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揭秘核电厂“排尿”套路 冷却水直排无辐射
发布时间: 2017-06-23 16:35:57   作者:本刊主笔 季天也   来源: 本站原创   浏览次数:

5月18日,国家环保部、科技部、住建部、林业局和气象局五部委印发了《“十三五”环境领域科技创新专项规划》,其中在核与辐射安全监管方面,提到“研发运行核电厂的‘温排水’环境影响评价方法”。本文就此带大家来见识一下核电厂怎样进行“小解”(排水):温排水和放射性废水是一回事吗?它对环境的影响体现在哪儿?

揭秘核电厂“排尿”套路 冷却水直排无辐射

可以被蒸汽驱动从而带动发电机产生电力的汽轮机

核电厂的液态排放物以温排水和放射性废液为主,虽然二者都在核电厂里走了一遭,但它们的放射性水平是有本质区别的。我们先从体量上占大头的温排水说起。

  • 发一度电会产两度热

任何火力或核能发电原理,本质上都可以理解为烧开水。先由煤/油/气的燃烧和铀的核裂变过程产生热能,把水加热成水蒸气,然后利用蒸汽的动力推动汽轮机和发电机运转,才把这股力量转化成电能。

然而,受制于物理规律和科技水平等因素,在这种烧水发电模式下,并不是所有热量都能转化成电力。核电厂的热效率普遍在30%~35%左右(大型煤电机组热效率为40%~42%)。这意味着,核燃料产生的能量,只有大约1/3变成了电,其余都以热量的形式散失了。为了保证整套发电装置不至于“发烧”,这些余热需要经过冷凝器传导给从江河湖海引入的冷水,再排回水体中,这就是温排水的由来。

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内陆核电站的温排水需要经过巨大的锥形冷却塔(左)降温后才能排入水体

核电和火电均会产生温排水,只不过核电的高压轻水反应堆(下简称压水堆)和火电锅炉相比,调低了烧开水的蒸汽压和温度,牺牲一定热效率来换取更好的安全性,因此余热的产量相对较高。一台发电功率1000兆瓦级别的压水堆机组,就要产生2000兆瓦级的余热。根据辽宁省环保厅的数据,该省红沿河核电厂6台机组所需冷却水的流量为每秒180~300立方米,几天就能吞吐一个北京密云水库的容量,排水温度可能比水体高出6~10℃之多。为此,核电厂大多修建在海边,方便就近取用大量海水作为冷却用水。同时,由于潮汐、洋流等海洋活动,再加上海水巨大的体量,滨海核电厂温排水的热量有足够的稀释和扩散空间,可以用直流供水的方式抽排海水(直取直排),为滨海核电厂提供了有利条件。而内陆核电厂的稀释条件不如沿海,这些水必须经过上百米高、五六十米粗的冷却塔冷却后才能排出(注意,塔顶冒出的“白烟”是水蒸气遇冷后液化的样子,和云、雾同理,不是什么气体污染物哦)。出于公众态度、选址难度和安全成本等因素的考虑,我国目前在运和在建的都是滨海核电厂。

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美国马里兰州卡尔弗特崖核电厂滨海而建,冷却水采用直取直排的方式循环。

  • 温排水和辐射不沾边

用大量海水作为冷却用水,厂区周围的海水岂不都被辐射污染了?答:并不会。

在压水堆中,流经核燃料被加热的水、推动汽轮机发电的水(蒸汽)和从自然水体引入再排出的冷却水,分别在3个封闭的体系里循环。只有一回路里的水与反应堆直接接触而带有放射性。这些水在高压下被核燃料加热到340℃左右后,并不直接推动汽轮机发电,也不会沸腾,而是进入一个叫蒸汽发生器的装置,只负责加热二回路的水,自身冷却后,再由主泵打回到反应堆内重新加热,如此循环往复。所以一回路也称为核蒸汽供应系统,并由稳压器把蒸汽压控制在150个大气压左右。用来推动汽轮机、带动发电机发电的,是在蒸汽发生器中被“烧开”的、没被辐射污染的二回路水。推完汽轮机的蒸汽叫做“乏汽”,乏汽被排入冷凝器,经海水冷却后又变回液态水,被水泵送回蒸汽发生器再次加热……

