核電廠冷源取水海洋生物堵塞問題探析

邢曉峰，張正樓，湯建明，郭天翔，王 帥，陶 征

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

國內外發生多起海洋生物大規模聚集遷移堵塞取水系統繼而導致核電機組停堆事件［1］。《國務院關于核安全與放射性污染防治“十三五”規劃及2025年遠景目標的批復》（國函〔2017〕29號）中重點提出開展冷源安全改進，我國核安全導則［2］提出必須適當評價海洋生物對最終熱阱的影響。生態環境部（國家核安全局）從事件通報、經驗反饋、監督檢查幾方面對核電廠廠址應對冷源安全挑戰提出了要求。我國核安全局以及各監督站，在監督檢查方面大都加入了冷源監督要求，體現了監管機構對冷源安全問題的重視。國家能源局在事件通報以及要求中，也多次提出了提高冷源系統設施的攔截有效性和運作可靠性，提升冷源保障水平。監管當局強化了監督檢查與經驗反饋，核電廠加強了工程技術措施以及管理措施。國內外科研院校加大了研發力度，相繼形成了一定的研究成果［3-11］，提出了應對措施，有效地提升了我國核電廠取水安全保障能力。

運行實踐表明，取水安全保障形勢依然十分嚴峻，因此本文對核電廠取水堵塞事件的特點及根本原因進行總結探析，從導則、法規標準體系的成效與價值分析，提出思考與完善建議，從科學技術方面提出存在的挑戰以及應對措施，結合當前的科學技術水平以及核電廠運營需求，提出政策建議，為下一步應對提供發展建議。

1 核電廠取水堵塞事件的特點及根本原因分析

圖1給出了我國取水堵塞運行事件的統計情況，由圖可知，我國累計發生21起海洋生物導致的核電廠取水堵塞事件，涉及我國77%的核電基地，影響核電機組36臺，導致其中42%的機組停堆。國外核電廠發生同類事件已有百余起。美國電力研究學會（The Electric Power Research Institute，簡稱EPRI）［12，13］對美國核電廠堵塞事件進行的統計表明，美國境內發生該類事件已有數起。海洋生物入侵影響核電廠取水，已經成為世界核電運行的通用性難題。

圖1 核電廠取水堵塞運行事件統計Fig.1 Information of water intake blockage in nuclear power plant

1.1 海洋生物造成取水堵塞事件所呈現的特點

基于對國內外冷源取水堵塞事件的深入分析，事件呈現如下特點。

（1）突發性，為預測預報帶來極大挑戰。生態調查研究表明，眾多致災物種實時存在于核電廠廠址海域，當其大規模聚集并遷移至取水流道時，才會影響核電廠取水。其大規模聚集的成因復雜，尚未發現與環境參數的明顯相關性。

（2）致災物種種類繁多、特性迥異，為有針對性的防控帶來挑戰。當前已造成運行事件的物種有水母、毛蝦、海地瓜、海藻、尖筆帽螺等。此外，還有其他若干潛在致災物種。

（3）多機組共用取水設施易形成共性事件。當前絕大部分核電機組共用取水明渠，隨著機組的逐步投用，取水明渠口門流速增大，卷載風險增加，容易形成共性事件。

1.2 核電廠取水安全事件頻發的根本原因探析

回顧取水堵塞運行事件，并結合當前的科學技術發展情況，研究認為取水堵塞問題的根本原因如下。

（1）威脅源認知欠缺，針對性應對困難。海洋生態環境復雜，目前對海洋生物大規模聚集的機理尚未完全清晰。海洋環境變化、溫排水影響、食物鏈影響、物種分布等均成為致災物種大規模聚集的潛在因素，工作人員目前難以掌握海洋生物大規模聚集遷移的規律。

（2）監測體系短板，預報體系不健全。當前的主要預警方式為：濾網壓差≥0.3 m時，第一次報警；濾網壓差≥0.8 m時，第二次報警，循環水泵脫扣。多起核電廠取水堵塞事件從濾網壓差觸發第一次報警至停堆的時間不足5 min，較短的預警時間使得應急方案通常無法達到預定效果。據統計，我國2020年發生的幾起核電廠取水運行事件中，核電廠的海洋生物在線監測設施均未實現有效預警。

（3）海洋環境復雜，防控處置能力受限。傳統機械格柵、固定式濾網等設施的處置能力無法應對海洋生物大規模入侵。當前使用的攔截網受材料、地形等影響，難以進行全斷面攔截。此外，惡劣天氣條件下，人員船只等裝備的處置更加困難，導致應急打撈預案無法發揮效用。

