自上世紀初科學家們首次發現原子核的奧秘，到今天我們通過核反應堆將其轉化為電力，核能的應用歷程堪稱人類科技發展的輝煌篇章。相比傳統的燃燒化石燃料，核能的優勢在于它能在不依賴化石資源的情況下，產生海量的電力，并且釋放的溫室氣體極為有限。因此，核能被廣泛認為是一種清潔、低碳的能源解決方案，尤其在全球面臨氣候變化壓力、推動低碳經濟轉型的今天，核能的角色愈加重要。

核能的產生源自原子核的結構。原子核由質子和中子構成，質量非常大，且聚集了巨大的能量。核能的核心技術之一是核裂變，重核元素，如我們經常耳聞的鈾-235等重核元素在中子撞擊下分裂為更輕的原子核的過程。裂變反應釋放出巨大的能量，作為熱能被利用來產生蒸汽，強力驅動發電機組。與傳統的火力發電站依靠燃燒化石燃料不同，核電站使用的能源來源是“鈾”這種礦物，它的能量密度比石油、天然氣等化石燃料高得多，一噸鈾-235所釋放的能量，相當于約200萬噸煤炭的熱量。

圖1 核裂變原理（目前該圖較為模糊）

在進入1980年代時后，改革開放為我國社會的經濟帶來了飛速發展。但隨著工業化進程加速，國內能源需求也急劇地上升，電力供應已然成為制約國家經濟發展的核心瓶頸之一。而此時，我國的能源結構還是以煤炭為主，盡管國內煤炭資源豐富，但其高污染、高排放的特點對環境造成了巨大壓力。與此同時，天然氣等能源資源的開發仍在初期階段，難以滿足龐大的需求。加之水力、風力、太陽能、生物能和潮汐能等多種新能源在發電過程中仍面臨多種限制條件，在建設和運行中容易破壞生態環境，甚至可能導致物種滅絕。如何尋找一條既能滿足能源需求又能減少環境負擔的能源途徑，成為當時我國面臨的重大挑戰。

圖1 大亞灣核電基地

大亞灣核電站的建設便是我國核能發展史上的重要一步。大亞灣核電基地位于深圳大亞灣，是由大亞灣核電站、嶺澳核電站一、二期等組成的綜合核電基地。作為我國第一座大型商用核電站，大亞灣核電站與法國合作，成功引進了法國的壓水堆（PWR）技術。這項技術不僅是當時世界上最先進的核能技術之一，也成為我國核電發展初期技術引進的重要突破。

大亞灣核電站的核心組成部分包括反應堆、冷卻系統、發電機組、控制系統等多個關鍵設施。其中，反應堆是核電站的心臟，堆芯由核燃料（如鈾）和冷卻劑（輕水）構成，負責通過核裂變反應釋放出大量能量。為了控制核裂變的速率并保持反應的穩定，控制棒被放置在堆芯中。這些控制棒由能夠吸收中子的材料（如硼或鎘）制成，通過插入或退出堆芯來調節裂變反應的速度。

圖2 壓水堆核電站結構圖

冷卻系統分為兩個主要回路：一回路（主循環回路）和二回路（蒸汽發生器回路）。

一回路（主回路）：這一回路中流動的是冷卻劑（水），其主要任務是吸收反應堆中產生的熱量。冷卻劑通過冷卻泵被加壓并循環流動，進入反應堆堆芯，并將熱量帶走。由于一回路中的冷卻劑和反應堆直接接觸，所以必須保持其溫度高于水的沸點，以避免沸騰。而為了防止冷卻劑的沸騰，必須對其進行加壓，這也就是“壓水堆”名稱的由來。

二回路（蒸汽發生器回路）：一回路中的加熱水通過蒸汽發生器傳遞熱量給二回路中的水。在蒸汽發生器中，熱的冷卻劑流入U形管并通過傳熱將熱量傳遞給二回路中的水。二回路中的水受熱后變成飽和蒸汽，然后通過管道輸送到汽輪機，推動汽輪機發電。這個過程中，二回路中的水并未與核反應堆直接接觸，避免了核輻射的傳播。

