在全球氣候變暖備受關(guān)注的背景下，人類急需發(fā)展新的電力能源，核能是當(dāng)前有效解決溫室效應(yīng)與高品質(zhì)社會(huì)對(duì)能源大規(guī)模需求的為數(shù)不多的方案之一。自1954年第一座核電站建造以來(lái)，人類已和平利用核能64年。世界核協(xié)會(huì)（World Nuclear Association）于2017年8月公布，全球共有447臺(tái)核電機(jī)組，總裝機(jī)容量約390百萬(wàn)千瓦，為世界提供將近11%的電力。作為如此重要的優(yōu)秀能源，核廢料的處置卻是其長(zhǎng)期面臨的一個(gè)揮之不去的問(wèn)題，而造成核廢料處置難的其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題則是核廢料（特別是高放射性的乏燃料）處理設(shè)備的腐蝕問(wèn)題。

    ——題記

    問(wèn)題一：何謂“核廢料”及“乏燃料”，問(wèn)題重要性在哪？

    “核廢料”泛指在核燃料生產(chǎn)、加工及核反應(yīng)堆用過(guò)的不再需要的并具有放射性的廢料，其中最重要的一部分是乏燃料。“乏燃料”則特指已在商業(yè)核反應(yīng)堆中使用過(guò)的燃料組件，但這些燃料組件不能再經(jīng)濟(jì)地維持核反應(yīng)。核廢料中97%是中低放廢物，3%是高放廢物（絕大多數(shù)源于乏燃料），乏燃料中含有95%的鈾或二氧化鈾、1%的钚及4%的其他核素，如圖1。

圖1 核廢料的組成

    雖然有個(gè)“乏”字作前綴，可乏燃料并非“無(wú)用的廢物”。相反，它渾身是寶，但又充滿危險(xiǎn)，若不善加處理，會(huì)造成資源高浪費(fèi)與輻射高污染。

    從燃料利用率方面來(lái)看，目前僅能利用天然鈾中0.7%的U-235作為核燃料，而絕大多數(shù)U-238卻未加利用，鈾資源綜合利用率不到1%。據(jù)世界能源組織估計(jì)，按目前核燃料消耗速率，地球上的鈾儲(chǔ)量大約只夠使用200年。

    從輻射危害性方面來(lái)看，我國(guó)乏燃料累積量逐年迅速增長(zhǎng)，如2015年運(yùn)行的22個(gè)核電機(jī)組產(chǎn)生約600噸乏燃料，如果不做任何處理，則其中150公斤的高放射廢物需1.2×1010萬(wàn)噸水稀釋才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于長(zhǎng)江136年的水流量。如不做任何處理直接排放到大自然中，放射性可殘留數(shù)十萬(wàn)年，其造成的危害可想而知！

    因此，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)性還是安全性考慮，對(duì)反應(yīng)堆產(chǎn)生的這些核廢料，尤其是乏燃料，必須得到妥善處理。

    問(wèn)題二：如何處理乏燃料，有哪些腐蝕問(wèn)題？

    最簡(jiǎn)單粗暴的處理方式為“一次通過(guò)”方式，即找個(gè)與世無(wú)爭(zhēng)的地方將乏燃料刨坑埋了，這種方式一勞永逸，但不能保證數(shù)百萬(wàn)年的地質(zhì)穩(wěn)定和輻射安全，還可能因各種天災(zāi)人禍早早就發(fā)生意外泄露事故。

    所以科學(xué)家們提出了兩種方法來(lái)處理乏燃料：

    第一為開式燃料循環(huán)，即乏燃料經(jīng)冷卻、包裝后作為廢物送到深地質(zhì)層處置或長(zhǎng)期貯存；第二為閉式燃料循環(huán)，乏燃料在核電站乏燃料水池貯存5～6年（此時(shí)其衰變熱和放射性已經(jīng)降到適當(dāng)水平）后，運(yùn)至后處理廠進(jìn)行后處理。在后處理環(huán)節(jié)，乏燃料被切成小塊，放進(jìn)酸里溶解，提取有用的鈾和钚重新做成燃料循環(huán)使用，剩下的廢液交由玻璃固化廠進(jìn)行固化，再裝進(jìn)特制干式貯存容器中，送至永久性處置場(chǎng)進(jìn)行封存。

    目前，國(guó)際上大多采用這種濕法儲(chǔ)存再進(jìn)行閉式循環(huán)的后處理方式，如圖2。

圖2 乏燃料的產(chǎn)生及儲(chǔ)存

    儲(chǔ)存是一個(gè)長(zhǎng)鏈，中間各環(huán)節(jié)存在各式各樣的腐蝕問(wèn)題，其中最具有核電特色也最為重要的兩個(gè)問(wèn)題如下：

