CN101523506B - 贮存高放废物的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于贮存高放废物的系统和方法。一方面，本发明是一种系统，包括：内壳，其形成用于容纳高放废物的空腔，所述空腔具有顶部和底部；外壳，其环绕所述内壳从而在所述内壳和外壳之间形成空间；所述内壳上的至少一个开口，其位于所述空腔的底部或所述空腔的底部附近，所述至少一个开口形成从所述空间到所述空腔的通道；盖，其定位在所述内壳和外壳顶部，所述盖具有至少一个进气口和至少一个排气口，所述至少一个进气口形成从外界大气到所述空间的通道，所述至少一个排气口形成从所述空腔到外界大气的通道。另一方面，本发明是一种用所述系统特别是在地下环境中贮存高放废物的方法。

Description

贮存高放废物的系统和方法

优先权要求和相关专利申请的交叉引用

本申请要求2005年5月6日提交的美国专利申请第11/123,590号的优先权，而该专利申请又要求2005年4月15日提交的美国临时专利申请第60/671,552号和2005年3月25日提交的美国临时专利申请第60/665,108号的权益，这些申请的全部内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明总体上涉及贮存高放废物(“HLW”)的技术领域，具体而言涉及用于将诸如乏核燃料之类的HLW贮存在通风的竖直模块中的系统和方法。

背景技术

诸如乏核燃料的HLW的贮存、处理、和转移需要格外当心和特别的程序保障。例如，在核反应堆的操作中，在燃料组件的能量消耗到预定水平之后经常需要将燃料组件移除。在移除时，这种乏核燃料仍然是高放射性的并产生大量的热量，在其包装、运输和贮存的过程中需要格外当心。为了保护环境不受到辐射作用，乏核燃料首先被置于废料罐中。然后，已装载的废料罐被运输并贮存在称为屏蔽罐的大的圆筒形容器中。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一段预定的时间。

在典型的核电站中，开口的空置废料罐首先置于开口的转移式屏蔽罐中。然后转移式屏蔽罐和空置的废料罐被浸没在水池中。在废料罐和转移式屏蔽罐浸没在水池中的同时，乏核燃料被装进废料罐内。一旦装满了乏核燃料，通常在水池中便将盖置于废料罐顶部。然后转移式屏蔽罐和废料罐从水池中移出，废料罐的盖焊接在废料罐上并且在转移式屏蔽罐上安装一个盖。然后废料罐被适当地去水、回填惰性气体并密封。转移式屏蔽罐(其容纳有已装载的废料罐)然后被运输到贮存式屏蔽罐所处位置。然后已装载的废料罐从转移式屏蔽罐转移到贮存式屏蔽罐，用于长期贮存。在从转移式屏蔽罐向贮存式屏蔽罐转移的过程中，重要的是，已装载的废料罐不暴露在环境中。

一种贮存式屏蔽罐是通风的竖直包装结构(“VVO”)。VVO是一种基本上由钢和混凝土制成的大型结构，其用于贮存容置有乏核燃料(或其他HLW)的废料罐。VVO竖立在地上，通常呈圆筒形并且极其笨重，重量超过150吨并且高度常常大于16英尺。VVO通常具有平的底部、圆筒形本体、以及可拆卸的顶盖，圆筒形本体具有容纳乏核燃料废料罐的空腔。

在用VVO贮存乏核燃料时，容置有乏核燃料的废料罐置于VVO的圆筒形本体的空腔中。由于当置于VVO中用于贮存时乏核燃料仍会产生大量的热量，所以必须具有一种装置能够使该热量从VVO的空腔中逸散出去。该热能通过给VVO的空腔通风而从废料罐的外表面去除。在给VVO的空腔通风时，冷空气通过底部的通风管道进入VVO的空腔、向上流动穿过已装载的废料罐、并以升高的温度从顶部的通风管道排出。现有VVO的底部和顶部的通风管道沿周向分别定位在VVO的圆筒形本体的底部和顶部附近，如图1所示。

尽管VVO的空腔需要通风从而使热量能够从废料罐逸出，必要的是，VVO必须提供充分的辐射屏蔽并且乏核燃料不能直接暴露向外界环境。定位在包装结构底部附近的进气管道特别容易对安全和监护人员造成辐射伤害，为了监控已装载的包装结构，安全和监护人员必须在短时间内非常靠近所述管道。

