CN101512672B - 用于通风贮存高放废物的歧管系统以及在地下环境中用该歧管系统贮存高放废物的方法 - Google Patents

Abstract

能够为乏燃料贮存腔提供充分通风的在地下贮存多个容置有高放废物的废料罐的系统和方法。一方面，本发明涉及一种系统，其包括：进气管壳，其形成大体上竖直的进气腔；多个贮存管壳，每个贮存管壳均形成大体上竖直的贮存腔；密封废料罐，其用于保持高放废物并定位在一个或多个贮存腔内，使得在贮存管壳和废料罐之间存在间隙，每个贮存腔的水平截面均容纳不超过一个废料罐；可拆卸盖，其定位在每个贮存管壳的顶部上从而形成盖-管壳界面，每个盖均包括在周围环境和贮存腔之间形成通道的出风口；以及管道网络，其在进气腔的底部和每个贮存腔的底部之间形成通道。

Description

用于通风贮存高放废物的歧管系统以及在地下环境中用该歧管系统贮存高放废物的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年2月11日提交的美国临时专利申请第60/652,363号的权益，该申请的全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及贮存高放废物的领域，具体而言，涉及用于在竖直通风模块内贮存乏核燃料的系统和方法，该竖直通风模块采用被动式对流冷却的方式。

背景技术

在核反应堆的操作中，通常在燃料组件的能量耗至预定水平后将其移除。在移除燃料组件时，这种乏核燃料仍然是高放射性的并产生大量的热，在其包装、运输、以及贮存的过程中需要格外当心。为了保护环境不受辐射，首先将乏核燃料放置于可运输的废料罐内。在1999年4月27日授权给Krishna Singh的美国专利第5,898,747号中披露一种用于运输并最终贮存乏核燃料的典型废料罐示例。此种废料罐在本领域内通常称为多用途废料罐(“multi-purpose canister，MPC”)，并能够以密封方式对乏核燃料进行干燥贮存。

一旦废料罐装载有乏核燃料，该已装载的废料罐便被运输并贮存在称为屏蔽罐的大型圆筒形容器内。转移式屏蔽罐用于将乏核燃料从一个地方运输到另一个地方，而贮存式屏蔽罐用于将乏核燃料贮存预定时间。

在典型的核电站中，首先将敞开的空废料罐放置于敞开的转移式屏蔽罐内。然后将转移式屏蔽罐和空废料罐浸没于水池内。将乏核燃料装载进废料罐内，同时废料罐和转移式屏蔽罐保持浸没在水池内。一旦装满乏核燃料，典型地在水池内将盖子置于废料罐顶部。然后将转移式屏蔽罐和废料罐从水池中移出，将废料罐的盖子焊接其上，并且在转移式屏蔽罐上安装盖子。然后对废料罐进行适当地脱水并用惰性气体回填。然后密封废料罐。将转移式屏蔽罐(其容纳有已装载和密封的废料罐)运输到贮存式屏蔽罐所处的位置。然后将废料罐从转移式屏蔽罐转移到贮存式屏蔽罐，以便长期贮存。在从转移式屏蔽罐向贮存式屏蔽罐转移的过程中，必不可少的是已装载的废料罐不可暴露于周围环境。

一类贮存式屏蔽罐是通风的竖直包装结构(“ventilated verticaloverpack，VVO”)。VVO是主要由钢和混凝土制成的大型结构，用于贮存装载有乏核燃料的废料罐。现有的VVO竖立在地面上，并典型地呈圆筒形且极其笨重，重量超过150吨且高度经常大于16英尺。VVO典型地具有平坦的底部、圆筒形本体、和可拆卸的顶盖，该圆筒形本体具有容纳装有乏核燃料罐的空腔。

在使用VVO贮存乏核燃料时，将装有乏核燃料的废料罐放置于VVO的圆筒形本体的腔内。因为将乏核燃料放置在VVO内贮存时，乏核燃料仍产生大量的热，所以这些热能必需能够从VVO腔逸出。通过利用自然对流力使VVO腔被动地通风，将该热能从废料罐的外表面移除。在使VVO腔被动通风时，冷空气通过底部通风管进入VVO腔，向上流经已装载的废料罐，并以升高的温度通过顶部通风管从VVO排出。现有VVO的底部通风管和顶部通风管分别沿周向设置在VVO的圆筒形本体的底部和顶部附近，如图1所示。

尽管VVO腔必需通风以便热能够从废料罐逸出，但是VVO提供足够的辐射屏蔽、以及乏核燃料不应该直接暴露于外部环境也是必不可少的。位于包装结构(overpack)底部附近的进气管对于安全和监管人员来说是特别易受损害的辐射暴露源，为了监视已装载的包装结构，安全和监管人员必须在短时间内位于所述导管附近。

另外，当装载有乏核燃料的废料罐从转移式屏蔽罐转移到贮存VVO时，转移式屏蔽罐堆置在贮存VVO顶部，使得废料罐能够被降入贮存VVO腔内。大部分屏蔽罐是非常大的结构且能够重达250,000磅，并且具有16英尺或更高的高度。将转移式屏蔽罐堆置在贮存VVO/屏蔽罐顶部，需要很大的空间、大型高架起重机，可能还需要用于保持稳定的约束系统。在核电站内经常没有此种空间。最后，竖立的地上贮存VVO至少高出地面16英尺，因此，成为恐怖分子的重要攻击目标。

