工业绿色可视化之核电站工艺流程组态仿真

前言

说起核电站，无论是上个世纪80年代发生的切尔诺贝利核电站大爆炸事件，还是2011年发生的福岛核泄漏事件，核辐射给人类造成的伤痛至今还未停止，最近又发生让全世界震惊的“日本将123万吨核废水排向太平洋”的事件。很多人对核电站的概念模糊，但核电站似乎给人的映像一直是：核电站安全性不高，核废物会危害健康，住在核电站附近容易受到核辐射等等。那么，这些担心究竟是都真有必要？核电站的安全性真的不高吗？

HT 用 3D 可视化的方式为大家科普核电站的工作原理，让大家对当前核电站能有最基本的初步了解，核工业本来就是一个沉甸甸的行业，从它诞生的那时起就跟国家的命运紧密结合，我们的老一辈核工业人，通过他们的奉献诠释出了“两弹一星”的精神和核工业的精神。

界面简介及效果预览

目前世界上的核电站 60%以上都是压水堆核电站，其主要由反应堆、蒸汽发生器、汽轮机、发电机及有关系统设备组成。因此，我们应用 HT for Web 自主研发的强大的 2D/3D渲染引擎，经过搭建场景和动画驱动制作了压水堆核电站发电的工作原理可视化。

整体场景以及交互预览：

通过点击各部位的名字，如果有信息面板的话相应的信息面板会显示，隐藏上一个显示的面板，名字做高亮处理，没有信息面板的只处理名字的高亮效果。

模拟原理动画分析

在核电站中，反应堆的作用是进行核裂变，将核能转化为水的热能。

水作为冷却剂在反应堆中吸收核裂变产生的热能，成为高温高压的水然后沿管道进入蒸汽发生器的U型管内，将热量传给U型管外侧的水，使其变为饱和蒸汽。冷却后的水再由主泵打回到反应堆内重新加热，如此循环往复，形成一个封闭的吸热和放热的循环过程，这个循环回路称为一回路，也称核蒸汽供应系统。一回路的压力由稳压器控制。由于一回路的主要设备是核反应堆，通常把一回路及其辅助系统和厂房统称为核岛（NI）。

反应堆

由上述反应原理可以了解到，反应堆和燃气灶的原理其实没有本质不同，其主要作用加热水产生水蒸气带动汽轮机发电。这里我们应用了可视化技术模拟了水注入反应堆后加热的过程，水位的变化使得整个动画更加形象的展示出反应堆的工作状态。

主泵

如果把反应堆中的冷却剂比做人体血液的话，那主泵则是心脏。它的功用是把冷却剂送进堆内，然后流过蒸汽发生器，以保证裂变反应产生的热量及时传递出来。我们在这里用闪动的亮光来展示其工作状态。

稳压器

稳压器又称压力平衡器，是用来控制反应堆系统压力变化的设备。在正常运行时，起保持压力的作用；在发生事故时，提供超压保护。压力上升过程中，我们加入了波动的效果以展示稳压器内压力的变化。

蒸汽发生器

它的作用是把通过反应堆的冷却剂的热量传给二次回路水，并使之变成蒸汽，再通入汽轮发电机的汽缸作功。如图，上部分圆形转动时，气泡根据大小不同上升的速度也不相同；中间传送带的走动更加清晰的展示了正在工作；底下水位升降时，水波也在动作，使整体效果更为贴切。

由蒸汽发生器产生的水蒸汽进入汽轮机膨胀作功，将蒸汽的热能转变为汽轮机转子旋转的机械能。汽轮机转子与发电机转子两轴刚性相连，因此汽轮机直接带动发电机发电，把机械能转换为电能。

作完功后的蒸汽（乏汽）被排入冷凝器，进行冷却凝结成水，然后由凝结水泵送入加热器预加热，再由给水泵将其输入蒸汽发生器，从而完成了汽轮机工质的封闭循环，我们称此回路为二回路。循环冷却水二回路系统与常规火电厂蒸汽动力回路大致相同，故把它及其辅助系统和厂房统称为常规岛（CI）。

