核電站取水口海生物驅趕消殺技術研究

張高明，於 凡，張啟明，歐陽暉，杜紅彪

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核電站取水口海生物驅趕消殺技術研究

張高明1，於 凡2，張啟明3，歐陽暉1，杜紅彪1

（1. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064；2. 中廣核工程設計有限公司，廣東深圳 518116；3. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

近年來，國內多座濱海核電站海生物頻繁入侵，可能引發冷源取水口堵塞、核電站跳堆事故，嚴重影響核電站的安全可靠運行。本文對國內外核電站冷源防護技術進行了廣泛調研，介紹了多種海生物驅趕消殺技術，分析了各種技術的作用原理，論述了各種技術的優缺點，給出了工程指導建議。結合核電站取水口立體縱深防護原則，提出了一種海生物驅趕消殺綜合系統模型，為核電站改造以及新建核電站規劃設計提供了參考。

核電站 取水口 海生物 驅趕消殺

0 引言

核電站取水口是常規島循環水、重要廠用水以及循環水處理等關鍵系統的重要水源。國家核安全局在2016年印發《關于近期海洋生物或異物影響核電廠取水安全事件的通報》，通報了涉及國內大亞灣、寧德、紅沿河等核電站因海生物或異物堵塞影響取水安全的事件[1]。2004年至2008年發生的61起取水口堵塞事件，大部分由海生物堵塞造成，還有事件涉及碎冰、泥沙或淤泥、外來原油泄漏，以及突發性的如麥秸桿等外來垃圾雜物的侵襲。海生物或異物所造成的堵塞可能導致機組降功率運行乃至停堆，嚴重時會對最終熱阱可用性構成威脅，如何針對海生物進行有效的驅趕消殺是冷源防護亟待解決的問題[2-8]。

針對此類問題，國內多座濱海核電站采取了一系列防護措施，比如在取水口前端加裝全斷面式攔截濾網，雖緩解了部分海生物入侵的問題，但面對多樣的海洋環境和不同的海生物仍存在不足[9,10]。浮游生物和固著生物的驅趕消殺一般使用消殺劑，但消殺劑的應用會對海洋生物和生態環境造成較大影響。本文對海生物驅趕消殺技術進行深入研究，為核電站取水口海生物驅趕消殺工程提供參考。

1 驅趕消殺技術綜述

目前，國內外核電站取水口周邊的海生物，主要包括浮游動植物、游泳動物及底棲生物。潛在影響我國濱海核電站冷源系統的海生物概述如下：浮游動植物，包括水母類（海月水母、沙海蜇等）、被囊類（異體住囊蟲、紅住囊蟲等）、海樽、糠蝦、球形棕囊藻、滸苔、束毛藻、葉光藻等；游泳動物，包括蝦類（中國毛蝦、口蝦蛄等）、中上層魚類（金色小沙丁魚、黃鯽等）、底層魚類（大銀魚、龍頭魚等）等；底棲生物，包括多毛類、棘皮動物、螠蟲、甲殼動物、星蟲、軟體動物、腔腸動物、脊索動物等。

據現場調研，國內外多座核電站在其上游進水結構前緣及下游出流結構尾水區，均大規模安裝了物理攔截網，該方法原理簡單、結構穩定，但對個體較小的海生物攔截效果較差，且存在海生物撞擊損壞、堆積堵塞影響結構過水能力、維護修復不便等問題[11-12]。

本文研究了多種核電站取水口海生物攔截、驅趕和消殺技術，基于安全性、有效性、可安裝性、可維護性、經濟性等設計原則，結合美國EPRI（電力研究協會）、中科院海洋研究所等國內外權威機構已有研究成果，探索非物理防御手段的海生物驅趕消殺技術。其中，熱攔截、化學驅趕、取水口改造技術存在如下問題：

