气泡幕技术在滨海核电厂取水防控中的应用

韩 瑞，段亚飞，赵懿珺，纪 平，康占山，王韶伟

（1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 100038；

2.生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

核电取水是核电厂安全的重要环节。核电厂通常分布在滨海、滨河地区，以厂址附近水域作为核反应堆堆芯余热导出及重要设备正常冷却的水源。一旦核电厂取水系统堵塞，可能导致机组被迫降功率或停堆停机，严重时甚至会引发核电安全事故，造成无法挽回的损失［1］。

近年来，随着海洋环境的变化，局部海域生态异常［2］，海洋生物大规模聚集堵塞滨海核电厂取水系统的事件频发。2000 年至今，全球核电厂因海洋生物引发取水安全的事件多达百余起［3-5］。2014年以来，我国滨海核电厂在调试、运行期间均发生了不同程度的海洋生物堵塞取水系统事件［6-8］，取水安全形势已十分严峻。

按照对取水安全威胁性海洋生物的处理方式，核电厂取水安全防控技术可分为行为驱导技术、阻拦清除技术、回收遣返技术等［9］。气泡幕（Air Bubble Curtain，以下简称ABC）属行为驱导技术，主要通过在水体中连续喷射气泡形成气泡幕墙阻挡海洋生物进入关键水域，减少海洋生物对取水的影响。气泡幕的理论与试验研究始于20世纪30年代［10］，其应用常见于海洋溢油围控［11］、水处理工程［12］、疏浚工程［12］等，在核电取水防控领域的应用尚处起步阶段。本文介绍了气泡幕的工作原理，列举了气泡幕海域试验研究情况，并对其在核电厂取水防控领域的应用现状及前景进行了阐述和分析，为气泡幕的进一步应用提供参考，也为核电取水防控技术的研发提供基础。

1 气泡幕工作原理概述

气泡幕运行时连续将气体释放进液体中，气体受自身压力与周围环境压力的不平衡及气液交界面张力等作用，破裂成气泡，带动周围液体一起上升，形成上升的气泡羽流［13］。

根据工作环境水体流动状态的不同，气泡幕的工作原理可分为静止水体和流动水体两类。

1.1 静止水体中的气泡幕工作原理

静止水体中气泡幕的工作原理最初由Taylor提出，研究认为：气泡上升引起的水体流动和浮射流的流动相似，当连续气泡在水体中上升时，引起的垂向流动类似于从某一源头喷出的浮射流的湍流扩散［14］。图1 为静止水体中喷头注气形成的气泡羽流的示意图［15］。由气泡羽流的垂向速度分布可知：当气泡上升至水面后会凸出水面一定高度，随后向四周水平扩散。该工作原理适用于水体静止或流动较缓的水库、湖泊等。

图1 静止水体中气泡羽流示意图Fig.1 The schematic diagram of bubble plume in still water

1.2 流动水体中的气泡幕工作原理

海湾、河流等流动水体中，气泡幕在上升过程中受水体流动的影响，体现出不同的运动特征，目前研究以考虑水平横流为主［16］。横流中气泡羽流在垂向具有分离行为（见图2），环境流速越大，可能导致气泡群及其羽流分离越早，气泡群继续向水体表面运动，羽流在重力的作用下向水体底部下沉，水体的垂直输运减弱［17］。

图2 水平横向流中气泡羽流分离现象示意图Fig.2 The schematic diagram of bubble plume separation phenomenon in crossflow

采用气泡幕实现生物的行为驱导，主要利用水体中有机体与气泡幕中气泡的碰撞、黏附作用，实现有机体与水流的分离。如生物体随流运动至气泡幕附近时，受上升气泡流的影响，生物体表面极易附着气泡，气泡表面的张力影响了生物体在水体中的受力平衡，附着气泡增加了生物体的浮力，生物体被动参与水体的垂向对流，被夹带至水体上层，一旦生物体随气泡流运动至水体表面，上升气泡流造成的水体表层流便可将生物体从气泡流中分离［18］出去。

2 气泡幕海域试验研究

国内外学者围绕影响气泡幕运行效果的关键参数开展了大量的室内试验研究［19,20］。而在海域中开展气泡幕试验，对将其应用于滨海核电工程海域更具指导和参考意义。因此，本文重点对气泡幕在海域环境中的试验研究进行调研。

