核电厂冷源取水海洋生物堵塞问题探析

邢晓峰，张正楼，汤建明，郭天翔，王 帅，陶 征

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

国内外发生多起海洋生物大规模聚集迁移堵塞取水系统继而导致核电机组停堆事件［1］。《国务院关于核安全与放射性污染防治“十三五”规划及2025年远景目标的批复》（国函〔2017〕29号）中重点提出开展冷源安全改进，我国核安全导则［2］提出必须适当评价海洋生物对最终热阱的影响。生态环境部（国家核安全局）从事件通报、经验反馈、监督检查几方面对核电厂厂址应对冷源安全挑战提出了要求。我国核安全局以及各监督站，在监督检查方面大都加入了冷源监督要求，体现了监管机构对冷源安全问题的重视。国家能源局在事件通报以及要求中，也多次提出了提高冷源系统设施的拦截有效性和运作可靠性，提升冷源保障水平。监管当局强化了监督检查与经验反馈，核电厂加强了工程技术措施以及管理措施。国内外科研院校加大了研发力度，相继形成了一定的研究成果［3-11］，提出了应对措施，有效地提升了我国核电厂取水安全保障能力。

运行实践表明，取水安全保障形势依然十分严峻，因此本文对核电厂取水堵塞事件的特点及根本原因进行总结探析，从导则、法规标准体系的成效与价值分析，提出思考与完善建议，从科学技术方面提出存在的挑战以及应对措施，结合当前的科学技术水平以及核电厂运营需求，提出政策建议，为下一步应对提供发展建议。

1 核电厂取水堵塞事件的特点及根本原因分析

图1给出了我国取水堵塞运行事件的统计情况，由图可知，我国累计发生21起海洋生物导致的核电厂取水堵塞事件，涉及我国77%的核电基地，影响核电机组36台，导致其中42%的机组停堆。国外核电厂发生同类事件已有百余起。美国电力研究学会（The Electric Power Research Institute，简称EPRI）［12，13］对美国核电厂堵塞事件进行的统计表明，美国境内发生该类事件已有数起。海洋生物入侵影响核电厂取水，已经成为世界核电运行的通用性难题。

图1 核电厂取水堵塞运行事件统计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现的特点

基于对国内外冷源取水堵塞事件的深入分析，事件呈现如下特点。

（1）突发性，为预测预报带来极大挑战。生态调查研究表明，众多致灾物种实时存在于核电厂厂址海域，当其大规模聚集并迁移至取水流道时，才会影响核电厂取水。其大规模聚集的成因复杂，尚未发现与环境参数的明显相关性。

（2）致灾物种种类繁多、特性迥异，为有针对性的防控带来挑战。当前已造成运行事件的物种有水母、毛虾、海地瓜、海藻、尖笔帽螺等。此外，还有其他若干潜在致灾物种。

（3）多机组共用取水设施易形成共性事件。当前绝大部分核电机组共用取水明渠，随着机组的逐步投用，取水明渠口门流速增大，卷载风险增加，容易形成共性事件。

1.2 核电厂取水安全事件频发的根本原因探析

回顾取水堵塞运行事件，并结合当前的科学技术发展情况，研究认为取水堵塞问题的根本原因如下。

（1）威胁源认知欠缺，针对性应对困难。海洋生态环境复杂，目前对海洋生物大规模聚集的机理尚未完全清晰。海洋环境变化、温排水影响、食物链影响、物种分布等均成为致灾物种大规模聚集的潜在因素，工作人员目前难以掌握海洋生物大规模聚集迁移的规律。

（2）监测体系短板，预报体系不健全。当前的主要预警方式为：滤网压差≥0.3 m时，第一次报警；滤网压差≥0.8 m时，第二次报警，循环水泵脱扣。多起核电厂取水堵塞事件从滤网压差触发第一次报警至停堆的时间不足5 min，较短的预警时间使得应急方案通常无法达到预定效果。据统计，我国2020年发生的几起核电厂取水运行事件中，核电厂的海洋生物在线监测设施均未实现有效预警。

（3）海洋环境复杂，防控处置能力受限。传统机械格栅、固定式滤网等设施的处置能力无法应对海洋生物大规模入侵。当前使用的拦截网受材料、地形等影响，难以进行全断面拦截。此外，恶劣天气条件下，人员船只等装备的处置更加困难，导致应急打捞预案无法发挥效用。

