乏燃料存储架的制作方法

本发明是在政府的支持下做出的，能源部门给予的合同号为No.DE-NE0000633。政府拥有本发明的某些权利。

相关申请的声明

本申请要求2014年8月19日提交的美国临时专利申请No.62/039,311的优先权，该申请的内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明整体涉及用于存储核燃料(包括存储乏燃料组件)的系统、装置、结构和方法。

背景技术：

乏燃料池可以被构造成用以提供从已经从核反应器移除的辐射燃料短期和/或长期去除衰变热。最近移除的乏燃料可以代表乏燃料池中最大的热生成源。在核电厂的电力完全损耗或者乏燃料池防护的结构失效的情形下，用于乏燃料池的冷却系统可能不能够用来充分地去除燃料的衰变热。对于延长的核电站断电状况，可能存在乏燃料池中所有的水都蒸发的情况，由此过热且随后损坏乏燃料和/或乏燃料包层。

为了进行临界控制，某些类型的乏燃料存储架设计可以在每个燃料组件存储位置(例如单元)之间结合有固体中子吸收剂，例如硼碳化物板。乏燃料池内的冷却剂的损耗可能导致锆合金薄层快速氧化或者锆合金开始着火并随后释放放射性核素。诸如可溶性硼的添加剂可以设置在燃料存储池中，以便帮助维持乏燃料的亚临界度。随时间推移可能出现各种部件的许多劣化问题。另外，虽然较热的燃料组件优先装载有较冷的燃料组件可以用来减少相邻乏燃料组件之间的热交换，但是燃料组件的有效放置取决于一致的纪录保持并且承受人为误差。因为核反应器可能被授权持续操作数十年的时间段，因此乏燃料池的间距和冷却需求可能随着乏燃料的堆积而增加。

本申请应对这些和其它问题。

技术实现要素：

本文公开了一种用于存储核燃料组件的系统，其包括容纳在支撑结构中的多个单元。第一单元可以被构造成用以容纳第一燃料组件，第二单元可以被构造成用以容纳第二燃料组件。多个隔室可以被构造成用以将多个单元分开并且提供通路，该通路用于冷却剂进入支撑结构的底端部，以从核燃料组件去除热。第一穿孔在第一单元和一个或多个隔室之间传递冷却剂，第二穿孔在第二单元和一个或多个隔室之间传递冷却剂。进入支撑结构的底端部的冷却剂的至少一部分可以在多个单元和多个隔室之间传递。

本文公开了一种用于在叠堆的燃料布置结构中存储核燃料的方法。第一存储架定位在冷却池中，第一存储架可以包括布置在第一网格结构中的第一群单元。第一群单元可以被构造成用以存储第一群燃料组件。第一燃料组件可以放置在第一网格结构的第一单元中，第二燃料组件可以放置在第一网格结构的第二单元中。该方法可以包括使冷却剂循环通过定位在第一单元和第二单元之间的中间单元。中间单元可以形成贯穿通道，该贯穿通道提供冷却剂通过第一存储架的大致畅通无阻的流动。第二存储架可以安装在第一存储架的顶部上。第二存储架可以包括布置在第二网格结构中的第二群单元，第二群单元可以被构造成用以存储第二群燃料组件。另外的燃料组件可以放置在第二网格结构的上部单元中，该上部单元定位在第一网格结构的中间单元紧上方。另外，该方法可以包括使冷却剂循环通过中间单元，以冷却上部单元中的另外的燃料组件。

本文公开了用于存储核燃料组件的另一个系统。包括多个壁的防护结构可以被构造成用以在与正常操作相关联的液位处容纳冷却剂贮存器。中间阻挡件可以定位在防护结构内，中间阻挡件的高度低于防护结构的多个壁的高度。主冷却池可以定位在中间阻挡件的第一侧上，乏燃料冷却池可以定位在中间阻挡件的第二侧上。来自定位在中间阻挡件上方的冷却剂贮存器的冷却剂在正常操作期间可以在乏燃料冷却池和主冷却池之间循环。中间阻挡件可以被构造成用以响应于冷却剂贮存器的液位下降到低于中间阻挡件的高度而保持乏燃料冷却池的顶部表面大致处于中间阻挡件的高度处。

附图说明

图1示出了示例性的乏燃料存储系统。

图2示出了示例性的乏燃料存储系统，其包括乏燃料冷却池。

图3示出了示例性的乏燃料冷却系统。

图4示出了示例性的乏燃料冷却系统，其包括可供选择的冷却流动路径。

图5示出了示例性的乏燃料存储架的俯视图。

图6示出了示例性的乏燃料存储系统，其包括叠堆的燃料架。

图7示出了示例性乏燃料存储架和燃料组件布置结构的俯视图。

图8示出了另一个示例性的乏燃料存储架和燃料组件布置结构。

图9示出了示例性的乏燃料冷却系统，其包括叠堆的燃料组件。

图10示出了示例性的冷却乏燃料的过程。

图11示出了另一个示例性的冷却乏燃料的过程。

图12示出了在叠堆的燃料布置结构中存储核燃料的示例性过程。

具体实施方式

本文公开的和/或提及的各种例子可以与以下文献中出现的一个或多个特征一致地或结合地操作：2013年3月6日提交的、名称为“Managing Nuclear Reactor Spent Fuel Rods(管理核反应器乏燃料棒)”的美国专利申请No.13/786,643，该文献全文以引用方式并入本文。

图1示出了示例性的乏燃料存储系统100。乏燃料存储系统100可以包括乏核燃料，该乏核燃料已经从一个或多个核反应器移除并且被传送到乏燃料存储系统100，以便于去除由乏燃料产生的残留衰变热。在一些例子中，乏燃料管理系统100可以包括浸没在流体30(例如水)中的乏燃料架50。流体30提供散热器，该散热器用于接收并耗散来自存储在乏燃料架50中的乏燃料的衰变热。

