邢曉峰，張正樓，湯建明，郭天翔，王 帥，陶 征

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233）

國內(nèi)外發(fā)生多起海洋生物大規(guī)模聚集遷移堵塞取水系統(tǒng)繼而導致核電機組停堆事件［1］?！秶鴦?wù)院關(guān)于核安全與放射性污染防治“十三五”規(guī)劃及2025年遠景目標的批復》（國函〔2017〕29號）中重點提出開展冷源安全改進，我國核安全導則［2］提出必須適當評價海洋生物對最終熱阱的影響。生態(tài)環(huán)境部（國家核安全局）從事件通報、經(jīng)驗反饋、監(jiān)督檢查幾方面對核電廠廠址應(yīng)對冷源安全挑戰(zhàn)提出了要求。我國核安全局以及各監(jiān)督站，在監(jiān)督檢查方面大都加入了冷源監(jiān)督要求，體現(xiàn)了監(jiān)管機構(gòu)對冷源安全問題的重視。國家能源局在事件通報以及要求中，也多次提出了提高冷源系統(tǒng)設(shè)施的攔截有效性和運作可靠性，提升冷源保障水平。監(jiān)管當局強化了監(jiān)督檢查與經(jīng)驗反饋，核電廠加強了工程技術(shù)措施以及管理措施。國內(nèi)外科研院校加大了研發(fā)力度，相繼形成了一定的研究成果［3-11］，提出了應(yīng)對措施，有效地提升了我國核電廠取水安全保障能力。

運行實踐表明，取水安全保障形勢依然十分嚴峻，因此本文對核電廠取水堵塞事件的特點及根本原因進行總結(jié)探析，從導則、法規(guī)標準體系的成效與價值分析，提出思考與完善建議，從科學技術(shù)方面提出存在的挑戰(zhàn)以及應(yīng)對措施，結(jié)合當前的科學技術(shù)水平以及核電廠運營需求，提出政策建議，為下一步應(yīng)對提供發(fā)展建議。

1 核電廠取水堵塞事件的特點及根本原因分析

圖1給出了我國取水堵塞運行事件的統(tǒng)計情況，由圖可知，我國累計發(fā)生21起海洋生物導致的核電廠取水堵塞事件，涉及我國77%的核電基地，影響核電機組36臺，導致其中42%的機組停堆。國外核電廠發(fā)生同類事件已有百余起。美國電力研究學會（The Electric Power Research Institute，簡稱EPRI）［12，13］對美國核電廠堵塞事件進行的統(tǒng)計表明，美國境內(nèi)發(fā)生該類事件已有數(shù)起。海洋生物入侵影響核電廠取水，已經(jīng)成為世界核電運行的通用性難題。

圖1 核電廠取水堵塞運行事件統(tǒng)計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現(xiàn)的特點

基于對國內(nèi)外冷源取水堵塞事件的深入分析，事件呈現(xiàn)如下特點。

（1）突發(fā)性，為預測預報帶來極大挑戰(zhàn)。生態(tài)調(diào)查研究表明，眾多致災物種實時存在于核電廠廠址海域，當其大規(guī)模聚集并遷移至取水流道時，才會影響核電廠取水。其大規(guī)模聚集的成因復雜，尚未發(fā)現(xiàn)與環(huán)境參數(shù)的明顯相關(guān)性。

（2）致災物種種類繁多、特性迥異，為有針對性的防控帶來挑戰(zhàn)。當前已造成運行事件的物種有水母、毛蝦、海地瓜、海藻、尖筆帽螺等。此外，還有其他若干潛在致災物種。

（3）多機組共用取水設(shè)施易形成共性事件。當前絕大部分核電機組共用取水明渠，隨著機組的逐步投用，取水明渠口門流速增大，卷載風險增加，容易形成共性事件。

1.2 核電廠取水安全事件頻發(fā)的根本原因探析

回顧取水堵塞運行事件，并結(jié)合當前的科學技術(shù)發(fā)展情況，研究認為取水堵塞問題的根本原因如下。

（1）威脅源認知欠缺，針對性應(yīng)對困難。海洋生態(tài)環(huán)境復雜，目前對海洋生物大規(guī)模聚集的機理尚未完全清晰。海洋環(huán)境變化、溫排水影響、食物鏈影響、物種分布等均成為致災物種大規(guī)模聚集的潛在因素，工作人員目前難以掌握海洋生物大規(guī)模聚集遷移的規(guī)律。

