在全球气候变暖备受关注的背景下，人类急需发展新的电力能源，核能是当前有效解决温室效应与高品质社会对能源大规模需求的为数不多的方案之一。自1954年第一座核电站建造以来，人类已和平利用核能64年。世界核协会（World Nuclear Association）于2017年8月公布，全球共有447台核电机组，总装机容量约390百万千瓦，为世界提供将近11%的电力。作为如此重要的优秀能源，核废料的处置却是其长期面临的一个挥之不去的问题，而造成核废料处置难的其中一个关键问题则是核废料（特别是高放射性的乏燃料）处理设备的腐蚀问题。

    ——题记

    问题一：何谓“核废料”及“乏燃料”，问题重要性在哪？

    “核废料”泛指在核燃料生产、加工及核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料，其中最重要的一部分是乏燃料。“乏燃料”则特指已在商业核反应堆中使用过的燃料组件，但这些燃料组件不能再经济地维持核反应。核废料中97%是中低放废物，3%是高放废物（绝大多数源于乏燃料），乏燃料中含有95%的铀或二氧化铀、1%的钚及4%的其他核素，如图1。

图1 核废料的组成

    虽然有个“乏”字作前缀，可乏燃料并非“无用的废物”。相反，它浑身是宝，但又充满危险，若不善加处理，会造成资源高浪费与辐射高污染。

    从燃料利用率方面来看，目前仅能利用天然铀中0.7%的U-235作为核燃料，而绝大多数U-238却未加利用，铀资源综合利用率不到1%。据世界能源组织估计，按目前核燃料消耗速率，地球上的铀储量大约只够使用200年。

    从辐射危害性方面来看，我国乏燃料累积量逐年迅速增长，如2015年运行的22个核电机组产生约600吨乏燃料，如果不做任何处理，则其中150公斤的高放射废物需1.2×1010万吨水稀释才能达到排放标准，相当于长江136年的水流量。如不做任何处理直接排放到大自然中，放射性可残留数十万年，其造成的危害可想而知！

    因此，无论是从经济性还是安全性考虑，对反应堆产生的这些核废料，尤其是乏燃料，必须得到妥善处理。

    问题二：如何处理乏燃料，有哪些腐蚀问题？

    最简单粗暴的处理方式为“一次通过”方式，即找个与世无争的地方将乏燃料刨坑埋了，这种方式一劳永逸，但不能保证数百万年的地质稳定和辐射安全，还可能因各种天灾人祸早早就发生意外泄露事故。

    所以科学家们提出了两种方法来处理乏燃料：

    第一为开式燃料循环，即乏燃料经冷却、包装后作为废物送到深地质层处置或长期贮存；第二为闭式燃料循环，乏燃料在核电站乏燃料水池贮存5～6年（此时其衰变热和放射性已经降到适当水平）后，运至后处理厂进行后处理。在后处理环节，乏燃料被切成小块，放进酸里溶解，提取有用的铀和钚重新做成燃料循环使用，剩下的废液交由玻璃固化厂进行固化，再装进特制干式贮存容器中，送至永久性处置场进行封存。

    目前，国际上大多采用这种湿法储存再进行闭式循环的后处理方式，如图2。

图2 乏燃料的产生及储存

    储存是一个长链，中间各环节存在各式各样的腐蚀问题，其中最具有核电特色也最为重要的两个问题如下：

    乏燃料水池的腐蚀，主要涉及乏燃料储存过程中水池中的硼酸对乏燃料水池不锈钢覆面的腐蚀，详细内容在下文进行叙述。还有人认为由于核电站建在靠海的地方，空气中的氯离子有可能会吸附在乏燃料水池不锈钢覆面，由于氯离子是引起点蚀和应力腐蚀的重要因素，从而也会造成乏燃料水池发生腐蚀失效。

    干式储存桶的腐蚀，干式储存桶通常为金属制密闭容器（如美国萨凡纳河厂采用304L），容器外层为混凝土或金属来屏蔽辐射，内部采用CO2、空气或惰性气体来冷却乏燃料。干式桶用来储存转化为硼硅酸盐玻璃的放射性废物，然后被送至深地质层进行长期储存。由于所有的环境中都存在氯化物，如土壤、地下水、涂料以及汗水中等，并且金属容器不可避免存在残余拉应力，灌满熔融的玻璃以后，又采用焊接密封，加上乏燃料剩余反应产生的余热累积，很难保证这些干式桶在数百年内不会发生腐蚀失效。此外，乏燃料的溶解过程或挥发过程会造成严重的设备腐蚀，产生的固态废物难以进一步处理等。例如美国Yucca山放射性废物永久性处置库建造项目，其中有一部分原因便是由于储存桶的腐蚀泄漏造成辐射污染问题而被废除。鉴于篇幅原因，干式储存桶的腐蚀问题本文不做详述，而主要对乏燃料水池相关的腐蚀问题进行讨论。

