滨海核电冷源取水区风险生物的分类及特征分析

沈萍萍, 于先波, 孟不凡, 武存超

滨海核电冷源取水区风险生物的分类及特征分析

沈萍萍1, 于先波2, 孟不凡1, 武存超1

(1. 烟台大学海洋学院, 山东 烟台 264005; 2. 山东核电有限公司, 山东 烟台 265116)

近年来由海洋生物入侵造成的核电冷源安全事件频发, 表明冷源安全已成为核电安全与可靠的重要影响因素, 受到社会高度关注。本文对国内外发生的主要冷源安全事件进行统计分析, 归纳总结冷源致灾生物的分类特征及其致灾机制, 探讨致灾生物的筛选及分级预警标准, 解析相关的探测技术、预警手段及处置方法, 提出致灾生物研究中亟待解决的关键科学与技术问题, 以期为更好应对解决滨海核电冷源安全问题提供参考与理论依据。

滨海核电; 取水区; 风险生物; 冷源安全

核电作为优质绿色清洁能源, 在促进社会经济发展和环境保护中具有不可比拟的优势, 各国将核电作为控制温室气体排放的最重要措施之一, 核电因此得到快速发展。我国从1984年第一座滨海核电站——秦山核电站开工建设, 至2017年9月, 大陆地区共有商业运行机组37个, 在建机组19个[1]。随着核电的飞速发展, 核电运行安全变得更为重要, 而冷源系统安全是重中之重。近年来, 随着越来越多的核电机组投入运行, 国内滨海核电发生了数起由海洋生物[如水母(Medusozoa)、海地瓜()、棕囊藻(spp.)等]或者异物(秸秆、漂浮物等)入侵造成的冷源取水口滤网堵塞、影响核电正常运行的安全事件, 导致核电机组降低功率、跳机甚至紧急停堆, 造成巨大的经济损失及安全隐患, 引起了社会高度关注[2]。类似的事件在法国、日本、美国、英国、瑞典等多个国家滨海核电站都有发生, 据世界运行重要事件反馈报告统计显示, 2004—2015 年十余年间, 世界各地发生了 100 余起核电站取水口堵塞事件[3], 核电冷源安全问题成为“世界性难题”。

尽管核电行业已认识到事件的严重性, 并采取了预防措施, 但该类事件的发生率不降反升, 如北方某核电厂自机组运行以来, 2014—2017 年先后发生了4起较为严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, 阳江核电厂连续2 d发生了2起毛虾()群入侵事件, 导致大范围机组反应堆接连紧急保护停堆, 造成了极大的安全隐患。冷源事件的频发, 表明冷源安全已成为影响核电厂安全与可靠的重要因素。冷源安全属于多领域、跨学科的技术难题, 涉及核电工程、海洋环境监测、海洋生物的分析预警及其生物学特性研究等多个领域。同时由于各个电厂所处的海洋地理环境独特, 国内外没有能够完全参照的治理成功案例, 因此需要综合分析已经发生的冷源事件的缘由, 结合自身海洋环境及入侵生物特点, 制定针对性强的冷源保障措施, 切实维护电站的安全运行。2016年国家领导人高度重视并针对广西防城港核电站大量球形棕囊藻入侵事件做出重要批示, 建议开展相关研究、攻克关键技术[6]。本文将专门针对海洋生物入侵对近海核电冷源安全的影响进行深入总结与探讨, 追溯其发生原因与机制, 总结关键科学与技术问题, 提出相关建议与对策, 为防控近海生态灾害、保障近海核电冷源安全提供科学依据与技术支撑。

1 冷源安全事件的统计与分析

近年来, 国内外由海洋生物或异物入侵导致的核电厂冷却水取水安全事件频繁发生[6-8]。如2004—2008年间全球共记录取水口堵塞事件61起, 其中80%导致机组降功率运行或停堆, 20%对核电厂安全系统造成直接影响[9]。表1对国内外发生的主要核电冷源安全事件进行了统计, 分析事件发生后果及其相关原因, 以便更好地应对由海洋生物暴发或者入侵导致的滨海核电运行安全问题。