（2）監(jiān)測體系短板，預報體系不健全。當前的主要預警方式為：濾網(wǎng)壓差≥0.3 m時，第一次報警；濾網(wǎng)壓差≥0.8 m時，第二次報警，循環(huán)水泵脫扣。多起核電廠取水堵塞事件從濾網(wǎng)壓差觸發(fā)第一次報警至停堆的時間不足5 min，較短的預警時間使得應(yīng)急方案通常無法達到預定效果。據(jù)統(tǒng)計，我國2020年發(fā)生的幾起核電廠取水運行事件中，核電廠的海洋生物在線監(jiān)測設(shè)施均未實現(xiàn)有效預警。

（3）海洋環(huán)境復雜，防控處置能力受限。傳統(tǒng)機械格柵、固定式濾網(wǎng)等設(shè)施的處置能力無法應(yīng)對海洋生物大規(guī)模入侵。當前使用的攔截網(wǎng)受材料、地形等影響，難以進行全斷面攔截。此外，惡劣天氣條件下，人員船只等裝備的處置更加困難，導致應(yīng)急打撈預案無法發(fā)揮效用。

（4）規(guī)范體系缺乏，設(shè)計技術(shù)措施不足。當前在役核電機組在設(shè)計之初并未考慮到海洋生物大規(guī)模入侵問題，更多關(guān)注點在泥沙、溫排、海洋生物附著等方面，按照現(xiàn)有法規(guī)規(guī)范體系設(shè)計的取水系統(tǒng)防護能力不足以應(yīng)對海洋生物大規(guī)模聚集遷移進入取水系統(tǒng)。

2 科學技術(shù)進展分析

2.1 導則、法規(guī)標準體系成效與價值探析

HAD 102/09《核動力廠最終熱阱及其直接有關(guān)的輸熱系統(tǒng)》提供的兩種應(yīng)對海洋生物入侵方案：固定式濾網(wǎng)，以及最終熱阱直接相關(guān)的輸熱系統(tǒng)所需的冷卻水從凝汽器用的同一組濾網(wǎng)抽吸，兩種措施是當前各核動力廠普遍采取的設(shè)計措施。運行實踐表明，兩種措施能夠保障有效應(yīng)對常規(guī)問題，當海洋生物入侵堵塞共用的粗格柵、細格柵、濾網(wǎng)等過濾設(shè)施時，停運發(fā)電相關(guān)的循環(huán)水后，在堵塞率低于98.75%的情況下，能夠保證核島廠用水取水。然而運行實踐也表明，尖筆帽螺、棕囊藻、泥沙、石子等堵塞物能夠穿過傳統(tǒng)濾網(wǎng)，造成核島廠用水系統(tǒng)貝類捕集器、板式換熱器的堵塞。

分析認為，導則和規(guī)范尚未完全考慮到核電廠運行過程中碰到的新問題，在潛在影響核電廠取水系統(tǒng)海洋生物的調(diào)查、監(jiān)測預警、防控處置方面，缺少可操作的法規(guī)依據(jù)和實施細則。目前已建和在建濱海核電廠的取水工程設(shè)計基于法規(guī)標準，主要針對波浪、潮流、泥沙、溫排水和海冰等方面，設(shè)置的過濾系統(tǒng)主要針對大的漂浮雜物以及少量的海洋生物。在海洋生物調(diào)查方面，主要針對環(huán)境影響評估，包括電廠建設(shè)對海域生態(tài)環(huán)境、物種的影響評價。綜上，目前的取水工程設(shè)計以及生物調(diào)查缺乏對海洋生物大規(guī)模聚集問題的針對性。

2.2 致災海洋生物生態(tài)科學

圖2給出了我國核電廠的主要堵塞威脅種類，可見水母、毛蝦、棕囊藻是較為典型的致災物種，其他致災物種主要還包括海地瓜、滸苔、海草、馬尾藻、尖筆帽螺等堵塞物。季節(jié)方面，夏秋兩季是海生物威脅的重點季節(jié)。分析認為，一方面夏秋兩季是海洋生物繁育旺盛的季節(jié)，二方面夏秋兩季核電廠的取水流量相對大，三方面夏秋兩季的氣象條件、海動力條件利于海洋生物大規(guī)模遷移。國內(nèi)外對核電海域海洋生物暴發(fā)的機理進行了初步探析［14-17］，分析認為，整體上看海洋生態(tài)系統(tǒng)，某種生物的暴發(fā)是生態(tài)系統(tǒng)失衡的表現(xiàn)，其暴發(fā)機制也非常復雜，不是某個單一因素能決定的。由于對核電海域生態(tài)環(huán)境變化和致災生物的系統(tǒng)調(diào)查、研究不足，現(xiàn)階段尚未了解冷源典型和潛在致災生物的時空分布規(guī)律、生態(tài)習性，不掌握其聚集特點及驅(qū)動因素。

