UA设计学堂.

Arch-Art︱分享建筑与艺术设计知识

福岛第四代核电站

Power

设计者：王杰民，赖世泽，常娇，杨卓航

恭喜学员作品《 Pow》▲

斩获2022米兰设计周三等奖奖

2021竞赛营团队

︱项目背景︱

2011年3月11日，受地震和海啸影响，日本福岛第一核电站1～4号机组发生严重核泄漏事故，1～3号机组堆芯熔毁。由于核电站西高东低，东临太平洋，为防止地下水继续流入核电站所在建筑物的地下，导致由于核污水的增加，东电公司于2014年6月开始在核电站1至4号机组周围修建周长约1.5km的“冻土挡土墙”。目前，东京电力公司采用的方法是"截留"处理核废水问题。在核电机组周围设置地下水井，通过截流减少地下水流入的同时，利用多核素去除设备去除核废水中的放射性物质。由于现有技术不能有效去除核废水中的放射性氚，氚污染的水被储存在大型储水罐中。东电准备了约1000个储水罐，总容量约137万吨。目前90%已满，储存处理后废水超过120万吨，预计2022年秋季达到极限。为了缓解这种压力，东电决定将储存的核废水排入太平洋。受洋流影响，核废水排入海洋将影响全球鱼类洄游、远洋渔业、人类健康、生态安全等方面。

（图1）近十年航拍核废水储蓄罐对比图

位置、问题和描述

福岛核电站位于北纬37度25分14秒，东经141度2分。它位于日本福岛工业区。它是世界上最大的核电站（图2）。由福岛一号站和福岛二号站组成，共10台机组，均为沸水堆。福岛核电站毗邻太平洋、北冰洋和大西洋。因此，日本处理核废水对全球海洋生态环境具有重要意义。日本筑波大学的研究人员最近公布了研究成果，称2011年福岛核电站事故中流入大海的放射性物质铯137到达美国西海岸，然后通过白令海北上位于太平洋最北端，约7至8年后返回日本东北海岸(如图3)。与此同时，在北冰洋也发现了福岛核事故的铯137。核废水中含有氚、钴60、锶90、碳14 等元素，如果这些元素能够最大程度地回收利用，可以减少污染，为世界稀有金属元素提供一定的补给。

（图2日本福岛核电站的地理位置）

（图3核污水污染受洋流影响的流动趋势）

︱概念和策略︱

通过对核废水内放射性元素的资料调查，我们从中了解到核废水中各个核污染元素对大自然与人类产生的不同程度危害以及针对它们净化处理的安全注意事项。概念上主要是对于建筑内部多功能的思考，模块化的设计方式，将核废水净化功能、发电功能、配送功能以及反应堆功能进行组合串联形成一座前所未有的可以自由拆卸生长的高层建筑——第四代福岛核电站（图1）。

第四代核反应堆——它是一种新型的核反应堆。它可以使内部核物质的半衰期从几百万年下降到几百年。

电力系统——核电站的重要组成部分，它可以将电能传输到周围电网。

核废水处理系统——通过层层净化，可将原核废水和受污染地下水的辐射含量降低90%。

配送系统——运输原材料与输出产品。

（图4策略生成图）

︱方案生成︱

模块化实现多元化的净化方式

该建筑理念的出发点是建立在日本福岛核废水及新型核污染处理的问题上。考虑到放射性物质的不同净化策略，将对其从化学—物理—生物三个阶段实施，最终净化完成的核废水通过地下水泵系统与核心筒，将其排放回海洋与地下水（图5）。

（图5建筑剖立面）

1.过滤铯和锶—MVR/新型纳米材料

首先第一阶段需要解决的是铯和锶，锶和铯对环境和人类健康具有长期危害作用。在对其处理中，采用MVR（机器蒸汽在压缩技术）系统（图6），而MVR系统在整体处理阶段中所具有的最大优点便是高效节能。它是由储备溶液装置、分离器组成。核心筒与水泵抽取的核废水首先通过分离器装置，在其内部进行浓缩—浓缩—降膜加热—预热。再通过储备溶液装置，在其内部通过预热—蒸发浓缩—蒸汽压缩—冷凝放电，剩余无法提取净化的核废水，进入到下一个系统中进行。加入新型纳米材料—“磁性普鲁士蓝/氧化石墨烯”纳米材料，高效吸附放射性铯元素，对50mg/L的污水中的铯去除率达到90%以上，饱和对铯离子的吸附量为55mg/G。

