無(wú)源冷卻的乏核燃料池系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】無(wú)源冷卻的乏核燃料池系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求對(duì)2012年8月14日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61/683，030的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種用來(lái)無(wú)源(passively)冷卻乏核燃料池的系統(tǒng)和一種無(wú)源冷卻乏核燃料池的方法。
[0004]發(fā)明背景
[0005]乏燃料池是核電站燃料存儲(chǔ)建筑內(nèi)的一種水體(a body of water)，通常大約40英尺深并且裝有燃料架，用來(lái)在換料停機(jī)期間存放反應(yīng)堆上卸下的乏核燃料。乏燃料池將燃料保存在吸收燃料放射性及其衰變熱的安全的水下結(jié)構(gòu)中。燃料存于池水中的衰變熱必須除去以防止池水的熱堆積失控，后者會(huì)引起燃料池水的不希望的蒸發(fā)。在現(xiàn)有的核電站設(shè)計(jì)方案中，池中的水采用將其泵入熱交換器的方法來(lái)冷卻，其通常是采用核電站的部件冷卻水來(lái)進(jìn)行，這是一種閉環(huán)的已凈化水流，可冷卻核電站的各種設(shè)備而后再被自然水源來(lái)冷卻，諸如湖水、河水、或海水。
[0006]這種傳統(tǒng)的乏燃料池冷卻系統(tǒng)存在幾個(gè)缺點(diǎn)，最明顯的缺點(diǎn)是池子的冷卻依賴(lài)于泵和電動(dòng)機(jī)來(lái)在熱交換器兩側(cè)進(jìn)行水的循環(huán)。在動(dòng)力停機(jī)或某種其它事件使得泵和電動(dòng)機(jī)不能工作期間，乏燃料池內(nèi)的水會(huì)沸騰并會(huì)蒸發(fā)，這會(huì)引起燃料暴露于燃料池水的水平面之上。另一個(gè)缺點(diǎn)是水蒸汽連續(xù)地釋放到核電站的燃料存放建筑中，這增加了建筑的濕度和溫度，影響適居性(habitability)和增加HVAC(采暖通風(fēng)與空調(diào))負(fù)擔(dān)。敞開(kāi)的池子還會(huì)吸收來(lái)自環(huán)境空氣中的灰塵和顆粒，將其轉(zhuǎn)化為放射性物質(zhì)，這些都必須從池中吸除、過(guò)濾和收集而作為污染廢料來(lái)處理。
[0007]為此，需要一種可冷卻乏燃料池的系統(tǒng)和方法，這種方法不依賴(lài)泵和電動(dòng)機(jī)。另夕卜，還需要一種系統(tǒng)和方法來(lái)降低核電站燃料存儲(chǔ)建筑物內(nèi)部的濕度。此外，需要一種防止灰塵和顆粒集中于乏燃料池內(nèi)的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種無(wú)源冷卻的乏核燃料池系統(tǒng)和方法，用來(lái)克服上述現(xiàn)有裝置的缺陷。
[0009]一方面，本發(fā)明提供了一種無(wú)源冷卻的乏核燃料池系統(tǒng)，包括:乏核燃料池，其包括:一種具有水平面的液態(tài)水體，至少一個(gè)浸在液態(tài)水體中的乏核燃料棒，以加熱液態(tài)水體；覆蓋乏核燃料池的蓋子以在液態(tài)水體的水平面和蓋子之間形成密封蒸汽空間，所述蓋子包括第一蓋子部分和第二蓋子部分；以及第一隔板，其從蓋子延伸一部分距離進(jìn)入到液態(tài)水體內(nèi)，將蒸汽空間分隔成位于第一蓋子部分和液態(tài)水體之間的第一蒸汽空間部分和位于第二蓋子部分和液態(tài)水體之間的第二蒸汽空間部分；以及無(wú)源熱交換子系統(tǒng)，其包括:立管，包括具有設(shè)置在第一蒸汽空間部分內(nèi)的第一進(jìn)口的第一立管進(jìn)口部分，具有設(shè)置在第二蒸汽空間部分內(nèi)的第二進(jìn)口的第二立管進(jìn)口部分和主立管部分，其中立管接收來(lái)自第一和第二蒸汽空間部分的水蒸汽；至少一個(gè)溢流管(downcorner)流體連接到第一立管部分上，用來(lái)接收來(lái)自第一立管部分的水蒸汽，在至少一個(gè)溢流管內(nèi)冷凝的水蒸汽形成冷凝的水蒸汽；以及至少一個(gè)回流管，流體連接到至少一個(gè)溢流管上，所述至少一個(gè)回流管具有位于液態(tài)水體內(nèi)部的出口，用來(lái)將冷凝水蒸汽返回到液態(tài)水體中。
