壓水堆核電站發(fā)電工作原理的可視化預(yù)覽

說起核電站，無論是上個世紀(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)生的福島核泄漏事件，核輻射給人類造成的傷痛至今還未停止，最近又發(fā)生讓全世界震驚的“日本將123萬噸核廢水排向太平洋”的事件。很多人對核電站的概念模糊，但核電站似乎給人的映像一直是：核電站安全性不高，核廢物會危害健康，住在核電站附近容易受到核輻射等等。那么，這些擔(dān)心究竟是都真有必要？核電站的安全性真的不高嗎？

HT 用 3D 可視化的方式為大家科普核電站的工作原理，讓大家對當(dāng)前核電站能有最基本的初步了解，核工業(yè)本來就是一個沉甸甸的行業(yè)，從它誕生的那時起就跟國家的命運緊密結(jié)合，我們的老一輩核工業(yè)人，通過他們的奉獻(xiàn)詮釋出了“兩彈一星”的精神和核工業(yè)的精神。

界面簡介及效果預(yù)覽

目前世界上的核電站 60％以上都是壓水堆核電站，其主要由反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及有關(guān)系統(tǒng)設(shè)備組成。因此，我們應(yīng)用 HT for Web 自主研發(fā)的強大的 2D／3D渲染引擎，經(jīng)過搭建場景和動畫驅(qū)動制作了壓水堆核電站發(fā)電的工作原理可視化。

整體場景以及交互預(yù)覽：

通過點擊各部位的名字，如果有信息面板的話相應(yīng)的信息面板會顯示，隱藏上一個顯示的面板，名字做高亮處理，沒有信息面板的只處理名字的高亮效果。

模擬原理動畫分析

在核電站中，反應(yīng)堆的作用是進(jìn)行核裂變，將核能轉(zhuǎn)化為水的熱能。

水作為冷卻劑在反應(yīng)堆中吸收核裂變產(chǎn)生的熱能，成為高溫高壓的水然后沿管道進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的U型管內(nèi)，將熱量傳給U型管外側(cè)的水，使其變?yōu)轱柡驼羝?。冷卻后的水再由主泵打回到反應(yīng)堆內(nèi)重新加熱，如此循環(huán)往復(fù)，形成一個封閉的吸熱和放熱的循環(huán)過程，這個循環(huán)回路稱為一回路，也稱核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)。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

由上述反應(yīng)原理可以了解到，反應(yīng)堆和燃?xì)庠畹脑砥鋵崨]有本質(zhì)不同，其主要作用加熱水產(chǎn)生水蒸氣帶動汽輪機(jī)發(fā)電。這里我們應(yīng)用了可視化技術(shù)模擬了水注入反應(yīng)堆后加熱的過程，水位的變化使得整個動畫更加形象的展示出反應(yīng)堆的工作狀態(tài)。

主泵

如果把反應(yīng)堆中的冷卻劑比做人體血液的話，那主泵則是心臟。它的功用是把冷卻劑送進(jìn)堆內(nèi)，然后流過蒸汽發(fā)生器，以保證裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量及時傳遞出來。我們在這里用閃動的亮光來展示其工作狀態(tài)。

穩(wěn)壓器

穩(wěn)壓器又稱壓力平衡器，是用來控制反應(yīng)堆系統(tǒng)壓力變化的設(shè)備。在正常運行時，起保持壓力的作用；在發(fā)生事故時，提供超壓保護(hù)。壓力上升過程中，我們加入了波動的效果以展示穩(wěn)壓器內(nèi)壓力的變化。

蒸汽發(fā)生器

它的作用是把通過反應(yīng)堆的冷卻劑的熱量傳給二次回路水，并使之變成蒸汽，再通入汽輪發(fā)電機(jī)的汽缸作功。如圖，上部分圓形轉(zhuǎn)動時，氣泡根據(jù)大小不同上升的速度也不相同；中間傳送帶的走動更加清晰的展示了正在工作；底下水位升降時，水波也在動作，使整體效果更為貼切。

由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹作功，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槠啓C(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩軸剛性相連，因此汽輪機(jī)直接帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

作完功后的蒸汽（乏汽）被排入冷凝器，進(jìn)行冷卻凝結(jié)成水，然后由凝結(jié)水泵送入加熱器預(yù)加熱，再由給水泵將其輸入蒸汽發(fā)生器，從而完成了汽輪機(jī)工質(zhì)的封閉循環(huán)，我們稱此回路為二回路。循環(huán)冷卻水二回路系統(tǒng)與常規(guī)火電廠蒸汽動力回路大致相同，故把它及其輔助系統(tǒng)和廠房統(tǒng)稱為常規(guī)島（CI）。

凝結(jié)水泵

中間風(fēng)扇轉(zhuǎn)動示意工作正在進(jìn)行，根據(jù)管道內(nèi)運動方向來決定風(fēng)扇的逆時針或者順時針的轉(zhuǎn)動情況。

