與水“核”諧，守護核電生命線

段亞飛

中國水利水電科學研究院

|推薦單位|

北京水力發電工程學會

2021年日本的核廢水排海計劃再次將全球目光牽回福島，核廢水是怎么產生的？核能發電與水有什么關系？

與火電一樣，核電也是通過加熱蒸汽、驅動汽輪機發電的，核反應堆其實就是一座鍋爐。這個鍋爐很高效，但燒出來的蒸汽，熱轉電的效率卻僅為1/3，即每發1攝氏度電，就要產生2攝氏度電的棄熱。棄熱必須被及時帶走，才能保障整個系統安全地循環下去，而這需要持續從外部取冷水，降溫機組后，再把熱水排出去。

核電取水失效的后果將非常嚴重。福島核事故的直接原因就是地震海嘯導致取水失靈，堆芯因無法及時冷卻而爆炸，導致核泄漏。事故發生后，為防止衰變熱熔毀堆芯，只能不斷抽取海水直接澆灌反應堆，冷卻水因此被污染，又不能輕易排出，只能先存在罐子里。如此持續10年，累積了127萬噸，相當于500個標準游泳池的核廢水，實在放不下了，日本就打起了排入太平洋的算盤。

福島事故再次提醒我們，安全是核電的生命線，發展核電就如同守護生命一樣，需做到萬無一失。我國為什么一定要發展核電？這是我們的國情決定的。我國已大力發展清潔能源多年，但現在全國超七成的電力供應還依賴高碳排放的火電，重要原因之一是：水、風、光等發電設備需要“靠天吃飯”。2020年10月，煤炭價格上漲，我國火力發電減少，引發了大范圍的拉閘限電，而恰逢持續的多云弱風天氣，讓水電、風電、光電的發電也受到影響。這時，我國核電幾乎火力全開，關鍵時刻頂了上來。作為一種零碳排放能源，核電發電可實現全過程人為控制，機組設備利用率遠高于其他電力類型，因此其被認為是替代火電，保障電網基礎負荷的最有效方案之一。故此，安全穩妥地發展核電已成為我國全面進入清潔能源時代、實現“雙碳”承諾的必然選擇。

由于充分認識到穩定水源的重要性，我國所有核電站均布局在沿海。福島事故之后，國家更加重視取排水安全。如果把核電站比作一個熱血青年，那么為了健康他需要做好3件事。

第一，喝到水。雖然我國海嘯概率很低，但喝海水有個風險——“怕塞牙”。餐桌上常見的毛蝦，曾在去年大量涌入并堵塞廣東某核電站取水口，連續逼停4座百萬千瓦機組。馬尾藻在2018年博鰲論壇期間又堵住某核電站取水口，導致2座反應堆停堆。近些年全球還發生過很多起海生物入侵導致核電站保護性停堆的事件，引起了各方的高度重視。

第二，喝涼水。人熱的時候愛喝涼水，核電為了高效冷卻也必須做到低溫取水，尤其不能受自身溫排水的過大影響。曾經就有電廠因不合理的取排水口布置，溫排水未經充分摻混稀釋，又被取水口取回，形成“熱水短路”，水越喝越燒“芯”，最后電廠機組無法承受，不得不停機改造。

第三，排好水。核電棄熱量非常大，如果把全國核電的棄熱，全部匯集至長江，可使長江入海口附近的水溫升高約1.3攝氏度。大量超溫水長年累月地排放入海，會對區域生態造成不利影響，因此必須采取措施減小此類負面生態影響。

上述核電取排水的水量、水溫、熱影響問題，受當地潮汐、氣象、地形和生物組成等多重因素影響，各廠址所面臨的挑戰不同，問題十分復雜。但通過多年實踐，我們團隊找到了一種通用的應對技術：以工程流體力學、環境水力學理論為基礎，充分利用當地自然條件，因勢利導地優化海工布置，結合模擬和監測做導流設計，成功解決了很多取、排水難題。

在取水防堵方面，團隊針對當地潮流和生物特點開展數值仿真和試驗，基于水動力“避、導、攔、清”理念，實現防海生物從被動攔截向主動防御的轉變。例如取水口增設圓弧堤，制造水流旋渦來捕獲海洋異物，相當于人在喝水時讓異物只塞一個牙縫，用一根牙簽即可輕松清理。這種巧妙設計，有力支撐了海南昌江等核電站的取水渠防堵改造工作。

在水溫安全方面，為削弱溫排水對自身取水的影響，我們同樣充分利用自然地形、環境流和熱水上浮特點，先后提出了底取表排的“重疊式”、近取遠排的“差位式”等創新的布置形式，促成“取排水各行其道，冷熱水流路不同”。20世紀，大亞灣核電站就是充分利用了當地“輻散輻合”的漲落潮特征，用明渠替代了法國提出的長隧洞排水方案，為國家節省了2億元投資，該項目也因此獲得了此領域唯一的國家科技進步一等 獎。

在生態安全方面，通過多年攻關，我們提出數值模擬、物理試驗和原型監測相結合的技術，科學優化取排水布置，以最大程度地減小核電排熱影響。這期間，我們研發的“多過程驅動的近海水溫模型”，考慮了“水—氣—冰—陸—廠”多界面、多相態換熱，用物理過程的豐富支撐了精細化模擬。同時，我們依托“國家科技重大專項”，在人工氣象廳內開展縮尺模型試驗，類似于通過動態沙盤來模擬取排水過程，形成相關理論和試驗標準，成功指導了我國幾乎所有核電工程。

為了評價和提升我們的技術，2015年至今，我們利用衛星遙感、無人機、無人船等先進技術，完成了國內6座核電站的海陸空天一體化監測。四大海區，我親身體驗了北部灣的洶涌海浪，感受了渤海東岸的如鏡水面，見過防城港的晨霧暮霞，賞過連云港的平生海月。我自己也從最初的嚴重暈船，鍛煉成一個見過大風大浪的人。不過，這些監測工作的更大意義，在于為我國核電取排水安全與生態影響評價積累了寶貴的監測數 據。

通過監測我們發現：優化后的取排水布置，均保障了不超過1攝氏度的取水溫升，同時很好地控制了核電廠排熱影響范圍。海南昌江核電站的離岸深排，使溫排水主要影響區成功避開了珊瑚礁分布區;防城港紅沙核電站的6千米排水長堤，讓當前的溫排水混合區各種潮型均未影響到紅樹林。在核電取排水方面，我們基本實現了生態友好。

上述就是我們團隊在濱海核電安全取水與生態排水領域的若干研究和實踐。未來，隨著我國能源轉型與海洋生態保護戰略的推進，核電發展也將更加注重安全和生態友好，我們團隊的研究也會繼續直面國家和行業需求，與時俱進。

多年的科研讓我體會到：高明的取排水設計，順應自然，因勢利導，是為天地立心;涉核工作，利關公眾，影響后代，需嚴謹待之，是為生民立命;科學研究，在繼承中發揚，在創新中進步，是為往圣繼新學;而我們團隊所有工作之初衷，在于守護國家核安全和海洋生態安全，是為萬世開太平。作為身處科研一線的共產黨員，我想以此四句致敬我們的事業，堅守自己的初心：為天地立心、為生民立命、為往圣繼新學、為萬事開太平！