另外，当容置有乏核燃料的废料罐从转移式屏蔽罐转移到贮存式VVO时，转移式屏蔽罐堆叠在贮存式VVO顶部，从而使废料罐能够降低到贮存式VVO的空腔内。大多数屏蔽罐的结构非常大并且重量能够达到250,000lbs，并且其具有16英尺或更高的高度。将转移式屏蔽罐堆叠在贮存式VVO/屏蔽罐顶部需要很大空间、大型高架起重机、以及可能需要约束系统以便进行稳定。这种空间常常在核电站内是不可得的。最后，地上贮存式VVO在地上竖立最少16英尺高度，因此，成为大的恐怖分子袭击的目标。

图1示出传统现有技术的VVO 2。现有技术的VVO 2包括平的底部17、圆筒形本体12和盖14。盖14通过螺栓18紧固到圆筒形本体12。如果现有技术的VVO 2倾翻的话，螺栓18用于防止盖14与本体12分离。圆筒形本体12具有顶部通风管道15和底部通风管道16。顶部通风管道15定位在圆筒形本体12顶部或其附近，而底部通风管道16定位在圆筒形本体12底部或其附近。底部通风管道16和顶部通风管道15都绕圆筒形本体12的圆周定位。现有技术VVO 2的整体定位在地上。

如本领域的技术人员所理解的，在现有技术的VVO 2的本体12中存在顶部通风管道15和/或底部通风管道16的情况下，装载过程中需要附加防护以避免辐射。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于贮存HLW的系统和方法，其在转移式屏蔽罐叠放在贮存式VVO顶部时减小了堆叠组件的高度。

本发明的另一目的是提供一种用于贮存HLW的系统和方法，其需要较少的竖向空间。

本发明的又一目的是提供一种用于贮存HLW的系统和方法，其在为HLW提供充分通风的同时在贮存过程中利用地下的辐射屏蔽特性。

本发明的又一目的是提供一种用于贮存HLW的系统和方法，其提供与完全合格的核电站结构应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一种用于贮存HLW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。

本发明的又一目的是提供一种用于贮存HLW的系统和方法，其使HLW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容器。

本发明的又一目的是提供一种用于在地下或地上贮存HLW的系统和方法。

本发明的又一目的是提供一种用于贮存HLW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用于贮存HLW的系统和方法，其消除了装载过程和/或随后贮存过程中的辐射危险。

本发明的又一目的是提供一种用于贮存HLW的系统和方法，其将进气口和排气口的开口都设置在可拆卸盖上。

本发明的又一目的是提供一种用于贮存HLW的系统和方法，其使得制造和现场建造便于进行。

这些以及其他目的由本发明实现，在某些实施方式中，本发明是一种用于贮存高放废物的系统，其包括：内壳，其形成用于容纳高放废物的空腔，所述空腔具有顶部和底部；外壳，其环绕内壳从而在内壳和外壳之间形成空间；内壳上的至少一个开口，其位于所述空腔的底部或所述空腔的底部附近，所述至少一个开口形成从所述空间到所述空腔的通道；盖，其定位在内壳和外壳顶部，所述盖具有至少一个进气口和至少一个排气口，所述至少一个进气口形成从外界大气到所述空间的通道，所述至少一个排气口形成从所述空腔到外界大气的通道。根据具体贮存需要，该装置能够适用于高放废物的地上或地下贮存。

在一种实施方式中，本发明是一种用于贮存并被动冷却高放废物的通风的竖直系统，其包括：内壳，其形成具有顶部、底部、和大体上竖直取向的轴线的空腔；外壳，其环绕内壳从而在内壳和外壳之间形成空间；内壳上的至少一个开口，其位于所述空腔的底部或所述空腔的底部附近，所述至少一个开口在所述空间和所述空腔之间形成通道；用于贮存释放热量和辐射的高放废物的屏蔽型废料罐，所述屏蔽型废料罐沿大体上竖直的取向定位在所述空腔中，所述空腔具有容纳不超过一个废料罐的水平截面；盖，其定位在内壳和外壳顶部从而形成盖—内壳交界面和盖—外壳交界面，盖—内壳交界面适于阻挡空气流，在废料罐和所述盖之间的空腔中形成顶部气室，所述盖具有至少一个进气口和至少一个排气口，所述至少一个进气口在外界大气和所述空间之间形成通道，所述至少一个排气口在所述空腔的顶部气室和外界大气之间形成通道；以及用于使所述空间的至少一部分与所述空腔内的热量隔绝的装置。

