来源：核安全 发布日期：2019-06-23
美国核电厂取用水量及水资源条件的研究
上官志洪
1，黄彦君1,∗，姜 秋2 ， 覃春丽1 ， 徐月平1(1. 苏州热工研究院有限公司，苏州 215004；水利部水资源管理中心，北京 100053)
摘要: 为对我国核电厂选址、水资源论证及用水指标提供参考，本文调研了美国核电厂的冷却方式、取水量和相关水资源问题，分析了美国在核电厂取水等方面的法规标准要求。 美国核电厂水资源条件有较大的差别，近年来部分地区已开始逐步淘汰直流循环冷却方式。分析了不同冷却类型核电厂的取水水平，直流循环冷却方式和自然通风冷却方式的取水水平分别约为 4. 8×10-2m 3 ·s-1·MW-1和 1. 2×10-3m 3 ·s-1·MW-1。
关键词: 美国；核电厂；取水水平；水资源条件
中图分类号: X1 文章标志码: A 文章编号: 1672-5360 (2018) 05-0071-09
随着我国核电厂的不断发展，核电厂对水资源的安全影响成为我国水行政管理部门和环保部门关注的焦点议题。 研究和论证核电厂取用水量，评估核电厂水资源保障及其运行对水资源的潜在影响，是我国核电厂选址论证中需要考虑的重要内容。调研和对比分析国外现有核电厂水资源条件和取用水量，无疑对我国核电厂特别是内陆核电厂的水资源论证及水资源约束条件的建立具有重要的参考意义。
根据国际原子能机构核反应堆信息系统(IAEA/ PRIS) 统计[1] ，截至 2015 年 7 月, 全世界共有438台核电机组运行。 美国运行核电机组最多，达到99台，分布于 61 个核电厂址，其中，内陆共有48个厂址 (未含 7 个河口厂址)。 美国核电机组一般设计寿命为 40 年。 根据核电厂延寿的需要，从1999年开始，美国核管会 (NRC) 陆续开展了核电厂许可证延续的环境影响评估[2] ，至2015年共有 55 座核电厂完成了许可证延续的环境影响评估，其中包括对其境内的所有核电厂进行了取用水及其水资源条件的评估。
本文根据美国核电厂许可证延续的环境影响评估报告中有关内容，研究分析美国核电厂取用水方面的法规要求，分析和总结美国核电厂取水水平及水资源条件，可为我国核电厂选址论证、水资源管理和环境管理及核电厂用水指标的建立等方面提供参考。
1 美国核电厂取水法规标准的要求
1．1 美国核电厂用水许可
美国水资源管理执行以州为主的水资源管理制度。 水资源属州所有，没有统一的水资源管理法规，管理上主要考虑各州的法规及州际协议。各个州之间的取水权的获得有所差别。 对核电厂用水许可，每座核电厂获得水权的途径及取水量各不相同，并且需要考虑所在州或区域用水规划及容量。 核电厂用水许可可以是所在州的水资源管理部门、流域管理机构等；此外，田纳西流域一些水体属于美国陆军工程兵团所有，这些水体的用水需要向其申请[3] 。 还有一些核电厂所在的湖泊已为电厂业主所拥有，电厂取水不再需要取得许可证。 例如，杜克能源集团公司根据联邦能源委员会颁发的许可证，拥有 Catawba-Wateree 水利工程项目的11个水库，而麦奎尔核电厂和卡托巴核电厂分别从其中的诺曼湖和怀利湖取水。
以南德克萨斯核电厂为例描述美国核电厂用水的具体情况[2] 。 该核电厂从科罗拉多河下
游取水和排水，河流流量为2.34×10 9 m3·a-1(或74.1 m3·s-1)。 由于科罗拉多河流域用水已被大量占用，未来流域内的用水户只能通过购买或租用水权的方式获得地表水。 德克萨斯州水开发董事会 (TWDB) 对 Texas 州共设 16 个区域计划用水区，并将其编入州的用水规划。 核电厂于 1986 年获得优先取水权，根据与科罗拉多河流域局取得许可，核电厂允许取水量为1.26×108m3·a-1，最大取水量126 m 3· s-1，然而，在科罗拉多河不8.5 m 3· s-1的低流量时，核电厂限定取水量不超过河水流量55%。 在2006—2010年间，核电厂从科罗拉多河下游取水量平均为5.79×107 m 3·a-1，相当于2.5%的年平均流量(2.3×109m3·a-1或74.1 m 3·s-1)。
