核電站能像胡佛大壩一樣使用那麼久嗎？
據行業高管、監管機構和科學家稱，美國的核電站越來越可靠，排放的溫室氣體也少，預計將再執行 50 年甚至 70 年才會退役——遠超幾十年前計劃的 40 年壽命。
如果對導致溫室效應的二氧化碳排放進行定價，核電提供的持續電力將變得更具成本效益，公用事業公司發現現在可以更換因輻射暴露或磨損而損壞的渦輪機或頂蓋。許多工程師確信，幾乎任何工廠部件（其中大多數部件的設計都不是為了更換）都可以更換。
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法國國有核能巨頭 EDF 運營的核研究機構材料老化研究所 (MAI) 主任 Jan van der Lee 說：“我們認為我們可以更換核電站中的幾乎所有元件。”該研究所本週在法國成立。
他說：“我們不想等到出現問題才採取行動。” 他說，透過識別正在磨損的元件並更換它們，核電站會突然發現“從技術上講，沒有使用年限限制”。
事實上，隨著美國監管機構開始考慮延長核電站的運營時間——核管理委員會（NRC）預計，首份 80 年許可證申請可能會在五年或更短的時間內提交——也許最大的遺留問題是基礎科學問題：長期大量輻射如何從根本上改變鋼材和混凝土等材料？
密歇根大學鳳凰能源研究所所長、材料老化專家 Gary Was 說：“我們花了多年時間才理解這個問題。三十年前，我們沒有技術來觀察這些變化。”
直到最近，這類研究一直沒有成為優先事項。但在過去幾年裡，能源部啟動了一個專案，研究業內所稱的“長期運營”。參議院的氣候法案中的條款呼籲能源部增加這些調查，以期將工廠壽命“大大超出首次許可證延期期限”。
能源部與法國的 MAI 和位於美國的電力研究所（EPRI）合作進行這項研究，後者是一家由許多核電公司資助的非營利組織。考慮到美國反應堆的壽命，美國在該領域的領導地位是自然的，其中許多反應堆已經接近超過其預期的執行壽命。
美國最古老的商業核電站今年迎來了 40 週年，平均核電站已執行 30 年。目前，全國 100 多個反應堆中，有一半以上的初始許可證已延長 20 年。預計該國幾乎所有的核電站最終都將獲得此類延期。
根據 2007 年的一項調查，由於公司在確保 60 年的運營方面幾乎沒有遇到任何障礙，大多數高管表示，他們的核電站很可能運營 80 年或更長時間。Was 表示，這是一個相當自然的進展。
Was 說：“如果它們能持續到 60 年，也許就能持續到 80 年。天哪，也許是 100 年？”
許多人認為，在絕大多數美國能源都來自碳密集型化石燃料的情況下，這些延長的使用壽命（比幾乎任何燃煤電廠都長，堪比胡佛大壩等水電專案）是必要的。核能供應著美國約 20% 的電力。
Was 說，如果沒有最近的延期，電力市場將面臨嚴重的供應短缺，這將是“災難性的”，並導致建設更多的燃煤或燃氣發電廠，並增加溫室氣體排放。
Was 說：“如果沒有重新許可，我們將在五年後跌入懸崖。”
華盛頓的許多辯論都集中在新建核電站上，但據愛達荷國家實驗室能源部輕水反應堆可持續發展計劃技術主管 Ronald Szilard 稱，除非尋求進一步延期，否則這些核電站只會取代現有設施產生的電力。
他說：“目前，重點非常放在建設新的核電站上，因為我們已經意識到，如果不進一步推動核能發展，未來就無法[減少]溫室氣體排放。現有核電站和新建核電站都必須做出貢獻。”
EPRI 長期運營專案首席技術經理 John Gaertner 補充說，美國核電站最初的 40 年許可期限從來不是關於核電站技術壽命的問題。
他說：“工程師們並沒有舉手說，‘這就是我能從這些東西中獲得的壽命。’ 這不是技術原因。”
工程師們已經學到了很多關於如何運營核電站的知識，從而減少了反應堆在日常運營期間離線的時間。田納西河谷管理局 (Tennessee Valley Authority) 發言人 Scott Brooks 說，雖然具體情況因個例而異，但“更換核電站部件越來越划算”的假設通常是正確的。該機構運營著幾個核電站。
Gaertner 說：“憑藉 30 年的運營經驗，我們認為我們可以重新評估運營核電站所涉及的許多原始假設。”
裂縫致命
自從恩里科·費米及其合作者在芝加哥大學廢棄的運動場看臺下創造了世界上第一次人工裂變反應以來，已經過去了近 70 年。在此期間，科學家們已經瞭解了很多關於中子（為原子核提供壓載的無電荷粒子）如何改變材料組成的資訊。