[0010]在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種無(wú)源冷卻乏核燃料池系統(tǒng)，包括:一種乏核燃料池，包括:具有水平面的液態(tài)水體，浸在液態(tài)水體中的至少一個(gè)乏核燃料棒，加熱液態(tài)水體；覆蓋乏核燃料池的蓋子，以在液態(tài)水體的水平面和蓋子之間形成密封蒸汽空間，以及無(wú)源熱交換子系統(tǒng)，包括；具有位于蒸汽空間內(nèi)進(jìn)口的至少一個(gè)立管，用來(lái)接收來(lái)自蒸汽空間的水蒸汽；流體連接到立管上的至少一個(gè)溢流管管道，用來(lái)接收來(lái)自立管的水蒸汽，水蒸汽在溢流管管道內(nèi)冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及流體連接到至少一個(gè)溢流管管道上的至少一個(gè)回流管，回流管具有位于液態(tài)水體內(nèi)的出口，用來(lái)將冷凝的水蒸汽返回到液態(tài)水體中。
[0011]另一方面，本發(fā)明提供了一種無(wú)源冷卻的乏核燃料池系統(tǒng)，包括:一種乏核燃料池，包括具有水平面的液態(tài)水體，浸在液態(tài)水體中的至少一個(gè)乏核燃料棒，用來(lái)加熱液態(tài)水體；覆蓋乏核燃料池的蓋子，以在液態(tài)水體的水平面和蓋子之間形成密封蒸汽空間；以及流體連接到蒸汽空間的無(wú)源熱交換子系統(tǒng)，該無(wú)源熱交換子系統(tǒng)配置成:(I)接收來(lái)自蒸汽空間的水蒸汽；(2)將所收到的水蒸汽中的熱能排除，從而對(duì)水蒸汽進(jìn)行冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及(3)將冷凝的水蒸汽返回到液態(tài)水體中。
[0012]再一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種無(wú)源冷卻乏核燃料池的方法，包括:a)用蓋子覆蓋乏核燃料池，從而在蓋子和位于乏燃料池液態(tài)水體的水平面之間形成具有水蒸汽的蒸汽空間山)水蒸汽無(wú)源地從蒸汽空間流過(guò)熱交換子系統(tǒng)，從而排除水蒸汽中的熱能以形成冷凝的水蒸汽；以及c)冷凝的水蒸汽無(wú)源地從熱交換子系統(tǒng)流至液態(tài)水體中。
[0013]再一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種無(wú)源冷卻乏核燃料池的方法，包括:a)用具有水平面的液態(tài)水體至少部分地填充乏核燃料池山)在液態(tài)水體中浸入至少一個(gè)核燃料棒，所述至少一個(gè)核燃料棒加熱液態(tài)水體；c)用蓋子覆蓋液態(tài)水體以在液態(tài)水體的水平面和蓋子之間形成密封蒸汽空間，所述蓋子包括第一蓋子部分和第二蓋子部分；d)將蒸汽空間分隔成位于第一蓋子部分和液態(tài)水體之間的第一蒸汽空間部分，和位于第二蓋子部分和液態(tài)水體之間的第二蒸汽空間部分；所述第一和第二蒸汽空間部分通過(guò)隔板形成彼此密封隔斷；e)將熱交換子系統(tǒng)流體連接到乏核燃料池上，該熱交換子系統(tǒng)具有流體連接在一起的立管、溢流管管道和回流管，立管具有設(shè)置在第一和第二蒸汽空間部分每個(gè)內(nèi)的進(jìn)口，回流管具有設(shè)置在液態(tài)水體內(nèi)的出口 ；以及其中，水蒸汽從第一和第二水蒸汽空間部分流到立管處并從立管處流入溢流管管道，其中，水蒸汽在溢流管管道內(nèi)冷凝以形成冷凝水蒸汽，以及其中，冷凝的水蒸汽從溢流管管道流入回流管并從回流管流入液態(tài)水體中。
[0014]附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0015]下面結(jié)合附圖，介紹本發(fā)明示例性實(shí)施方式的特性，附圖中類(lèi)似的部件都標(biāo)有類(lèi)似的符號(hào)，附圖如下:
[0016]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的核反應(yīng)堆安全外殼(containment enclosure)的正面圖；
[0017]圖2為沿圖1的I1-1I線剖開(kāi)的安全外殼剖面圖，示出了被安全外殼至少部分地包圍的安全殼(containment vessel)；
[0018]圖3為沿圖2所示II1-1II線剖開(kāi)的剖面圖；
[0019]圖4為沿圖2所示IV-1V線剖開(kāi)的剖面圖；
[0020]圖5為穿過(guò)安全外殼和安全殼的剖面示意圖；
[0021]圖6為圖5的VI區(qū)的局部放大圖；
[0022]圖7為核反應(yīng)堆安全外殼和圖2所示安全殼的局部一般剖面示意圖，示出了乏核燃料池和其中的核反應(yīng)堆；
[0023]圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的乏核燃料池的剖面示意圖；
[0024]圖8A為圖8的VIIIA區(qū)域的局部放大圖；以及