1．2 美国核电厂取水与用水控制指标
美国核安全导则 《核电厂厂址适宜性一般准则 (RG4.7) 》 给出了水资源可用性的要求[4] 。导则指出，核电厂需要有可靠的水源以用于蒸汽冷凝、服务用水、应急堆芯冷却及其他用途。 导则要求，核电厂供水必须充分，以用于电厂运行和正常停堆时的冷却以及最终热阱及防火要求；水的消耗需要评估所在区域现有及未来的水的状况，以保证在干旱季节对核电厂运行及其他用水户都能提供充足的水 (即需要考虑核电厂需求与用水户的冲突)。 导则要求，核电厂选址必须咨询管理机构以避免潜在的冲突，如有法规要求，核电厂在申请建设和运行许可时必须取得与所在州以及区域规划和政策相容的取水或耗水的权力。 低流量和低水位时提供基本的水是厂址确认时需要重点考虑的方面。
美国对核电厂取水强调通过论证获得取水许可，需要重点考虑的指标包括低流量或低水位的频率与持续时间。这一要求可用于评估核电厂用水与其他用水户的潜在冲突，从而需要全面评估核电厂所在区域的用水情况，并确认核电厂用水满足规划区域用水要求。 按照美国联邦法规 《国内许可与相关管理职能环境保护规定 (10CFR51) 》[5] ，申请者的环境报告应描述申请项目及受其影响的环境，第 53 条给出了延寿核电厂环境影响报告书的要求。 在10CFR51. 53(c)(3)(ii)中明确：环境影响报告书必须包括与计划行动有关的环境影响分析，包括任何与执照更新有关的以及延寿运行时的影响评估。 需要分析的内容包括： (1) 如果核电厂执照申请者采用冷却塔或冷却池，而且从流量小于2822m3·s-1的小河中抽取补给水，则必须评价核电厂运行对于河流流量及其河道和河岸生态群落的影响，同时，还必须评价核电厂运行在河流低流量期间取水对冲积含水层的影响。(2) 如果申请的电厂采用直流循环冷却或冷却池冷却系统，还应满足40CFR 125 316(b)以及316(a)的要求。
40CFR 125 是美国执行国家污染物削减系统的准则和标准[6] 。 该法规提出了流出物排放限值的准则和标准，主要涉及排放余热对水生生态的影响。 法规规定核电厂正常运行时向水中排放的余热及其他污染物不会造成对水域内贝类、鱼类和其他野生动物的影响。 40CFR125规定了取水量大于1015m3· d-1(3.79万m3· d-1)时必须采用闭式循环冷却系统，其他要求包括：(1) 每个取水结构最大设计取水速度为0.15 m·s-1；(2) 从河流或溪流取水，取水量不得超过河流年平均流量的5%；(3) 从湖库取水，总取水量不得影响其热分层或流通状况,除非这种影响被确定为有利于鱼类和渔业管理；(4) 从河口取水，总量不得超过一次潮周低潮平均流量的 1%。
美国没有法规规定核电厂具体可分配的取水总量要求。 但是需要在核电厂的环境影响报告书中给出有关水资源配置情况。 以利默里克核电厂为例[2]，核电厂取水获得戴拉维河流域委员会的许可，许可用水流量1.84m 3·s-1，占该河平均流量 (54. 8 m 3·s-1) 的3.4%。 为了限制斯古吉尔 (Schuylkill) 河流量较低期间下游取水对整个流域的影响, 委员会要求核电厂在河流量降至15.9 m 3· s-1时增加用水来源,包括从委员会许可的其他水源调用补给水或增大斯古吉尔河流量。
2 美国核电厂水资源条件
2．1 沿海厂址水资源条件
美国共有6座沿海厂址 (包括南德克萨斯核电厂)。 除南德克萨斯核电厂外，其他核电厂冷却水源都来自海水，而淡水水源主要来自当地市政供水或自身设计的地下水井。
2．2 河口厂址水资源条件
美国共有7座核电厂河口厂址，其冷却水源特征是受潮汐影响明显。 其中，河口核电厂冷却水源都来自河水。 其他淡水水源主要来自地下水井，也有采用个别核电厂采用市政供水
系统提供的水源。
2．3 五大湖区核电厂水资源条件
美国共有9座核电厂共12台机组位于五大湖区。 由于五大湖区面积较大，受纳水体稀释扩散条件优越。这些核电厂主要用水水源都来自所在湖泊，包括冷却水、辅助给水等。 另外，饮用水、生活用水等一般从当地市政供水厂购买，这些市政供水厂水源一般都采用所在湖泊的水。