    问题三：什么是乏燃料水池（Spent Fuel Pool）呢？

    乏燃料水池（简称SFP）属于核安全二级设备，核安全共分为1、2、3、4四个等级，辐射依次减弱。SFP的主要功能是贮存反应后的核燃料组件，为核设备运行提供适宜和清洁的环境，阻止放射性物质渗入核电站内部混凝土结构，确保工作人员的工作环境安全，方便核电站退役后清洁处理，燃料临时存放，废料处理等。因此，保证SFP的结构完整性至关重要，其直接影响着核电站运行的安全性。

    图3是典型的SFP图片，类似于游泳池，是一个有四面竖直墙壁、一个底面且顶部敞口的结构。乏燃料水池中的主要冷却剂是硼酸水，以我国秦山核电站为例，其SFP尺寸为7.9×7.9×12.15（m），基础结构是0.8～3m厚的钢筋混凝土。为防止硼酸水泄漏，在混凝土水池内壁设计一层不锈钢衬里（常用材料是304L奥氏体不锈钢，目前在建和在研的三代核电站采用S32101双相不锈钢），称为不锈钢覆面。覆面厚度约为4～6mm，以混凝土墙中预埋的支撑骨架为垫板进行组对焊接，如图4所示。

    说到这里，关于乏燃料水池的结构和功能，相信大家一定会有一个深刻的了解，接下来该说明乏燃料水池不锈钢覆面在硼酸水溶液中的腐蚀问题。

    图3 乏燃料水池典型结构图

4 覆面以节点板为支撑骨架焊接结构示意图

    问题四：为什么乏燃料水池会发生硼酸腐蚀？

    由于硼酸可以有效吸收中子，减缓核反应，因此被作为一种安全防护物质广泛应用于核工业。硼酸本身是一种弱酸，在腐蚀防护中可作为缓蚀剂使用，通常它对设备的腐蚀影响很小，腐蚀发生的主要原因是由于硼酸泄漏，水分子蒸发浓缩后形成浓缩硼酸水溶液，最后形成结晶，在95℃下饱和硼酸水溶液的pH＜3，具有很强的腐蚀性，常常使碳钢和低合金钢这类材料发生溶解腐蚀。

    一般乏燃料水池水温小于50℃，短期异常或事故下最高温度约80℃，水池中含硼2000～2500mg/L、Cl-浓度＜0.5mg/L，水溶液pH接近中性，发生腐蚀的几率应该很小，但是工程实践表明确有腐蚀发生。

    研究表明，不锈钢覆面拼接焊缝处属于薄弱区域，最易遭受腐蚀，若焊缝缺陷区域产生穿孔或腐蚀裂纹（裂纹处产生应力集中进而诱发应力腐蚀破裂）后，导致硼酸水溶液泄露至覆面与混凝土间的夹层区，混凝土层受到硼酸水溶液的浸泡和腐蚀，即使是在50℃的低温下，也会使硼水溶液中的水分缓慢蒸发，使得局部区域硼酸浓度升高产生酸化环境，而酸化是引起点腐蚀的重要因素，进而使不锈钢覆面焊缝处发生点蚀孔穴（图5），蚀孔处作为新的应力源，造成危害更深的应力腐蚀破裂。此外由于硼酸水溶液向混凝土墙体的随机渗入，从混凝土中渗出的Cl-也会加速不锈钢引发应力腐蚀破裂的危险。图6正是覆面由于硼酸溶液浸泡混凝土后，混凝土中渗出的Cl-促使覆面发生氯离子应力腐蚀破裂。

图5 焊缝缺陷处引发的点蚀现象

图6 304L不锈钢覆面氯离子穿晶应力腐蚀破裂（a）光学显微镜下裂纹截面的形貌 （b）裂纹尖端的显微形貌

    材料工作者们不仅从实地考察水池发生泄漏的原因。还进一步在实验室模拟水池服役环境，研究304L不锈钢在硼酸水溶液中的腐蚀行为，发现在室温下，304L整体耐蚀性良好，随着浸泡时间的延长，局部区域稍显腐蚀，最终腐蚀速率基本保持稳定；随着温度升高，304L耐蚀性减弱。不仅如此，材料学家们也从源头查找问题，比如材料的成分、品质是否达标，施工建造是否符合要求，并且努力研发综合性能更加优良的材料替换失效的材料。

