无源冷却的乏核燃料池系统的制作方法
【专利说明】无源冷却的乏核燃料池系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求对2012年8月14日提交的美国临时专利申请61/683，030的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。
发明领域
[0003]本发明涉及一种用来无源(passively)冷却乏核燃料池的系统和一种无源冷却乏核燃料池的方法。
[0004]发明背景
[0005]乏燃料池是核电站燃料存储建筑内的一种水体(a body of water)，通常大约40英尺深并且装有燃料架，用来在换料停机期间存放反应堆上卸下的乏核燃料。乏燃料池将燃料保存在吸收燃料放射性及其衰变热的安全的水下结构中。燃料存于池水中的衰变热必须除去以防止池水的热堆积失控，后者会引起燃料池水的不希望的蒸发。在现有的核电站设计方案中，池中的水采用将其泵入热交换器的方法来冷却，其通常是采用核电站的部件冷却水来进行，这是一种闭环的已净化水流，可冷却核电站的各种设备而后再被自然水源来冷却，诸如湖水、河水、或海水。
[0006]这种传统的乏燃料池冷却系统存在几个缺点，最明显的缺点是池子的冷却依赖于泵和电动机来在热交换器两侧进行水的循环。在动力停机或某种其它事件使得泵和电动机不能工作期间，乏燃料池内的水会沸腾并会蒸发，这会引起燃料暴露于燃料池水的水平面之上。另一个缺点是水蒸汽连续地释放到核电站的燃料存放建筑中，这增加了建筑的湿度和温度，影响适居性(habitability)和增加HVAC(采暖通风与空调)负担。敞开的池子还会吸收来自环境空气中的灰尘和颗粒，将其转化为放射性物质，这些都必须从池中吸除、过滤和收集而作为污染废料来处理。
[0007]为此，需要一种可冷却乏燃料池的系统和方法，这种方法不依赖泵和电动机。另夕卜，还需要一种系统和方法来降低核电站燃料存储建筑物内部的湿度。此外，需要一种防止灰尘和颗粒集中于乏燃料池内的系统和方法。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种无源冷却的乏核燃料池系统和方法，用来克服上述现有装置的缺陷。
[0009]一方面，本发明提供了一种无源冷却的乏核燃料池系统，包括:乏核燃料池，其包括:一种具有水平面的液态水体，至少一个浸在液态水体中的乏核燃料棒，以加热液态水体；覆盖乏核燃料池的盖子以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间，所述盖子包括第一盖子部分和第二盖子部分；以及第一隔板，其从盖子延伸一部分距离进入到液态水体内，将蒸汽空间分隔成位于第一盖子部分和液态水体之间的第一蒸汽空间部分和位于第二盖子部分和液态水体之间的第二蒸汽空间部分；以及无源热交换子系统，其包括:立管，包括具有设置在第一蒸汽空间部分内的第一进口的第一立管进口部分，具有设置在第二蒸汽空间部分内的第二进口的第二立管进口部分和主立管部分，其中立管接收来自第一和第二蒸汽空间部分的水蒸汽；至少一个溢流管(downcorner)流体连接到第一立管部分上，用来接收来自第一立管部分的水蒸汽，在至少一个溢流管内冷凝的水蒸汽形成冷凝的水蒸汽；以及至少一个回流管，流体连接到至少一个溢流管上，所述至少一个回流管具有位于液态水体内部的出口，用来将冷凝水蒸汽返回到液态水体中。
[0010]在另一个方面，本发明提供了一种无源冷却乏核燃料池系统，包括:一种乏核燃料池，包括:具有水平面的液态水体，浸在液态水体中的至少一个乏核燃料棒，加热液态水体；覆盖乏核燃料池的盖子，以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间，以及无源热交换子系统，包括；具有位于蒸汽空间内进口的至少一个立管，用来接收来自蒸汽空间的水蒸汽；流体连接到立管上的至少一个溢流管管道，用来接收来自立管的水蒸汽，水蒸汽在溢流管管道内冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及流体连接到至少一个溢流管管道上的至少一个回流管，回流管具有位于液态水体内的出口，用来将冷凝的水蒸汽返回到液态水体中。
[0011]另一方面，本发明提供了一种无源冷却的乏核燃料池系统，包括:一种乏核燃料池，包括具有水平面的液态水体，浸在液态水体中的至少一个乏核燃料棒，用来加热液态水体；覆盖乏核燃料池的盖子，以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间；以及流体连接到蒸汽空间的无源热交换子系统，该无源热交换子系统配置成:(I)接收来自蒸汽空间的水蒸汽；(2)将所收到的水蒸汽中的热能排除，从而对水蒸汽进行冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及(3)将冷凝的水蒸汽返回到液态水体中。
[0012]再一个方面，本发明提供了一种无源冷却乏核燃料池的方法，包括:a)用盖子覆盖乏核燃料池，从而在盖子和位于乏燃料池液态水体的水平面之间形成具有水蒸汽的蒸汽空间山)水蒸汽无源地从蒸汽空间流过热交换子系统，从而排除水蒸汽中的热能以形成冷凝的水蒸汽；以及c)冷凝的水蒸汽无源地从热交换子系统流至液态水体中。
