无源废燃料池冷却和过滤系统的制作方法

技术领域

本发明总体上涉及用于核反应堆电站的无源过滤系统，并且更明确地说，涉及在核反应堆电站的燃料处置区域中的无源过滤系统。

背景技术：

由核反应堆发电通过放射性材料的核裂变完成。由于核反应的易变性，核电站实际上要求以保证公众的健康和安全的方式设计。

在用来发电的传统核反应堆中，核燃料被耗尽，并且以定期间隔从核反应堆移除并用新鲜燃料替换。废燃料产生衰变热，并且在它已经从核反应堆移除之后保持是放射性的。因而，设有接收废燃料的安全存储设施。在核反应堆中(如在压水反应堆中)，将水池提供为用于废燃料的存储池。废燃料池设计成包含一水位，从而将废燃料存储在水下。废燃料池典型地由混凝土建造，并且至少40英尺深。除控制和监视水位之外，也控制和监视水的质量，以防止燃料当它在废燃料池中时退化。进一步，废燃料池中的水被连续地冷却，以移除由废燃料产生的热量。

一般地，核电站包括废燃料池冷却系统，该废燃料池冷却系统设计成从废燃料池中的水中移除由存储的废燃料产生的衰变热。衰变热的移除将废燃料池水温保持在可接受的规定极限内。废燃料池冷却系统典型地包括废燃料池泵，该废燃料池泵使来自废燃料池内的高温水通过热交换器循环，并且然后使冷却的水返回到废燃料池。在一个实施例中，废燃料池冷却系统包括两个系列的机械设备。每个系列包括一个废燃料池泵、一个废燃料池热交换器、一个废燃料池脱矿质器和一个废燃料池过滤器。两个系列的设备共享公共吸入和排出集管。另外，废燃料池冷却系统包括管路、阀和对于系统操作必要的仪器。在这个实施例中，一个系列连续地冷却和净化废燃料池，而另一个系列适用于水转移、外壳内燃料补给储水罐净化、或调整成对于设备操作系列的备用。

图1示出了按照现有技术在其正常操作期间的废燃料池冷却(SFPC)系统10。SFPC 10包括废燃料池15。废燃料池15包含水位16，该水位16由于废燃料(未示出)的高温而处于高温下，该废燃料从核反应堆(未示出)转移到废燃料池15中。SFPC系统10包括系列A和B。系列A和B用来冷却废燃料池15中的水。如以前描述的那样，典型地是，操作系列A或系列B之一用以连续地冷却和净化废燃料池15，而另一系列适于作为备用。系列A和B的每一个均包括SFPC泵25、热交换器30以及SFPC脱矿质器和过滤器系统45。这些系列共享公共吸入集管20和公共排出集管50。在系列A和B的每一个中，水通过吸入集管20离开废燃料池15，并且通过SFPC泵25泵送到SFPC热交换器30。在SFPC热交换器30中，流动管线40使水从分支冷却水系统(CCWS)(未示出)通过SFPC热交换器30，并且回到CCWS。来自进入SFPC热交换器30的水(来自废燃料池15)的热量传递到由流动管线40提供的水，并且通过流动管线40返回到CCWS。冷却的水离开SFPC热交换器30，并且通过SFPC脱矿质器和过滤器系统45，该SFPC脱矿质器和过滤器系统45定位在SFPC热交换器30的下游。净化、冷却的水离开脱矿质器和过滤器系统45，通过公共排出集管50输送，并返回到废燃料池15。

最近，核反应堆制造商已经提供无源电站设置，即在没有操作人员干预或场外动力的情况下将减轻核反应堆中的事故事件的电站。Westinghouse Electric Company LLC提供AP1000无源电站设计。AP1000设计包括高级无源安全特征和彻底电站简化，以加强电站的安全性、建造、操作以及维护。AP1000设计强调依赖于自然力的安全特征。在AP1000设计中的安全系统使用自然驱动力，如加压气体、重力流动、自然循环流动以及对流。安全系统不使用有源部件(如泵、风扇或柴油发电机)，并且设计成在没有安全级支持系统(如交流电力、分支冷却水、可用水以及HVAC)的情况下起作用。AP1000燃料处置区域设计成使得用于燃料保护的基本装置由无源装置提供，并且依赖于废燃料池水存量的沸腾，以移除衰变热。因而，在极端情况下，废燃料池可沸腾。

