《重要运行事件报告》 (WANO SOER 2007-2) ^[1]中分析了2004年~2007年8月发生的有关冷却水取水口堵塞的44个重大事件。其中20%的事件对安全相关系统有直接影响, 且超过80%的事件对机组发电造成影响, 包括导致机组停堆或机组降功率等。导致堵塞事件发生的物质分析如下:84%为水生物;9%为结冰;5%为沙、淤泥;2%为原油。

　　 在2008~2015年, WANO网站上^[2]公布共发生60起有关冷却水取水口堵塞事件, 导致降功率、反应堆手动停堆、反应堆自动停堆的事件, 引起堵塞事件的物质分析如下:38%为水生物 (海藻、水草、贝类、水母、鱼类和其他海洋生物) ;38%为沙、淤泥、碎片;24%为其他 (异物、沉积物、塑料) 。

　　 我国核电厂发生了数起由于海洋生物或海洋异物堵塞取水系统从而影响取水安全的事件。海洋生物或异物的堵塞可能导致机组的降功率乃至停堆, 严重时甚至可能会对最终热阱的可用性构成威胁, 应引起高度重视。

　　 2016年4月, 国家核安全局发布《国家核安全局关于近期海洋生物或异物影响核电厂取水安全事件的通报》 (国核安发[2016]91号) 。其附件《海洋生物或异物影响核电厂取水安全典型事件》对事件原因、事件经过、促进因素、纠正行动等进行了阐述^[3]。表1为国内部分核电基地已发生的海生物影响冷源系统实例。

　　 HAF、HAD、欧洲核电用户要求文件EUR、美国核电用户要求文件URD均提出了设计中必须对热阱加以考虑的要求, 但是只是给出一般性的顶层设计要求, 没有给出具体可操作的指导性准则, 尤其是对于潜在影响冷源系统海生物的调查方面, 目前调研显示国内外均缺少可操作的法规依据。

　　 《HAF102核电厂设计安全规定》, 其中6.2.8.3节, 选择最终热阱的多样性方案时, 必须考虑到自然事件和人为事件的影响。

　　 《HAD102-05与核电厂设计有关的外部人为事件》, 其中13.5~13.11节的设计方法与防护措施可以归纳为:监测、冗余、拦截、可替换、抑制生物/可清洁、运维程序。

　　 《HAD102-09核电厂最终热阱及其直接有关的输热系统》, 其中3.2.9节生物现象中, 要求的措施可归纳为:适当地评价生物现象、抑制生长/可清洗、拦截、多样性、监测。

　　 1卷2章第11节, 总体设计措施应确保在所有工况下一定扩充时间内充分热阱可用, 而无需短期内改变系统配置。

　　 1卷2章第6.7.3节, 设计应确保长期阶段DBC和DEC工况下充分的热阱可用。在长期阶段, 最终热阱由海水提供, 包括安全级和非安全级设备, 有必要证明它具备长期供水的能力。

　　 2卷4章第1.2.8.1节, 应考虑以下灾害且采取必要的措施保证核电厂安全。 (1) 水污染:被冰、碎片、海藻和浮游生物 (如水母) 堵塞冷却水进水口;由于藻类和浮游生物生长造成进水口流量降低;由于石油或者其他浮游物造成设备功能丧失;海工构筑物崩塌; (2) 鱼群造成进水口堵塞; (3) 海岸侵蚀。

　　 2卷8章电厂冷却水系统1.5.1节, 在设计AL-WR电厂冷却水系统时要求达到的若干目标中要求“使热阱水中的沉淀物、淤泥、有机生物和化学杂物对电厂冷却水系统所产生的可能影响降为最小”。

　　 2卷8章电厂冷却水系统5.4.3节, 要求在最终热阱和安全厂用水泵入口之间设置安全级滤网, 对滤网进行定期清洗;滤网装置和换热器应进行定期清洗或反冲洗, 应采取措施对换热器和滤网的堵塞情况进行监控。

　　 在正常运行 (停堆) 或事故工况下, 核安全相关的余热排出系统及安全壳喷淋系统热量由设备冷却水系统导出, 而重要厂用水系统 (SEC) 为开放式循环系统, 流动工质为海水, 负责导出设备冷却水系统所传输的热量, 最终将热量输送回海水中。因此, 确保核电厂重要厂用水系统的冷却水取水安全, 也就是确保核电厂的最终热阱安全, 对核电厂核安全而言, 具有至关重要的意义。

