與水“核”諧，守護(hù)核電生命線

段亞飛

中國水利水電科學(xué)研究院

|推薦單位|

北京水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)

2021年日本的核廢水排海計(jì)劃再次將全球目光牽回福島，核廢水是怎么產(chǎn)生的？核能發(fā)電與水有什么關(guān)系？

與火電一樣，核電也是通過加熱蒸汽、驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的，核反應(yīng)堆其實(shí)就是一座鍋爐。這個(gè)鍋爐很高效，但燒出來的蒸汽，熱轉(zhuǎn)電的效率卻僅為1/3，即每發(fā)1攝氏度電，就要產(chǎn)生2攝氏度電的棄熱。棄熱必須被及時(shí)帶走，才能保障整個(gè)系統(tǒng)安全地循環(huán)下去，而這需要持續(xù)從外部取冷水，降溫機(jī)組后，再把熱水排出去。

核電取水失效的后果將非常嚴(yán)重。福島核事故的直接原因就是地震海嘯導(dǎo)致取水失靈，堆芯因無法及時(shí)冷卻而爆炸，導(dǎo)致核泄漏。事故發(fā)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(yīng)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(xù)10年，累積了127萬噸，相當(dāng)于500個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游泳池的核廢水，實(shí)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(fā)展核電就如同守護(hù)生命一樣，需做到萬無一失。我國為什么一定要發(fā)展核電？這是我們的國情決定的。我國已大力發(fā)展清潔能源多年，但現(xiàn)在全國超七成的電力供應(yīng)還依賴高碳排放的火電，重要原因之一是：水、風(fēng)、光等發(fā)電設(shè)備需要“靠天吃飯”。2020年10月，煤炭?jī)r(jià)格上漲，我國火力發(fā)電減少，引發(fā)了大范圍的拉閘限電，而恰逢持續(xù)的多云弱風(fēng)天氣，讓水電、風(fēng)電、光電的發(fā)電也受到影響。這時(shí)，我國核電幾乎火力全開，關(guān)鍵時(shí)刻頂了上來。作為一種零碳排放能源，核電發(fā)電可實(shí)現(xiàn)全過程人為控制，機(jī)組設(shè)備利用率遠(yuǎn)高于其他電力類型，因此其被認(rèn)為是替代火電，保障電網(wǎng)基礎(chǔ)負(fù)荷的最有效方案之一。故此，安全穩(wěn)妥地發(fā)展核電已成為我國全面進(jìn)入清潔能源時(shí)代、實(shí)現(xiàn)“雙碳”承諾的必然選擇。

由于充分認(rèn)識(shí)到穩(wěn)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(gè)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)——“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(xù)逼停4座百萬千瓦機(jī)組。馬尾藻在2018年博鰲論壇期間又堵住某核電站取水口，導(dǎo)致2座反應(yīng)堆停堆。近些年全球還發(fā)生過很多起海生物入侵導(dǎo)致核電站保護(hù)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(shí)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(jīng)就有電廠因不合理的取排水口布置，溫排水未經(jīng)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(jī)組無法承受，不得不停機(jī)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(zhǎng)江，可使長(zhǎng)江入海口附近的水溫升高約1.3攝氏度。大量超溫水長(zhǎng)年累月地排放入海，會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)造成不利影響，因此必須采取措施減小此類負(fù)面生態(tài)影響。

上述核電取排水的水量、水溫、熱影響問題，受當(dāng)?shù)爻毕庀蟆⒌匦魏蜕锝M成等多重因素影響，各廠址所面臨的挑戰(zhàn)不同，問題十分復(fù)雜。但通過多年實(shí)踐，我們團(tuán)隊(duì)找到了一種通用的應(yīng)對(duì)技術(shù)：以工程流體力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)理論為基礎(chǔ)，充分利用當(dāng)?shù)刈匀粭l件，因勢(shì)利導(dǎo)地優(yōu)化海工布置，結(jié)合模擬和監(jiān)測(cè)做導(dǎo)流設(shè)計(jì)，成功解決了很多取、排水難題。