在核電站這樣一個高科技、高風險的環境中，每一項技術改進都直接關系到安全、效率和持續發展的能力。大亞灣核電站在運營的過程中，迎來了一個重要的技術進步——數字化控制系統（DCS）的引入。這個改造不僅是為了適應時代的變化，更是核電站提升安全性、提高運行效率的關鍵步驟。

回到大亞灣核電站剛開始運行的時候，儀控系統使用的是20世紀70年代的技術，這些設備依賴模擬量板件和繼電器來執行控制任務。這些老朋友雖然在當時為核電站的安全運行提供了保障，但隨著使用年限的增加，它們逐漸暴露出了許多問題。在這種背景下，大亞灣核電站決定進行一次革命性的升級。

引入DCS系統后，大亞灣核電站的操作變得更加精準和高效。反應堆的溫度和壓力控制不再依賴人為的操作判斷，而是通過實時的數據分析和自動調節來確保最佳運行狀態。再比如，傳統的模擬系統中需要人工干預的監控和數據分析，經過DCS的數字化升級后，已經可以通過計算機程序自動完成，大幅提高了響應速度。不僅如此，通過數字化界面，工作人員可以實時查看各項設備的運行狀態，并通過數據的精準采集與分析，及時發現潛在的問題，從而提前預防故障的發生。這種預見性是傳統模擬控制系統無法比擬的。

圖3 全范圍閉環測試總體方案示意圖

為了確保數字化控制系統的順利運行，大亞灣核電站采用了全范圍閉環測試的方法。這一測試方法通過將仿真工藝系統引入DCS測試環境，模擬核電站在實際運行中的所有操作情景。通過這種方法，系統中的設計缺陷與系統投入運行前對潛在的風險都無處遁藏。要知道，以往類似的測試往往只能在現場進行。

三十年核能安全運行：數字背后的故事

自1994年正式投產以來，大亞灣核電站的安全運營已歷經三十年，成為全球核電行業的重要典范。至2024年6月，大亞灣核電站及在其側的嶺澳核電站所共同組成核電基地，六臺機組累計上網電量9597億度，其中為我國香港輸送的電量就達3104千瓦時，占香港總用電量的三分之一。在香港，電力需求的季節性波動較大，在夏季高溫時期尤為明顯，電力需求急劇上升。而大亞灣核電基地作為一項穩定可靠的能源來源，能夠在關鍵時刻提供穩定的電力供應，確保香港不會因電力短缺而受到影響。

而且根據前文的介紹已知如前所述，與煤炭和天然氣等傳統能源相比，核電站的運行幾乎不產生直接的溫室氣體排放，其在促進全球減排、應對氣候變化方面具有獨特的優勢。據統計，大亞灣核電站的累計電量已經幫助減少了數百萬噸的二氧化碳排放，相當于種植了數百萬公頃的森林，面積相當于10 個深圳市或17個香港。

圖4 全國在運行在役核電站分布圖

根據《電力發展“十三五”規劃》（目前十四五都已經即將結束了，替換成十五五規劃），未來燃煤發電比例將逐步降至58%，而核電作為一種穩定、低碳的能源選擇，正成為填補火電缺口的重要選項。目前，我國已經成為全球在役在運核電機組規模最大的國家，各地核電站的布局和運行也在不斷拓展，如廣東的大亞灣、臺山，福建等地，并已逐漸形成全球領先核電集群。我國自主核電技術在國際市場上逐漸獲得認可，為全球核電行業發展提供了中國方案。

參考文獻

李明鋼,王嫘.大亞灣核電站DCS改造全范圍閉環測試系統研制與應用[J/OL].核動力工程,1-6[2024-11-05].

方月建.壓水堆核電站穩壓器的建模與控制[D].華北電力大學(北京),2020.

文章由科普中國-創作培育計劃出品，轉載請注明來源。

作者：蔡文垂 科普作者

審核：梁忠偉 廣州大學機電學院 副院長

來源: 星空計劃

內容資源由項目單位提供