2.1 英国波弗特海气泡幕海域试验研究

Topham 等［21］于1975 年在英国波弗特海开展了气泡幕试验，属于较早开展气泡幕海域试验的研究。试验分别在水下60 m和23 m注入不同空气量（水下60 m 时注入的空气量分别为11 m3·min-1、22 m3·min-1、26.6 m3·min-1；水下23 m 时注入的空气量分别为3.6 m3·min-1、29.3 m3·min-1、40 m3·min-1），喷气管直径分别为0.46 cm、2.2 cm、7.6 cm、14.7 cm，观察了不同水深和空气量条件下，海域中气泡幕的形成过程，并测量了气泡羽流流速。试验提出了浅层和深层气泡幕的形成区别及气泡羽流中心线流速分布特征，为气泡幕理论研究的进一步深入提供了试验依据。

2.2 挪威气泡幕海域试验研究

McClimans 等［22］于2009 年在挪威Arnafjord峡湾开展了气泡幕海域试验，试验装置采用3根100 m的注气穿孔钢管，平行悬挂在40 m深的海水中，每根钢管的表面设有300 个直径2.5 mm的出气孔，利用空气压缩机压缩空气注入水下40 m。试验结果表明，气泡幕带动的上升流流量能够达到注入气体流量的88 倍。同时，试验中测量了气泡幕分布范围内不同监测点的水温、盐度、营养盐及浮游植物生物量的变化，测定结果表明，该种气泡幕的布置形式改善了峡湾内10 m 深度以内的水生态环境，通过试验初步论证了气泡幕技术的优点。

2.3 台湾大学气泡幕海域试验研究

Liang 等［23］在1999 年提出气举式气泡幕上升流技术的机理，并通过2005 年的海域试验验证了该技术的可行性。试验原理：将空气注入涌升管的喷头，管内喷头以上部分的海水在气泡浮升的带动下向上涌升，喷头以下部分的海水则会向上流动进行补充。试验结果表明：采用涌升管形成气泡幕所造成的上升流流量相对较大，是采用水泵抽吸等方法的几十倍，本研究为研发气举式气泡幕技术提供了试验依据。

2.4 浙江大学气泡幕海域试验研究

浙江大学研究团队在Liang 等研究的基础上，于2010 年提出了浅层注气式气泡幕技术，并在山东青岛鳌山湾海域开展了试验［16］。试验范围约70 m×120 m，试验装置由海上太阳能光伏供电系统、注气系统及其他辅助系统组成，其中注气水深约10 m，注气喷头孔径约1 mm，孔间隔10 cm，最大日注气量约400 m3。

试验期间观察到海面试验区持续出现明显气泡群，水体扰动明显。试验结果表明：气泡幕注气系统以单路气管式效果较好，气泡幕布设时需充分考虑应用海域的水文、底质情况，并需根据应用海区的潮流特征制定高效的气泡幕运行策略。该试验过程及研究结论对气泡幕技术的工程应用具有指导意义。

2.5 美国南加州近海气泡幕海域试验研究

研究人员在美国南加州近海开展了海域原位气泡幕围控油污试验，现场情况如图3所示［11］。试验中将气泡幕（多孔橡胶浸渍软管2 根，长30 m，距离海面约0.3 m，距离围油栅约0.3 m）与围油栅（长60 m，两端固定于两条拖曳船尾部，如图3（b）所示）组合使用，研究气泡流的分布及其对海面油污的围控效果。试验结果表明：气泡幕对海面油污的整体围控效果较好，但在海面漩涡区（图3（b）白箭头处）出现了油污围控失效的现象；试验发现海流、波浪及固定围油栅船只的拖曳速度对气泡幕围控油污的效果均有一定影响，当船只拖曳速度接近气泡流在水体表面形成的水平临界流速时，该技术对油污的围控效果较好。

相关理论研究认为，气泡幕技术只适合在静止水体中使用，但本试验的成功证实了气泡幕技术在非静止水体中应用的可行性，并识别了影响气泡幕运行效果的关键因素。

图3 美国南加州气泡幕海域试验现场情况Fig.3 The experiment conditions of ABC in seas of southern California,USA

3 气泡幕技术在核电厂取水防控中的应用

3.1 我国某核电厂气泡幕应用

我国某核电厂于2018 年开展气泡幕研究，这是我国首个采用气泡幕降低水母对取水影响的核电厂。该核电厂气泡幕的制作方法已获国家专利［24］。气泡幕装置包括空压机、喷气管（两道喷气管，设若干喷气孔）及供气联箱等（见图4），其中，两道喷气管上的喷气孔孔径为0.5～3 mm，间隔为200～300 mm。

