以下文章來源于UA設(shè)計學(xué)堂 ，作者王杰民

福島第四代核電站

(資料圖片僅供參考)

Fukushima Fourth Generation Nuclear Power

設(shè)計者：王杰民，賴世澤，常嬌，楊卓航

恭喜學(xué)員作品 《Fukushima Fourth Generation Nuclear Pow》 ▲

斬獲2022米蘭設(shè)計周三等獎獎

2021競賽營團(tuán)隊(duì)

︱項(xiàng)目背景︱

2011年3月11日，受地震和海嘯影響，日本福島第一核電站1～4號機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重核泄漏事故，1～3號機(jī)組堆芯熔毀。由于核電站西高東低，東臨太平洋，為防止地下水繼續(xù)流入核電站所在建筑物的地下，導(dǎo)致由于核污水的增加，東電公司于2014年6月開始在核電站1至4號機(jī)組周圍修建周長約1.5km的“凍土擋土墻”。目前，東京電力公司采用的方法是\"截留\"處理核廢水問題。在核電機(jī)組周圍設(shè)置地下水井，通過截流減少地下水流入的同時，利用多核素去除設(shè)備去除核廢水中的放射性物質(zhì)。由于現(xiàn)有技術(shù)不能有效去除核廢水中的放射性氚，氚污染的水被儲存在大型儲水罐中。東電準(zhǔn)備了約1000個儲水罐，總?cè)萘考s137萬噸。目前90%已滿，儲存處理后廢水超過120萬噸，預(yù)計2022年秋季達(dá)到極限。為了緩解這種壓力，東電決定將儲存的核廢水排入太平洋。受洋流影響，核廢水排入海洋將影響全球魚類洄游、遠(yuǎn)洋漁業(yè)、人類健康、生態(tài)安全等方面。

（圖1）近十年航拍核廢水儲蓄罐對比圖

位置、問題和描述

福島核電站位于北緯37度25分14秒，東經(jīng)141度2分。它位于日本福島工業(yè)區(qū)。它是世界上最大的核電站（圖2）。由福島一號站和福島二號站組成，共10臺機(jī)組，均為沸水堆。福島核電站毗鄰太平洋、北冰洋和大西洋。因此，日本處理核廢水對全球海洋生態(tài)環(huán)境具有重要意義。日本筑波大學(xué)的研究人員最近公布了研究成果，稱2011年福島核電站事故中流入大海的放射性物質(zhì)銫137到達(dá)美國西海岸，然后通過白令海北上位于太平洋最北端，約7至8年后返回日本東北海岸(如圖3)。與此同時，在北冰洋也發(fā)現(xiàn)了福島核事故的銫137。核廢水中含有氚、鈷60、鍶90、碳14 等元素，如果這些元素能夠最大程度地回收利用，可以減少污染，為世界稀有金屬元素提供一定的補(bǔ)給。

（圖2日本福島核電站的地理位置）

（圖3核污水污染受洋流影響的流動趨勢）

︱概念和策略︱

通過對核廢水內(nèi)放射性元素的資料調(diào)查，我們從中了解到核廢水中各個核污染元素對大自然與人類產(chǎn)生的不同程度危害以及針對它們凈化處理的安全注意事項(xiàng)。概念上主要是對于建筑內(nèi)部多功能的思考，模塊化的設(shè)計方式，將核廢水凈化功能、發(fā)電功能、配送功能以及反應(yīng)堆功能進(jìn)行組合串聯(lián)形成一座前所未有的可以自由拆卸生長的高層建筑——第四代福島核電站（圖1）。

