應對海生物入侵問題的核電廠冷源系統設計優化

劉浩 楊開放 王磊

【摘要】隨著人類活動日益頻繁及海洋環境變化，海生物入侵導致核電廠冷源系統頻發故障，威脅核電廠最終冷阱安全，給電廠的經濟性也帶來極大的影響。本文通過分析國內典型的海生物入侵導致的冷源事件，提出核電廠冷源系統設計方面的優化建議，通過優化方案實施，實現提升核電廠冷源系統本質安全和運行安全的目的。

【關鍵詞】冷源系統;海生物;循環冷卻水;安全廠用水

0 ?引言

近年來，國內核電機組海生物入侵事件頻發[1]，日趨惡劣的海洋生態環境和生態災害，已造成多起核電站冷源取水堵塞事件。根據國內核電事件反饋統計，在2007-2020年14年時間內共發生21起冷源事件，通過對導致冷源事件的威脅源歸類統計，發現海生物占55%。良好的冷源系統設計有利于降低海生物入侵事件發生的幾率并降低海生物入侵事件帶來的后果，從而降低核電站冷源事件導致的降負荷或停機停堆事件。

1 ?國內外核電站冷源系統事件

隨著經濟高速發展，人類的活動范圍不斷延伸，海洋經濟異軍突起，人類海洋活動日益加劇。沿海工農業發展迅猛、漁業捕撈加劇、海產品人工養殖業日益興旺，給經濟帶來新的增長極的同時，也不同程度的引起海洋環境趨于惡化，局部海域生態出現失衡現象，優勢物種爆發性增長。赤潮、綠潮、水母、海地瓜爆發等海洋生態災害頻發[2-3]。與此同時，海水伴隨大量海生物進入核電廠海水取水口，造成核電廠凝汽器、核島重要冷卻水系統冷卻器等堵塞，冷源系統設置的前置過濾器因負擔過重失效，對核電廠冷源系統的穩定性帶來極大的威脅，產生冷源事件，引發核電站降負荷或停機停堆，甚至威脅核安全。

根據國內核電事件反饋統計，在2007-2020年14年時間內共發生21起冷源事件，通過對導致冷源事件的威脅源歸類統計，發現海生物占55%。

早期環境調查時，核電廠海水水質較好，水中含沙量、漂浮物、懸浮物較少，但近年來隨著海洋環境惡化，海洋富養化加重趨勢，周邊居民生活垃圾排放以及蝦塘污水排放等，導致海水水質惡化，水母增加，海洋中的麒麟菜、綠藻等出現爆發式增多，同時在極端氣象條件下也可能導致海水取水堵塞[4]。

2國內核電廠冷源系統設計存在的薄弱環節

國內核電機組冷源系統設計雖然存在一定差異，但是工作原理基本相同，而且都是濱海廠址，面臨的主要威脅來源有相似之處。目前國內核電廠冷源系統設計存在的薄弱環節，主要為以下三個方面：

（1）明渠取水堤頭設計不合理

好的取水明渠的設計應考慮具有消浪和導污能力。既可以削減波浪對明渠內攔污設施的沖擊，還應對成群海生物或海洋平面漂浮物具有引導能力，防止其往取水明渠內匯集。反之，不合理的取水設計會導致海生物巡游或惡劣天氣時大量海生物進入取水明渠。如果取水明渠內攔污設施攔截不力，會導致相應海生物或雜物進入泵房，堵塞濾網，嚴重時引起停機停堆事件。

（2）取水明渠攔污設施設置不合理

目前國內核電機組取水明渠攔污設施普遍較為簡單，存在配置過少、組合不合理、縱深防御不夠等問題，一旦出現大規模海生物入侵也容易引發停機停堆事件。

（3）監控預警手段缺乏

國內現有核電機組在監控預警設施方面正處于起步階段，除少數核電站配有成套監控預警設施外，大部分核電機組仍處于無任何監控預警設施下運行。

3 國內核電廠冷源系統設計優化

核電廠冷源系統是電廠運行的冷端系統，與電廠負荷因子密切相關，體現電廠運行的經濟性。同時，冷源系統也承擔著核電廠反應堆導熱最終熱阱的功能，是確保核安全功能重要設施。然而，隨著全球經濟的高速發展，特別是海洋經濟的崛起，人類海洋活動日益加劇，作為最終冷源的海水也是不斷發展變化，它的變化也不斷反饋到核電廠冷源系統，造成冷源系統頻繁失效，給電廠可用率和安全性帶來極大的威脅。

