張高明，於 凡，張啟明，歐陽暉，杜紅彪

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核電站取水口海生物驅(qū)趕消殺技術(shù)研究

張高明1，於 凡2，張啟明3，歐陽暉1，杜紅彪1

（1. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064；2. 中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東深圳 518116；3. 蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

近年來，國內(nèi)多座濱海核電站海生物頻繁入侵，可能引發(fā)冷源取水口堵塞、核電站跳堆事故，嚴(yán)重影響核電站的安全可靠運行。本文對國內(nèi)外核電站冷源防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了廣泛調(diào)研，介紹了多種海生物驅(qū)趕消殺技術(shù)，分析了各種技術(shù)的作用原理，論述了各種技術(shù)的優(yōu)缺點，給出了工程指導(dǎo)建議。結(jié)合核電站取水口立體縱深防護(hù)原則，提出了一種海生物驅(qū)趕消殺綜合系統(tǒng)模型，為核電站改造以及新建核電站規(guī)劃設(shè)計提供了參考。

核電站 取水口 海生物 驅(qū)趕消殺

0 引言

核電站取水口是常規(guī)島循環(huán)水、重要廠用水以及循環(huán)水處理等關(guān)鍵系統(tǒng)的重要水源。國家核安全局在2016年印發(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》，通報了涉及國內(nèi)大亞灣、寧德、紅沿河等核電站因海生物或異物堵塞影響取水安全的事件[1]。2004年至2008年發(fā)生的61起取水口堵塞事件，大部分由海生物堵塞造成，還有事件涉及碎冰、泥沙或淤泥、外來原油泄漏，以及突發(fā)性的如麥秸桿等外來垃圾雜物的侵襲。海生物或異物所造成的堵塞可能導(dǎo)致機組降功率運行乃至停堆，嚴(yán)重時會對最終熱阱可用性構(gòu)成威脅，如何針對海生物進(jìn)行有效的驅(qū)趕消殺是冷源防護(hù)亟待解決的問題[2-8]。

針對此類問題，國內(nèi)多座濱海核電站采取了一系列防護(hù)措施，比如在取水口前端加裝全斷面式攔截濾網(wǎng)，雖緩解了部分海生物入侵的問題，但面對多樣的海洋環(huán)境和不同的海生物仍存在不足[9,10]。浮游生物和固著生物的驅(qū)趕消殺一般使用消殺劑，但消殺劑的應(yīng)用會對海洋生物和生態(tài)環(huán)境造成較大影響。本文對海生物驅(qū)趕消殺技術(shù)進(jìn)行深入研究，為核電站取水口海生物驅(qū)趕消殺工程提供參考。

1 驅(qū)趕消殺技術(shù)綜述

目前，國內(nèi)外核電站取水口周邊的海生物，主要包括浮游動植物、游泳動物及底棲生物。潛在影響我國濱海核電站冷源系統(tǒng)的海生物概述如下：浮游動植物，包括水母類（海月水母、沙海蜇等）、被囊類（異體住囊蟲、紅住囊蟲等）、海樽、糠蝦、球形棕囊藻、滸苔、束毛藻、葉光藻等；游泳動物，包括蝦類（中國毛蝦、口蝦蛄等）、中上層魚類（金色小沙丁魚、黃鯽等）、底層魚類（大銀魚、龍頭魚等）等；底棲生物，包括多毛類、棘皮動物、螠蟲、甲殼動物、星蟲、軟體動物、腔腸動物、脊索動物等。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，國內(nèi)外多座核電站在其上游進(jìn)水結(jié)構(gòu)前緣及下游出流結(jié)構(gòu)尾水區(qū)，均大規(guī)模安裝了物理攔截網(wǎng)，該方法原理簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但對個體較小的海生物攔截效果較差，且存在海生物撞擊損壞、堆積堵塞影響結(jié)構(gòu)過水能力、維護(hù)修復(fù)不便等問題[11-12]。

本文研究了多種核電站取水口海生物攔截、驅(qū)趕和消殺技術(shù)，基于安全性、有效性、可安裝性、可維護(hù)性、經(jīng)濟性等設(shè)計原則，結(jié)合美國EPRI（電力研究協(xié)會）、中科院海洋研究所等國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)已有研究成果，探索非物理防御手段的海生物驅(qū)趕消殺技術(shù)。其中，熱攔截、化學(xué)驅(qū)趕、取水口改造技術(shù)存在如下問題：

