提升核电厂冷源安全性的海生物探测技术研究

李建文，刘笑麟，张锦飞，孟亚辉

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

提升核电厂冷源安全性的海生物探测技术研究

李建文，刘笑麟，张锦飞，孟亚辉

(苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

核电厂冷源堵塞事件的发生，不仅影响电力生产安全，还给核安全带来挑战，冷源可靠性成为制约核电发展的又一重要瓶颈。基于提升核电厂冷源安全性考虑，研究国内外核电基地几种典型海生物的入侵事件，并分析有效的海生物探测手段，以弥补该领域空白。

核电厂；冷源安全；取水口；浮游植物；海生物探测

0 引言

2016-05-03，国家核安全局印发《关于近期海洋生物或异物影响核电厂取水安全事件的通报》(见表1)，通报了法国CRUAS、红沿河、宁德、岭澳、田湾、秦山等核电基地发生的冷源安全事件，这说明核电厂冷源安全已成为影响核电厂核安全的重要因素。

2007年，世界核营运者协会(WANO)发布重要运行经验报告WANO SOER2007-2《冷却水取水口堵塞》，对44起冷源堵塞事件进行详细分析。结果表明：核电厂无论堆型及取水配置如何，该影响都持续发生，且大约20 %的事件对安全相关系统有直接影响。取水口堵塞对核电厂的影响通常是使取水湾水位下降到设计或预期水位以下，增加了如循环水泵等重要设备受损的可能性，进一步带来与核电厂安全相关系统的热交换器入口温度上升的风险。核电厂系统简图如图1所示。

通过WANO的分析可知，这类事件包括以下重要特点：

(1) 环境条件改变造成海藻、海草等海生物的意外或突然增加，以及溢油等人为影响造成的危害使取水口堵塞，而冷源系统原有设计不足以抵抗这些危害；

(2) 探测技术和预报手段欠缺，没有足够的技术措施提供早期预警，以防范或减轻冷源取水口堵塞带来的危害；

(3) 冷却水取水口堵塞降低了安全裕度，加大了众多安全相关载荷，最终增大了热阱共模丧失的可能性。

1 典型威胁类型

1.1 浮游植物威胁

浮游植物主要包括硅藻、蓝藻等藻类，浮游植物的暴发通常认为与海水富营养化密切相关。海水富营养化以及有利的温度、盐度、洋流活动等多重因素，会导致浮游植物急剧增加；如其蔓延至核电站取水区域，不仅污染水体，而且由于赤潮粒度较小、具有一定的粘性，能够穿过或粘附于拦截设施，给旋转滤网带来负担，进而影响冷源系统稳定运行。

表1 核安全局通报的取水安全事件

图1 核电厂系统简图

1.2 浮游动物威胁

现以海月水母为例。海月水母(aurelia aurita)是一种全球性分布的物种，广泛分布于70°N—40°S海域且多见于大西洋、太平洋、印度洋海域。海月水母的水母体是透明的，一般阔25—49 cm，有4条明显的马蹄状生殖腺。它们会用触手来捕捉猎物，如水母体、浮游生物及软体动物，但其触手的活动有限。在我国，每年的6—9月是水母的快速生长期。9 月末，海月水母繁殖期结束之后，很难再看到水母暴发现象。

海月水母在我国沿海分布非常广，调查发现，在广东、广西、福建、辽宁等核电基地均有发现，其中其对红沿河核电厂冷源威胁最大。2014年7月，大量海月水母涌入A核电厂取水口，导致该核电厂2号、1号机先后停堆。事件发生后1周内，在该核电基地海域打捞出水母超过10 300 kg。此事件之后，该电厂加强了拦截、打捞等措施，效果显著；但由于缺乏相应的预警手段，在恶劣天气下，类似事件于2016年8月再次发生。

1.3 游泳动物威胁

现以毛虾为例。游泳动物虽然在海洋当中存量相当丰富，但由于大部分体型大，通常意义上来说，只要核电厂设置拦截网，便可有效抵御；但近几年出现了2次虾群涌入B核电厂事件，造成不小的经济损失。

