CN100505109C - 用于存储高放废物的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于在地下存储高放废物的系统和方法，它们提供足够的高放废物存储腔的通气。一方面，本发明是一个系统，包括：一个用于接收和存储高放废物罐的腔，所述腔的一大部分位于地下；至少一个进气管道，其从一个地上入口延伸到一个进入腔的地下出口。另一方面，本发明是一个系统，包括：一个体部，具有一个用于接收罐的腔；一个由一个从环境空气入口到进入腔的出口的通路形成的进气管道；和至少一个在腔中支撑罐的支持装置使得罐的底表面低于出口的顶部。其他方面，本发明是一种利用所述系统存储高放废物罐的方法。

Description

用于存储高放废物的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年2月10日提交的美国专利申请11/054,869，2005年2月10日提交的美国专利申请11/054,897，2005年2月10日提交的美国专利申请11/054,898的优先权，所有申请要求了2004年3月18日提交的美国专利申请10/803,620的优先权。

技术领域

本发明一般涉及存储高放废物的技术领域，特别是在通气的垂直模块中存储高放废物例如乏燃料的系统和方法。

背景技术

在核反应运行期间，通常燃料组件在它们的能量被消耗到预定水平以下后被移走。移走后，这些乏燃料还有很高地放射性并产生相当多的热量，在它们的包装、运输和存储中需要非常谨慎。为了保护环境不受到放射性照射，乏燃料先装入一个高放密封罐中。然后已装满乏燃料的高放密封罐被运送并存储在称为屏蔽罐的大型圆柱形容器中。转移屏蔽罐用于把乏燃料从一个地方运送到另一个地方，而存储屏蔽罐用于在一预定期限内存储乏燃料。

在一个典型的核电站内，一个敞口的空高放密封罐首先被放入一个敞口的转移屏蔽罐中。然后转移屏蔽罐和空高放密封罐被浸没于水池中。在高放密封罐和转移屏蔽罐保持浸没于水池中时，乏燃料被装入高放密封罐。一旦装满乏燃料，通常在水池中时一个盖子被设置于高放密封罐的顶部。然后从水池中移出转移屏蔽罐和高放密封罐，高放密封罐的盖子被焊接在上面并且在转移屏蔽罐上安装一个盖子。然后高放密封罐被彻底排水并用惰性气体填充。接着转移屏蔽罐(其中容纳着已装满乏燃料的高放密封罐)被运送到存储屏蔽罐处于的地方。然后已装满乏燃料的高放密封罐从转移屏蔽罐转移到存储屏蔽罐以长期存放。在从转移屏蔽罐到存储屏蔽罐的转移过程中，已装满乏燃料的高放密封罐都必须不能暴露于环境。

一类存储屏蔽罐是通气的垂直双层罐(“VVO”)。VVO为一种主要由钢和混凝土制成的大体积结构，并用于存储装载乏燃料的高放密封罐。VVO立于地上并且形状通常为圆柱形且非常沉重，重量超过150吨，还通常具有一个大于16英尺的高度。VVO通常具有一个平坦底部、一个具有接收乏燃料高放密封罐的腔的圆柱形体部，和一个可移动的顶盖。

在使用VVO存储乏燃料中，装有乏燃料的高放密封罐被放入VVO圆柱形体部的腔中。由于乏燃料在放入VVO存储时仍在产生相当大量的热，这些热能需要以某种方式从VVO腔中排出。通过VVO腔通气使这些热能从高放密封罐的外表面散热出去。在VVO腔通气中，冷却空气通过底部通气管道进入VVO的腔室，向上流经已装满乏燃料的高放密封罐，并在温度升高的状况下通过顶部通气管道流出VVO。存在于VVO底部和顶部的通气管道各自环绕在VVO的圆柱形体部的底部和顶部附近，如图1所示。

尽管VVO腔需要通气以便热量可以从高放密封罐散发出去，但VVO提供足够的放射性防护和乏燃料不直接暴露于外部环境也是必需的。位于双层罐底部附近的进气管对于这些为了检测已装满乏燃料的双层罐必须短时期把自己置身于挨着管道附近的安全和监测人员来说是一个特别敏感的放射性照射源。

另外，当装有乏燃料的高放密封罐从转移屏蔽罐转移到存储VVO时，转移屏蔽罐堆叠在存储VVO顶部以便高放密封罐可以下降到存储VVO的腔。大部分屏蔽罐为非常大型的设备并可重达250,000磅，并具有16英尺或更高的高度。在一个存储VVO/屏蔽罐的顶部叠放一个转移屏蔽罐需要很大的空间，一个大型高架起重机，和可能一个用于稳定的限制性系统。通常，在一个核电站内不能得到这样的空间。最后，在地面上，存储VVO立于地面上至少16英尺处，因此，为恐怖分子提供了一个相当大的袭击目标。

图1显示了一个传统的先有技术VVO2。先有技术VVO2包括平坦底部17，圆柱形体部12，和盖子14。盖子14通过螺栓18固定于圆柱形体部12。如果先有技术VVO2倾倒，螺栓18起到了限制盖子14与体部12分开的作用。圆柱形体部12具有顶部通气管道15和底部通气管道16。顶部通气管道15位于圆柱形体部12的顶部或其附近而底部通气管道16位于圆柱形体部12的底部或其附近。底部通气管道16和顶部通气管道15都环绕在圆柱形体部12的周边。先有技术VVO2的整体位于地面上。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个用于存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料，它降低了转移屏蔽罐叠放在存储VVO顶部时叠层组件的高度。

本发明的另一个目的是提供一个用于存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料，它只需要较少的垂直空间。

本发明再有一个目的是提供一个用于存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料，当为高放废物提供足够的通气时它在存储期间利用地基的放射性防护性能。