应用效果表明：气泡幕运行后，布设区域海面持续出现明显波动，水母受气泡影响，气泡囊被充气后呈球状，无法闭合，上浮至水面时已基本丧失生命体征，打捞人员可快速完成清理，从而减少水母对取水的影响；同时，气泡幕运行对鱼、虾也有一定的驱离作用。

图4 我国某核电厂气泡幕布设方案Fig.4 The design scheme of ABC device of a nuclear power plant in China

3.2 美国Diablo Canyon核电厂气泡幕应用

美国Diablo Canyon 核电厂（见图5）为防止海洋生物进入取水系统，在风暴季节通常将两台机组降低80%负荷运行。2008 年10 月，2 号机组因水母入侵导致停运2 d。核电厂为阻止水母等海洋生物对取水的影响，在取水明渠西防波堤至礁石区附近（图5中4号点）的海底安装了气泡幕，该装置为两排共4条平行管线，管道长约167.64 m，各排管道上分布着3种不同孔径（5.7 cm、3.8 cm、1.9 cm）的喷气孔。气泡幕每次运行约30 d，之后核电厂会将气泡幕装置从海底取出，清理附着的藻类等［18］。

图5 美国Diablo Canyon核电厂取水布置图Fig.5 The water intake layout of Diablo Canyon Nuclear Power Plant in USA

Diablo Canyon 核电厂在2012 年樽海鞘暴发时首次采用了气泡幕，运行中观察到小气泡易附着于樽海鞘桶状体底部，大气泡形成上升气泡流，促使生物体上升至水体表面，并将其从主流中分离，随表层环流运移离开取水关键区域，气泡幕的整体运行效果较好［18］。

3.3 英国Heysham核电厂气泡幕应用

英国Heysham核电厂位于英格兰西北部兰开夏郡莫克姆Heysham 港附近，该核电厂包括Heysham 1 厂和Heysham 2 厂。20 世纪90 年代，Heysham 1 厂和Heysham 2 厂均安装了气泡幕装置并延用至2014 年（2014 年Heysham 1 厂关闭）。气泡幕设置初始目的是为降低核电取水卷吸造成的生物量损失。气泡幕运行后的监测结果表明：鱼类生物的卷吸损失量比原来减少了1∕3，无脊椎海洋生物（如水母、虾等）的卷吸量减少了约2∕3，气泡幕对降低无脊椎海洋生物卷吸量的效果更显著［25］。

3.4 日本核电厂气泡幕应用

日本柏崎刈羽核电厂（以下简称“柏崎核电厂”）位于新泻县柏崎市刈羽村，共有7台机组，是世界上发电能力最大的核电厂（因福岛事件，已关闭）。1999年以来，柏崎核电厂连续发生多起水母堵塞取水口的事件。该核电厂采用气泡幕和自动滤网相结合的技术应对水母入侵，装置示意如图6所示［26］。

图6 日本柏崎核电厂气泡幕装置示意图Fig.6 The schematic diagram of ABC of Kashiwazaki Nuclear Power Plant in Japan

3.5 韩国核电厂气泡幕应用

韩国Uljin、Ulchin 核电厂受海洋生物（主要为水母、磷虾、樽海鞘等）入侵影响，取水安全受到威胁。图7为核电厂将气泡幕与高速旋转滤网配合使用的示意图。其工作原理为：利用气泡幕产生的上升气泡羽流，将水母等海洋生物顶托至水体中上层，通过高速旋转滤网带动水母随流运动，最终将水母导流并收集至特定贮存槽内，水母经过数天自然分解后基本可完全消失［27］。

图7 韩国某核电厂气泡幕示意图Fig.7 The schematic diagram of ABC in a Korean nuclear power plant

4 讨论与建议

气泡幕对海洋生物具有一定的行为驱导效应，其对不同生物的作用原理有一定差异：对水母等浮游生物，主要利用气泡幕中气泡与生物体间的碰撞和黏附作用使生物体所受浮力发生变化，从而促使生物体被动上升，并在上浮过程中受气泡羽流影响而逐渐与主流分离；对鱼类等游泳生物，主要利用气泡幕运行时产生的连续气泡帷幕及气泡上升过程中产生的低频振动等对生物的视觉、听觉、触觉及其他感受器官进行刺激，使生物游动受到限制，运动状态发生改变，从而主动离开气泡幕影响区域［10］。但长期使用气泡幕，鱼类会对其产生一定的适应性［28］，从而降低气泡幕的拦截率，因此，现阶段主要将气泡幕技术与声、光、电等技术组合使用［29］，如将声、光和气泡幕组合使用对银鲤的拦截率可达97%；对于浮游藻类（赤潮）、油污或其他漂浮物（秸秆、生活垃圾等），主要利用气泡幕上升到水体表面形成的表面流控制其扩散，形成可对抗一定海流的气动屏障，实现对海洋生物或漂浮物运移的围控［12］。