图1示出传统现有技术的VVO1。现有技术的VVO1包括平底7、圆筒体2、和盖4。盖4通过多个螺栓8固定到圆筒体2。如果现有技术的VVO1翻倒，螺栓8用于防止盖4与本体2分开。圆筒体2具有多个顶部通风管道5和多个底部通风管道6。顶部通风管道5位于圆筒体2的顶部或顶部附近，而底部通风管道6位于圆筒体2的底部或底部附近。底部通风管道6和顶部通风管道5都绕圆筒体2的周缘设置。现有技术的VVO1整体位于地上，因此具有上述很多缺点，而本发明能够弥补这些缺点。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供用于贮存诸如乏核燃料等高放废物的系统和方法，其在转移废料罐的过程中减小了堆叠组件的高度。

本发明的再一目的是提供用于贮存诸如乏核燃料等高放废物的系统和方法，其需要较少的竖直空间。

本发明的又一目的是提供用于贮存诸如乏核燃料等高放废物的系统和方法，其在贮存过程中利用地基的辐射屏蔽特性同时为高放废物提供充分地被动通风。

本发明的另一目的是提供用于贮存诸如乏核燃料等高放废物的系统和方法，其提供与经过完全认证的核电站结构中所具有的操作防护相同或更高水平的操作防护。

本发明的又一目的是提供用于贮存诸如乏核燃料等高放废物的系统和方法，其减少地震和其他灾难性事件所带来的危险、以及基本消除世贸中心或五角大楼式的攻击对所贮存的废料罐的潜在损害。

本发明的另一目的是提供用于贮存诸如乏核燃料等高放废物的系统和方法，其使高放废物能够以符合人机工程学的方式从转移式屏蔽罐转移到贮存VVO。

本发明的又一目的是提供一种用于在地下贮存诸如乏核燃料等高放废物的系统和方法。

本发明的另一目的是提供用于贮存诸如乏核燃料等高放废物的系统和方法，其减少放射到环境中的辐射量。

本发明的又一目的是提供一种在分离的地下腔内贮存多个容置高放废物的废料罐的系统和方法，其便利于每个废料罐充分地被动通风冷却。

这些以及其他目的由本发明实现，一方面，本发明是一种用于贮存散发热负荷的高放废物的系统，其包括：进气管壳，其形成大体上竖直的进气腔；多个贮存管壳，每个贮存管壳形成大体上竖直的贮存腔；密封废料罐，其用于保持高放废物并定位在每个所述贮存腔内，使得在该贮存管壳和该废料罐之间存在间隙，每个贮存腔的水平截面容纳不超过一个的废料罐；可拆卸盖，其定位在每个所述贮存管壳的顶部从而形成盖-管壳界面，所述盖包括在周围环境与该贮存腔之间形成通道的出风口；以及管道网络，其在该进气腔的底部和每个所述贮存腔的底部之间形成通道。

优选地，本发明的系统用于在地下环境中贮存乏核燃料。在这种实施方式中，所述贮存管壳定位成使得贮存管壳的高度的至少主要部分定位在地下(亦即，地平面以下)。管道网络也定位在地下，而位于贮存管壳顶部的盖定位在地上。辐射吸收材料优选地围绕贮存管壳并覆盖管道网络。辐射吸收材料能够是混凝土、设计回填、土壤和/或其组合。

还优选的是，贮存管壳、进气管壳、管道网络、以及它们之间的所有连接都以密封方式构造从而防止地下液体流入。进气管壳、贮存管壳、以及管道网络优选地由金属或合金制成。所有连接都能够通过焊接或其他产生一体密封结构的合适工序实现。

在这种系统的地下实施方式中，进气腔在地上空气和管道网络之间形成空气通道。相似地，定位在贮存管壳顶部的盖内的出风口在贮存腔与地上空气之间形成通道。由于这种设计，当密封废料罐(其装载有热的高放废物)被装载入贮存腔内时，周围冷空气将进入进气腔，穿过管道网络，并进入贮存腔的底部。来自废料罐内的高放废物的热将加热冷空气，从而使其上升穿过贮存管壳与废料罐之间的间隙。在继续上升时，热空气将经由盖内的出风口排出贮存腔。逸出贮存腔的热空气的烟囱效应将其它冷空气虹吸到进气腔内，穿过管道网络，并进入贮存腔。因此，实现了多个乏核燃料废料罐的地下贮存，同时提供了充分的通风冷却。

如在典型的包装结构系统中一样，废料罐优选地以非固定方式、大体上沿竖直方向定位在贮存腔内。换句话说，废料罐无需锚具定位在贮存腔内并且自由竖立。因此，在需要时，能够将废料罐容易地插入贮存腔以及从贮存腔取出、转移。

在进气管壳的顶部上还设置有盖，从而使所述盖与进气管壳形成盖-管壳界面。所述盖优选地包括在周围环境和进气腔之间形成通道的进风口。因此，能够将冷空气虹吸到进气腔内同时防止碎屑和/或雨水进入。

管道网络优选地包括将贮存管壳耦联到进气管壳的一个或多个集管。所述集管用作歧管并有助于将进入的冷空气均匀地分配到贮存腔。也能够提供沿周向围绕贮存管壳的绝缘材料层。该绝缘层便于防止进入的冷空气在进入贮存腔之前就变热。换句话说，该绝缘层防止废料罐散发的热传导到围绕贮存管壳的辐射吸收材料，由此保持进气腔和管道网络凉爽。

优选地，该系统进一步包括用于在贮存腔内支撑废料罐的装置，使得在废料罐底部与贮存腔的底板之间存在第一气室。还优选地，在废料罐的顶部和封闭贮存腔的盖的底表面之间存在第二气室。在该实施方式中，管道网络在进气腔和第一气室之间形成通道，而所述盖内的出风口在周围环境和第二气室之间形成通道。在一种实施方式中，该支撑装置能够包括多个沿周向间隔开的支撑块。