流体30可以容纳成形成于多个壁(例如防护壁10)之间的一池液体。在一些例子中，防护壁10可以与核反应器防护壳相关联。防护壳可以填充有空气40。乏燃料管理系统100可以被构造成用以抑制由存储在流体30中的乏燃料产生的空气40和/或任何气体释放到防护壳之外而进入周围环境。在一些例子中，防护壁10和/或防护底板60可以包括强化混凝土。另外，流体30可以存储在地面以下，使得围绕防护壁10和底板60的地表提供额外的散热器，以用于乏燃料产生的任何热。

乏燃料架50可以包括一个或多个支撑结构75，和/或可以放置在一个或多个支撑结构上。支撑结构75可以被构造成用以将乏燃料架50相对于防护底板60升高一定距离，以便于流体30在乏燃料下方流动通过乏燃料。在一些例子中，乏燃料架50和防护底板60之间的距离可以为大约六英寸到一英尺。

阻挡件20可以放置在流体30中，以形成在乏燃料架50和位于流体30中的其它系统或装置之间的中间阻挡件或壁。阻挡件20和壁20之间的流体30的体积可以认为是乏燃料冷却池。在一些例子中，一个或多个核反应器可以在与乏燃料架50相同的一池流体30中操作。一个或多个核反应器可以在反应器湾区中操作，该反应器湾区形成乏燃料冷却池的一部分或者流体地连接到乏燃料冷却池。

阻挡件20可以比围绕防护壁10短，使得乏燃料架50可以被提升超过阻挡件20，同时保持完全浸没在流体30中。相似地，单独的乏燃料组件可以被提升超过阻挡件20，同时保持完全浸没在流体30中，使得乏燃料组件可以从附近的核反应器模块传输到乏燃料架50，而不需要从流体30移除。另外，位于阻挡件20上方的流体在正常操作期间可以在乏燃料冷却池和反应器湾区之间自由地循环。通过利用用于反应器湾区和乏燃料冷却池两者的共同流体源，有效地增加流体的可获取的贮存器，以用于在较长的时间段内冷却乏燃料。

图2示出了示例性乏燃料存储系统200，其类似于图1的乏燃料存储系统100，包括形成在阻挡件20和防护壁10之间的乏燃料冷却池32。在一些例子中，反应器湾区45可以位于阻挡件20的相对侧上和/或位于乏燃料冷却池32的相邻结构中。在冷却剂损耗而使得反应器湾区45中的流体30的液位210下降到低于阻挡件20的顶部的情形下，冷却池32可以保持足够的流体，使得冷却池32的液位220保持高于乏燃料架50并且乏燃料保持完全浸没在流体中。另外，阻挡件20可以被构造成用以在冷却剂损耗期间响应于在反应器湾区45中流体30的液位下降到低于中间阻挡件20的高度而保持液位220对应于乏燃料冷却池32的顶部表面，在大致中间阻挡件20的高度处。

在一些例子中，当冷却池32内的流体的液位220例如由于蒸发而降低时，流体30可以从反应器湾区45泵送和/或转移到冷却池32中。泵215可以位于反应器湾区45的底部处或附近，并且被构造成用以将流体30经由一个或多个流体补给管线218泵送到冷却池32中。泵25可以被构造成用以保持冷却池32中流体的恒定液位。例如，冷却池32中的流体的液位220可以保持在阻挡件20的顶部处或附近。在一些例子中，冷却池32中的流体的液位220可以保持在乏燃料架50的顶部处或附近。反应器湾区45可以被构造成用以保持比冷却池32显著更多的流体30，以提供储备水的长期贮存器，该储备水用于乏燃料架50和能够容纳在反应器湾区45中的一个或多个反应器模块。图3示出了示例性的乏燃料冷却系统30。乏燃料冷却系统30可以被构造成用以在已经发生冷却剂损耗之后提供乏燃料的冷却。在一些例子中，乏燃料冷却系统30可以被构造成用以完全借助于空气40流过乏燃料架350来冷却乏燃料。

乏燃料冷却系统30可以包括多个防护壁，例如第一防护壁310和第二防护壁320。在一些例子中，乏燃料冷却系统30的四个或更多个壁可以围绕乏燃料架350的每一侧。在冷却剂损耗的情形下，乏燃料架350内的乏燃料将持续产生热。空气流入流341(例如来自围绕防护壳内)可以越过防护壁310、320而向下朝向防护底板360引导。然后，流入流341可以向上引导通过乏燃料架350，以从乏燃料去除热。因此，离开乏燃料架350的空气流出流342相对于流入流341将具有增大的温度。

流入流341和流出流342之间的温差将产生空气流340通过乏燃料架350的自然循环，以连续地冷却乏燃料。流出流342可以在围绕防护结构内耗散，在这里流出流在最终作为流入流341返回之前由于循环和对流而被冷却。乏燃料架350可以升高离开防护底板360，以增大间距并增大来自下方的自然空气循环。乏燃料架350和防护底板360之间的距离355的尺寸可以形成为当空气流340通过乏燃料架350时用以在乏燃料架350下方提供相同的空气流量。该距离355可以为一英寸或更大。在一些例子中，可以利用风扇或鼓风机扩张或辅助空气流340，以增大通过燃料架350的空气的空气质量流量。

图4示出了示例性的乏燃料冷却系统400，其包括可供选择的冷却流动路径425。乏燃料架450可以定位在包括一个或多个壁的防护结构410中。在乏燃料架450下方，通气孔480和/或开口可以被构造成用以提供空气流440，该空气流通过存储在乏燃料架450中的乏燃料。通气孔480可以位于防护底板460下方或者大致防护底板的高度处。

在一些例子中，通气孔480可以根据冷却系统400的不同操作模式而操作性地打开或关闭。例如，在防护结构410存储一池流体的第一操作模式中，通气孔480可以关闭，以防止任何流体逸出防护结构410。在第一操作模式中，流体可以用来冷却存储在乏燃料架450中的乏燃料。