1）熱攔截技術(shù)耗能巨大，熱效應(yīng)可能影響取水口冷卻效果；

2）化學(xué)驅(qū)趕技術(shù)中的有效成分易稀釋，還會對核電站生態(tài)環(huán)境造成不利影響；

3）取水口改造難度較大，對土建施工要求較高。綜合上述，后文主要針對聲、光、電、氣 泡幕、改性粘土等驅(qū)趕消殺技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1.1 聲波驅(qū)趕技術(shù)

據(jù)研究，部分海生物對聲波敏感，可利用水下聲波進(jìn)行驅(qū)趕，其關(guān)鍵技術(shù)難點在于兩個方面：如何在水下產(chǎn)生有效聲波，如何選擇聲波參數(shù)（聲壓級、頻率等）[13]。

1）聲波有效性

近年來，研究人員對聲波驅(qū)趕做了大量研究，通過播放海生物畏懼聲音來實現(xiàn)驅(qū)趕，當(dāng)聲波的聲壓大于某一數(shù)值時，聲波會對部分海生物起到威嚇作用，達(dá)到驅(qū)趕目的。日本學(xué)者曾用聲波驅(qū)趕海豚以保護(hù)漁場，美國學(xué)者Dernalker利用聲波引導(dǎo)鱔魚到安全水域[14]。此外，根據(jù)部分海生物的負(fù)趨音性，可用捕食者特點的聲波實現(xiàn)目標(biāo)海生物的驅(qū)趕[15]。

2）聲波參數(shù)

游泳動物中魚類的感聲系統(tǒng)包含內(nèi)耳、側(cè)線、鰾和氣囊等器官，這些器官能夠綜合感知聲波和水體振動。美國學(xué)者Taft等人對游泳生物的聲波反應(yīng)做了大量實驗，結(jié)果表明，針對部分游泳動物，聲波頻率在150~200 Hz范圍內(nèi)驅(qū)趕效果明顯[16]。聲波達(dá)到一定聲壓級后海生物會產(chǎn)生恐慌，一般魚類對140~160 dB的聲壓有受驚嚇的反應(yīng)[17]。

圖1 西歐斯海爾德河聲波驅(qū)趕系統(tǒng)示意圖

在采用聲波驅(qū)趕技術(shù)時，要針對特定海生物對象，確定聲波信號頻率、聲壓級、波形，還需考慮海洋環(huán)境噪聲、船只聲吶等干擾。聲波驅(qū)趕技術(shù)還需在海生物聲波頻率特性、聲波趨避行為等方向深入研究。

1.2 光學(xué)驅(qū)趕技術(shù)

光學(xué)驅(qū)趕技術(shù)國內(nèi)外研究較多，針對光敏感的海生物，可以實現(xiàn)水下驅(qū)趕，其關(guān)鍵技術(shù)在于光照強度、光照顏色、閃光對海生物行為的影響[18]。

1）光照強度

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院李大鵬發(fā)現(xiàn)史氏鱘稚魚 在光照強度100~1100 lx的趨光率為49.55%，無顯著趨光性；當(dāng)光照強度超過13000 lx時，其100% 避光[19]。太平洋鱘整個生活史中既沒有明顯的趨光行為，也不避光[20]；福州大學(xué)羅清平研究發(fā)現(xiàn)，隨著光源照度的增加，孔雀魚幼苗的趨光率有明顯上升趨勢，當(dāng)照度到達(dá)2000 lx后，趨光率開始減小[21]。因此，不同海生物對光照強度的趨光性存在差異。

2）光照顏色

不同海生物對光照顏色的表現(xiàn)行為有所差異，浙江海洋學(xué)院王萍，發(fā)現(xiàn)在光照強度一定、顏色不同的條件下，眼斑擬石首魚對藍(lán)、綠光表現(xiàn)負(fù)趨光性，在遠(yuǎn)離光源處游動[22]?？兹隔~幼苗在紅、黃光中顯得驚慌不安，也表現(xiàn)出負(fù)趨光性[21]。