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深圳大亚湾核电厂的温排水通道

由于一回路的主要设备是核反应堆,通常把一回路及其辅助系统和厂房统称为核岛(NI);二回路系统因与常规火电厂蒸汽动力回路大致相同,所以统称为常规岛(CI)。

核电厂温排水不是被反应堆烧热的,而是被二回路里不带放射性的水“烫热”的。蒸汽发生器和冷凝器好比暖气管,让两股水只传热而不接触,温排水全程碰不到辐射源,排到环境中自然也就没有放射性。即便是安全性较差、用反应堆烧热的水直接推动汽轮机发电的沸水型反应堆(即福岛核电厂采用的堆型),正常工作时也不会把这些放射性水排入海中。在日本,核电厂附近的居民甚至在寒冷的季节里,利用温排水养殖一些较珍贵的海产。环境影响评价方面,对核电厂温排水的要求和火电厂是一样的。

  • 取排水设计不能任性

滨海核电厂取/排水口的位置和形式,关系到工程成败和安全运行的关键,讲究可多了。

①离核电厂用水点和排放点要近(取水泵房应尽量靠近汽轮机厂房),两个口之间的距离也尽量缩短,排水口的水温经稀释扩散后回归至取水口的温升一般不超过1℃,以便节省运行成本。

②应具有良好的地质、地形条件。取水构筑物应设在地质构造稳定、承载力大的地基上,避开断层、滑坡、冲积层、风化严重的地段。在地震区,不宜将取水建(构)筑物设在过陡的岸边、山脚下和海滩上。

③取水口位置需要保证足够的水深。循环水系统或循环水和安全厂用水合并系统在低潮位时,水深条件不小于5米;安全厂用水单独取水在低潮位时,水深条件不小于2.5米。

④取、排水口应考虑海浪的破坏力。因此,有的滨海核电厂采用设置防波堤和码头的方式,有的采用港池取水的方式,取水口朝向避开最大波浪的方向。

⑤选择水质较好、水中漂浮物和泥沙较少的地段,避开潮流过急产生严重冲刷的地段。

⑥北方地区的核电厂还要掌握当地冰凌的水文特征,提防取、排水口被冰堵塞。

  • 放射性废液需固化减量

说完了温排水,再说说核电厂区别于其他电厂的特有“排泄物”——放射性废液。还是以压水堆为例,核电厂放射性废液的主要分为三类:工艺疏水、地面疏水和化学疏水。

工艺疏水指的是化学物质含量少的放射性废液,以反应堆冷却剂系统流出液为主,比如对反应堆冷却剂系统进行加硼(硼为控制核反应的中子吸收材料)、稀释、取样。同时还包括乏燃料容器室排水、固废处理系统的废树脂贮存箱里用于反洗(反向冲洗)废树脂的水。这些废液都收集在指定的流出液暂存箱中。

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流经反应堆(蓝光处)的水带有放射性,但它只在自己的封闭系统内循环,不会污染外界水体。

地面疏水指的是化学成分不同的低放射性废液,主要包括不能回收的设备泄漏水、核岛厂房的地面冲洗水、厂区实验室排水、蒸汽发生器排污系统的反洗水等。

化学疏水是指化学物质含量高的放射性废液,比如放射性去污厂房的废液、核取样废液。这类废液产量较少。

我国核电厂对放射性废液遵循分类收集和处理的原则,根据放射性浓度和成分,将废液分别收集至相应的贮存箱罐中。处理的基本思路是把废液进行固化,以降低其流动和扩散能力,采用物理过滤、化学沉淀、蒸发、离子交换等手段,最终把放射性废液变成放射性固废和可排放水。比如浓缩物、残渣、泥浆等聚集放射性物质的成分,要掺入水泥、沥青或塑料进行固化,高放废液则要用玻璃固化。

