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泥沙、核素、溫排水耦合輸移關鍵技術及在沿海核電工程中應用

近年來我國核電發展迅速，已有大亞灣、嶺澳、秦山、田灣、福清、陽江、寧德、方家山、紅沿河、防城港和昌江等 11 個濱海核電廠的 34 臺機組投入商運，還有海陽、石島灣、三門、臺山等濱海核電廠的 22 臺機組在建，核電濱海式布局已經形成。我國濱海地區泥沙構成在世界上最復雜，泥沙運動強度又大，占世界 5%的水量輸運了 30%的泥沙，泥沙與核素的耦合關系復雜難解，影響到泥沙、核素、溫排水的準確分布和核電工程的安全與環境安全。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境安全的關鍵技術，決定了核電工程立項和設計的可行性。該項目組在國家自然科學基金和核電企業的資助下，經多年研究和實踐，取得如下創新成果：一是構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三維水沙計算難題；提出了工程泥沙計算的斜對角笛卡爾坐標方法，克服了河口及海岸工程大尺度泥沙計算中復雜邊界的困難。該技術全面提升了水沙模擬的準確性和可靠性，是解決核電工程取、排水口頭部、取水泵房內部泥沙沖淤的關鍵，為核電工程的安全運行提供了保障。二是首次提出了包含泥沙顆粒表面形貌信息的數學泥沙概念，基于數學泥沙確定了泥沙顆粒表面非均勻電荷分布規律，量化了核素與泥沙表面形貌之間微觀作用機制，建立了泥沙輸移和床面變形過程中核素遷移轉化的物理‐化學過程模式，使水‐沙‐核素‐床面之間的靜態模型變為動態模型，該技術大幅提升了核素在海域分布和積累模擬結果極值包絡范圍的合理性，給出了保護環境敏感區域和生態紅線的設定方法。為核電工程環境安全設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比尺和變態率的研究方法，使物理模型試驗比尺和變態率的取值更加合理且具有可操作性；揭示出模型試驗中水動力垂向和橫向速度誤差遠大于縱向速度誤差的規律；提出基于不同海域岸線、地形、潮動力特性及環境保護目標要求等綜合因素的遠排差位式、交錯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境安全，且大幅度降低了工程投資及運行成本。

清華大學 2021-04-10

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