濱海核電冷源取水區風險生物的分類及特征分析

沈萍萍, 于先波, 孟不凡, 武存超

濱海核電冷源取水區風險生物的分類及特征分析

沈萍萍1, 于先波2, 孟不凡1, 武存超1

(1. 煙臺大學海洋學院, 山東 煙臺 264005; 2. 山東核電有限公司, 山東 煙臺 265116)

近年來由海洋生物入侵造成的核電冷源安全事件頻發, 表明冷源安全已成為核電安全與可靠的重要影響因素, 受到社會高度關注。本文對國內外發生的主要冷源安全事件進行統計分析, 歸納總結冷源致災生物的分類特征及其致災機制, 探討致災生物的篩選及分級預警標準, 解析相關的探測技術、預警手段及處置方法, 提出致災生物研究中亟待解決的關鍵科學與技術問題, 以期為更好應對解決濱海核電冷源安全問題提供參考與理論依據。

濱海核電; 取水區; 風險生物; 冷源安全

核電作為優質綠色清潔能源, 在促進社會經濟發展和環境保護中具有不可比擬的優勢, 各國將核電作為控制溫室氣體排放的最重要措施之一, 核電因此得到快速發展。我國從1984年第一座濱海核電站——秦山核電站開工建設, 至2017年9月, 大陸地區共有商業運行機組37個, 在建機組19個[1]。隨著核電的飛速發展, 核電運行安全變得更為重要, 而冷源系統安全是重中之重。近年來, 隨著越來越多的核電機組投入運行, 國內濱海核電發生了數起由海洋生物[如水母(Medusozoa)、海地瓜()、棕囊藻(spp.)等]或者異物(秸稈、漂浮物等)入侵造成的冷源取水口濾網堵塞、影響核電正常運行的安全事件, 導致核電機組降低功率、跳機甚至緊急停堆, 造成巨大的經濟損失及安全隱患, 引起了社會高度關注[2]。類似的事件在法國、日本、美國、英國、瑞典等多個國家濱海核電站都有發生, 據世界運行重要事件反饋報告統計顯示, 2004—2015 年十余年間, 世界各地發生了 100 余起核電站取水口堵塞事件[3], 核電冷源安全問題成為“世界性難題”。

盡管核電行業已認識到事件的嚴重性, 并采取了預防措施, 但該類事件的發生率不降反升, 如北方某核電廠自機組運行以來, 2014—2017 年先后發生了4起較為嚴重的冷源取水堵塞事件, 每年1次[4-5]; 而2020年3月24日—25日, 陽江核電廠連續2 d發生了2起毛蝦()群入侵事件, 導致大范圍機組反應堆接連緊急保護停堆, 造成了極大的安全隱患。冷源事件的頻發, 表明冷源安全已成為影響核電廠安全與可靠的重要因素。冷源安全屬于多領域、跨學科的技術難題, 涉及核電工程、海洋環境監測、海洋生物的分析預警及其生物學特性研究等多個領域。同時由于各個電廠所處的海洋地理環境獨特, 國內外沒有能夠完全參照的治理成功案例, 因此需要綜合分析已經發生的冷源事件的緣由, 結合自身海洋環境及入侵生物特點, 制定針對性強的冷源保障措施, 切實維護電站的安全運行。2016年國家領導人高度重視并針對廣西防城港核電站大量球形棕囊藻入侵事件做出重要批示, 建議開展相關研究、攻克關鍵技術[6]。本文將專門針對海洋生物入侵對近海核電冷源安全的影響進行深入總結與探討, 追溯其發生原因與機制, 總結關鍵科學與技術問題, 提出相關建議與對策, 為防控近海生態災害、保障近海核電冷源安全提供科學依據與技術支撐。

1 冷源安全事件的統計與分析

近年來, 國內外由海洋生物或異物入侵導致的核電廠冷卻水取水安全事件頻繁發生[6-8]。如2004—2008年間全球共記錄取水口堵塞事件61起, 其中80%導致機組降功率運行或停堆, 20%對核電廠安全系統造成直接影響[9]。表1對國內外發生的主要核電冷源安全事件進行了統計, 分析事件發生后果及其相關原因, 以便更好地應對由海洋生物暴發或者入侵導致的濱海核電運行安全問題。