3）閃光

閃光是由短時間的間歇性高強光形成，美國學(xué)者Sager等人研究指出，魚類對持續(xù)性的光源可能產(chǎn)生正趨光性或負(fù)趨光性，但對閃光一般表現(xiàn)為回避行為[23]。加拿大學(xué)者Patrick等人研究表明，閃光燈對灰西鯡、黃魚和香魚等有明顯的驅(qū)趕效果，在水電站的入水口應(yīng)用閃光燈，可以很好地控制魚類的行為[24]。

圖2 美國伊利諾伊河光學(xué)驅(qū)趕系統(tǒng)

光學(xué)手段對游泳生物和負(fù)趨光性底棲生物具有一定驅(qū)趕作用，但由于游泳生物對光刺適應(yīng)性較強，導(dǎo)致驅(qū)趕效率下降，建議將光學(xué)與其它驅(qū)趕手段結(jié)合使用。

1.3 電脈沖攔截技術(shù)

電脈沖攔截技術(shù)在國內(nèi)外水利水電設(shè)施中應(yīng)用較為成熟，該技術(shù)通過金屬電極在水體中建立電場區(qū)域，實現(xiàn)水生物有效攔截，其關(guān)鍵技術(shù)在

于電極陣的排布形式、脈沖激勵源參數(shù)設(shè)置、電極材料等。

1）電極陣的排布形式

電極排布方式有單排柱狀電極、雙排柱狀電 極等。電極間電場方向平行于攔截面，在攔截時海生物若垂直于電場方向進(jìn)入，導(dǎo)致攔截可靠性大大降低；雙排柱狀電極方案攔截更為可靠，可減小單臺設(shè)備的功率，但系統(tǒng)成本和復(fù)雜度更高。

2）脈沖激勵源參數(shù)設(shè)置

脈沖激勵源參數(shù)有脈沖波形、脈沖頻率和脈沖占空比的選取等。脈沖激勵源一般采用方波脈沖波形，其在水中產(chǎn)生的電場極性不變，可形成有效的攔截，并且不易受外界影響。最佳脈沖頻率的選取和海生物的種類有關(guān)，具體根據(jù)實際優(yōu)化選擇。脈沖占空比的設(shè)置，取決于如何平衡攔截效率和功率大小。

3）電極材料

電極作為電流的傳導(dǎo)載體，電流從電極傳入到海水中時，將在陽極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，因此建議陽極電極材料選用金屬材料。此外，電極材料在海水中的自腐蝕要低，腐蝕以均勻腐蝕為佳。

圖3 國內(nèi)某水庫電脈沖攔截系統(tǒng)

基于上述分析，電脈沖攔截技術(shù)尚需進(jìn)一步突破，如海水電導(dǎo)率引起的系統(tǒng)功耗；適用于多種海生物趨避行為的脈沖激勵源；弱電場下最優(yōu)電極排布方案等。

1.4 氣泡幕攔截技術(shù)

據(jù)國內(nèi)外研究，氣泡幕攔截技術(shù)能從海生物的視覺、聽覺和觸覺影響它們的行為，實現(xiàn)有效攔截，其關(guān)鍵技術(shù)包括：曝氣管的孔徑和孔距參數(shù)、氣泡幕光效應(yīng)等。

1）曝氣管的孔徑和孔距參數(shù)

研究人員試驗發(fā)現(xiàn)，孔徑1.0 mm、孔距2.5 cm、壓縮空氣壓力為27.46 kPa時，氣泡幕對紅鰭東方鲀的攔截率為71%；青島海洋大學(xué)趙錫光等人，研究不同孔距固定氣泡幕對黑鯛的阻攔作用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔距為5.0 cm、孔徑0.5 mm時，產(chǎn)生的氣泡體積適中且均勻，攔截率為70%~80%[25]；仍有國外學(xué)者認(rèn)為，適宜的孔距為4.0 cm效果最好[26]。因此得到不同適宜孔距和孔徑，與氣泡幕對不同的海生物產(chǎn)生的視覺效果有關(guān)。