在流体存在一些或全部损耗的第二操作模式中，通气孔480可以打开，以便于空气流通过乏燃料架450，从而经由空气流440冷却乏燃料。通气孔480可以位于包括通路470的通气系统的出口处。在一些例子中，通路470可以位于防护底板460下方。

另外，通路470可以连接到防护结构410内的一个或多个通道475。例如，通道475可以提供用于空气40从防护结构410内和/或从周围环境进入通路470和从通气孔480释放出去的导管。通道475可以包括入口阀420。入口阀420可以以与通气孔480类似的方式进行操作以根据冷却系统400的不同操作模式而打开或关闭。

在一些例子中，冷却系统400可以包括保持罐490。在防护结构410内的冷却剂的液位下降到低于预定液位的情形下，一个或多个传感器(例如第一传感器451和/或第二传感器452)可以被构造成用以识别冷却剂损耗状况。第一传感器451可以被构造成用以检测冷却剂液位下降到低于乏燃料架450的顶部表面和/或某个其它预定阈值液位。第二传感器452可以被构造成用以检测冷却剂液位下降到低于乏燃料架450的底部表面和/或某个其它预定阈值液位。

位于乏燃料架450的底部和防护底板460之间的流体可以阻止空气流在乏燃料架450下方通过该乏燃料架。响应于冷却剂损耗，释放阀495可以被致动，以从防护结构410内和/或从乏燃料架450下方去除剩下的流体，从而增大空气流。在一些例子中，响应于从第一传感器451接收到的第一信号可以触发警告/警报，响应于从第二传感器452接收到的第二信号可以致动释放阀495。从防护结构410去除的流体可以存储在保持罐490中，该保持罐可以是乏燃料池泄露检测系统的一部分。流体可以经由释放阀495被动地排放到保持罐490。在其它例子中，泵和/或抽吸管线可以用来将流体从防护结构410的底部去除到保持罐490中。尽管保持罐490示出为位于防护底板460下方，但是在一些例子中，流体可以被泵送到升高的保持罐中，从而在防护底板460中不存在允许任何流体无意中逸出防护结构410的开口。

相似地，尽管道475和/或排放管线480示出为位于防护结构410内或下方，但是一些或全部流路径425和冷却系统400的各个流路径组成部分可以位于防护结构410外侧或上方，以便于触及各组成部分和/或避免穿透防护结构410。一旦流体已经从防护结构410内去除，冷却系统400就可以被构造成用以经由空气流440冷却乏燃料。

在其它例子中，保持罐490可以与附近的和/或相邻的反应器湾区(例如反应器湾区45(图2))相关联。响应于第一传感器451检测到冷却剂损耗，冷却系统400可以被构造成用以从保持罐490吸取流体，以便补充和/或保持覆盖乏燃料架450的流体的量。来自保持罐490的流体在初始时间段内可以继续被收回。

在保持罐490中的流体变得耗尽和/或以其它方式不可获取的情形下，流体的液位可以最终下降到乏燃料架450的底部附近，此时第二传感器452可以检测到流体的液位降低。如上所述，于是冷却系统可以被构造成用以将流体排放和/或以其它方式传送到保持罐490中。因此，作为另外一种选择，在各种操作模式中，保持罐490可以用作额外的补充流体源或者用作用于排放的流体的保持器。

在一些例子中，传感器(例如第二传感器452)可以被构造成用以监测乏燃料池中的冷却剂液位何时下降到最小阈值以下，并且响应于监测到冷却剂液位下降到最小阈值以下，通气系统可以被构造成用以将空气引导到燃料组件以及燃料架450的一个或多个贯穿通道中。

图5示出了示例性乏燃料存储架500的俯视图，其包括多个单元，例如第一单元510和第二单元520。在一些例子中，多个单元可以被布置成位于外防护壁505内的交叉壁的格架。乏燃料存储架500的每个单元可以被构造成用以存储乏燃料组件“F/A”，例如乏燃料550。乏燃料存储架500可以包括多个多用途隔离隔室590。

隔离隔室590可以被构造成用以减少相邻的乏燃料组件之间的热传递。例如，一个或多个隔离隔室590可以将相邻的乏燃料组件分开预定距离。乏燃料组件之间的空间和/或距离可以用作热阻挡件的类型，使得乏燃料550产生的热例如可以与相邻单元(例如第二单元520)中的乏燃料隔离。

另外，隔离隔室590可以被构造成用以减少和/或抑制容纳在一个单元内的乏燃料中产生的中子传递或以其它方式传播到容纳在第二或相邻单元内的乏燃料。因此，一个或多个隔离隔室590可以被构造为中子屏蔽件和/或中子传输阻挡件。

在一些例子中，乏燃料存储架500可以制造成在单元壁或围绕每个燃料组件的其它结构上不具有任何固定的中子吸收剂。不采用特别添加到乏燃料架以吸收辐射中子的材料，大约一英寸或更大的间距可以结合到隔离隔室590中，从而每个燃料组件至少在X-Y平面(Z方向垂直于X-Y平面)中所有四个侧上的空间上与相邻的组件分开。在一些例子中，隔离隔室590的长度(例如沿Z方向)与存储在燃料存储架500中的相关乏燃料组件的长度可以大致相同。

本领域技术人员将会理解，隔离隔室590的尺寸可以根据存储的乏燃料的几何结构和类型而改变。在一些例子中，对于外部尺寸为大约八英寸的某些类型的燃料组件而言，乏燃料组件之间的间距可以在一英寸到五英寸之间。在其它例子中，该间距可以为五英寸或更大，以适应较大的或更活跃的乏燃料组件。通过选择各个燃料组件存储单元之间合适的分开距离，响应于池中冷却剂意外的部分和/或完全损耗，峰值包层温度可以良好地维持低于任何点火极限，该点火极限可以是指定的或者以其它方式与乏燃料组件相关联。