圖2 我國核電廠的主要堵塞威脅種類統(tǒng)計（截至2020年）Fig.2 Information of marine organism type

2.3 取水堵塞物監(jiān)測技術(shù)

從工程實際需求角度，監(jiān)測技術(shù)的作用是掌握致災海洋生物的時空分布，實現(xiàn)風險評估與預警，為防控處置及應(yīng)急響應(yīng)提供基礎(chǔ)信息。根據(jù)國內(nèi)外的監(jiān)測技術(shù)研究情況［18-20］，我國核電廠采用的監(jiān)測手段統(tǒng)計如圖3所示，可見聲學技術(shù)、攝像、氣象是應(yīng)用較為普遍的監(jiān)測手段，監(jiān)測手段還包括海動力技術(shù)、雷達，以及諸如與地方部門信息聯(lián)動等其他手段。

圖3 我國核電廠采取的監(jiān)測手段統(tǒng)計（截至2020年）Fig.3 Information of marine organism detection type in nuclear power plant

基于科學技術(shù)研究進展及運行實踐，堵塞物監(jiān)測方面的成效與不足主要在如下幾方面。

（1）對海面漂浮垃圾，如樹枝、秸稈、生活垃圾等堵塞物，以及海藻、滸苔類等浮游植物堵塞物，通過目視、水上攝像、遙感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有效監(jiān)測。分析認為潛在風險主要為：受天氣影響，如云層厚、夜晚光線受限等，存在監(jiān)測時間不連續(xù)、距離短，無法預留足夠響應(yīng)時間的風險。

（2）對散射特性較好、個體較大的致災物種（如魚類），采用聲納、水下攝像、激光雷達技術(shù)，能有效監(jiān)測；而對含水量高（如水母）、個體小（如毛蝦、筆帽螺）的生物，運行實踐表明，尚難以實現(xiàn)有效監(jiān)測。

（3）對底棲生物的監(jiān)測，主要依靠水下攝像，能見度受水質(zhì)影響較大。

2.4 取水堵塞物防控處置技術(shù)

防控技術(shù)是降低堵塞風險的最直接手段，包括攔截、打撈、處置等技術(shù)手段［21-23］，圖4給出了我國核電廠采取的攔截網(wǎng)數(shù)量統(tǒng)計，可見多重攔截網(wǎng)成為當前的防控主流。核電廠冷源取水物理防控措施目前已經(jīng)基本實現(xiàn)多重攔截、防控，從前端的導引網(wǎng)、明渠內(nèi)多道攔截網(wǎng)，到中端的粗格柵、細格柵，再到旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、貝類捕集器、二次濾網(wǎng)，配合打撈措施，可以一定程度上實現(xiàn)對海洋生物、雜物的攔截處置。實踐表明，致災海洋生物的多樣性、暴發(fā)的突然性、個體的細小性等因素，使我們尚不能杜絕海洋生物大規(guī)模聚集導致冷源取水堵塞的風險，存在優(yōu)化物理防控措施的需求和必要性。同時，防控系統(tǒng)還面臨可靠性低、維護困難等問題。

圖4 我國核電廠采取的攔截網(wǎng)數(shù)量統(tǒng)計（截至2020年）Fig.4 Information of trash-intercepting net in nuclear power plant

3 我國核電廠應(yīng)對取水堵塞問題的發(fā)展建議

3.1 監(jiān)管政策建議

（1）建議完善取水安全導則，規(guī)范核電廠取水安全應(yīng)對體系。組織制定我國核電廠取水系統(tǒng)應(yīng)對海洋生物的風險監(jiān)測、預警、防控處置導則、法規(guī)標準。充分利用數(shù)據(jù)積累、經(jīng)驗反饋，逐步形成可供借鑒的、普遍認可的標準，推動行業(yè)有效應(yīng)對海域威脅。

（2）建議構(gòu)建多層次立體交叉取水安全專項監(jiān)管體系，加強廠址直接相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備設(shè)計的廠址適應(yīng)性論證評估監(jiān)督審查，對核電廠取水系統(tǒng)的設(shè)備運行進行定期/不定期監(jiān)督檢查，重點關(guān)注核電廠址海域海洋生物易大規(guī)模聚集遷移的季節(jié)。督促運營方制定合理可行的應(yīng)急預案以及取水安全保障能力提升計劃。