    乏燃料水池的腐蝕，主要涉及乏燃料儲(chǔ)存過(guò)程中水池中的硼酸對(duì)乏燃料水池不銹鋼覆面的腐蝕，詳細(xì)內(nèi)容在下文進(jìn)行敘述。還有人認(rèn)為由于核電站建在靠海的地方，空氣中的氯離子有可能會(huì)吸附在乏燃料水池不銹鋼覆面，由于氯離子是引起點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的重要因素，從而也會(huì)造成乏燃料水池發(fā)生腐蝕失效。

    干式儲(chǔ)存桶的腐蝕，干式儲(chǔ)存桶通常為金屬制密閉容器（如美國(guó)薩凡納河廠采用304L），容器外層為混凝土或金屬來(lái)屏蔽輻射，內(nèi)部采用CO2、空氣或惰性氣體來(lái)冷卻乏燃料。干式桶用來(lái)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化為硼硅酸鹽玻璃的放射性廢物，然后被送至深地質(zhì)層進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存。由于所有的環(huán)境中都存在氯化物，如土壤、地下水、涂料以及汗水中等，并且金屬容器不可避免存在殘余拉應(yīng)力，灌滿熔融的玻璃以后，又采用焊接密封，加上乏燃料剩余反應(yīng)產(chǎn)生的余熱累積，很難保證這些干式桶在數(shù)百年內(nèi)不會(huì)發(fā)生腐蝕失效。此外，乏燃料的溶解過(guò)程或揮發(fā)過(guò)程會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕，產(chǎn)生的固態(tài)廢物難以進(jìn)一步處理等。例如美國(guó)Yucca山放射性廢物永久性處置庫(kù)建造項(xiàng)目，其中有一部分原因便是由于儲(chǔ)存桶的腐蝕泄漏造成輻射污染問(wèn)題而被廢除。鑒于篇幅原因，干式儲(chǔ)存桶的腐蝕問(wèn)題本文不做詳述，而主要對(duì)乏燃料水池相關(guān)的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行討論。

    問(wèn)題三：什么是乏燃料水池（Spent Fuel Pool）呢？

    乏燃料水池（簡(jiǎn)稱SFP）屬于核安全二級(jí)設(shè)備，核安全共分為1、2、3、4四個(gè)等級(jí)，輻射依次減弱。SFP的主要功能是貯存反應(yīng)后的核燃料組件，為核設(shè)備運(yùn)行提供適宜和清潔的環(huán)境，阻止放射性物質(zhì)滲入核電站內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)，確保工作人員的工作環(huán)境安全，方便核電站退役后清潔處理，燃料臨時(shí)存放，廢料處理等。因此，保證SFP的結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要，其直接影響著核電站運(yùn)行的安全性。

    圖3是典型的SFP圖片，類似于游泳池，是一個(gè)有四面豎直墻壁、一個(gè)底面且頂部敞口的結(jié)構(gòu)。乏燃料水池中的主要冷卻劑是硼酸水，以我國(guó)秦山核電站為例，其SFP尺寸為7.9×7.9×12.15（m），基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是0.8～3m厚的鋼筋混凝土。為防止硼酸水泄漏，在混凝土水池內(nèi)壁設(shè)計(jì)一層不銹鋼襯里（常用材料是304L奧氏體不銹鋼，目前在建和在研的三代核電站采用S32101雙相不銹鋼），稱為不銹鋼覆面。覆面厚度約為4～6mm，以混凝土墻中預(yù)埋的支撐骨架為墊板進(jìn)行組對(duì)焊接，如圖4所示。

    說(shuō)到這里，關(guān)于乏燃料水池的結(jié)構(gòu)和功能，相信大家一定會(huì)有一個(gè)深刻的了解，接下來(lái)該說(shuō)明乏燃料水池不銹鋼覆面在硼酸水溶液中的腐蝕問(wèn)題。

    圖3 乏燃料水池典型結(jié)構(gòu)圖

4 覆面以節(jié)點(diǎn)板為支撐骨架焊接結(jié)構(gòu)示意圖

    問(wèn)題四：為什么乏燃料水池會(huì)發(fā)生硼酸腐蝕？

    由于硼酸可以有效吸收中子，減緩核反應(yīng)，因此被作為一種安全防護(hù)物質(zhì)廣泛應(yīng)用于核工業(yè)。硼酸本身是一種弱酸，在腐蝕防護(hù)中可作為緩蝕劑使用，通常它對(duì)設(shè)備的腐蝕影響很小，腐蝕發(fā)生的主要原因是由于硼酸泄漏，水分子蒸發(fā)濃縮后形成濃縮硼酸水溶液，最后形成結(jié)晶，在95℃下飽和硼酸水溶液的pH＜3，具有很強(qiáng)的腐蝕性，常常使碳鋼和低合金鋼這類材料發(fā)生溶解腐蝕。