隔离隔室590可以被构造成用以围绕每个燃料组件形成正交空间，以提供中子通量捕集器。隔离隔室590可以基本上隔离每个燃料组件而不与相邻的单元发生任何相互作用，由此提供整个乏燃料存储架500的亚临界冷却。由隔离隔室590提供的间距还可以用来将乏燃料组件与所有相邻的单元组件热隔离，如上所述。

除了提供减少中子传递和/或减少相邻乏燃料组件之间的热传递的功能之外，隔离隔室590可以被构造成用以提供通路，该通路用于气体或流体在单元之间流动并冷却相关联的乏燃料。

隔离隔室590可以包括多个隔室，例如第一隔室560和第二隔室580。第一隔室560可以形成为与第二隔室580成直角。一个或多个隔离隔室590可以被构造成用以将两个或更多个单元分开。例如，第一隔室560可以被构造成用以将单元540与相邻的单元570分开。另一方面，诸如第二隔室580的隔离隔室可以被构造成用以在多个单元之间形成共同的分开。例如，第二隔室580可以被构造成用以将第一单元510与第二单元520分开，相似地，第二隔室580可以被构造成用以将单元540和单元570与一个或多个另外的单元分开。

第一单元510可以由第一壁511形成或者形成在第一壁内。第一壁511可以大致围绕第一单元510。相似地，第二单元520可以由第二壁521形成或者形成在第二壁内。一个或多个隔离隔室590(例如第二隔室580)可以形成在相邻的燃料单元的第一壁511和第二壁521之间。在一些例子中，第一壁511和第二壁521之一或二者可以包括多个穿孔，例如第一穿孔512和第二穿孔522。穿孔可以被构造成用以允许位于第一单元510和/或第二单元520内的冷却剂(例如液体或空气)流入第二隔室580和/或从第二隔室流动。

第一壁511中的一个或多个穿孔可以相对于第二壁521中的一个或多个穿孔偏移和/或移位。使穿孔偏移可以操作以排除燃料组件之间的任何视线路径，例如第一燃料组件550和位于第二单元520中的第二燃料组件之间的视线路径。因此，能够阻止在一个燃料组件中产生的中子到达另一个燃料组件和/或被另一个燃料组件吸收(也就是防止彼此靠近地定位的燃料组件之间的中子泄露)。在一些例子中，沿着与X-Y平面垂直的Z方向，在对应燃料组件高度或长度之上，可以在单元壁中形成多个穿孔。穿孔可以被构造成用以将隔离隔室590和/或多个单元彼此流体地连接。

例如，第一穿孔512可以位于与隔室(例如第二隔室580)相邻的第一位置处，以将第一单元510与第二单元510分开。第二穿孔522可以位于与隔室580相邻的第二位置处，并且第二位置可以相对于第一位置偏移，使得第一穿孔512和第二穿孔522不提供第一燃料组件550和第二单元520中的燃料组件之间的视线。

多个单元可以布置成与X-Y平面相关联的网格样式。多个隔室可以包括：第一组隔室，例如第一隔室560，其具有沿着X-Y平面的X方向取向的横截面长度；以及第二组隔室，例如第二隔室580，其具有沿着X-Y平面的Y方向取向的横截面长度。

在一些例子中，与第二穿孔522相关联的第二位置可以在X-Y平面中相对于与第一穿孔512相关联的第一位置偏移。在其它例子中，第二位置可以沿着与X-Y平面垂直的Z方向相对于第一位置偏移。另外，第三穿孔(例如穿孔562)可以被构造成用以在第一组隔室中的一个或多个和第二组隔室中的一个或多个之间传递冷却剂。

在其它例子中，一个或多个隔室可以与相邻的隔室流体地隔离，使得容纳在一个隔室内的流体和/或空气不能够自由地流动到相邻的隔室中。在这些例子中，流体和/或空气可以主要地或排他性地沿着Z方向流过隔室。

将乏燃料550封闭在第一单元510中的隔离隔室590的内表面和外表面可以被设计成具有如下特征，即在冷却剂损耗的情形下加强到空气流的热传递。例如，多个穿孔(例如穿孔562)可以将沿X方向取向的一个或多个隔室(例如隔室560)与沿Y方向取向的一个或多个隔室(例如隔室580)流体地连接。除了沿Z方向流动之外，容纳在一个隔室内的流体和/或空气也可以沿X方向和/或Y方向流动。

由隔离隔室590提供的间距可以被构造成用以提供相邻单元的中子防护和热隔离，而不依赖于任何主动系统或者附着到单元壁的固定中子吸收剂板。相反，乏燃料存储架500可以被构造成用以在冷却剂损耗的情形下提供被动的临界和热升温安全性。

外防护壁505和/或与乏燃料存储架500相关联的一个或多个单元可以包括表面处理，以便于热传递离开乏燃料。例如，表面处理可以包括一个或多个翅片515，该翅片增大了外防护壁505的有效表面积，并且将热辐射离开燃料组件而进入周围空气和/或液体，类似于散热器。

外防护壁505可以形成燃料存储架的外部支撑结构，多个单元可以容纳在该外部支撑结构内。将多个单元分开的一个或多个隔室590可以被构造成用以提供通路，该通路用于冷却剂进入外部支撑结构的底端部，以从核燃料组件去除热。进入外部支撑结构的底端部并朝向外部支撑结构的顶端部行进的冷却剂的至少一部分可以经由一个或多个穿孔在多个单元和多个隔室之间传递。

图6示出了示例性的乏燃料存储系统600，其包括叠堆的燃料架。第一燃料架651可以定位在叠堆的底部上，最靠近防护结构610的底板660。第一燃料架651可以相对于底板660升高一定的距离，以允许流体630在第一燃料架651下方循环。例如，第一燃料架651可以支撑在一个或多个下部支撑件665上。另外，第二燃料架652可以叠堆在第一燃料架651上。第二燃料架652可以与第一燃料架651分开一定的距离，分开的距离为一个或多个叠堆支撑件655。在乏燃料存储系统600的一个或多个操作条件下，第一燃料架651和第二燃料架652两者均可以完全浸没在一池流体630中。