（4）規范體系缺乏，設計技術措施不足。當前在役核電機組在設計之初并未考慮到海洋生物大規模入侵問題，更多關注點在泥沙、溫排、海洋生物附著等方面，按照現有法規規范體系設計的取水系統防護能力不足以應對海洋生物大規模聚集遷移進入取水系統。

2 科學技術進展分析

2.1 導則、法規標準體系成效與價值探析

HAD 102/09《核動力廠最終熱阱及其直接有關的輸熱系統》提供的兩種應對海洋生物入侵方案：固定式濾網，以及最終熱阱直接相關的輸熱系統所需的冷卻水從凝汽器用的同一組濾網抽吸，兩種措施是當前各核動力廠普遍采取的設計措施。運行實踐表明，兩種措施能夠保障有效應對常規問題，當海洋生物入侵堵塞共用的粗格柵、細格柵、濾網等過濾設施時，停運發電相關的循環水后，在堵塞率低于98.75%的情況下，能夠保證核島廠用水取水。然而運行實踐也表明，尖筆帽螺、棕囊藻、泥沙、石子等堵塞物能夠穿過傳統濾網，造成核島廠用水系統貝類捕集器、板式換熱器的堵塞。

分析認為，導則和規范尚未完全考慮到核電廠運行過程中碰到的新問題，在潛在影響核電廠取水系統海洋生物的調查、監測預警、防控處置方面，缺少可操作的法規依據和實施細則。目前已建和在建濱海核電廠的取水工程設計基于法規標準，主要針對波浪、潮流、泥沙、溫排水和海冰等方面，設置的過濾系統主要針對大的漂浮雜物以及少量的海洋生物。在海洋生物調查方面，主要針對環境影響評估，包括電廠建設對海域生態環境、物種的影響評價。綜上，目前的取水工程設計以及生物調查缺乏對海洋生物大規模聚集問題的針對性。

2.2 致災海洋生物生態科學

圖2給出了我國核電廠的主要堵塞威脅種類，可見水母、毛蝦、棕囊藻是較為典型的致災物種，其他致災物種主要還包括海地瓜、滸苔、海草、馬尾藻、尖筆帽螺等堵塞物。季節方面，夏秋兩季是海生物威脅的重點季節。分析認為，一方面夏秋兩季是海洋生物繁育旺盛的季節，二方面夏秋兩季核電廠的取水流量相對大，三方面夏秋兩季的氣象條件、海動力條件利于海洋生物大規模遷移。國內外對核電海域海洋生物暴發的機理進行了初步探析［14-17］，分析認為，整體上看海洋生態系統，某種生物的暴發是生態系統失衡的表現，其暴發機制也非常復雜，不是某個單一因素能決定的。由于對核電海域生態環境變化和致災生物的系統調查、研究不足，現階段尚未了解冷源典型和潛在致災生物的時空分布規律、生態習性，不掌握其聚集特點及驅動因素。

圖2 我國核電廠的主要堵塞威脅種類統計（截至2020年）Fig.2 Information of marine organism type

2.3 取水堵塞物監測技術

從工程實際需求角度，監測技術的作用是掌握致災海洋生物的時空分布，實現風險評估與預警，為防控處置及應急響應提供基礎信息。根據國內外的監測技術研究情況［18-20］，我國核電廠采用的監測手段統計如圖3所示，可見聲學技術、攝像、氣象是應用較為普遍的監測手段，監測手段還包括海動力技術、雷達，以及諸如與地方部門信息聯動等其他手段。

圖3 我國核電廠采取的監測手段統計（截至2020年）Fig.3 Information of marine organism detection type in nuclear power plant

基于科學技術研究進展及運行實踐，堵塞物監測方面的成效與不足主要在如下幾方面。

（1）對海面漂浮垃圾，如樹枝、秸稈、生活垃圾等堵塞物，以及海藻、滸苔類等浮游植物堵塞物，通過目視、水上攝像、遙感技術能夠實現有效監測。分析認為潛在風險主要為：受天氣影響，如云層厚、夜晚光線受限等，存在監測時間不連續、距離短，無法預留足夠響應時間的風險。

（2）對散射特性較好、個體較大的致災物種（如魚類），采用聲納、水下攝像、激光雷達技術，能有效監測；而對含水量高（如水母）、個體小（如毛蝦、筆帽螺）的生物，運行實踐表明，尚難以實現有效監測。

