限制乏燃料池補(bǔ)給水的安全殼內(nèi)乏燃料儲存器的制造方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求在2013年3月14日提交的美國專利申請序列號No. 61/781,245的優(yōu) 先權(quán)，其通過援引并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種用于核電站的被動式乏燃料冷卻系統(tǒng)，并且更具體地，涉及一種 限制乏燃料池補(bǔ)給水的安全殼內(nèi)乏燃料儲存器。
【背景技術(shù)】
[0004] 核反應(yīng)堆發(fā)電系統(tǒng)的二次側(cè)產(chǎn)生用于發(fā)出可售電力的蒸汽。對于諸如壓水反應(yīng)堆 或液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的反應(yīng)堆類型來說，一次側(cè)包括封閉回路，該封閉回路是孤立的并 且與用于產(chǎn)生有用蒸汽的二次回路呈熱交換的關(guān)系。對于諸如沸水反應(yīng)堆或氣冷反應(yīng)堆的 反應(yīng)堆類型來說，用于發(fā)出可售電力的氣體在反應(yīng)堆堆芯內(nèi)被直接加熱。將描述壓水反應(yīng) 堆的應(yīng)用，作為下文主張概念的示例性應(yīng)用；但是應(yīng)當(dāng)理解，其它類型的反應(yīng)堆也可以從本 文公開的概念中同等地受益。
[0005] 壓水反應(yīng)堆系統(tǒng)的一次側(cè)包括包封堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)（所述堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐含有 可裂變材料的多個燃料組件）的反應(yīng)堆容器、在熱交換蒸汽發(fā)生器內(nèi)的一次回路、增壓器 的內(nèi)部容積、用于使被增壓的水循環(huán)的栗和管道；所述管道將蒸汽發(fā)生器和栗中的每一個 獨(dú)立地連接至反應(yīng)堆容器。包括蒸汽發(fā)生器、栗、和管道系統(tǒng)（所述管道連接至容器）的一 次側(cè)部件中的每一個形成一次側(cè)的環(huán)路。
[0006] 出于闡述的目的，圖1示出了簡化的壓水核反應(yīng)堆一次系統(tǒng)，所述一次系統(tǒng)包括 大體圓筒形的反應(yīng)堆壓力容器10,反應(yīng)堆壓力容器10具有包封核堆芯14的閉合頂蓋12。 液體反應(yīng)堆冷卻劑（比如水）由栗16栗入容器10中、穿過堆芯14,熱能在堆芯14中被吸 收并且通過熱交換器18 (通常稱為蒸汽發(fā)生器）排出，在熱交換器18中，熱量被傳遞至諸 如蒸汽驅(qū)動渦輪發(fā)生器的利用回路（未示出）中。然后，反應(yīng)堆冷卻劑返回至栗16,從而完 成一次環(huán)路。通常地，多個上述環(huán)路通過反應(yīng)堆冷卻劑管道20連接至單個反應(yīng)堆容器10。
[0007] 通常在12至18個月的周期內(nèi)對壓水核反應(yīng)堆補(bǔ)給燃料。在補(bǔ)給燃料的過程期 間，移除堆芯內(nèi)的一部分已輻照的燃料組件，并使用新燃料組件進(jìn)行補(bǔ)充，所述新燃料組件 重新安置在堆芯周圍。通常在離開反應(yīng)堆安全殼22的水的作用下將移除的乏燃料組件傳 輸至容納乏燃料池的獨(dú)立建筑中，所述獨(dú)立建筑在圖1中象征性地示出并用附圖標(biāo)記24表 示，這些放射性燃料組件儲存在乏燃料池中。乏燃料池中的水足夠深，以將放射性屏蔽到可 接受的水平，并且防止燃料組件中的燃料棒達(dá)到可能破壞燃料棒包殼的溫度，所述燃料棒 包殼密封地容納放射性燃料材料和裂變產(chǎn)物。冷卻至少持續(xù)到燃料組件內(nèi)的衰變熱降低至 組件的溫度對于干式儲存來說可接受的水平。