[0025]圖9為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的核反應(yīng)堆安全外殼和安全殼局部的一般剖面示意圖，其中圖8所示乏核燃料池被包含在安全殼內(nèi)；
[0026]所有附圖都是示意性的，并不一定成比例。
[0027]本發(fā)明的具體說(shuō)明
[0028]下面參照示例性實(shí)施方式結(jié)合【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的特征和益處。示例性實(shí)施方式的如下描述應(yīng)與附圖一起閱讀，這些附圖被認(rèn)為是整個(gè)書(shū)面描述的組成部分。在本文所公開(kāi)的本發(fā)明的實(shí)施方式的描述中，有關(guān)方向或方位的任何參照都僅僅旨在便于介紹，決不是來(lái)限定本發(fā)明的范圍。相關(guān)術(shù)語(yǔ)，諸如“下方的”、“上方的”、“水平的”、“垂直的”、“在…正上方”、“在…正下方”、“向上”、“向下”、“頂部”和“底部”以及這些術(shù)語(yǔ)的派生詞(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)，都應(yīng)被解釋為是指當(dāng)時(shí)所描述的或所述圖所示的方位。這些相對(duì)術(shù)語(yǔ)都僅僅是為了描述方便，并不要求裝置按特定方位來(lái)建造或操作使用。術(shù)語(yǔ)，諸如“附著”、“固定”、“連接”、“耦合”、“互連”，以及類(lèi)似術(shù)語(yǔ)，都是指各個(gè)構(gòu)件通過(guò)中間結(jié)構(gòu)件以及活動(dòng)或剛性固定件而直接地或間接地相互固定或連接的一種關(guān)系，除非另有明確說(shuō)明。為此，很顯然，本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容應(yīng)不限定在這些示例性實(shí)施方式上，這些實(shí)施方式說(shuō)明了發(fā)明特征的一些可能的非限定性結(jié)合形式，這些特性可以獨(dú)立存在，也可以以其它結(jié)合形式存在。
[0029]同時(shí)參照?qǐng)D1和圖2，這些附圖示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的一種核反應(yīng)堆安全殼系統(tǒng)100。該系統(tǒng)通常包括內(nèi)安全結(jié)構(gòu)，諸如安全殼200和外安全外殼300。安全殼200和安全外殼300為垂直細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，容納核電站的一些部件，諸如核反應(yīng)堆和乏核燃料池。安全殼200和安全外殼300 —起構(gòu)成安全殼-外殼組件200-300。在某些實(shí)施方式中，安全外殼300和安全殼200可部分地埋入地下。安全殼200和安全外殼300的細(xì)節(jié)詳見(jiàn)如下介紹和2013年5月21日提交的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)N0.PCT/US13/42070，該申請(qǐng)全文在此通過(guò)引用并入本文。
[0030]在某些實(shí)施方式中，安全殼-外殼組件200-300可以由混凝土基礎(chǔ)301來(lái)支撐，包括底板302和垂直延伸側(cè)壁303，其從底板302向上立起并構(gòu)成頂部基墊(base mat) 304。側(cè)壁303可以沿周向地包覆安全殼200下部209，如圖2所示，其中，安全殼200下部209位于側(cè)壁303內(nèi)部。在一些實(shí)施方式中，側(cè)壁303可以在安全殼200置于底板302(其可先澆注定型)上后澆注，從而將安全殼200下部209完全嵌入基礎(chǔ)301內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，基礎(chǔ)側(cè)壁303的端部可伸至地下，以便對(duì)安全殼-外殼組件200-300提供附加防護(hù)，防止拋射物體撞擊(例如，飛機(jī)撞擊等)?；A(chǔ)301可以具有任何合適的俯視圖布局，包括(但不限于)多邊形(例如，長(zhǎng)方形、六角形、圓形等)。
[0031 ] 在一些實(shí)施方式中，安全外殼300可以為具有側(cè)壁320的雙壁結(jié)構(gòu)，該側(cè)壁由兩個(gè)大體徑向間隔而相互連接的同心殼體310(內(nèi))和311(外)形成，內(nèi)外殼體310，311之間的環(huán)形空間內(nèi)安裝有普通的或鋼筋混凝土 312。在這些實(shí)施方式中，內(nèi)外殼體310，311均采用任何合適堅(jiān)固材料制成，諸如(但不限于)可方便焊接的韌性金屬板(例如低碳鋼)。也可使用其它合適金屬材料，包括各種合金。在一個(gè)實(shí)施方式中(但不限于)，雙壁安全外殼30