本发明更进一步的目的是提供一个用于存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料，它提供在一个充分认证的核电站设备内可以得到的相同或更高水平的操作防护。

本发明还更进一步的目的是提供一个用于存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料，它降低地震和其它灾难性事故产生的危险和有效消除了来自世贸中心或五角大楼类型的袭击对存储罐的可能破坏。

本发明也有一个目的是提供一个用于存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料，它使得高放废物从转移屏蔽罐到存储VVO的转移符合人类工程学。

本发明的另一个目的是提供一个用于在地下存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料。

本发明再有一个目的是提供一个用于存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料，它减少放射到环境的射线量。

本发明还有一个目的是提供一个用于存储高放废物的系统和方法，例如乏燃料，在水灾情况下，包括“严重的水灾”情况下，它提供足够的存储罐热量去除能力。

由本发明一个方面满足的这些和其它目的是一个用于存储高放废物的系统，包括：一个体部，其具有一个用于接收和存储高放废物罐的腔，一部分体部位于地下；所述体部具有至少一个在腔内从地上进口向地下出口延伸的进气管道。通过在体部内提供一个从地上延伸到腔的地下某一位置的进气管道，高放废物罐可以利用地基的放射性防护性能而不妨碍腔内的罐与环境空气的通气。当装有热高放废物时，冷空气将进入地上入口，流经进气管道，并优选在它的底部或底部附近进入腔。高放废物产生的热量将加热冷空气，使它在腔内上升。然后热空气将通过位于盖子中或体部内的地上开口中的出气管道排出腔。因而，只要对高放废物提供足够的热通气，高放废物罐的地下存储是有利的。

优选地，进气管道的地上入口位于体部的一个侧壁内。当地上入口位于体部的侧壁内时，进气管道可以基本为S形延长。为了提供充分的通气，优选在体部内体部的相对侧壁中提供两个进气管道。优选提供通风筛以覆盖进气管道的地上入口。

体部优选用混凝土制造并且腔和进气管道可以与混凝土体部绝热以防止体部变热超过FSAR限制和防止进入进气管道的冷空气在其进入腔之前变热。进气管道和腔优选建造成一个密封的整体构件以防止地下水的侵入。这减少腔的内部腐蚀的可能性。在这个实施例中，可以提供一个钢壳给腔加衬并可以用一个钢衬制造进气管道。然后壳和进气管道可以焊接在一起以实现密封。可以在腔的下面提供一个也与壳和进气管道成为一体的底板。该系统也可以包括一个底座，例如加固的混凝土板，体部位于其上。

该系统也可以具有位于腔的底部/基底上的支持块。优选地，这些支持块将环形的间隔开并且在高放密封罐放入腔中储存时，在高放废物罐和腔的底表面之间提供一个进气空气室。进气空气室的存在将有助于腔的优化通气。支持块可以由低碳钢制成。如下所述，在本发明的一些方面中，支持块和进入腔的进气管道的地下出口(也即开口)之间的相对高度将保护避免水灾情况中过热。

在高放废物的存储期间，该系统将优选进一步包括一个位于体部顶部并覆盖腔的盖子。优选地，当一个高放废物罐位于腔中并且盖子置于包含有腔的体部顶部时，在罐和盖子之间存在一个出气空气室。也优选该盖子包括一个剪切环，当盖子置于体部的顶部时，其突出到腔中。该剪切环提供了抵抗来自地震、冲击导弹或其它发射物的侧向力的巨大剪切阻力，从而，保持该系统的放射性防护的完整性。

该盖子也优选包括至少一个出气管道以使得热空气排出腔。例如，这个出气管道可以是一个在该盖子一个侧壁内的水平通路。在这个实施例中，该盖子中的出气管道与体部内进气管道的地上入口成环绕和方位角的分开。这有助于防止通过盖子排出腔的热空气退回到体部内的进气管道和退回进入腔。在另一个实施例中，出气管道可以位于VVO自身的体部内。

优选的是体部的一大部分位于地下，并且更优选的是体部延伸到地上约少于42英寸。也是优选的是腔高度的一大部分位于地下使得当高放废物罐下降进入腔时，至少罐的一大部分在地下。最优选的是，在存储期间罐的整体将在地下。

在另一方面中，本发明是一个存储高放废物的方法，包括：提供上述系统并具有至少一个出气管道；使高放废物下降进入腔使得罐的一大部分位于地下；和在体部的顶部放置盖子以关闭腔；其中通过冷空气经体部内的进气管道进入腔而提供罐的通气；冷空气在腔内被高放废物加热，并且热空气通过出气管道排出腔。用于实现本发明所述方法的系统可以包含上述讨论的任何设计细节。

还是在另一个方面中，本发明是一个存储高放废物的系统，包括：一个体部，其具有一个用于接收和存储高放废物罐的腔，该腔具有一个顶部、一个底部和一个底表面；由环境空气入口到腔底部或底部附近出口的通路所形成的至少一个进气管道；由腔顶部或顶部附近到环境空气的通路所形成的至少一个出气管道；以及在腔内支持高放废物罐的装置以便在高放废物罐的底部和腔的底表面之间产生一个空气室；所述支持装置在腔内支持高放废物罐以便罐的底部低于出口的顶部。优选地，该支持装置在腔内支持高放废物罐以便罐的底部低于出口的顶部至少两英寸。

在本发明的这个方面中，VVO的体部可以全部或部分在地上。在一个实施例中，其中至少部分体部位于地下，进气管道的环境空气入口可以在地上而进气管道的出口在地下。

在本发明的这个方面的一个实施例中，其中体部的整体在地上，进气管道的环境空气入口和出口可以在地上。在这个实施例中，进气管道被形成使得从环境空气入口直线观测不到由支持装置支撑的罐的存在。例如，进气管道可以包括一部分L形、S形或弧形。这样做防止了罐泄漏的射线“照射”到周围环境中。

