自上世纪初科学家们初次发现原子核的奥秘，至今大家通过核反应堆将它转化为电力，核能的应用经历堪称人类科技进步的辉煌篇章。相比传统的燃烧化石燃料，核能的优势在于它能在不依靠化石资源的状况下，产生大量的电力，并且释放的温室气体极为有限。因此，核能被广泛觉得是一种清洗、低碳的能源解决方法，特别在全球面临气候变化重压、推进低碳经济转型的今天，核能的角色更加要紧。

核能的产生来源于原子核的结构。原子核由质子和中子构成，水平很大，且聚集了巨大的能量。核能的核心技术之一是核分裂转变，重核元素，如大家常常耳闻的铀-235等重核元素在中子撞击下分裂为更轻的原子核的过程。分裂转变反应释放出巨大的能量，作为热能被借助来产生蒸汽，强力驱动发电机组。与传统的火力发电站依赖燃烧化石燃料不同，核电站用的能源来源是“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，等于约200万吨煤炭的热量。

图1 核分裂转变原理（现在该图较为模糊）

在进入1980年代时后，改革开放为国内社会的经济带来了高速发展。但伴随工业化进程加速，国内能源需要也急剧地上升，电力提供已然成为制约国家经济进步的核心瓶颈之一。而此时，国内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、高排放的特征对环境导致了巨大重压。同时，天然气等能源资源的开发仍在初期阶段，不能满足庞大的需要。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，甚至可能致使物种灭绝。怎么样探寻一条既能满足能源需要又能降低环境负担的能源渠道，成为当时国内面临的重大挑战。

图1 大亚湾核电基地

大亚湾核电站的建设便是国内核能进步史上的要紧一步。大亚湾核电基地坐落于深圳大亚湾，是由大亚湾核电站、岭澳核电站1、二期等组成的综合核电基地。作为国内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。这项技术不止是当时世界上最早进的核能技术之一，也成为国内核电进步初期技术引进的要紧突破。

大亚湾核电站的核心组成部分包含反应堆、冷却系统、发电机组、控制系统等多个重点设施。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，负责通过核分裂转变反应释放出很多能量。为了控制核分裂转变的速率并维持反应的稳定，控制棒被放置在堆芯中。这类控制棒由可以吸收中子的材料（如硼或镉）制成，通过插入或退出堆芯来调节分裂转变反应的速度。

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。因为一回路中的冷却剂和反应堆直接接触，所以需要维持其温度高于水的沸点，以防止沸腾。而为了预防冷却剂的沸腾，需要对其进行加压，这也就是“压水堆”名字的起源。

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，推进汽轮机发电。这个过程中，二回路中的水并未与核反应堆直接接触，防止了核辐射的传播。

在核电站如此一个高科技、高风险的环境中，每一项技术改进都直接关系到安全、效率和持续进步的能力。大亚湾核电站在运营的过程中，迎来了一个要紧的技术进步——数字化控制系统（DCS）的引入。这个改造不止是为了适应年代的变化，更是核电站提高安全性、提升运行效率的重点步骤。

回到大亚湾核电站最初运行的时候，仪控系统用的是20世纪70年代的技术，这类设施依靠模拟量板件和继电器来实行控制任务。这类老友虽然在当时为核电站的安全运行提供了保障，但伴随用年限的增加，它们渐渐暴露出了很多问题。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愈加精确和高效。反应堆的温度和重压控制不再依靠人为的操作判断，而是通过实时的数据剖析和自动调节来确保最好运行状况。再譬如，传统的模拟系统中需要人工干涉的监控和数据剖析，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，大幅提升了响应速度。不只这样，通过数字化界面，员工可以实时查询各项设施的运行状况，并通过数据的精确采集与剖析，准时发现潜在的问题，从而提前预防问题的发生。这种预见性是传统模拟控制系统没办法比拟的。

图3 全范围闭环测试总体策略示意图

为了确保数字化控制系统的顺利运行，大亚湾核电站使用了全范围闭环测试的办法。这一测试办法通过将仿真工艺系统引入DCS测试环境，模拟核电站在实质运行中的所有操作情景。通过这种办法，系统中的设计缺点与系统投入运行前对潜在的风险都无处遁藏。要了解，以往类似的测试总是只能在现场进行。

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要紧典范。至2024年6月，大亚湾核电站及在其侧的岭澳核电站所一同组成核电基地，六台机组累计上网电量9597亿度，其中为国内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，电力需要的季节性波动较大，在夏天高温时期尤为明显，电力需要急剧上升。而大亚湾核电基地作为一项稳定靠谱的能源来源，可以在重点时刻提供稳定的电力提供，确保香港不会因电力短缺而遭到影响。

而且依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、应付气候变化方面具备独特的优势。据统计，大亚湾核电站的累计电量已经帮助降低了数百万吨的二氧化碳排放，等于种植了数百万公顷的森林，面积等于10 个深圳或17个香港。

图4 全国在运行在役核电站分布图

依据《电力进步“十三五”规划》（现在十四五都已经马上结束了，替换成十五五规划），将来燃煤发电比率将逐步降至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要紧选项。现在，国内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，并已渐渐形成全球领先核电集群。国内自主核电技术在国际市场上渐渐获得认同，为全球核电行业进步提供了中国策略。

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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