2）氣泡幕光效應(yīng)分析

氣泡幕對海生物的阻攔效果還與光線的強弱和海生物感光敏感程度有關(guān)。加拿大學(xué)者Brett等人發(fā)現(xiàn)，氣泡幕在白天對幼鮭的攔截效果很好，但在黑暗中攔截效果大幅下降[27]。針對此類問題，已有相關(guān)研究證明，結(jié)合聲、光、氣泡幕攔截技術(shù)對銀鯉等海生物攔截率達(dá)到97%以上。

圖4 國內(nèi)某水電站氣泡幕攔截系統(tǒng)

氣泡幕攔截技術(shù)對海生物和生態(tài)環(huán)境影響較小，操作實施安全，可操作性強。游泳生物對氣泡幕適應(yīng)性較高，并且氣泡幕墻容易受環(huán)境如海流、潮汐和風(fēng)等影響，因此建議將氣泡幕與聲、光、電等技術(shù)組合使用。

1.5 改性粘土消殺技術(shù)

縱觀國內(nèi)外赤潮防治的研究歷史，常見的治理方法通常分為物理法、化學(xué)法和生物法三大類。物理法局限于小范圍內(nèi)使用，化學(xué)法對自然生態(tài)環(huán)境有一定的毒負(fù)作用，生物法可能引進(jìn)新的物種而改變原有的生態(tài)系統(tǒng)。

改性粘土方法是一種安全、高效、低成本、便于現(xiàn)場操作、可規(guī)模化應(yīng)用的有害赤潮應(yīng)急處置方法，不僅可應(yīng)用于海洋環(huán)境的一般性赤潮治理，還可應(yīng)用于球形棕囊藻等赤潮生物暴發(fā)海區(qū)的核電站冷源安全保障，在國內(nèi)濱海核電站冷源保障方面具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)海生物攔截、驅(qū)趕、消殺技術(shù)特點，將各技術(shù)性能和效果分別對比如表1、表2所示。

表1 技術(shù)性能對比表

表2 技術(shù)效果對比表

注釋：★的數(shù)量與實施的效果程度相關(guān)，—表示不適用。

1.6 復(fù)合式驅(qū)趕消殺技術(shù)

通過分析國內(nèi)外海生物驅(qū)趕消殺技術(shù)，并未發(fā)現(xiàn)任何單一技術(shù)手段，能實現(xiàn)對所有種類海生物的驅(qū)趕消殺。海生物行為是對環(huán)境中不同信號的復(fù)雜響應(yīng)，因此結(jié)合不同刺激信號產(chǎn)生協(xié)同反應(yīng)，使系統(tǒng)能綜合應(yīng)對海生物，并減小環(huán)境擾動帶來的影響。

通過復(fù)合不同驅(qū)趕消殺技術(shù)，更有效實現(xiàn)對水電站、核電站、水庫等領(lǐng)域的針對性防護(hù)。

1）聲、氣泡幕復(fù)合式技術(shù)

美國學(xué)者研究的BAFF系統(tǒng)，是由聲波攔截驅(qū)趕技術(shù)與氣泡幕攔截技術(shù)相結(jié)合組成，將聲音集成于氣泡幕中產(chǎn)生“聲音墻”，達(dá)到攔截與引導(dǎo)海生物的效果?，F(xiàn)場實驗顯示，對某些游泳生物攔截率達(dá)到95%。

2）聲、光、氣泡幕復(fù)合式技術(shù)

該系統(tǒng)已試驗于美國伊利諾伊河，是在BAFF系統(tǒng)基礎(chǔ)上復(fù)合光學(xué)驅(qū)趕技術(shù)，結(jié)合光學(xué)驅(qū)趕優(yōu)勢，可在水下有效攔截更多類型的海生物。初步試驗已顯示，對部分海生物有效攔截率達(dá)100%。

3）聲、光、電脈沖、氣泡幕復(fù)合式技術(shù)

系統(tǒng)結(jié)合了聲波、光學(xué)、電脈沖和氣泡幕攔截驅(qū)趕技術(shù)。由于攔截驅(qū)趕手段的多樣性，有效減少了海生物對電脈沖攔截的挑戰(zhàn)，同時也明顯降低海生物對刺激信號適應(yīng)甚至免疫的風(fēng)險。