表1 國內外主要核電冷源事件的統計分析

此外, 2015年防城港、嶺澳、福清、昌江等核電廠在調試、運行期間, 也發生過因海生物的影響造成冷源喪失或安全異常, 甚至觸發自動停堆的事件[17]。據不完全統計, 我國絕大部分沿海核電站都發生過生物入侵導致的冷源安全事件, 發生頻率不降反升。

總結發現, 目前不管國內國外, 除碎冰及漂浮雜物外, 絕大多數事件是由海洋生物的大量暴發及入侵造成, 但也存在明顯不同。在國外, 造成入侵危害的海洋生物種類較少, 主要是水母類(占大多數), 其次是大型海藻(海草), 剩余為海冰、雜草等, 如日本1996—2000年的5年間, 108個火電廠中有43個電廠受到水母的影響[1]。而國內電站致災的海洋生物種類多樣, 個體大小差別較大, 包括浮游植物(棕囊藻)、浮游動物(毛蝦、尖筆帽螺、水母等)、游泳生物(鱸魚等)、底棲動物(海地瓜、貝類、海葵(Actiniaria)等)、大型海藻(滸苔、石莼、海帶等)、水草(伊樂藻、水葫蘆())等(表1)。相比而言, 國內的冷源致災生物個體偏小(如微藻、毛蝦)、種類更多且不斷出現新型災害生物(如大亞灣核電站新近出現尖筆帽螺入侵), 因此其現場監測、預警及防控更加困難, 后期打撈與治理亦更加艱巨, 對相應的攔截和過濾防護能力要求極高, 因此必須對這些致災生物進行風險分類, 建立核電冷源取水區的風險生物目錄及日歷, 進而進行科學監控與預警, 提高風險應對能力。

2 冷源致災生物分類及其特征

2.1 致災生物分類

冷源致災生物是指暴發性涌入核電站循環水過濾系統取水口, 堵塞取水口攔截網、格柵或鼓網等設施, 造成核電站冷卻水水量低而導致機組反應堆跳機、停堆運行安全事件的一類海洋生物的統稱, 僅針對于核電冷源安全而言, 因為有些入侵生物本身也是漁業資源, 比如毛蝦群、魚類等。冷源入侵致災生物種類較多, 根據其不同的形態特征及生長特性, 主要分為浮游植物、浮游動物、游泳生物、大型藻類及大型底棲動物等五大類別(表2)。各類別生物致災的原因也不盡相同, 例如浮游植物類致災生物雖然個體微小, 但是能夠形成粒徑較大的群體(成囊、成鏈、成團), 且繁殖速度快, 因此短時間內即能夠形成高密度、高生物量的群體, 如棕囊藻; 浮游動物類致災生物通常為游動能力弱、易漂浮聚集的種類, 其繁殖及生長速度都非常快, 如水母、中國毛蝦、尖筆帽螺等; 而底棲生物類致災生物一般個體較大、生物密度不一定很高但集中分布, 受惡劣天氣、風浪攪動等易漂浮并聚集, 如海地瓜、貝殼類、大型海藻(海草)等。

2.2 致災生物特征

盡管目前有關核電冷源安全事件及致災生物、致災原因受到社會及業界高度關注, 但是專門針對冷源致災生物的調查與評價還比較少見[3, 18], 比如海地瓜等生物, 絕大部分研究集中在其營養價值, 而對于其生長繁殖、生活習性及分布等特征鮮有報道, 缺乏相應的調查標準與評價體系, 導致核電站現有的環境生物調查結果與實際冷源事件的致災生物并不一致, 且存在較大偏差[16, 19]。

表2 核電冷源致災生物的種類及特征

冷源安全屬于多領域、跨學科的技術范疇, 涉及核電工程、海洋環境監測、海洋生物預警及其生物學特性研究等多個領域。如何依據致災生物的形態特征及生活習性將生物的監測預警與核電工程設計, 尤其是取水口攔截濾網的優化布置等科學地結合起來, 才是有效防控冷源取水口生物入侵與堵塞的關鍵。如浮游植物需要光照進行光合作用, 主要分布在水體上層; 浮游動物能夠垂直遷移, 主要生活在中下層, 如大亞灣海域中國毛蝦主要集群分布于水深5.2～7.2 m 的中下層水域[11]; 而有些底棲生物則棲居在下層水域及表層沉積物中并且呈明顯區域性分布特征, 如海地瓜的不平衡式分布易造成常規監測的疏漏[3]。因此, 攔截網需要根據不同生物的體型大小及空間分布特征進行優化調整, 以攔截不同大小、不同水層的入侵生物。同時, 不同水層的透光性、能見度等條件不同, 對于相應的探測設備和探測技術也有不同的要求[15]。可見, 不同類別致災生物的生物特性及生活史策略差異較大, 必須首先厘清它們的分類特征, 了解各類生物致災的生物及環境機制, 才能制定出有針對性的防控對策。