核電廠冷源系統工藝流程基本原理一致，但是系統內各個子系統和設施的設計選型卻不盡相同，總體上需要根據廠址因地制宜，但還是有一些優化的原則值得推薦借鑒的。

（1）取水明渠大堤設計優化

一般來說，核電廠取水口應建成大圍堰式構筑物，環抱式布置，起到消波阻浪的作用，防止海浪直接沖擊取水明渠里面的攔污設施，對攔污設施造成損壞。特別是在臺風頻發地區，環抱式取水大堤的設計可以有效的減輕巨大的風浪對冷源系統的沖擊。除了消浪之外，大堤的設計還應考慮廠址周圍洋流特征，利用洋流實現導流自清潔的功能，從而提升取水口本質安全能力。結合洋流方向，設計大堤走向，有效減少將取水口外圍的巡游的海生物吸入到取水明渠。降低取水明渠攔污設施的負擔。

（2）取水明渠攔污設施設計優化。

應按照“梯次設置、永臨結合、縱深防御”的原則進行設置。在確定設計方案前，在廠址環評時應進行充分的現場調查和社會調查，掌握廠址周圍海洋生物優勢物種，對周圍漁業養殖情況進行充分調研，掌握漁民和養殖業活動對海水帶來的影響。如有必要，可以借助海洋研究院所開展廠址周圍海洋生物監測試驗，獲得更為詳盡的數據。從調查或試驗中，獲取電廠冷源系統初始主要威脅源，以此為輸入條件，針對性的選擇攔污設施進行有效防范。

（3）取水明渠監控預警系統設計

在探測預警系統設計選型時，應綜合考慮水上水下全覆蓋、晴雨臺風天氣全天候、遠端近端全范圍的需要，建立全方位海生物探測和分級預警響應聯動一體化體系，并運用物聯網、云平臺和大數據等現代信息技術手段實現探測分析、數據處理、遠端傳輸、移動共享和預警啟動功能。

海生物探測系統布置完成后，可以利用現代化信息手段進行組網，對探測信息收集、集中處理，依據探測物數量和種類、攔截設施的的完好程度以及氣象水文條件等來綜合形成分級預警。這些預警信息可以通過云平臺，共享到核電廠工作人員的移動終端，隨時隨地接收和處理報警信息。根據不同的預警級別，核電廠工作人員及時啟動相應級別的響應干預措施。

由此可見，通過上述的探測和信息處理預警方案，可以形成提前探測、綜合分析、分級預警和及時響應的一體化智能探測預警支持系統，有效應對全天候、全范圍、全工況的海生物對核電廠冷源系統的突發性入侵。

4 ?結論

隨著經濟社會的高速發展，人類海洋活動日新月異，一方面給人類帶來豐富的海洋資源，另一方面，也給核電廠冷源的運行安全帶來極大的挑戰。近幾年，國內外核電廠頻繁發生冷源事件，越來越讓核電行業認識到核電廠冷源系統面臨的巨大威脅。通過優化冷源系統取水明渠大堤、攔污設施和監控預警系統，可以有效應對全天候、全范圍、全工況的海生物對核電廠冷源系統的突發性入侵。當然各個核電廠根據具體廠址環境的差異，可能也有個性化的選擇。隨著科技的進步以及監管部門和營運單位對冷源系統的重視，冷源系統的設計優化將繼續深入開展。

參考文獻：

[1] Maes J . Tidal and diel periodicity in the cooling-water intake catches of fish and crustaceans at the nuclear power plant Doel[J]. 2000.

[2] 何小奇， 羅麗娟. 基于核電廠取水工程移動式一體化水生物自動清撈處理裝置的可行性研究[J]. 給水排水， 2018， 54（447）：61-65.

[3] 吳慶旺. 新形勢下濱海核電廠取排水方案研究[J]. 給水排水動態， 2017， 43（10）：68-71.

[4] 魏智剛. 核電廠循環水過濾系統隱患分析及維護策略[J]. 產業與科技論壇，2019， 18（21）：62-63.