2．4 滨湖核电厂水资源条件
由于美国不少核电厂受纳水体为河汊型水库，或拦河筑坝建成水库，不能严格区分为滨湖或滨河核电厂，此处以NUREG 1437号报告所描述的受纳水体名称进行区分[2] 。 例如桃花谷核电厂受纳水体为萨斯奎哈纳河，但在厂址河段筑坝形成了康诺文戈(Conowingo)池作为核电厂的水源和受纳水体，此处作为滨湖核电厂进行统计。
图1给出了美国18个滨湖核电厂冷却水源水资源条件，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、库容等。 可以看到，在美国滨湖核电厂中，大多数受纳水体的库容较大(1亿m 3以上)，但也有库容较小的情况 (例如，罗滨逊核电厂所在的罗滨逊湖的库容仅3800万 m3 )或者湖泊的来水流量或下泄流量很小的情况(例如，狼 溪核电厂所在科菲县湖(CoffeyCounty Lake)的天然径流量仅0.51 m3·s-1，需要从附近河流调水)。 美国有相当一部分内陆核电厂都是采用市政水厂或自建地下水水井作为饮用水、生活用水、卫生用水等水源，而部分市政水厂的水源为地下水，少部分核电厂受纳水体作为市政用水来源。
美国滨河核电厂既有位于大江大河沿岸的，也有位于水体条件较差的河流沿岸的。 其水源多年平均流量统计分布如图2所示。 在美国 21座滨河核电厂中，有10座核电厂受纳水体多年平均流量在1000m3·s-1以上，其中最大年平均流量为18779.7m3·s-1(沃特福德核电厂,密西西比河下游，2010 年)。 另外的10座滨河核电厂中，除1座核电厂 (三里岛核电厂，所在萨斯奎哈纳河多年平均流量为975m3·s-1) 外，受纳水体的年平均流量均小于500 m3· s-1， 其中最小的年平均流量为56.51m3·s-1(利默里克核电厂，斯古吉尔河，1979~2009 年)。 核电厂的其他淡水水源一般采用地下水或市政供水。
美国一些河流上还有多座核电厂的情况。例如萨斯奎哈纳河，该河全长710km，沿岸有3座核电厂；伊利诺斯河上作为密西西比河的支流，沿岸有4座核电厂。
美国派洛福德核电厂采用3台1346 MW的压水堆核电机组，亚利桑那是美国现在总容量最大的核电厂。 核电厂位于州西南部，地区为沙漠型干旱气候，所在地区多年平均的年降水量仅193 mm。派洛福德核电厂位于凤凰城以西，离该城区最近的边界约42 km。 电厂的每个机组有3个机械通风冷却塔，没有从任何自然地表水体抽取冷却水的补给水，而是向凤凰城地区的废水处理厂购买废水流出物 (即经污水处理后的中水)，用作电厂的冷却水和安全相关补给水，平均每年的购买水量为6450万m3·a-1。此外，核电厂还被亚利桑那州水资源部批准取用地下水，最大用量为640万m3·a-1。
为保证核电厂淡水用水，核电厂设计了两个贮水水库，贮水量分别为2980万m3 和 1410万m3。 电厂将冷却水排入位于厂内的3个带内衬的人工蒸发池。1号蒸发池是带双衬里的蒸发池，面积 101 hm 2 ，深度为6~10m，最高水位下的容量为678万m 3。2 号蒸发池也是带双衬里的蒸发池，面积为89 hm 2，深度为7.3~11 m，最高水位下的容量为728万m3。3 号蒸发池是带3层衬里的蒸发池，总表面积为75hm2 ，最大深度约为23m，最高水位下的设计容量为807万m3 。
以派洛福德核电厂为借鉴，在工程措施的保障下，在水资源缺乏的地区，水资源的制约困难是可以得到克服的。
3 美国核电厂冷却方式及取水水平
3．1 循环冷却方式
美国核电厂循环冷却方式分布情况见表 1。美国核电厂在水资源丰富的地区多采用直流循环冷却方式 (包括沿海厂址、河口厂址以及五大湖区的厂址)，而在水资源条件匮乏的地区(主要包括滨河厂址和若干滨湖厂址)，特别是对滨河核电厂，其冷却方式一般为自然通风冷却方式。 美国所有核电厂中，有6座核电厂共11 台机组采用了联合冷却方式。 一般情况下，联合冷却方式采用直流循环冷却方式辅以自然通风或机械通风方式，根据受纳水体承受条件适时调整相应的冷却方式。派洛福德核电厂无任何自然水源和受纳水体，该核电厂采用机械通风冷却方式。