    总之，虽然SFP水化学环境优良，但是由于一些材料设计不当或者施工操作不规范等原因，也会发生腐蚀。如果碰上不可预测的自然灾害，如特大风暴、海啸、地震等，可能造成其过早失效，服役寿命显著缩短，还会给我们带来巨大的经济损失甚至人员伤亡。

    问题五：如何检测及预防硼酸泄露？

    核电站设计寿命一般为40～60年，为保证SFP在核电运行期间不发生泄露，万一发生泄漏也能及时发现并修复，因此有必要对其进行细心设计与安装。

    为达到这一目的，在设计中采用的方法有：

    在安装现场设置检测槽，便于射线检测；在保证焊接工艺的条件下，尽量减小焊接接头，使母材受焊接影响的区域最小，减小腐蚀敏感区域；在所有的焊缝处设置泄露检测槽，用于检测焊缝是否泄露。

    图7是SFP不锈钢底覆面以探伤通道为支撑骨架的结构示意图。这里的探伤通道也就是泄露检测槽，通过泄露检测槽的引漏管可以判断是否发生硼酸水泄露，由于SFP表面积较大，一般需要几小时或几天才能观察到有明显水位下降。底覆面焊缝背部装有射线检测插片，用于检测发生泄漏的位置，其余覆面焊缝背部只有工艺疏水槽。

图7 覆面焊缝以探伤通道为支撑骨架的结构示意图

    图8是核电站水池泄漏的分析流程。主要检漏技术有：

    外观目视检测（Visual Testing，简称VT），即通过放大镜放大或直接目视观察检查泄漏点。若VT仍有疑问，需采用真空发泡法等进行检验是否存在泄漏点。

    真空发泡法，是将起泡溶液涂装在受检表面，再将真空盒置于焊缝上，通过真空泵抽吸使盒内与外部空气保持一定的压力差，保压20s后观察盒内是否有气泡，若无则受检焊缝合格。

    液体渗透检验（Penetrant testing，简称PT），将含有荧光染料或着色燃料的渗透剂施涂于试样表面，在毛细管作用下，经过一段时间，渗透剂渗入表面开口缺陷；去除表面多余渗透剂后，再施涂显像剂，缺陷中保留的渗透剂受到显像剂的吸引，回渗入显像剂，在光源照射下，缺陷处的渗透剂痕迹被显示出来，从而探测到缺陷的形貌及分布状态。由于PT在裂纹、气孔等表面缺陷检验方面具有很高的灵敏度，因此在水池泄漏检测中受到广泛应用。

    氦质谱检漏，其灵敏度更高，目前广泛应用于核电站凝汽器、汽轮机真空和水池的检漏。氦质谱检漏分为真空（负压）检漏和充气（正压）检漏。前者以喷吹法最常见，后者则以吸枪法为代表。

图8 核电站水池泄漏分析处理流程图

    问题六：核电站到底安全吗？

    作为结尾，很有必要释疑公众最关心的两个焦点问题：

    （1）核电站会不会像广岛原子弹那样发生爆炸？

    （2）核电站究竟会给周边环境带来多大的核辐射核污染？

    首先说明一下第一个问题，核电站不会像广岛原子弹那样发生爆炸。因为两者的设计思想、构造和部件是截然不同的。以图9为例，虽然核电和原子弹都以铀U为核燃料，但是核电中反应堆里装的是低浓度的U-235，含量不到5%；原子弹采用的是高浓度的武器级U-235或Pu-239，含量高达90%以上。其次，原子弹采用的不可控制的自持链式反应，而反应堆则是一种人工控制的自持链式反应。

    图9 核电站与原子弹的比较接着看一下第二个问题，核电站带来的辐射不到天然辐射的1%。由于核电站的多重屏蔽和严格管理，核电站周围公众所受到的辐射剂量为0.01毫希/年，小于胸肺透视，乘坐飞机，土壤等带来的辐射，如图10所示。

    图10 居民在生活中受到的天然辐射剂量核电不仅安全，还很清洁和经济。相对于火电来说，核电在运行期间几乎零排放，特别是温室气体碳排放，更有利于环保；其次核燃料价格稳定，不像石油和煤炭受国际能源危机的影响，并且核能发电高效，如一公斤铀能发5万度电，相当于2700吨标准煤，从长远角度来看应该发展核电。随着人类对核电的积极发展及正确认识，相信核能一定会更好地为我们人类服务，使我们的环境更加友善，经济更加发达，生活更加美好！

    核电从60余年的风风雨雨中一路走来，一直与安全问题做着斗争。乏燃料水池作为核电站中的一个重要环节，硼酸腐蚀泄露问题还需进一步研究改善，经过科学家和工程师们的努力克服，核电将会以新的姿态为人类提供更加安全高效的服务。

    ——后记

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责任编辑：王元

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