,在考虑如何确保这些反应堆持续、安全、可靠地供应电力时,“基本都是关于老化管理方面的”。

 

纳特说,材料和腐蚀科学的不断进步对反应堆延长运行起着重要作用。


 2.核电站发电原理

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在反应堆中,内部发生裂变反应产生热量,接着利用冷却剂回路将热量输送出来,加热水形成蒸汽(白色),驱动蒸汽涡轮机发电。利用完的蒸汽冷却并冷凝成液态水,返回蒸汽发生器。

 

通过将控制棒插入反应堆堆芯或将其抽出,电厂操作员可以调节反应堆的温度和功率输出。控制棒由镉、硼和铪等中子吸收材料制成,可以阻止核裂变连锁反应。

 

像这种装置每个电站都有数百个,每个又都由数百个充满二氧化铀颗粒的细长管子组成,在反应堆中沉入数年。


核动力系统利用反应中释放的高温发电,其运行原理与燃煤、天然气和其他化石燃料发电厂大致相同。根据EIA的数据,在2019年,这类燃料发电合计约占美国发电量的63%。

 

在所有这类电厂中,热量产生蒸汽,蒸汽驱动涡轮机旋转运动来发电。在水力和风力涡轮机中,流动的水或风直接使涡轮机旋转。

 

与通过燃烧化石燃料产生热量的发电厂不同,商业反应堆使用的是直径和长度约为10毫米的二氧化铀颗粒。

 

燃料制造商将这些豆子大小的颗粒装入4.5米长的细长金属管中,金属管由可渗透中子的锆包层材料制成。

 

根据燃料棒设计,大约200个燃料棒组装成一组。数百个这样的装置包含了数百万个二氧化铀颗粒,总重量约100吨,淹没在一个装满载热介质或冷却剂的巨型容器中。

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在绝大多数商业反应堆中,冷却剂是水。

 

驱动反应堆的热量来自燃料芯块中的铀235核。当这些原子核发生自发裂变时,它们分裂成两个更小的原子核,释放出热量和中子。中子可以与二氧化铀中的其他铀235核相撞,发生裂变反应,释放出更多的热量和额外的中子。

 

这些中子可以撞击其他铀核,从而引发连锁反应,加热燃料棒组件,进而加热水。

 

核电站操作人员通过将吸收中子的控制棒插入堆芯并取出,来调节连锁反应和反应堆温度。

 

最常见的核动力反应堆是压水堆。这种反应堆将水保持在高于15 MPa(150 atm)的高压下,当水流过燃料棒时,虽然温度升高,但仍保持为热液体。在这种环境下,水的温度可以达到320°C左右。

 

为防止放射性物质扩散,这一部分的水是在一个封闭的环境内循环:称为一回路的管道系统,与外界没有直接接触,利用过热的加压水循环将热量传递到非放射性二回路,使其中的水沸腾,变成蒸汽驱动涡轮机。

 

3.商业堆运行的主要损伤

 

无论金属有多坚硬,与高温、高压的水不断接触都会对金属造成损害。由于反应堆环境中较为极端的热量、压力和辐射强度环境,一个小问题可以很快发展成大缺陷。

 

PNNL(美国能源部太平洋西北国家实验室)的项目经理亚伦·迪亚兹(Aaron Diaz)说,出于这个原因,检验人员经常使用高分辨率超声波、电磁成像和其他方法,在25厘米厚的反应堆壁、安全系统和其他反应堆部件中寻找微小的缺陷、裂缝和疲劳迹象。

 

虽然反应堆部件中的不锈钢和镍基合金能够在很大程度上承受住损伤和腐蚀,但有效果不太好。有些情况下,一种称为应力腐蚀开裂(SCC)的化学损伤能够削弱关键部件强度。

 

根据PNNL材料科学家MychailoToloczko的说法,这种类型的损伤可能发生在异种金属之间的焊接接头处,因为焊缝会随着冷却和收缩而产生机械应力,进而产生斑点损伤。如果这些斑点开始腐蚀,就会特别容易发生微观开裂,从而导致失效。

 

Toloczko说,这种破坏模式通常被认为是商业堆的“主要寿命限制的退化机制”。

 

俄亥俄州托莱多附近的戴维斯-贝斯核电站就发生过这种严重破坏,不过通过对检测到的腐蚀问题进行分析,人们更好地了解了镍基合金的损伤机理,并努力开发出更耐腐蚀的材料。

 

4.戴维斯-贝斯核电站

 

2002年,戴维斯-贝斯核电站在一次例行停堆换料和安全检查期间,电厂操作人员注意到反应堆顶部出现腐蚀和开裂。

 

当时的换料停机活动是按规定进行的,通常每隔12-18个月例行关闭一次反应堆,移除用过的核燃料,替换添加新燃料。

 

在2002年的例行安全检查中,检查人员发现,将控制棒放入反应堆堆芯的机械装置已经受损,这种机械装置可以使链式反应停止,并调节反应堆温度和功率输出。

 

在取下部分上部部件后,检查人员在下方发现了硼酸沉积物和“一个足球大小的孔”。博格丹·亚历山德罗努(BogdanAlexandreanu)说(亚历山德罗努是阿贡国家实验室(Argonne NationalLaboratory)研究员,后专门分析受损封头的碎片)。

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亚历山德罗努解释说,由于硼能有效地捕获中子,工程师通常会在冷却剂水中添加微量浓度(百万分之几)的硼酸,以帮助控制裂变速率。他们通过添加氢氧化锂来平衡pH值。

 

应力腐蚀导致控制棒机构的一部分形成了微小的裂纹,而且该部位通过焊接连接了各种合金,包括一种被称为600合金的镍-铬-铁材料。

 

这些裂缝使含硼热水从反应堆内部缓慢通过并从缝中逸出。随着泄漏的水聚集并蒸发,硼酸的浓度增加,逐渐形成腐蚀性溶液。反应堆顶盖不是由600合金制成的,腐蚀性溶液侵蚀了大部分的反应堆顶盖。

 

较低层由另一种合金制成,扛住了腐蚀性溶液的侵蚀。这层材料同时控制着加压冷却剂,避免了可能的灾难。

 

电厂操作人员用一个非常相似的顶盖替换了受损的顶盖,该顶盖从一个取消的电厂施工作业中获得。

 

2010年,这个顶盖与第一次更换时相同的位置失效:含有600合金的焊接部位。


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