在另一些实施方式中，本发明是贮存高放废物的方法，其包括：(a)提供一种装置，该装置包括：内壳，其形成具有顶部和底部的空腔；外壳，其与内壳同心并环绕内壳从而在内壳和外壳之间形成空间；以及内壳上的至少一个开口，其位于所述空腔的底部或所述空腔的底部附近，所述至少一个开口形成从所述空间到所述空腔的通道；(b)将高放废物罐置入所述空腔；(c)提供具有至少一个进气口和至少一个排气口的盖；(d)将所述盖定位在内壳和外壳顶部，从而使所述至少一个进气口形成从外界大气到所述空间的通道，并使所述至少一个排气口形成从所述空腔到外界大气的通道；以及(e)冷空气经由至少一个排气口和所述空间进入所述空腔，冷空气在高放废物的废料罐的作用下变暖，并经由所述盖上的至少一个排气口排出所述空腔。

在其他实施方式中，本发明是与用于贮存高放废物的系统一起使用的盖，所述盖包括：盖体，其包括插塞部和凸缘部；至少一个进气口，其形成从凸缘部的侧壁上的开口到凸缘部的底表面上的开口的通道；以及至少一个排气通风管道，其形成从插塞部的底表面上的开口到盖体的顶表面上的开口的通道；其中，所述至少一个排气通风管道构型成这样：视线不能直接从插塞部的底表面上的开口到达盖体的顶表面上的开口。

对于本领域的技术人员来说，通过阅读下面对附图的详细描述，本发明的其他实施方式将变得清楚。

附图说明

图1是现有技术的VVO的俯视立体图。

图2是根据本发明实施方式的HLW贮存容器的俯视立体图。

图3是图2的HLW贮存容器的截面图。

图4是根据本发明实施方式的从图2的HLW贮存容器上取下的盖的截面图。

图5是图4的盖的仰视立体图。

图6是图2的HLW贮存容器的截面图，其定位成用于HLW的地下贮存。

图7是图6的HLW贮存容器的俯视图。

图8是图6的HLW贮存容器的截面图，该HLW贮存容器具有容置在其中用于贮存的HLW废料罐。

图9是采用根据本发明实施方式的HLW贮存容器阵列的ISFSI的立体图。

具体实施方式

图2示出根据本发明实施方式设计的高放废物(“HLW”)贮存容器100。尽管将HLW贮存容器100描述为用于贮存准备干燥贮存的乏核燃料废料罐，但是本领域的技术人员应当理解的是，文中所述系统和方法能够用于贮存很多种HLW。

HLW贮存容器100设计成竖直的通风干燥系统，用于贮存诸如乏燃料之类的HLW。HLW贮存容器100与用于诸如乏燃料罐转移操作之类的HLW转移程序的100吨和125吨的转移式屏蔽罐完全兼容。构造成贮存自由竖立的、地下和/或锚固第二层包装模型的所有类型的乏燃料罐能够贮存在HLW贮存容器100中。适合的废料罐包括密封并适于诸如乏核燃料之类的高放废物的干燥贮存的多用途废料罐和导热屏蔽罐。通常，这种废料罐包括蜂房型栅格机件/框体、或其他结构，其直接建造在所述废料罐中从而间隔开地容纳多根乏燃料棒。适用于本发明的废料罐的示例公开在1999年4月27日授权给Krishna Singh的美国专利第5,898,747号，其全部内容在此引入作为参考。

HLW贮存容器100能够改造/设计成与任何尺寸或型式的转移式屏蔽罐兼容。HLW贮存容器100还能够设计成容纳乏燃料罐用以贮存在独立乏燃料贮存设施(“ISFSI”)中。采用HLW贮存容器100的ISFSI能够设计成根据需要容纳多种任何数量的HLW贮存容器100。在采用多个HLW贮存容器100的ISFSI中，每个HLW贮存容器100完全独立于ISFSI中的任何其他HLW贮存容器100工作。

