來源： 核安全 發布日期：2019-06-23
美國核電廠取用水量及水資源條件的研究
上官志洪
1，黃彥君1,∗，姜 秋2 ， 覃春麗1 ， 徐月平1(1. 蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004；水利部水資源管理中心，北京 100053)
摘要: 為對我國核電廠選址、水資源論證及用水指標提供參考，本文調研了美國核電廠的冷卻方式、取水量和相關水資源問題，分析了美國在核電廠取水等方面的法規標準要求。 美國核電廠水資源條件有較大的差別，近年來部分地區已開始逐步淘汰直流循環冷卻方式。分析了不同冷卻類型核電廠的取水水平，直流循環冷卻方式和自然通風冷卻方式的取水水平分別約為 4. 8×10-2m 3 ·s-1·MW-1和 1. 2×10-3m 3 ·s-1·MW-1。
關鍵詞: 美國；核電廠；取水水平；水資源條件
中圖分類號: X1 文章標志碼: A 文章編號: 1672-5360 (2018) 05-0071-09
隨著我國核電廠的不斷發展，核電廠對水資源的安全影響成為我國水行政管理部門和環保部門關注的焦點議題。 研究和論證核電廠取用水量，評估核電廠水資源保障及其運行對水資源的潛在影響，是我國核電廠選址論證中需要考慮的重要內容。調研和對比分析國外現有核電廠水資源條件和取用水量，無疑對我國核電廠特別是內陸核電廠的水資源論證及水資源約束條件的建立具有重要的參考意義。
根據國際原子能機構核反應堆信息系統(IAEA/ PRIS) 統計[1] ，截至 2015 年 7 月, 全世界共有438臺核電機組運行。 美國運行核電機組最多，達到99臺，分布于 61 個核電廠址，其中，內陸共有48個廠址 (未含 7 個河口廠址)。 美國核電機組一般設計壽命為 40 年。 根據核電廠延壽的需要，從1999年開始，美國核管會 (NRC) 陸續開展了核電廠許可證延續的環境影響評估[2] ，至2015年共有 55 座核電廠完成了許可證延續的環境影響評估，其中包括對其境內的所有核電廠進行了取用水及其水資源條件的評估。
本文根據美國核電廠許可證延續的環境影響評估報告中有關內容，研究分析美國核電廠取用水方面的法規要求，分析和總結美國核電廠取水水平及水資源條件，可為我國核電廠選址論證、水資源管理和環境管理及核電廠用水指標的建立等方面提供參考。
1 美國核電廠取水法規標準的要求
1．1 美國核電廠用水許可
美國水資源管理執行以州為主的水資源管理制度。 水資源屬州所有，沒有統一的水資源管理法規，管理上主要考慮各州的法規及州際協議。各個州之間的取水權的獲得有所差別。 對核電廠用水許可，每座核電廠獲得水權的途徑及取水量各不相同，并且需要考慮所在州或區域用水規劃及容量。 核電廠用水許可可以是所在州的水資源管理部門、流域管理機構等；此外，田納西流域一些水體屬于美國陸軍工程兵團所有，這些水體的用水需要向其申請[3] 。 還有一些核電廠所在的湖泊已為電廠業主所擁有，電廠取水不再需要取得許可證。 例如，杜克能源集團公司根據聯邦能源委員會頒發的許可證，擁有 Catawba-Wateree 水利工程項目的11個水庫，而麥奎爾核電廠和卡托巴核電廠分別從其中的諾曼湖和懷利湖取水。
以南德克薩斯核電廠為例描述美國核電廠用水的具體情況[2] 。 該核電廠從科羅拉多河下