进一步优选的是，存在于贮存管壳与废料罐之间的间隙是小的环形间隙。在一种实施方式中，贮存管壳能够围绕进气管壳，从而形成以并排方式设置的管壳阵列。该阵列的大小能够根据需要而改变。

在另一方面，本发明可以是一种用于贮存具有热负荷的高放废物的通风系统，该系统包括：大体上竖直定向、以并排方式设置的管壳阵列，每个管壳均形成一个腔；密封废料罐，其用于保持高放废物并定位在一个或多个所述腔内，所述腔具有容纳不超过一个的所述废料罐的水平截面；可拆卸盖，其定位在每个所述管壳的顶部上从而形成盖-管壳界面，每个盖包括在周围环境与贮存腔之间形成通道的通风口；管道网络，其在所有腔的底部之间形成空气通道；其中，所述腔中至少一个是空的，以允许冷空气进入管道网络。

另一方面，本发明涉及一种贮存高放废物并使高放废物被动通风的方法，其包括：提供一种系统，该系统包括大体上沿竖直方向、以并排方式设置的管壳阵列——每个管壳形成一个腔——和在所有腔的底部之间形成空气通道的管道网络；将该系统定位在地下孔内，使得所述管壳的高度的主要部分位于地下；用辐射吸收材料填充该地下孔从而围绕所述管壳并覆盖该管道网络，所述腔能够从地上接近；将容置高放废物的密封废料罐降入一个或多个所述管壳的腔内，从而在所述废料罐和所述管壳之间产生间隙，所述腔具有容纳不超过一个的所述废料罐的水平截面；将可拆卸盖定位在容置废料罐的管壳的顶部从而形成盖-管壳界面，所述盖包括在地上大气与容置废料罐的腔之间形成通道的通风口；维持至少其中一个所述腔空置；以及，冷空气进入该空腔，冷空气被吸入该管道网络并进入容置废料罐的腔内，冷空气由于来自该废料罐的热而变暖，该变暖的空气在空隙内上升并通过所述盖的通风口从所述腔排出。

附图说明

图1是现有技术VVO的俯视立体图。

图2是根据本发明实施方式的歧管贮存系统的俯视立体图。

图3是图2所示歧管贮存系统的主视图。

图4是图2所示歧管贮存系统的主视图，其中已将盖子从贮存管壳和进气管壳移除。

图5是图2所示歧管贮存系统的俯视图。

图6A是能用于图2所示歧管贮存系统的盖的实施方式的俯视立体图，所示盖具有剖开截面。

图6B是图6A所示盖子的仰视立体图。

图7是图5所示歧管贮存系统沿A-A线的截面图，其中该歧管贮存系统定位于地下且不包括废料罐。

图8是图7所示歧管贮存系统的侧视截面图，其中含有高放废物的废料罐定位于根据本发明实施方式的贮存腔内。

具体实施方式

首先参见图2，图示出根据本发明的实施方式的歧管贮存系统100。如图2所示，歧管贮存系统100从地下取出。然而，如下面将详细描述的，歧管贮存系统100特别地设计成，在地下环境中实现多个含有乏核燃料的密封废料罐的干燥贮存。

歧管贮存系统100是竖直的、通风的干燥乏燃料贮存系统，其与用于乏燃料废料罐转移操作的100吨和125吨的转移式屏蔽罐完全兼容。歧管贮存系统100能够修改/设计成与任何尺寸或形式的转移式屏蔽罐兼容。歧管贮存系统100设计成，在代替地上包装结构(例如图1所示的现有技术VVO1)的独立乏燃料贮存设施(Independent Spent FuelStorage Installation)(“ISFSI”)内，容纳用来贮存的多个乏燃料废料罐。

设计成用于在地上包装结构模式中干燥贮存乏燃料的所有废料罐型能够贮存在歧管贮存系统100内。合适的废料罐包括多用途废料罐和导热屏蔽罐，其被密封从而干燥贮存诸如乏核燃料的高放废物。典型地，此种废料罐包括直接构建在其内的蜂房型栅格机件/框体、或其他结构，从而间隔开地容纳多个乏燃料棒。在1999年4月27日授权给KrishnaSingh的美国专利第5,898,747号披露了一种适用于本发明的废料罐示例，该专利的全部内容在此引入作为参考。

歧管贮存系统100是一种便于通过自然对流/通风被动冷却贮存废料罐的贮存系统。歧管贮存系统100不包括诸如鼓风机和闭路冷却系统之类的强制冷却设备。相反，歧管贮存系统100利用热空气上升的自然现象——即烟囱效应，来实现废料罐周围空气的必要循环。实际上，歧管贮存系统100包括多个经过修改的通风竖直模块，所述通风竖直模块能够在地下环境中实现对含有废弃核材料的多个废料罐进行必要地通风/冷却。

歧管贮存系统100包括竖直定向的进气管壳10A和多个竖直定向的贮存管壳10B。贮存管壳10B围绕进气管壳10A。进气管壳10A在结构上与贮存管壳10B相同。然而，如下面将要描述的，进气管壳10A拟保持空置(亦即，不受热负荷并且不被阻塞)，使得它能够用作冷空气进入歧管贮存系统100的入口通道。贮存管壳10B适于容纳含有乏核燃料的密闭废料罐，并适于用作废料罐的贮存/冷却腔。然而，在本发明的一些实施方式中，只要进气管壳10A的内腔容许冷空气进入以使贮存管壳10B通风，则进气管壳10A可设计成不同于贮存管壳10B的结构。例如，进气管壳10A能够具有不同于贮存管壳10B的截面形状、截面尺寸、构造材料和/或高度。尽管在正常操作和使用过程中进气管壳10A拟保持空置，但如果贮存在贮存管壳10B内的废料罐的热负荷足够低，以致不需要循环气流，那么进气管壳10A可用于贮存乏燃料废料罐。

