核用LED水下照明裝置的研究與應(yīng)用

荊波，詹大和，曹傳陽

（中核核電運行管理有限公司技術(shù)二處，浙江 海鹽 314300）

目前，用于核電廠反應(yīng)堆堆腔水池、燃料換料水池、乏燃料貯存水池等有放射性水池水面以下的照明裝置光源基本上都是鹵鎢燈,如圖1所示，鹵鎢燈存在易炸裂、壽命短和光效低等缺點，因此，需要尋找一種更安全可靠、節(jié)能環(huán)保、節(jié)約成本的核用水下燈，來替換現(xiàn)有的傳統(tǒng)鹵鎢燈。目前，LED光源，如圖2所示，在常規(guī)照明裝置中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，具有體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、低熱量、環(huán)保、堅固耐用等優(yōu)點；采用LED光源替代鹵鎢燈光源，對核用水下照明裝置進(jìn)行改造，可以克服目前鹵鎢燈存在的缺點，為核電廠節(jié)約成本，減少放射性固體核廢物的后處理和對環(huán)境的污染。

圖1 鹵鎢燈

圖2 LED光源

1 核電廠水下照明裝置的主要技術(shù)要求

在核電廠反應(yīng)堆運行期間，需要完成組件貯存、檢查及外運的操作，必須有良好的照明質(zhì)量以保證各項操作按要求完成，水下照明設(shè)備是核反應(yīng)堆及其乏燃料組件儲存水池進(jìn)行水下觀察和操作必備的照明設(shè)備。結(jié)合反應(yīng)堆燃料組件裝卸操作與儲存的環(huán)境和輻射的影響，對照明設(shè)備的性能進(jìn)行綜合考慮，主要技術(shù)要求如下：

1.1 環(huán)境要求

水下照明設(shè)備應(yīng)能在溫度10～60℃，PH值4.7～5.5（25℃），濃度2300～2500ppm去離子水中連續(xù)工作720h；燈具耐水壓≥0.2MPa。

1.2 耐輻照

光源承受2.5×104Gy劑量輻照后，光通維持率≥85%；燈具殼體及反射器經(jīng)2.5×106Gy劑量輻照后不變形、不損壞、不龜裂；燈具透光罩承受2.5×104Gy劑量輻照后不能變色，白光吸收不高于5%。

1.3 防炸裂

水下照明燈在正常工作狀態(tài)下不應(yīng)發(fā)生炸裂；水下照明燈即使一旦發(fā)生炸裂，也不應(yīng)有任何炸裂碎片落入使用環(huán)境的水體中。

1.4 材料要求

水下照明燈的所有材料均應(yīng)耐腐蝕、耐輻照、抗老化和不污染水體；水下照明燈的所有材料不允許含汞，有機材料不得含氯離子，機械部分由奧氏體不銹鋼制造，有可能與水接觸的材料不應(yīng)使用碳鋼、銅或鋁。

2 傳統(tǒng)核電廠水下照明裝置的現(xiàn)狀

目前，用于核電廠反應(yīng)堆堆腔水池、燃料換料水池、乏燃料貯存水池等有放射性水池水面以下的照明裝置光源基本上都是大功率（一般都在1500W以上）的鹵鎢燈，圖3是福清核電廠乏燃料貯存水池,采用的是鹵鎢燈的照明。

圖3 福清核電廠乏燃料貯存水池

鹵鎢燈有以下缺點：

（1）鹵鎢光源易炸裂，鹵鎢光源功率大，屬于熱輻射光源，正常工作時發(fā)熱量大，一旦外部環(huán)境冷熱不均，極易產(chǎn)生炸裂情況，而一旦產(chǎn)生炸裂，碎片落入水中，打撈代價昂貴。

（2）鹵鎢光源壽命短，一般鹵鎢燈的壽命都在1000h左右，在換料期間需要持續(xù)照明720h以上，因為光源壽命短需大量增加換燈次數(shù)，這不但增加了核電廠的維護(hù)成本，還增加了放射性固體廢物的后處理和人員放射性輻照劑量。

（3）鹵鎢燈的光效低，一般光效為15～20lm/w，在相同照度要求的情況下，相對LED光源，鹵鎢燈功耗更大，增加了能源浪費。

GB/T 14094-2016《鹵鎢燈（非機動車輛用）性能要求》也明確規(guī)定了帶R7S燈頭的管形泛光鹵鎢燈的功率、光通量和壽命，如表1。

表1 R7S燈頭的管形泛光鹵鎢燈的功率、光通量和壽命

隨著LED光源技術(shù)的不斷發(fā)展，其穩(wěn)定性也在不斷增強，壽命和光效在不斷提高，已經(jīng)成為新一代主流照明光源產(chǎn)品，LED光源的相關(guān)優(yōu)點恰好可彌補鹵鎢燈的不足，發(fā)展LED光源產(chǎn)品必然成為大勢所趨。

3 核用LED水下照明裝置的研究和特點

本研究使用固態(tài)光源——LED作為核電廠水下照明裝置的光源，考慮其在光學(xué)特性、體積、散熱等方面有別于鹵鎢光源，因此采用特殊的光學(xué)器具和結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮其特長，避免光通量的損耗，提高燈具效能。