假定有源废燃料池冷却系统完全失效，废燃料冷却可由废燃料池中的水的热容量提供。补充水由无源装置提供给废燃料池，以维持水池水位在废燃料以上，而水池水的沸腾提供衰变热的移除。废燃料池水的沸腾将大量蒸汽释放到燃料处置区域中。蒸汽与燃料处置区域中的空气相混合，并且必须从这个区域释放，以防止压力的积累。蒸汽/空气混合物从燃料处置区域释放到大气中。这可潜在导致放射性空中污染物释放到大气中。

分析已经表明，从沸腾开始发生可以导致完全在可接受极限内的微小辐射剂量。然而，在核反应堆的燃料处置区域中提供废燃料过滤系统和用来进一步减小放射性剂量的方法是有利的，这些放射性剂量从废燃料池的沸腾开始起释放到大气中。希望的是，系统和方法是无源机构，该无源机构设计和实施起来简单，并且在核反应堆中的废燃料池沸腾事件的情况下有效地移除放射性颗粒。

技术实现要素：

在一个方面，本发明提供一种用于在核反应堆中具有废燃料池的燃料处置区域的无源过滤系统，用以减少在废燃料池沸腾事件中产生的颗粒到大气中的排放。无源过滤系统包括：排放路径，该排放路径具有第一端部和第二端部，该第一端部连接到燃料处置区域，该第二端部连接到大气中；通风机构，该通风机构定位在燃料处置区域与排放路径的第一端部之间，通风机构构造成将蒸汽和空气混合物从燃料处置区域释放到排放路径，蒸汽和空气混合物包括颗粒；空气过滤单元，该空气过滤单元布置在排放路径中，空气过滤单元包括至少一个无源过滤器，由于在燃料处置区域中产生的压差，迫使蒸汽和空气混合物通过所述至少一个无源过滤器，所述至少一个无源过滤器构造成捕获来自蒸汽和空气混合物的颗粒，以产生经过滤的蒸汽和空气混合物；以及第二通风机构，该第二通风机构连接到空气过滤单元，第二通风机构构造成将经过滤的蒸汽和空气混合物释放到大气中。

在实施例中，无源过滤系统还可包括至少一根引流管，该至少一根引流管连接到空气过滤单元，引流管构造成使从空气过滤单元中的蒸汽和空气混合物产生的冷凝物返回到燃料处置区域或其它适当的排放位置。在进一步的实施例中，无源过滤系统可包括两根引流管。在更进一步的实施例中，无源过滤系统可包括布置在过滤器前面的一根引流管和布置在过滤器后面的另一根引流管。

在实施例中，无源过滤系统的第一通风机构可包括至少一个温度致动的闸门。在另一个实施例中，第二通风机构可包括至少一个故障时打开或重力操纵的闸门。在进一步实施例中，第一通风机构和第二通风机构可每个包括两个闸门。

在实施例中，与从第二通风机构释放的经过滤的蒸汽和空气混合物相比，从第一通风机构释放的蒸汽和空气混合物具有较高颗粒水平。

在可选择实施例中，核反应堆是压水或沸水反应堆。

在另一个实施例中，无源过滤器包括高效颗粒空气过滤器。

在又一个实施例中，颗粒包括放射性颗粒。

在另一个方面，本发明提供一种在将蒸汽和空气混合物排放到大气中之前从蒸汽和空气混合物中过滤颗粒的方法，该蒸汽和空气混合物由核反应堆的燃料处置区域中的废燃料池沸腾事件产生。该方法包括：将蒸汽和空气混合物从燃料处置区域通过通风机构排放；使蒸汽和空气混合物通过无源过滤器；将在蒸汽和空气混合物中包含的颗粒的至少一部分捕获到无源过滤器中，以产生经过滤的蒸汽和空气混合物；以及将经过滤的蒸汽和空气混合物通过通风机构排放到大气中。蒸汽和空气混合物的排放和通过采用了无源方式，该无源方式包括在燃料处置区域中产生的压差。

