段亚飞

中国水利水电科学研究院

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北京水力发电工程学会

2021年日本的核废水排海计划再次将全球目光牵回福岛，核废水是怎么产生的？核能发电与水有什么关系？

与火电一样，核电也是通过加热蒸汽、驱动汽轮机发电的，核反应堆其实就是一座锅炉。这个锅炉很高效，但烧出来的蒸汽，热转电的效率却仅为1/3，即每发1摄氏度电，就要产生2摄氏度电的弃热。弃热必须被及时带走，才能保障整个系统安全地循环下去，而这需要持续从外部取冷水，降温机组后，再把热水排出去。

核电取水失效的后果将非常严重。福岛核事故的直接原因就是地震海啸导致取水失灵，堆芯因无法及时冷却而爆炸，导致核泄漏。事故发生后，为防止衰变热熔毁堆芯，只能不断抽取海水直接浇灌反应堆，冷却水因此被污染，又不能轻易排出，只能先存在罐子里。如此持续10年，累积了127万吨，相当于500个标准游泳池的核废水，实在放不下了，日本就打起了排入太平洋的算盘。

福岛事故再次提醒我们，安全是核电的生命线，发展核电就如同守护生命一样，需做到万无一失。我国为什么一定要发展核电？这是我们的国情决定的。我国已大力发展清洁能源多年，但现在全国超七成的电力供应还依赖高碳排放的火电，重要原因之一是：水、风、光等发电设备需要“靠天吃饭”。2020年10月，煤炭价格上涨，我国火力发电减少，引发了大范围的拉闸限电，而恰逢持续的多云弱风天气，让水电、风电、光电的发电也受到影响。这时，我国核电几乎火力全开，关键时刻顶了上来。作为一种零碳排放能源，核电发电可实现全过程人为控制，机组设备利用率远高于其他电力类型，因此其被认为是替代火电，保障电网基础负荷的最有效方案之一。故此，安全稳妥地发展核电已成为我国全面进入清洁能源时代、实现“双碳”承诺的必然选择。

由于充分认识到稳定水源的重要性，我国所有核电站均布局在沿海。福岛事故之后，国家更加重视取排水安全。如果把核电站比作一个热血青年，那么为了健康他需要做好3件事。

第一，喝到水。虽然我国海啸概率很低，但喝海水有个风险——“怕塞牙”。餐桌上常见的毛虾，曾在去年大量涌入并堵塞广东某核电站取水口，连续逼停4座百万千瓦机组。马尾藻在2018年博鳌论坛期间又堵住某核电站取水口，导致2座反应堆停堆。近些年全球还发生過很多起海生物入侵导致核电站保护性停堆的事件，引起了各方的高度重视。

第二，喝凉水。人热的时候爱喝凉水，核电为了高效冷却也必须做到低温取水，尤其不能受自身温排水的过大影响。曾经就有电厂因不合理的取排水口布置，温排水未经充分掺混稀释，又被取水口取回，形成“热水短路”，水越喝越烧“芯”，最后电厂机组无法承受，不得不停机改造。

第三，排好水。核电弃热量非常大，如果把全国核电的弃热，全部汇集至长江，可使长江入海口附近的水温升高约1.3摄氏度。大量超温水长年累月地排放入海，会对区域生态造成不利影响，因此必须采取措施减小此类负面生态影响。

上述核电取排水的水量、水温、热影响问题，受当地潮汐、气象、地形和生物组成等多重因素影响，各厂址所面临的挑战不同，问题十分复杂。但通过多年实践，我们团队找到了一种通用的应对技术：以工程流体力学、环境水力学理论为基础，充分利用当地自然条件，因势利导地优化海工布置，结合模拟和监测做导流设计，成功解决了很多取、排水难题。

在取水防堵方面，团队针对当地潮流和生物特点开展数值仿真和试验，基于水动力“避、导、拦、清”理念，实现防海生物从被动拦截向主动防御的转变。例如取水口增设圆弧堤，制造水流旋涡来捕获海洋异物，相当于人在喝水时让异物只塞一个牙缝，用一根牙签即可轻松清理。这种巧妙设计，有力支撑了海南昌江等核电站的取水渠防堵改造工作。

在水温安全方面，为削弱温排水对自身取水的影响，我们同样充分利用自然地形、环境流和热水上浮特点，先后提出了底取表排的“重叠式”、近取远排的“差位式”等创新的布置形式，促成“取排水各行其道，冷热水流路不同”。20世纪，大亚湾核电站就是充分利用了当地“辐散辐合”的涨落潮特征，用明渠替代了法国提出的长隧洞排水方案，为国家节省了2亿元投资，该项目也因此获得了此领域唯一的国家科技进步一等 奖。

在生态安全方面，通过多年攻关，我们提出数值模拟、物理试验和原型监测相结合的技术，科学优化取排水布置，以最大程度地减小核电排热影响。这期间，我们研发的“多过程驱动的近海水温模型”，考虑了“水—气—冰—陆—厂”多界面、多相态换热，用物理过程的丰富支撑了精细化模拟。同时，我们依托“国家科技重大专项”，在人工气象厅内开展缩尺模型试验，类似于通过动态沙盘来模拟取排水过程，形成相关理论和试验标准，成功指导了我国几乎所有核电工程。

为了评价和提升我们的技术，2015年至今，我们利用卫星遥感、无人机、无人船等先进技术，完成了国内6座核电站的海陆空天一体化监测。四大海区，我亲身体验了北部湾的汹涌海浪，感受了渤海东岸的如镜水面，见过防城港的晨雾暮霞，赏过连云港的平生海月。我自己也从最初的严重晕船，锻炼成一个见过大风大浪的人。不过，这些监测工作的更大意义，在于为我国核电取排水安全与生态影响评价积累了宝贵的监测数 据。

通过监测我们发现：优化后的取排水布置，均保障了不超过1摄氏度的取水温升，同时很好地控制了核电厂排热影响范围。海南昌江核电站的离岸深排，使温排水主要影响区成功避开了珊瑚礁分布区;防城港红沙核电站的6千米排水长堤，让当前的温排水混合区各种潮型均未影响到红树林。在核电取排水方面，我们基本实现了生态友好。

上述就是我们团队在滨海核电安全取水与生态排水领域的若干研究和实践。未来，随着我国能源转型与海洋生态保护战略的推进，核电发展也将更加注重安全和生态友好，我们团队的研究也会继续直面国家和行业需求，与时俱进。

多年的科研让我体会到：高明的取排水设计，顺应自然，因势利导，是为天地立心;涉核工作，利关公众，影响后代，需严谨待之，是为生民立命;科学研究，在继承中发扬，在创新中进步，是为往圣继新学;而我们团队所有工作之初衷，在于守护国家核安全和海洋生态安全，是为万世开太平。作为身处科研一线的共产党员，我想以此四句致敬我们的事业，坚守自己的初心：为天地立心、为生民立命、为往圣继新学、为万事开太平！