3 致災生物篩選標準及分級預警

水母是我國和世界多國核電首要的致災生物, 2020年12月31日, 中國能源研究會[20]首次發布了針對水母災害的核電廠冷源安全分級預警規范(T/CERS 0009-2020 核電廠冷源安全分級預警規范水母災害), 確定水母災害預警等級及閾值, 規定了水母災害的4個等級及其確定依據(表3)。此標準的制定對于保障沿海核電站在水母暴發期間的冷源安全, 提高水母災害的應急響應和管理能力具有重要意義。

表3 水母災害預警等級劃分表[20]

注: EFL——水母應急打撈極限值(單位: g/m3): 沿海核電廠處于應急狀態下每天動用船只打撈水母的最大量與核電納水量的比值。

但是除水母外, 其他冷源致災生物的篩選標準尚未成熟且無法統一, 國內外均未形成指導性規范與評價體系[16]。除了與冷源致災生物的本身復雜性有關外, 各核電站所處的海域環境特殊亦是主要因素。如南方海域, 福建寧德核電站運行前后水動力條件發生變化, 沉積環境改變加上臺風天氣影響, 取水口受到海地瓜、淤泥等的威脅; 廣東大亞灣核電站面臨著海蝦、尖筆帽螺、棕囊藻赤潮等威脅; 廣東臺山核電站由于采用隧洞取水的方式, 存在魚、蝦侵入的問題; 廣西防城港核電站受到棕囊藻赤潮的影響最為嚴重。中部海域如浙江秦山核電站因海域水質泥沙淤積嚴重, 面臨水葫蘆和泥沙的威脅; 江蘇田灣核電站附近種植農作物較多, 惡劣天氣導致小麥或玉米秸稈入海, 引發取水口堵塞的風險; 而大連紅沿河核電站地處寒冷的北方海域, 則多次受到海月水母、滸苔和海冰等的入侵(表1)。根據歷史資料和現場調研結果, 張朝文等[1]篩選出紅沿河核電取水區高風險生物并提出海月水母的風險等級基準; 唐婭菲[3]運用層次分析法, 建立寧德核電站致災生物篩選標準體系, 篩選出12種潛在致災生物(表4), 并提出了針對海地瓜的預警和防控措施。

而其他核電站的冷源致災生物各具特色, 因此應加快制定相關的致災生物篩選標準及分級基準。建議各核電站結合考慮當地的水文氣候條件、海洋地質及化學等環境要素, 率先針對性地建立地方核電冷源取水區風險生物的目錄及篩選標準, 對于后續制定全國統一的指導性準則有重要意義。

4 探測技術與處置方式

4.1 探測技術

根據入侵生物種類的特點, 有針對性地研發生物探測及預警防控技術, 是核電冷源安全“卡脖子”的技術難題之一。目前常用的入侵生物探測技術主要包括: 聲學手段、光學手段、衛星遙感技術、雷達技術等, 其優缺點及應用范圍參見表5[11]。但由于受到水體能見度低、環境條件變化劇烈等限制, 加上致災生物本身的復雜性(如浮游植物個體太小無法探測, 或者水母類生物水分太多, 身體呈透明狀, 光學手段無法探測), 難以實現致災生物的可靠探測, 需要多種探測手段結合使用, 優勢互補。如魚、蝦及水母的探測應以聲學為主, 光學、水動力等為輔的綜合體系, 進而實現量化評估[15]。