[0013]再一个方面，本发明提供了一种无源冷却乏核燃料池的方法，包括:a)用具有水平面的液态水体至少部分地填充乏核燃料池山)在液态水体中浸入至少一个核燃料棒，所述至少一个核燃料棒加热液态水体；c)用盖子覆盖液态水体以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间，所述盖子包括第一盖子部分和第二盖子部分；d)将蒸汽空间分隔成位于第一盖子部分和液态水体之间的第一蒸汽空间部分，和位于第二盖子部分和液态水体之间的第二蒸汽空间部分；所述第一和第二蒸汽空间部分通过隔板形成彼此密封隔断；e)将热交换子系统流体连接到乏核燃料池上，该热交换子系统具有流体连接在一起的立管、溢流管管道和回流管，立管具有设置在第一和第二蒸汽空间部分每个内的进口，回流管具有设置在液态水体内的出口 ；以及其中，水蒸汽从第一和第二水蒸汽空间部分流到立管处并从立管处流入溢流管管道，其中，水蒸汽在溢流管管道内冷凝以形成冷凝水蒸汽，以及其中，冷凝的水蒸汽从溢流管管道流入回流管并从回流管流入液态水体中。
[0014]附图简要说明
[0015]下面结合附图，介绍本发明示例性实施方式的特性，附图中类似的部件都标有类似的符号，附图如下:
[0016]图1为根据本发明实施方式的核反应堆安全外壳(containment enclosure)的正面图；
[0017]图2为沿图1的I1-1I线剖开的安全外壳剖面图，示出了被安全外壳至少部分地包围的安全壳(containment vessel)；
[0018]图3为沿图2所示II1-1II线剖开的剖面图；
[0019]图4为沿图2所示IV-1V线剖开的剖面图；
[0020]图5为穿过安全外壳和安全壳的剖面示意图；
[0021]图6为图5的VI区的局部放大图；
[0022]图7为核反应堆安全外壳和图2所示安全壳的局部一般剖面示意图，示出了乏核燃料池和其中的核反应堆；
[0023]图8为根据本发明实施方式的乏核燃料池的剖面示意图；
[0024]图8A为图8的VIIIA区域的局部放大图；以及
[0025]图9为根据本发明另一个实施方式的核反应堆安全外壳和安全壳局部的一般剖面示意图，其中图8所示乏核燃料池被包含在安全壳内；
[0026]所有附图都是示意性的，并不一定成比例。
[0027]本发明的具体说明
[0028]下面参照示例性实施方式结合【附图说明】本发明的特征和益处。示例性实施方式的如下描述应与附图一起阅读，这些附图被认为是整个书面描述的组成部分。在本文所公开的本发明的实施方式的描述中，有关方向或方位的任何参照都仅仅旨在便于介绍，决不是来限定本发明的范围。相关术语，诸如“下方的”、“上方的”、“水平的”、“垂直的”、“在…正上方”、“在…正下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及这些术语的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)，都应被解释为是指当时所描述的或所述图所示的方位。这些相对术语都仅仅是为了描述方便，并不要求装置按特定方位来建造或操作使用。术语，诸如“附着”、“固定”、“连接”、“耦合”、“互连”，以及类似术语，都是指各个构件通过中间结构件以及活动或刚性固定件而直接地或间接地相互固定或连接的一种关系，除非另有明确说明。为此，很显然，本发明公开内容应不限定在这些示例性实施方式上，这些实施方式说明了发明特征的一些可能的非限定性结合形式，这些特性可以独立存在，也可以以其它结合形式存在。
[0029]同时参照图1和图2，这些附图示出了根据本发明实施方式的一种核反应堆安全壳系统100。该系统通常包括内安全结构，诸如安全壳200和外安全外壳300。安全壳200和安全外壳300为垂直细长型结构，容纳核电站的一些部件，诸如核反应堆和乏核燃料池。安全壳200和安全外壳300 —起构成安全壳-外壳组件200-300。在某些实施方式中，安全外壳300和安全壳200可部分地埋入地下。安全壳200和安全外壳300的细节详见如下介绍和2013年5月21日提交的国际专利申请N0.PCT/US13/42070，该申请全文在此通过引用并入本文。
[0030]在某些实施方式中，安全壳-外壳组件200-300可以由混凝土基础301来支撑，包括底板302和垂直延伸侧壁303，其从底板302向上立起并构成顶部基垫(base mat) 304。侧壁303可以沿周向地包覆安全壳200下部209，如图2所示，其中，安全壳200下部209位于侧壁303内部。在一些实施方式中，侧壁303可以在安全壳200置于底板302(其可先浇注定型)上后浇注，从而将安全壳200下部209完全嵌入基础301内。在一些实施方式中，基础侧壁303的端部可伸至地下，以便对安全壳-外壳组件200-300提供附加防护，防止抛射物体撞击(例如，飞机撞击等)。基础301可以具有任何合适的俯视图布局，包括(但不限于)多边形(例如，长方形、六角形、圆形等)。
[0031 ] 在一些实施方式中，安全外壳300可以为具有侧壁320的双壁结构，该侧壁由两个大体径向间隔而相互连接的同心壳体310(内)和311(外)形成，内外壳体310，311之间的环形空间内安装有普通的或钢筋混凝土 312。在这些实施方式中，内外壳体310，311均采用任何合适坚固材料制成，诸如(但不限于)可方便焊接的韧性金属板(例如低碳钢)。也可使用其它合适金属材料，包括各种合金。在一个实施方式中(但不限于)，双壁安全外壳30