表1 国内外主要核电冷源事件的统计分析

此外, 2015年防城港、岭澳、福清、昌江等核电厂在调试、运行期间, 也发生过因海生物的影响造成冷源丧失或安全异常, 甚至触发自动停堆的事件[17]。据不完全统计, 我国绝大部分沿海核电站都发生过生物入侵导致的冷源安全事件, 发生频率不降反升。

总结发现, 目前不管国内国外, 除碎冰及漂浮杂物外, 绝大多数事件是由海洋生物的大量暴发及入侵造成, 但也存在明显不同。在国外, 造成入侵危害的海洋生物种类较少, 主要是水母类(占大多数), 其次是大型海藻(海草), 剩余为海冰、杂草等, 如日本1996—2000年的5年间, 108个火电厂中有43个电厂受到水母的影响[1]。而国内电站致灾的海洋生物种类多样, 个体大小差别较大, 包括浮游植物(棕囊藻)、浮游动物(毛虾、尖笔帽螺、水母等)、游泳生物(鲈鱼等)、底栖动物(海地瓜、贝类、海葵(Actiniaria)等)、大型海藻(浒苔、石莼、海带等)、水草(伊乐藻、水葫芦())等(表1)。相比而言, 国内的冷源致灾生物个体偏小(如微藻、毛虾)、种类更多且不断出现新型灾害生物(如大亚湾核电站新近出现尖笔帽螺入侵), 因此其现场监测、预警及防控更加困难, 后期打捞与治理亦更加艰巨, 对相应的拦截和过滤防护能力要求极高, 因此必须对这些致灾生物进行风险分类, 建立核电冷源取水区的风险生物目录及日历, 进而进行科学监控与预警, 提高风险应对能力。

2 冷源致灾生物分类及其特征

2.1 致灾生物分类

冷源致灾生物是指暴发性涌入核电站循环水过滤系统取水口, 堵塞取水口拦截网、格栅或鼓网等设施, 造成核电站冷却水水量低而导致机组反应堆跳机、停堆运行安全事件的一类海洋生物的统称, 仅针对于核电冷源安全而言, 因为有些入侵生物本身也是渔业资源, 比如毛虾群、鱼类等。冷源入侵致灾生物种类较多, 根据其不同的形态特征及生长特性, 主要分为浮游植物、浮游动物、游泳生物、大型藻类及大型底栖动物等五大类别(表2)。各类别生物致灾的原因也不尽相同, 例如浮游植物类致灾生物虽然个体微小, 但是能够形成粒径较大的群体(成囊、成链、成团), 且繁殖速度快, 因此短时间内即能够形成高密度、高生物量的群体, 如棕囊藻; 浮游动物类致灾生物通常为游动能力弱、易漂浮聚集的种类, 其繁殖及生长速度都非常快, 如水母、中国毛虾、尖笔帽螺等; 而底栖生物类致灾生物一般个体较大、生物密度不一定很高但集中分布, 受恶劣天气、风浪搅动等易漂浮并聚集, 如海地瓜、贝壳类、大型海藻(海草)等。

2.2 致灾生物特征

尽管目前有关核电冷源安全事件及致灾生物、致灾原因受到社会及业界高度关注, 但是专门针对冷源致灾生物的调查与评价还比较少见[3, 18], 比如海地瓜等生物, 绝大部分研究集中在其营养价值, 而对于其生长繁殖、生活习性及分布等特征鲜有报道, 缺乏相应的调查标准与评价体系, 导致核电站现有的环境生物调查结果与实际冷源事件的致灾生物并不一致, 且存在较大偏差[16, 19]。