[0008] 日本的福島第一核電站事件增強(qiáng)了對于長時間電力喪失對冷卻乏燃料池的系統(tǒng) 可能造成的后果的關(guān)注。由于海嘯，存在廠區(qū)外和廠區(qū)內(nèi)的電力喪失，這造成了電站斷電期 (station blackout period)。電力的喪失關(guān)閉了乏燃料池的冷卻系統(tǒng)。一些乏燃料池中 的水由于浸沒在池中的高放射性乏燃料組件的加熱所造成的池溫升高而通過汽化和蒸發(fā) 消散掉。在長時間沒有電力將替換水栗入池中的情況下，燃料組件可能潛在地暴露出來，理 論上，這可能升高這些組件中的燃料棒的溫度，從而可能導(dǎo)致這些燃料棒包殼的破壞以及 可能導(dǎo)致放射性逃逸到環(huán)境中。
[0009] 最近設(shè)計的被動式冷卻核電站（比如由賓夕法尼亞州蔓越莓鎮(zhèn)的西屋電力有限 責(zé)任公司提供的AP IGGG ?核電站設(shè)計，其使用了被動式安全系統(tǒng)）已經(jīng)被評估為能夠在 發(fā)生像福島那樣的極端事件之后連續(xù)地提供至少三天的冷卻。
[0010] 本發(fā)明的一個目標(biāo)是改變處理和儲存乏燃料的方式，使得乏燃料能夠在福島類型 的事件之后被冷卻至少十天。
[0011] 本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供這樣的被動冷卻，以便使商用1，100兆瓦的核電站能夠 使用被動裝置向堆芯和乏燃料提供十天或更多天的冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 通過具有核反應(yīng)堆一次冷卻劑環(huán)路的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這些或其它目標(biāo)，所述 核反應(yīng)堆一次冷卻劑環(huán)路包封在氣密密封的安全殼內(nèi)。所述安全殼包括核反應(yīng)堆容器，所 述核反應(yīng)堆容器用于將多個核燃料組件支撐和容納在堆芯中。所述核反應(yīng)堆容器被支撐在 安全殼內(nèi)且作為核反應(yīng)堆一次冷卻劑環(huán)路的一部分。換料腔在安全殼內(nèi)核反應(yīng)堆容器的 上方延伸。安全殼內(nèi)換料用水儲存罐在堆芯上方的高度處支撐在安全殼內(nèi)且在換料腔的 外部，用于根據(jù)指令給換料腔的至少一部分注入有助于給反應(yīng)堆容器換料的冷卻劑。所述 安全殼內(nèi)換料冷卻劑儲存罐具有滿液位，在正常的反應(yīng)堆操作期間，換料冷卻劑的體積大 體上保持在所述滿液位處。已輻照燃料組件儲存罐支撐在安全殼內(nèi)且在換料腔的一部分之 下。所述已輻照核燃料組件儲存罐構(gòu)造有燃料組件儲存格架，用于在反應(yīng)堆容器處于操作 狀態(tài)并且換料腔被排空時將已輻照的核燃料儲存在安全殼內(nèi)且在堆芯外部。已輻照核燃料 組件儲存罐構(gòu)造成將連接至已輻照核燃料組件儲存罐的核燃料組件儲存罐冷卻劑導(dǎo)管選 擇性地放置成與安全殼內(nèi)換料用水儲存罐或換料腔流體連通。
[0013] 在一個實(shí)施例中，便攜式反應(yīng)堆下部內(nèi)部件儲存格架構(gòu)造成在已輻照核燃料組件 儲存罐的蓋處于關(guān)閉狀態(tài)時裝配在所述蓋上，用于在反應(yīng)堆下部內(nèi)部件從核反應(yīng)堆容器中 移出時儲存反應(yīng)堆下部內(nèi)部件，并且反應(yīng)堆下部內(nèi)部件儲存格架構(gòu)造成在需要進(jìn)入已輻照 核燃料組件儲存罐的內(nèi)部以儲存核燃料時從所述蓋上移開。
[0014] 仍然在另一實(shí)施例中，已輻照核燃料組件儲存罐包括蓋子，所述蓋子用于覆蓋和 密封在已輻照核燃料組件儲存罐的頂部的進(jìn)入口，其中，所述蓋子通過鉸鏈聯(lián)接至已輻照 核燃料組件儲存罐的壁上，所述鉸鏈構(gòu)造成在進(jìn)入口處于完全打開的位置中時將蓋子從進(jìn) 入口轉(zhuǎn)動開，以將核燃料組件裝載到已輻照核燃料組件儲存罐的內(nèi)部、或?qū)⒑巳剂辖M件從 已輻照核燃料組件儲存罐的內(nèi)部卸載出去。
