李建文，劉笑麟，張錦飛，孟亞輝

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

提升核電廠冷源安全性的海生物探測技術(shù)研究

李建文，劉笑麟，張錦飛，孟亞輝

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

核電廠冷源堵塞事件的發(fā)生，不僅影響電力生產(chǎn)安全，還給核安全帶來挑戰(zhàn)，冷源可靠性成為制約核電發(fā)展的又一重要瓶頸?；谔嵘穗姀S冷源安全性考慮，研究國內(nèi)外核電基地幾種典型海生物的入侵事件，并分析有效的海生物探測手段，以彌補該領(lǐng)域空白。

核電廠；冷源安全；取水口；浮游植物；海生物探測

0 引言

2016-05-03，國家核安全局印發(fā)《關(guān)于近期海洋生物或異物影響核電廠取水安全事件的通報》(見表1)，通報了法國CRUAS、紅沿河、寧德、嶺澳、田灣、秦山等核電基地發(fā)生的冷源安全事件，這說明核電廠冷源安全已成為影響核電廠核安全的重要因素。

2007年，世界核營運者協(xié)會(WANO)發(fā)布重要運行經(jīng)驗報告WANO SOER2007-2《冷卻水取水口堵塞》，對44起冷源堵塞事件進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果表明：核電廠無論堆型及取水配置如何，該影響都持續(xù)發(fā)生，且大約20 %的事件對安全相關(guān)系統(tǒng)有直接影響。取水口堵塞對核電廠的影響通常是使取水灣水位下降到設(shè)計或預(yù)期水位以下，增加了如循環(huán)水泵等重要設(shè)備受損的可能性，進(jìn)一步帶來與核電廠安全相關(guān)系統(tǒng)的熱交換器入口溫度上升的風(fēng)險。核電廠系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

通過WANO的分析可知，這類事件包括以下重要特點：

(1) 環(huán)境條件改變造成海藻、海草等海生物的意外或突然增加，以及溢油等人為影響造成的危害使取水口堵塞，而冷源系統(tǒng)原有設(shè)計不足以抵抗這些危害；

(2) 探測技術(shù)和預(yù)報手段欠缺，沒有足夠的技術(shù)措施提供早期預(yù)警，以防范或減輕冷源取水口堵塞帶來的危害；

(3) 冷卻水取水口堵塞降低了安全裕度，加大了眾多安全相關(guān)載荷，最終增大了熱阱共模喪失的可能性。

1 典型威脅類型

1.1 浮游植物威脅

浮游植物主要包括硅藻、藍(lán)藻等藻類，浮游植物的暴發(fā)通常認(rèn)為與海水富營養(yǎng)化密切相關(guān)。海水富營養(yǎng)化以及有利的溫度、鹽度、洋流活動等多重因素，會導(dǎo)致浮游植物急劇增加；如其蔓延至核電站取水區(qū)域，不僅污染水體，而且由于赤潮粒度較小、具有一定的粘性，能夠穿過或粘附于攔截設(shè)施，給旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)帶來負(fù)擔(dān)，進(jìn)而影響冷源系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

表1 核安全局通報的取水安全事件

圖1 核電廠系統(tǒng)簡圖

1.2 浮游動物威脅

現(xiàn)以海月水母為例。海月水母(aurelia aurita)是一種全球性分布的物種，廣泛分布于70°N—40°S海域且多見于大西洋、太平洋、印度洋海域。海月水母的水母體是透明的，一般闊25—49 cm，有4條明顯的馬蹄狀生殖腺。它們會用觸手來捕捉獵物，如水母體、浮游生物及軟體動物，但其觸手的活動有限。在我國，每年的6—9月是水母的快速生長期。9 月末，海月水母繁殖期結(jié)束之后，很難再看到水母暴發(fā)現(xiàn)象。

海月水母在我國沿海分布非常廣，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在廣東、廣西、福建、遼寧等核電基地均有發(fā)現(xiàn)，其中其對紅沿河核電廠冷源威脅最大。2014年7月，大量海月水母涌入A核電廠取水口，導(dǎo)致該核電廠2號、1號機(jī)先后停堆。事件發(fā)生后1周內(nèi)，在該核電基地海域打撈出水母超過10 300 kg。此事件之后，該電廠加強(qiáng)了攔截、打撈等措施，效果顯著；但由于缺乏相應(yīng)的預(yù)警手段，在惡劣天氣下，類似事件于2016年8月再次發(fā)生。

