科技賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)：核電站工藝流程組態(tài)仿真

說到核電站，無論是上世紀(jì)80年代發(fā)生的切爾諾貝利核電站大爆炸事件，還是2011年發(fā)生的福島核電站泄漏事件，核輻射對(duì)人類造成的傷害都還沒有停止。最近又發(fā)生了震驚全球的“日本向太平洋排放123萬噸核廢水”事件。雖然對(duì)核電站的概念模糊不清，但核電站似乎給人一種形象，認(rèn)為核電站的安全性不高，核廢料會(huì)對(duì)健康有害，住在核電站附近容易受到輻射。讓我們以第一可視化視角來了解它的原理。

圖撲軟件（Hightopo）通過三維可視化展示了大眾科學(xué)核電站的工作原理，提供了目前對(duì)核電站最基本的初步了解。核工業(yè)本來就是一個(gè)沉甸甸的產(chǎn)業(yè)，生來就與國家命運(yùn)緊密結(jié)合。我們的老一代核工業(yè)人通過他們的奉獻(xiàn)詮釋了“兩彈一星”的精神和核工業(yè)的精神。目前，世界 60% 以上的核電站是壓水堆核電站，主要由核反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備組成。因此，我們應(yīng)用圖撲軟件（Hightopo）自主開發(fā)的強(qiáng)大 2D/3D 渲染引擎，通過場(chǎng)景和動(dòng)畫將壓水堆核電站的發(fā)電工作原理進(jìn)行可視化。

整個(gè)場(chǎng)景和交互式預(yù)覽：單擊每個(gè)部分的名稱將顯示相應(yīng)的信息面板，最后顯示的面板被隱藏，名稱被高亮顯示，只有沒有信息面板的名稱高亮效果被處理。核電站中核反應(yīng)堆的作用是進(jìn)行核裂變，將核能變成水的熱能。

水作為冷卻劑從反應(yīng)堆中吸收核裂變產(chǎn)生的熱量，成為高溫高壓的水，然后沿著管道進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的U型管，將熱量傳遞到U型管外部的水，使之成為飽和蒸汽。冷卻的水再次被主泵打回反應(yīng)堆進(jìn)行加熱，循環(huán)，形成封閉的吸熱和發(fā)熱循環(huán)過程。這個(gè)循環(huán)回路也稱為一回路，即為核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)。一個(gè)電路的壓力由電壓調(diào)節(jié)器控制。一回路的壓力由穩(wěn)壓器控制，由于一回路的主要設(shè)備是核反應(yīng)堆，通常把一回路及其輔助系統(tǒng)和廠房統(tǒng)稱為核島（NI）。

反應(yīng)堆，從上面提到的反應(yīng)原理可以看出，反應(yīng)堆和燃?xì)庠畹脑頉]有本質(zhì)上的區(qū)別。其主要作用是加熱水產(chǎn)生水蒸氣，使蒸汽渦輪運(yùn)動(dòng)。在這里，我們應(yīng)用可視化技術(shù)模擬了向核反應(yīng)堆注水后加熱的過程，水位的變化更形象地展示了整個(gè)動(dòng)畫。

主泵，其實(shí)我們可以將反應(yīng)堆的冷卻水與人體血液相比，主泵相當(dāng)于心臟。其功能是將冷卻水放入堆中，然后通過蒸汽發(fā)生器及時(shí)傳遞裂變反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的熱量。我們?cè)谶@里用閃光展示其工作狀態(tài)。

穩(wěn)壓器，電壓調(diào)節(jié)器，也稱為壓力平衡器，是控制反應(yīng)堆系統(tǒng)壓力變化的裝置。正常工作時(shí)能起到保持壓力的作用。在事故發(fā)生時(shí)提供超壓保護(hù)。在壓力上升過程中，圖中增加了波動(dòng)的效果，能展示調(diào)節(jié)器內(nèi)部的壓力變化。

蒸汽發(fā)生器，目的是通過反應(yīng)堆中冷卻水的熱量傳遞到二次回路水，制成蒸汽，然后起到通向汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)汽缸的作用。如圖所示，當(dāng)上面的圓旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣泡根據(jù)大小上升的速度也不同。中間傳送帶的移動(dòng)更清楚地展示了當(dāng)前的工作。底層水位上升時(shí)，水波也在移動(dòng)，整體效果更加清晰貼切。

蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹，將蒸汽熱量轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的兩軸剛性相連，因此汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。做功結(jié)束，蒸汽(乏汽)被排入冷凝器，通過冷卻制造出凝結(jié)的水，然后從凝結(jié)泵用加熱器預(yù)先加熱，再從水泵中將它輸入進(jìn)蒸汽發(fā)生器，完成蒸汽渦輪工質(zhì)的封閉循環(huán)。此循環(huán)稱作二回路。循環(huán)冷卻水二回路系統(tǒng)同常規(guī)火電廠蒸汽動(dòng)力回路相似，因此輔助系統(tǒng)和工廠統(tǒng)稱為常規(guī)島(CI)。