所述一池流体630可以形成在防护结构610的一个或多个壁之间。在一些例子中，乏燃料冷却池680可以形成在中间阻挡件620和防护结构610之间，类似于图2的乏燃料冷却池32。另外，主池690可以定位在中间阻挡件620的与乏燃料冷却池680相对的一侧上。中间阻挡件620的高度可以低于防护结构610。在一些例子中，中间阻挡件620可以完全浸没在这一池液体630中。

叠堆的燃料架的组合高度可以比中间阻挡件620的高度低距离675。在主池690中的液体630的液位下降到低于中间阻挡件620的顶部的情形下，中间阻挡件620可以被构造成用以维持足够量的流体630，以保持叠堆的燃料架浸没在流体630下方距离675处。虽然乏燃料存储系统600示出了两个叠堆的燃料架，但是在一些例子中，多于两个的燃料架可以在乏燃料冷却池680内叠堆在一起。例如，三个或更多个燃料架可以叠堆在彼此的顶部上。在其它例子中，多个叠堆的燃料架可以在乏燃料冷却池680中彼此并排地定位。

图7示出了示例性乏燃料存储架705和燃料组件布置结构700的俯视图。乏燃料存储架705可以包括乏燃料网格，该乏燃料网格包括多个单元，例如第一单元710和第二单元720。在一些例子中，多个单元可以由彼此垂直地布置的支撑件780、790的格架形成。第一单元710示出为容纳燃料组件“F/A”，而第二单元720示出为包括贯穿通道725。其它单元(例如第三单元730)可以容纳另外的燃料组件。另外的单元可以包括另外的贯穿通道，例如贯穿通道740和贯穿通道760。在一些例子中，多个单元中的每个单元的尺寸可以形成为和/或可以以其它方式构造成用以容纳燃料组件或形成贯穿通道。

燃料组件布置结构700示出为包括多个贯穿通道，这些贯穿通道交替地定位在容纳燃料组件的单元之间。例如，具有贯穿通道725的第二单元720定位在均示出为容纳燃料组件的第一单元710和第三单元730之间。在燃料组件布置结构700中，与燃料组件相邻的所有单元可以包括贯穿通道。另外，与贯穿通道相邻的所有单元可以包括燃料组件。中心单元750示出为大致被四个贯穿通道围绕，包括贯穿通道725、贯穿通道740、贯穿通道760和贯穿通道775。流过四个围绕的贯穿通道的冷却剂可以用来冷却位于中心单元750中的燃料组件。

图8示出了第二乏燃料存储架805和第二燃料组件布置结构800的另一个例子。第二乏燃料存储架805的第一单元810示出为包括贯穿通道875，而第二乏燃料存储架805的第二单元820示出为容纳燃料组件“F/A”。在一些例子中，第二乏燃料存储架805的多个单元中的每个单元的尺寸可以形成为和/或可以以其它方式构造成用以容纳燃料组件或形成贯穿通道。

第二燃料组件布置结构800示出为包括多个贯穿通道，这些贯穿通道交替地定位在燃料组件之间，使得每个燃料组件可以至少部分地被多个贯穿通道围绕。位于第二乏燃料存储架805的周边处的单元可以仅仅被三个贯穿通道围绕。例如，与第二单元820相关联的燃料组件可以被三个贯穿通道围绕，包括形成在第一单元810、第三单元830和中心单元850中的贯穿通道。

第二单元820的外侧可以形成第二乏燃料存储架805的外壁。在一些例子中，除了流过多个贯穿通道的冷却剂之外，位于第二燃料组件布置结构800的周边处的燃料组件可以被围绕第二乏燃料存储架805的外壁定位的冷却剂冷却。

在第二燃料组件布置结构800中，与燃料组件相邻的所有单元可以包括贯穿通道。另外，与贯穿通道相邻的所有单元可以包括燃料组件。包括贯穿通道的中心单元850示出为被四个燃料组件围绕，包括燃料组件840、燃料组件860、燃料组件890和容纳在第二单元820中的燃料组件。

在一些例子中，与燃料组件布置结构700相比，第二燃料组件布置结构800可以包括以相反的或颠倒的样式布置的乏燃料组件。尽管燃料组件布置结构700和第二燃料组件布置结构800示出为对于相邻的单元中的每个单元而言包括交替的燃料组件和贯穿通道，但是本领域技术人员应当理解，至少部分地基于相关核反应器已经操作了多长时间，任一种布置结构可以包括比所示的燃料组件少的燃料组件。例如，中心单元750(图7)可以是燃料组件布置结构700中的被指定为用以接纳乏燃料组件的最后一个单元，以便在现有的燃料组件之间提供增大的间距。

通过从一个或多个单元移除燃料组件，可以在任何单元处选择性地形成贯穿通道。例如，一个或多个单元的内表面可以形成通孔。因此，通过一个或多个乏燃料存储架705、805的整体流动样式可以根据乏燃料组件在单元中的放置或布置结构而进行调节或改动。另外，考虑到所存储的特定乏燃料的寿命、放射性和/或热特性，可以调节贯穿通道的数量。在一些例子中，在乏燃料已经存储足够长的时间段以减少放射性和/或热生成之后，可以通过将另外的乏燃料添加到一个或多个先前空的单元中，来减少乏燃料存储架705、805中的贯穿通道的数量。

除了提供气体或流体在单元之间流动并冷却相邻的乏燃料组件的通路之外，乏燃料存储架705和/或乏燃料存储架805中的贯穿通道可以被构造成用以提供容纳从乏燃料组件释放的中子的功能。

图9示出了示例性的乏燃料冷却系统900，其包括叠堆的燃料组件。燃料组件可以布置在下部乏燃料架(例如乏燃料架705)中，该下部乏燃料架叠堆在上部乏燃料架(例如第二乏燃料架805)上。乏燃料架705以图7所示的燃料组件布置结构700的横截面视图700A示出，第二乏燃料架805以图8所示的燃料组件布置结构800的横截面视图800A示出。