　　 取水明渠设计时, 为防止偶然情况下船舶进入取水渠道, 水面上的漂浮物进入取水前池以及拦截海水中的浮油, 设置了拦船/拦污/拦油网, 以保证取水水道的畅通以及取水的清洁。

　　 CFI系统的设备保证常规岛循环水系统 (CRF系统) 和重要厂用水系统 (SEC系统) 以及海水淡化系统水源的过滤功能。

　　 供2个机组用的4列相同的海水过滤设备的流道位于进水渠岸边的泵站内。

　　 每列流道从上游至下游包括: (1) 2套粗格栅 (栅条间距200mm) ; (2) 2套闸门 (泵站停止进水时) 或2套加氯框架 (正常运行期间) ; (3) 2套细格栅清污机, 每套包括:细格栅1台 (栅条间距50mm) 、除污机导向槽1套、固定式除污机头1台、除污机耙1套; (4) 1台鼓型滤网 (直径19~22m, 网孔尺寸3mm) 。由2台低速电动机或1台中速/高速电动机驱动。每台鼓形滤网装有由2个冲洗管系列组成的冲洗回路, 该回路为鼓形滤网提供冲洗水。

　　 CPR1000机组针对海生物入侵问题依靠取水口的两道拦污网, 取水通道内粗格栅、细格栅、杂污耙、鼓形滤网等来配合实现拦截清理。图1为拦船/拦污/拦油网设置、循环水过滤系统 (CFI系统) 实现拦截清理的简单示意。CFI系统应防止任何大于3mm的海生物和污物经由海水夹带进入泵站和各冷却系统。

　　 (1) 正常运行。在正常运行工况时, 每个机组有2列海水过滤设备运行。

　　 格栅除污机:在正常运行时细格栅必须干净。2台格栅清污机的自动启动, 并且不在同一高度上运行, 与水头损失传感器的指令同步, 并保持半个循环的距离运行。

　　 鼓型滤网:鼓型滤网连续转动, 1列冲洗回路运行 (每台鼓形滤网1列) 。鼓形滤网由水头损失传感器控制其运行状态。

　　 (2) 特殊稳态运行。如果任意传感器检测出水头损失超过第一正常值, 格栅清污机自动启动。当水头损失回落至正常值时会自动关闭。如果检测水头损失超过第二阀值, 向控制室发出报警信号。

　　 当3套水位差计中的任意2个检测到鼓形滤网进出口的水位差持续升高达到0.3m时, 向控制室输出第1次报警信号。当3套水位差计中的任意2个检测到鼓形滤网进出口的水位差继续增大, 并达到0.8m时, 向控制室输出第2次报警信号, 同时该鼓形滤网对应的CRF循环水泵停止运行。

　　 目前, 针对水生物暴发对核电站取水安全产生影响, 核电厂主要采取以下几种措施进行预防和处理: (1) 加强监测; (2) 工程防范措施。

　　 某核电站进水口采用了海水水质在线监测浮标。运用信息传感先进技术及GPS卫星定位, 通过太阳能电池板提供工作电力, 搭载了多参数水质监测仪监测海水的pH、水温、电导、浊度、叶绿素、溶解氧等多项水质数据, 同时配备有多参数 (风速、风向、气压、湿度、气温) 气象传感器, 通过GPRS将数据无线传输到环境实验室的水质监测平台。浮标的使用实现了在海上进行长期、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。

　　 某核电站引进水下机器人, 主要用于电站进水明渠的水下视频监控, 因为核电站进水明渠经常发生大量鱼虾、水母、藻类等入侵事件, 威胁到机组的正常运转。利用水下机器人系统可以有效地对进水明渠进行全面的监控, 实时观测进水明渠中虾群、水母、藻类等海生物的活动情况, 预测发展趋势, 提前做出预警机制, 保障整个核电站机组正常的运行^[5]。

　　 沿海核电厂普遍采用明渠取水的冷却方式, 由于循环水用水量巨大, 明渠海水流速较高, 而港池湾中水体开阔, 流速平缓, 海水只进不出, 极易形成鱼类等天然养殖场。水母、幼鱼等游泳能力弱的海洋生物随波逐流进入明渠及港池无法返回, 很容易造成聚积。每到鱼虾繁殖期, 或因台风等天气鱼类海蜇等规避行为, 就会导致大量生物进入取水明渠, 堵塞过滤系统, 造成跳机等风险。