表2 核电冷源致灾生物的种类及特征

冷源安全属于多领域、跨学科的技术范畴, 涉及核电工程、海洋环境监测、海洋生物预警及其生物学特性研究等多个领域。如何依据致灾生物的形态特征及生活习性将生物的监测预警与核电工程设计, 尤其是取水口拦截滤网的优化布置等科学地结合起来, 才是有效防控冷源取水口生物入侵与堵塞的关键。如浮游植物需要光照进行光合作用, 主要分布在水体上层; 浮游动物能够垂直迁移, 主要生活在中下层, 如大亚湾海域中国毛虾主要集群分布于水深5.2～7.2 m 的中下层水域[11]; 而有些底栖生物则栖居在下层水域及表层沉积物中并且呈明显区域性分布特征, 如海地瓜的不平衡式分布易造成常规监测的疏漏[3]。因此, 拦截网需要根据不同生物的体型大小及空间分布特征进行优化调整, 以拦截不同大小、不同水层的入侵生物。同时, 不同水层的透光性、能见度等条件不同, 对于相应的探测设备和探测技术也有不同的要求[15]。可见, 不同类别致灾生物的生物特性及生活史策略差异较大, 必须首先厘清它们的分类特征, 了解各类生物致灾的生物及环境机制, 才能制定出有针对性的防控对策。

3 致灾生物筛选标准及分级预警

水母是我国和世界多国核电首要的致灾生物, 2020年12月31日, 中国能源研究会[20]首次发布了针对水母灾害的核电厂冷源安全分级预警规范(T/CERS 0009-2020 核电厂冷源安全分级预警规范水母灾害), 确定水母灾害预警等级及阈值, 规定了水母灾害的4个等级及其确定依据(表3)。此标准的制定对于保障沿海核电站在水母暴发期间的冷源安全, 提高水母灾害的应急响应和管理能力具有重要意义。

表3 水母灾害预警等级划分表[20]

注: EFL——水母应急打捞极限值(单位: g/m3): 沿海核电厂处于应急状态下每天动用船只打捞水母的最大量与核电纳水量的比值。

但是除水母外, 其他冷源致灾生物的筛选标准尚未成熟且无法统一, 国内外均未形成指导性规范与评价体系[16]。除了与冷源致灾生物的本身复杂性有关外, 各核电站所处的海域环境特殊亦是主要因素。如南方海域, 福建宁德核电站运行前后水动力条件发生变化, 沉积环境改变加上台风天气影响, 取水口受到海地瓜、淤泥等的威胁; 广东大亚湾核电站面临着海虾、尖笔帽螺、棕囊藻赤潮等威胁; 广东台山核电站由于采用隧洞取水的方式, 存在鱼、虾侵入的问题; 广西防城港核电站受到棕囊藻赤潮的影响最为严重。中部海域如浙江秦山核电站因海域水质泥沙淤积严重, 面临水葫芦和泥沙的威胁; 江苏田湾核电站附近种植农作物较多, 恶劣天气导致小麦或玉米秸秆入海, 引发取水口堵塞的风险; 而大连红沿河核电站地处寒冷的北方海域, 则多次受到海月水母、浒苔和海冰等的入侵(表1)。根据历史资料和现场调研结果, 张朝文等[1]筛选出红沿河核电取水区高风险生物并提出海月水母的风险等级基准; 唐娅菲[3]运用层次分析法, 建立宁德核电站致灾生物筛选标准体系, 筛选出12种潜在致灾生物(表4), 并提出了针对海地瓜的预警和防控措施。

而其他核电站的冷源致灾生物各具特色, 因此应加快制定相关的致灾生物筛选标准及分级基准。建议各核电站结合考虑当地的水文气候条件、海洋地质及化学等环境要素, 率先针对性地建立地方核电冷源取水区风险生物的目录及筛选标准, 对于后续制定全国统一的指导性准则有重要意义。

4 探测技术与处置方式

4.1 探测技术

根据入侵生物种类的特点, 有针对性地研发生物探测及预警防控技术, 是核电冷源安全“卡脖子”的技术难题之一。目前常用的入侵生物探测技术主要包括: 声学手段、光学手段、卫星遥感技术、雷达技术等, 其优缺点及应用范围参见表5[11]。但由于受到水体能见度低、环境条件变化剧烈等限制, 加上致灾生物本身的复杂性(如浮游植物个体太小无法探测, 或者水母类生物水分太多, 身体呈透明状, 光学手段无法探测), 难以实现致灾生物的可靠探测, 需要多种探测手段结合使用, 优势互补。如鱼、虾及水母的探测应以声学为主, 光学、水动力等为辅的综合体系, 进而实现量化评估[15]。