1）熱攔截技術耗能巨大，熱效應可能影響取水口冷卻效果；

2）化學驅趕技術中的有效成分易稀釋，還會對核電站生態環境造成不利影響；

3）取水口改造難度較大，對土建施工要求較高。綜合上述，后文主要針對聲、光、電、氣 泡幕、改性粘土等驅趕消殺技術進行深入研究。

1.1 聲波驅趕技術

據研究，部分海生物對聲波敏感，可利用水下聲波進行驅趕，其關鍵技術難點在于兩個方面：如何在水下產生有效聲波，如何選擇聲波參數（聲壓級、頻率等）[13]。

1）聲波有效性

近年來，研究人員對聲波驅趕做了大量研究，通過播放海生物畏懼聲音來實現驅趕，當聲波的聲壓大于某一數值時，聲波會對部分海生物起到威嚇作用，達到驅趕目的。日本學者曾用聲波驅趕海豚以保護漁場，美國學者Dernalker利用聲波引導鱔魚到安全水域[14]。此外，根據部分海生物的負趨音性，可用捕食者特點的聲波實現目標海生物的驅趕[15]。

2）聲波參數

游泳動物中魚類的感聲系統包含內耳、側線、鰾和氣囊等器官，這些器官能夠綜合感知聲波和水體振動。美國學者Taft等人對游泳生物的聲波反應做了大量實驗，結果表明，針對部分游泳動物，聲波頻率在150~200 Hz范圍內驅趕效果明顯[16]。聲波達到一定聲壓級后海生物會產生恐慌，一般魚類對140~160 dB的聲壓有受驚嚇的反應[17]。

圖1 西歐斯海爾德河聲波驅趕系統示意圖

在采用聲波驅趕技術時，要針對特定海生物對象，確定聲波信號頻率、聲壓級、波形，還需考慮海洋環境噪聲、船只聲吶等干擾。聲波驅趕技術還需在海生物聲波頻率特性、聲波趨避行為等方向深入研究。

1.2 光學驅趕技術

光學驅趕技術國內外研究較多，針對光敏感的海生物，可以實現水下驅趕，其關鍵技術在于光照強度、光照顏色、閃光對海生物行為的影響[18]。

1）光照強度

中國水產科學研究院李大鵬發現史氏鱘稚魚 在光照強度100~1100 lx的趨光率為49.55%，無顯著趨光性；當光照強度超過13000 lx時，其100% 避光[19]。太平洋鱘整個生活史中既沒有明顯的趨光行為，也不避光[20]；福州大學羅清平研究發現，隨著光源照度的增加，孔雀魚幼苗的趨光率有明顯上升趨勢，當照度到達2000 lx后，趨光率開始減小[21]。因此，不同海生物對光照強度的趨光性存在差異。

2）光照顏色

不同海生物對光照顏色的表現行為有所差異，浙江海洋學院王萍，發現在光照強度一定、顏色不同的條件下，眼斑擬石首魚對藍、綠光表現負趨光性，在遠離光源處游動[22]?？兹隔~幼苗在紅、黃光中顯得驚慌不安，也表現出負趨光性[21]。

3）閃光

閃光是由短時間的間歇性高強光形成，美國學者Sager等人研究指出，魚類對持續性的光源可能產生正趨光性或負趨光性，但對閃光一般表現為回避行為[23]。加拿大學者Patrick等人研究表明，閃光燈對灰西鯡、黃魚和香魚等有明顯的驅趕效果，在水電站的入水口應用閃光燈，可以很好地控制魚類的行為[24]。

圖2 美國伊利諾伊河光學驅趕系統

光學手段對游泳生物和負趨光性底棲生物具有一定驅趕作用，但由于游泳生物對光刺適應性較強，導致驅趕效率下降，建議將光學與其它驅趕手段結合使用。

1.3 電脈沖攔截技術

電脈沖攔截技術在國內外水利水電設施中應用較為成熟，該技術通過金屬電極在水體中建立電場區域，實現水生物有效攔截，其關鍵技術在

于電極陣的排布形式、脈沖激勵源參數設置、電極材料等。

1）電極陣的排布形式

電極排布方式有單排柱狀電極、雙排柱狀電 極等。電極間電場方向平行于攔截面，在攔截時海生物若垂直于電場方向進入，導致攔截可靠性大大降低；雙排柱狀電極方案攔截更為可靠，可減小單臺設備的功率，但系統成本和復雜度更高。

