冷卻水直排無輻射 揭秘核電廠“排尿”套路

◎本刊主筆 季天也

冷卻水直排無輻射 揭秘核電廠“排尿”套路

◎本刊主筆 季天也

5月18日，國家環保部、科技部、住建部、林業局和氣象局五部委印發了《“十三五”環境領域科技創新專項規劃》，其中在核與輻射安全監管方面，提到“研發運行核電廠的‘溫排水’環境影響評價方法”。本文就此帶大家來見識一下核電廠怎樣進行“小解”（排水）：溫排水和放射性廢水是一回事嗎？它對環境的影響體現在哪兒？

核電廠的液態排放物以溫排水和放射性廢液為主，雖然二者都在核電廠里走了一遭，但它們的放射性水平是有本質區別的。我們先從體量上占大頭的溫排水說起。

發一度電會產兩度熱

任何火力或核能發電原理，本質上都可以理解為燒開水。先由煤/油/氣的燃燒和鈾的核裂變過程產生熱能，把水加熱成水蒸氣，然后利用蒸汽的動力推動汽輪機和發電機運轉，才把這股力量轉化成電能。

然而，受制于物理規律和科技水平等因素，在這種燒水發電模式下，并不是所有熱量都能轉化成電力。核電廠的熱效率普遍在30%～35%左右（大型煤電機組熱效率為40%～42%）。這意味著，核燃料產生的能量，只有大約1/3變成了電，其余都以熱量的形式散失了。為了保證整套發電裝置不至于“發燒”，這些余熱需要經過冷凝器傳導給從江河湖海引入的冷水，再排回水體中，這就是溫排水的由來。

核電和火電均會產生溫排水，只不過核電的高壓輕水反應堆（下簡稱壓水堆）和火電鍋爐相比，調低了燒開水的蒸汽壓和溫度，犧牲一定熱效率來換取更好的安全性，因此余熱的產量相對較高。一臺發電功率1000兆瓦級別的壓水堆機組，就要產生2000兆瓦級的余熱。根據遼寧省環保廳的數據，該省紅沿河核電廠6臺機組所需冷卻水的流量為每秒180～300立方米，幾天就能吞吐一個北京密云水庫的容量，排水溫度可能比水體高出6～10℃之多。為此，核電廠大多修建在海邊，方便就近取用大量海水作為冷卻用水。同時，由于潮汐、洋流等海洋活動，再加上海水巨大的體量，濱海核電廠溫排水的熱量有足夠的稀釋和擴散空間，可以用直流供水的方式抽排海水（直取直排），為濱海核電廠提供了有利條件。而內陸核電廠的稀釋條件不如沿海，這些水必須經過上百米高、五六十米粗的冷卻塔冷卻后才能排出（注意，塔頂冒出的“白煙”是水蒸氣遇冷后液化的樣子，和云、霧同理，不是什么氣體污染物哦）。出于公眾態度、選址難度和安全成本等因素的考慮，我國目前在運和在建的都是濱海核電廠。

內陸核電站的溫排水需要經過巨大的錐形冷卻塔（左）降溫后才能排入水體

溫排水和輻射不沾邊

用大量海水作為冷卻用水，廠區周圍的海水豈不都被輻射污染了？答：并不會。

在壓水堆中，流經核燃料被加熱的水、推動汽輪機發電的水（蒸汽）和從自然水體引入再排出的冷卻水，分別在3個封閉的體系里循環。只有一回路里的水與反應堆直接接觸而帶有放射性。這些水在高壓下被核燃料加熱到340℃左右后，并不直接推動汽輪機發電，也不會沸騰，而是進入一個叫蒸汽發生器的裝置，只負責加熱二回路的水，自身冷卻后，再由主泵打回到反應堆內重新加熱，如此循環往復。所以一回路也稱為核蒸汽供應系統，并由穩壓器把蒸汽壓控制在150個大氣壓左右。用來推動汽輪機、帶動發電機發電的，是在蒸汽發生器中被“燒開”的、沒被輻射污染的二回路水。推完汽輪機的蒸汽叫做“乏汽”，乏汽被排入冷凝器，經海水冷卻后又變回液態水，被水泵送回蒸汽發生器再次加熱……