[0015] 優(yōu)選地，所述已輻照核燃料組件儲存罐包括核燃料組件長期儲存罐和核燃料組件 短期儲存罐，所述核燃料組件長期儲存罐和核燃料組件短期儲存罐均構(gòu)造成獨(dú)立地儲存燃 料組件。期望的是，所述核燃料組件長期儲存罐具有包括多個燃料組件格架的內(nèi)部，所述核 燃料組件長期儲存罐的多個燃料組件格架通過由可移動的第一蓋密封的第一進(jìn)入口接近， 并且核燃料組件短期儲存罐具有包括多個燃料組件格架的內(nèi)部，所述核燃料組件短期儲存 罐的多個燃料組件格架分別通過對應(yīng)的各燃料組件格架開口蓋接近，所述燃料組件格架開 口蓋支撐在核燃料組件短期儲存罐的第二進(jìn)入口內(nèi)。所述核燃料組件短期儲存罐的燃料組 件格架開口蓋中的每一個在閉合位置中均覆蓋所述多個燃料組件格架的對應(yīng)的開口，并且 在打開位置中均提供進(jìn)入對應(yīng)的開口的通道。在一種布置中，所述第二進(jìn)入口包括第二蓋， 所述第二蓋密封第二進(jìn)入口并且承坐在各燃料組件格架開口蓋之上。優(yōu)選地，核燃料組件 長期儲存罐是圓筒形罐，并且核燃料組件短期儲存罐是具有襯墊的拱形罐。
[0016] 在另一實(shí)施例中，在已輻照核燃料組件儲存罐和安全殼內(nèi)換料冷卻劑儲存罐之間 的流體連通構(gòu)造成通過自然循環(huán)而流動。優(yōu)選地，在已輻照核燃料組件的儲存罐和換料腔 之間的流體連通構(gòu)造成通過自然循環(huán)而流動。
[0017] 本發(fā)明還構(gòu)思了一種給核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)換料的方法，所述核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)具有包 封在氣密密封的安全殼內(nèi)的核反應(yīng)堆一次冷卻劑環(huán)路。述安全殼包括核反應(yīng)堆容器，所述 核反應(yīng)堆容器用于將多個核燃料組件支撐和容納在堆芯內(nèi)。所述核反應(yīng)堆容器被支撐在安 全殼內(nèi)且作為核反應(yīng)堆一次冷卻劑環(huán)路的一部分。換料腔在安全殼內(nèi)核反應(yīng)堆容器的上方 延伸；安全殼內(nèi)換料冷卻劑儲存罐在堆芯的上方的高度處支撐在安全殼內(nèi)且在換料腔的外 部，用于根據(jù)指令將換料腔的至少一部分注入有助于給反應(yīng)堆容器換料的換料冷卻劑。安 全殼內(nèi)換料冷卻劑儲存罐具有滿液位，在正常的反應(yīng)堆操作期間，換料冷卻劑的體積大體 上保持在所述滿液位處。已輻照核燃料組件儲存罐支撐在安全殼內(nèi)且在換料腔的一部分之 下。所述已輻照核燃料組件儲存罐構(gòu)造有燃料組件儲存格架，用于在反應(yīng)堆容器處于操作 狀態(tài)并且換料腔被排空時將已輻照的核燃料儲存在安全殼內(nèi)且在堆芯外部。已輻照核燃料 組件儲存罐還構(gòu)造成將連接至已輻照核燃料組件儲存罐的核燃料組件儲存罐冷卻劑導(dǎo)管 選擇性地放置成與安全殼內(nèi)換料冷卻劑儲存罐或換料腔流體連通。所述方法包括：向換料 腔注入來自換料冷卻劑儲存罐的冷卻劑；將頂蓋從反應(yīng)堆容器上移開；打開已輻照核燃料 組件儲存罐上的蓋；將燃料組件中的至少一些從堆芯移出到已輻照核燃料組件儲存罐中； 關(guān)閉已輻照核燃料組件儲存罐上的蓋；將多個新的燃料組件裝載到堆芯中；關(guān)閉反應(yīng)堆容 器上的頂蓋；將換料腔排空到安全殼內(nèi)換料冷卻劑儲存罐中；和在從堆芯移開的燃料組件 中的所述至少一些儲存在已輻照核燃料組件儲存罐中的情況下起動反應(yīng)堆。
[0018] 在一個實(shí)施例中，所述方法包括如下