附图说明

图1示意性地示出了根据现有技术的废燃料池冷却系统。

图2示意性地示出了根据本发明实施例的无源废燃料池过滤系统。

具体实施方式

本发明涉及一种无源过滤系统和在核反应堆(如压水反应堆)中的燃料处置区域中的至少一个无源过滤器的使用，用以减少由于废燃料池沸腾事件而导致的诸如放射性颗粒之类的颗粒到大气中的释放。

在核反应堆中，废燃料池布置在燃料处置区域中。废燃料池包含水，并且存储从核反应堆堆芯移除的废燃料。废燃料在从核反应堆堆芯取出并转移到废燃料池中之后，产生衰变热并且保持放射性。因而，在核反应堆中提供废燃料池冷却系统，以移除衰变热并将废燃料池中的水的温度保持在可接受的极限。可以使用有源和/或无源废燃料池冷却系统。如这里以前描述的那样，图1示出了在现有技术中已知的有源废燃料池冷却系统的例子。无源废燃料池冷却系统可以设计成使得在废燃料池中的水沸腾，以移除由废燃料产生的衰变热。由于废燃料池中的水沸腾，在燃料处置区域中产生大量蒸汽。蒸汽与燃料处置区域中的空气相混合。蒸汽和空气混合物可能包含颗粒和污染物，如放射性颗粒和放射性空中污染物。进一步，由于废燃料池中的水沸腾，燃料处置区域中的温度和压力升高。蒸汽和空气的混合物从燃料处置区域通过排放路径排放，并且排放到大气中，以防止在燃料处置区域中积累压力。蒸汽和空气混合物的释放可导致空中放射性污染物释放到大气中。

本发明的无源过滤系统提供过滤蒸汽和空气混合物的装置。通风机构定位在燃料处置区域中。通风机构构造成将蒸汽和空气混合物释放到排放路径中，该排放路径连接到燃料处置区域。通风机构可包括至少一个温度致动的闸门。随着温度升高，至少一个温度致动的闸门打开，以将蒸汽和空气从燃料处置区域排出到排放路径中。在一个实施例中，有两个温度致动的闸门，从而一个适于作为备用。

至少一个无源过滤器可定位在排放路径中，该排放路径从燃料处置区域延伸到大气中。因而，通过温度致动的闸门(一个或多个)排出的蒸汽和空气在排放到大气中之前通过无源过滤器(一个或多个)。由于在燃料处置区域中的压差，迫使蒸汽和空气混合物通过无源过滤器(一个或多个)。无源过滤器(一个或多个)能够从蒸汽和空气混合物中移除颗粒和污染物，该蒸汽和空气混合物由于废燃料池沸腾事件而产生在燃料处置区域中。颗粒和污染物可包括放射性颗粒和空中放射性污染物。进一步，无源过滤器(一个或多个)在减小排放到大气中的放射性颗粒和空中放射性污染物的水平方面是有效的。无源过滤器(一个或多个)在废燃料池沸腾事件之前、期间及之后是适用的。分析已经发现，放射性颗粒的释放水平在由United States Nuclear Regulatory Commission(美国核法规委员会)提供的可接受极限内。然而，本发明的无源过滤器(一个或多个)提供如下另外的保证：放射性颗粒和污染物的释放完全在可接受极限内。

用在本发明中的无源过滤器(一个或多个)可包括能够从蒸汽、空气或其混合物移除颗粒和/或污染物的、现有技术中已知的各种各样的过滤器，而不用有源装置。在一个实施例中，过滤器是高效颗粒空气(HEPA)过滤器。一般地，HEPA过滤器包括随机排列纤维的垫。纤维可包括各种材料，例如但不限于玻璃纤维。典型地，HEPA过滤器是可操作的，以通过使颗粒粘附到纤维上或使颗粒嵌到纤维中而捕获颗粒。

在本发明中，无源过滤器(一个或多个)提供用于通到大气中的空气的过滤的无源装置。由燃料处置区域中的压差，迫使蒸汽和空气混合物通过无源过滤器(一个或多个)。因而，不必使用驱动蒸汽和空气混合物通过有源过滤器(一个或多个)的有源装置，如风扇。