2015年1月，B核电厂发生了大规模小虾涌入冷源取水海域造成机组停堆事件。仅旋转滤网冲洗水就收集到小虾1.3 t，入海口打捞670 kg，初步估算虾群总量超过20 t。2016年1月，该电厂再次受到同群族小虾侵袭，造成1台机组停堆，2台机组降功率运行。

经鉴定识别，造成该核电厂停机事件的海虾为中国毛虾。中国毛虾具有生长快、生长周期短、繁殖能力强、游泳能力弱、集群分布等特征，具备种群暴发的基本要素。外部水动力的输送条件，如洋流、风暴潮等易加剧其入侵冷源系统。一旦发生种群暴发，大量块状毛虾将可能在潮流作用下涌入冷却水系统，形成冷源系统的海生物入侵，威胁核电厂的正常运行和安全。

经调研发现，虾群导致核电机组停堆事件在国外也曾多次发生，仅韩国Ulchin核电厂就曾经在1997年2月、4月、12月及2006年5月发生4次虾群大规模进入核电取水口，导致机组停机、停堆事件。

2 探测技术分析

2.1 入侵物分类及特点归纳

显然，寻找合适的探测方法，将其与入侵冷源的海生物及异物(简称“入侵物”)一一对应将获得最强的针对性。但若仅针对已有反馈的入侵做探测准备，将难以适应可能变化的需求，且就工程实际来说，也更希望在个例中提炼共性，使用一个目标涵盖较为完整的分类方法，以大大提高探测工程可行性。据此，可将入侵物归类，并针对各类入侵物特点进行共性分析。

(1) 浮游植物类，主要包括棕囊藻、浒苔等藻类。由于其自身光合作用的需求，浮游植物仅分布在海洋有光照的上层，也有昼夜垂直移动现象。藻类浮游植物本身分布范围较广，但温度仍是影响藻类地理分布的主要因素。此外，富营养化的水体也是浮游植物类暴发入侵的必要条件。

(2) 浮游动物类，主要包括海月水母、海蜇等。水母类浮游动物均属上层浮游动物，多出现于浅海区域。有昼夜垂直移动现象，一般白天下降、夜晚上升。大规模暴发时期可能有密集分布于浅海至海面之间各深度的状况，自身只有微弱的游动能力。其平面分布主要跟随洋流流向改变。

(3) 游泳动物类，主要包括盛产于目标海域的多种小型鱼、虾类。游泳动物在水中的运动能力较浮游动物强，在水中垂直分布区域也较广，单个个体较难辨别，多以一定规模的群体出现。虽部分鱼虾幼体仍有较强的随洋流迁徙特性，但在局部地区仍可观察到较为明显的转向、加速等运动轨迹。

(4) 极端条件暴发类，主要包括极端条件下的海带、竹竿、浮冰等。这类入侵物有几个较为显著的特点：仅暴发于极端条件(如极端天气、事故等)；多漂浮于海面；覆盖面积大；完全跟随海流迁移。因此，在探测此类入侵物时需要着重解决极端天气状况下探测器的可用性及可靠性问题；而在正常气候下，则无需进行此类探测，以节约运行成本。各种冷源威胁特点如表2所示。

2.2 探测方式介绍及选取

2.2.1 探测方式的介绍

探测入侵物的关键在于加强对入侵种群特征的研究，并选择最佳的探测方式。就目前而言，探测器不外乎采用声学手段、光学手段、卫星遥感技术、雷达技术等。

表2 冷源威胁特点

2.2.1.1 水下声学手段

主要指声纳，其主要原理可以形象地描绘成通过“发射换能器”扩音喊话，再通过“接收换能器”收音处理。相较于光学探测在水下穿透力差的缺点，声学探测在水中反而因为水介质的承载具有先天优势，因此在探测距离和分辨率等方面能够获得更好的效果。