在取水防堵方面，團(tuán)隊(duì)針對(duì)當(dāng)?shù)爻绷骱蜕锾攸c(diǎn)開展數(shù)值仿真和試驗(yàn)，基于水動(dòng)力“避、導(dǎo)、攔、清”理念，實(shí)現(xiàn)防海生物從被動(dòng)攔截向主動(dòng)防御的轉(zhuǎn)變。例如取水口增設(shè)圓弧堤，制造水流旋渦來捕獲海洋異物，相當(dāng)于人在喝水時(shí)讓異物只塞一個(gè)牙縫，用一根牙簽即可輕松清理。這種巧妙設(shè)計(jì)，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(duì)自身取水的影響，我們同樣充分利用自然地形、環(huán)境流和熱水上浮特點(diǎn)，先后提出了底取表排的“重疊式”、近取遠(yuǎn)排的“差位式”等創(chuàng)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(jì)，大亞灣核電站就是充分利用了當(dāng)?shù)亍拜椛⑤椇稀钡臐q落潮特征，用明渠替代了法國提出的長(zhǎng)隧洞排水方案，為國家節(jié)省了2億元投資，該項(xiàng)目也因此獲得了此領(lǐng)域唯一的國家科技進(jìn)步一等 獎(jiǎng)。

在生態(tài)安全方面，通過多年攻關(guān)，我們提出數(shù)值模擬、物理試驗(yàn)和原型監(jiān)測(cè)相結(jié)合的技術(shù)，科學(xué)優(yōu)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(fā)的“多過程驅(qū)動(dòng)的近海水溫模型”，考慮了“水—?dú)狻憽獜S”多界面、多相態(tài)換熱，用物理過程的豐富支撐了精細(xì)化模擬。同時(shí)，我們依托“國家科技重大專項(xiàng)”，在人工氣象廳內(nèi)開展縮尺模型試驗(yàn)，類似于通過動(dòng)態(tài)沙盤來模擬取排水過程，形成相關(guān)理論和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，成功指導(dǎo)了我國幾乎所有核電工程。

為了評(píng)價(jià)和提升我們的技術(shù)，2015年至今，我們利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、無人船等先進(jìn)技術(shù)，完成了國內(nèi)6座核電站的海陸空天一體化監(jiān)測(cè)。四大海區(qū)，我親身體驗(yàn)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(yán)重暈船，鍛煉成一個(gè)見過大風(fēng)大浪的人。不過，這些監(jiān)測(cè)工作的更大意義，在于為我國核電取排水安全與生態(tài)影響評(píng)價(jià)積累了寶貴的監(jiān)測(cè)數(shù) 據(jù)。

通過監(jiān)測(cè)我們發(fā)現(xiàn)：優(yōu)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(shí)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(qū)成功避開了珊瑚礁分布區(qū);防城港紅沙核電站的6千米排水長(zhǎng)堤，讓當(dāng)前的溫排水混合區(qū)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(shí)現(xiàn)了生態(tài)友好。

上述就是我們團(tuán)隊(duì)在濱海核電安全取水與生態(tài)排水領(lǐng)域的若干研究和實(shí)踐。未來，隨著我國能源轉(zhuǎn)型與海洋生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略的推進(jìn)，核電發(fā)展也將更加注重安全和生態(tài)友好，我們團(tuán)隊(duì)的研究也會(huì)繼續(xù)直面國家和行業(yè)需求，與時(shí)俱進(jìn)。

多年的科研讓我體會(huì)到：高明的取排水設(shè)計(jì)，順應(yīng)自然，因勢(shì)利導(dǎo)，是為天地立心;涉核工作，利關(guān)公眾，影響后代，需嚴(yán)謹(jǐn)待之，是為生民立命;科學(xué)研究，在繼承中發(fā)揚(yáng)，在創(chuàng)新中進(jìn)步，是為往圣繼新學(xué);而我們團(tuán)隊(duì)所有工作之初衷，在于守護(hù)國家核安全和海洋生態(tài)安全，是為萬世開太平。作為身處科研一線的共產(chǎn)黨員，我想以此四句致敬我們的事業(yè)，堅(jiān)守自己的初心：為天地立心、為生民立命、為往圣繼新學(xué)、為萬事開太平！