目前核电厂的发电效率一般在30% ~35%之间，剩余65%以上的热能需要通过循环冷却系统释放到外部环境中，包括两种途径，即直流循环冷却和二次循环冷却。 对直流循环冷却方式，一般一台百万千瓦机组的直流循环冷却水设计用水量为60~70m3·s-1， 电厂排水温度较取水温度高7~8℃，年用水量在15亿m 3 左右，主要适于采用海水冷却的沿海地区；对使用冷却塔的方式，将热量排入大气，从而大幅度减少水环境的热污染。不同于直流循环冷却方式，采用冷却塔进行空气冷却可能造成一定的耗水量，包括蒸发损失、风吹损失和排污损失[7]。
调研分析了美国所有在运的61座核电厂冷却水流量。 将相应数据按电厂设计功率归一化，其统计分布如图3所示。可以看到，美国核电厂的归一化冷却水流量范围为7.82×10-3~8. 858×10-2m 3·s-1·MW-1，平均值为3.7×10 -2m 3·s-1·MW-1。对沿海厂址，卡尔弗特崖核电厂归一化冷却水流量最大，达到8.858×10-2m 3·s-1·MW-1，每台机组冷却水流量达76 m 3· s-1，该核电厂采用直流循环冷却方式，从切萨皮克湾取水。 核电厂归一化冷却水流量的差异与核电厂机组类型和设计、冷却方式和设计、运行工况和效率、地理特征和环境等因素有关。
核电厂的机组类型及采用的冷却方式对分析冷却水流量具有一定的意义。美国61座核电厂中，有27座核电厂为压水堆，其中8座核电厂采用自然通风冷却塔，18座采用直流循环冷却方式，1座核电厂各有1台机组采用这两种冷却方式。 美国压水堆核电厂的冷却水流量分布情况如图4所示。 可以看到，美国采用自然通风冷却塔的压水堆核电厂的冷却水流量平均为3.0×10-2m 3·s-1·MW-1，而采用直流循环冷却方式的压水堆核电厂冷却水流量水平为4.7×10-2m 3·s-1·MW-1。 整体上采用直流循环冷却方式较采用冷却塔冷却方式的冷却水取水量大，二者相差近 60%。
3．3 冷却方式的影响因素
冷却方式是影响核电厂冷却水取水量的重要因素。 分析各直流循环冷却压水堆核电厂冷却水流量水平与冷凝器温差的关系，如图5所示。 美国采用直流循环冷却的压水堆核电厂的冷凝器温差范围为6.7~21℃，温差最小的核电厂为卡尔弗特崖核电厂，该核电厂为沿海核电厂，受纳水体为切萨皮克湾，海洋温度范围为1~31 ℃；温差最大的核电厂为西布鲁克核电厂，达到21℃，受纳水体的大西洋，海水温度范围3~13℃。事实上，美国有不少核电厂受纳水体为厂内自有的水库或湖泊，此时环境水体对温升的要求较为宽松，往往使得在设计上选用温差较大的冷凝器。 例如维吉尔夏核电厂。 该核电厂的受纳水体为蒙特塞洛核电水库， 而该水库为核电厂的自有水库，核电厂取水和排水均为该水库，因温排水导致该水库的蒸发损失约为0.6 m 3·s-1，根据美国国家污染物消减系统的许可，排入蒙特塞洛水库库湾的最大温度达到45℃，而在取水口的最大水温达到 32.2℃，冷凝器温差设计达14℃。环境水体温升要求越高，冷凝器温差设计越小，对冷却水流量的要求可能越高。如北安娜核电厂，该核电厂受纳水体为安娜湖。 安娜湖适合鱼类和野生生物繁衍，湖中有各种娱乐和捕鱼活动。核电厂冷凝器温差为8.1℃，归一化单位发电取水量为6.4×10-2m 3·s-1MW-1。
3．4 淡水取水水平