1.3 游泳動物威脅

現(xiàn)以毛蝦為例。游泳動物雖然在海洋當(dāng)中存量相當(dāng)豐富，但由于大部分體型大，通常意義上來說，只要核電廠設(shè)置攔截網(wǎng)，便可有效抵御；但近幾年出現(xiàn)了2次蝦群涌入B核電廠事件，造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。

2015年1月，B核電廠發(fā)生了大規(guī)模小蝦涌入冷源取水海域造成機(jī)組停堆事件。僅旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗水就收集到小蝦1.3 t，入?？诖驌?70 kg，初步估算蝦群總量超過20 t。2016年1月，該電廠再次受到同群族小蝦侵襲，造成1臺機(jī)組停堆，2臺機(jī)組降功率運行。

經(jīng)鑒定識別，造成該核電廠停機(jī)事件的海蝦為中國毛蝦。中國毛蝦具有生長快、生長周期短、繁殖能力強(qiáng)、游泳能力弱、集群分布等特征，具備種群暴發(fā)的基本要素。外部水動力的輸送條件，如洋流、風(fēng)暴潮等易加劇其入侵冷源系統(tǒng)。一旦發(fā)生種群暴發(fā)，大量塊狀毛蝦將可能在潮流作用下涌入冷卻水系統(tǒng)，形成冷源系統(tǒng)的海生物入侵，威脅核電廠的正常運行和安全。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，蝦群導(dǎo)致核電機(jī)組停堆事件在國外也曾多次發(fā)生，僅韓國Ulchin核電廠就曾經(jīng)在1997年2月、4月、12月及2006年5月發(fā)生4次蝦群大規(guī)模進(jìn)入核電取水口，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)、停堆事件。

2 探測技術(shù)分析

2.1 入侵物分類及特點歸納

顯然，尋找合適的探測方法，將其與入侵冷源的海生物及異物(簡稱“入侵物”)一一對應(yīng)將獲得最強(qiáng)的針對性。但若僅針對已有反饋的入侵做探測準(zhǔn)備，將難以適應(yīng)可能變化的需求，且就工程實際來說，也更希望在個例中提煉共性，使用一個目標(biāo)涵蓋較為完整的分類方法，以大大提高探測工程可行性。據(jù)此，可將入侵物歸類，并針對各類入侵物特點進(jìn)行共性分析。

(1) 浮游植物類，主要包括棕囊藻、滸苔等藻類。由于其自身光合作用的需求，浮游植物僅分布在海洋有光照的上層，也有晝夜垂直移動現(xiàn)象。藻類浮游植物本身分布范圍較廣，但溫度仍是影響藻類地理分布的主要因素。此外，富營養(yǎng)化的水體也是浮游植物類暴發(fā)入侵的必要條件。

(2) 浮游動物類，主要包括海月水母、海蜇等。水母類浮游動物均屬上層浮游動物，多出現(xiàn)于淺海區(qū)域。有晝夜垂直移動現(xiàn)象，一般白天下降、夜晚上升。大規(guī)模暴發(fā)時期可能有密集分布于淺海至海面之間各深度的狀況，自身只有微弱的游動能力。其平面分布主要跟隨洋流流向改變。

(3) 游泳動物類，主要包括盛產(chǎn)于目標(biāo)海域的多種小型魚、蝦類。游泳動物在水中的運動能力較浮游動物強(qiáng)，在水中垂直分布區(qū)域也較廣，單個個體較難辨別，多以一定規(guī)模的群體出現(xiàn)。雖部分魚蝦幼體仍有較強(qiáng)的隨洋流遷徙特性，但在局部地區(qū)仍可觀察到較為明顯的轉(zhuǎn)向、加速等運動軌跡。

(4) 極端條件暴發(fā)類，主要包括極端條件下的海帶、竹竿、浮冰等。這類入侵物有幾個較為顯著的特點：僅暴發(fā)于極端條件(如極端天氣、事故等)；多漂浮于海面；覆蓋面積大；完全跟隨海流遷移。因此，在探測此類入侵物時需要著重解決極端天氣狀況下探測器的可用性及可靠性問題；而在正常氣候下，則無需進(jìn)行此類探測，以節(jié)約運行成本。各種冷源威脅特點如表2所示。