还是另一个方面中，本发明是一个存储高放废物的系统，包括：形成一个用于接收高放废物罐的腔的壳，至少一部分壳位于地下；和由地上入口向腔底部或底部附近的地下出口延伸的至少一个进气管道，该进气管道与壳相连使得腔密闭密封于地下水的侵入。

还是进一步方面中，本发明是一个存储高放废物的方法，包括：提供一个地下坑；提供一个系统，它包括形成一个用于接收高放废物罐的腔的壳，至少一部分壳位于地下，和由入口向腔底部或底部附近的出口延伸的至少一个进气管道，该进气管道与壳相连；把该设备置于坑中，因此进气管道的入口位于地上并且进入腔的进气管道的出口位于地下；用工程回填土填满坑；和高放废物罐下沉进入腔中。

在另一个方面中，本发明是一个存储高放废物的系统，包括：形成一个用于接收高放废物罐的腔的壳，至少一部分壳位于地下；和由腔顶部或顶部附近到环境空气的通路所形成的至少一个通气管道；其中腔密闭密封于地下水的侵入。

在进一步方面中，本发明是一个存储高放废物的方法，包括：提供一个系统，它包括形成一个用于接收高放废物罐的腔的壳，至少一部分壳位于地下，和由腔顶部或顶部附近到环境空气的通路所形成的至少一个通气管道；其中腔密闭密封于地下水的侵入；和低热的高放废物罐下沉进入腔中直到至少大部分罐位于地下。

本发明将在下文描述有关存储乏燃料的系统和方法，应该理解本发明并不局限于任何特定类型的高放废物。

附图说明

图1是一个先有技术VVO的顶部透视图。

图2是依据本发明的一个实施例的其中设置有乏燃料罐的地下VVO的一个侧视横截面图。

图3是图2中的地下VVO移出地面的透视图。

图4是要和图2中的地下VVO一起使用的盖子的另一个实施例底部透视图。

图5是依据本发明的一个实施例的存储在ISFSI的一个地下VVO阵列的透视图。

图6是图2的—区域的一个侧视横截面图。

图7是图2中的地下VVO移出地面并且乏燃料罐从腔中移出和盖子被移走后的一个顶视图。

图8A是依据本发明的一个实施例的地下VVO的一个横截面示意图，其具有进气和出气管道的第一个可选择构型。

图8B是依据本发明的一个实施例的地下VVO的一个横截面示意图，其具有进气和出气管道的第二个可选择构型。

图8C是依据本发明的一个实施例的地下VVO的一个横截面示意图，其具有进气和出气管道的第三个可选择构型。

图8D是依据本发明的一个实施例的地下VVO的一个横截面示意图，其中地下VVO的体部基本与地面齐平。

图8E是依据本发明的一个实施例的地下VVO的一个横截面示意图，其中地下VVO的体部基本与地面齐平并具有进气和出气管道的一个可选择构型。

图9是依据本发明的一个实施例的存储乏燃料的一个整体结构的顶部透视图。

图10是图9的整体结构沉入一个地下坑并置于底座顶部的一个示意图。

图11是图10所示方案的一个示意图，其中地下坑正在填土。

图12是说明图10所示方案的一个示意图，其中地下坑完全填满土。

图13是说明图12所示方案的一个示意图，其中乏燃料罐装载在整体结构中并且上面盖着盖子。

图14是依据本发明的一个实施例的整体结构的一个示意图，其具有进气和出气管道的一个可选择构型。

图15是依据本发明的一个实施例的一个存储低热乏燃料且没有进气管道的整体结构的示意图。

具体实施方式

参照图2和图3，示出了依据本发明的第一个实施例的地下VVO20。地下VVO20是一个垂直的、通气的干燥乏燃料存储系统，它完全适于100吨和125吨转移屏蔽罐的乏燃料罐转移操作。地下VVO20可以改造/设计成适于任何大小或样式的转移屏蔽罐。在代替地上双层罐(例如图1中的先有技术VVO2)的独立乏燃料储存设施(“ISFSI”)中，地下VVO20设计成接收乏燃料罐用于存储。修建成以独立和固定双层罐模式存储的所有乏燃料罐类型都可以存储在地下VVO20中。

作为这里使用的术语“罐”广泛地包括任何乏燃料容纳装置，不受限制的包括，多用途罐和导热性屏蔽罐。例如，在世界的一些地方，乏燃料在具有一个直接制造在金属屏蔽罐中的蜂窝状栅格部件/吊篮的金属屏蔽罐中转移和存储。这样的屏蔽罐和相似的容纳装置具有作为罐的资格，如同这里使用的那个术语，并且可以和如下所述的地下VVO20一起使用。

地下VVO20包括体部21、底座22和可移动的盖子41。体部21由混凝土制造，但可以由其它合适的材料制造。体部21是长方形但可以为任何形状，例如，举例来说，圆柱形、圆锥形、球形、半球形、三角形或不规则形。一部分体部21位于地下使得只有顶部部分24突出到零标高23以上。优选地，至少体部21高度的一大部分位于地下。延伸到地平面23以上的体部21的顶部部分24的确切高度可以变化很大并且将依赖于多方面设计考虑，例如罐的尺寸，被存储的乏燃料的放射性水平，ISFSI的空间限制，易于遭受导弹型和地面袭击的地理位置考虑，对于自然灾害(例如地震、水灾、龙卷风、飓风、海啸等)的频率和易发性的地理位置考虑，环境因素(例如温度、降水量)，和/或地下水水位。优选地，体部21的顶部部分24在地平面23以上约少于42英寸，并且最优选的是在地平面23以上大约6—36英寸。