游取水和排水，河流流量為2.34×10 9 m3·a-1(或74.1 m3·s-1)。 由于科羅拉多河流域用水已被大量占用，未來流域內的用水戶只能通過購買或租用水權的方式獲得地表水。 德克薩斯州水開發董事會 (TWDB) 對 Texas 州共設 16 個區域計劃用水區，并將其編入州的用水規劃。 核電廠于 1986 年獲得優先取水權，根據與科羅拉多河流域局取得許可，核電廠允許取水量為1.26×108m3·a-1，最大取水量126 m 3· s-1，然而，在科羅拉多河不8.5 m 3· s-1的低流量時，核電廠限定取水量不超過河水流量55%。 在2006—2010年間，核電廠從科羅拉多河下游取水量平均為5.79×107 m 3·a-1，相當于2.5%的年平均流量(2.3×109m3·a-1或74.1 m 3·s-1)。
1．2 美國核電廠取水與用水控制指標
美國核安全導則 《核電廠廠址適宜性一般準則 (RG4.7) 》 給出了水資源可用性的要求[4] 。導則指出，核電廠需要有可靠的水源以用于蒸汽冷凝、服務用水、應急堆芯冷卻及其他用途。 導則要求，核電廠供水必須充分，以用于電廠運行和正常停堆時的冷卻以及最終熱阱及防火要求；水的消耗需要評估所在區域現有及未來的水的狀況，以保證在干旱季節對核電廠運行及其他用水戶都能提供充足的水 (即需要考慮核電廠需求與用水戶的沖突)。 導則要求，核電廠選址必須咨詢管理機構以避免潛在的沖突，如有法規要求，核電廠在申請建設和運行許可時必須取得與所在州以及區域規劃和政策相容的取水或耗水的權力。 低流量和低水位時提供基本的水是廠址確認時需要重點考慮的方面。
美國對核電廠取水強調通過論證獲得取水許可，需要重點考慮的指標包括低流量或低水位的頻率與持續時間。這一要求可用于評估核電廠用水與其他用水戶的潛在沖突，從而需要全面評估核電廠所在區域的用水情況，并確認核電廠用水滿足規劃區域用水要求。 按照美國聯邦法規 《國內許可與相關管理職能環境保護規定 (10CFR51) 》[5] ，申請者的環境報告應描述申請項目及受其影響的環境，第 53 條給出了延壽核電廠環境影響報告書的要求。 在10CFR51. 53(c)(3)(ii)中明確：環境影響報告書必須包括與計劃行動有關的環境影響分析，包括任何與執照更新有關的以及延壽運行時的影響評估。 需要分析的內容包括： (1) 如果核電廠執照申請者采用冷卻塔或冷卻池，而且從流量小于2822m3·s-1的小河中抽取補給水，則必須評價核電廠運行對于河流流量及其河道和河岸生態群落的影響，同時，還必須評價核電廠運行在河流低流量期間取水對沖積含水層的影響。(2) 如果申請的電廠采用直流循環冷卻或冷卻池冷卻系統，還應滿足40CFR 125 316(b)以及316(a)的要求。
40CFR 125 是美國執行國家污染物削減系統的準則和標準[6] 。 該法規提出了流出物排放限值的準則和標準，主要涉及排放余熱對水生生態的影響。 法規規定核電廠正常運行時向水中排放的余熱及其他污染物不會造成對水域內貝類、魚類和其他野生動物的影響。 40CFR125規定了取水量大于1015m3· d-1(3.79萬m3· d-1)時必須采用閉式循環冷卻系統，其他要求包括：(1) 每個取水結構最大設計取水速度為0.15 m·s-1；(2) 從河流或溪流取水，取水量不得超過河流年平均流量的5%；(3) 從湖庫取水，總取水量不得影響其熱分層或流通狀況,除非這種影響被確定為有利于魚類和漁業管理；(4) 從河口取水，總量不得超過一次潮周低潮平均流量的 1%。