復(fù)合式系統(tǒng)表現(xiàn)的優(yōu)勢在于安全、高效和可靠，雖然系統(tǒng)成本和施工難度會相應(yīng)增加，但完全符合當(dāng)前核電站取水口對威脅冷源安全的海生物驅(qū)趕消殺的設(shè)計需求。

2 海生物驅(qū)趕消殺綜合系統(tǒng)

面對核電站取水口大規(guī)模的海生物入侵，僅靠單一的技術(shù)手段無法有效實現(xiàn)驅(qū)趕消殺，鑒于各驅(qū)趕消殺技術(shù)的優(yōu)劣，融合核電站立體縱深防護(hù)的體系設(shè)計，總結(jié)聲波、氣泡幕、光、電脈沖等四種目前較優(yōu)的非物理防御手段和改性粘土消殺技術(shù)，提出一種海生物驅(qū)趕消殺綜合系統(tǒng)模型。

該系統(tǒng)通過綜合控制平臺接入海生物預(yù)警信息和海生物數(shù)據(jù)庫，從而生成相應(yīng)的驅(qū)離參數(shù)組合，通過聲波發(fā)生器、光源、電攔網(wǎng)、氣泡幕、物理攔網(wǎng)、改性粘土等工具，產(chǎn)生海生物趨避或阻擋的物理效應(yīng)，進(jìn)而實現(xiàn)海生物的驅(qū)離，另外采用改性粘土消殺技術(shù)應(yīng)對赤潮等浮游生物暴發(fā)。

圖5 海生物驅(qū)趕消殺綜合系統(tǒng)模型

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

海生物由于多道屏障的作用，其運動軌跡是“遇阻回避”、“水流夾帶”、“再次遇阻”，大部分海生物被驅(qū)趕或攔截匯集于集中區(qū)，剩余部分海生物仍有可能突破屏障，到達(dá)物理攔網(wǎng)。

實際工程應(yīng)用中，海生物驅(qū)趕消殺綜合系統(tǒng)要根據(jù)擬驅(qū)趕目標(biāo)海生物的生活習(xí)性，及所需防護(hù)的核電站取水口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理有效的設(shè)計。

3 結(jié)論

在核電站取水口冷源系統(tǒng)受到海生物入侵嚴(yán)重影響的背景下，如何有效實現(xiàn)對海生物的驅(qū)趕消殺，并堅固防護(hù)系統(tǒng)最后一道防線是眾多核電站工作者、研究學(xué)者和政府人員共同關(guān)注的問題。針對國內(nèi)外不同驅(qū)趕消殺技術(shù)展開研究，主要分析了其中聲、光、電、氣泡幕驅(qū)趕技術(shù)以及改性粘土消殺技術(shù)，結(jié)合復(fù)合式系統(tǒng)，初步提出 了一種海生物驅(qū)趕消殺綜合系統(tǒng)模型。

綜合上述研究現(xiàn)狀和主要挑戰(zhàn)，對核電站取水口海生物驅(qū)趕消殺技術(shù)研究的建議如下：

1）需要搭建綜合實驗平臺，為生產(chǎn)實踐提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論經(jīng)驗；

2）對比分析不同驅(qū)趕消殺技術(shù)，根據(jù)實際效果進(jìn)行分級分區(qū)和立體防護(hù)；

3）建立核電站取水口海生物驅(qū)趕消殺設(shè)施規(guī)范，為未來新建核電站和電站改造工作提供參考。

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Research on Marine Organism Expulsion and Elimination Nearby Water Intakes of Nuclear Power Plants

Zhang Gaoming1, Yu Fan2, Zhang Qiming3, Ouyang hui1, Du Hongbiao1

(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. China Nuclear Power Design Co,Ltd, Shenzhen 518116, Guangdong, China; 3. Suzhou Nuclear Power Research institute, Suzhou 215004, Jiangsu, China)

X52

A

1003-4862（2019）01-0022-04

2018-08-02

張高明(1994-)，男，工程師。研究方向：電氣工程及海生物驅(qū)趕消殺技術(shù)。E-mail: 8575831@qq.com