Осветление за ядрени съоръжения

Осветлението, предназначено за ядрени централи и хранилища, е подложено на много по-голямо натоварване в сравнение със стандартното осветление за индустриални нужди. В някои случаи осветителните тела работят при непрекъснат режим 24 часа в денонощието. Атомните електроцентрали (АЕЦ) изискват широк спектър от сложни и мощни решения за осветление, в това число осветление в хранилищата за отработено ядрено гориво, устойчиви осветителни тела за аварийно осветление, реакторни осветителни тела, осветление за подводни камери и др. Осветителното оборудване е изложено на много агресивни условия – температурни разлики, повишена влажност, прах, промени в електрозахранването и т.н. Всичко това поставя доста висока летва пред инженерите, специализирани в промишлено осветление.

Критерии за избор на подходящо осветление

Отговорността за проектиране на оптимално ефективно и надеждно решение за осветление и строгите изисквания за безопасност и опазване на околната среда изправят инженерните специалисти пред редица сложни съображения, които те трябва да вземат предвид при въвеждането на осветителна система в ядрени съоръжения. Първата стъпка е обследване за идентифициране на точните нива на осветеност на старото осветление, както и преглед на съществуващото потребление на енергия и необходимостта от подобрения, за да се прецени какви са параметрите, които трябва да се постигнат с новото осветление. След това екип осветителни специалисти следва да проектира и разработи цялостно решение за осветление, включително и стратегия за внедряване, за да се осигури непрекъснатост на обслужването на съоръженията, така че процесът на подмяна да не наруши режима на производство и да не затрудни оперативните процеси.

Планът за изпълнение на проект за осветление в едно ядрено съоръжение задължително трябва да отговаря на набор от технически въпроси – да се изберат най-ефективните и безопасни осветителни средства, да се отчете въздействието на средата върху ефективността поради излагане на облъчване и поддържане на съответствие с протоколите за оборудване в ядрени съоръжения.

Подводно осветление

Има много приложения за осветление на подводни ядрени съоръжения, които улесняват извършването и проследяването на важни производствени операции като движение на ядрено гориво, инспекции и поддръжка. При избора на системи за подводно осветление е важно да се намери решение, което отчита всички нужни параметри: осигуряване на интензивна осветеност, проектиране на осветителна система, която да издържи години, и прецизиране на детайли, като например избягване на системи с елементи, които има опасност да се отделят. Дори един малък винт или О-пръстен да се развие и отдели от системата, това може да доведе до скъпоструващо и времеемко източване на басейна и да наложи спиране на част от производството за известен период от време.

Задължителни изисквания са всички светлини за подводни ядрени съоръжения да бъдат изработени от неръждаема стомана със заоблени и гладки повърхности, позволяващи лесно почистване. Наличието на остри повърхности или ръбове създава риск работниците да скъсат предпазните си ръкавици или дрехи, което може да доведе до излагане на облъчване. Въпреки сложността на тези видове осветителни системи те трябва да бъдат разработени по такъв начин, че да не се изискват инструменти за повторно включване. Изборът на захранващите кабели, подводните конектори и материала за сегменти като протектори за лампи също трябва да бъдат добре обмислени. Специализираният поликарбонат с висока степен на удароустойчивост е най-подходящ за това приложение от всички термопласти. Той се характеризира с повече от 30 пъти по-висока устойчивост на удар на защитния рефлектор и осигурява повече от 300% по-висока устойчивост на радиационно облъчване от акрилните материали.

Влияние на радиацията върху стъклото

Стъклото е аморфен нееластичен твърд материал, често използван при осветителни тела; неговата проницаемост обикновено е около 92%. Въпреки че стъклото не притежава свойствата на кристалните вещества, основната му структурна единица е силициевият тетраедър, което го прави особено податливо на помътняване вследствие на радиационно облъчване, което е видимо разпознаваемо при малки дози облъчване от порядъка на 10 Gy (103 R). Оптичната плътност на стъклото винаги се увеличава при облъчване.

Прозрачните термопласти също изменят цвета си в среда на радиация. По тази причина за осветлението на камерата на реактора (и други области с висока радиация) е важно да се изберат осветителни тела с лещи, устойчиви на облъчване. Те могат да бъдат направени от кристални или близки до кристалните материали като кварц, които запазват своята прозрачност при излагане на 106 Gy (108 R). Друга алтернатива е те да бъдат легирани с добавки, които ще увеличат тяхната радиационна устойчивост.

Възвръщаемост на инвестицията

Най-важната причина за избора на осветление от висок клас за ядрените съоръжения е повишаването на ефективността на работата на инсталацията. Извършването на мащабни операции по басейн с отработено гориво, в който има тъмни участъци, където не достига светлина, изисква допълнително време и усилия, което се отразява негативно на всички процеси. Повечето атомни централи сменят горивото средно на всеки 18 – 24 месеца. Съхранението и използването на горивото под вода се налага, тъй като водата действа като радиационен щит. Обикновено горивото представлява 31%, а експлоатацията и поддръжката – 69% от разходите за производство на ядрена електроенергия. Приблизително 15% от сумарното време на прекъсване на работа на инсталацията се дължи пряко на подмяната на горивото. На тази операция се дължи най-голяма част от времето на прекъсване, тя отнема средно повече от шест дни и струва приблизително 2,27 милиона долара за една средно голяма централа. Благодарение на подобрения в подводното осветление ефективността на движението на горивото може да се повиши с 3%, което може да спести на централата 68 800 долара при всяко спиране на производството.