气泡幕在设计、运行和维护方面具有其特殊性。设计中应根据拟解决问题的不同进行气泡幕装置布设的选址，如美国Diablo Canyon 核电厂为减少水母堵塞取水，将气泡幕设置在受外海波浪影响较小的取水港池内部；英国Heysham核电厂为驱赶鱼群，将气泡幕设置在取水口门外缘。根据气泡幕应对问题的不同，其相应的选址不同，辅助设施的配置要求也不同，如将气泡幕设置在外海时，需考虑装置供电系统、抗风浪能力等；将气泡幕设置在取水前池时，需考虑装置适应水位变化的能力及效果等。因此，气泡幕的设计是涵盖注气管及喷头设定（管材、形式、孔距、孔径及分布密度等）、注气系统布设（单位长度通气管上的孔数、孔距、气孔的孔径及压缩空气压力等，气泵选型、配置、散热及其他辅助管路设计等）、供能系统及清理打捞等收集装置的复杂系统。需综合考虑应用目的、取水海域环境、海洋生物特点及运行效果等。

气泡幕的运行效果易受环境影响，如海流较急、潮汐和风影响显著时，气泡上升过程中在水流作用下易沿海流方向飘散，流速越大飘散程度越大，潮汐及风浪都会影响气泡幕在水体表层形成的水平流动的效果。由于气泡幕的应用环境及其对不同海洋生物的效应不同，因此，运行策略的制订尤为重要［16］。气泡幕运行需结合海域环境特征及关键海洋生物行为、暴发特点等制定注气量、运行时间节点及持续时长等合理高效的运行策略。

气泡幕的维护成本相对较高，由于气泡幕注气系统通常布设于海底，喷气孔易落淤，为防止气管、喷气孔堵塞影响正常运行，需进行清理维护。核电厂通常将气泡幕系统整体移出水面进行附着海洋生物及注气管道内堵塞物的清理，并更换、加固注气系统或锚固装置等。

5 结论

近年来，国内外学者在气泡幕的理论、试验及应用研究方面均取得了一定的成果。调研结果表明：气泡幕以气泡羽流动力学和生物行为学为理论基础，在滨海核电厂取水防控中已有一定的应用。该技术在降低水母、藻类等浮游生物及鱼类等游泳生物对电厂取水影响方面具有积极作用，对保障核电厂取水安全、降低海洋生物资源损耗等具有重要作用，但与日常的拦污工程（如拦污网等）相比，气泡幕技术的运行与维护成本相对较高，且气泡幕对海洋生物的防控效果会受海域水文、气象等多因素影响，利用海域环境特点制订合理的气泡幕运行策略是该技术应用的难点和关键点。目前，各国核电厂的气泡幕装置具有“一厂一策”的特点，在空气压力、喷气孔孔径、孔距及孔数等关键参数设定及运行策略等方面各不相同，对海洋生物的阻拦、驱离效果也不同。因此，气泡幕的设计、运行及其对海洋生物的行为驱导效果等还需进一步的研究。

核电厂发生的取水堵塞事件已严重影响了电厂的安全运行［1］，且取水造成的生物卷吸也已成为核电生态友好运行的重点问题。为贯彻我国生态文明建设要求，我国生态环境部于2019年8月发布了《核动力厂取排水环境影响评价指南》（HJ 2037—2019），对控制核电厂取水环境影响及保护海洋生物资源等提出了更严格的要求。气泡幕与化学驱赶和消杀技术相比，具有对水体水质、海洋生物及生态环境的总体负面影响较小［12］的优点，且其在加速核电厂温排水热掺混、海域除冰、除油污［11］、减少泥沙淤积［12］等方面都有相关的应用。根据气泡幕技术的特点，将气泡幕与其他技术（如声波驱动、光照驱离、电流驱离、生物驱离涂料及拦污工程等）相结合，构建高效的生态友好型取水综合防控技术体系，可以更有效地保障滨海核电厂的取水安全，降低取水的生态影响。因此，研究气泡幕技术在核电厂取水防控中的应用符合我国核电厂安全生态运行的要求，具有重要的实践意义和应用前景。