（图6MVR系统）

2.海水淡化和除钴

第二阶段的海水淡化与除钴系统由冲击电渗析装置、除钴装置、海水淡化装置组成（图7）。第一阶段未净化完的核废水在系统中，先通过除钴装置，再其内部经过两次过滤，再通过冲击电渗析装置除去大部分放射性物质后，再通过改良的ALPS，最后进行海水淡化。改系统不仅可以净化99.5%的水、去除5%的钴元素，同时保留约43%的淡水。如果将净化水平降低到98.5%，放射性元素的去除率虽然降低到3%，却可以回收2/3的水。

（图7海水淡化和除钴）

3.滤氚—WSD系统

第三阶段的WSD系统则是由低温蒸馏系统、电解槽装置组成（图8）。第二阶段余留的核废水通过管道最先进入电解槽装置内，将其电解为各个氧离子与氢离子，氧16作为氧气进行排出，余下物质进入低温蒸馏系统中，将其进行蒸馏提取出氚水实行二次净化。

（图8WDS系统）

4.提取碳十四—超滤

第四阶段的超滤系统将核废水内对人与自然危害性最大的碳14进行去除净化（图9）。超滤系统包含了三部分，即：物理、化学、生物，其中生物部分是将碳14元素彻底消除的关键一部。在植物选取上，选择了对碳14这一重金属及核元素吸收能力最强的两种植物：向日葵、鹅观草。当残余的核废水进入超滤系统将其过滤与提取后，这一部分的水会被用于浇灌向日葵与鹅观草，利用这两种植物的吸收，最后将其割取焚烧，达到零碳目的。

（图9超滤系统）

5.元素精炼—PLC材料系统

第五阶段是整个净化流程中最为重要的元素精炼阶段。元素精炼—PLC系统由四部分组成，即：送料装置、装卸机械装置、传送带装置、分拣装置（图10）。在进入送料装置后，先通过光电传感器检测出料台是否有废料，有则进入装卸机械装置，无则发出警报提醒，装卸机械装置也是如此，最后通过传输带进入分拣装置对元素进行分拣提取，输送到地面。

（图10PLC材质系统）

6.第四代核反应堆

整个核反应堆由反应器与制氢装置构成（图11）。在第四代核反应堆中高温气冷堆是主要核电技术。水进入制氢装置后流入反应器，再通过反应器回流入制氢装置产生氧气与氢气排出。因此与其他核电技术相比，高温气冷堆采用惰性气体氦气冷却，可以大大提高发电效率。

（图11第四代核反应堆）

建筑生长与未来

据媒体报道，截至2021年3月，核电站已产生核废水125万吨，并以每天140吨的速度递增。其现有的储水罐上限为137万吨。东京福岛第一核电站的运营商表示，到2022年秋天，这些水箱将完全装满，而这些核废水的净化过程将需要长达 30 年。

因此建筑将建在日本福岛核电站旁边，下部通过设备与福岛核电站的核废水储蓄罐和受污染的地下水相连接，在考虑到核废水处理的实际过程与未来建筑的发展需要，主楼由模块与植物净化部分组成（如图12），每个模块由第四代核能系统与核废水过滤系统组成，每个模块由中央交通系统连接串联（图13）。在净化现有核废水与供给城市电量的同时，一步步替换遗弃的福岛核电站。

（图12模块与植物净化）

（图13建筑轴侧图）

三十年后，随着所有核废水净化工作的完成，该建筑将用作新的核电站和材料加工厂。该建筑还为游客提供游览功能，人们可以近距离了解核能的功能和威力；也从另一个角度看日本福岛县。同时，模块化建筑可以根据项目的需要在世界各地建造（图14），具有一定的普适性。

（图14建筑未来发展趋势）

︱最终图纸︱

︱学习心得︱

我们对本次竞赛作品《 Power Plant》进行了再次的分析。在高速发展的人类大环境下，存在着许多威胁人自身生命安全的大事件，这些事件好像与我们的日常生活并无关联，但也实实在在的影响着我们的生存发展活动。福岛核泄露事件是关乎人类健康发展的大事件之一，如果任由资本处理，将会给人类环境带来巨大的恐怖与麻烦。本次作品便是针对人类史上的“核”为芯，不仅解决短期日本福岛的问题。同样也为未来核事业的发展带来一定的效益。

在整个竞赛的过程中，我们也受到了前所未有的压力，课程的冲突，想法的对弈都给我们完成这个作品带来了不小的困难。同时也感谢李老师和林老师在过程中为我们解决了大量的问题。我们最初的完成进度很缓慢，在前期的积累，老师的催促，自身的压力下，不断深化此次主题。同时也累计到了很多建筑知识及工科、理科的知识。

在这里特别感谢卓航与常娇同学，在最后DDL的时间里，大家的艰苦奋斗！

最后恭喜我们的学员团队斩获米兰设计周三等奖