換料水箱

通過水位的升降來展示；同理展示的還有輔助給水泵、地坑等。

碳酸箱

我們增加了水的波動效果，讓動畫更加形象的展示了這種類型的箱體的工作狀態(tài)。同理展示的還有除鹽水箱、化學(xué)藥物混合罐、容控器等。

低壓加熱器

每個加熱器的位置推達(dá)點不同，在視覺上更逼真、更有科技感的效果，同理展示的還有高壓加熱器。

除氧器

下部分水位升降時帶動水波動，上部分的氧氣根據(jù)形狀的大小移動速度也不相同。

綜上所述，核能發(fā)電包括核能→熱能→機(jī)械能→電能的能量轉(zhuǎn)換全過程。其中后兩種能量轉(zhuǎn)換過程與常規(guī)火力發(fā)電廠內(nèi)的工藝過程基本相同，只是在設(shè)備的技術(shù)參數(shù)上略有不同。核反應(yīng)堆從功能上相當(dāng)于火電廠的鍋爐系統(tǒng)（火電站用鍋爐“燒水”）。但由于它是強放射源，流經(jīng)反應(yīng)堆的冷卻劑帶有一定的放射性，一般不宜直接送入汽輪機(jī)，所以壓水堆核電站比普通電廠多了一套動力回路。

上面說了那么多，那么，核電站到底是個好東西還是壞東西？它跟傳統(tǒng)能源先比有什么優(yōu)勢？

核電站的優(yōu)勢

可以從核能的環(huán)保型、經(jīng)濟(jì)性、安全等方面來與傳統(tǒng)能源做一個簡單的對比。

（ 1 ）環(huán)保方面：核電在產(chǎn)生能源的過程中沒有溫室氣體和污染物的排放。在正常運行情況下，核能系統(tǒng)的放射性劑量，只有天然輻射劑量的千分之一到百分之一。也就是說，如果你去坐飛機(jī)，你接受到的劑量可能比你在核電站旁邊還要高很多；

（ 2 ）經(jīng)濟(jì)方面：核電的發(fā)展歷史并不長，但是發(fā)展的速度非?？?，目前它的電價已經(jīng)接近煤的電價了，如果再考慮到霧霾治理的相關(guān)費用支出等一些綜合性問題，核電的經(jīng)濟(jì)效益從整個國家來考慮非常有優(yōu)勢；

（ 3 ）安全方面：核電是安全能源，發(fā)生事故的可能性小。核電是世界上最安全的行業(yè)之一。全世界50年來500多座核電反應(yīng)堆在 其總共1萬2千多堆年的運行歷史中，只在上世紀(jì)七八十年代發(fā)生過兩起堆芯熔化的嚴(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)是一個非常復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)，代表著我們國家綜合工業(yè)實力，是大國競爭的陣地。核工業(yè)是高科技的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的重要基石。在這樣一種綜合效應(yīng)的考慮之下，核電應(yīng)該是大國戰(zhàn)略的必然選擇。

我國核電站的發(fā)展

核電站自 20 世紀(jì) 50 年代開始，根據(jù)其工作原理和安全性能的差異，可將其分為四代。1951 年，美國最先建成世界上第一座實驗性核電站，被稱為第一代核電站。到如今已經(jīng)發(fā)展到第四代核電站。

我國核電站的建設(shè)始于 20 世紀(jì) 80 年代中期。首臺核電機(jī)的組裝在秦山核電站進(jìn)行，1985 年開工，1994 年商業(yè)運行，電功率為 300MW ，為我國自行設(shè)計建造和運行的原型核電機(jī)組。使我國成為繼美國、英國、法國、蘇聯(lián)、加拿大和瑞典后，全球第 7 個能自行設(shè)計建造核電機(jī)組的國家。截至 2013 年 2 月，我國大陸已建成并投入商業(yè)運行的核電站有 7 個，分別為浙江秦山核電站一期、二期、三期，廣東大亞灣核電站和嶺澳核電站一期、二期，江蘇田灣核電站，共 15 臺機(jī)組，還有 28 臺機(jī)組處于建設(shè)中。

核電站的工作原理

核電站是利用核裂變反應(yīng)所釋放的能量產(chǎn)生電能的發(fā)電廠，就是利用一座或若干座動力反應(yīng)堆所產(chǎn)生的熱能來發(fā)電，或發(fā)電兼供熱的動力設(shè)備。反應(yīng)堆是核電站的關(guān)鍵設(shè)備，鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)就在其中進(jìn)行。而現(xiàn)如今世界上只能利用裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的能量來發(fā)電。

核電站用的燃料是鈾。用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動汽輪機(jī)帶著發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來，并通過電網(wǎng)送到四面八方，成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡哪芰俊?/p>

總結(jié)

近年來為實現(xiàn)核能的長遠(yuǎn)可持續(xù)性發(fā)展，世界各國提出了許多新概念的反應(yīng)堆設(shè)計和燃料循環(huán)方案。最新提出的第四代核電站的性能要求以及美國最近頒布的新的能源政策，都貫穿一條主線，就是要提高安全性、改善經(jīng)濟(jì)性，在滿足確定的安全要求的條件下，爭取最好的經(jīng)濟(jì)性。所以將來的核電必然更加普及更加安全，大眾應(yīng)對核電充滿信心。

責(zé)任編輯：gt