从废乏燃料桶获取的电源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及从衰变热获取能量的能源，并且更具体地，本发明涉及从包含废乏核燃料的废乏核燃料存储桶获取能量的这样一种电源。
【背景技术】
[0002]加压水核反应堆通常以18个月的周期补给燃料。在补给燃料的过程期间，将芯内一部分受过辐照的燃料组件拆除并且用新的燃料组件进行替换，将所述新的燃料组件重新定位在芯周围。通常将拆除的废乏燃料组件在水下传递到容纳废乏燃料池的单独的建筑物，将这些放射性燃料组件存储在该废乏燃料池中。废乏燃料池中的水深到足以将辐射屏蔽到可接受的水平，并且防止燃料组件内的燃料杆达到能够破坏燃料杆的覆层的温度，该覆层气密地容纳放射性燃料材料以及裂变产物。冷却继续进行到至少直到燃料组件内的衰变热衰减到该组件的温度对于干燥存储而言可接受的水平。
[0003]通常将废乏燃料组件存储在这种池中达十五年的一段时间，在该十五年的一段时间期间，该组件会被冷却，同时它们产生衰变热，该衰变热随着时间呈指数地衰减。在十五年之后，该衰变热已经充分地减小到能够将该组件从废乏燃料池移除并且运送到长期存储桶中，每一个长期存储桶通常能够保持21个组件。通常将这些桶重新放置到核电厂地点的另一区域并且无限期地存储。
[0004]由于该燃料组件继续在该桶中产生衰变热，因此利用自然对流空气流来转移热量。这将桶内部的温度保持在适合于所用材料的水平。每一个桶具有用于容纳废乏燃料组件的内部不锈钢圆筒形罐。将所述罐布置在存储桶的结构外壳中，该结构外壳是厚度加强的圆筒形混凝土壳体，该混凝土壳体在内部面上加衬有不锈钢。当组装好后，在内部的罐和外部的桶外壳之间存在近似3.50英寸的径向间隙。在图1和图2中示出了这种几何布置。图1示出了没有安装内部的罐的桶壳体10的剖视图。桶壳体10通常包括三个环形混凝土段:下段12、中段14和上段16，该三个环形混凝土段由剪切键18侧向约束，并且由限制杆20保持就位。钢衬里22包围段12、14和16的内部并且覆盖有热屏蔽部24和环形屏蔽环26。支撑轨28沿段12、14和16的内部竖直地延伸，并且将不锈钢罐引导就位，并且将该罐与钢衬里22的内壁间隔开。外部的段12、14和16中的中心开口 42的下端部处的支撑管30支撑图2中示出的内部不锈钢罐36。通常由屏部34覆盖的空气入口 32使空气通过混凝土壳体10的底部段12的下部部分，通过混凝土壳体的内部进入壳体10与内部圆筒形罐之间的环形通道，该内部圆筒形罐配合在混凝土外部壳体10中的中心开口内。通过进气口32进入的空气通过由屏部40覆盖的混凝土壳体10的上段16中的空气出口通道38排出。顶部覆盖件41通过螺栓43密封，该螺栓延伸通过该覆盖件并且进入环形密封环26以在内部圆筒形罐36填充了燃料组件并且装载在混凝土壳体10的中心开口 42内时固定所述覆盖件和内部圆筒形罐。
[0005]图2示出了内部罐36，该内部罐在外部混凝土壳体10内滑动。内部罐36具有外部钢壳体44，该外部钢壳体在下端部处由底部端板46封闭，该底部端板覆盖了安置在底部封闭板50上的底部屏蔽塞48。隔板52以间隔的串联阵列布置在内部罐壳体44内并且具有基本上对准的正方形开口 56，将单个燃料组件布置到该正方形开口中。对齐的开口 56在燃料组件之间维持一设定的间隔。隔板52由围绕隔板的周边延伸通过的支撑杆54的组件保持就位。排泄端口 58和通风端口 60基本上跨越罐壳体44的长度以排空罐中的水。罐36的顶部由顶部屏蔽塞62封闭，该顶部屏蔽塞由顶部内部封闭板64覆盖。顶部内部封闭板64包括测量端口 66，该测量端口与罐内的辐射监控器以及温度监控器连通以将对应的输出信号传输到罐36的外部。内部罐组件由顶部外部封闭板68覆盖，该顶部外部封闭板由周边的螺栓紧固就位并且包括泄漏测试端口 70，该泄漏测试端口用于保证内部罐的气密密封。冷却空气流在桶的壳体10的底部通过径向入口通道32进入环状区域，并且内部罐36和外部混凝土壳体10的钢衬里22之间的环状区域内产生的加热效果导致空气的自然流通，该空气通过该桶的顶部处的径向出口通道38排出。来自废乏燃料的残留衰变热因此随着时间的推移而消散到周围环境中。