Осветителните тела за подводно осветление следва да се съобразяват с изискванията на конкретното предназначение, бистротата на водата, размера на басейна и общото количество осветеност, необходимо за отделни операции. В експлоатацията на съоръженията за движение на гориво и сградата на реактора например в стандартите се посочва, че нивата на осветеност трябва да бъдат 200, 300 и 500 лукса за “извършване на визуални задачи, при които е необходим висок контраст”. Изборът на едно от трите нива на осветеност зависи от комплексен коефициент, който отчита фактори като възрастта на работниците, скоростта на работа и/или точността и др.

Изчисляване на осветеността

За да се изчисли прецизно необходимата осветеност, трябва правилно да се прогнозират съответните коефициенти за интензитет на разпространение на светлинния поток в дадената среда от източника до осветяваната повърхност. Когато потокът се разпространява във въздух, се приема, че въздушната среда не поглъща и не разпръсква светлината. Когато обаче светлинният поток преминава през водна среда, трябва да се изчисли степента на поглъщане на светлината чрез отразяване и абсорбция от наличните в средата частици (общото затихване на излъчената светлина се формира от сумата на коефициентите на поглъщане и общия коефициент на разсейване). Светлинният поток се категоризира в шест типа на разпространение според геометрията и вида на излъчващия източник. Най-лесният за формулиране тип на разпространение е този от точков източник към точка от повърхност или диференциално осветявана зона. Осветителното тяло се счита за точков източник, ако разстоянието между източника и осветяваната повърхност е повече от пет пъти по-голямо от дължината на най-дългата страна на източника. При така зададените условия осветеността е функция и се изменя обратнопропорционално на квадрата на разстоянието. Описаното по-горе правило позволява точност на изчисленията от порядъка на 2% за дифузни излъчватели.

Например, ако приемем, че вертикалното разстояние между осветителното тяло и осветяваната повърхност е 7 м, ширината на басейна е 8 м и че първоначалният интензитет на светлината е 50 000 Cd (светлинен поток с 16 000 лумена, живот на лампата 4000 часа и лъч със средна степен на разсейване), при дължина на вълната 550 нанометра спектралната пропускливост на дестилирана вода ще бъде ~0,95/м. Специфичната пропускливост на водата в басейна се изменя, но може да се приеме, че тя е с чистота, близка до тази на дестилирана вода. При ядрени съоръжения с по-ниска степен на бистрота на водата трябва да се извършат изчисления на базата на намалената водопроницаемост. Като се имат предвид тези допуски, едно осветително тяло може да осигури осветеност от ~520 лукса на осветяваната повърхност. Въпреки това, ако проницаемостта на водата спадне само с 5%, то това ще доведе до спад на осветеността с 35%, т.е. същото осветително тяло, осветяващо същата площ, но при спектрална пропускливост 0,90/м, ще осигури осветеност от ~340 лукса.

Избор на осветителни тела

Два са основните доказани в практиката надеждни източници на осветление за приложения, които изискват или силен светлинен поток, или насочено работно осветление – волфрамовите халогенни осветителни тела и натриеви лампи (HPSV). И двата вида имат предимства и недостатъци. HPSV лампите трябва внимателно да се изберат така, че те да са с по-ниско съдържание на живак – приблизително 0,01 мг. Ако при екстремни условия газоразрядната тръба се счупи и живакът изтече, съществува риск от замърсяване на басейна и съоръженията за съхранение на гориво. Високите нива на живак или разтвор със съдържание 1 – 2 ppm, попаднали в средата по време на непрекъсната работа на мощностите, може да предизвикат корозия в облицовката на горивните пръти.

LED осветлението за подводни ядрени съоръжения все още е в начален стадий на развитие и в тази област има множество неизвестни фактори. В процес на изследване е устойчивостта на LED технологията при подлагане на продължителен контакт с горивото. Търси се отговор на въпроси, свързани със степента на повишаване на радиоактивния отпадък при прилагане на светодиодно осветление, определяне на максималната мощност на лампите предвид значението на термоуправлението в светодиодите с висока мощност, както и изменението в проницаемостта на стъклените рефлектори на светодиодите при излагане на радиационно облъчване.

За разлика от подводните приложения използването на LED осветление във въздушна среда се прилага с голям успех в ядрените съоръжения. Изискванията за максимална осветеност при минимална консумация на мощност правят светодиодните източници предпочитан избор за големи помещения като реакторни зали. Мощните светодиодни системи могат да предоставят до 100 000 лумена при 85 000 часа експлоатационен живот на лампата, като същевременно се захранват с ток 7 ампера и могат да издържат на радиационно облъчване от порядъка на 105 Gy (107 R).