（3）建議加強核電廠取水安全事件過程記錄以及根本原因分析審查力度，要求核電廠及時總結(jié)經(jīng)驗，使得核安全監(jiān)管機構(gòu)、設(shè)計方、其他運營方能夠充分獲得運行經(jīng)驗與事件數(shù)據(jù)。促進經(jīng)驗交流與共享。

3.2 導則、法規(guī)標準體系發(fā)展建議

（1）在HAD導則中，提出最終熱阱過濾設(shè)備、換熱器應(yīng)對海洋生物（包括泥沙、雜物等）堵塞問題的導則要求。要求安全分析中評價海洋生物（特別是尺寸大小在2-3 mm之間的易堵塞物）大規(guī)模聚集對最終熱阱的影響，并證明這種影響是可以接受的。

（2）在規(guī)范標準中，提出四方面具體要求，包括：a.針對致災海洋生物調(diào)查分析要求，包括調(diào)查時間、調(diào)查次數(shù)、季節(jié)劃分、采樣方法、分析方法，建立風險評估方法。b.針對風險致災物建立監(jiān)測預警預報要求，包括海洋動力要素、氣象要素、水面攝像等。c.提出系統(tǒng)及構(gòu)筑物防堵塞設(shè)計要求。提出過濾設(shè)備清理能力要求。提出海域攔截防控要求。提出明渠海工構(gòu)筑物導流與防波技術(shù)要求。d.設(shè)備設(shè)計要求，重點關(guān)注防堵塞設(shè)計，各級過濾設(shè)施（過濾精度、清污能力、材料）以及熱交換器（板間距、清污能力、流速、耐磨損、材料）等設(shè)計與廠址海域環(huán)境的匹配。統(tǒng)籌考慮海水泥沙情況、海洋生物情況、熱交換器雜質(zhì)可通過性要求與貝類捕集器孔徑設(shè)計匹配要求。通過合理的匹配設(shè)計，提升系統(tǒng)防堵塞能力，降低系統(tǒng)阻力，滿足系統(tǒng)流量要求。

3.3 運行保障建議

（1）核電廠應(yīng)建立取水安全常態(tài)化管理機制，加強質(zhì)量控制，提升取水系統(tǒng)設(shè)備預防性維護、日常巡查、缺陷消除等級，建立保守決策規(guī)程。應(yīng)建立完善取水安全保障管理程序。加大資源投入，建立保障體系，完善管理組織，強化專人、專崗、專職，形成一支專業(yè)化隊伍。新建核電站取水“設(shè)計源頭”優(yōu)化，結(jié)合在役電廠的運營反饋。核電廠日常運營要保證取水口攔截設(shè)施的完整性，可采用機械監(jiān)控、人工定期巡檢等方法，做好巡檢記錄。建立攔截系統(tǒng)健康狀況評估機制。

（2）核電廠應(yīng)與氣象、海洋、水利、應(yīng)急管理等相關(guān)部門建立常態(tài)化溝通機制，積極利用社會資源，擴展信息渠道，聯(lián)防聯(lián)控形成應(yīng)急響應(yīng)防控機制。構(gòu)建規(guī)范、及時、暢通的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)和信息渠道，為核電廠預警及決策系統(tǒng)提供準確、全面的輸入，提高應(yīng)對有效性。

3.4 科技攻關(guān)與發(fā)展建議

核電廠取水安全保障研究是一個動態(tài)研究過程，需要吸收經(jīng)驗反饋和良好實踐，廣泛開展合作交流、研發(fā)和新技術(shù)應(yīng)用。

3.4.1 致災海洋生物生態(tài)科學攻關(guān)與發(fā)展建議

從解決工程問題的角度，生態(tài)科學研究的重點為識別堵塞威脅源、驅(qū)動因素以及生態(tài)特征，為監(jiān)測防控提供有針對性的輸入，因此建議重點開展：加強濱海核電冷源生物災害調(diào)查分析與評估，結(jié)合廠址特征與生物調(diào)查情況，評估并構(gòu)建廠址致災海洋生物篩選機制，建立并持續(xù)完善核電冷源生物致災風險月歷。深入研究基于自然規(guī)律的長效而穩(wěn)定的核電冷源生態(tài)災害防控解決方案。