中子是核能的有效觸發器。每次鈾在核反應堆中分裂時，都會以高能量射出中子。這些中子反過來又會導致更多的鈾分裂，從而產生自持反應。但是，在引起這些分裂的同時，中子也會無情地衝擊包裹核反應堆的鋼材和其他金屬，即壓力容器。
Gaertner 說：“從物理學家的角度來看，[中子]就像保齡球一樣。”
他補充說：“每年都會發生數百萬次、數百萬次的撞擊。在某個時候，它開始影響反應堆容器。”
Was 說，經過一段時間（幾十年或更長時間），輻射會導致金屬的微觀結構發生變化。無情的轟擊會產生微小的缺陷，例如位錯環或沉澱物，這些缺陷“往往會使材料硬化”，Was 說。“當它變硬時，代價是延展性——即變形的能力。”
隨著金屬失去這種可塑性，它們就失去了讓步的能力，變得脆化，併成為裂縫和裂紋的滋生地。當涉及到核電站時，裂縫是致命的。
Was 說：“裂縫，即壓力容器的失效，一直是限制核電站壽命的主要問題之一。如果你不能證明它的完整性，那麼在延長壽命方面你就無能為力了。”
在尚未理解的方式中，核反應堆中使用的純淨水最終會伴隨腐蝕，從而與金屬合金中初始的斷裂相互作用並加劇這種斷裂。據該機構發言人 Scott Burnell 稱，在考慮美國反應堆的未來時，此類裂縫是 NRC 關注的主要問題之一。
科學家們說，這種會影響到擋板螺栓等核心部件的裂縫已經研究了 30 年，但仍然無法解釋。與此同時，據 EPRI 稱，由於被迫停運、增加檢查要求、更換部件和加強監管審查，它已給美國核工業造成了約 100 億美元的損失。
Gaertner 說，在未來十年裡，控制年齡引起的裂縫將成為核科學家和工程師的主要任務之一，因為預計美國監管機構在將延期期限延長至 80 年時會更加嚴格，他們將要求建立預測何時會發生裂縫的模型。
由於重現 60 年的自然中子暴露幾乎不具有時間效益，因此科學家們使用測試反應堆來使鋼和其他合金（在反應堆系統中可以找到多達 25 種金屬）暴露於更高能量的輻射，從而模擬核電站的條件。
一旦模擬完成，就會對金屬進行高功率成像。因此，法國的MAI擁有世界上最強大的電子顯微鏡之一。這種成像技術和計算能力的巨大提升，現在使科學家能夠將從金屬表面蒸發掉的數百萬個原子重構成類似於照片的影像。據Was說，所達到的解析度使得人們對金屬開裂有了前所未有的深入瞭解。
“我們對它們的形成方式以及形成原因有了更好的理解，”Was說。“一旦我們知道了這一點，我們就可以利用這些知識來預測未來硬化將會如何發生，以及潛在的風險是什麼。”
未解決的問題
美國能源部的Szilard說，還有一些可能完全無法預料的風險，或者其他需要研究的材料，例如輻射對混凝土的長期影響，這方面人們知之甚少。
“我們將尋找可能迄今為止尚未顯現的機制，”他說。
該行業已經熟練掌握了更換大型昂貴部件（如反應堆堆頭和汽輪機）的技能——在大修中，可能花費數億美元。一旦發現缺陷，幾乎所有結構問題都可以解決。
美國能源部發言人蒂芙尼·愛德華茲說：“今天，反應堆電廠中的幾乎每個部件都曾被更換過一次。例外情況是反應堆壓力容器和混凝土[安全殼]結構。但是，即使是這些也可以考慮更換。”
壓力容器仍然是科學家們面臨的最大挑戰，他們試圖確定哪些型別的容器可能無法使用到80年。如果發現潛在的缺陷，則有可能使用一種稱為退火的冶金技術，這種技術過去曾在俄羅斯的核反應堆中使用過，但在美國從未用過。
簡而言之，退火需要加熱壓力容器的金屬，以消除輻射造成的損傷，可能使其恢復到接近原始狀態。“這是一項非常大的工作，而且非常具有挑戰性，”Was說。
“存在著損傷會多快恢復的問題，”他說。“並非所有這些問題都得到了解答，但令人鼓舞的是，即使是壓力容器也可以被更換。”
MAI的李說，美國的第一代核電站的工程師們非常謹慎，這為美國帶來了好處，正如其電廠能夠順利跨越40年大關所見證的那樣。
李說：“我們知道，考慮到所留下的裕量，它們的設計過於充分，因此超過40年沒有問題。”
雖然最終何時延長核電站壽命的決定將取決於公用事業公司，但加特納預計這些決定不會因結構問題而受阻。
他說：“我們非常有信心，所有問題都有技術解決方案，而且成本可能值得。”
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