（3）對底棲生物的監測，主要依靠水下攝像，能見度受水質影響較大。

2.4 取水堵塞物防控處置技術

防控技術是降低堵塞風險的最直接手段，包括攔截、打撈、處置等技術手段［21-23］，圖4給出了我國核電廠采取的攔截網數量統計，可見多重攔截網成為當前的防控主流。核電廠冷源取水物理防控措施目前已經基本實現多重攔截、防控，從前端的導引網、明渠內多道攔截網，到中端的粗格柵、細格柵，再到旋轉濾網、貝類捕集器、二次濾網，配合打撈措施，可以一定程度上實現對海洋生物、雜物的攔截處置。實踐表明，致災海洋生物的多樣性、暴發的突然性、個體的細小性等因素，使我們尚不能杜絕海洋生物大規模聚集導致冷源取水堵塞的風險，存在優化物理防控措施的需求和必要性。同時，防控系統還面臨可靠性低、維護困難等問題。

圖4 我國核電廠采取的攔截網數量統計（截至2020年）Fig.4 Information of trash-intercepting net in nuclear power plant

3 我國核電廠應對取水堵塞問題的發展建議

3.1 監管政策建議

（1）建議完善取水安全導則，規范核電廠取水安全應對體系。組織制定我國核電廠取水系統應對海洋生物的風險監測、預警、防控處置導則、法規標準。充分利用數據積累、經驗反饋，逐步形成可供借鑒的、普遍認可的標準，推動行業有效應對海域威脅。

（2）建議構建多層次立體交叉取水安全專項監管體系，加強廠址直接相關系統與設備設計的廠址適應性論證評估監督審查，對核電廠取水系統的設備運行進行定期/不定期監督檢查，重點關注核電廠址海域海洋生物易大規模聚集遷移的季節。督促運營方制定合理可行的應急預案以及取水安全保障能力提升計劃。

（3）建議加強核電廠取水安全事件過程記錄以及根本原因分析審查力度，要求核電廠及時總結經驗，使得核安全監管機構、設計方、其他運營方能夠充分獲得運行經驗與事件數據。促進經驗交流與共享。

3.2 導則、法規標準體系發展建議

（1）在HAD導則中，提出最終熱阱過濾設備、換熱器應對海洋生物（包括泥沙、雜物等）堵塞問題的導則要求。要求安全分析中評價海洋生物（特別是尺寸大小在2-3 mm之間的易堵塞物）大規模聚集對最終熱阱的影響，并證明這種影響是可以接受的。

（2）在規范標準中，提出四方面具體要求，包括：a.針對致災海洋生物調查分析要求，包括調查時間、調查次數、季節劃分、采樣方法、分析方法，建立風險評估方法。b.針對風險致災物建立監測預警預報要求，包括海洋動力要素、氣象要素、水面攝像等。c.提出系統及構筑物防堵塞設計要求。提出過濾設備清理能力要求。提出海域攔截防控要求。提出明渠海工構筑物導流與防波技術要求。d.設備設計要求，重點關注防堵塞設計，各級過濾設施（過濾精度、清污能力、材料）以及熱交換器（板間距、清污能力、流速、耐磨損、材料）等設計與廠址海域環境的匹配。統籌考慮海水泥沙情況、海洋生物情況、熱交換器雜質可通過性要求與貝類捕集器孔徑設計匹配要求。通過合理的匹配設計，提升系統防堵塞能力，降低系統阻力，滿足系統流量要求。

3.3 運行保障建議

（1）核電廠應建立取水安全常態化管理機制，加強質量控制，提升取水系統設備預防性維護、日常巡查、缺陷消除等級，建立保守決策規程。應建立完善取水安全保障管理程序。加大資源投入，建立保障體系，完善管理組織，強化專人、專崗、專職，形成一支專業化隊伍。新建核電站取水“設計源頭”優化，結合在役電廠的運營反饋。核電廠日常運營要保證取水口攔截設施的完整性，可采用機械監控、人工定期巡檢等方法，做好巡檢記錄。建立攔截系統健康狀況評估機制。

（2）核電廠應與氣象、海洋、水利、應急管理等相關部門建立常態化溝通機制，積極利用社會資源，擴展信息渠道，聯防聯控形成應急響應防控機制。構建規范、及時、暢通的聯系網絡和信息渠道，為核電廠預警及決策系統提供準確、全面的輸入，提高應對有效性。