在一些实施例中，甚至优选体部21的整个高度在地下(在图8D和8E中示出)。如下将进行更详细的描述，当体部的整个高度在地下时，只有体部的顶表面将暴露于地上的环境空气。

还是参照图2和图3，在体部21中形成圆柱形腔26(图3中最佳示出)。尽管腔26为圆柱形，但腔26并不局限于任何特定的尺寸、形状和/或深度，并且可以设计以接收和存储几乎任何形状的罐而不偏离本发明的精神。尽管不必实践本发明，但优选设计腔26的水平横截面的尺寸和形状以大体对应于将和特定地下VVO一起使用的罐型的水平横截面的尺寸和形状。尤其是，最好将腔26的尺寸和形状设计成当一个乏燃料罐(例如罐70)位于腔26中用于存储时在罐的外侧壁和腔26的侧壁之间存在一个小间隙。

腔26设计成在存储罐侧壁和腔26侧壁之间形成小间隙限制了在灾害性事故中罐在腔26内可以移动的程度，由此使其对罐和腔壁的损坏最小并避免了罐在腔内倾倒。这个小间隙也有利于乏燃料冷却过程中热空气的流动。该间隙的确切大小可以控制/设计以获得用于任何给定情况的理想流体动力学和传热能力。例如，在一些实施例中，该间隙可以是1到3英寸。小间隙也减少了放射流。

在体部21中设置了两个进气管道25以提供入口通气到腔26的底部。进气管道25基本上为延长的S型通路，其从地上入口27延伸到地下出口28。地上入口27位于体部21的顶部部分24的相对侧壁上并开口于地平面23以上的环境空气。如同这里使用的，环境空气、环境大气或外界大气等术语，是指地下VVO以外的大气/空气，并包括在建筑物、帐篷、洞穴、隧道以及其它人造或天然包壳中的外部自然环境和空间。

地下出口28在其底部或底部附近的一个低于地平面23的位置开口到腔26中。因此，进气管道25为环境空气到腔26的底部的进气提供了一个通路，尽管腔26的底部正好在地下。提供通风筛31(图3)以覆盖地上入口27使得物体和其它碎屑无法进入和堵塞进气管道25的通道。作为进气管道25S形延长的结果，地上入口27不再是一个在独立的地上VVO中很常见的高放射剂量率的位置。尽管说明了地下出口28开口在腔26的壁的底部附近，但也想使地下出口28可以位于腔26的基底。这可以通过适当改造进气管道25以及形成一个通过底板38的开口并进入腔26中来实现。在这样一个实施例中，底座22被视为体部21的一部分，进气管道25通过它延伸。

地上入口27在地平面23上约10英寸的高度处位于体部21的侧壁中。但是，本发明不限制地上入口27的高度。入口27可以位于地平面上任何理想的高度，包括与此相平/齐平，如图8D和8E中所示。将地上入口27提高到地平面23以上足够高有助于降低雨水或洪水进入腔26的可能性。应当注意的是对于水灾区域内的IFSI，洪水可能升高高于地平面1英尺，并因此通过进气管道25进入腔26。但是，如下文就图6讨论的，地下VVO20被特殊设计以一种安全和有效的方式应对最严重的水灾情况。

尽管地上入口27优选位于体部21的侧壁中，地上入口并不局限于这样一个位置，如果需要，可以位于体部的任何位置，例如包括体部的顶表面(或任何其它表面)。地上入口27在体部21上的可能位置的另一些实施例在图8A-8E中示出。

还是参照图2和图3，进气管道25具有一个大约6英寸×40英寸的长方形横截面面积。但是，可以使用任何形状和/或尺寸的横截面，例如，举例来说，圆形、椭圆形、三角形、六边形、八边形、等等。另外，尽管进气管道25基本上是一个延长的S型通路，但可以使用多种形状仍然可以在地上入口27处获得可以接受的放射剂量率。例如，不是一个延长的S型，进气管道可以以之字形、倾斜直线形、普通L形、或任意的角、直线或弧形组合从地上入口延伸到地下出口。进气管道的确切形状、尺寸和横截面构型是一个设计选择问题并将由这些因素决定，例如VVO体部的厚度，存储在腔内的乏燃料的放射性水平，乏燃料罐的温度，通过管道的理想流体动力学，和地上进出口在体部上的布置(也就是，地上进出口/开口是否位于体部的侧壁上、它的顶表面，或体部的一些其它表面)。进气管道25的可能形状的进一步实施例在图8A-8E中说明。

进气管道25优选用一种低碳钢衬管形成。但是，进气管道25可以由任何材料制成或者可以仅仅是形成于混凝土体部21中的无衬通道。

如图3中最佳示出，腔26由厚钢壳34和底板38形成。壳34、底板38和进气管道25优选用金属制成，例如低碳钢，但可以由其它材料制成，例如不锈钢、铝、铝合金、塑料等等。进气管道25与壳34和底板38密封连接以形成一个隔绝地下水和其它流体侵入的完整/整体结构100(图9中单独示出)。就可焊接金属来说，这些密封连接可以包括焊接或使用衬垫。因此，水或其它流体可以进入腔26的唯一方式是通过盖子41中的地上入口27或出气管道42。如下文将就图9—15进行论述，整体结构本身就是一项发明，它可以不使用体部21就用于存储乏燃料。

为了确保密封、降低材料的腐蚀和防火，一种合适的防腐剂，例如煤焦油环氧树脂或类似物，被应用于壳34、底板38和进气管道25的裸露表面。密苏里州圣路易的Carboline公司生产一种合适的煤焦油环氧树脂，商品名为Bitumastic 300M。在本发明的地下VVO的一些实施例中，将不使用底板。