2）脈沖激勵源參數設置

脈沖激勵源參數有脈沖波形、脈沖頻率和脈沖占空比的選取等。脈沖激勵源一般采用方波脈沖波形，其在水中產生的電場極性不變，可形成有效的攔截，并且不易受外界影響。最佳脈沖頻率的選取和海生物的種類有關，具體根據實際優化選擇。脈沖占空比的設置，取決于如何平衡攔截效率和功率大小。

3）電極材料

電極作為電流的傳導載體，電流從電極傳入到海水中時，將在陽極表面發生電化學反應，因此建議陽極電極材料選用金屬材料。此外，電極材料在海水中的自腐蝕要低，腐蝕以均勻腐蝕為佳。

圖3 國內某水庫電脈沖攔截系統

基于上述分析，電脈沖攔截技術尚需進一步突破，如海水電導率引起的系統功耗；適用于多種海生物趨避行為的脈沖激勵源；弱電場下最優電極排布方案等。

1.4 氣泡幕攔截技術

據國內外研究，氣泡幕攔截技術能從海生物的視覺、聽覺和觸覺影響它們的行為，實現有效攔截，其關鍵技術包括：曝氣管的孔徑和孔距參數、氣泡幕光效應等。

1）曝氣管的孔徑和孔距參數

研究人員試驗發現，孔徑1.0 mm、孔距2.5 cm、壓縮空氣壓力為27.46 kPa時，氣泡幕對紅鰭東方鲀的攔截率為71%；青島海洋大學趙錫光等人，研究不同孔距固定氣泡幕對黑鯛的阻攔作用中發現，當孔距為5.0 cm、孔徑0.5 mm時，產生的氣泡體積適中且均勻，攔截率為70%~80%[25]；仍有國外學者認為，適宜的孔距為4.0 cm效果最好[26]。因此得到不同適宜孔距和孔徑，與氣泡幕對不同的海生物產生的視覺效果有關。

2）氣泡幕光效應分析

氣泡幕對海生物的阻攔效果還與光線的強弱和海生物感光敏感程度有關。加拿大學者Brett等人發現，氣泡幕在白天對幼鮭的攔截效果很好，但在黑暗中攔截效果大幅下降[27]。針對此類問題，已有相關研究證明，結合聲、光、氣泡幕攔截技術對銀鯉等海生物攔截率達到97%以上。

圖4 國內某水電站氣泡幕攔截系統

氣泡幕攔截技術對海生物和生態環境影響較小，操作實施安全，可操作性強。游泳生物對氣泡幕適應性較高，并且氣泡幕墻容易受環境如海流、潮汐和風等影響，因此建議將氣泡幕與聲、光、電等技術組合使用。

1.5 改性粘土消殺技術

縱觀國內外赤潮防治的研究歷史，常見的治理方法通常分為物理法、化學法和生物法三大類。物理法局限于小范圍內使用，化學法對自然生態環境有一定的毒負作用，生物法可能引進新的物種而改變原有的生態系統。

改性粘土方法是一種安全、高效、低成本、便于現場操作、可規?；瘧玫挠泻Τ喑睉碧幹梅椒?，不僅可應用于海洋環境的一般性赤潮治理，還可應用于球形棕囊藻等赤潮生物暴發海區的核電站冷源安全保障，在國內濱海核電站冷源保障方面具有廣闊的應用前景。根據海生物攔截、驅趕、消殺技術特點，將各技術性能和效果分別對比如表1、表2所示。

表1 技術性能對比表

表2 技術效果對比表

注釋：★的數量與實施的效果程度相關，—表示不適用。

1.6 復合式驅趕消殺技術

通過分析國內外海生物驅趕消殺技術，并未發現任何單一技術手段，能實現對所有種類海生物的驅趕消殺。海生物行為是對環境中不同信號的復雜響應，因此結合不同刺激信號產生協同反應，使系統能綜合應對海生物，并減小環境擾動帶來的影響。