　　 根据第4章的描述, 海生物暴发影响冷源安全一般的路径如下:某一类海生物暴发聚集取水口—部分海生物穿过拦污网进入前池或者明渠—穿过粗细格栅—聚集在鼓网并造成堵塞, 引起高压差报警、跳机、跳堆—部分穿过鼓网聚集在贝类补集器并堵塞滤网, 引起高压差报警、跳堆—安全用水量低于限值, 核安全风险出现。

　　 从工程设计角度, 核电厂目前主要采取以下几种措施:消杀和驱离、增设拦污网、改进进水口门布置、管道材质及涂料的选择等。

　　 根据初步调研, 针对目前核电各基地已经出现的冷源威胁海生物, 实际可用的措施包括:驱离措施主要有: (1) 电脉冲拦网针对鱼虾等游泳生物; (2) 水下声波对鱼类、水母、藻类; (3) 气泡幕墙针对鱼虾等游泳生物; (4) 光学手段对鱼类、水母、藻类;消杀措施主要有: (1) 改型粘土针对某些种类赤潮藻; (2) 次氯酸对各类水生物均有一定作用; (3) 超声波破碎对藻类有一定效果。

　　 通过设置拦污网、格栅、滤网等多重拦截设施, 避免海生物大规模入侵^[6,7]。根据A核电基地水母入侵及C核电基地小型海地瓜入侵取水设施的经验反馈, 针对有可能发生海生物入侵的厂址, 有针对性地加强取水明渠拦污网的拦截能力: (1) 设置多层拦截体系, 沿取水明渠布设2~3道拦污网; (2) 拦污网设置为全过流断面拦截; (3) 网格尺寸不宜小于30mm×30mm; (4) 制定海生物监测及预警机制, 及时清理拦污网附着杂物; (5) 必要时启动人工打捞作业。

　　 《核电厂水工设计规范》 (NB/T 25046—2015) 7.1.4节规定, 在河道、湖泊、水库、海湾中取水时, 应符合下列要求:“当漂浮, 物较多时, 取水口门平均水位 (潮位) 进口流速宜小于该区域的天然流速, 但不宜小于0.2m/s, 并应考虑设置格栅型清污机、旋转滤闷或网筐式清污机”。

　　 在核电厂设计中, 一般通过改进进水口口门布置, 使其进口流速接近或低于海域天然流速, 减少由于卷吸效应导致的海生物进入取水流道。

　　 取水流道尽可能选择海生物不易附着的材质, 如光滑的玻璃钢管道;在电厂海水系统设备、管道上采用涂料, 通过涂料中杀虫剂或低表面能预防海生物附着。

　　 使用涂料预防海生物污染主要采用2种方法: (1) 在与海水接触的界面产生一个阻碍海生物附着的高浓度“有毒”水层, 含杀虫剂的防污涂料; (2) 低表面能涂料产生一个使生物体不能附着的表面。

　　 某核电厂原先采用的粗格栅涂层是一种用于远洋船舶的防污漆, 需要较高的海水流速对其冲刷, 通过摩擦使防污漆逐层剥落, 从而起到防污的作用, 但粗格栅中海水流速较低, 不能满足该类油漆的应用条件, 因此导致大量海生物附着。该核电厂防腐专业调研了大量海洋防污油漆配套系统, 通过综合评估, 最终选定环境友好、适合粗格栅工况的某种特殊污漆。经过一年的运行测试, 率先使用新工艺的3号机的粗格栅在2016年底进行了检查, 发现采用新工艺的粗格栅状态良好, 基本无海生物附着。新工艺的推广应用, 保障了冷源设备可用性, 降低大修潜在的延误风险和维修, 可为其他电厂解决该类问题提供重要经验反馈。

　　 一方面目前国内、国际上核行业法规、导则均没有给出具体可操作的指导性准则, 尤其是对于潜在影响冷源系统海生物的调查方面, 另一方面海生物暴发具有较大的不确定性, 因此核电厂在应对海生物暴发问题上难度非常大, 在防范对策上应尽可能采用多种手段。

　　 国核安发[2016]91号文件^[3]中, 对各核电厂营运单位提出5条建议, 各核电厂在应对海生物暴发的主要工作方向可以参考。5条建议如下: (1) 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; (2) 与有关单位合作, 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; (3) 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; (4) 定期对取水构筑物、系统和设备进行检查, 做好日常维护、清理和清淤等工作; (5) 完善应对海洋生物或异物堵塞取水系统的应对预案并加强演练, 重点要放在保证安全重要厂用水系统的功能上。