进气管壳10A和贮存管壳10B均是圆筒形。然而，在其他实施方式中，管壳10A、10B能够采取诸如矩形等其他形状。管壳10A、10B具有敞开的顶端和封闭的底端。管壳10A、10B以并排的取向设置，从而形成3×3的阵列。进气管壳10A定位在3×3阵列的中央。应当指出的是，尽管进气管壳10A优选地定位在中央，但是本发明并不限于此。通过简单地置空贮存管壳10B中一个或多个，进气管壳10A在阵列中的位置能够根据需要改变。此外，虽然歧管贮存系统100的所示实施方式包括3×3阵列的管壳10A、10B阵列，但其他阵列尺寸和/或布置也能够在本发明的替代实施方式中实施。

管壳10A、10B优选地并排间隔开。管壳10A、10B的竖直中心轴线之间的水平距离在大约10英尺到20英尺的范围内，更优选地大约为15英尺。然而，管壳与管壳之间的实际距离将依据情况而定并且不受本发明局限。

管壳10A、10B优选地由诸如低碳钢的厚板金属构造。然而，也能够采用其他材料，包括但不限于金属、合金以及塑料。示例包括不锈钢、铝、铝合金、铅等类。管壳10A、10B的厚度优选在0.5英寸到4英寸的范围内，最优选地大约为1英寸。然而，在考虑到诸如建造材料、所贮存的乏燃料的热负荷、以及所贮存的乏燃料的辐射能级之类的因素，管壳10A、10B的实际厚度将依据情况而定。

歧管贮存系统100进一步包括定位在各管壳10A、10B顶部的可拆卸盖12。盖12定位在管壳10A、10B顶部，从而包覆由管壳10A、10B所形成的腔的敞开顶端。盖12提供了必需的辐射屏蔽，从而当已装载的废料罐定位于腔内时，防止辐射从贮存管壳10B所形成的腔向上逸出。盖通过螺栓或其他连接装置固定到管壳10A、10B。盖12能够从管壳10A、10B上拆卸，而不会破坏盖12或管壳10A、10B的整体性和/或损坏盖12或管壳10A、10B。换句话说，每个盖12均与相应的管壳10A、10B形成非整体结构。每个盖12均包括一个或多个进气管道，进气管道形成从外部空气到由管壳10A、10B所形成的腔内的通道。下面将参照图6A和6B更详细地讨论盖12的结构细节。并且将在下面参照图7更详细地描述盖12与管壳10A、10B的相互作用。

仍旧参见图2，歧管贮存系统100进一步包括管道/导管网络50，管道/导管网络50将所有贮存管壳10B流体连接到进气管壳10A。网络50包括两个集管51、多个直管52、和多个弯曲的膨胀接头53。集管51用作歧管，以将所有贮存管壳10B流体连接到进气管壳10A，以便按照需要将进入的冷空气流更均匀地分配到贮存管壳10B。提供弯曲的膨胀接头53是为了使该网状系统根据需要热胀/冷缩。所述直管完成网络50，从而所有管壳10A、10B以流体及密封的方式连接起来。

管道网络50在管壳10A、10B底部或管壳10A、10B底部附近连接，从而在所有管壳10A、10B的内腔之间形成流体通道网络。更具体地说，管道网络50经由集管51提供从进气管壳10A的内腔到所有贮存管壳10B的内腔的通道。因而，进入进气管壳10A的冷空气能够经由管道网络50分配到所有贮存管壳10B。优选地，进入的冷空气供应到贮存管壳10B的内腔底部或内腔底部附近，以实现对定位于其内的废料罐进行冷却。管道网络50设计成，使在贮存管壳10B的任何两个内腔之间都不能够使视线直达。

尽管已图示一个用于管道网络50的管系系统/布局的实施方式，但本发明不限于任何具体布局。本领域的技术人员可以理解，存在无数多个可以用于管道网络50的设计布局。再者，根据任何给定的歧管贮存系统的通风和空气流动需要，管道网络可能包括或可能不包括集管和/或膨胀接头。任何管道网络的准确布局和部件需要将依据具体设计而定。

管道网络50和管壳10A、10B的内表面优选地光滑，以最小化压力损失。相似地，确保管道网络的所有角部具有弯曲构造，将进一步最小化压力损失。管道网络50所用的导管/管道可以是任何尺寸。考虑到诸如有效冷却废料罐所需的必要空气流动速率之类的因素，所述导管的准确尺寸将依据具体情况而定。在一种实施方式中，使用具有24英寸和36英寸外径的钢管组合。

管道网络50的部件51、52、53在所有连接点处以密封方式彼此接合。此外，管道网络50以密封方式接合到所有管壳10A、10B从而形成整体的/单一的结构，该整体的/单一的结构以密闭方式密封防止水及其他流体进入。在可焊接金属的情况下，这种密封连接可包括焊接或使用密封圈。在焊接的情况下，管道网络50和管壳10A、10B将形成单一结构。此外，如图7所示，每个管壳10A、10B进一步均包括一体连接的底板11。因此，水或其他流体能够进入任何管壳10A、10B内腔或管道网络50的唯一路径是通过内腔的敞开顶端。

诸如环氧沥青(coal tar epoxy)或类似的合适防腐剂施加到管壳10A、10B和管道网络50的外露表面以确保密封、减少材料腐蚀、并起防火作用。合适的环氧沥青由密苏里州的圣路易斯的CarbolineCompany生产，其商品名为Bitumastic 300M。