混凝土体部21围绕壳34和进气管道25。体部21为壳34和进气管道25提供非结构性保护。在壳34和混凝土体部21之间的交接面以及进气管道25和混凝土体部21之间的交接面提供绝热层37。绝热层37的提供防止了由乏燃料罐70向混凝土体部21过多的热损传送，这样混凝土的整体温度保持在FSAR限值内。壳34和进气管道25与混凝土体部21绝热也起到使进入的冷空气在其进入腔26之前的温升最小。合适的绝热方式非限制性的包括，铝—硅耐火粘土垫片(高岭棉垫片)、铝和硅的氧化物(S型高岭棉垫片)、铝—硅—氧化锆纤维(蜂蜡垫片)和铝—硅—铬(蜂蜡铬垫片)。

进气管道25与腔26中装载的乏燃料的热绝热在促进和维持足够的乏燃料通气/冷却方面是非常重要。可以通过许多途径来实现绝热过程，本发明不限制于任何一种。例如，除了在壳34和进气管道25的表面增加一层绝热材料以外，通过在腔26和进气管道25之间的混凝土体部21中设置一个间隙也可能使进气管道25绝热。如果需要，间隙中可以充满惰性气体或者空气。而且，用来提供绝热效应的装置无论是哪一种，绝热装置不受壳34或进气管道25外表面所处位置的限制，反而可以位于腔26和进气管道25之间的任何位置。

体部21连同由底板38、壳34和通气管道25形成的整体钢单元一起，被放置在底座22顶部。底座22是一个加强型混凝土板，其设计满足公认行业标准的负载组合，例如，非限制性的，ACI-349。底座22为长方形但可以呈现任何对支持体部21必要的形状，例如圆形、椭圆形、三角形、六边形、八边形、不规则形等等。尽管优选使用一个底座以获得足够的负载支持要求，但位置可以升高的地方使用这样一个底座可能是不必要的。

回去参照图2，地下VVO具有一个可移走的通气盖子41。盖子41位于体部21的顶部，由此基本上密封腔26使得当罐70位于腔26中时射线无法通过腔26的顶部泄漏出。当盖子41被置于体部21的顶部和乏燃料罐70位于腔26中时，在罐70的顶表面和盖子41之间形成出口空气室36。出口空气室36优选最小高度为3英寸，也可以是任何希望的高度。该确切高度将由设计因素例如理想的流体动力学、罐高度、VVO高度、腔深度、罐热负荷、等等来决定。

盖子41具有4个出气管道42。出气管道42形成一个从腔26的顶部(尤其是从出口空气室36)到环境空气的通路使得加热的空气可以从腔26逸散出。出气管道42为通过盖子41的侧壁30延伸的水平通路。但是，出气管道可以是任何形状或方向，例如垂直的、L形、S形、角形、弧形、等等。因为出气管道42位于盖子41自身内，体部21的总高度被最小化了。

盖子41包括一个由混凝土制成的顶35。顶35提供放射防护使得射线无法从腔26的顶部泄漏出。盖子41的侧壁30是一个环形圈。出口空气室36有助于促进通过出气管道42的热空气排出。为了使排出出气管道42被虹吸回去进入进气管道25的热空气最小，出气管道42与进气管道25成方位角地和环绕地隔离。

通气盖子41也包括剪切环47。当盖子41被置于体部21的顶部时，剪切环47突出进入腔26，这样，提供了抵抗来自地震、冲击导弹或其它发射物的侧向力的巨大剪切阻力。盖子41用延伸通过其中的螺栓(未示出)固定于体部21。

尽管未说明，不管形状和/或大小，优选管道光子衰减器插入地下VVO20的所有进气管道25和/或出气管道42。Bongrazio的美国专利6,519,307，公开了一种合适的管道光子衰减器，其教导在此引入作为参考。

现在参见图4，对在地下VVO 20中可以使用的盖子50的一个实施例进行说明。盖子50包括与盖41类似的设计特征并且进行说明以更全面的公开前述盖设计特征。盖子50在侧壁52上具有4个水平的出气管道51。在盖子50的底部设置有装配到腔26的剪切环54。用螺栓18将盖子50紧固到体部21顶部的螺纹孔中。

尽管出气管道被描述为设置在地下VVO 20的盖子50中，本发明并不因此受到限制。例如，出气管道可以设置在地下VVO在地面以上位置的体部。只要参照图8A—8E就能说明这一概念。如果出气管道设置在地下VVO的体部，出气管道对于环境气体的开口可以设置在体部的侧壁、体部的上表面、或任何其它表面。与出气管道设置在盖中时相类似，当出气管道设置在地下VVO自身的体部时，出气管道可以采用多种形状和/或构造。就象进气管道，出气管道优选由低碳钢管形成，但是也可以由任何材料制成或可以只是一条形成在混凝土体部21或盖子41中而没有衬里的通路。在本发明所有具有进气管道和出气管道的实施例中，优选的是出气管道的开口与进气管道的入口成方位角和环绕地分隔开，使入口与出口空气流间的相互影响最小。用来与地下VVO 20结合的盖的形状和样式没有任何限制。

回去参照图2，土层29包围着体部21几乎全部的高度。当乏燃料罐70位于腔26中时，即使不是全部也至少一大部分的罐70位于地下。优选的，为了充分利用土层29的防护效应，罐70的整个高度位于地下。因此土层29为储存在地下VVO 20中的乏燃料提供一定程度的放射防护，那是在地上外包装中无法获得的。地下VVO20在外形上是不突出的，并且地下VVO 20没有倾倒的危险。另外地下VVO 20不必对付土层结构相互作用的影响，该影响扩大了自由场加速度(free-field acceleration)和地上独立双层罐的稳定性的潜在挑战。

