材料科学和技术的进步扩大了核电的清洁能源效益

达灵顿翻新项目中两台 2 号机组的俯视图。(照片：R. Radell/安大略发电)

材料科学和技术的进步有助于延长核电厂的寿命，因此各国可以继续获得清洁能源的好处。

“为长期运行而翻修核电厂的成本远低于建造新核电厂的成本，”国际原子能机构核电厂运行和工程支持小组组长埃德布拉德利说。“核电站的长期运行是提高当前核能发电可持续性的绝佳机会，因为它是最具成本效益的低碳电力来源之一。与过去相比，我们今天拥有的材料和技术已成为许多试图脱碳的国家的有吸引力且具有竞争力的选择。”

大多数核动力反应堆最初的建造寿命为 30 至 40 年。延长核电厂的寿命涉及评估现有电厂并确定它是否可以安全、可靠和经济高效地在其假定的退役日期之后继续运行。当工厂的寿命延长时，运营通常可以再持续 20 到 40 年。

“鉴于核电厂在初始选址、设计和建造期间所做的广泛而彻底的工作，以及整个运行过程中的老化管理，以及某些升级和翻新，许多核电厂能够继续安全运行，远远超过最初的预期运行时间表，”国际原子能机构高级安全官员罗伯特·克里瓦内克说。然而，他补充说，一些核电站的某些部件和设计无法轻松或经济高效地更新，这意味着它们不适合长期运行。

老化核动力反应堆的主要挑战之一是退化。工厂运行时，其结构和部件必须能够承受高温、恶劣条件和持续运行，随着时间的推移，它们可能会磨损。

“定期评估和更换部件可以减轻性能下降，但随着时间的推移，这可能不是经济上的最佳方法，尤其是在长期运行的情况下，”布拉德利说。

新技术和新材料

激光束焊接和摩擦搅拌焊接等新技术的发展，以及双相不锈钢等材料的发展，这些材料具有更好的耐腐蚀性，这意味着一些部件现在能够安全地使用更长时间，使其在核电站中更经济可行继续操作。

研究人员还在更好地了解核电站的不同运行条件如何影响组件和结构。例如，加拿大安大略省的 CANDU 反应堆于 1970 年至 1993 年投入使用，材料科学研究和部件检查使一些部件能够比预期的 30 年安全运行 10 年。一项耗资 185 亿美元的翻新计划将进一步延长第二个周期，最多再延长 40 年。这意味着 1980 年代建造的一些反应堆将安全运行到 2060 年代。

“我们的反应堆是在我们没有太多核电站历史的时候建造的，我们设计的最初预期寿命保守估计为 30 年，”该公司总裁兼首席执行官 Fred Dermarkar 说。 CANDU Owners Group，一个由使用 CANDU 反应堆的七个国家的核运营商组成的行业组织。“当我们操作这些机器并了解它们并了解它们如何老化时，我们可以意识到继续长期运行的巨大好处。”

Dermarkar 解释了如何使用最先进的材料科学来预测未来多年的材料特性。“坎杜反应堆使用称为压力管的组件来冷却燃料。在反应堆环境中，由于高中子通量、高温和高压以及冷却水的腐蚀，压力管的特性会随时间变化。例如，为了预测腐蚀引起的变化，我们从已从运行中的反应堆中取出的辐照压力管开始。然后我们应用技术来人为加速腐蚀，然后进行大量测试以确定这些人为老化部件的材料特性。通过这种方式，我们能够展示我们可以在多大程度上使用这些组件。

大数据与核电

研究人员现在也在探索如何利用大数据来评估和确定核电站长期运行的可行性。大数据是一个术语，用于描述对非常快速且经常实时收集的极其复杂和大量数据的分析，以识别趋势和模式并预测结果和行为。

对于核电厂的长期运行，从电厂运行中收集数百万个数据点，包括运行日志、反应堆测量和报告的事件。通过使用与核相关的大数据软件挖掘这些数据，研究人员可以使用模拟工具预测工厂的系统、结构和部件在不同条件下如何老化，并确定可能需要更换的部件以及需要更换的大致时间。

“大数据不仅仅是未来;它现在正在发生，而且势头越来越大，”德马卡说。“我们的发电厂正在进行现代化改造，它们配备了更多便携且易于安装的仪器，以收集数据并及早预测问题，使我们能够及早采取纠正措施。我们看到了真正的好处：我们的工厂今天的表现比历史上任何时候都要好。”

帮助各国驾驭核电厂的长期运行是原子能机构工作的一部分。它制定国际公认的安全标准，通过技术出版物提供指导，例如核电厂老化管理：国际通用老化经验教训出版物，并通过长期运行的安全方面 (SALTO) 同行评审团分享专业知识。原子能机构还为来自世界各地的运营商、监管机构和决策者协调一个工作组，讨论他们的经验并分享良好做法。

“长期运行的主要挑战是保持最高的安全标准并以经济的方式做到这一点，”Entergy 核电许可证更新服务主任兼原子能机构长期运行工作组主席加里 G 杨说。“我们的工作组正在不断探索确保效率和安全的方法，并传播该领域正在取得的成果和进展，以使研发对所有人最有益。”