现在参见图2和3，能够观察到，绝缘材料层20周向围绕每个贮存腔10B。绝缘的适当形式包括但不限于：硅酸铝耐火粘土覆层(KaowoolBlanket)，铝硅氧化物(Kaowool S Blanket)，氧化硅-二氧化硅-氧化锆纤维(Cerablanket)，氧化铝-二氧化硅-氧化铬(CerachromeBlanket)。绝缘层20防止过多的热从贮存管壳10B内的乏燃料废料罐传递到诸如混凝土块40(图7)、进气管壳10A以及管道网络50等周围结构/材料。

使贮存管壳10B绝缘，可使进入的冷空气在进入贮存管壳10B的腔之前受热最少。这对于便利和维持贮存在腔内的乏燃料废料罐充分地通风/冷却非常重要。该绝缘方法能够以多种途径实现，这些途径都不构成对本发明的限制。例如，除了将绝缘材料层20添加到贮存管壳10B的外部以外，还能够添加绝缘材料以围绕管道网络50和/或进气管壳10A的各部件。再者，除了或替代绝缘材料，可以通过在混凝土块40(图7)内的适当位置设置间隙来为进入的冷空气提供必要的绝缘。如果需要，可以用惰性气体或空气填充这些间隙。

现在参见图4，示出盖12已从管壳10A、10B拆掉的歧管贮存系统100。如可以观察到的，每个管壳10A、10B均包括位于其顶部或顶部附近的容器环13。容器环13是厚的钢制环状结构。容器环13沿周向围绕管壳10A、10B的周缘，并通过焊接或其它连接技术固定到此处。除了给管壳10A、10B增添结构整体性，容器环13还与盖12上的剪切环23(图6A和6B)界接，从而提供横向力的抵抗性。

参见图6A和图6B，详细示出根据本发明实施方式的盖12。为了给贮存在贮存管壳10B内的乏燃料废料罐提供必需的辐射屏蔽，盖12由低碳钢和混凝土结合构造。更具体地，在构造盖12的一种实施方式时，提供钢衬层，并且钢衬层填充有混凝土(或其它吸收辐射材料)。在其他实施方式中，盖12能够由多种材料制成，包括但不限于金属、不锈钢、铝、铝合金、塑料等等。在一些实施方式中，盖12可由诸如混凝土或钢等单件材料制成。

盖12包括凸缘部21和插塞部22。插塞部22从凸缘部21向下延伸。凸缘部21围绕插塞部22并从插塞部22沿径向延伸。多个出风口28设置在盖12内。每个出风口28形成从插塞部22的底表面30内的开口29到盖12的顶表面32内的开口31的通道。罩33设置在开口31上，以防止雨水或其他碎屑进入和/或堵塞出风口28。罩33借助于螺栓或通过任何其他合适的连接方式固定到盖12，连接方式包括但不限于焊接、夹接、紧配合、螺纹连接等等。

罩33设计成防止雨水和其他碎屑进入开口31，并使经开口29进入出风口28的热空气从此处逸出。在一个实施方式中，这能够通过在罩33的正好位于罩顶35悬垂部下方的壁34内设置多个小孔(未图示)得以实现。在其他实施方式中，这能够通过将罩33的顶35以非密闭方式连接到壁34和/或用仅能够透过气体的材料制成罩33(或其部分)实现。开口31位于盖12的中央。

为了进一步防止雨水或其他碎屑进入开口31，盖12的顶表面32从开口31向外倾斜(亦即，向下并向外)。盖12的顶表面32(用作罩顶)突伸超过凸缘部21的侧壁35。

出风口28形成为弯曲形，使得视线不能穿过。这就防止了视线从外部环境到达装载于贮存管壳10B内的废料罐，由此防止辐射线进入周围环境中。在其他实施方式中，出风口可构造成弯角或充分倾斜，使得这种视线也不存在。

盖30进一步包括固定到凸缘部31的底表面37的剪切环23。剪切环23可以焊接、栓接、或以其他方式固定到底表面37。剪切环23设计成从底表面37向下延伸，且沿周缘围绕并接合管壳10A、10B的容器环13，如图7所示。

尽管没有图示，但优选地，将管道光子衰减器(duct photonattenuator)插入贮存管壳10B和进气管壳10A二者的盖12的所有通风口28中，而不管其形状和/或尺寸如何。在权利人为Bongrazio的美国专利第6,519,307号中描述一种合适的管道光子衰减器，该专利文献的全部教导在此引入作为参考。应当指出的是，在一些实施方式中，进气管壳10A可不设有盖12。

现在参见图7，现将描述盖12的元件和管壳10A、10B的元件的合作关系。为了避免繁琐，仅详细描述盖12与单个贮存管壳10B的相互作用，而本领域的技术人员将会理解，下面的讨论适用于所有贮存管壳10B和进气管壳10A。

当盖12置于歧管贮存系统100的贮存管壳10B顶部时(例如在装有乏燃料的废料罐的贮存过程中)，盖12的插塞部22降低进贮存管壳10B所形成的腔24内，直到盖12的凸缘部21接触并搁置于贮存管壳10B顶部为止，由此形成盖-管界面。更具体地，盖12的凸缘部21的底表面37(图6B)接触并搁置于贮存管壳10B的顶表面的顶部，从而形成盖-管界面。盖12和贮存管壳10B形成非单一性结构。

在此点，盖12的剪切环23接合并沿周缘围绕容器环13的外表面。剪切环23和容器环13的相互作用，提供抵抗因地震、冲击导弹或其他射弹而产生的横向力的大剪切阻力。盖12借助于螺栓(或其他紧固装置)固定其位，所述螺栓能够或者延伸到混凝土块60内的孔内，或者延伸到贮存管壳10B本身内。尽管盖12固定到贮存管壳10B和/或混凝土块60，但是盖12仍然是非单一性结构并能够拆卸。尽管没有图示，但能够在盖-管界面处的某个位置设置一个或多个密封圈，以形成以密闭方式密封的界面。