第四代核反應(yīng)堆——它是一種新型的核反應(yīng)堆。它可以使內(nèi)部核物質(zhì)的半衰期從幾百萬年下降到幾百年。

電力系統(tǒng)——核電站的重要組成部分，它可以將電能傳輸?shù)街車娋W(wǎng)。

核廢水處理系統(tǒng)——通過層層凈化，可將原核廢水和受污染地下水的輻射含量降低90%。

配送系統(tǒng)——運(yùn)輸原材料與輸出產(chǎn)品。

（圖4策略生成圖）

︱方案生成︱

模塊化實(shí)現(xiàn)多元化的凈化方式

該建筑理念的出發(fā)點(diǎn)是建立在日本福島核廢水及新型核污染處理的問題上?？紤]到放射性物質(zhì)的不同凈化策略，將對其從化學(xué)—物理—生物三個階段實(shí)施，最終凈化完成的核廢水通過地下水泵系統(tǒng)與核心筒，將其排放回海洋與地下水（圖5）。

（圖5建筑剖立面）

1.過濾銫和鍶—MVR/新型納米材料

首先第一階段需要解決的是銫和鍶，鍶和銫對環(huán)境和人類健康具有長期危害作用。在對其處理中，采用MVR（機(jī)器蒸汽在壓縮技術(shù)）系統(tǒng)（圖6），而MVR系統(tǒng)在整體處理階段中所具有的最大優(yōu)點(diǎn)便是高效節(jié)能。它是由儲備溶液裝置、分離器組成。核心筒與水泵抽取的核廢水首先通過分離器裝置，在其內(nèi)部進(jìn)行濃縮—濃縮—降膜加熱—預(yù)熱。再通過儲備溶液裝置，在其內(nèi)部通過預(yù)熱—蒸發(fā)濃縮—蒸汽壓縮—冷凝放電，剩余無法提取凈化的核廢水，進(jìn)入到下一個系統(tǒng)中進(jìn)行。加入新型納米材料—“磁性普魯士藍(lán)/氧化石墨烯”納米材料，高效吸附放射性銫元素，對50mg/L的污水中的銫去除率達(dá)到90%以上，飽和對銫離子的吸附量為55mg/G。

（圖6MVR系統(tǒng)）

2.海水淡化和除鈷

第二階段的海水淡化與除鈷系統(tǒng)由沖擊電滲析裝置、除鈷裝置、海水淡化裝置組成（圖7）。第一階段未凈化完的核廢水在系統(tǒng)中，先通過除鈷裝置，再其內(nèi)部經(jīng)過兩次過濾，再通過沖擊電滲析裝置除去大部分放射性物質(zhì)后，再通過改良的ALPS，最后進(jìn)行海水淡化。改系統(tǒng)不僅可以凈化99.5%的水、去除5%的鈷元素，同時保留約43%的淡水。如果將凈化水平降低到98.5%，放射性元素的去除率雖然降低到3%，卻可以回收2/3的水。

（圖7海水淡化和除鈷）

3.濾氚—WSD系統(tǒng)

第三階段的WSD系統(tǒng)則是由低溫蒸餾系統(tǒng)、電解槽裝置組成（圖8）。第二階段余留的核廢水通過管道最先進(jìn)入電解槽裝置內(nèi)，將其電解為各個氧離子與氫離子，氧16作為氧氣進(jìn)行排出，余下物質(zhì)進(jìn)入低溫蒸餾系統(tǒng)中，將其進(jìn)行蒸餾提取出氚水實(shí)行二次凈化。

（圖8WDS系統(tǒng)）

4.提取碳十四—超濾

第四階段的超濾系統(tǒng)將核廢水內(nèi)對人與自然危害性最大的碳14進(jìn)行去除凈化（圖9）。超濾系統(tǒng)包含了三部分，即：物理、化學(xué)、生物，其中生物部分是將碳14元素徹底消除的關(guān)鍵一部。在植物選取上，選擇了對碳14這一重金屬及核元素吸收能力最強(qiáng)的兩種植物：向日葵、鵝觀草。當(dāng)殘余的核廢水進(jìn)入超濾系統(tǒng)將其過濾與提取后，這一部分的水會被用于澆灌向日葵與鵝觀草，利用這兩種植物的吸收，最后將其割取焚燒，達(dá)到零碳目的。

（圖9超濾系統(tǒng)）

5.元素精煉—PLC材料系統(tǒng)