    一般乏燃料水池水溫小于50℃，短期異常或事故下最高溫度約80℃，水池中含硼2000～2500mg/L、Cl-濃度＜0.5mg/L，水溶液pH接近中性，發(fā)生腐蝕的幾率應(yīng)該很小，但是工程實(shí)踐表明確有腐蝕發(fā)生。

    研究表明，不銹鋼覆面拼接焊縫處屬于薄弱區(qū)域，最易遭受腐蝕，若焊縫缺陷區(qū)域產(chǎn)生穿孔或腐蝕裂紋（裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而誘發(fā)應(yīng)力腐蝕破裂）后，導(dǎo)致硼酸水溶液泄露至覆面與混凝土間的夾層區(qū)，混凝土層受到硼酸水溶液的浸泡和腐蝕，即使是在50℃的低溫下，也會(huì)使硼水溶液中的水分緩慢蒸發(fā)，使得局部區(qū)域硼酸濃度升高產(chǎn)生酸化環(huán)境，而酸化是引起點(diǎn)腐蝕的重要因素，進(jìn)而使不銹鋼覆面焊縫處發(fā)生點(diǎn)蝕孔穴（圖5），蝕孔處作為新的應(yīng)力源，造成危害更深的應(yīng)力腐蝕破裂。此外由于硼酸水溶液向混凝土墻體的隨機(jī)滲入，從混凝土中滲出的Cl-也會(huì)加速不銹鋼引發(fā)應(yīng)力腐蝕破裂的危險(xiǎn)。圖6正是覆面由于硼酸溶液浸泡混凝土后，混凝土中滲出的Cl-促使覆面發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕破裂。

圖5 焊縫缺陷處引發(fā)的點(diǎn)蝕現(xiàn)象

圖6 304L不銹鋼覆面氯離子穿晶應(yīng)力腐蝕破裂（a）光學(xué)顯微鏡下裂紋截面的形貌 （b）裂紋尖端的顯微形貌

    材料工作者們不僅從實(shí)地考察水池發(fā)生泄漏的原因。還進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)室模擬水池服役環(huán)境，研究304L不銹鋼在硼酸水溶液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)在室溫下，304L整體耐蝕性良好，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，局部區(qū)域稍顯腐蝕，最終腐蝕速率基本保持穩(wěn)定；隨著溫度升高，304L耐蝕性減弱。不僅如此，材料學(xué)家們也從源頭查找問(wèn)題，比如材料的成分、品質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，施工建造是否符合要求，并且努力研發(fā)綜合性能更加優(yōu)良的材料替換失效的材料。

    總之，雖然SFP水化學(xué)環(huán)境優(yōu)良，但是由于一些材料設(shè)計(jì)不當(dāng)或者施工操作不規(guī)范等原因，也會(huì)發(fā)生腐蝕。如果碰上不可預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害，如特大風(fēng)暴、海嘯、地震等，可能造成其過(guò)早失效，服役壽命顯著縮短，還會(huì)給我們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡。

    問(wèn)題五：如何檢測(cè)及預(yù)防硼酸泄露？

    核電站設(shè)計(jì)壽命一般為40～60年，為保證SFP在核電運(yùn)行期間不發(fā)生泄露，萬(wàn)一發(fā)生泄漏也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)，因此有必要對(duì)其進(jìn)行細(xì)心設(shè)計(jì)與安裝。

    為達(dá)到這一目的，在設(shè)計(jì)中采用的方法有：

    在安裝現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置檢測(cè)槽，便于射線檢測(cè)；在保證焊接工藝的條件下，盡量減小焊接接頭，使母材受焊接影響的區(qū)域最小，減小腐蝕敏感區(qū)域；在所有的焊縫處設(shè)置泄露檢測(cè)槽，用于檢測(cè)焊縫是否泄露。

    圖7是SFP不銹鋼底覆面以探傷通道為支撐骨架的結(jié)構(gòu)示意圖。這里的探傷通道也就是泄露檢測(cè)槽，通過(guò)泄露檢測(cè)槽的引漏管可以判斷是否發(fā)生硼酸水泄露，由于SFP表面積較大，一般需要幾小時(shí)或幾天才能觀察到有明顯水位下降。底覆面焊縫背部裝有射線檢測(cè)插片，用于檢測(cè)發(fā)生泄漏的位置，其余覆面焊縫背部只有工藝疏水槽。