当盖12如图7所示适当置于贮存管壳10B顶部时，出风口28与贮存管壳10B所形成的腔24在空间上相互合作。换句话说，每个出风口28均形成从周围大气到腔24本身的通道。定位于进气管壳10A顶部上的盖内的出风口提供相似的通道。对于进气管壳10A来说，出风口28用作使周围冷空气虹吸到进气管壳10A的腔24内、穿过管道网络50、并进入贮存管壳10B的腔24的底部内的通道。当容置有具有热负荷的乏燃料(或其他HLW)的废料罐定位于一个或多个贮存管壳10B中的腔24内时，这种进入的冷空气便被废料罐加热、在腔24内上升、并经由位于贮存管壳10B顶部的盖12内的出风口28排出腔24。正是该烟囱效应在进气管壳10A内产生了虹吸效果。

现在参见图7和8，管壳10A、10B在其内形成竖直取向的圆筒形腔24。尽管腔24是圆筒形，但是腔24不限于任何具体形状，在不偏离本发明精神的情况下，其能够设计成容纳并贮存几乎任何形状的废料罐。贮存管壳10B的腔24的水平截面的尺寸和形状设计成与待贮存于腔内的乏燃料废料罐80(图8)的水平截面的尺寸和形状大致对应。贮存管壳10B的腔24的水平截面容纳不超过一个的乏燃料废料罐80。

贮存管壳10B的腔24的水平截面的尺寸和形状这样构造：当乏燃料废料罐80定位于腔内用于贮存时，在废料罐80的外侧壁和腔24的侧壁之间存在小的间隙/空隙25。当管壳10B和废料罐80为圆筒形时，间隙25为环形间隙。在一种实施方式中，贮存管壳10B的腔24的直径在5到7英尺的范围内，更优选地大约为6英尺。

设计贮存管壳10B的腔24使得在贮存的废料罐80的侧壁和腔24的侧壁之间形成小的间隙25，这限制了在灾难性事件中废料罐80能够在腔24内移动的程度，由此将废料罐80和腔壁的损坏降至最小，并防止废料罐80在腔24内翻倒。在乏核燃料冷却的过程中这些小间隙25还使热空气便于流动。间隙25的确切尺寸能够被控制/设计，从而在任何既定情况下获得所需的流体流动动力学特性和热传递能力。在一种实施方式中，间隙25的宽度大约为1到3英寸。将间隙25的宽度制造得较小还减少了辐射冲流。

支撑块42设置在贮存管壳10B的腔24的底板11上，使得废料罐80能够置于支撑块42上。支撑块42绕底板11沿周向彼此隔开。当废料罐80装载进贮存管壳10B的腔24内时，废料罐80的底表面81搁置于支撑块42上，从而在废料罐80的底表面81和腔24的底板11之间形成进气室27。支撑块42由低碳钢制成，并优选地焊接到贮存管壳10B的腔24的底板11。其他合适的构造材料包括但不限于钢筋混凝土、不锈钢、以及其他金属合金。

支撑块42还具有能量/冲击吸收功能。支撑块42优选地是蜂房型栅格的形式，诸如美国加利福尼亚州的Hexcel Corp.所生产的那些支撑块。

当废料罐80定位于贮存管壳10B内的支撑块42顶部时，便在废料罐80的顶表面82和盖12的底表面30之间形成排气室26。排气室26的高度优选地最小为3英寸，但是其可为任何所需的高度。确切高度取决于诸如所需流体流动动力学特性、废料罐高度、管壳高度、腔深度、废料罐的热负荷等设计考量。

进气管壳10A的腔24比贮存管壳10B的腔24深，并用作地下水或雨水的集水池(如果存在泄漏和/或碎屑的话)。进气管壳10A的腔24典型地是空的，因此能够容易地清理碎屑。另外，管道网络50优选地朝向进气管壳10A并远离贮存管壳10B倾斜，使得任何渗入的水汇集到进气管壳10A的腔24的底部内。如果需要，可在进气管壳10A的腔24的底部处设置排水管。

在图7和8中，歧管贮存系统100的所示实施方式进一步包括围绕管壳10A、10B和管道网络50的混凝土块60。混凝土块60为贮存在贮存管壳10B内的乏燃料废料罐80提供必要的辐射屏蔽。混凝土块60为管壳10A、10B和管道网络50提供非结构性保护。管壳10A、10B的整个高度都由混凝土块60围绕，只有盖12从混凝土块60中突出并搁置于其顶表面。

尽管使热空气逸出贮存管壳10B的出风口28示出为位于盖12内，但是本发明并不限于此。例如，出风口28能够设置在混凝土块60本身内。在此种实施方式中，出风口的通向周围空气的开口能够定位于混凝土块60的顶表面内，并且视线不能到达外界。与所述出风口定位于盖内时相似，出风口能够采用诸如S形或L形的多种形状和/或构造。在本发明的所有实施方式中，优选的是，贮存管壳10B的出风口28的排气开口在方位上沿周向与进气管壳10A的进风口28的进气开口分开，以便最小化进气流和排气流之间的相互作用。

如上所述，绝缘材料层20设置在贮存管壳10B和混凝土块60之间的交界面处(以及可选择地设置在混凝土块60和管道网络50以及进气管壳10A之间的交界面处)。提供绝缘层20，以防止从乏燃料废料罐80到混凝土块60的过量热衰变传输，因此使混凝土的整体温度维持在FSAR(最终安全分析报告)的界限内。绝缘层20还用于使进入的冷空气在进入贮存管壳10B的腔24之前受热最小。