2.2.1.2 水下光学手段

主要指运用微光成像或红外成像技术的高清摄像机进行探测。由于可见光对水下环境的穿透力较弱，所以在探测距离上并不占优势。但在照度可以得到保证的情况下，其成像清晰度高，直观性强。

2.2.1.3 水面光学手段

主要指运用机器视觉识别技术的高清摄像机进行探测。其探测环境比水下摄像机好，所以能有一定的探测距离。对摄像机加以改进，增加后端处理，就可以实现常规监控、移动侦测、目标识别等多种探测需求。

2.2.1.4 卫星遥感技术手段

主要将探测集中在水面及浅水部分红光段。卫星遥感技术探测的原理决定了其具有在空间上超大尺度的独特优势之外，在时间上也兼具实时性强和探测连续性强的特点，对于水面或浅水区具有一定规模的生物或非生物群体都有良好的探测效果。其缺点之一是对于分布较为分散或处于水下一定深度的入侵目标，不能有效探测。

2.2.1.5 雷达探测技术手段

主要实现对水面漂浮物的探测。在雷达的微波发射机发出探测微波后，雷达回波信号记录器可以将水面漂浮物的雷达回波信号经A/D转换以数据形式存入记录器中。数据处理终端通过算法对记录器中的信息进行特征分析和提取，并转发到计算机，最终输出水面的实时情况。其优点是实时性高，抗干扰强；缺点是造价高，大规模推广有困难。

2.2.2 探测方式的选取

常用探测手段对比如表3所示。

表3 常用探测手段对比

将以上分析加以比对，针对各类入侵物选取可能的最优探测方式，并考虑多重探测相互补充。

2.2.2.1 浮游植物类

因卫星遥感探测技术的空间大尺度、探测连续性、反馈实时性都与探测需求契合良好，可以作为首选的探测手段；搭载了机器视觉技术的高清摄像机也可以作为一种有效的备选方案，但需保证良好的照度条件。如要求保证较高探测距离时，还需考虑水上浮标搭载等方式来扩大探测范围。

2.2.2.2 对浮游动物类

由于水母本身含水量高，水下背景易产生探测干扰，高探测精度的需求决定了高频主动声纳将成为主要的探测方式，而水下高清摄像机的视频复核可作为声纳探测结果的一种有效补充。考虑其供电、数据传输等多种因素，因此其安装方式应以固定式为主(包含岸基方式、平台方式及海底安装方式)。

2.2.2.3 对游泳动物类

仍考虑使用声纳作为主要探测手段，但由于游泳动物类运动轨迹特征较容易捕捉并识别，所以其探测精度要求比水母探测要低，可适当降低选用声纳的频率，以补偿探测距离。水下高清摄像机仍作为复核补充，但就本身用途来看，其探测边缘应与声纳接近，所以需考虑使用搭载技术，将探测边缘

向海中延伸。

2.2.2.4 对极端条件暴发类

由于在某些极端天气下（如台风），常规探测手段的探测效果将受到能见度低、环境条件变化剧烈等因素的影响，难以实现可靠探测，所以可重点考虑雷达和卫星遥感探测手段。一方面，它们受极端天气的影响较小；另一方面，大观测尺度可以带来较多的预警提前量，在极端天气带来的入侵目标快速暴发时将有效增加反应时间。

3 具体探测案例

3.1 赤潮探测

3.1.1 暴发因素

由于赤潮暴发具有漂浮性、集群性等显著特征，采用卫星遥感探测方式最为合适。但卫星遥感探测也存在弊端，即仅能解决暴发后的观测及趋势预报，难以达到提前预报的效果。赤潮的暴发与环境有着密切的关系(见图2)，通过对洋流、温度、盐度、海水营养成分的长期探测有助于弥补遥感探测存在的不足。