2.2 探測方式介紹及選取

2.2.1 探測方式的介紹

探測入侵物的關(guān)鍵在于加強(qiáng)對入侵種群特征的研究，并選擇最佳的探測方式。就目前而言，探測器不外乎采用聲學(xué)手段、光學(xué)手段、衛(wèi)星遙感技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)等。

表2 冷源威脅特點

2.2.1.1 水下聲學(xué)手段

主要指聲納，其主要原理可以形象地描繪成通過“發(fā)射換能器”擴(kuò)音喊話，再通過“接收換能器”收音處理。相較于光學(xué)探測在水下穿透力差的缺點，聲學(xué)探測在水中反而因為水介質(zhì)的承載具有先天優(yōu)勢，因此在探測距離和分辨率等方面能夠獲得更好的效果。

2.2.1.2 水下光學(xué)手段

主要指運用微光成像或紅外成像技術(shù)的高清攝像機(jī)進(jìn)行探測。由于可見光對水下環(huán)境的穿透力較弱，所以在探測距離上并不占優(yōu)勢。但在照度可以得到保證的情況下，其成像清晰度高，直觀性強(qiáng)。

2.2.1.3 水面光學(xué)手段

主要指運用機(jī)器視覺識別技術(shù)的高清攝像機(jī)進(jìn)行探測。其探測環(huán)境比水下攝像機(jī)好，所以能有一定的探測距離。對攝像機(jī)加以改進(jìn)，增加后端處理，就可以實現(xiàn)常規(guī)監(jiān)控、移動偵測、目標(biāo)識別等多種探測需求。

2.2.1.4 衛(wèi)星遙感技術(shù)手段

主要將探測集中在水面及淺水部分紅光段。衛(wèi)星遙感技術(shù)探測的原理決定了其具有在空間上超大尺度的獨特優(yōu)勢之外，在時間上也兼具實時性強(qiáng)和探測連續(xù)性強(qiáng)的特點，對于水面或淺水區(qū)具有一定規(guī)模的生物或非生物群體都有良好的探測效果。其缺點之一是對于分布較為分散或處于水下一定深度的入侵目標(biāo)，不能有效探測。

2.2.1.5 雷達(dá)探測技術(shù)手段

主要實現(xiàn)對水面漂浮物的探測。在雷達(dá)的微波發(fā)射機(jī)發(fā)出探測微波后，雷達(dá)回波信號記錄器可以將水面漂浮物的雷達(dá)回波信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換以數(shù)據(jù)形式存入記錄器中。數(shù)據(jù)處理終端通過算法對記錄器中的信息進(jìn)行特征分析和提取，并轉(zhuǎn)發(fā)到計算機(jī)，最終輸出水面的實時情況。其優(yōu)點是實時性高，抗干擾強(qiáng)；缺點是造價高，大規(guī)模推廣有困難。

2.2.2 探測方式的選取

常用探測手段對比如表3所示。

表3 常用探測手段對比

將以上分析加以比對，針對各類入侵物選取可能的最優(yōu)探測方式，并考慮多重探測相互補充。

2.2.2.1 浮游植物類

因衛(wèi)星遙感探測技術(shù)的空間大尺度、探測連續(xù)性、反饋實時性都與探測需求契合良好，可以作為首選的探測手段；搭載了機(jī)器視覺技術(shù)的高清攝像機(jī)也可以作為一種有效的備選方案，但需保證良好的照度條件。如要求保證較高探測距離時，還需考慮水上浮標(biāo)搭載等方式來擴(kuò)大探測范圍。

2.2.2.2 對浮游動物類

由于水母本身含水量高，水下背景易產(chǎn)生探測干擾，高探測精度的需求決定了高頻主動聲納將成為主要的探測方式，而水下高清攝像機(jī)的視頻復(fù)核可作為聲納探測結(jié)果的一種有效補充?？紤]其供電、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N因素，因此其安裝方式應(yīng)以固定式為主(包含岸基方式、平臺方式及海底安裝方式)。

2.2.2.3 對游泳動物類

仍考慮使用聲納作為主要探測手段，但由于游泳動物類運動軌跡特征較容易捕捉并識別，所以其探測精度要求比水母探測要低，可適當(dāng)降低選用聲納的頻率，以補償探測距離。水下高清攝像機(jī)仍作為復(fù)核補充，但就本身用途來看，其探測邊緣應(yīng)與聲納接近，所以需考慮使用搭載技術(shù)，將探測邊緣