由于一回路的主要設備是核反應堆，通常把一回路及其輔助系統和廠房統稱為核島（NI）；二回路系統因與常規火電廠蒸汽動力回路大致相同，所以統稱為常規島（CI）。

核電廠溫排水不是被反應堆燒熱的，而是被二回路里不帶放射性的水“燙熱”的。蒸汽發生器和冷凝器好比暖氣管，讓兩股水只傳熱而不接觸，溫排水全程碰不到輻射源，排到環境中自然也就沒有放射性。即便是安全性較差、用反應堆燒熱的水直接推動汽輪機發電的沸水型反應堆（即福島核電廠采用的堆型），正常工作時也不會把這些放射性水排入海中。在日本，核電廠附近的居民甚至在寒冷的季節里，利用溫排水養殖一些較珍貴的海產。環境影響評價方面，對核電廠溫排水的要求和火電廠是一樣的。

取排水設計不能任性

濱海核電廠取/排水口的位置和形式，關系到工程成敗和安全運行的關鍵，講究可多了。

①離核電廠用水點和排放點要近(取水泵房應盡量靠近汽輪機廠房)，兩個口之間的距離也盡量縮短，排水口的水溫經稀釋擴散后回歸至取水口的溫升一般不超過1℃，以便節省運行成本。

②應具有良好的地質、地形條件。取水構筑物應設在地質構造穩定、承載力大的地基上，避開斷層、滑坡、沖積層、風化嚴重的地段。在地震區，不宜將取水建（構）筑物設在過陡的岸邊、山腳下和海灘上。

③取水口位置需要保證足夠的水深。循環水系統或循環水和安全廠用水合并系統在低潮位時，水深條件不小于5米；安全廠用水單獨取水在低潮位時，水深條件不小于2.5米。

④取、排水口應考慮海浪的破壞力。因此，有的濱海核電廠采用設置防波堤和碼頭的方式，有的采用港池取水的方式，取水口朝向避開最大波浪的方向。

⑤選擇水質較好、水中漂浮物和泥沙較少的地段，避開潮流過急產生嚴重沖刷的地段。

⑥北方地區的核電廠還要掌握當地冰凌的水文特征，提防取、排水口被冰堵塞。

放射性廢液需固化減量

說完了溫排水，再說說核電廠區別于其他電廠的特有“排泄物”——放射性廢液。還是以壓水堆為例，核電廠放射性廢液的主要分為三類：工藝疏水、地面疏水和化學疏水。

工藝疏水指的是化學物質含量少的放射性廢液，以反應堆冷卻劑系統流出液為主，比如對反應堆冷卻劑系統進行加硼（硼為控制核反應的中子吸收材料）、稀釋、取樣。同時還包括乏燃料容器室排水、固廢處理系統的廢樹脂貯存箱里用于反洗（反向沖洗）廢樹脂的水。這些廢液都收集在指定的流出液暫存箱中。

地面疏水指的是化學成分不同的低放射性廢液，主要包括不能回收的設備泄漏水、核島廠房的地面沖洗水、廠區實驗室排水、蒸汽發生器排污系統的反洗水等。

核電廠放射性廢液處理示意圖

化學疏水是指化學物質含量高的放射性廢液，比如放射性去污廠房的廢液、核取樣廢液。這類廢液產量較少。

我國核電廠對放射性廢液遵循分類收集和處理的原則，根據放射性濃度和成分，將廢液分別收集至相應的貯存箱罐中。處理的基本思路是把廢液進行固化，以降低其流動和擴散能力，采用物理過濾、化學沉淀、蒸發、離子交換等手段，最終把放射性廢液變成放射性固廢和可排放水。比如濃縮物、殘渣、泥漿等聚集放射性物質的成分，要摻入水泥、瀝青或塑料進行固化，高放廢液則要用玻璃固化。