目前, 大多数核电站取水口都布设生物监视设备进行实时观测与预警: 如大亚湾核电站进水口设置水质在线监测浮标, 搭载多参数水质监测仪及气象传感器, 实现了连续、自动、实时、定点监测, 能抵御恶劣天气的影响, 有助于核电站进水口海水水质参数数据库的建立以及进行海洋赤潮的监测和预警预报; 阳江核电站利用水下机器人系统对进水明渠海生物进行全面的监控, 实时观测进水明渠中虾群、水母、藻类等生物的活动情况, 预测发展趋势, 提前做出预警机制及应对措施[16]。但是不可否认, 由于海洋生物暴发的突然性、不确定性等因素, 目前的探测设备与技术仍然不能满足监测预警的需求, 冷源事件持续发生, 如2020年3月, 阳江核电站连续两天暴发了毛虾群入侵事件, 暴露现有水下机器人监测系统的不足与缺陷, 而根本原因在于缺乏应对毛虾暴发的预警技术与方法。随着全球气候及环境的变化, 海洋生态系统亦发生了巨大变化, 生物群落结构随之变化, 这应该是越来越多的生物能够暴发成灾的根本原因。因此只有在了解与掌握特定海域生态环境及其生物群落结构的基础上, 才能有的放矢、深入开展冷源取水口生物监测与预警技术的研发, 后续冷却水过滤设备配置方案的优化调整, 找出之前技术上的不足并加以改进, 为核电厂冷却水过滤系统的安全、可靠、稳定运行提供重要保障。

表4 中国沿海各核电冷源区风险生物及筛选标准

表5 常用生物探测手段对比及应用范围(改自曾雷等[11])

4.2 处置方式

据 WANO《重要运行事件报告》等[16]资料显示, 国内外核电站目前主要采取消杀驱离、拦截、降功率运行等手段应对海生物暴发及入侵事件。驱离措施主要包括针对鱼、虾等游泳生物的电脉冲拦网、气泡幕墙法; 针对鱼类、水母、藻类等的水下声波法和光学手段; 消杀措施主要有次氯酸杀生剂及针对赤潮藻类的改型黏土法[9, 16]。

广西防城港核电站受球形棕囊藻()赤潮的影响最严重, 机组多次受到球形棕囊藻赤潮的入侵, 出现冷却水系统堵塞现象, 造成跳机、停堆[6]。其中球形棕囊藻典型特征就是具有单细胞和群体2种形态, 单细胞非常微小(<10 μm), 常规监测很容易忽略, 但在条件适宜时却能够形成直径超过1 cm的胶质囊体, 暴发高密度、高生物量的赤潮灾害。不管是单细胞还是囊体, 均能穿过拦截网进入下游CFI粗格栅(200 mm)、细格栅(50 mm)及最后屏障——鼓形滤网(3 mm), 导致格栅清污机组损坏[4]。目前多层防护网、拦截设施等均不能有效拦截球形棕囊藻, 所以针对棕囊藻的处理策略必须是在赤潮暴发高峰期及高发区域, 提前进行监测预警, 棕囊藻细胞密度达到一定致灾阈值时, 及时喷洒改性黏土进行消杀处置[6]。近年改性黏土技术通过国家核安全局审核, 成为我国近海核电冷源取水海域赤潮应急处置的唯一技术方法, 成功应用于防城港核电冷源取水海域, 有效保障了我国滨海核电的冷源取水安全。

但是黏土消杀法目前只适用于棕囊藻等浮游植物或微型浮游动物, 对于水母、海地瓜及大型海藻类生物尚无有效试验证据。由于水母、沙海蜇等水分太多, 身体呈透明状, 声呐及航拍等监测技术无法有效的进行预警预报, 目前只有设置拦截网清理打捞水母。2015年8月大量海地瓜受到台风搅动, 涌入宁德核电3号机组取水口, 导致跳闸、反应堆停堆, 对海地瓜等底栖生物的数量及空间分布等生物特征不了解导致监测、预警及应急处置能力的缺失也是事故发生的主要原因之一。