HLW贮存容器100包括本本体部20和盖30。本体部20包括底板50。底板50具有安装在其上的多个锚固件51，用于将HLW贮存容器100固定到基础、地板、或其他稳定结构/地基。盖30置于顶部并且能够从本体部20取下/拆下(即，该组合是非单一结构)。如下面将更详细地描述的，HLW贮存容器100可适配成用作地上或地下贮存系统。

现在参阅图3，本体部20包括外壳21和内壳22。外壳21环绕内壳22，在二者之间形成小的空间23。外壳21和内壳22大体上呈圆筒状并且彼此同心。因而，空间23是环状空间。尽管所示实施方式中的内壳22和外壳21的形状是圆筒状，但是所述壳可以是任何形状，包括但不限于矩形、圆锥形、六边形、或者不规则形状。在某些实施方式中，内壳22和外壳21可以不以同心方式定向。

如下面将更详细地描述的，形成在内壳22和外壳21之间的空间23用作冷空气通道。任一HLW贮存容器100的空间23的确切宽度基于具体设计基础来确定，可以考虑诸如待贮存HLW的热负荷、外界冷空气的温度、以及期望的流体流动动力学之类的因素。在某些实施方式中，空间23的宽度将在1至6英寸的范围内。尽管空间23的宽度能够沿周向变化，但是期望将HLW贮存容器100设计成使空间23的宽度大体恒定以实现HLW容器的对称冷却以及使进入空气均匀的流体流动。

内壳22和外壳21固定在底板50的顶部。底板50是方形的，但是其可以采用任何期望的形状。多个隔离件27在空间23内固定在底板50顶部。隔离件27在将内壳22和外壳21放置到底板50顶部的过程中用作导向件并在HLW贮存容器100的整个使用期内确保空间23的整体性得以维持。隔离件27能够由低碳钢或其他材料制成并焊接到底板50。

优选地，外壳21在所有接触点处以密封方式结合到底板50，从而密封HLW贮存容器100，使流体无法通过这些接合点流入。在可焊接金属的情况下，这种密封结合可包括焊接或采用密封垫。最优选地，外壳21一体化地焊接到底板50。

环形凸缘77环绕外壳21的顶部设置以便加固外壳21，从而使得外壳21在承载的状态下不会弯曲或变形。环形凸缘77能够一体化地焊接到外壳21的顶部。

内壳22在其底部的水平面内由隔离件27和支撑块52在侧向上和旋转方向上限制。内壳22优选地不焊接到或以其他方式永久固定到底板50或外壳21以方便地拆下停止使用，以及在需要时进行维护。内壳22的底部边缘配置有管状导向件(未图示)，该管状导向件提供的挠性允许内壳22由于其与由空腔24中的废料罐加热的空气的接触而膨胀，而不会在盖30上产生太大的向上的力。

内壳22、外壳21、底板50和环状凸缘77优选地由诸如低碳钢之类的金属制成，但是也能够由诸如不锈钢、铝、铝合金、塑料等其他材料制成。合适的低碳钢包括但不限于ASTM A516、Gr.70、A515、Gr.70或等同体。内壳22和外壳21的期望厚度是一个设计问题，其视具体情况而定。然而，在某些实施方式中，内壳22和外壳21将具有介于1/2至3英寸之间的厚度。

内壳22形成空腔24，其具有大体上沿竖直方向定向的中心轴线。空腔24的尺寸和形状不限于本发明。然而，优选的是，内壳22选择成使得空腔24的尺寸和形状确定为空腔24能够容纳乏核燃料或其他HLW的废料罐。尽管不是实施本发明所必须的，但优选的是，空腔24的水平截面的尺寸和形状设计成大体上对应于与特定HLW贮存容器100结合使用的废料罐型式的水平截面的尺寸和形状。更具体地，期望的是，空腔24的尺寸和形状设计成使得，当容置有HLW的废料罐定位在空腔24中用于贮存时(如图8所示)，废料罐的外侧壁和空腔24的侧壁之间存在小的间隙。空腔24的水平截面优选地容纳不超过一个乏燃料罐。

将空腔24设计成使得贮存的废料罐的侧壁与空腔24的侧壁之间形成小的间隙，限制了废料罐在灾难性事件中能够在空腔中移动的程度，进而最小化了对废料罐和空腔壁的损坏并防止废料罐在空腔内倾翻。在HLW冷却的过程中，这种小的间隙还有利于热空气的流动。可控制/设计该间隙的确切尺寸以在任何给定情况下实现期望的流体流动动力学和传热能力。在某些实施方式中，例如，间隙可以为1至3英寸。小的间隙还可以减小辐射流。