参照图6，详细说明了图2的VI—VI区域。图6说明了对确保地下VVO20可以有效承受水灾情况而没有负面影响很重要的设计特征。在腔26的底表面上(由板38形成)设置支持块32使得罐70可以放置其上。支持块32为环形的相互间隔(图7中示出)。当罐70装入腔26储存时，罐70的底表面71置于支持块32上，在罐70的底表面71和腔26的底表面/底部之间形成一个进气空气室33。支持块32由低碳钢制成并且优选焊接到腔26的底表面。其它合适的建造材料非限制性的包括，加强型混凝土、不锈钢和其它金属合金。

支持块32也起到能量/碰撞吸收作用。支持块32优选是蜂窝网格样式，例如来自美国加州的Hexcel公司制造的产品。

支持块32经过专门的设计使得罐70的底表面71低于进气管25的地下出口28的顶部74(图2)。优选的，支持块32设计成使得罐70的底表面71在地下出口28的顶部74以下大约2—6英寸。然而，通过适当的设计可以获得任何期望的不同高度。通过在腔26中支持罐70使得其底表面71低于地下出口28的顶部74，即使在最不利的水灾情况下，通俗的讲是指“严重的水灾”，地下VVO 20将对罐70提供足够的冷却。“严重的水灾”是一种淹没了VVO使得水位正好足够高以完全阻断通过进气管道25气流的水灾。换句话说，水位正好与地下出口28的顶部74齐平。

然而，由于罐70的底表面71位于低于地下出口28的顶部74的高度，地下VVO 20完全可以应对这种“严重的水灾”情况。结果，假如发生一场“严重的水灾”，罐70的底部将与水接触(也就是，没入)。因为水的导热效率是空气100多倍，一个湿的底部是需要用于有效除去热量并保持罐70冷却的全部。罐70没入水中越深，罐70和其包含的燃料将保持越冷却。因为在腔26内的水被罐70的底部加热，水蒸发，经过环形间隔60上升通过腔26，并经过出气管道排出腔26。因此罐冷却效应从排气冷却转变为水蒸发冷却。

在一个实施例中，进气管道25的地下出口28是8英寸高40英寸宽而入口空气室33为6英寸高。这提供了一个2英寸的高度差。

应当注意的是在图6中详述的地下VVO20的该高度差设计特点也可以包含在独立的地上屏蔽罐和VVO中以应对“严重的水灾”情况，而不依赖于地下VVO20的其它特点。因此，该构思是本申请的一个独立的发明特点。当结合到地上VVO中时，应当设计进气管道使得射线无法从进气管道泄漏到周围环境。这是一个威胁，因为罐将低于进气管道通入存储腔的开口。在这个实施例中，进气管道将形成为使得从环境空气直线观测不到存在于存储腔中的罐。例如，进气管道可以包含L形、角形、S形或弧形的部分。

并且，尽管使用支持块32获得了图6的高度差设计特点，也可能不用支持块32来实现本发明的这个特点。在这样的实施例中，罐70将位于腔26中并直接安放在腔26的底面上。但是，由于入口空气室33的产生以及由于支持块32的使用有助于避免碎屑和污垢沉积在腔26的底部，支持块32的使用是可取的。

现在参照图8A—8E，示意性示出依据本发明的一个地下VVO中出气管道和进气管道的可选择构型的实施例。为了容易理解在图8A—8E中已经省略了许多细节和一些结构，上面所讨论的有关地下VVO20的任何或所有细节可以结合在其中。除了字母后缀用于每个实施例以外相同的数字用于识别相同的部分。

应当注意的是，除了图8A—8E中示出的进气管道和出气管道的构型，多种其它构型、组合和改型可以结合到本发明中。这样一些细节已经在上文讨论了。另外，任何示出实施例的出气管道构型可以与任何示出的进气管道构型结合，并且反之亦然。

在本发明的所有实施例中，理想的是出气管道42排出的热空气应当避免虹吸回去进入进气管道25(也就是，避免出口暖气流与入口冷气流混合)。这可以通过多种方式来实现，包括：(1)地下VVO20上的入口27相对于出气管道42的出口来定位/放置；提供隔离气流的一个板98或其它结构(如图8A和8C-8E中举例说明)；和/或(3)将进气管道25延伸到一个远离出气管道42的位置。

作为罐70散热的结果，来自环境的冷空气被虹吸进入进气管道25并进入腔26的底部。然后这些冷空气被来自罐70中的乏燃料的热加温，通过罐70周围的环形间隔60(图6)在腔26中上升，并且随后当热空气通过盖子41中的出气管道42时排出腔26。

现在参照图5，ISFSI可以设计成使用任何数量的地下VVO20(或整体结构100)并可以轻易扩大数量以满足增长的需要。尽管地下VVO20紧密地间隔，设计允许能轻易地用屏蔽罐履带车90独立地接触任何腔。地下VVO20的地下构型大大降低了在装载/转移过程中产生的堆栈结构的高度，其中转移屏蔽罐80位于地下VVO20的顶部。

现在参照图2—5来讨论使用地下VVO20以存储乏燃料罐70的方法的一个实施例。从乏燃料池移出并为干燥存储而处理后，乏燃料罐70放入转移屏蔽罐80。转移屏蔽罐80由屏蔽罐履带车90运载到一个理想的地下VVO20来存储。尽管说明了一个屏蔽罐履带车，任何运送转移屏蔽罐80到地下VVO某一位置的合适装置都可以使用。例如，任何合适类型的负载操作装置，例如可以非限制性的使用门式起重机、高架起重机或其它起重机装置。