（4）规范体系缺乏，设计技术措施不足。当前在役核电机组在设计之初并未考虑到海洋生物大规模入侵问题，更多关注点在泥沙、温排、海洋生物附着等方面，按照现有法规规范体系设计的取水系统防护能力不足以应对海洋生物大规模聚集迁移进入取水系统。

2 科学技术进展分析

2.1 导则、法规标准体系成效与价值探析

HAD 102/09《核动力厂最终热阱及其直接有关的输热系统》提供的两种应对海洋生物入侵方案：固定式滤网，以及最终热阱直接相关的输热系统所需的冷却水从凝汽器用的同一组滤网抽吸，两种措施是当前各核动力厂普遍采取的设计措施。运行实践表明，两种措施能够保障有效应对常规问题，当海洋生物入侵堵塞共用的粗格栅、细格栅、滤网等过滤设施时，停运发电相关的循环水后，在堵塞率低于98.75%的情况下，能够保证核岛厂用水取水。然而运行实践也表明，尖笔帽螺、棕囊藻、泥沙、石子等堵塞物能够穿过传统滤网，造成核岛厂用水系统贝类捕集器、板式换热器的堵塞。

分析认为，导则和规范尚未完全考虑到核电厂运行过程中碰到的新问题，在潜在影响核电厂取水系统海洋生物的调查、监测预警、防控处置方面，缺少可操作的法规依据和实施细则。目前已建和在建滨海核电厂的取水工程设计基于法规标准，主要针对波浪、潮流、泥沙、温排水和海冰等方面，设置的过滤系统主要针对大的漂浮杂物以及少量的海洋生物。在海洋生物调查方面，主要针对环境影响评估，包括电厂建设对海域生态环境、物种的影响评价。综上，目前的取水工程设计以及生物调查缺乏对海洋生物大规模聚集问题的针对性。

2.2 致灾海洋生物生态科学

图2给出了我国核电厂的主要堵塞威胁种类，可见水母、毛虾、棕囊藻是较为典型的致灾物种，其他致灾物种主要还包括海地瓜、浒苔、海草、马尾藻、尖笔帽螺等堵塞物。季节方面，夏秋两季是海生物威胁的重点季节。分析认为，一方面夏秋两季是海洋生物繁育旺盛的季节，二方面夏秋两季核电厂的取水流量相对大，三方面夏秋两季的气象条件、海动力条件利于海洋生物大规模迁移。国内外对核电海域海洋生物暴发的机理进行了初步探析［14-17］，分析认为，整体上看海洋生态系统，某种生物的暴发是生态系统失衡的表现，其暴发机制也非常复杂，不是某个单一因素能决定的。由于对核电海域生态环境变化和致灾生物的系统调查、研究不足，现阶段尚未了解冷源典型和潜在致灾生物的时空分布规律、生态习性，不掌握其聚集特点及驱动因素。

图2 我国核电厂的主要堵塞威胁种类统计（截至2020年）Fig.2 Information of marine organism type

2.3 取水堵塞物监测技术

从工程实际需求角度，监测技术的作用是掌握致灾海洋生物的时空分布，实现风险评估与预警，为防控处置及应急响应提供基础信息。根据国内外的监测技术研究情况［18-20］，我国核电厂采用的监测手段统计如图3所示，可见声学技术、摄像、气象是应用较为普遍的监测手段，监测手段还包括海动力技术、雷达，以及诸如与地方部门信息联动等其他手段。

图3 我国核电厂采取的监测手段统计（截至2020年）Fig.3 Information of marine organism detection type in nuclear power plant

基于科学技术研究进展及运行实践，堵塞物监测方面的成效与不足主要在如下几方面。

（1）对海面漂浮垃圾，如树枝、秸秆、生活垃圾等堵塞物，以及海藻、浒苔类等浮游植物堵塞物，通过目视、水上摄像、遥感技术能够实现有效监测。分析认为潜在风险主要为：受天气影响，如云层厚、夜晚光线受限等，存在监测时间不连续、距离短，无法预留足够响应时间的风险。

（2）对散射特性较好、个体较大的致灾物种（如鱼类），采用声纳、水下摄像、激光雷达技术，能有效监测；而对含水量高（如水母）、个体小（如毛虾、笔帽螺）的生物，运行实践表明，尚难以实现有效监测。