目前, 大多數核電站取水口都布設生物監視設備進行實時觀測與預警: 如大亞灣核電站進水口設置水質在線監測浮標, 搭載多參數水質監測儀及氣象傳感器, 實現了連續、自動、實時、定點監測, 能抵御惡劣天氣的影響, 有助于核電站進水口海水水質參數數據庫的建立以及進行海洋赤潮的監測和預警預報; 陽江核電站利用水下機器人系統對進水明渠海生物進行全面的監控, 實時觀測進水明渠中蝦群、水母、藻類等生物的活動情況, 預測發展趨勢, 提前做出預警機制及應對措施[16]。但是不可否認, 由于海洋生物暴發的突然性、不確定性等因素, 目前的探測設備與技術仍然不能滿足監測預警的需求, 冷源事件持續發生, 如2020年3月, 陽江核電站連續兩天暴發了毛蝦群入侵事件, 暴露現有水下機器人監測系統的不足與缺陷, 而根本原因在于缺乏應對毛蝦暴發的預警技術與方法。隨著全球氣候及環境的變化, 海洋生態系統亦發生了巨大變化, 生物群落結構隨之變化, 這應該是越來越多的生物能夠暴發成災的根本原因。因此只有在了解與掌握特定海域生態環境及其生物群落結構的基礎上, 才能有的放矢、深入開展冷源取水口生物監測與預警技術的研發, 后續冷卻水過濾設備配置方案的優化調整, 找出之前技術上的不足并加以改進, 為核電廠冷卻水過濾系統的安全、可靠、穩定運行提供重要保障。

表4 中國沿海各核電冷源區風險生物及篩選標準

表5 常用生物探測手段對比及應用范圍(改自曾雷等[11])

4.2 處置方式

據 WANO《重要運行事件報告》等[16]資料顯示, 國內外核電站目前主要采取消殺驅離、攔截、降功率運行等手段應對海生物暴發及入侵事件。驅離措施主要包括針對魚、蝦等游泳生物的電脈沖攔網、氣泡幕墻法; 針對魚類、水母、藻類等的水下聲波法和光學手段; 消殺措施主要有次氯酸殺生劑及針對赤潮藻類的改型黏土法[9, 16]。

廣西防城港核電站受球形棕囊藻()赤潮的影響最嚴重, 機組多次受到球形棕囊藻赤潮的入侵, 出現冷卻水系統堵塞現象, 造成跳機、停堆[6]。其中球形棕囊藻典型特征就是具有單細胞和群體2種形態, 單細胞非常微小(<10 μm), 常規監測很容易忽略, 但在條件適宜時卻能夠形成直徑超過1 cm的膠質囊體, 暴發高密度、高生物量的赤潮災害。不管是單細胞還是囊體, 均能穿過攔截網進入下游CFI粗格柵(200 mm)、細格柵(50 mm)及最后屏障——鼓形濾網(3 mm), 導致格柵清污機組損壞[4]。目前多層防護網、攔截設施等均不能有效攔截球形棕囊藻, 所以針對棕囊藻的處理策略必須是在赤潮暴發高峰期及高發區域, 提前進行監測預警, 棕囊藻細胞密度達到一定致災閾值時, 及時噴灑改性黏土進行消殺處置[6]。近年改性黏土技術通過國家核安全局審核, 成為我國近海核電冷源取水海域赤潮應急處置的唯一技術方法, 成功應用于防城港核電冷源取水海域, 有效保障了我國濱海核電的冷源取水安全。

但是黏土消殺法目前只適用于棕囊藻等浮游植物或微型浮游動物, 對于水母、海地瓜及大型海藻類生物尚無有效試驗證據。由于水母、沙海蜇等水分太多, 身體呈透明狀, 聲吶及航拍等監測技術無法有效的進行預警預報, 目前只有設置攔截網清理打撈水母。2015年8月大量海地瓜受到臺風攪動, 涌入寧德核電3號機組取水口, 導致跳閘、反應堆停堆, 對海地瓜等底棲生物的數量及空間分布等生物特征不了解導致監測、預警及應急處置能力的缺失也是事故發生的主要原因之一。

由于海洋致災生物種類多, 暴發原因復雜, 類似改性黏土法這樣有針對性的防治技術仍亟待研究。在尚無法有效進行監測預警的情況下, 冷源取水口的攔污網是核電廠循環水系統的第一道安全屏障[22], 增加改進攔截網過濾系統是目前最直接有效的應對措施之一。EPRI1020524報告對美國77家電廠進行了取水口堵塞問題的調研和信息收集, 調研包括各電廠出現的海生物種類、特點, 以及各電廠取水口和泵站的配置, 給出了各電廠針對取水口堵塞問題采取的成功治理經驗反饋和設備改進建議[23]。國家安全局也要求, 核電廠營運單位對取水和過濾系統可能存在的設計或建設問題加以改進, 增強抵御海洋生物或異物的能力。措施包括增設不同孔徑的攔污網、改進攔污網材料等, 如紅沿河核電站取水口原先沒有設置攔污設施可后期進行增設[7]; 或在取水口改設“人”字形攔污網, 海生物可隨潮汐作用自動疏散, 或采用新型回轉式清污機提高清污效率, 有效減輕鼓網負荷[4]; 秦山第三核電站采用的鏈式旋轉濾網比第二核電站的鼓網濾網故障率低且效果更好; 而美國Donald C. Cook 核電廠新型多盤式濾網在濾網壓差達到1 270 mm的情況下持續運行, 清除垃圾能力達到每小時115 m3, 對防止取水口濾網堵塞有很好效果[9]。