由于海洋致灾生物种类多, 暴发原因复杂, 类似改性黏土法这样有针对性的防治技术仍亟待研究。在尚无法有效进行监测预警的情况下, 冷源取水口的拦污网是核电厂循环水系统的第一道安全屏障[22], 增加改进拦截网过滤系统是目前最直接有效的应对措施之一。EPRI1020524报告对美国77家电厂进行了取水口堵塞问题的调研和信息收集, 调研包括各电厂出现的海生物种类、特点, 以及各电厂取水口和泵站的配置, 给出了各电厂针对取水口堵塞问题采取的成功治理经验反馈和设备改进建议[23]。国家安全局也要求, 核电厂营运单位对取水和过滤系统可能存在的设计或建设问题加以改进, 增强抵御海洋生物或异物的能力。措施包括增设不同孔径的拦污网、改进拦污网材料等, 如红沿河核电站取水口原先没有设置拦污设施可后期进行增设[7]; 或在取水口改设“人”字形拦污网, 海生物可随潮汐作用自动疏散, 或采用新型回转式清污机提高清污效率, 有效减轻鼓网负荷[4]; 秦山第三核电站采用的链式旋转滤网比第二核电站的鼓网滤网故障率低且效果更好; 而美国Donald C. Cook 核电厂新型多盘式滤网在滤网压差达到1 270 mm的情况下持续运行, 清除垃圾能力达到每小时115 m3, 对防止取水口滤网堵塞有很好效果[9]。

5 建议与对策

核电冷源安全事件频发影响到电厂的安全与可靠性, 冷源安全的重要性已成为普遍共识, 而冷源生物入侵是重中之重。如何根据入侵生物种类的特点, 有针对性地研发生物探测及预警技术、进行致灾生物的防控与处置, 是核电冷源安全“卡脖子”的技术难题之一, 多学科交叉, 涉及核电工程、海洋环境监测、海洋生物预警及其生物学特性研究等多个领域。国家核安全局要求核电营运单位应高度重视海洋生物或异物对海水系统特别是安全重要厂用水系统的影响, 结合有关案例, 分析自身可能存在的问题; 同时, 多单位合作, 努力掌握海洋生物或异物的产生和运动规律, 建立预警和预防机制。在总结分析诸多冷源安全事件的经验基础上, 我们建议:

1)结合当地海洋生态环境及生物特征, 参考已有记录的冷源致灾生物, 建立适用于当地的潜在风险生物目录及风险日历, 针对特定致灾生物形成具体可操作的调查规范, 实行“一站一策、一灾一策”;

2)目前已确定水母灾害预警等级及阈值, 规定了水母灾害的4个等级及其确定依据并建立风险等级; 针对水母外的其他冷源致灾生物, 建议首先选择有条件、有能力的核电站结合自身需求, 建立地方致灾生物的风险等级及行业标准, 如防城港核电站可牵头建立棕囊藻灾害的风险等级及标准; 大亚湾核电站和阳江核电站建立中国毛虾的风险等级及标准; 秦山核电站牵头制定海地瓜等底栖生物的风险等级及行业标准等, 为后续综合形成全国统一的指导规范与准则提供数据支撑与依据;

3)长远来看, 亟须加强学科间科技合作与融合发展, 进一步开展海域致灾生物与生态环境的调查与长期研究, 分析海洋致灾生物暴发的规律及演变趋势; 在此基础上, 结合致灾生物的特点及环境特征, 研发综合性与特异性相结合的探测技术及预警手段; 开展致灾生物的防控与处置设备和技术, 才是从根本上解决核电冷源安全的生物暴发与入侵问题的关键。

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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

国家自然科学基金(41976114); 国家环境保护近岸海域生态环境重点实验室开放课题(202311); 烟台市校地融合发展项目

沈萍萍(1975—), 山东青岛人, 女, 教授, 主要研究方向为海洋生物与生态学, E-mail: pshen@ytu.edu.cn

(本文编辑: 赵卫红)