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泥沙、核素、溫排水耦合輸移關(guān)鍵技術(shù)及在沿海核電工程中應(yīng)用

近年來(lái)我國(guó)核電發(fā)展迅速，已有大亞灣、嶺澳、秦山、田灣、福清、陽(yáng)江、寧德、方家山、紅沿河、防城港和昌江等 11 個(gè)濱海核電廠的 34 臺(tái)機(jī)組投入商運(yùn)，還有海陽(yáng)、石島灣、三門(mén)、臺(tái)山等濱海核電廠的 22 臺(tái)機(jī)組在建，核電濱海式布局已經(jīng)形成。我國(guó)濱海地區(qū)泥沙構(gòu)成在世界上最復(fù)雜，泥沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度又大，占世界 5%的水量輸運(yùn)了 30%的泥沙，泥沙與核素的耦合關(guān)系復(fù)雜難解，影響到泥沙、核素、溫排水的準(zhǔn)確分布和核電工程的安全與環(huán)境安全。因此研究泥沙、核素、溫排水耦合輸移是確保核電工程安全和環(huán)境安全的關(guān)鍵技術(shù)，決定了核電工程立項(xiàng)和設(shè)計(jì)的可行性。該項(xiàng)目組在國(guó)家自然科學(xué)基金和核電企業(yè)的資助下，經(jīng)多年研究和實(shí)踐，取得如下創(chuàng)新成果：一是構(gòu)建了全三維水沙兩相流變密度湍流模型，解決了螺旋流輸沙等真實(shí)三維水沙計(jì)算難題；提出了工程泥沙計(jì)算的斜對(duì)角笛卡爾坐標(biāo)方法，克服了河口及海岸工程大尺度泥沙計(jì)算中復(fù)雜邊界的困難。該技術(shù)全面提升了水沙模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，是解決核電工程取、排水口頭部、取水泵房?jī)?nèi)部泥沙沖淤的關(guān)鍵，為核電工程的安全運(yùn)行提供了保障。二是首次提出了包含泥沙顆粒表面形貌信息的數(shù)學(xué)泥沙概念，基于數(shù)學(xué)泥沙確定了泥沙顆粒表面非均勻電荷分布規(guī)律，量化了核素與泥沙表面形貌之間微觀作用機(jī)制，建立了泥沙輸移和床面變形過(guò)程中核素遷移轉(zhuǎn)化的物理‐化學(xué)過(guò)程模式，使水‐沙‐核素‐床面之間的靜態(tài)模型變?yōu)閯?dòng)態(tài)模型，該技術(shù)大幅提升了核素在海域分布和積累模擬結(jié)果極值包絡(luò)范圍的合理性，給出了保護(hù)環(huán)境敏感區(qū)域和生態(tài)紅線的設(shè)定方法。為核電工程環(huán)境安全設(shè)定閾值和條件提供了保障。三是提出了采用比尺模型分析物理模型試驗(yàn)比尺和變態(tài)率的研究方法，使物理模型試驗(yàn)比尺和變態(tài)率的取值更加合理且具有可操作性；揭示出模型試驗(yàn)中水動(dòng)力垂向和橫向速度誤差遠(yuǎn)大于縱向速度誤差的規(guī)律；提出基于不同海域岸線、地形、潮動(dòng)力特性及環(huán)境保護(hù)目標(biāo)要求等綜合因素的遠(yuǎn)排差位式、交錯(cuò)分列式和混合式等核電工程取排水工程布置原則，保證了核電工程的取排水安全和環(huán)境安全，且大幅度降低了工程投資及運(yùn)行成本。

清華大學(xué) 2021-04-10

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