[0006]本发明的目的是将来自废乏核燃料存储桶内的废乏核燃料的废热转变为有用功。
[0007]本发明的另外的目的是将这种废热转变为能量源，该能量源可以用于进一步冷却废乏燃料桶，使得可以以增加的速率将热从废乏燃料驱散。
[0008]本发明的另外的目的是将这种废热转变为可以用作用于存储所述废乏燃料桶的设备的辅助动力源的机械能或电能。
【发明内容】
[0009]本发明的这些和其它目的通过一种废乏核燃料存储容器来实现，该废乏核燃料存储容器具有:用于存储核燃料的罐；以及与该罐处于热传递关系的热机，该热机用于将存储的核燃料的潜热和周围环境之间的热差转变为电功率或机械功率。在一个实施例中，废乏核燃料存储容器包括外部桶，该外部桶包围所述罐，并且在桶和罐之间存在环形空间。进气口延伸通过桶的下部部分，从桶的外部延伸到环形空间。空气出口延伸通过桶的上部部分，从环形空间延伸到桶的外部。优选地，所述热机与环形空间处于热传递关系。在一个实施例中，该热传递关系通过热传递介质来实现，以将热从环形空间传输到外部桶的外部。在这样一个实施例中，热传递介质是热管并且热机可以选自郎肯循环热机、斯特林循环热机或热电装置。
[0010]在又一实施例中，热机是热电装置，将该热电装置在环形空间内支撑在容纳核燃料的内部罐的外表面上。优选地，将热电装置支撑于基本上在空气入口和空气出口之间的高度。期望地，将热电装置支撑位于空气入口和空气出口之间的基本上中间的位置。
[0011]在又一实施例中，热机具有连接到能够操作用于冷却冷却剂的冷却剂循环系统的电输出部。优选地，该循环系统延伸通过外部桶和内部罐之间的环形空间，并且延伸通过该桶到其外部，该冷却剂循环系统使流体冷却剂在环形空间的内部和桶的外部之间循环。
[0012]在又一实施例中，废乏核燃料存储容器包括冷却剂循环系统，该冷却剂循环系统冷却核电厂的废乏燃料池内的流体。期望地，所述电功率形成核电厂的辅助动力源。
【附图说明】
[0013]当结合附图阅读时，根据优选实施例的以下描述可以进一步理解本发明，其中:
[0014]图1是废乏燃料桶的外部壳体的等距视图，所述燃料桶被部分地剖开以示出拆卸的顶部覆盖件，并且在截面中部分地显露所述燃料桶的内部；图1还示意性地示出了应用来自废乏核燃料的废热用于为核设施的各种方面提供动力的数个实施例；
[0015]图2是废乏核燃料桶的内部罐的等距视图，所述废乏核燃料桶被部分地剖开并且拆分以显露所述废乏核燃料桶的容纳废乏核燃料组件的内部；
[0016]图3是热电模块的示意图，该热电模块可以用作在图1和图2中示出的废乏核燃料桶的一个实施例中使用的动力产生系统的部分；
[0017]图4是图1和图2中的废乏燃料桶的外部混凝土壳体和内部罐表面的温度分布的图表；并且
[0018]图5是示出外部混凝土壳体的废乏燃料桶的等距视图，并且内部罐被部分地移除。
【具体实施方式】
[0019]本发明提供了一种用于将来自废乏燃料桶的废热转化为可以用于支撑多种功能的电功率或机械功率的装置。在一个实施例中，热电发电机安装在废乏燃料桶的内部罐的外表面上。热电发电机利用容纳核燃料的内部罐和在内部罐与外部混凝土壳体之间的环形空间中的空气流之间的温度差变量来产生功率。通常地，当跨越商业上可获得的热电装置分布的变量T为300°F或更大时，所述热电装置将产生显著的功率。在图3中显示了示例性的热电装置，并且其总体上由附图标记72表示。热电装置72通常由N型和P型掺杂半导体材料74的两个或更多个元件组成，该两个或更多个元件串联地电连接并且并联地热连接。N型材料掺杂成使得它将具有额外的电子(多于完成完美的分子晶格结构所需的电子)，而P型材料掺杂成使得它将缺乏电子(少于完成完美的晶格结构所必需的电子)。N型材料中的额外电子和P型材料中的由缺乏电子产生的“空穴”是将热能从热源76通过热电材料传输到热