在准备理想的地下VVO20以接收罐70时，盖子41从体部21移开使得腔26打开。屏蔽罐履带车90将转移屏蔽罐80置于地下VVO20顶部上。当转移屏蔽罐适当地固定于地下VVO20的顶部后，转移屏蔽罐80的底板被移走。如果必要，可以使用一种合适的缠结装置以固定转移屏蔽罐80与地下VVO20的连接并将转移屏蔽罐80的底板移到一个不突出的位置。这种缠结装置为本领域公知的并经常用于罐转移过程。然后由屏蔽罐履带车90从转移屏蔽罐80中将罐70降低进入地下VVO20的腔26中，直到罐70的底表面接触并安放在支持块32的顶部，如上所述。

当安放在支持块32上时，罐高度的大部分在地下。最优选的是，当在其存储位置时整个罐70都在地下。一旦罐70被置于和安放在腔26中，盖子41被放在腔26上，基本上密闭了腔26。盖子41被定位于体部21的顶部上使得剪切环47突出进入腔26，并且出气管道42与体部21上的进气管道25成方位角地和环绕地分隔开。随后盖子41用螺栓固定于体部21。作为罐70散热的结果，来自环境的冷空气被虹吸进入进气管道25并进入腔26的底部。然后这些冷空气被来自罐70中的乏燃料的热加温，通过罐70周围的环形间隔60(图6)在腔26中上升，并且随后当热空气通过盖子41中的出气管道42时排出腔26。

现在参照图9，示出了依据本发明的一个实施例用于存储乏燃料的一个整体结构100。整体结构100实际上是没有混凝土体部的地下VVO20的壳34、进气管道25和底板38的一个组合。整体结构100可以不附加混凝土体部而用于存储乏燃料罐。因此，本发明的一些实施例就是整体结构自身。

壳34、底板38和进气管道25优选用金属制成，例如低碳钢。其它合适的材料非限制性的包括，不锈钢、铝、铝合金、塑料等等。

进气管道25、底板38和壳34在所有的接合处密封焊接以形成一个与侵入水和其它流体密封隔绝的整体结构。水和其它流体可以进入腔26的唯一方式是通过入口27或壳34的顶部开口101。壳34的高度设计成使得乏燃料罐可以位于腔26中，只要不从顶部开口101突出去。在壳34可以建造的高度方面没有限制。壳34的确切高度将由存储其中的乏燃料罐的高度、用于存储罐的理想深度(地下)、出气管道是否在盖子中或与壳34成为一体、和/或罐存储过程中存在的出口空气室的理想深度来决定。

图10—13示出了依据本发明的一个实施例在ISFSI或其它地方的一个地下位置使用整体结构100来存储乏燃料罐的过程。应当注意的是上面讨论的有关地下VVO20的任何设计和/或结构细节可以结合到整体结构100中，例如，举例来说，通风筛的使用，进气和出气管道的不同构型，间距，绝热层的使用，等等。但是，为了避免重复，那些细节的论述将被省略，只要明白地下VVO20的任何或所有细节是(或可以)结合到整体结构100的存储方法和装置中，并且反之亦然。

参照图10，在ISFSI内的理想位置和理想深度的地面210中先挖掘一个坑200。一旦挖掘了坑200，并且其底部被适当地平整过，底座22被安放在坑200的底部。底座22是一个加强型混凝土板，其设计满足公认行业标准的负载组合，例如ACI-349。但是，在一些实施例中，根据要支持的负载和/或地面特征，底座的使用可能不必要。

一旦底座22适当地置于坑200中，整体结构100在垂直方向下降进入坑200直到它安放在底座22的顶部。整体结构100的底板38接触并安放在底座22上表面的顶部。如果需要，底板38可以栓接或以其它方式固定于底座22的这个位置以避免今后整体结构100相对于底座22的移动。

参照图11，一旦整体结构100在垂直方向安放在底座22的顶部，供土管300移进坑200的上方。土301被输送到坑200中整体结构100的外部，由此用土301填充坑200并掩埋整体结构100的一部分。尽管举例用土301来填充坑200，但可以使用任何满足环境和防护需要的合适的工程填土。其它合适的工程填土非限制性的包括，沙砾、碎石、混凝土、沙，等等。并且，理想的工程填土可以通过任何可能的方式填补到坑中，包括人工、顷卸，等等。

参照图12，土301填入坑200直到土301包围整体结构100并将坑200填充到土301与地平面212大约相等的水平。土301与位于地下的整体结构100的外表面直接接触。当土301填满坑200时，进气管道25的入口27位于地上。壳34也从土301突出使得开口101稍微超出地面。因此，由于整体结构100在所有的接合处密闭密封，地下水和土无法进入腔26或进气管道25。在腔26的底部设有支持块32以支持乏燃料罐。

参照图13，一旦坑200用土301充分地填满，一个乏燃料70罐70被装入整体结构100的腔26。罐装载程序在上文中参照图5进行了更详细的讨论。罐70下降进入腔26直到其安放在支持块32上。如上文参照图6所讨论的，支持块32和整体结构100的出口28被特殊设计以应对“严重的水灾”情况。罐70安放在支持块32上，在罐70的底部和腔26的底部(其在该例中为底板38)之间形成一个入口空气室33。

当罐70支撑在支持块32上时，罐70的整个高度位于地平面212以下。这就最大化的利用了土层的放射性防护能力。罐70在地平面212以下的深度可以通过增加或减少坑200的深度来改变。一旦罐70支撑在腔26中，盖子41被放在壳34的顶部，由此封闭了开口101并避免射线从腔26向上泄漏出。在盖子41的底表面和罐70的顶部之间形成出口空气室36。

盖子41包括出气管道42。出气管道42形成从出口空气室36通过盖子41到地平面212以上环境空气的通路。出气管道42不一定设置在盖子41中，如果需要也可以形成作为整体结构100的一部分。这将在下文参照图14作更详细的讨论。