（3）对底栖生物的监测，主要依靠水下摄像，能见度受水质影响较大。

2.4 取水堵塞物防控处置技术

防控技术是降低堵塞风险的最直接手段，包括拦截、打捞、处置等技术手段［21-23］，图4给出了我国核电厂采取的拦截网数量统计，可见多重拦截网成为当前的防控主流。核电厂冷源取水物理防控措施目前已经基本实现多重拦截、防控，从前端的导引网、明渠内多道拦截网，到中端的粗格栅、细格栅，再到旋转滤网、贝类捕集器、二次滤网，配合打捞措施，可以一定程度上实现对海洋生物、杂物的拦截处置。实践表明，致灾海洋生物的多样性、暴发的突然性、个体的细小性等因素，使我们尚不能杜绝海洋生物大规模聚集导致冷源取水堵塞的风险，存在优化物理防控措施的需求和必要性。同时，防控系统还面临可靠性低、维护困难等问题。

图4 我国核电厂采取的拦截网数量统计（截至2020年）Fig.4 Information of trash-intercepting net in nuclear power plant

3 我国核电厂应对取水堵塞问题的发展建议

3.1 监管政策建议

（1）建议完善取水安全导则，规范核电厂取水安全应对体系。组织制定我国核电厂取水系统应对海洋生物的风险监测、预警、防控处置导则、法规标准。充分利用数据积累、经验反馈，逐步形成可供借鉴的、普遍认可的标准，推动行业有效应对海域威胁。

（2）建议构建多层次立体交叉取水安全专项监管体系，加强厂址直接相关系统与设备设计的厂址适应性论证评估监督审查，对核电厂取水系统的设备运行进行定期/不定期监督检查，重点关注核电厂址海域海洋生物易大规模聚集迁移的季节。督促运营方制定合理可行的应急预案以及取水安全保障能力提升计划。

（3）建议加强核电厂取水安全事件过程记录以及根本原因分析审查力度，要求核电厂及时总结经验，使得核安全监管机构、设计方、其他运营方能够充分获得运行经验与事件数据。促进经验交流与共享。

3.2 导则、法规标准体系发展建议

（1）在HAD导则中，提出最终热阱过滤设备、换热器应对海洋生物（包括泥沙、杂物等）堵塞问题的导则要求。要求安全分析中评价海洋生物（特别是尺寸大小在2-3 mm之间的易堵塞物）大规模聚集对最终热阱的影响，并证明这种影响是可以接受的。

（2）在规范标准中，提出四方面具体要求，包括：a.针对致灾海洋生物调查分析要求，包括调查时间、调查次数、季节划分、采样方法、分析方法，建立风险评估方法。b.针对风险致灾物建立监测预警预报要求，包括海洋动力要素、气象要素、水面摄像等。c.提出系统及构筑物防堵塞设计要求。提出过滤设备清理能力要求。提出海域拦截防控要求。提出明渠海工构筑物导流与防波技术要求。d.设备设计要求，重点关注防堵塞设计，各级过滤设施（过滤精度、清污能力、材料）以及热交换器（板间距、清污能力、流速、耐磨损、材料）等设计与厂址海域环境的匹配。统筹考虑海水泥沙情况、海洋生物情况、热交换器杂质可通过性要求与贝类捕集器孔径设计匹配要求。通过合理的匹配设计，提升系统防堵塞能力，降低系统阻力，满足系统流量要求。

3.3 运行保障建议

（1）核电厂应建立取水安全常态化管理机制，加强质量控制，提升取水系统设备预防性维护、日常巡查、缺陷消除等级，建立保守决策规程。应建立完善取水安全保障管理程序。加大资源投入，建立保障体系，完善管理组织，强化专人、专岗、专职，形成一支专业化队伍。新建核电站取水“设计源头”优化，结合在役电厂的运营反馈。核电厂日常运营要保证取水口拦截设施的完整性，可采用机械监控、人工定期巡检等方法，做好巡检记录。建立拦截系统健康状况评估机制。

（2）核电厂应与气象、海洋、水利、应急管理等相关部门建立常态化沟通机制，积极利用社会资源，扩展信息渠道，联防联控形成应急响应防控机制。构建规范、及时、畅通的联系网络和信息渠道，为核电厂预警及决策系统提供准确、全面的输入，提高应对有效性。