通過復合不同驅趕消殺技術，更有效實現對水電站、核電站、水庫等領域的針對性防護。

1）聲、氣泡幕復合式技術

美國學者研究的BAFF系統，是由聲波攔截驅趕技術與氣泡幕攔截技術相結合組成，將聲音集成于氣泡幕中產生“聲音墻”，達到攔截與引導海生物的效果?，F場實驗顯示，對某些游泳生物攔截率達到95%。

2）聲、光、氣泡幕復合式技術

該系統已試驗于美國伊利諾伊河，是在BAFF系統基礎上復合光學驅趕技術，結合光學驅趕優勢，可在水下有效攔截更多類型的海生物。初步試驗已顯示，對部分海生物有效攔截率達100%。

3）聲、光、電脈沖、氣泡幕復合式技術

系統結合了聲波、光學、電脈沖和氣泡幕攔截驅趕技術。由于攔截驅趕手段的多樣性，有效減少了海生物對電脈沖攔截的挑戰，同時也明顯降低海生物對刺激信號適應甚至免疫的風險。

復合式系統表現的優勢在于安全、高效和可靠，雖然系統成本和施工難度會相應增加，但完全符合當前核電站取水口對威脅冷源安全的海生物驅趕消殺的設計需求。

2 海生物驅趕消殺綜合系統

面對核電站取水口大規模的海生物入侵，僅靠單一的技術手段無法有效實現驅趕消殺，鑒于各驅趕消殺技術的優劣，融合核電站立體縱深防護的體系設計，總結聲波、氣泡幕、光、電脈沖等四種目前較優的非物理防御手段和改性粘土消殺技術，提出一種海生物驅趕消殺綜合系統模型。

該系統通過綜合控制平臺接入海生物預警信息和海生物數據庫，從而生成相應的驅離參數組合，通過聲波發生器、光源、電攔網、氣泡幕、物理攔網、改性粘土等工具，產生海生物趨避或阻擋的物理效應，進而實現海生物的驅離，另外采用改性粘土消殺技術應對赤潮等浮游生物暴發。

圖5 海生物驅趕消殺綜合系統模型

圖6 系統工作流程圖

海生物由于多道屏障的作用，其運動軌跡是“遇阻回避”、“水流夾帶”、“再次遇阻”，大部分海生物被驅趕或攔截匯集于集中區，剩余部分海生物仍有可能突破屏障，到達物理攔網。

實際工程應用中，海生物驅趕消殺綜合系統要根據擬驅趕目標海生物的生活習性，及所需防護的核電站取水口的結構進行合理有效的設計。

3 結論

在核電站取水口冷源系統受到海生物入侵嚴重影響的背景下，如何有效實現對海生物的驅趕消殺，并堅固防護系統最后一道防線是眾多核電站工作者、研究學者和政府人員共同關注的問題。針對國內外不同驅趕消殺技術展開研究，主要分析了其中聲、光、電、氣泡幕驅趕技術以及改性粘土消殺技術，結合復合式系統，初步提出 了一種海生物驅趕消殺綜合系統模型。

綜合上述研究現狀和主要挑戰，對核電站取水口海生物驅趕消殺技術研究的建議如下：

1）需要搭建綜合實驗平臺，為生產實踐提供基礎數據和理論經驗；

2）對比分析不同驅趕消殺技術，根據實際效果進行分級分區和立體防護；

3）建立核電站取水口海生物驅趕消殺設施規范，為未來新建核電站和電站改造工作提供參考。

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Research on Marine Organism Expulsion and Elimination Nearby Water Intakes of Nuclear Power Plants

Zhang Gaoming1, Yu Fan2, Zhang Qiming3, Ouyang hui1, Du Hongbiao1

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. China Nuclear Power Design Co,Ltd, Shenzhen 518116, Guangdong, China; 3. Suzhou Nuclear Power Research institute, Suzhou 215004, Jiangsu, China)

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1003-4862（2019）01-0022-04

2018-08-02

張高明(1994-)，男，工程師。研究方向：電氣工程及海生物驅趕消殺技術。E-mail: 8575831@qq.com