向海中延伸。

2.2.2.4 對極端條件暴發(fā)類

由于在某些極端天氣下（如臺風(fēng)），常規(guī)探測手段的探測效果將受到能見度低、環(huán)境條件變化劇烈等因素的影響，難以實現(xiàn)可靠探測，所以可重點考慮雷達(dá)和衛(wèi)星遙感探測手段。一方面，它們受極端天氣的影響較??；另一方面，大觀測尺度可以帶來較多的預(yù)警提前量，在極端天氣帶來的入侵目標(biāo)快速暴發(fā)時將有效增加反應(yīng)時間。

3 具體探測案例

3.1 赤潮探測

3.1.1 暴發(fā)因素

由于赤潮暴發(fā)具有漂浮性、集群性等顯著特征，采用衛(wèi)星遙感探測方式最為合適。但衛(wèi)星遙感探測也存在弊端，即僅能解決暴發(fā)后的觀測及趨勢預(yù)報，難以達(dá)到提前預(yù)報的效果。赤潮的暴發(fā)與環(huán)境有著密切的關(guān)系(見圖2)，通過對洋流、溫度、鹽度、海水營養(yǎng)成分的長期探測有助于彌補遙感探測存在的不足。

圖2 赤潮與環(huán)境關(guān)系

3.1.2 探測方式

國內(nèi)外在赤潮探測方面已經(jīng)取得突破性進(jìn)步，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行，如叢丕福等人開展的赤潮探測技術(shù)研究(見參考文獻(xiàn)4)，利用國家衛(wèi)星中心提供的NOAA-14和FY-1C衛(wèi)星圖片，采用將海表溫度(SST)分析方法、生物量分析方法、圖像合成分析方法相結(jié)合的方式，可以有效預(yù)測渤海灣赤潮的暴發(fā)、趨勢等，連續(xù)準(zhǔn)確預(yù)測赤潮發(fā)生范圍，有效防止或減少赤潮帶來的災(zāi)害。赤潮探測系統(tǒng)流程如圖3所示。

核電廠赤潮探測首先應(yīng)建立區(qū)域性環(huán)境探測手段，目前各核電廠均設(shè)置YSI水質(zhì)浮標(biāo)，可起到一定作用;但總體來看，由于覆蓋范圍小、組網(wǎng)水平低等客觀因素，難以達(dá)到早期預(yù)防性探測的目的。因此在赤潮防御過程中，核電廠應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)水質(zhì)探測的組網(wǎng)、識別研究，同時應(yīng)和國家海洋環(huán)境探測平臺對接，獲取大范圍信息傳送與通報渠道。

圖3 赤潮探測系統(tǒng)流程

3.2 魚蝦及水母探測

3.2.1 暴發(fā)因素

魚蝦及水母對核電廠的影響可歸結(jié)為同一類別，即水下集群式進(jìn)入取水口，在短時間內(nèi)達(dá)到或超出網(wǎng)具攔截及反沖洗能力，造成冷源系統(tǒng)壓差升高，如2016年1月的蝦群短時間涌入B核電廠取水口事件。

以A核電廠水母事件為例，研究表明，該區(qū)域水母暴發(fā)包括外部因素和內(nèi)部因素2種，如圖4所示。

圖4 水母暴發(fā)因素

基于魚蝦及水母在水下活動習(xí)性及前述各種探測方式優(yōu)缺點分析，及相應(yīng)手段在A核電站及C核電站開展的一系列試驗，結(jié)果表明，魚蝦及水母探測應(yīng)建立以聲學(xué)為主，光學(xué)、水動力等為輔的綜合體系，進(jìn)而實現(xiàn)量化評估。具體試驗內(nèi)容如圖5所示。

圖5 試驗框圖

3.2.2 探測體系

特征提取是聲學(xué)探測一項最為基礎(chǔ)的工作，就海生物探測而言，入侵物特征提取的重大意義在于，通過對形態(tài)、尺寸、活動軌跡、回聲關(guān)鍵參數(shù)的提取，在眾多可視對象內(nèi)識別出入侵物，建立數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)量化計算。