乏燃料冷却系统900可以被构造成用以在已经发生冷却剂损耗之后提供乏燃料的冷却。在一些例子中，乏燃料冷却系统900可以被构造成用以完全借助于空气40或某些其它类型的气体流过叠堆的燃料架705、805来冷却乏燃料。

乏燃料冷却系统900可以包括多个防护壁，例如第一防护壁910和第二防护壁920。在一些例子中，四个或更多个壁可以大致围绕乏燃料冷却系统900的叠堆的燃料架。在冷却剂损耗的情形下，叠堆的燃料架内的乏燃料可能持续产生热。空气流入流941(例如来自围绕防护壳内)可以越过防护壁910、920而向下朝向防护底板960引导。然后，流入流941可以向上引导通过乏燃料架705和第二乏燃料架805，以从存储在其中的乏燃料去除热。

在乏燃料架705的横截面视图中，乏燃料示出为位于中心单元750中。在一些例子中，空气流940的在乏燃料架705下方穿过的部分可以穿过中心单元750以冷却容纳在中心单元中的乏燃料。空气流940的另外的部分可以穿过乏燃料架705的一个或多个贯穿通道，例如贯穿通道740和/或贯穿通道760，这些贯穿通道位于中心单元750中的乏燃料的任一侧上。贯穿通道740和贯穿通道760中的空气流940可以操作以捕获从中心单元750中的乏燃料产生的中子和热。

在离开贯穿通道740和/或贯穿通道760之后，空气流940可以被引导通过第二乏燃料架805。例如，空气流940的离开乏燃料架705的贯穿通道740的第一部分可以朝向第二乏燃料架805的乏燃料840引导。相似地，空气流940的离开乏燃料架705的贯穿通道760的第二部分可以朝向第二乏燃料架805的乏燃料860引导。乏燃料840可以位于贯穿通道740的紧上方，乏燃料860可以位于贯穿通道760的紧上方。

位于中心单元750紧上方的最上侧中心单元850可以被构造成贯穿通道，以提供从中心单元750离开的基本上畅通无阻的冷却剂流。相似地，与贯穿通道740，760相关联的空单元可以被构造成用以提供从空单元到上部燃料组件840、860的基本上畅通无阻的冷却剂流。在一些例子中，第二乏燃料架805可以与乏燃料架705分开或升高到超过乏燃料架705的顶部，以形成间隙970。流入流941的旁流945可以通过间隙970从流入流941的大致向下方向转移，随后引导通过第二乏燃料架805的一个或多个乏燃料组件和/或贯穿通道，而不需要首先穿过第一乏燃料架705。旁流945可以添加到正在离开乏燃料架705的空气流940。在一些例子中，与正在离开乏燃料架705的空气流940相比，旁流945可以包括相对较冷的空气质量，原因在于空气流940可能已经吸收了一些从容纳在乏燃料架705中的乏燃料产生的热。

离开第二乏燃料架805的空气流出流949相对于流入流941可以具有增大的温度。流入流941和流出流949之间的温差可以用来产生空气流940通过叠堆的燃料组件的自然循环，以连续地冷却乏燃料布置结构。流出流949可以在围绕防护结构内耗散，在这里流出流在最终作为流入流941返回之前由于循环和对流而被冷却。在一些例子中，可以利用风扇或鼓风机扩张或辅助空气流940，以增大空气质量流量。

除了将乏燃料以交替的样式放置在一个或多个乏燃料架中(如图7和8所示)之外，在一些例子中，乏燃料可以优先地布置在乏燃料湾区中，使得较新的、活性较高的乏燃料位于较旧的、活性较低的乏燃料下方。例如，在第一燃料架已经填充有或者至少部分地填充有第一轮乏燃料之后，第二燃料架可以填充有第二轮乏燃料。已经从反应器芯部移除且被允许冷却较长的时间段的第一轮乏燃料比新近从反应器芯部移除的第二轮乏燃料活性低。第一乏燃料架可以被提升离开乏燃料冷却池的地面，并且被放置在第二乏燃料架的顶部上。

诸如空气流940的冷却剂的质量流量可以计算为冷却剂流横截面积、冷却剂流的速度和冷却剂流的密度的乘积。另外，冷却剂的从乏燃料去除热的能力可以计算为冷却剂的质量流量以及乏燃料棒和冷却剂之间的温差的函数。

在一些例子中，通过将活性较高的或较热的乏燃料定位在与第一乏燃料架705相关联的较低高度上，可以提高乏燃料冷却系统900的冷却效率。进入第一乏燃料架705的空气流940可以包括流入流941的相对较冷的温度，这可以用来冷却活性较高的乏燃料。当空气流940冷却包含在第一乏燃料架705中的活性较高的乏燃料时，空气流940将从乏燃料吸收热，继而将可能使得空气流的速度增大。尽管进入第二乏燃料架805的空气流的温度可能高于流入流941的温度，但是因为其由于吸收了来自活性较高的第一乏燃料的热而以较快的速度行进，所以其仍然能够有效地冷却容纳在第二乏燃料架805中的乏燃料。

如在此所用的，乏燃料的“活性”可以理解为指的是乏燃料的相对寿命、衰变热和/或源或放射性。例如，较高活性或活性较高的乏燃料棒可能是比较低活性或活性较低的乏燃料棒更靠后地从反应器芯部移除。相似地，与活性较低的乏燃料棒相比，活性较高的乏燃料棒可以与较高的温度和/或较高的放射性水平相关联。

在一些例子中，乏燃料可以采用以下方式布置在乏燃料架中：优先地将活性较高的乏燃料定位在下部乏燃料架中，并且将活性较低的乏燃料定位在上部乏燃料架中，而不是如图7和8所示的交替地定位乏燃料。例如，活性较低的乏燃料棒可以定位在活性较高的乏燃料棒的紧上方。乏燃料棒可以容纳在一个或多个单元中，以允许冷却剂向上流过乏燃料架布置结构并且经过活性较高的乏燃料棒和活性较低的乏燃料棒。