美國沒有法規規定核電廠具體可分配的取水總量要求。 但是需要在核電廠的環境影響報告書中給出有關水資源配置情況。 以利默里克核電廠為例[2]，核電廠取水獲得戴拉維河流域委員會的許可，許可用水流量1.84m 3·s-1，占該河平均流量 (54. 8 m 3·s-1) 的3.4%。 為了限制斯古吉爾 (Schuylkill) 河流量較低期間下游取水對整個流域的影響, 委員會要求核電廠在河流量降至15.9 m 3· s-1時增加用水來源,包括從委員會許可的其他水源調用補給水或增大斯古吉爾河流量。
2 美國核電廠水資源條件
2．1 沿海廠址水資源條件
美國共有6座沿海廠址 (包括南德克薩斯核電廠)。 除南德克薩斯核電廠外，其他核電廠冷卻水源都來自海水，而淡水水源主要來自當地市政供水或自身設計的地下水井。
2．2 河口廠址水資源條件
美國共有7座核電廠河口廠址，其冷卻水源特征是受潮汐影響明顯。 其中，河口核電廠冷卻水源都來自河水。 其他淡水水源主要來自地下水井，也有采用個別核電廠采用市政供水
系統提供的水源。
2．3 五大湖區核電廠水資源條件
美國共有9座核電廠共12臺機組位于五大湖區。 由于五大湖區面積較大，受納水體稀釋擴散條件優越。這些核電廠主要用水水源都來自所在湖泊，包括冷卻水、輔助給水等。 另外，飲用水、生活用水等一般從當地市政供水廠購買，這些市政供水廠水源一般都采用所在湖泊的水。
2．4 濱湖核電廠水資源條件
由于美國不少核電廠受納水體為河汊型水庫，或攔河筑壩建成水庫，不能嚴格區分為濱湖或濱河核電廠，此處以NUREG 1437號報告所描述的受納水體名稱進行區分[2] 。 例如桃花谷核電廠受納水體為薩斯奎哈納河，但在廠址河段筑壩形成了康諾文戈(Conowingo)池作為核電廠的水源和受納水體，此處作為濱湖核電廠進行統計。
圖1給出了美國18個濱湖核電廠冷卻水源水資源條件，包括十年一遇七日低流 量(7Q10) 或最小下泄流量、多年平均下泄流量、平均水深、庫容等。 可以看到，在美國濱湖核電廠中，大多數受納水體的庫容較大(1億m 3以上)，但也有庫容較小的情況 (例如，羅濱遜核電廠所在的羅濱遜湖的庫容僅3800萬 m3 )或者湖泊的來水流量或下泄流量很小的情況(例如，狼 溪核電廠所在科菲縣湖(CoffeyCounty Lake)的天然徑流量僅0.51 m3·s-1，需要從附近河流調水)。 美國有相當一部分內陸核電廠都是采用市政水廠或自建地下水水井作為飲用水、生活用水、衛生用水等水源，而部分市政水廠的水源為地下水，少部分核電廠受納水體作為市政用水來源。
美國濱河核電廠既有位于大江大河沿岸的，也有位于水體條件較差的河流沿岸的。 其水源多年平均流量統計分布如圖2所示。 在美國 21座濱河核電廠中，有10座核電廠受納水體多年平均流量在1000m3·s-1以上，其中最大年平均流量為18779.7m3·s-1(沃特福德核電廠,密西西比河下游，2010 年)。 另外的10座濱河核電廠中，除1座核電廠 (三里島核電廠，所在薩斯奎哈納河多年平均流量為975m3·s-1) 外，受納水體的年平均流量均小于500 m3· s-1， 其中最小的年平均流量為56.51m3·s-1(利默里克核電廠，斯古吉爾河，1979~2009 年)。 核電廠的其他淡水水源一般采用地下水或市政供水。
美國一些河流上還有多座核電廠的情況。例如薩斯奎哈納河，該河全長710km，沿岸有3座核電廠；伊利諾斯河上作為密西西比河的支流，沿岸有4座核電廠。
美國派洛福德核電廠采用3臺1346 MW的壓水堆核電機組，亞利桑那是美國現在總容量最大的核電廠。 核電廠位于州西南部，地區為沙漠型干旱氣候，所在地區多年平均的年降水量僅193 mm。派洛福德核電廠位于鳳凰城以西，離該城區最近的邊界約42 km。 電廠的每個機組有3個機械通風冷卻塔，沒有從任何自然地表水體抽取冷卻水的補給水，而是向鳳凰城地區的廢水處理廠購買廢水流出物 (即經污水處理后的中水)，用作電廠的冷卻水和安全相關補給水，平均每年的購買水量為6450萬m3·a-1。此外，核電廠還被亞利桑那州水資源部批準取用地下水，最大用量為640萬m3·a-1。