圖7 覆面焊縫以探傷通道為支撐骨架的結(jié)構(gòu)示意圖

    圖8是核電站水池泄漏的分析流程。主要檢漏技術(shù)有：

    外觀目視檢測(cè)（Visual Testing，簡(jiǎn)稱VT），即通過(guò)放大鏡放大或直接目視觀察檢查泄漏點(diǎn)。若VT仍有疑問(wèn)，需采用真空發(fā)泡法等進(jìn)行檢驗(yàn)是否存在泄漏點(diǎn)。

    真空發(fā)泡法，是將起泡溶液涂裝在受檢表面，再將真空盒置于焊縫上，通過(guò)真空泵抽吸使盒內(nèi)與外部空氣保持一定的壓力差，保壓20s后觀察盒內(nèi)是否有氣泡，若無(wú)則受檢焊縫合格。

    液體滲透檢驗(yàn)（Penetrant testing，簡(jiǎn)稱PT），將含有熒光染料或著色燃料的滲透劑施涂于試樣表面，在毛細(xì)管作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，滲透劑滲入表面開口缺陷；去除表面多余滲透劑后，再施涂顯像劑，缺陷中保留的滲透劑受到顯像劑的吸引，回滲入顯像劑，在光源照射下，缺陷處的滲透劑痕跡被顯示出來(lái)，從而探測(cè)到缺陷的形貌及分布狀態(tài)。由于PT在裂紋、氣孔等表面缺陷檢驗(yàn)方面具有很高的靈敏度，因此在水池泄漏檢測(cè)中受到廣泛應(yīng)用。

    氦質(zhì)譜檢漏，其靈敏度更高，目前廣泛應(yīng)用于核電站凝汽器、汽輪機(jī)真空和水池的檢漏。氦質(zhì)譜檢漏分為真空（負(fù)壓）檢漏和充氣（正壓）檢漏。前者以噴吹法最常見，后者則以吸槍法為代表。

圖8 核電站水池泄漏分析處理流程圖

    問(wèn)題六：核電站到底安全嗎？

    作為結(jié)尾，很有必要釋疑公眾最關(guān)心的兩個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題：

    （1）核電站會(huì)不會(huì)像廣島原子彈那樣發(fā)生爆炸？

    （2）核電站究竟會(huì)給周邊環(huán)境帶來(lái)多大的核輻射核污染？

    首先說(shuō)明一下第一個(gè)問(wèn)題，核電站不會(huì)像廣島原子彈那樣發(fā)生爆炸。因?yàn)閮烧叩脑O(shè)計(jì)思想、構(gòu)造和部件是截然不同的。以圖9為例，雖然核電和原子彈都以鈾U為核燃料，但是核電中反應(yīng)堆里裝的是低濃度的U-235，含量不到5%；原子彈采用的是高濃度的武器級(jí)U-235或Pu-239，含量高達(dá)90%以上。其次，原子彈采用的不可控制的自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而反應(yīng)堆則是一種人工控制的自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

    圖9 核電站與原子彈的比較接著看一下第二個(gè)問(wèn)題，核電站帶來(lái)的輻射不到天然輻射的1%。由于核電站的多重屏蔽和嚴(yán)格管理，核電站周圍公眾所受到的輻射劑量為0.01毫希/年，小于胸肺透視，乘坐飛機(jī)，土壤等帶來(lái)的輻射，如圖10所示。

    圖10 居民在生活中受到的天然輻射劑量核電不僅安全，還很清潔和經(jīng)濟(jì)。相對(duì)于火電來(lái)說(shuō)，核電在運(yùn)行期間幾乎零排放，特別是溫室氣體碳排放，更有利于環(huán)保；其次核燃料價(jià)格穩(wěn)定，不像石油和煤炭受國(guó)際能源危機(jī)的影響，并且核能發(fā)電高效，如一公斤鈾能發(fā)5萬(wàn)度電，相當(dāng)于2700噸標(biāo)準(zhǔn)煤，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看應(yīng)該發(fā)展核電。隨著人類對(duì)核電的積極發(fā)展及正確認(rèn)識(shí)，相信核能一定會(huì)更好地為我們?nèi)祟惙?wù)，使我們的環(huán)境更加友善，經(jīng)濟(jì)更加發(fā)達(dá)，生活更加美好！

    核電從60余年的風(fēng)風(fēng)雨雨中一路走來(lái)，一直與安全問(wèn)題做著斗爭(zhēng)。乏燃料水池作為核電站中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，硼酸腐蝕泄露問(wèn)題還需進(jìn)一步研究改善，經(jīng)過(guò)科學(xué)家和工程師們的努力克服，核電將會(huì)以新的姿態(tài)為人類提供更加安全高效的服務(wù)。

    ——后記

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責(zé)任編輯：王元

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