通过将活性较高的乏燃料棒存储在下部存储架中并且将活性较低的乏燃料棒存储在位于下部存储架上方的第二存储架中，可以增大通过叠堆的燃料布置结构的冷却剂的质量流量。另外，将活性较高的乏燃料棒存储在下部存储架中可以增加从活性较高的乏燃料棒的热传递速率。

根据冷却池的深度，另外的架可以添加到乏燃料叠堆组件。例如，具有与第一乏燃料架705类似的乏燃料构造的第三乏燃料架可以安装在第二乏燃料架805的顶部上，使得第三乏燃料架的乏燃料组件可以定位在中心单元850中的每个贯穿通道的上方。第三乏燃料架可以被构造成用以在第二乏燃料架805中的一些或所有通孔上方容纳另外的乏燃料组件。另外，第三乏燃料架可以构造有位于容纳在第二乏燃料架805中的一些或所有乏燃料组件(例如乏燃料840和乏燃料860)上方的多个通孔。

图10示出了示例性的冷却乏燃料的过程1000。在操作1010处，由多个乏燃料组件释放的热可以传递到位于乏燃料组件的一侧或多侧上的多个隔离通道。乏燃料组件可以定位在形成于位于冷却池中的乏燃料存储架内的单元中。冷却池可以定位在防护壳中。在一些例子中，隔离通道可以围绕这些单元形成。隔离通道可以用来保持乏燃料组件产生的释放热和中子。

在操作1020处，冷却剂可以循环通过隔离通道。隔离通道可以定位在相邻的乏燃料组件之间，使得冷却剂可以被构造成用以从相邻的乏燃料组件两者去除热。在一些例子或操作模式中，冷却剂可以包括液体。

在操作1030处，可以检测冷却剂损耗。在一些例子中，可以通过传感器检测冷却剂损耗，该传感器被构造成用以检测乏燃料冷却池的液位何时下降到低于乏燃料存储架的顶部表面。

在操作1040处，容纳在乏燃料冷却池中的剩余的冷却剂(例如位于底部燃料组件下方的)可以响应于冷却剂损耗而从防护壳移除。在一些例子中，位于防护结构的底板处或附近的阀、泵、抽吸管线或排放装置可以被构造成用以响应于检测到冷却剂损耗而移除冷却剂。

在操作1050处，空气流可以循环通过隔离通道。空气流可以包括从防护壳循环通过乏燃料存储架的自然循环的空气或其它类型的气体。在一些例子中，空气流可以利用一个或多个风扇或鼓风机而被扩张。空气流可以继续循环通过隔离通道，以便在没有任何液体冷却剂的辅助的情况下连续地去除由乏燃料组件产生的热和/或中子。

在操作1060处，另外的空气流可以通过辅助空气通道进行循环。辅助空气通道可以形成在防护结构的一个或多个壁中，以便从乏燃料存储架上方吸取相对较冷的空气。在一些例子中，辅助空气通道可以与防护结构的底板处或附近的阀连接。该阀可以定位在乏燃料存储架的下方。另外，一些或所有辅助空气通道可以定位在位于底板上方和/或防护结构外侧的导管或通气轴中。

图11示出了另一个示例性的冷却乏燃料的过程1100。在操作1110处，乏燃料可以以交替的样式布置在第一乏燃料存储架中，使得第一乏燃料存储架中每隔一个的单元可以包含乏燃料组件。在一些例子中，第一乏燃料存储架中的每个单元可以被构造成用以包含乏燃料组件。不包含乏燃料组件的单元可以提供穿过第一乏燃料存储架的贯穿通道。

在一些例子中，每个乏燃料组件至少部分地被多个贯穿通道围绕。沿着乏燃料存储架的周边定位的乏燃料可以部分地被两个或三个贯穿通道围绕。相似地，每个贯穿通道可以至少部分地被多个乏燃料组件围绕。沿着乏燃料存储架的周边定位的贯穿通道可以部分地被两个或三个乏燃料组件围绕。

在操作1120处，冷却剂可以循环通过贯穿通道。贯穿通道可以定位在相邻的乏燃料组件之间，使得冷却剂可以被构造成用以从相邻的乏燃料组件两者去除热。在一些例子或操作模式中，冷却剂可以包括液体。

在操作1130处，第二乏燃料存储架可以叠堆在第一乏燃料存储架上。第一和第二乏燃料存储架的组合高度可以低于乏燃料冷却池的顶部表面液位。

在操作1140处，乏燃料可以以交替的样式布置在第二乏燃料存储架中，使得第二乏燃料存储架中每隔一个的单元可以包含乏燃料组件。在一些例子中，第一乏燃料存储架中的每个单元可以被构造成用以包含乏燃料组件。不包含乏燃料组件的单元可以提供穿过第二乏燃料存储架的贯穿通道。在一些例子中，一个或多个乏燃料组件可以至少部分地被多个贯穿通道围绕。另外，第二乏燃料存储架中的每个乏燃料组件可以定位在第一乏燃料存储架中的贯穿通道的上方。

在操作1150处，可能出现冷却剂损耗。冷却剂损耗可能是由于以下原因导致的：动力损失、防护壳泄露、乏燃料冷却池的蒸发、乏燃料冷却池内液体的沸腾、冷却剂从乏燃料冷却池排出、或它们的任何组合。

在操作1160处，空气流可以循环通过第一和第二乏燃料存储架，以冷却包含在其中的乏燃料组件。空气流可以包括从防护壳循环通过乏燃料存储架的自然循环的空气或其它类型的气体。乏燃料组件的温度可以保持低于锆合金点火温度。相似地，即使在没有任何液体冷却剂的情况下，空气流也可以到达放置在乏燃料池架中的基本上所有的乏燃料。在一些例子中，空气流可以利用一个或多个风扇或鼓风机而被扩张。