燃料处置区域与大气之间的排放路径可包括各种设计，以包括无源过滤器(一个或多个)和过滤路径。在一个实施例中，至少一个无源过滤器包含在外壳中，该外壳定位在空气过滤单元中，该空气过滤单元布置在排放路径中。空气过滤单元包括通风机构，该通风机构将经过滤的蒸汽和空气混合物释放到大气中。通风机构包括至少一个故障时打开或重力操纵的排放闸门。至少一个故障时打开或重力操纵的排放闸门定位在无源过滤器(一个或多个)的下游。排放闸门的数量可变化。典型的是，为了备份目的设有多于一个排放闸门。因而，在正常操作期间，故障时打开或重力操纵的排放闸门(一个或多个)能够将无源过滤器(一个或多个)与大气隔离。进一步，故障时打开或重力操纵的排放闸门(一个或多个)保护无源过滤器(一个或多个)免于当不在使用中时(例如，在核反应堆的正常电站操作期间)损坏。

在本发明中，与从排放闸门(一个或多个)释放的经过滤的蒸汽和空气混合物相比，从第一通风机构释放的蒸汽和空气混合物具有较高颗粒水平。

在实施例中，空气过滤单元包括至少一根引水管或引流路径，该至少一根引水管或引流路径能够使来自空气过滤单元的冷凝蒸汽返回到燃料处置区域或其它适当的排放位置中，以降低可能包含放射性的冷凝物的意外释放的可能性。在一个实施例中，空气过滤单元包括两根引流管。一根引流管定位在布置在空气过滤单元中的无源过滤器(一个或多个)前面，并且另一根引流管定位在无源过滤器(一个或多个)后面，例如之后或其后边。

在紧急事件期间，例如，废燃料冷却系统不能用，并且废燃料池水加热和沸腾，以移除衰变热，排放闸门(一个或多个)打开，从而无源过滤器(一个或多个)可从燃料处置区域接收蒸汽和/或空气，并且在其从排放路径排放到大气中之前，从蒸汽和空气中移除颗粒，如放射性颗粒。在核反应堆的正常操作期间，排放和/或温度操纵的闸门(一个或多个)将无源过滤器(一个或多个)和排放/过滤路径隔离于燃料处置区域。

图2示出了按照本发明实施例的无源废燃料池过滤系统100。废燃料池过滤系统100包括废燃料池15和水位16，如图2所示。进一步，废燃料池过滤系统100包括燃料处置区域101和排放路径115。排放路径115的第一端部连接到燃料处置区域101，并且排放路径115的第二端部连接到大气155中。在图2中，废燃料池15定位在燃料处置区域101中。燃料处置区域101包括闸门105、110，这些闸门105、110是温度致动的，并且能够打开，以将蒸汽/空气从燃料处置区域101释放到排放路径115。闸门105、110定位在燃料处置区域101与排放路径115的第一端部之间，例如在它们的接合部位处。空气过滤单元125定位在排放路径115中。空气过滤单元125包括HEPA过滤器130。在实施例中，空气过滤单元125可包括多于一个HEPA过滤器130。排放路径115中的蒸汽/空气进入空气过滤单元125，并且通过HEPA过滤器130。HEPA过滤器能够从蒸汽/空气混合物中移除颗粒和污染物。经过滤的蒸汽/空气混合物然后离开HEPA过滤器130，通过闸门145、150，并排放到大气155中，这些闸门145、150连接到空气过滤单元125。闸门145、150是故障时打开的和机动的或气动的；或者是重力操纵的。进一步，空气过滤单元125包括引流管135、140。从蒸汽/空气冷凝的任何冷凝物，例如水，可收集在引流管135、140中，并且返回到燃料处置区域101。引流管135布置在HEPA过滤器130的上游，并且引流管140布置在HEPA过滤器130的下游，例如之后。

尽管就各个具体实施例而言，已经描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，本发明可借助于修改而实施，这些修改在所附权利要求书的精神和范围内。