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美国科学家正在测试一项放射性废液固化技术

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  • 放射性净化水“出关”门槛高

净化后的放射性废水,如果满足国家法律法规和各核电厂因地制宜设定的各项排放限值,就可以排放到外界环境中。换言之,可排放水不等于非放射性水(包括温排水和处理达标的放射性废液)。2011年2月,国家核安全局提高了排放标准,沿海核电站的低放废液排放,其排放口的放射性活度上限从原来的3700贝克/升,收紧到1000贝克/升;内陆核电厂更严,为100贝克/升(尽管我国还没有内陆核电厂开建),而且离排放点1公里以外的地方,要达到饮用水的标准,即1贝克/升。此外,排水口不允许设在国标Ⅰ类和Ⅱ类水源流域,核电厂在排放管道上装有连续监测和取样分析监测设备,发现超标会触发报警或自动阻断排放;核电厂周边环境中也设有许多监测点;每座核电厂还有定期报告和评价制度。

在建的浙江三门核电厂和山东海阳核电厂,采用的是代号AP1000的第三代核电机组,废液处理系统极大地简化了系统设计,也保证了较高的净化效率。对于化学成分复杂、放射性水平较高的小部分废液,则采用移动式处理设备进行处理,增强了废液处理的灵活性和利用率。

  • 养殖、海水淡化缓解“热污染”

比起管理严格的放射性废物,核电厂的环境争议更多地聚焦于温排水“热污染”。这种能使排水口附近海水升温好几摄氏度的热量,很容易影响周边生态环境的稳态,比如改变溶解氧含量等水体理化指标、引起浮游生物的种类和数量波动、影响鱼类的繁殖和发育等等。随着沿海核电的快速发展,特别是在一个场址建造多个机组的核电厂,解决热污染的重要性越来越突出。

国标《海水水质标准》(GB3097-1997)按照不同功能和保护目标,将海水水质划分为4个等级,一类最好,可以用作海上自然保护区;四类最差,只适于港口和海洋开发作业区。其中规定,对于一类、二类海域,人为造成的海水升温夏季不得超过当时当地水温1℃,其他季节不得超过2℃;对于三类、四类海域,人为海水升温不得超过4℃,不分季节。

温排水余热是世界上最大的潜在废热能量,如果任它白白散去,实在可惜。废热的开发利用有着不小的经济效益、环境效益和社会效益。目前国内主要是利用温排水水域的余热进行养殖,减轻了温排水对自然水体的热污染。辽宁省还成立了大连红沿河核电循环经济区,海水淡化是核电温排水综合利用的措施之一。

辽宁省环保厅官网资料显示,辽宁南部海域是斑海豹在西太平洋最南端的繁殖区,也是我国唯一的繁殖区。斑海豹是一种冬季繁殖且冰上产仔的冷水性海洋哺乳动物,每年来辽东湾海域栖息和繁殖的斑海豹种群数量达到2000只左右。红沿河核电厂就处在它们的繁殖地附近,如果温排水造成的海水升温使周围冬季不结冰或冰层太薄,斑海豹就很难繁殖。红沿河循环经济区开展的海水淡化项目,将利用温排水的余热进行海水淡化,减少余热排放,降低温排水对自然水体的升温幅度。海水淡化项目建成后不仅能缓解温排水带来的生态问题,还可拉动经济增长,并承担核电淡水和应急备用水源的重任。

随着核电规模的扩大,温排水及其余热利用的管理和研究不断加码。目前,大亚湾、田湾、秦山核电厂已经开始把遥感技术作为厂区海域水温的主要监测手段,并在每年冬夏两季同步开展海面水温实测。考虑到我国核电厂纬度跨度大,南北温差大的特点,深入研究温排水余热利用对近海生态大有裨益,可以说是实现绿色/清洁核电所必需的。

责编:季天也

网编:吴燕芳


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