為保證核電廠淡水用水，核電廠設計了兩個貯水水庫，貯水量分別為2980萬m3 和 1410萬m3。 電廠將冷卻水排入位于廠內的3個帶內襯的人工蒸發池。1號蒸發池是帶雙襯里的蒸發池，面積 101 hm 2 ，深度為6~10m，最高水位下的容量為678萬m 3。2 號蒸發池也是帶雙襯里的蒸發池，面積為89 hm 2，深度為7.3~11 m，最高水位下的容量為728萬m3。3 號蒸發池是帶3層襯里的蒸發池，總表面積為75hm2 ，最大深度約為23m，最高水位下的設計容量為807萬m3 。
以派洛福德核電廠為借鑒，在工程措施的保障下，在水資源缺乏的地區，水資源的制約困難是可以得到克服的。
3 美國核電廠冷卻方式及取水水平
3．1 循環冷卻方式
美國核電廠循環冷卻方式分布情況見表 1。美國核電廠在水資源豐富的地區多采用直流循環冷卻方式 (包括沿海廠址、河口廠址以及五大湖區的廠址)，而在水資源條件匱乏的地區(主要包括濱河廠址和若干濱湖廠址)，特別是對濱河核電廠，其冷卻方式一般為自然通風冷卻方式。 美國所有核電廠中，有6座核電廠共11 臺機組采用了聯合冷卻方式。 一般情況下，聯合冷卻方式采用直流循環冷卻方式輔以自然通風或機械通風方式，根據受納水體承受條件適時調整相應的冷卻方式。派洛福德核電廠無任何自然水源和受納水體，該核電廠采用機械通風冷卻方式。
目前核電廠的發電效率一般在30% ~35%之間，剩余65%以上的熱能需要通過循環冷卻系統釋放到外部環境中，包括兩種途徑，即直流循環冷卻和二次循環冷卻。 對直流循環冷卻方式，一般一臺百萬千瓦機組的直流循環冷卻水設計用水量為60~70m3·s-1， 電廠排水溫度較取水溫度高7~8℃，年用水量在15億m 3 左右，主要適于采用海水冷卻的沿海地區；對使用冷卻塔的方式，將熱量排入大氣，從而大幅度減少水環境的熱污染。不同于直流循環冷卻方式，采用冷卻塔進行空氣冷卻可能造成一定的耗水量，包括蒸發損失、風吹損失和排污損失[7]。
調研分析了美國所有在運的61座核電廠冷卻水流量。 將相應數據按電廠設計功率歸一化，其統計分布如圖3所示。可以看到，美國核電廠的歸一化冷卻水流量范圍為7.82×10-3~8. 858×10-2m 3·s-1·MW-1，平均值為3.7×10 -2m 3·s-1·MW-1。對沿海廠址，卡爾弗特崖核電廠歸一化冷卻水流量最大，達到8.858×10-2m 3·s-1·MW-1，每臺機組冷卻水流量達76 m 3· s-1，該核電廠采用直流循環冷卻方式，從切薩皮克灣取水。 核電廠歸一化冷卻水流量的差異與核電廠機組類型和設計、冷卻方式和設計、運行工況和效率、地理特征和環境等因素有關。
核電廠的機組類型及采用的冷卻方式對分析冷卻水流量具有一定的意義。美國61座核電廠中，有27座核電廠為壓水堆，其中8座核電廠采用自然通風冷卻塔，18座采用直流循環冷卻方式，1座核電廠各有1臺機組采用這兩種冷卻方式。 美國壓水堆核電廠的冷卻水流量分布情況如圖4所示。 可以看到，美國采用自然通風冷卻塔的壓水堆核電廠的冷卻水流量平均為3.0×10-2m 3·s-1·MW-1，而采用直流循環冷卻方式的壓水堆核電廠冷卻水流量水平為4.7×10-2m 3·s-1·MW-1。 整體上采用直流循環冷卻方式較采用冷卻塔冷卻方式的冷卻水取水量大，二者相差近 60%。