内壳22还在与贮存在空腔24中的HLW废料罐的顶部对齐的高度处配置有等间距的纵向凸肋(未图示)。这些凸肋提供了引导贮存在空腔24中的HLW废料罐的手段，从而使得废料罐适当地置于支撑块52顶部。所述凸肋还用于在地震或其他灾难性事件中将废料罐的横向移动限制为几分之一英寸。

多个开口25设置在内壳22底部或底部附近。开口25提供了环状空间23和空腔24底部之间的通道。开口25提供了使得诸如空气之类的流体从环状空腔23进入空腔24的通道。开口25用于使外界冷空气便于进入空腔24，以冷却所贮存的具有热负荷的HLW。在所示实施方式中，设置了六个开口25。然而，能够设置任何数量的开口25。确切数量将视情况而定，并且在考虑诸如HLW的热负荷、期望的流体流动动力学等因素的情况下确定。而且，尽管开口25图示为定位在内壳22的侧壁中，但是在HLW贮存容器100的某些改型实施方式中开口25可以设置在底板50上。

在某些实施方式中，开口25将沿圆周方向绕内壳22的底部以对称方式定位，从而使沿环状空间23向下流动的冷空气以对称方式进入空腔24。换句话说，开口25绕内壳22以轴对称方式定位。

绝热层26绕内壳22的外表面设置在环状空间23中。绝热层26设置成用于使空间23中的进入冷空气在进入空腔24之前被加热最少。绝热层26有助于确保环绕位于空腔24中的废料罐上升的加热空气对环状空间23中的下行冷空气产生最小的预热。绝热层26优选地选择成防水和防辐射并且不会因意外受潮而退化。适合形式的绝热层包括但不限于硅酸铝耐火粘土覆层(Kaowool Blanket)，铝硅氧化物(Kaowool SBlanket)，氧化铝-二氧化硅-氧化锆纤维(Cerablanket)，氧化铝-二氧化硅-氧化铬(Cerachrome Blanket)。绝热层26的期望厚度是设计问题并将在考虑诸如HLW的热负荷、所述壳的厚度、与所采用绝热材料的类型等因素的情况下决定。在某些实施方式中，该绝热层的厚度在1/2至6英寸之间。在某些实施方式中，所述空腔高度可能只有一部分由绝热层26环绕。在这些实施方式中，优选的是，至少顶部气室与环状空间23绝热。

多个支撑块52设置在空腔24的底板上(由底板50形成)。支撑块52设置在空腔24的底板上，从而使保持诸如乏核燃料之类的HLW的废料罐能够置于其上。支撑块52沿周向彼此隔开并在内壳22与底板50接触的六个区段附近定位在每个开口25之间。当保持HLW的废料罐置入空腔24内用于贮存时，废料罐的底表面置于支撑块52顶部，从而在HLW废料罐的底表面和空腔24的底板之间形成进气室。该进气室有助于流体流动和废料罐的适当冷却。

支撑块52可以由低碳钢制成并优选地焊接到空腔24的底板。在某些实施方式中，支撑块52的顶表面配置有不锈钢衬垫，从而使得HLW废料罐不会置于碳钢表面上。支撑块52的其他适合构造材料包括但不限于钢筋混凝土、不锈钢、塑料以及其他金属合金。支撑块52还用作能量/冲击吸收功能。在某些实施方式中，支撑块52优选地是诸如美国加利福尼亚州的Hexcel Corp.制造的蜂房型栅格型式。

盖30置于顶部并由内壳22和外壳21的顶边缘支撑。盖30可从内壳22和外壳21拆下并且与内壳22和外壳21形成非整体结构。盖30包围空腔24的顶部并提供必要的辐射屏蔽，从而当容置有HLW的废料罐贮存在其中时使得辐射不能从空腔24中逸出。盖30特别地设计成便于将冷空气引入空间23(用于随后引入空腔24)并使暖空气从空腔24中排出。在某些实施方式中，本发明是盖本身，其独立于HLW贮存容器100的其他所有方面。