3.4.2 取水堵塞物監(jiān)測技術(shù)攻關(guān)與發(fā)展建議

研究認為，監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向如下。

（1）聲學監(jiān)測方面，建議加強針對致災生物監(jiān)測與預警的理論與技術(shù)基礎(chǔ)研究，通過試驗建立典型致災海洋生物聲學散射模型的特征數(shù)據(jù)庫，研究致災海洋生物聲學探測——預警模型，以便對聲學探測結(jié)果準確解析，為致災生物的預測、預警、處置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（2）遙感監(jiān)測方面，建議開展高時間分辨率、高空間和高光譜遙感相結(jié)合的技術(shù)研究，根據(jù)不同藻類暴發(fā)機制，在暴發(fā)季節(jié)安排密集頻次的遙感，跟蹤其發(fā)展過程。加強SAR遙感衛(wèi)星在海面漂浮物監(jiān)測方面的研究，發(fā)展海洋實時觀測技術(shù)，提高海洋遙感信息提取技術(shù)與海洋遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用水平。

（3）海洋動力監(jiān)測方面，建議重點圍繞海洋動力環(huán)境監(jiān)測與預報兩個層面，充分利用各類平臺（如岸基、海底基、浮標），積極開展能夠?qū)崿F(xiàn)“長期、實時、連續(xù)的核電海域海洋動力監(jiān)測”的技術(shù)研究，實現(xiàn)致災海洋生物遷移路徑預警和預報目標。

（4）運行數(shù)據(jù)監(jiān)測方面，建議加強取水系統(tǒng)過濾攔截物的種類和資源量統(tǒng)計，分析堵塞物的變化趨勢與外部環(huán)境條件的相關(guān)性。

3.4.3 致災海洋生物防控技術(shù)攻關(guān)與發(fā)展建議

提出如下應(yīng)對技術(shù)措施。

（1）結(jié)合核電廠附近海域潛在威脅的海洋生物識別，以及其他核電廠發(fā)生冷源事件后的經(jīng)驗反饋，定期更新應(yīng)急響應(yīng)管理程序，尤其針對臺風等惡劣天氣情況。

（2）取水口構(gòu)筑物設(shè)計優(yōu)化，通過構(gòu)筑物布置型式變化，改變海動力場，從而降低海洋生物遷移卷載風險。

（3）根據(jù)潛在威脅海洋生物的生物特征及遷移路徑，合理配置攔截過濾裝置的過濾級數(shù)、網(wǎng)孔尺寸等，并重點關(guān)注攔截網(wǎng)底部、頂部、接縫連接設(shè)計與承載力分析，使得攔截網(wǎng)在堵塞情況下能夠承受設(shè)計標準工況的水流、波浪作用形成的載荷，以避免出現(xiàn)諸如攔截網(wǎng)纜繩或接縫處崩斷、頂部下沉、底部上揚等無法實現(xiàn)全斷面攔截的情況。

（4）加強機械化、自動化防控技術(shù)研究。當前在役核電廠投入大量的人力開展防控系統(tǒng)日常運維，存在惡劣天氣干擾等因素導致運維困難的情況，需要開展研究降低運維難度，從而提升防控可靠性。

4 結(jié)論與建議

基于對核電廠冷源取水運行事件的調(diào)查，對運行電廠采取的工程應(yīng)對措施進行了統(tǒng)計，對關(guān)鍵科學技術(shù)進展進行分析。主要結(jié)論及建議如下：

（1）取水堵塞問題呈現(xiàn)突發(fā)性、致災物種種類繁多及特性迥異、較易形成共性事件等特征，潛在風險不容忽視。

（2）監(jiān)管部門應(yīng)完善取水安全導則，規(guī)范核電廠取水安全應(yīng)對體系。加強核電廠取水安全事件過程記錄以及根本原因分析審查力度。構(gòu)建多層次立體交叉取水安全專項監(jiān)管體系，加強廠址直接相關(guān)系統(tǒng)與設(shè)備設(shè)計的廠址適應(yīng)性論證評估監(jiān)督審查。

（3）核電廠應(yīng)建立取水安全常態(tài)化管理機制，加強運維質(zhì)量控制，提升取水系統(tǒng)設(shè)備預防性維護、日常巡查、缺陷消除等級，建立“風險認知-早期預警-快速防控-保守決策”一體化應(yīng)對策略。

（4）設(shè)計方面需要結(jié)合廠址特征開展有針對性的冷源取水預防海洋生物堵塞研究，生態(tài)科學方面聚焦威脅源的調(diào)查與精細化識別，監(jiān)測技術(shù)方面應(yīng)關(guān)注多種監(jiān)測技術(shù)融合及關(guān)鍵監(jiān)測裝備開發(fā)，防控處置方面應(yīng)注重特殊場景，提供機械化、自動化手段。