第五階段是整個凈化流程中最為重要的元素精煉階段。元素精煉—PLC系統(tǒng)由四部分組成，即：送料裝置、裝卸機(jī)械裝置、傳送帶裝置、分揀裝置（圖10）。在進(jìn)入送料裝置后，先通過光電傳感器檢測出料臺是否有廢料，有則進(jìn)入裝卸機(jī)械裝置，無則發(fā)出警報提醒，裝卸機(jī)械裝置也是如此，最后通過傳輸帶進(jìn)入分揀裝置對元素進(jìn)行分揀提取，輸送到地面。

（圖10PLC材質(zhì)系統(tǒng)）

6.第四代核反應(yīng)堆

整個核反應(yīng)堆由反應(yīng)器與制氫裝置構(gòu)成（圖11）。在第四代核反應(yīng)堆中高溫氣冷堆是主要核電技術(shù)。水進(jìn)入制氫裝置后流入反應(yīng)器，再通過反應(yīng)器回流入制氫裝置產(chǎn)生氧氣與氫氣排出。因此與其他核電技術(shù)相比，高溫氣冷堆采用惰性氣體氦氣冷卻，可以大大提高發(fā)電效率。

（圖11第四代核反應(yīng)堆）

建筑生長與未來

據(jù)媒體報道，截至2021年3月，核電站已產(chǎn)生核廢水125萬噸，并以每天140噸的速度遞增。其現(xiàn)有的儲水罐上限為137萬噸。東京福島第一核電站的運(yùn)營商表示，到2022年秋天，這些水箱將完全裝滿，而這些核廢水的凈化過程將需要長達(dá) 30 年。

因此建筑將建在日本福島核電站旁邊，下部通過設(shè)備與福島核電站的核廢水儲蓄罐和受污染的地下水相連接，在考慮到核廢水處理的實(shí)際過程與未來建筑的發(fā)展需要，主樓由模塊與植物凈化部分組成（如圖12），每個模塊由第四代核能系統(tǒng)與核廢水過濾系統(tǒng)組成，每個模塊由中央交通系統(tǒng)連接串聯(lián)（圖13）。在凈化現(xiàn)有核廢水與供給城市電量的同時，一步步替換遺棄的福島核電站。

（圖12模塊與植物凈化）

（圖13建筑軸側(cè)圖）

三十年后，隨著所有核廢水凈化工作的完成，該建筑將用作新的核電站和材料加工廠。該建筑還為游客提供游覽功能，人們可以近距離了解核能的功能和威力；也從另一個角度看日本福島縣。同時，模塊化建筑可以根據(jù)項(xiàng)目的需要在世界各地建造（圖14），具有一定的普適性。

（圖14建筑未來發(fā)展趨勢）

︱最終圖紙︱

︱?qū)W習(xí)心得︱

我們對本次競賽作品《Fukushima Fourth Generation Nuclear Power Plant》進(jìn)行了再次的分析。在高速發(fā)展的人類大環(huán)境下，存在著許多威脅人自身生命安全的大事件，這些事件好像與我們的日常生活并無關(guān)聯(lián)，但也實(shí)實(shí)在在的影響著我們的生存發(fā)展活動。福島核泄露事件是關(guān)乎人類健康發(fā)展的大事件之一，如果任由資本處理，將會給人類環(huán)境帶來巨大的恐怖與麻煩。本次作品便是針對人類史上的“核”為芯，不僅解決短期日本福島的問題。同樣也為未來核事業(yè)的發(fā)展帶來一定的效益。

在整個競賽的過程中，我們也受到了前所未有的壓力，課程的沖突，想法的對弈都給我們完成這個作品帶來了不小的困難。同時也感謝李老師和林老師在過程中為我們解決了大量的問題。我們最初的完成進(jìn)度很緩慢，在前期的積累，老師的催促，自身的壓力下，不斷深化此次主題。同時也累計到了很多建筑知識及工科、理科的知識。

在這里特別感謝卓航與常嬌同學(xué)，在最后DDL的時間里，大家的艱苦奮斗！

最后恭喜我們的學(xué)員團(tuán)隊(duì)斬獲米蘭設(shè)計周三等獎

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