凝結(jié)水泵，中間風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)標(biāo)記表明，根據(jù)管道內(nèi)部的移動(dòng)方向，正在確定風(fēng)扇的逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

換料水箱，通過水位的上升和下降來表現(xiàn)。同樣，還有輔助給水泵、地坑等。

碳酸箱，增加了水的波動(dòng)效果，動(dòng)畫演示能更形象地展示了這種類型箱體的工作狀態(tài)。同樣運(yùn)用手法還展示了除鹽水箱、化學(xué)藥品混合罐、容控器等。

低壓加熱器，每個(gè)加熱器的位置不同，在視覺效果上更真實(shí)，科技感更強(qiáng)。也一起展示。

除氧器，下部水位上升時(shí)引起水的波動(dòng)，上部的氧氣根據(jù)形狀的大小移動(dòng)的速度也不同。

綜上所述，核能發(fā)電包括核能-熱能-機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換全過程。其中最后兩個(gè)能源轉(zhuǎn)換過程與現(xiàn)有火電廠內(nèi)的流程大致相同，但設(shè)備的技術(shù)參數(shù)略有不同。核反應(yīng)堆在功能上相當(dāng)于火電站的鍋爐系統(tǒng)。但是，由于它是強(qiáng)放射性源，通過反應(yīng)堆的冷卻水具有一定的放射性，一般不能直接送到汽輪機(jī)，因此，作為壓力水，核電站比普通發(fā)電站有一套動(dòng)力電路。上面說了那么多，那么核電站到底是好東西還是壞東西？在傳統(tǒng)能源之前有什么優(yōu)勢(shì)？

核電站的優(yōu)勢(shì)

可以在核能的綠色、經(jīng)濟(jì)、安全等方面與傳統(tǒng)能源進(jìn)行簡單的對(duì)比。

(1)綠色環(huán)保：核能在能源生成過程中沒有溫室氣體和污染物排放。在正常工作條件下，核能系統(tǒng)的放射性劑量只有自然輻射劑量的1/1000到1%。也就是說，坐飛機(jī)時(shí)接收到的劑量遠(yuǎn)高于站在核電站旁邊。

(2)經(jīng)濟(jì)層次：核能的發(fā)展歷史不長，但發(fā)展速度極快。目前他電價(jià)已經(jīng)接近煤炭的電價(jià)。如果再考慮與霧霾管理相關(guān)的費(fèi)用支出等綜合問題，核能的經(jīng)濟(jì)利益將對(duì)整個(gè)國家非常有利。

(3)安全方面：核能是安全能源，事故發(fā)生的可能性很小。核能是世界上最安全的產(chǎn)業(yè)之一。在全球50年間，500多個(gè)核電站反應(yīng)堆共1萬2千多堆運(yùn)行歷史上，僅20世紀(jì)70 ~ 80年代就發(fā)生了兩起堆芯融化的嚴(yán)重事故?，F(xiàn)在核電站的安全性能更好，發(fā)生事故的可能性更小。

核電系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)，代表著我國的綜合工業(yè)力量，是大國競爭的陣地。核工業(yè)是高新技術(shù)的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石?？紤]到這種綜合效應(yīng)，核能應(yīng)該是大國戰(zhàn)略的必然選擇。

核電站的工作原理

核電站是利用裂變反應(yīng)釋放的能量發(fā)電的發(fā)電站，是利用一個(gè)或多個(gè)動(dòng)力反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量發(fā)電或發(fā)電和供暖的動(dòng)力設(shè)備。核反應(yīng)堆是核電站的核心設(shè)備，正在進(jìn)行鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。當(dāng)今世界只能利用分裂的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的能量來發(fā)電。核電站燃料是鈾。鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”設(shè)備內(nèi)分裂，產(chǎn)生大量熱量，然后用高壓下的水把熱量抽出來，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)蒸汽與發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，電力不斷產(chǎn)生，通過電網(wǎng)送到四面八方，成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚哪茉础?/p>

近年來，為了實(shí)現(xiàn)核能的長期可持續(xù)發(fā)展，世界各國提出了許多新概念反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和燃料循環(huán)方案。最近提出的第四代核電站的性能要求和美國最近頒布的新能源政策貫穿于提高安全性、改善經(jīng)濟(jì)、滿足確定的安全要求的條件下，爭取最佳經(jīng)濟(jì)的主線。

fqj