如上所述，歧管贮存系统100特别适用于在地下环境中贮存乏核燃料和其他高放废物。参见图8，歧管贮存系统100定位成，使整个混凝土块60(包括贮存管壳10B的整个高度)全部位于ISFSI所处位置的地平线73以下。整个管道网络50也深埋在地下。

通过将歧管贮存系统100定位于地平线73以下，系统100的外观变得不再显眼并且没有翻倒的危险。地下歧管贮存系统100的低轮廓不会成为导弹或其他攻击活动的目标。另外，地下歧管贮存系统100不需要处理土壤-结构交互作用效应，土壤-结构交互作用效应放大了自由场加速度并地上的自由竖立的包装结构的稳定性构成潜在威胁。

尽管贮存管壳10B的整个高度示出为位于地平线73以下，但在可替代实施方式中，贮存管壳10B的一部分可被容许突出到地平线73上。在这种实施方式中，贮存管壳10B的高度的至少主要部分定位在地平线73以下。贮存管壳10B突出到地平线73上的任何部分必须由必要的辐射屏蔽结构围绕。在所有实施方式中，贮存管壳10B充分地低于水平面，使得当乏燃料废料罐80定位在腔24内贮存时，废料罐的整个高度都位于地平线73以下。这充分利用了ISFSI所处位置的周围土壤的屏蔽效应。因此，土壤为所贮存的乏燃料提供了一定程度的在地上包装结构内所不能实现的辐射屏蔽。

参照歧管贮存系统100，下面将讨论在ISFSI或其他位置建造图7所示地下歧管贮存系统的方法。首先，在ISFSI的所需位置处，在地下挖掘具有所需深度的孔。一旦该孔挖掘而成并且其底部适当地整平后，便在该孔的底部处放置地基基础。该基础能够是设计成满足诸如ACI-349等公认行业标准的荷载组合的钢筋混凝土板。然而，在一些情况下，根据待支撑的负荷和/或地面特性，不一定需要使用地基。

一旦地基/基础在孔中适当地定位，图2所示整体结构(其由贮存管壳10B、进气管壳10A和管道网络50组成)便沿竖直方向降入孔内，直到其搁置于基础的顶部上。然后该整体结构接触并搁置于基础的顶表面的顶部上。如果需要，整体结构能够在此点以螺栓连接或其他方式固定到该基础，以防止整体结构相对于该基础进一步移动。

一旦该整体结构沿竖直方向搁置于基础顶部上，便将混凝土填入该孔从而绕整体结构形成混凝土块60。该混凝土块还用作地下部件的防潮屏障。可替代地，土壤或设计回填能够代替混凝土填充该孔。合适的设计回填包括但不限于砂砾、碎石、混凝土、沙子等。所需的设计回填能够通过任何可行方式填充到该孔内，包括人工填充、倾倒等方式。

将混凝土填充到该孔内，直到其围绕整体结构、并将该孔填充到混凝土达到大约等于地平线73的高度为止。在填充该孔时，形成混凝土块60。管壳10A、10B略突出于混凝土块60的顶表面，使得能够从地上接近管壳10A、10B的腔24。另外，盖12能够如上所述地定位在管壳10A、10B的顶部上。因为整体结构在所有地下连接点处都以密闭方式密封，所以地下的液体不能进入管壳10A、10B的腔24或管道网络50内。

现在将讨论利用图7和图8所示的地下歧管系统100贮存乏核燃料废料罐80的方法的实施方式。在从乏燃料池移出并进行处理以用于干燥贮存时，乏燃料废料罐80以密闭方式密封并定位在转移式屏蔽罐内。然后由屏蔽罐载运车将转移式屏蔽罐运送到空贮存管壳10B以便贮存。可利用将转移式屏蔽罐运输到贮存管壳10B上方位置的任何适当方式。例如，可利用任何合适类型的负荷处理设备，例如但不限于龙门起重机、高架起重机、或其他起重设备。

在准备所需的管壳10B以容纳废料罐80时，移除盖12，使得贮存管壳10B的腔24敞开并能够从上方接近。屏蔽罐载运车将转移式屏蔽罐定位于贮存管壳10B顶部上。在转移式屏蔽罐被适当地固定到贮存管壳10B的顶部之后，将转移式屏蔽罐的底板去掉。如果需要，能够使用合适的匹配设备以将转移式屏蔽罐的连接装置固定到贮存管壳10B，并将转移式屏蔽罐的底板转移到非阻碍位置。此种匹配设备是本领域公知的并且经常用于废料罐转移操作。然后，废料罐80被屏蔽罐载运车从转移式屏蔽罐降入贮存管壳10B的腔24内，直到废料罐80的底表面81接触并搁置于腔24的底板11上的支撑块42顶部上为止。废料罐80在腔24内自由竖立，无需锚具或其它固定装置。

当搁置于贮存管壳10B的腔24内的支撑块42上时，废料罐80的整体高度都位于地平线73以下。一旦废料罐80定位并搁置于腔24内，就将盖12定位到贮存管壳10B的顶部，大体上封闭腔24。然后盖12借助于螺栓或其他装置固定到混凝土块60。当废料罐80以此种方式定位于贮存管壳10B的腔24内时，在底板11和废料罐80的底表面81之间存在进气室27。在盖12的底表面30和废料罐80的顶表面82之间存在排气室26。在废料罐80的侧壁和贮存管壳10B的壁之间还存在小的环形间隙25。