3.1 安全性大幅提高

裝置采用LED光源，從根本上避免了傳統(tǒng)鹵鎢燈玻璃外殼光源因高溫、應(yīng)力等因素而產(chǎn)生炸裂的可能性，避免給核電廠核燃料水池及其回路帶來潛在危險，為核電廠提供更加安全的保障；LED燈具用于核電站的反應(yīng)堆堆芯水池或燃料水池中，就不允許發(fā)生炸裂的事故，因為，水下鹵鎢燈一旦發(fā)生炸裂，玻璃碎片或其他異物就有可能掉入堆芯，要清除這些碎片十分麻煩，經(jīng)濟上的損失少則上千萬元，甚至上億元，而且操作人員在清除碎片時將會收到高劑量的輻射，如果碎片落入燃料棒未能及時發(fā)現(xiàn)或清除，將會引起重大的核事故，這不但危及核電廠的安全，還可能危及周圍居民的生命安全。

3.2 壽命長

LED光源壽命≥30000h，水下連續(xù)工作時間3000h的光通維持率為94.2%，是鹵鎢燈光源壽命的30倍，大幅減少了換燈的次數(shù)，為核電廠反應(yīng)堆停堆換料節(jié)約了換燈時間，并減少了操作人員輻射劑量和固體核廢物的后處理。

3.3 耐輻照

設(shè)計采用耐輻照的LED光源和燈具，經(jīng)3×104Gy輻照后，表面無異常，透光部件顏色呈微黃色，產(chǎn)品外觀未變形、未損壞、為龜裂，透光率下降7.4%。

3.4 節(jié)能環(huán)保

裝置采用LED光源，功率為200W，僅為傳統(tǒng)鹵鎢燈的1/8。

3.5 體積小，操作靈活

燈具外形尺寸為Φ160×108mm，僅為傳統(tǒng)鹵鎢燈的1/3，大大提升了操作靈活性，且減少了與其他核設(shè)備干涉的可能性。

3.6 調(diào)節(jié)范圍大

由于燈具體積的減小，裝置可設(shè)計更大的調(diào)節(jié)范圍，可實現(xiàn)仰俯調(diào)節(jié)0～90°，方位角左右轉(zhuǎn)動各90°，擴大了照明范圍，全方位照明無死角。

4 經(jīng)濟成本分析

目前，國內(nèi)核電廠運行最多的是壓水堆型，1套核用水下燈一般每年的累積點燈時間約為3000h，我們以1個機組用40套燈為例進(jìn)行經(jīng)濟分析，如表2所示。

表2 經(jīng)濟分析表

表2列出了兩種照明方案經(jīng)濟分析比較計算的各項細(xì)節(jié)，可以看出，采用LED光源和燈具的方案II大大優(yōu)于鹵鎢燈的方案I，而且鹵鎢燈的發(fā)光效率低、壽命短，鹵鎢燈管容易炸裂，存在極大的安全隱患，年耗電費及更換光源費用都高，產(chǎn)生的固體核廢物也多。截至2019年6月，中國運行核電機組47臺，大約90%的水下照明的光源都是鹵鎢燈，如果全部換成LED光源，根據(jù)上述經(jīng)濟成本分析，每年僅耗電量可至少節(jié)約700萬度。

5 LED水下照明裝置的應(yīng)用

2017年，該裝置已經(jīng)首先在三門核電一期工程和阿爾及利亞B1B2項目中得到應(yīng)用，因為產(chǎn)品性能穩(wěn)定、操作靈活、照明效果良好得到了顧客的好評。2017年6～9月，還在中廣核大亞灣核電站進(jìn)行了兩個階段的試用，第一階段在技能中心，連續(xù)點亮11天，如圖4。第二階段在廠房的水池中連續(xù)點亮60天，如圖5，通過試用和對比，核電廠維護(hù)工程師及專家對該產(chǎn)品給予了充分的肯定，特別是在安全性和使用壽命方面具有明顯優(yōu)勢，現(xiàn)已推廣到嶺東核電和陽江核電。

圖4 技能中心

圖5 廠房水池

秦山核電三期是我國首座重水堆，該堆型與壓水堆不同的是采用不停堆換料，水下燈處于常亮狀態(tài)，之前采用的是鹵鎢燈，因其壽命短，每個月都要換光源，更換光源的費用高，維護(hù)工作量大，2018年完成了LED燈改造后，至今未更換光源，也無維護(hù)工作量，為業(yè)主節(jié)省了大量財力和物力，圖6是該裝置在秦山核電三期應(yīng)用的照片。

圖6 秦山核電三期應(yīng)用照片

6 結(jié)語

隨著LED新工藝、新技術(shù)的飛速發(fā)展，核用LED水下照明裝置在核電廠堆腔水池、卸料水池、乏燃料水池等水池中的應(yīng)用是安全可靠的，而且比傳統(tǒng)鹵鎢燈更具有明顯的優(yōu)勢，在今后的核電工程設(shè)計、建設(shè)中，應(yīng)著重加強核用LED水下照明裝置的推廣和應(yīng)用，并盡快完善該產(chǎn)品的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。未來采用高反射（或折射）率新材料、高光效大功率LED光源、更便捷精準(zhǔn)的加工工藝等，是創(chuàng)建環(huán)保光環(huán)境的發(fā)展方向。