图2 赤潮与环境关系

3.1.2 探测方式

国内外在赤潮探测方面已经取得突破性进步，并实现业务化运行，如丛丕福等人开展的赤潮探测技术研究(见参考文献4)，利用国家卫星中心提供的NOAA-14和FY-1C卫星图片，采用将海表温度(SST)分析方法、生物量分析方法、图像合成分析方法相结合的方式，可以有效预测渤海湾赤潮的暴发、趋势等，连续准确预测赤潮发生范围，有效防止或减少赤潮带来的灾害。赤潮探测系统流程如图3所示。

核电厂赤潮探测首先应建立区域性环境探测手段，目前各核电厂均设置YSI水质浮标，可起到一定作用;但总体来看，由于覆盖范围小、组网水平低等客观因素，难以达到早期预防性探测的目的。因此在赤潮防御过程中，核电厂应加强相应水质探测的组网、识别研究，同时应和国家海洋环境探测平台对接，获取大范围信息传送与通报渠道。

图3 赤潮探测系统流程

3.2 鱼虾及水母探测

3.2.1 暴发因素

鱼虾及水母对核电厂的影响可归结为同一类别，即水下集群式进入取水口，在短时间内达到或超出网具拦截及反冲洗能力，造成冷源系统压差升高，如2016年1月的虾群短时间涌入B核电厂取水口事件。

以A核电厂水母事件为例，研究表明，该区域水母暴发包括外部因素和内部因素2种，如图4所示。

图4 水母暴发因素

基于鱼虾及水母在水下活动习性及前述各种探测方式优缺点分析，及相应手段在A核电站及C核电站开展的一系列试验，结果表明，鱼虾及水母探测应建立以声学为主，光学、水动力等为辅的综合体系，进而实现量化评估。具体试验内容如图5所示。

图5 试验框图

3.2.2 探测体系

特征提取是声学探测一项最为基础的工作，就海生物探测而言，入侵物特征提取的重大意义在于，通过对形态、尺寸、活动轨迹、回声关键参数的提取，在众多可视对象内识别出入侵物，建立数据库，实现量化计算。

为提取鱼虾及水母入侵物特征，在A及C核电站海域搭建试验系统，开展探测试验。测试系统中的关键设备为高分辨率主动声纳系统，以及与之相匹配的声纳布放系统，其中所采用的主动声纳系统原理如图6所示。

图6 声纳系统原理

鱼虾及水母预警探测体系的构建，除需声纳系统识别入侵物特征、建立入侵物特征数据库外，还需要建立水下摄像系统对探测结果进一步检验，同时采取取样分析的手段对评估数据加以判别，进而建立预警模型，实现预警信息的发布。鱼虾及水母探测系统架构如图7所示。

图7 鱼虾及水母探测系统架构

基于以上所述探测系统开展的一系列试验证明，该技术能够实现水母及鱼虾的探测，入侵物特征的提取等目的，并可初步实现量化评估。

4 结束语

除以上所述的各种物理探测方法以外，基于海生物发生发展机理的海域基本环境指标的探测及预警，也是保障核电厂冷源可靠性的一个可行方法；而且从长远的角度来看，甚至是一个比物理探测方法更加根本的解决方法。但海生物发生发展机理的获取，需要连续的、大量的观测数据，涉及很长的时间跨度。在冷源可靠性问题亟待解决的当下，开始以海生物暴发趋势预测为目的的海洋环境探测是很有必要的，但物理探测方法仍是在较短时间内解决海生物入侵冷源取水口问题的不二之选。综合来说，以物理探测方法来针对性地解决眼前问题，以海生物趋势预测及极端条件预警作为根本性的解决方案，应是解决冷源威胁入侵的合理思路。

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2017-05-26。

李建文(1962—)，男，高级工程师，主要从事电力安全及核电厂消防技术研究工作，email：lijianwen@cgnpc.com.cn。

刘笑麟(1989—)，男，助理工程师，主要从事核电厂水域安全防范技术研究工作。

张锦飞(1973—)，男，高级工程师，主要从事电力安全技术研究工作。

孟亚辉(1983—)，男，高级工程师，主要从事核电厂水域安全防范技术研究工作。