图4和5详细地示出根据本发明实施方式的盖30。在某些实施方式中，盖30是填充有屏蔽混凝土的钢结构。盖30的设计优选设计成实现多种目的。

首先参阅图4，该图示出从HLW贮存容器100的本体部20拆下的盖30的俯视立体图。为了提供必需的辐射屏蔽，盖30由低碳钢和混凝土的结合制成。更具体地，在制造盖30的一种实施方式中，设置有钢衬层并填充有混凝土(或者另一辐射吸收材料)。在其他实施方式中，盖30可以由多种材料制成，包括但不限于金属、不锈钢、铝、铝合金、塑料等。在某些实施方式中，所述盖可以由诸如混凝土或钢之类的单件材料制成。

盖30包括凸缘部31和插塞部32。插塞部32从凸缘部31向下延伸。凸缘部31环绕插塞部32，从插塞部32沿径向延伸。盖30中设置有多个进气口33。进气口33沿周向环绕盖30定位。每个进气口33提供了从侧壁35中的开口34到凸缘部31的底表面37中的开口36的通道。

盖30中设置有多个排气口38。每个排气口38形成从插塞部32的底表面40上的开口39到盖30的顶表面42上的开口41的通道。罩43设置在开口41上方，以防止雨水或其他碎屑进入和/或阻塞排气口38。罩43借助螺栓70或通过任何其他适合的连接方式固定到盖30，所述连接方式包括但不限于焊接、夹紧、紧密配合、螺接等。

罩43设计成防止雨水和其他碎屑进入开口41，同时使进入开口41的热空气从其选出。在一种实施方式中，这能够通过在罩43的壁44上、在正好位于罩43的顶篷45的外悬部之下的位置设置多个小孔(未图示)来实现。在其他实施方式中，这能够通过将罩43的顶篷45以非密封方式连接到壁44和/或用只允许气体穿过的材料制造罩43(或罩43的若干部分)来实现。开口41定位在盖30中央。

通过在盖30上设置进气口33和排气口38，在将HLW废料罐降低到空腔24中或者将HLW废料罐从空腔24中升高的装载和卸载操作过程中，不存在横向辐射泄漏路径。因此，无需设置某些现有技术的VVO中必需的屏蔽阻断。进气口33和排气口38优选地以对称方式定位(即，绕盖30的外周以轴对称方式设置)，从而使得系统的空气冷却作用不受风的水平方向变化的影响。而且，通过将进气口33的开口34定位在盖30外周并将排气口38的开口40定位在所述盖的顶部中心轴线处，使进入的冷空气流和排出的暖空气流基本上不会混合。

为了进一步防止雨水或其他碎屑进入开口41，盖30的顶表面42在远离开口41的方向上(即，向下并向外)形成为弧形并倾斜。将开口41定位成远离开口34有助于防止经由排气口38排出的热空气被重新吸入进气口33。盖30的顶表面42(用作顶篷)悬垂伸出凸缘部31的侧壁35，从而有助于防止雨水和其他碎屑进入进气口33。所述悬垂部还有助于防止冷空气流和热空气流混合。弧形形状大大增加了盖30的载荷承受能力，因为曲梁的横向载荷承受能力比直梁大得多。

排气口38特别地弯曲成使视线不能直接从中穿过。这防止视线从外界空气到达容置在HLW贮存容器100中的HLW废料罐，从而防止辐射进入环境中。在其他实施方式中，排气口可以成弯角或足够倾斜从而使得这种视线不存在。进气口33大体上水平取向。然而，进气口33和排气口38的形状和取向也可以变化。

进气口33和排气口38由用于三个主要设计目的的“成形并胶结的”头状物(即，回旋表面)制成。第一，进气口33和排气口38的弧形形状杜绝了来自空腔24的任何直接视线，并用作分散从HLW流出的光子的有效手段。第二，形成排气口通道38的弯曲钢板78大大增加了盖30的载荷承受能力，因为曲梁的横向载荷承受能力比直梁大得多。如果需要对特定ISFSI场址的涉及大的高能导弹的超出设计基础的冲击情境进行分析，这种设计特征将是有价值的特性。第三，进气口33的弧形特性设置成用于使冷空气流的压力损失最小，从而使通风作用更强劲。