还是参照图13，当整体结构100被用于存储乏燃料罐70时，在充分有利于罐70冷却的同时利用了地下放射性防护效应。经过地上入口27进入进气管道25的冷空气有助于罐70的冷却。冷空气流经进气管道25直到其经过地下出口28在入口空气室33或其附近进入腔26。一旦冷空气在腔26内，它被罐70的散热加温。因为空气被加温，它经过环形间隔60沿着罐70的外表面向上流动直到空气进入出口空气室36。当空气向上流经环形间隔60时，它继续带走罐70的散热。然后热空气经过出气管道42排出腔26并进入环境空气。这种冷却流体的自然对流持续反复直到罐70被充分冷却。

现在参照图14，示出了整体结构200的另一个实施例。整体结构200被用于以与上面讨论的整体结构100相似的方式存储一个乏燃料罐。尽管所述结构的许多部分与整体结构100的这些部分相同，整体结构200进一步包括直接密封焊接于壳34的出气管道42。出气管道42可以由上面针对进气管道25所讨论的任何材料形成。作为出气管道42成为整体结构200一部分的结果，盖子在41可以独立于这些管道。罐70的冷却过程保持不变。

图15示出了依据本发明的另一个方面的一个整体结构300。在设计和功能上整体结构300在许多方面与整体结构100和200相似。但是，整体结构300特别设计成存储装有低热量乏燃料的罐70。当罐70释放低热量时，例如在2—3kW范围内，不需要配备向腔26输送冷空气的进气管道。因此，整体结构300省略了进气管道。整体结构300仅仅包括充当冷空气入口和暖空气出口的出气管道42。

尽管整体结构300的出气管道42密封焊接于壳34，如果需要出气管道可能位于盖子41内。并且，对低热量负载罐存储除去进气管道的思路可以应用到本申请中示出的任何地下或地上VVO的实施方式，尤其包括地下VVO20及其变型。

在本发明的描述和说明已经充分详细使本领域普通技术人员可以容易制造和使用它时，不偏离本发明精神和范围的各种替换、改变和改进变得显而易见的。特别是，本发明的整个地下VVO和/或整体结构可能在地下，只要进气管道和/或出气管道通到地面之上的环境空气。这有利于非常深的储存乏燃料罐。最后，尽管本发明结合乏燃料的储存来描述，本发明不受这些限制，并且可以用来与任何高放废物材料的储存相结合。

Claims (31)

1、一种用于存储高放废物的系统，包括：

一个体部，其具有一个用于接收和存储废燃料罐的腔；体部的主要部分位于地下；

所述体部包含至少一个在腔内从地上入口向地下出口延伸的进气管道，所述地下出口在空间上与所述腔协作；

一可拆卸的盖子，所述盖子定位于所述体部的顶上并且覆盖所述腔，从而形成一个盖子与体部的界面，所述盖子和所述体部为非整体式的结构；

至少一个出气管道以使得从腔中排出热空气；以及

其中，所述腔具有容纳不超过一个废燃料罐的截面。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地上入口在所述体部的一个侧壁内。

3、如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述地下出口在所述腔的底部或底部附近。

4、如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述进气管道基本上是一个细长的S型。

5、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述体部中进气管道的数量是两个。

6、如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述两个进气管道的地上入口在所述体部的相对侧壁上。

7、如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一部分进气管道与体部绝热。

8、如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一部分腔与体部绝热。

9、如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括衬在所述腔中的一个壳。

10、如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括衬在所述腔中的一个壳，所述进气管道和所述腔相对地下液体的进口密封。

11、如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述壳和所述进气管道由钢制造，并且所述壳和所述进气管道通过焊接连接。

12、如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括一个与所述壳和所述进气管道一体的钢底板。

13、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述体部由混凝土制成。

14、如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括在所述腔的底表面支持罐的装置，当罐置于腔中存储时所述支持装置在废核燃料罐和腔的底表面之间提供一个空气室。

15、如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述支持装置为一个或多个支持块。

16、如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述支持装置为多个周向间隔开的支持块。

17、如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述支持块由钢制成。

18、如权利要求1所述的系统，其特征在于，当废燃料罐设置在所述腔中时，在所述罐和所述盖子之间有一个空气室。

19、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述盖子包括一个剪切环，当盖子定位在体部顶上时，所述剪切环突入所述腔内。

20、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述盖子包括至少一个出气管道以允许热空气排出腔。

21、如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述出气管道水平延伸通过盖子的一侧壁。

22、如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述盖子中的出气管道与所述体部中的进气管道的地上入口成环绕地和方位角地分隔开。

23、如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括一个安置体部的底座。

24、如权利要求23所述的系统，其特征在于，所述底座为混凝土板。

25、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述体部位于地平面以上的高度有6—36英寸。

26、如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括覆盖进气管道的地上入口的一通风筛。

27、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述腔和所述进气管道由一个整体钢衬形成，并且所述体部由混凝土形成。

28、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述腔高度的大部分位于地下。

29、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个出气管道位于所述体部内。

30、一种用于存储废核燃料的系统，包括：

具有地平面的地面；

一个体部，所述体部具有由所述体部的内表面形成的腔，体部的主要部分位于地下；

至少一个出气管道从所述腔的顶部通到环境空气中；

一位于所述腔内处于竖直定向的罐，所述罐适于干燥存储废燃料；以及

其中，所述腔具有容纳不超过一个废燃料罐的水平截面。

31、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括不超过一个废燃料存储罐，所述罐适于干燥存储废燃料。

32、如权利要求31所述的系统，其特征在于，所述罐为一个含有废燃料的可运输的密封封闭的罐。

33、如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述罐为一个含有废燃料的可运输的密封封闭的罐。

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