三十年核能示范田-大亚湾核电站

自上世纪初科学家们首次发现原子核的奥秘，到今天我们通过核反应堆将其转化为电力，核能的应用历程堪称人类科技发展的辉煌篇章。相比传统的燃烧化石燃料，核能的优势在于它能在不依赖化石资源的情况下，产生海量的电力，并且释放的温室气体极为有限。因此，核能被广泛认为是一种清洁、低碳的能源解决方案，尤其在全球面临气候变化压力、推动低碳经济转型的今天，核能的角色愈加重要。

核能的产生源自原子核的结构。原子核由质子和中子构成，质量非常大，且聚集了巨大的能量。核能的核心技术之一是核裂变，重核元素，如我们经常耳闻的铀-235等重核元素在中子撞击下分裂为更轻的原子核的过程。裂变反应释放出巨大的能量，作为热能被利用来产生蒸汽，强力驱动发电机组。与传统的火力发电站依靠燃烧化石燃料不同，核电站使用的能源来源是“铀”这种矿物，它的能量密度比石油、天然气等化石燃料高得多，一吨铀-235所释放的能量，相当于约200万吨煤炭的热量。

图1 核裂变原理（目前该图较为模糊）

在进入1980年代时后，改革开放为我国社会的经济带来了飞速发展。但随着工业化进程加速，国内能源需求也急剧地上升，电力供应已然成为制约国家经济发展的核心瓶颈之一。而此时，我国的能源结构还是以煤炭为主，尽管国内煤炭资源丰富，但其高污染、高排放的特点对环境造成了巨大压力。与此同时，天然气等能源资源的开发仍在初期阶段，难以满足庞大的需求。加之水力、风力、太阳能、生物能和潮汐能等多种新能源在发电过程中仍面临多种限制条件，在建设和运行中容易破坏生态环境，甚至可能导致物种灭绝。如何寻找一条既能满足能源需求又能减少环境负担的能源途径，成为当时我国面临的重大挑战。

图1 大亚湾核电基地

大亚湾核电站的建设便是我国核能发展史上的重要一步。大亚湾核电基地位于深圳大亚湾，是由大亚湾核电站、岭澳核电站一、二期等组成的综合核电基地。作为我国第一座大型商用核电站，大亚湾核电站与法国合作，成功引进了法国的压水堆（PWR）技术。这项技术不仅是当时世界上最先进的核能技术之一，也成为我国核电发展初期技术引进的重要突破。

大亚湾核电站的核心组成部分包括反应堆、冷却系统、发电机组、控制系统等多个关键设施。其中，反应堆是核电站的心脏，堆芯由核燃料（如铀）和冷却剂（轻水）构成，负责通过核裂变反应释放出大量能量。为了控制核裂变的速率并保持反应的稳定，控制棒被放置在堆芯中。这些控制棒由能够吸收中子的材料（如硼或镉）制成，通过插入或退出堆芯来调节裂变反应的速度。

图2 压水堆核电站结构图

冷却系统分为两个主要回路：一回路（主循环回路）和二回路（蒸汽发生器回路）。

一回路（主回路）：这一回路中流动的是冷却剂（水），其主要任务是吸收反应堆中产生的热量。冷却剂通过冷却泵被加压并循环流动，进入反应堆堆芯，并将热量带走。由于一回路中的冷却剂和反应堆直接接触，所以必须保持其温度高于水的沸点，以避免沸腾。而为了防止冷却剂的沸腾，必须对其进行加压，这也就是“压水堆”名称的由来。

二回路（蒸汽发生器回路）：一回路中的加热水通过蒸汽发生器传递热量给二回路中的水。在蒸汽发生器中，热的冷却剂流入U形管并通过传热将热量传递给二回路中的水。二回路中的水受热后变成饱和蒸汽，然后通过管道输送到汽轮机，推动汽轮机发电。这个过程中，二回路中的水并未与核反应堆直接接触，避免了核辐射的传播。

在核电站这样一个高科技、高风险的环境中，每一项技术改进都直接关系到安全、效率和持续发展的能力。大亚湾核电站在运营的过程中，迎来了一个重要的技术进步——数字化控制系统（DCS）的引入。这个改造不仅是为了适应时代的变化，更是核电站提升安全性、提高运行效率的关键步骤。

回到大亚湾核电站刚开始运行的时候，仪控系统使用的是20世纪70年代的技术，这些设备依赖模拟量板件和继电器来执行控制任务。这些老朋友虽然在当时为核电站的安全运行提供了保障，但随着使用年限的增加，它们逐渐暴露出了许多问题。在这种背景下，大亚湾核电站决定进行一次革命性的升级。

引入DCS系统后，大亚湾核电站的操作变得更加精准和高效。反应堆的温度和压力控制不再依赖人为的操作判断，而是通过实时的数据分析和自动调节来确保最佳运行状态。再比如，传统的模拟系统中需要人工干预的监控和数据分析，经过DCS的数字化升级后，已经可以通过计算机程序自动完成，大幅提高了响应速度。不仅如此，通过数字化界面，工作人员可以实时查看各项设备的运行状态，并通过数据的精准采集与分析，及时发现潜在的问题，从而提前预防故障的发生。这种预见性是传统模拟控制系统无法比拟的。

图3 全范围闭环测试总体方案示意图

为了确保数字化控制系统的顺利运行，大亚湾核电站采用了全范围闭环测试的方法。这一测试方法通过将仿真工艺系统引入DCS测试环境，模拟核电站在实际运行中的所有操作情景。通过这种方法，系统中的设计缺陷与系统投入运行前对潜在的风险都无处遁藏。要知道，以往类似的测试往往只能在现场进行。

三十年核能安全运行：数字背后的故事

自1994年正式投产以来，大亚湾核电站的安全运营已历经三十年，成为全球核电行业的重要典范。至2024年6月，大亚湾核电站及在其侧的岭澳核电站所共同组成核电基地，六台机组累计上网电量9597亿度，其中为我国香港输送的电量就达3104千瓦时，占香港总用电量的三分之一。在香港，电力需求的季节性波动较大，在夏季高温时期尤为明显，电力需求急剧上升。而大亚湾核电基地作为一项稳定可靠的能源来源，能够在关键时刻提供稳定的电力供应，确保香港不会因电力短缺而受到影响。

而且根据前文的介绍已知如前所述，与煤炭和天然气等传统能源相比，核电站的运行几乎不产生直接的温室气体排放，其在促进全球减排、应对气候变化方面具有独特的优势。据统计，大亚湾核电站的累计电量已经帮助减少了数百万吨的二氧化碳排放，相当于种植了数百万公顷的森林，面积相当于10 个深圳市或17个香港。

图4 全国在运行在役核电站分布图

根据《电力发展“十三五”规划》（目前十四五都已经即将结束了，替换成十五五规划），未来燃煤发电比例将逐步降至58%，而核电作为一种稳定、低碳的能源选择，正成为填补火电缺口的重要选项。目前，我国已经成为全球在役在运核电机组规模最大的国家，各地核电站的布局和运行也在不断拓展，如广东的大亚湾、台山，福建等地，并已逐渐形成全球领先核电集群。我国自主核电技术在国际市场上逐渐获得认可，为全球核电行业发展提供了中国方案。

参考文献

李明钢,王嫘.大亚湾核电站DCS改造全范围闭环测试系统研制与应用[J/OL].核动力工程,1-6[2024-11-05].

方月建.压水堆核电站稳压器的建模与控制[D].华北电力大学(北京),2020.

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作者：蔡文垂 科普作者

审核：梁忠伟 广州大学机电学院 副院长