核電廠LED水下照明裝置的應用探討

莫非

中核國電漳州能源有限公司 福建漳州 363300

1 核電廠水下照明裝置的功能、結構介紹

核電廠水下照明裝置安裝于核電廠換料水池、堆內構件堆放池、乏燃料水池壁上，在核反應堆停堆換料期間、核燃料組件裝卸運輸時提供照明，分為固定式和移動式，且大部分為移動式。相比于常規的裝置，核電廠水下照明裝置的使用環境中存在一定劑量的放射性，要求燈具透光罩在壽期內白光吸收不高于5%。

水下照明裝置主要由燈具、提升機構、失水保護裝置等組成。

燈具主要由燈頭、不銹鋼反光罩和保護罩等組成。根據燈具光源的不同目前有鹵鎢燈水下照明裝置和LED水下照明裝置，以下為分別簡稱鹵鎢燈和LED燈[1]。

提升機構：提升機構是將燈具連接到其燈具支架上的裝置。提升機構懸掛在水平支撐桿上，既可固定也可左右移動位置。每套提升機構上一般放置兩套燈具，既可同時開啟，也可互作備用。

失水保護裝置：一般采用液位浮球，水位過低時觸發回路接觸器動作而斷電。因為鹵鎢燈必須在水中點亮，否則燈具保護罩玻璃在鹵鎢燈產生的高溫下會破裂損壞，如果因此產生小異物落入乏燃料水池或換料水池內將極難處理，甚至導致機組不能正常啟動或安全穩定運行，產生較大經濟損失。

2 環境條件和主要參數

換料水池、堆內構件堆放池、乏燃料水池的水溫≤50℃，最高80℃。

燈具主要參數：鹵鎢燈功率約1600W，壽命一般略高于1000小時；LED功率約200W，根據試驗壽命高于20000小時，其他技術指標兩種燈相當。

3 鹵鎢燈和LED燈的比較分析

早期建成的國內核電廠水下照明裝置多用進口產品，設備、備件價格高，維護繁瑣，后續已被國產鹵鎢燈取代。近年來隨著LED照明產業的不斷發展，目前已有國產LED燈問世，并在某核電廠小批量試用，反饋較好。下面比較兩種裝置，各示優缺[2]。

前提：①國內核電廠絕大部分為壓水堆機組，僅考慮壓水堆機組。根據目前國內核電廠水下照明裝置的工作制，壓水堆機組一般在接換料操作期間點亮。②水下照明裝置絕大部分故障為光源損壞，而光源與燈具的備件費用相當，所以僅比較燈具使用的費用。③相比鹵鎢燈，LED燈體積更小，其他結構幾乎沒有差異，且安裝位置不變，所以在燈具光通量相當的情況下工作面照度值變化不大。

3.1 經濟性

以目前國內核電建造數量最多的M310改進型壓水堆機組為例，統計某核電機組的3個換料大修周期（每個周期約1年）維護情況，總共42盞約更換21盞。1個換料大修周期內鹵鎢燈的大致工作時間見下表：

即1個換料大修周期每盞燈平均點亮時間約為：（312+420+504）÷42×24≈706小時，需要說明的是由于實際使用中頻繁開關鹵鎢燈會造成光源故障損壞，所以部分鹵鎢燈的實際使用壽命會低于1000小時。

假設每盞鹵鎢燈的采購價為A，根據實際采購情況，光源或燈具備件的價格一般與首次購買時相當，從使用第二年開始計算當年Y的鹵鎢燈的總費用F為：F=42×A+（Y-1） ×21×A。

目前國產LED燈的價格約為3．5A，則水下照明裝置使用LED燈時一次性投入的費用f為：f=3．5A×42=147A，相比即是鹵鎢燈第6年的使用總費用。另外，估算每盞LED燈可以使用的大修換料周期為：20000÷706≈28，雖然現實情況中燈具使用28個大修換料周期而不損壞的情況較難出現，但以上計算可見長期使用，LED燈的經濟性要更好。

3.2 節能增效

一個換料大修期間每盞燈的點亮時間706小時，每盞LED燈相比鹵鎢燈功率低1400W，則一臺機組一個換料大修周期LED燈可節能：706×1400×42=41512．8kW·h，按核電機組標桿電價0．42元計，節能電量送入電網后每個換料周期粗略估算可產生約17435元效益，而核電廠一般建造4臺機組甚至6臺機組，每臺機組節能增效相加將產生一定的經濟效益。

3.3 維護工作量

換料大修期間換料水池、堆內構件池水深均約12米，乏燃料水池水深也長期維持在約12米，由于提升機構的安裝在池壁上，故障燈具的更換維修時需工作人員鉆出池邊圍欄空隙，爬在池邊探出上半身向下操作，屬核電廠高風險臨邊作業，而池水由于具有一定的放射性，撈出燈具時需注意，以免池水接觸到人體而引起工作人員沾污，進一步提高了工作風險。實際操作中，故障燈具一般整體更換，從取得工作許可證到歸還工作許可證最少需2名熟練工作人員耗時0．5天，21盞燈則需耗費10．5人·天，還未考慮后續可能存在的更換光源的工作量，相對而言LED燈更換維修量更低從而有效減少維護工作量，且明顯降低工作安全風險[3]。

3.4 放射性廢物量

如前所述，燈具在池水中工作，故障撈出時不可避免放射性池水會附著于燈具表面，如果考慮更換故障光源，需要先對燈具進行去污，將產生一定量的放射性廢水；如果考慮棄用故障燈具，則整個燈具都將變成固體放射性廢物，運往專門廠房進行固化處理存放，上述兩種方式都將產生放射性廢物，而核電廠產生的放射性廢物量是有限制的，處理儲存也需要成本，所以更換維修量更低的LED燈更能降低放射性廢物的產生量，降低廢物的處理存放成本。

4 結語

根據上述比較分析，從長期使用來看，LED燈水下照明裝置的經濟性更好，有一定節能增效作用，能夠有效降低維護工作量和工作安全風險，產生更少的放射性廢物。另外，考慮到LED照明產業的不斷發展，后續LED燈的成本將進一步降低，從而使LED水下照明裝置具有更強的競爭優勢。