3.4 科技攻关与发展建议

核电厂取水安全保障研究是一个动态研究过程，需要吸收经验反馈和良好实践，广泛开展合作交流、研发和新技术应用。

3.4.1 致灾海洋生物生态科学攻关与发展建议

从解决工程问题的角度，生态科学研究的重点为识别堵塞威胁源、驱动因素以及生态特征，为监测防控提供有针对性的输入，因此建议重点开展：加强滨海核电冷源生物灾害调查分析与评估，结合厂址特征与生物调查情况，评估并构建厂址致灾海洋生物筛选机制，建立并持续完善核电冷源生物致灾风险月历。深入研究基于自然规律的长效而稳定的核电冷源生态灾害防控解决方案。

3.4.2 取水堵塞物监测技术攻关与发展建议

研究认为，监测技术的发展方向如下。

（1）声学监测方面，建议加强针对致灾生物监测与预警的理论与技术基础研究，通过试验建立典型致灾海洋生物声学散射模型的特征数据库，研究致灾海洋生物声学探测——预警模型，以便对声学探测结果准确解析，为致灾生物的预测、预警、处置提供基础数据支撑。

（2）遥感监测方面，建议开展高时间分辨率、高空间和高光谱遥感相结合的技术研究，根据不同藻类暴发机制，在暴发季节安排密集频次的遥感，跟踪其发展过程。加强SAR遥感卫星在海面漂浮物监测方面的研究，发展海洋实时观测技术，提高海洋遥感信息提取技术与海洋遥感数据应用水平。

（3）海洋动力监测方面，建议重点围绕海洋动力环境监测与预报两个层面，充分利用各类平台（如岸基、海底基、浮标），积极开展能够实现“长期、实时、连续的核电海域海洋动力监测”的技术研究，实现致灾海洋生物迁移路径预警和预报目标。

（4）运行数据监测方面，建议加强取水系统过滤拦截物的种类和资源量统计，分析堵塞物的变化趋势与外部环境条件的相关性。

3.4.3 致灾海洋生物防控技术攻关与发展建议

提出如下应对技术措施。

（1）结合核电厂附近海域潜在威胁的海洋生物识别，以及其他核电厂发生冷源事件后的经验反馈，定期更新应急响应管理程序，尤其针对台风等恶劣天气情况。

（2）取水口构筑物设计优化，通过构筑物布置型式变化，改变海动力场，从而降低海洋生物迁移卷载风险。

（3）根据潜在威胁海洋生物的生物特征及迁移路径，合理配置拦截过滤装置的过滤级数、网孔尺寸等，并重点关注拦截网底部、顶部、接缝连接设计与承载力分析，使得拦截网在堵塞情况下能够承受设计标准工况的水流、波浪作用形成的载荷，以避免出现诸如拦截网缆绳或接缝处崩断、顶部下沉、底部上扬等无法实现全断面拦截的情况。

（4）加强机械化、自动化防控技术研究。当前在役核电厂投入大量的人力开展防控系统日常运维，存在恶劣天气干扰等因素导致运维困难的情况，需要开展研究降低运维难度，从而提升防控可靠性。

4 结论与建议

基于对核电厂冷源取水运行事件的调查，对运行电厂采取的工程应对措施进行了统计，对关键科学技术进展进行分析。主要结论及建议如下：

（1）取水堵塞问题呈现突发性、致灾物种种类繁多及特性迥异、较易形成共性事件等特征，潜在风险不容忽视。

（2）监管部门应完善取水安全导则，规范核电厂取水安全应对体系。加强核电厂取水安全事件过程记录以及根本原因分析审查力度。构建多层次立体交叉取水安全专项监管体系，加强厂址直接相关系统与设备设计的厂址适应性论证评估监督审查。

（3）核电厂应建立取水安全常态化管理机制，加强运维质量控制，提升取水系统设备预防性维护、日常巡查、缺陷消除等级，建立“风险认知-早期预警-快速防控-保守决策”一体化应对策略。

（4）设计方面需要结合厂址特征开展有针对性的冷源取水预防海洋生物堵塞研究，生态科学方面聚焦威胁源的调查与精细化识别，监测技术方面应关注多种监测技术融合及关键监测装备开发，防控处置方面应注重特殊场景，提供机械化、自动化手段。