定位在第一乏燃料架中的多个贯穿通道可以提供通道，该通道用于将空气流引向定位在第一乏燃料架上方的第二乏燃料架中的相似数量的乏燃料组件。在一些例子中，第二乏燃料架中的每个乏燃料组件可以定位在与第一乏燃料架相关联的贯穿通道上方。

另外，第二乏燃料架可以在第一乏燃料架上方沿竖向间隔开，以提供间隙或侧向通路，在该间隙或侧向通路中，另外的空气流可以转移通过第二乏燃料架，而不必首先穿过第一乏燃料架。穿过第一乏燃料架的空气流和转移通过该间隙的另外的空气流两者可以被引向定位在第二乏燃料架内的乏燃料组件和贯穿通道。

空气流可以继续循环通过叠堆的乏燃料架，以便在没有任何液体冷却剂的辅助的情况下连续地去除由乏燃料组件产生的热和/或中子。在一些例子中，第一和第二乏燃料架中的一者或二者可以被构造成没有任何固体固定中子吸收剂。

图12示出了在叠堆的燃料布置结构中存储核燃料的示例性过程1200。在操作1210处，第一存储架可以定位在冷却池中。第一存储架可以包括布置在第一网格结构中的第一群单元，第一群单元可以被构造成用以存储第一群燃料组件。

在操作1210处，第一燃料组件可以放置在第一网格结构的第一单元中。

在操作1230处，第二燃料组件可以放置在第一网格结构的第二单元中。

在操作1240处，冷却剂可以循环通过定位在第一单元和第二单元之间的中间单元。中间单元可以形成贯穿通道，该贯穿通道提供冷却剂通过第一存储架的大致畅通无阻的流动，以冷却第一和第二燃料组件。

第一群燃料组件可以以交替的样式布置在第一网格结构中，使得没有两个燃料组件彼此相邻地定位。在一些例子中，第一网格结构中的每个燃料组件可以被至少两个相邻的空单元和/或贯穿通道围绕。另外，第一网格结构中的至少一个燃料组件可以被四个相邻的空单元和/或贯穿通道围绕。

在操作1250处，第二存储架可以安装在第一存储架的顶部上。第二存储架可以包括布置在第二网格结构中的第二群单元，第二群单元可以被构造成用以存储第二群燃料组件。

第二群燃料组件可以以与第一群燃料组件大致颠倒的样式布置在第二网格结构中。例如，第二网格结构的空单元可以定位在第一网格结构中的每个燃料组件上方。另外，第二网格结构的至少一个空单元可以与四个单元相邻地定位，这四个单元中的每个单元都存储分开的燃料组件。

在操作1260处，另外的燃料组件可以放置在第二网格结构的上部单元中。上部单元可以定位在第一网格结构的中间单元紧上方。

在操作1270处，冷却剂可以循环通过中间单元，以冷却另外的燃料组件。在一些例子中，第二存储架可以通过一个或多个叠堆支撑件安装在第一存储架的顶部上，所述一个或多个叠堆支撑件提供间隙，在冷却定位在上部单元中的另外的燃料组件之前，冷却剂的旁流在该间隙中加入到循环通过中间单元的冷却剂中。

为了进行示意性的说明，以下描述另一个示例性燃料存储架组件。示例性的燃料存储架组件可以包括燃料单元基体。燃料单元基体可以包括与第二燃料单元相邻地定位的第一燃料单元。第一燃料单元和/或第二燃料单元的尺寸可以形成为使得绕第一燃料组件的外壁形成第一间隙并且绕第二燃料组件的外壁形成第二间隙。第一和/或第二间隙可以提供宽度为一英寸或几英寸的防护区域。在一些例子中，防护区域的长度可以大致等于第一和/或第二燃料组件的长度。

第一燃料单元可以形成在第一壁内。第二燃料单元可以形成在第二壁内。防护区域的至少一部分可以形成在第一壁和第二壁之间。在一些例子中，第一壁和第二壁中的一者或两者可以包括穿孔。穿孔可以被构造成用以允许位于第一和/或第二燃料单元中的冷却剂(例如空气)流入到防护区域中和/或在第一和第二燃料单元之间流动。第一壁中的穿孔可以相对于第二壁中的穿孔偏移、交错和/或移位，使得在第一和第二燃料组件之间不存在视线，这样的视线将允许一个燃料组件中产生的中子到达和/或吸收在另一个燃料组件中。穿孔可以沿着侧向和纵向(海拔)方向中的一个或两个方向偏移。

本文描述的一个或多个示例性系统、设备和/或构造可以被构造成用以消除乏燃料池中固定中子吸收剂或可溶硼的使用，和/或在防护冷却池中的冷却剂损耗的情况下通过完全被动的手段提供连续的中子和热传递。

尽管本文提供的例子主要描述了加压水反应器和/或轻水反应器，但是对于本领域技术人员而言明显的是，这些例子可以应用于其它类型的动力系统。例如，这些例子或其变型形式中的一个或多个还可以操作用于沸腾水反应器、钠液态金属反应器、气体冷却反应器、卵石床反应器、和/或其它类型的反应器设计。

应该指出的是，这些例子并不用来限制在核反应中或与核反应相关地产生热的燃料的任何特定类型。本文所述的任何比率和值仅仅是示例性的。其它比率和值可以通过试验来确定，例如通过构造核反应器系统的全尺寸或比例模型来确定。

虽然多个例子描述了在一池水中冷却乏燃料，但是也可以在没有水的情况下采用某些或全部系统。例如，一个或多个实施例可以定位在基本上干燥的防护壳中并且被构造成用于在空气或者其它气态环境中操作，或者可以定位在部分地或完全地排空的防护结构中。另外，本文所述的一个或多个示例性系统可以用来存储还没有耗尽的新的燃料组件。例如，在将燃料插入到反应器模块中之前，一个或多个架可以用来存储燃料组件。

尽管本文已经描述和示出了多个例子，但是明显的是，其它例子可以在布置和细节上进行修改。所有修改和变型形式都落在本文要求保护的主题的精神和范围内。