3.4 科技攻關與發展建議

核電廠取水安全保障研究是一個動態研究過程，需要吸收經驗反饋和良好實踐，廣泛開展合作交流、研發和新技術應用。

3.4.1 致災海洋生物生態科學攻關與發展建議

從解決工程問題的角度，生態科學研究的重點為識別堵塞威脅源、驅動因素以及生態特征，為監測防控提供有針對性的輸入，因此建議重點開展：加強濱海核電冷源生物災害調查分析與評估，結合廠址特征與生物調查情況，評估并構建廠址致災海洋生物篩選機制，建立并持續完善核電冷源生物致災風險月歷。深入研究基于自然規律的長效而穩定的核電冷源生態災害防控解決方案。

3.4.2 取水堵塞物監測技術攻關與發展建議

研究認為，監測技術的發展方向如下。

（1）聲學監測方面，建議加強針對致災生物監測與預警的理論與技術基礎研究，通過試驗建立典型致災海洋生物聲學散射模型的特征數據庫，研究致災海洋生物聲學探測——預警模型，以便對聲學探測結果準確解析，為致災生物的預測、預警、處置提供基礎數據支撐。

（2）遙感監測方面，建議開展高時間分辨率、高空間和高光譜遙感相結合的技術研究，根據不同藻類暴發機制，在暴發季節安排密集頻次的遙感，跟蹤其發展過程。加強SAR遙感衛星在海面漂浮物監測方面的研究，發展海洋實時觀測技術，提高海洋遙感信息提取技術與海洋遙感數據應用水平。

（3）海洋動力監測方面，建議重點圍繞海洋動力環境監測與預報兩個層面，充分利用各類平臺（如岸基、海底基、浮標），積極開展能夠實現“長期、實時、連續的核電海域海洋動力監測”的技術研究，實現致災海洋生物遷移路徑預警和預報目標。

（4）運行數據監測方面，建議加強取水系統過濾攔截物的種類和資源量統計，分析堵塞物的變化趨勢與外部環境條件的相關性。

3.4.3 致災海洋生物防控技術攻關與發展建議

提出如下應對技術措施。

（1）結合核電廠附近海域潛在威脅的海洋生物識別，以及其他核電廠發生冷源事件后的經驗反饋，定期更新應急響應管理程序，尤其針對臺風等惡劣天氣情況。

（2）取水口構筑物設計優化，通過構筑物布置型式變化，改變海動力場，從而降低海洋生物遷移卷載風險。

（3）根據潛在威脅海洋生物的生物特征及遷移路徑，合理配置攔截過濾裝置的過濾級數、網孔尺寸等，并重點關注攔截網底部、頂部、接縫連接設計與承載力分析，使得攔截網在堵塞情況下能夠承受設計標準工況的水流、波浪作用形成的載荷，以避免出現諸如攔截網纜繩或接縫處崩斷、頂部下沉、底部上揚等無法實現全斷面攔截的情況。

（4）加強機械化、自動化防控技術研究。當前在役核電廠投入大量的人力開展防控系統日常運維，存在惡劣天氣干擾等因素導致運維困難的情況，需要開展研究降低運維難度，從而提升防控可靠性。

4 結論與建議

基于對核電廠冷源取水運行事件的調查，對運行電廠采取的工程應對措施進行了統計，對關鍵科學技術進展進行分析。主要結論及建議如下：

（1）取水堵塞問題呈現突發性、致災物種種類繁多及特性迥異、較易形成共性事件等特征，潛在風險不容忽視。

（2）監管部門應完善取水安全導則，規范核電廠取水安全應對體系。加強核電廠取水安全事件過程記錄以及根本原因分析審查力度。構建多層次立體交叉取水安全專項監管體系，加強廠址直接相關系統與設備設計的廠址適應性論證評估監督審查。

（3）核電廠應建立取水安全常態化管理機制，加強運維質量控制，提升取水系統設備預防性維護、日常巡查、缺陷消除等級，建立“風險認知-早期預警-快速防控-保守決策”一體化應對策略。

（4）設計方面需要結合廠址特征開展有針對性的冷源取水預防海洋生物堵塞研究，生態科學方面聚焦威脅源的調查與精細化識別，監測技術方面應關注多種監測技術融合及關鍵監測裝備開發，防控處置方面應注重特殊場景，提供機械化、自動化手段。