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泥沙、核素、温排水耦合输移关键技术及在沿海核电工程中应用

近年来我国核电发展迅速，已有大亚湾、岭澳、秦山、田湾、福清、阳江、宁德、方家山、红沿河、防城港和昌江等 11 个滨海核电厂的 34 台机组投入商运，还有海阳、石岛湾、三门、台山等滨海核电厂的 22 台机组在建，核电滨海式布局已经形成。我国滨海地区泥沙构成在世界上最复杂，泥沙运动强度又大，占世界 5%的水量输运了 30%的泥沙，泥沙与核素的耦合关系复杂难解，影响到泥沙、核素、温排水的准确分布和核电工程的安全与环境安全。因此研究泥沙、核素、温排水耦合输移是确保核电工程安全和环境安全的关键技术，决定了核电工程立项和设计的可行性。该项目组在国家自然科学基金和核电企业的资助下，经多年研究和实践，取得如下创新成果：一是构建了全三维水沙两相流变密度湍流模型，解决了螺旋流输沙等真实三维水沙计算难题；提出了工程泥沙计算的斜对角笛卡尔坐标方法，克服了河口及海岸工程大尺度泥沙计算中复杂边界的困难。该技术全面提升了水沙模拟的准确性和可靠性，是解决核电工程取、排水口头部、取水泵房内部泥沙冲淤的关键，为核电工程的安全运行提供了保障。二是首次提出了包含泥沙颗粒表面形貌信息的数学泥沙概念，基于数学泥沙确定了泥沙颗粒表面非均匀电荷分布规律，量化了核素与泥沙表面形貌之间微观作用机制，建立了泥沙输移和床面变形过程中核素迁移转化的物理‐化学过程模式，使水‐沙‐核素‐床面之间的静态模型变为动态模型，该技术大幅提升了核素在海域分布和积累模拟结果极值包络范围的合理性，给出了保护环境敏感区域和生态红线的设定方法。为核电工程环境安全设定阈值和条件提供了保障。三是提出了采用比尺模型分析物理模型试验比尺和变态率的研究方法，使物理模型试验比尺和变态率的取值更加合理且具有可操作性；揭示出模型试验中水动力垂向和横向速度误差远大于纵向速度误差的规律；提出基于不同海域岸线、地形、潮动力特性及环境保护目标要求等综合因素的远排差位式、交错分列式和混合式等核电工程取排水工程布置原则，保证了核电工程的取排水安全和环境安全，且大幅度降低了工程投资及运行成本。

清华大学 2021-04-10