為提取魚蝦及水母入侵物特征，在A及C核電站海域搭建試驗系統(tǒng)，開展探測試驗。測試系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備為高分辨率主動聲納系統(tǒng)，以及與之相匹配的聲納布放系統(tǒng)，其中所采用的主動聲納系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 聲納系統(tǒng)原理

魚蝦及水母預(yù)警探測體系的構(gòu)建，除需聲納系統(tǒng)識別入侵物特征、建立入侵物特征數(shù)據(jù)庫外，還需要建立水下攝像系統(tǒng)對探測結(jié)果進(jìn)一步檢驗，同時采取取樣分析的手段對評估數(shù)據(jù)加以判別，進(jìn)而建立預(yù)警模型，實現(xiàn)預(yù)警信息的發(fā)布。魚蝦及水母探測系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 魚蝦及水母探測系統(tǒng)架構(gòu)

基于以上所述探測系統(tǒng)開展的一系列試驗證明，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水母及魚蝦的探測，入侵物特征的提取等目的，并可初步實現(xiàn)量化評估。

4 結(jié)束語

除以上所述的各種物理探測方法以外，基于海生物發(fā)生發(fā)展機(jī)理的海域基本環(huán)境指標(biāo)的探測及預(yù)警，也是保障核電廠冷源可靠性的一個可行方法；而且從長遠(yuǎn)的角度來看，甚至是一個比物理探測方法更加根本的解決方法。但海生物發(fā)生發(fā)展機(jī)理的獲取，需要連續(xù)的、大量的觀測數(shù)據(jù)，涉及很長的時間跨度。在冷源可靠性問題亟待解決的當(dāng)下，開始以海生物暴發(fā)趨勢預(yù)測為目的的海洋環(huán)境探測是很有必要的，但物理探測方法仍是在較短時間內(nèi)解決海生物入侵冷源取水口問題的不二之選。綜合來說，以物理探測方法來針對性地解決眼前問題，以海生物趨勢預(yù)測及極端條件預(yù)警作為根本性的解決方案，應(yīng)是解決冷源威脅入侵的合理思路。

1 鄭鳳英，陳四清，倪 佳．海月水母的生物學(xué)特征及其暴發(fā)[J]．海洋科學(xué)進(jìn)展，2010，28(1)：126-132.

2 周遵春，馬志強(qiáng)，薛 克，等．對遼東灣夜光藻赤潮和叉狀角藻赤潮成因的初步研究[J]．水產(chǎn)科學(xué)，2002，21(2)：9-12.

3 馮曉東，彭紅愛．海洋魚群分布遙感探測系統(tǒng)的研究[C].北京：第十六屆全國測控、計量、儀器儀表學(xué)術(shù)年會，2006.

4 叢丕福，趙冬至，曲麗梅．利用衛(wèi)星遙感技術(shù)探測赤潮的研究[J]．海洋技術(shù)學(xué)報，2001，20(4)：69-72.

5 阮國萍．核電廠取水口堵塞原因分析與應(yīng)對策略[J]．核動力工程，2015，36(s1)：151-154.

6 趙冬志．赤潮災(zāi)害衛(wèi)星遙感技術(shù)[M]．北京：海洋出版社，2009.

7 Barnstorm L， Jansson M，Sundqvist F， and Andersson J．2009：Biological investigations at the Ringhals nuclear power plant 1979—2007[R]．Swedish：Swedish Board of Fisheries， 2009.

8 Roqueplo C， Lambert P， Gonthier P，Mayer，N.2000: C Estimation of glass eel mortality in the Gironde after passage through the cooling circuit of the Blayais nuclear power plant[R]. Bordeaux：CEMAGREF，2000.

9 杜偉東，李海森，陳寶偉，等．一種基于聲散射特性的有鰾魚特征獲取方法[J]．應(yīng)用聲學(xué)，2014，33(6)：505-511.

2017-05-26。

李建文(1962—)，男，高級工程師，主要從事電力安全及核電廠消防技術(shù)研究工作，email：lijianwen@cgnpc.com.cn。

劉笑麟(1989—)，男，助理工程師，主要從事核電廠水域安全防范技術(shù)研究工作。

張錦飛(1973—)，男，高級工程師，主要從事電力安全技術(shù)研究工作。

孟亞輝(1983—)，男，高級工程師，主要從事核電廠水域安全防范技術(shù)研究工作。