5 建議與對策

核電冷源安全事件頻發影響到電廠的安全與可靠性, 冷源安全的重要性已成為普遍共識, 而冷源生物入侵是重中之重。如何根據入侵生物種類的特點, 有針對性地研發生物探測及預警技術、進行致災生物的防控與處置, 是核電冷源安全“卡脖子”的技術難題之一, 多學科交叉, 涉及核電工程、海洋環境監測、海洋生物預警及其生物學特性研究等多個領域。國家核安全局要求核電營運單位應高度重視海洋生物或異物對海水系統特別是安全重要廠用水系統的影響, 結合有關案例, 分析自身可能存在的問題; 同時, 多單位合作, 努力掌握海洋生物或異物的產生和運動規律, 建立預警和預防機制。在總結分析諸多冷源安全事件的經驗基礎上, 我們建議:

1)結合當地海洋生態環境及生物特征, 參考已有記錄的冷源致災生物, 建立適用于當地的潛在風險生物目錄及風險日歷, 針對特定致災生物形成具體可操作的調查規范, 實行“一站一策、一災一策”;

2)目前已確定水母災害預警等級及閾值, 規定了水母災害的4個等級及其確定依據并建立風險等級; 針對水母外的其他冷源致災生物, 建議首先選擇有條件、有能力的核電站結合自身需求, 建立地方致災生物的風險等級及行業標準, 如防城港核電站可牽頭建立棕囊藻災害的風險等級及標準; 大亞灣核電站和陽江核電站建立中國毛蝦的風險等級及標準; 秦山核電站牽頭制定海地瓜等底棲生物的風險等級及行業標準等, 為后續綜合形成全國統一的指導規范與準則提供數據支撐與依據;

3)長遠來看, 亟須加強學科間科技合作與融合發展, 進一步開展海域致災生物與生態環境的調查與長期研究, 分析海洋致災生物暴發的規律及演變趨勢; 在此基礎上, 結合致災生物的特點及環境特征, 研發綜合性與特異性相結合的探測技術及預警手段; 開展致災生物的防控與處置設備和技術, 才是從根本上解決核電冷源安全的生物暴發與入侵問題的關鍵。

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Classification and characteristics of the risk organisms in cold source water intake area of coastal nuclear power plants

SHEN Ping-ping1, YU Xian-bo2, MENG Bu-fan1, WU Cun-chao1

(1. Ocean School, Yantai University, Yantai 26400, China 5; 2. Shandong Nuclear Power Co., Ltd, Yantai 265116, China)

In recent years, there have been frequent incidents related to cold source safety at nuclear power plants caused by marine organisms, indicating that cold source safety is an important factor that affects nuclear power safety and reliability. In this paper, the main incidents at a national and international level are analyzed to summarize the classification and characteristics of organisms that cause cooling-water system disasters, discuss the screening and grading of the early warning standards of these organisms, and analyze relevant detection technologies. Finally, the key scientific and technical problems needing urgent resolution are proposed to provide a reference and theoretical basis for better dealing with the safety problems of coastal nuclear power cold sources.

coastal nuclear power plant; water intake area; risk organisms; cold source safety

Nov. 16, 2022

[National Natural Science Foundation of China, No. 41976114; State Environmental Protection Key Laboratory of Coastal Ecosystem (202311) Yantai City School and Local Integration Development Project]

P735

A

1000-3096(2023)9-0131-10

10.11759/hykx20221116003

2022-11-16;

2023-01-04

國家自然科學基金(41976114); 國家環境保護近岸海域生態環境重點實驗室開放課題(202311); 煙臺市校地融合發展項目

沈萍萍(1975—), 山東青島人, 女, 教授, 主要研究方向為海洋生物與生態學, E-mail: pshen@ytu.edu.cn

(本文編輯: 趙衛紅)