凝结水泵

中间风扇转动示意工作正在进行，根据管道内运动方向来决定风扇的逆时针或者顺时针的转动情况。

换料水箱

通过水位的升降来展示；同理展示的还有辅助给水泵、地坑等。

碳酸箱

我们增加了水的波动效果，让动画更加形象的展示了这种类型的箱体的工作状态。同理展示的还有除盐水箱、化学药物混合罐、容控器等。

低压加热器

每个加热器的位置推达点不同，在视觉上更逼真、更有科技感的效果，同理展示的还有高压加热器。

除氧器

下部分水位升降时带动水波动，上部分的氧气根据形状的大小移动速度也不相同。

综上所述，核能发电包括核能→热能→机械能→电能的能量转换全过程。其中后两种能量转换过程与常规火力发电厂内的工艺过程基本相同，只是在设备的技术参数上略有不同。核反应堆从功能上相当于火电厂的锅炉系统（火电站用锅炉“烧水”）。但由于它是强放射源，流经反应堆的冷却剂带有一定的放射性，一般不宜直接送入汽轮机，所以压水堆核电站比普通电厂多了一套动力回路。

上面说了那么多，那么，核电站到底是个好东西还是坏东西？它跟传统能源先比有什么优势？

核电站的优势

可以从核能的环保型、经济性、安全等方面来与传统能源做一个简单的对比。

（ 1 ）环保方面：核电在产生能源的过程中没有温室气体和污染物的排放。在正常运行情况下，核能系统的放射性剂量，只有天然辐射剂量的千分之一到百分之一。也就是说，如果你去坐飞机，你接受到的剂量可能比你在核电站旁边还要高很多；

（ 2 ）经济方面：核电的发展历史并不长，但是发展的速度非常快，目前它的电价已经接近煤的电价了，如果再考虑到雾霾治理的相关费用支出等一些综合性问题，核电的经济效益从整个国家来考虑非常有优势；

（ 3 ）安全方面：核电是安全能源，发生事故的可能性小。核电是世界上最安全的行业之一。全世界50年来500多座核电反应堆在其总共1万2千多堆年的运行历史中，只在上世纪七八十年代发生过两起堆芯熔化的严重事故。现在核电站的安全性能更好，发生事故的可能性更小。

核电系统是一个非常复杂的工业系统，代表着我们国家综合工业实力，是大国竞争的阵地。核工业是高科技的战略产业，是国家安全的重要基石。在这样一种综合效应的考虑之下，核电应该是大国战略的必然选择。

我国核电站的发展

核电站自 20 世纪 50 年代开始，根据其工作原理和安全性能的差异，可将其分为四代。1951 年，美国最先建成世界上第一座实验性核电站，被称为第一代核电站。到如今已经发展到第四代核电站。

我国核电站的建设始于 20 世纪 80 年代中期。首台核电机的组装在秦山核电站进行，1985 年开工，1994 年商业运行，电功率为 300MW ，为我国自行设计建造和运行的原型核电机组。使我国成为继美国、英国、法国、苏联、加拿大和瑞典后，全球第 7 个能自行设计建造核电机组的国家。截至 2013 年 2 月，我国大陆已建成并投入商业运行的核电站有 7 个，分别为浙江秦山核电站一期、二期、三期，广东大亚湾核电站和岭澳核电站一期、二期，江苏田湾核电站，共 15 台机组，还有 28 台机组处于建设中。

核电站的工作原理

核电站是利用核裂变反应所释放的能量产生电能的发电厂，就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电，或发电兼供热的动力设备。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。而现如今世界上只能利用裂变的链式反应产生的能量来发电。

核电站用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方，成为我们日常生活中不可或缺的能量。

总结

近年来为实现核能的长远可持续性发展，世界各国提出了许多新概念的反应堆设计和燃料循环方案。最新提出的第四代核电站的性能要求以及美国最近颁布的新的能源政策，都贯穿一条主线，就是要提高安全性、改善经济性，在满足确定的安全要求的条件下，争取最好的经济性。所以将来的核电必然更加普及更加安全，大众应对核电充满信心。

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