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。雖然對核電站的概念模糊不清，但核電站似乎給人一種形象，認為核電站的安全性不高，核廢料會對健康有害，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核電站的工作原理，提供了目前對核電站最基本的初步了解。核工業(yè)本來就是一個沉甸甸的產(chǎn)業(yè)，生來就與國家命運緊密結(jié)合。我們的老一代核工業(yè)人通過他們的奉獻詮釋了“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，主要由核反應堆、蒸汽發(fā)生器、汽輪機、發(fā)電機及相關(guān)系統(tǒng)設備組成。因此，我們應用圖撲軟件（Hightopo）自主開發(fā)的強大 2D/3D 渲染引擎，通過場景和動畫將壓水堆核電站的發(fā)電工作原理進行可視化。

整個場景和交互式預覽：單擊每個部分的名稱將顯示相應的信息面板，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。核電站中核反應堆的作用是進行核裂變，將核能變成水的熱能。

水作為冷卻劑從反應堆中吸收核裂變產(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堆進行加熱，循環(huán)，形成封閉的吸熱和發(fā)熱循環(huán)過程。這個循環(huán)回路也稱為一回路，即為核蒸汽供應系統(tǒng)。一個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備是核反應堆，通常把一回路及其輔助系統(tǒng)和廠房統(tǒng)稱為核島（NI）。

反應堆，從上面提到的反應原理可以看出，反應堆和燃氣灶的原理沒有本質(zhì)上的區(qū)別。其主要作用是加熱水產(chǎn)生水蒸氣，使蒸汽渦輪運動。在這里，我們應用可視化技術(shù)模擬了向核反應堆注水后加熱的過程，水位的變化更形象地展示了整個動畫。

主泵，其實我們可以將反應堆的冷卻水與人體血液相比，主泵相當于心臟。其功能是將冷卻水放入堆中，然后通過蒸汽發(fā)生器及時傳遞裂變反應時產(chǎn)生的熱量。我們在這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，是控制反應堆系統(tǒng)壓力變化的裝置。正常工作時能起到保持壓力的作用。在事故發(fā)生時提供超壓保護。在壓力上升過程中，圖中增加了波動的效果，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發(fā)電機汽缸的作用。如圖所示，當上面的圓旋轉(zhuǎn)時，氣泡根據(jù)大小上升的速度也不同。中間傳送帶的移動更清楚地展示了當前的工作。底層水位上升時，水波也在移動，整體效果更加清晰貼切。

蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的水蒸氣進入汽輪機膨脹，將蒸汽熱量轉(zhuǎn)化為汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械能。汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的兩軸剛性相連，因此汽輪機直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，并將機械能轉(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)泵用加熱器預先加熱，再從水泵中將它輸入進蒸汽發(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，中間風扇旋轉(zhuǎn)標記表明，根據(jù)管道內(nèi)部的移動方向，正在確定風扇的逆時針或順時針旋轉(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，增加了水的波動效果，動畫演示能更形象地展示了這種類型箱體的工作狀態(tài)。同樣運用手法還展示了除鹽水箱、化學藥品混合罐、容控器等。

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

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

綜上所述，核能發(fā)電包括核能-熱能-機械能的能量轉(zhuǎn)換全過程。其中最后兩個能源轉(zhuǎn)換過程與現(xiàn)有火電廠內(nèi)的流程大致相同，但設備的技術(shù)參數(shù)略有不同。核反應堆在功能上相當于火電站的鍋爐系統(tǒng)。但是，由于它是強放射性源，通過反應堆的冷卻水具有一定的放射性，一般不能直接送到汽輪機，因此，作為壓力水，核電站比普通發(fā)電站有一套動力電路。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？

核電站的優(yōu)勢

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

(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，坐飛機時接收到的劑量遠高于站在核電站旁邊。

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

(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多個核電站反應堆共1萬2千多堆運行歷史上，僅20世紀70 ~ 80年代就發(fā)生了兩起堆芯融化的嚴重事故。現(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，核能應該是大國戰(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釋放的能量發(fā)電的發(fā)電站，是利用一個或多個動力反應堆產(chǎn)生的熱量發(fā)電或發(fā)電和供暖的動力設備。核反應堆是核電站的核心設備，正在進行鏈式裂變反應。當今世界只能利用分裂的鏈式反應產(chǎn)生的能量來發(fā)電。核電站燃料是鈾。鈾制成的核燃料在“反應堆”設備內(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，蒸汽推動蒸汽與發(fā)電機一起旋轉(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堆設計和燃料循環(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、滿足確定的安全要求的條件下，爭取最佳經(jīng)濟的主線。

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