3．3 冷卻方式的影響因素
冷卻方式是影響核電廠冷卻水取水量的重要因素。 分析各直流循環冷卻壓水堆核電廠冷卻水流量水平與冷凝器溫差的關系，如圖5所示。 美國采用直流循環冷卻的壓水堆核電廠的冷凝器溫差范圍為6.7~21℃，溫差最小的核電廠為卡爾弗特崖核電廠，該核電廠為沿海核電廠，受納水體為切薩皮克灣，海洋溫度范圍為1~31 ℃；溫差最大的核電廠為西布魯克核電廠，達到21℃，受納水體的大西洋，海水溫度范圍3~13℃。事實上，美國有不少核電廠受納水體為廠內自有的水庫或湖泊，此時環境水體對溫升的要求較為寬松，往往使得在設計上選用溫差較大的冷凝器。 例如維吉爾夏核電廠。 該核電廠的受納水體為蒙特塞洛核電水庫， 而該水庫為核電廠的自有水庫，核電廠取水和排水均為該水庫，因溫排水導致該水庫的蒸發損失約為0.6 m 3·s-1，根據美國國家污染物消減系統的許可，排入蒙特塞洛水庫庫灣的最大溫度達到45℃，而在取水口的最大水溫達到 32.2℃，冷凝器溫差設計達14℃。環境水體溫升要求越高，冷凝器溫差設計越小，對冷卻水流量的要求可能越高。如北安娜核電廠，該核電廠受納水體為安娜湖。 安娜湖適合魚類和野生生物繁衍，湖中有各種娛樂和捕魚活動。核電廠冷凝器溫差為8.1℃，歸一化單位發電取水量為6.4×10-2m 3·s-1MW-1。
3．4 淡水取水水平
為分析美國核電廠地表水取水水平，并為我國核電廠的地表水用水提供參考，統計分析了美國壓水堆核電廠不同冷卻方式的地表水的取水情況。 本文未考慮采用聯合冷卻方式的核電廠以及采用海水作為冷卻水的核電廠。圖6給出了典型的自然通風冷卻方式和直流循環冷卻方式的壓水堆核電廠的取水量分布,其平均水平分別為1. 2×10-3m 3·s-1·MW-1和4.8×10-2m 3·s-1·MW-1，其中后者比其循環冷卻水流量水平略大(4.7×10-2m 3·s-1·MW-1)。可以看到，采用直流循環冷卻方式的壓水堆核電廠，其循環冷卻水占淡水取水的情況。 對一座百萬千瓦級的核電機組，采用冷卻塔的取水水平一般為數m3·s-1甚至更低，遠低于采用直流循環冷卻方式所需水量，約占其1/40。圖中同時示出了冷卻塔排污水占補給水的比例分布情況。注意到各核電廠冷卻水補水量的差別以及排污流量與取水流量的占比的差別，可能與機組采用的具體冷卻技術及管理要求有關。一般情況下，核電廠冷卻塔最大在排污流量占比不超過50%。注意到海貍谷核電廠，其取水流量平均為2.97 m 3· s-1，冷卻塔排污流量為1.1~2.7 m 3·s-1，與具體的管理要求有關，此處以2.7m3 ·s-1的最大排污流量進行統計。 核電廠正常運行時，取水主要是用于冷卻塔的冷卻,通過蒸發、漂滴耗失以及排污損耗，冷卻塔的補給水是平衡的。
4 關于冷卻方式的新要求
在美國核電廠的環境影響評價中，對直流循環冷卻方式需要考慮對水生生物可能產生卷吸和撞擊的影響。 近年來美國新申請的核電廠一般不再考慮直流循環冷卻方式，已采用直流循環冷卻方式的核電廠應逐步淘汰[8]。2010年美國加利弗尼亞州水資源管理董事會(SWRCB) 投票表決了 《濱海和河口電廠冷卻用水政策》[9] ，該政策提出對19個現有包括魔鬼谷、圣歐諾福核電廠在內的電廠 (此外還有火電廠) 至少應在2015年始逐步淘汰直流循環冷卻方式，并安裝閉式循環冷卻系統以減少對海洋生物的影響。至2022年，圣歐諾福核電廠應滿足新政策的要求，魔鬼谷核電廠應在2024年前完成新政策的改造要求。 美國紐約州環境保護部 (DEC) 亦于2010年發布政策草案[10]，要求其州內4座核電廠應將直流循環冷卻方式改為閉式循環冷卻方式，包括印第安角核電廠(2臺機組，均采用直流循環冷卻方式)、九哩岬核電廠(2臺機組，均采用直流循環冷卻方式)、吉娜核電廠(1臺機組，采用直流循環和自然通風聯合冷卻方式)、菲茨帕特里克核電廠(1臺機組，采用直流循環冷卻方式)。 DEC 聲明，采用閉式循環冷卻方式較直流循環冷卻方式對水生生物的影響可以減少90%。