美國馬里蘭州卡爾弗特崖核電廠濱海而建，冷卻水采用直取直排的方式循環。

深圳大亞灣核電廠的溫排水通道

放射性凈化水“出關”門檻高

凈化后的放射性廢水，如果滿足國家法律法規和各核電廠因地制宜設定的各項排放限值，就可以排放到外界環境中。換言之，可排放水不等于非放射性水（包括溫排水和處理達標的放射性廢液）。2011年2月，國家核安全局提高了排放標準，沿海核電站的低放廢液排放，其排放口的放射性活度上限從原來的3700貝克/升，收緊到1000貝克/升；內陸核電廠更嚴，為100貝克/升（盡管我國還沒有內陸核電廠開建），而且離排放點1公里以外的地方，要達到飲用水的標準，即1貝克/升。此外，排水口不允許設在國標Ⅰ類和Ⅱ類水源流域，核電廠在排放管道上裝有連續監測和取樣分析監測設備，發現超標會觸發報警或自動阻斷排放；核電廠周邊環境中也設有許多監測點；每座核電廠還有定期報告和評價制度。

在建的浙江三門核電廠和山東海陽核電廠，采用的是代號AP1000的第三代核電機組，廢液處理系統極大地簡化了系統設計，也保證了較高的凈化效率。對于化學成分復雜、放射性水平較高的小部分廢液，則采用移動式處理設備進行處理，增強了廢液處理的靈活性和利用率。

養殖、海水淡化緩解“熱污染”

比起管理嚴格的放射性廢物，核電廠的環境爭議更多地聚焦于溫排水“熱污染”。這種能使排水口附近海水升溫好幾攝氏度的熱量，很容易影響周邊生態環境的穩態，比如改變溶解氧含量等水體理化指標、引起浮游生物的種類和數量波動、影響魚類的繁殖和發育等等。隨著沿海核電的快速發展，特別是在一個場址建造多個機組的核電廠，解決熱污染的重要性越來越突出。

國標《海水水質標準》（GB3097-1997）按照不同功能和保護目標，將海水水質劃分為4個等級，一類最好，可以用作海上自然保護區；四類最差，只適于港口和海洋開發作業區。其中規定，對于一類、二類海域，人為造成的海水升溫夏季不得超過當時當地水溫1℃，其他季節不得超過2℃；對于三類、四類海域，人為海水升溫不得超過4℃，不分季節。

溫排水余熱是世界上最大的潛在廢熱能量，如果任它白白散去，實在可惜。廢熱的開發利用有著不小的經濟效益、環境效益和社會效益。目前國內主要是利用溫排水水域的余熱進行養殖，減輕了溫排水對自然水體的熱污染。遼寧省還成立了大連紅沿河核電循環經濟區，海水淡化是核電溫排水綜合利用的措施之一。

遼寧省環保廳官網資料顯示，遼寧南部海域是斑海豹在西太平洋最南端的繁殖區，也是我國唯一的繁殖區。斑海豹是一種冬季繁殖且冰上產仔的冷水性海洋哺乳動物，每年來遼東灣海域棲息和繁殖的斑海豹種群數量達到2000只左右。紅沿河核電廠就處在它們的繁殖地附近，如果溫排水造成的海水升溫使周圍冬季不結冰或冰層太薄，斑海豹就很難繁殖。紅沿河循環經濟區開展的海水淡化項目，將利用溫排水的余熱進行海水淡化，減少余熱排放，降低溫排水對自然水體的升溫幅度。海水淡化項目建成后不僅能緩解溫排水帶來的生態問題，還可拉動經濟增長，并承擔核電淡水和應急備用水源的重任。

隨著核電規模的擴大，溫排水及其余熱利用的管理和研究不斷加碼。目前，大亞灣、田灣、秦山核電廠已經開始把遙感技術作為廠區海域水溫的主要監測手段，并在每年冬夏兩季同步開展海面水溫實測。考慮到我國核電廠緯度跨度大，南北溫差大的特點，深入研究溫排水余熱利用對近海生態大有裨益，可以說是實現綠色/清潔核電所必需的。

流經反應堆（藍光處）的水帶有放射性，但它只在自己的封閉系統內循環，不會污染外界水體。

美國科學家正在測試一項放射性廢液固化技術

本欄目責編/季天也jtyair2013@vip.163.com