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)

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(bǔ)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(bào)》(見表1)，通報(bào)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(yùn)者協(xié)會(WANO)發(fā)布重要運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)報(bào)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(jì)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(xiǎn)。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(diǎn)：

(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(jì)不足以抵抗這些危害；

(2) 探測技術(shù)和預(yù)報(bào)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(dòng)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(yùn)行。

表1 核安全局通報(bào)的取水安全事件

圖1 核電廠系統(tǒng)簡圖

1.2 浮游動(dòng)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(dòng)物，但其觸手的活動(dòng)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(dòng)物威脅

現(xiàn)以毛蝦為例。游泳動(dòng)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，入海口打撈670 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(yùn)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(dòng)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(yùn)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(diǎn)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(shí)際來說，也更希望在個(gè)例中提煉共性，使用一個(gè)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)物類，主要包括海月水母、海蜇等。水母類浮游動(dòng)物均屬上層浮游動(dòng)物，多出現(xiàn)于淺海區(qū)域。有晝夜垂直移動(dòng)現(xiàn)象，一般白天下降、夜晚上升。大規(guī)模暴發(fā)時(shí)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(dòng)能力。其平面分布主要跟隨洋流流向改變。

(3) 游泳動(dòng)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(dòng)物在水中的運(yùn)動(dòng)能力較浮游動(dòng)物強(qiáng)，在水中垂直分布區(qū)域也較廣，單個(gè)個(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)較為顯著的特點(diǎn)：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(shí)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(yùn)行成本。各種冷源威脅特點(diǎn)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(diǎn)

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(diǎn)，聲學(xué)探測在水中反而因?yàn)樗橘|(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(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)常規(guī)監(jiān)控、移動(dòng)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(dú)特優(yōu)勢之外，在時(shí)間上也兼具實(shí)時(shí)性強(qiáng)和探測連續(xù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(diǎn)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(shí)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(jì)算機(jī)，最終輸出水面的實(shí)時(shí)情況。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性高，抗干擾強(qiáng)；缺點(diǎn)是造價(jià)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(bǔ)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(shí)時(shí)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(bǔ)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(dòng)物類

仍考慮使用聲納作為主要探測手段，但由于游泳動(dòng)物類運(yùn)動(dòng)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(bǔ)償探測距離。水下高清攝像機(jī)仍作為復(fù)核補(bǔ)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(shí)現(xiàn)可靠探測，所以可重點(diǎn)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?。涣硪环矫?，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(shí)將有效增加反應(yīng)時(shí)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(bào)，難以達(dá)到提前預(yù)報(bào)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)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(shí)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(bào)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(shí)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(shí)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(dòng)習(xí)性及前述各種探測方式優(yōu)缺點(diǎn)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(yàn)，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(dòng)力等為輔的綜合體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量化評估。具體試驗(yàn)內(nèi)容如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)框圖

3.2.2 探測體系

特征提取是聲學(xué)探測一項(xiàng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)量化計(jì)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(yàn)系統(tǒng)，開展探測試驗(yàn)。測試系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備為高分辨率主動(dòng)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(dòng)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(yàn)，同時(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)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(gè)可行方法；而且從長遠(yuǎn)的角度來看，甚至是一個(gè)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(shí)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(shí)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。

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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。