5 經驗與啟示
本文根據美國核電廠延壽環境影響報告書中有關水資源的相關資料，分析調研了美國核電廠冷卻方式及用水水平以及這些核電廠的水資源條件，可為我國建立核電廠水資源論證導則提供參考借鑒。 有如下結論：(1)美國法規層面比較強調用水的許可。每座核電廠獲得水權的途徑及取水量各不相同，并且需要考慮所在州或區域用水規劃及容量。除冷卻水外，核電廠的淡水水源一般采用地下水或市政供水。這使得美國核電廠的水資源條件存在很大的差別，有的核電廠水資源條件非常好，但也有一些核電廠的水資源條件較差，一些核電廠的水源平均流量甚至不超過100m 3·s-1，還有一些濱湖核電廠受納水體下泄流量僅數 m 3·s-1，甚至還有沒有任何天然水源的核電廠的情況。(2) 美國核電廠根據各自的水資源條件，采用不同的冷卻方式。在水資源豐富的地區多采用直流循環冷卻方式，而在水資源條件匱乏的地區 (主要包括濱河廠址和若干濱湖廠址)，特別是對濱河核電廠，其冷卻方式一般為自然通風冷卻方式。 然而，近年來美國對水生生態保護比較重視，已開始逐步淘汰直流循環冷卻方式。(3) 美國核電廠中，直流循環冷卻方式的取水水平約為0.048 m 3·s-1·MW-1，其中主要為循環冷卻水(0.047m 3· s-1·MW-1)， 而采用自然通風冷卻方式的核電廠，其取水水平僅0.0012 m 3 ·s-1·MW-1，一般情況下，冷卻塔排污流量水平不超過補給水的50%。
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An Overview of Water Withdrawal Levels and WaterResource Conditions for NPP in the
Shangguan Zhihong，Huɑng Yanjun，Jiɑng Qiu，Qin Chunli，Xu Yueping
(1. Suzhou Nuclear Power Research Institute，CGN，Suzhou 215004, China；
2. Water Resources Management Centre of Ministry of Water Resource，Beijing 100053，China)
Abstract: In this paper, the cooling modes, the water withdrawal levels and the water resource conditions for nuclear power plant (NPP) in the
Keywords:
收稿日期：2018-07-09 修回日期：2018-09-22
基金項目：水利部水資源管理、 節約與保護業務項目，項目編號： 20151905
作者簡介：上官志洪 (1965—)，男, 江蘇蘇州人，碩士，教授級高工，現主要從事核電廠環境影響評價研究工作
通訊作者： 黃彥君，E-mail： hyj1231@163. com
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