由于从废料罐80散发出的热量所致的烟囱效应，来自周围的冷空气经由盖12内的进风口28被虹吸到进气管壳10A的腔24内。然后该冷空气被虹吸通过管道网络50，并进入位于贮存管壳10B的腔24的底部处的进气室27。然后该冷空气被乏燃料废料罐80散发出的热加热，经由废料罐80周围的环形间隙25在腔24内上升、并进入废料罐80上方的排气室26内。该变暖的空气继续上升，直到它作为热空气经由定位在贮存管壳10B顶部上的盖12内的出风口28排出腔24。

尽管已经以本领域的技术人员能够容易制造和使用的足够的详细程度描述并图示了本发明，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下，各种替代方式、改型以及改进应当是显而易见的。具体而言，在一种实施方式中，能够省略管壳10A、10B和/或管道网络50。在这种实施方式中，如果需要的话，管壳的腔和管道网络的通道能够直接形成在混凝土块内。

Claims (22)

1.一种用于贮存散发热量的高放废物的通风系统，所述系统包括：

进气管壳，其形成竖直的进气腔；

多个贮存管壳，每个贮存管壳均形成竖直的贮存腔；

密封的废料罐，其用于保持高放废物，并定位在一个或多个所述贮存腔内，使得在所述贮存管壳与所述废料罐之间存在间隙，所述贮存腔具有容纳不超过一个废料罐的水平截面；

第一盖，其定位在每个所述贮存管壳的顶部从而形成第一盖-管壳界面，每个所述第一盖均包括在周围环境与所述贮存腔之间形成通道的出风口；以及

管道网络，其在所述进气腔的底部与每个所述贮存腔的底部之间形成通道。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述废料罐以非固定方式、沿竖直的方向定位在所述贮存腔内。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述进气管壳和所述贮存管壳由金属或金属合金制成。

4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括定位在所述进气管壳的顶部上从而形成第二盖-管壳界面的第二盖，所述第二盖包括在周围环境与所述进气腔之间形成通道的进风口。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道网络包括一个或多个集管，所述一个或多个集管将所述贮存管壳流体耦联到所述进气管壳。

6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括沿周向围绕所述贮存管壳的绝缘材料层。

7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括用于在所述贮存腔内支撑所述废料罐的装置，使得在所述废料罐与所述贮存腔的底板之间存在第一气室，在所述废料罐与所述第一盖之间存在第二气室，所述管道网络在所述进气腔与所述第一气室之间形成通道，所述第一盖的出风口在周围环境与所述第二气室之间形成通道。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述支撑装置包括多个沿周向间隔开的支撑块。

9.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括围绕所述贮存管壳的辐射屏蔽体。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述辐射屏蔽体是混凝土块。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述贮存管壳定位成使得每个贮存管壳的高度的至少主要部分位于地下，所述管道网络也位于地下，所述进气腔在地上开口与所述管道网络之间形成通道。

12.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括围绕所述贮存管壳的辐射吸收材料。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述辐射吸收材料选自包括混凝土、工程填料、以及土壤的组中。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，定位在所述贮存管壳的顶部上的所述第一盖位于地上。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述贮存管壳、所述进气管壳、以及所述管道网络都被密封，从而防止地下液体进入。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道网络、所述贮存管壳、以及所述进气管壳之间的所有连接都是密封的。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述贮存管壳围绕所述进气管壳从而形成阵列，并且所述贮存管壳和所述进气管壳以并排方式设置。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，存在于所述贮存管壳和所述废料罐之间的所述间隙是环形间隙。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，每个所述贮存腔均包括位于所述废料罐与所述贮存腔的底板之间的第一气室和位于所述废料罐与所述第一盖之间的第二气室，所述环形间隙在所述第一气室和第二气室之间形成通道，所述管道网络在所述进气腔与所述第一气室之间形成通道，所述第一盖的出风口在周围环境与所述第二气室之间形成通道。

20.一种用于贮存具有热负荷的高放废物的通风系统，所述系统包括：

竖直定向的以并排方式设置的管壳阵列，每个所述管壳形成一个腔；

至少一个密封废料罐，其用于保持高放废物并定位在所述腔之一内，所述腔具有容纳不超过一个所述废料罐的水平截面；

盖，其定位在每个所述管壳的顶部上从而形成盖-管壳界面，每个所述盖均包括通风口，所述通风口在周围环境与所述腔之间形成通道；

管道网络，其在所有所述腔的底部之间形成通道；

其中，至少其中一个所述腔是空的，从而允许冷空气进入所述管道网络。

21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述管壳定位成，使得每个管壳的高度的至少主要部分定位在地下，且所述管道网络也位于地下，所述空腔在地上开口与所述管道网络之间形成通道。

22.一种贮存高放废物并使高放废物被动通风的方法，包括：

提供一种系统，所述系统包括竖直定向并以并排方式设置的管壳阵列，每个管壳均形成腔，所述系统还包括在所有所述腔的底部之间形成通道的管道网络；

将所述系统定位在地下孔内，使得所述管壳的高度的主要部分位于地下；

用辐射吸收材料填充所述地下孔从而围绕所述管壳并覆盖所述管道网络，所述腔的顶部能够从地上接近；

将容置高放废物的密封废料罐降入所述管壳之一的腔内，使得在所述废料罐和所述管壳之间存在间隙，所述腔具有容纳不超过一个所述废料罐的水平截面；

将可拆卸的盖定位在容置所述废料罐的所述管壳的顶部从而形成盖-管壳界面，所述盖包括在周围环境与容置所述废料罐的腔之间形成通道的通风口；

保持至少其中一个所述管壳空置；以及

冷空气进入所述空管壳的腔，所述冷空气被吸入所述管道网络并进入容置所述废料罐的腔内，所述冷空气因来自所述废料罐的热而变暖，所述暖空气在所述间隙内上升并通过所述盖的通风口排出所述腔。

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