在某些实施方式中，优选地，可以设置覆盖通向进气口33和排气口38的所有开口的筛网，以防止碎屑、昆虫和小动物进入空腔24或进气口33和排气口38。

现在参阅图5，盖30进一步包括位于凸缘部31底表面37上的第一密封圈46和第二密封圈47。密封圈46和47优选地由防辐射材料制成。当盖30置于HLW贮存容器100本体部20的顶部时(如图3所示)，第一密封圈46压在盖30的凸缘部31的底表面37和内壳22的顶部边缘之间，从而形成一个密封部分。相似地，当盖30置于HLW贮存容器100本体部20的顶部时，第二密封圈47压在盖30的凸缘部31的底表面37和外壳21的顶部边缘之间，从而形成第二密封部分。

容器环48设置在凸缘部31的底表面35上。容器环48设计成从底表面35向下延伸，并且当盖30置于HLW贮存容器100本体部20的顶部时，如图3所示，容器环48沿周向环绕并接合外壳21顶部的外侧表面。

再次参阅图3，现在将描述本体部20的元件和盖30的元件之间的协作关系。当盖30适当地置于HLW贮存容器100本体部20的顶部时(例如，在贮存容置有HLW的废料罐的过程中)，盖30的插塞部32被降低到空腔24内直到盖30的凸缘部31接触并置于内壳22和凸缘环77的顶部为止。凸缘部31消除了盖30落入空腔24内的危险。

当盖30置于本体部20顶部时，第一和第二密封圈46和47分别压在盖30的凸缘部31与内壳22和外壳21的顶部边缘之间，从而形成密封的交界面。第一密封圈46在盖/内壳交界面处提供正作用密封，防止进入环状空间23中的冷空气流入流与空腔24顶部的暖空气流出流混合。第二密封圈47在盖/外壳交界面处提供密封，防止可能高于凸缘环77自身的洪水进入。

容器凸缘48环绕并沿周向与凸缘环77接合。凸缘环77甚至在设计基础为地震事件时也能够限制盖30水平移动。当以这种方式接合时，盖30使内壳22的顶部不会横向、轴向移动。盖30还为内壳22和外壳21提供稳定性、形状和适当地对准/定向。

盖30的插塞部32延伸到空腔24内的延伸部有助于减少HLW贮存容器100的总体高度。因为插塞部32由填充屏蔽混凝土的钢制成，所以插塞部32阻断从HLW废料罐发出的朝向天空方向的辐射逸散到环境中。插塞部32的高度这样设计：如果盖30在操作过程中意外掉落，其不会接触贮存在所述空腔中的HLW废料罐的顶部。如上所述，这也在废料罐和盖30的底部之间形成空腔24的排气室部分。

当盖30置于本体部20顶部时，进气口33与形成在内壳22和外壳21之间的空间23进行空间协作。排气口38与空腔24空间协作。因而，外界冷空气能够通过进气口33进入HLW贮存容器100、流入空间23、并经由开口25进入空腔24。当含有具有热负载的HLW的废料罐支撑在空腔24内时，该冷空气被HLW废料罐加热、在空腔24中上升、并经由排气管道38排出空腔24。

因为进气口33的开口34(在图4中能够最清楚地看出)绕盖30的圆周延伸，所以进入空气流的流体阻力—通风模块的常见限制—得以最小化。沿圆周方向限定的进气口33的开口34还使得进气口33甚至在包含大量碎屑的最极端的环境现象中也不容易被完全堵塞。相似的空气流阻最小化设计被融入到用于排出空气的排气口38的设计中。

如上所述，HLW贮存容器100适用于HLW的地上或地下贮存。当用于HLW的地上贮存时，HLW贮存容器100将进一步包括环绕本体部20的辐射吸收结构/体。辐射吸收结构所具有的材料和足够的厚度使得从HLW废料罐发出的辐射被充分吸收/容纳。在某些实施方式中，辐射吸收结构可以是混凝土块。而且，在某些实施方式中，外壳可以由辐射吸收结构自身的内壁形成。

现在参阅图6和图7，下面将描述根据本发明一个实施方式的HLW贮存容器100适用和应用于HLW在ISFSI处或其他位置的地下贮存。

参阅图6，首先在ISFSI内的期望位置在地面中挖掘具有期望深度的孔。一旦孔被挖成并且其底部适当地整平，便在孔的底部设置基础61。基础61是钢筋混凝土板，其设计成满足诸如ACI-349的公认行业标准的负载组合。然而，在某些实施方式中，根据待支撑的载荷和/或土地特性，可能不需要使用基础。基础61设计成满足一定的结构标准并防止因周围地下环境中的材料的侵蚀所致的长期沉降和物理变劣。