为分析美国核电厂地表水取水水平，并为我国核电厂的地表水用水提供参考，统计分析了美国压水堆核电厂不同冷却方式的地表水的取水情况。 本文未考虑采用联合冷却方式的核电厂以及采用海水作为冷却水的核电厂。图6给出了典型的自然通风冷却方式和直流循环冷却方式的压水堆核电厂的取水量分布,其平均水平分别为1. 2×10-3m 3·s-1·MW-1和4.8×10-2m 3·s-1·MW-1，其中后者比其循环冷却水流量水平略大(4.7×10-2m 3·s-1·MW-1)。可以看到，采用直流循环冷却方式的压水堆核电厂，其循环冷却水占淡水取水的情况。 对一座百万千瓦级的核电机组，采用冷却塔的取水水平一般为数m3·s-1甚至更低，远低于采用直流循环冷却方式所需水量，约占其1/40。图中同时示出了冷却塔排污水占补给水的比例分布情况。注意到各核电厂冷却水补水量的差别以及排污流量与取水流量的占比的差别，可能与机组采用的具体冷却技术及管理要求有关。一般情况下，核电厂冷却塔最大在排污流量占比不超过50%。注意到海狸谷核电厂，其取水流量平均为2.97 m 3· s-1，冷却塔排污流量为1.1~2.7 m 3·s-1，与具体的管理要求有关，此处以2.7m3 ·s-1的最大排污流量进行统计。 核电厂正常运行时，取水主要是用于冷却塔的冷却,通过蒸发、漂滴耗失以及排污损耗，冷却塔的补给水是平衡的。
4 关于冷却方式的新要求
在美国核电厂的环境影响评价中，对直流循环冷却方式需要考虑对水生生物可能产生卷吸和撞击的影响。 近年来美国新申请的核电厂一般不再考虑直流循环冷却方式，已采用直流循环冷却方式的核电厂应逐步淘汰[8]。2010年美国加利弗尼亚州水资源管理董事会(SWRCB) 投票表决了 《滨海和河口电厂冷却用水政策》[9] ，该政策提出对19个现有包括魔鬼谷、圣欧诺福核电厂在内的电厂 (此外还有火电厂) 至少应在2015年始逐步淘汰直流循环冷却方式，并安装闭式循环冷却系统以减少对海洋生物的影响。至2022年，圣欧诺福核电厂应满足新政策的要求，魔鬼谷核电厂应在2024年前完成新政策的改造要求。 美国纽约州环境保护部 (DEC) 亦于2010年发布政策草案[10]，要求其州内4座核电厂应将直流循环冷却方式改为闭式循环冷却方式，包括印第安角核电厂(2台机组，均采用直流循环冷却方式)、九哩岬核电厂(2台机组，均采用直流循环冷却方式)、吉娜核电厂(1台机组，采用直流循环和自然通风联合冷却方式)、菲茨帕特里克核电厂(1台机组，采用直流循环冷却方式)。 DEC 声明，采用闭式循环冷却方式较直流循环冷却方式对水生生物的影响可以减少90%。
5 经验与启示
本文根据美国核电厂延寿环境影响报告书中有关水资源的相关资料，分析调研了美国核电厂冷却方式及用水水平以及这些核电厂的水资源条件，可为我国建立核电厂水资源论证导则提供参考借鉴。 有如下结论：(1)美国法规层面比较强调用水的许可。每座核电厂获得水权的途径及取水量各不相同，并且需要考虑所在州或区域用水规划及容量。除冷却水外，核电厂的淡水水源一般采用地下水或市政供水。这使得美国核电厂的水资源条件存在很大的差别，有的核电厂水资源条件非常好，但也有一些核电厂的水资源条件较差，一些核电厂的水源平均流量甚至不超过100m 3·s-1，还有一些滨湖核电厂受纳水体下泄流量仅数 m 3·s-1，甚至还有没有任何天然水源的核电厂的情况。(2) 美国核电厂根据各自的水资源条件，采用不同的冷却方式。在水资源丰富的地区多采用直流循环冷却方式，而在水资源条件匮乏的地区 (主要包括滨河厂址和若干滨湖厂址)，特别是对滨河核电厂，其冷却方式一般为自然通风冷却方式。 然而，近年来美国对水生生态保护比较重视，已开始逐步淘汰直流循环冷却方式。(3) 美国核电厂中，直流循环冷却方式的取水水平约为0.048 m 3·s-1·MW-1，其中主要为循环冷却水(0.047m 3· s-1·MW-1)， 而采用自然通风冷却方式的核电厂，其取水水平仅0.0012 m 3 ·s-1·MW-1，一般情况下，冷却塔排污流量水平不超过补给水的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
基金项目：水利部水资源管理、 节约与保护业务项目，项目编号： 20151905
作者简介：上官志洪 (1965—)，男, 江苏苏州人，硕士，教授级高工，现主要从事核电厂环境影响评价研究工作
通讯作者： 黄彦君，E-mail： hyj1231@163. com
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