一旦基础61适当地定位在孔中，HLW贮存容器100便沿竖直方向降低到孔内直到其置于基础61顶部为止。底板50接触并置于基础61的顶表面上。然后底板50借助锚固件51紧固到基础61，以防止HLW贮存容器100以后相对于基础61移动。

所述孔优选地挖掘成这样：当HLW贮存容器100置于其中时，至少内壳22和外壳21的大部分低于地平线62。最优选地，所述孔挖掘成这样：当HLW贮存容器100沿竖直方向置于基础61顶部时，内壳22和外壳21只有1至4英尺高于地平线62。在某些实施方式中，所述孔可挖掘得足够深，使得内壳22和外壳21的顶部边缘与地平线62齐平。在所示实施方式中，大约32英寸的内壳22和外壳21突出超过地平线62。

诸如环氧沥青之类的适合的防腐剂能够施加到外壳21和底板50的暴露表面上，以便确保密封、减少材料腐烂、以及防火和防止地下流体进入。适用的环氧沥青是由密苏里州的圣路易斯的Carboline Company生产的品名为Bitumastic 300M的产品。在某些实施方式中，优选的是，内壳22和外壳21的所有表面都涂上防腐剂，尽管这些表面没有直接暴露在所述元件下。

一旦HLW贮存容器100沿竖直方向置于基础61顶部，土壤60便被运送到HLW贮存容器100外部的孔内，从而用土壤60填充所述孔并将HLW整体结构100的大部分掩埋。尽管土壤60是填充所述孔并环绕HLW贮存容器100的示例，但是可以采用满足环境和屏蔽要求的任何工程填料。其他适合的工程填料包括但不限于砂砾、碎石、混凝土、沙子等。而且，期望的工程填料可通过包括人力、倾倒等任何可行方式供给到孔。

土壤60被供给到孔直到土壤60环绕HLW贮存容器100并将所述孔填到土壤60与地平线62大致齐平的位置。土壤60与位于地下的HLW贮存容器100的外表面直接接触。

诸如混凝土垫层63之类的辐射吸收结构设置成环绕外壳21突起于地平线62上的部分。外壳21的环状凸缘77置于混凝土垫层63顶表面的顶面上。混凝土垫层63设计成能够为HLW贮存容器100从地面突起的部分提供必要的辐射屏蔽。垫层63的顶表面在HLW的转移过程中还为屏蔽罐履带牵引装置(或其他用于运输转移式屏蔽罐的设备)提供停放表面。土壤60为HLW贮存容器100位于地平线62下方的部分提供辐射屏蔽。垫层63还用作屏蔽膜，抵抗HLW贮存容器100的地下部分周围的雨水或洪水的渗漏所致的重力。

图7示出混凝土垫层63的俯视图。尽管垫层63优选地由钢筋混凝土制成，但是垫层63可由任何能够适当吸收/保存由贮存在空腔24中的HLW发出的辐射的材料制成。

仍旧参阅图6，当HLW贮存容器100适用于HLW的地下贮存并且盖30被拆下时，HLW贮存容器100是底部封闭、顶部开口、壁部很厚的圆筒状容器，其不具有地下穿孔或开口。因此，地下水没有流入空腔24的路径。同样地，通过盖30上的进气口33和排气口38流入空腔24的任何水都不会自己排出。

如上所述，一旦混凝土垫层63设置到位，盖30便被置于内壳22和外壳21顶部。因为包括进气口33和排气口38的通向外界的开口的盖30被置于地上，所以热的HLW废料罐能够贮存在地下空腔24中，同时仍然能够为所述废料罐提供充分通风以便移除热量。

现在参阅图8，下面讨论将容置有热的HLW的废料罐90贮存在地下HLW贮存容器100中的过程。在从乏燃料池中移除时，废料罐90被处理以便干燥贮存，所述处理包括使废料罐90的内部空间干燥到预期干燥水平、给废料罐90回填惰性气体、然后将废料罐90密封。然后将密封的废料罐90运送到转移式屏蔽罐中。转移式屏蔽罐用屏蔽罐履带牵引装置运载到预期的HLW贮存容器100用于贮存。尽管以屏蔽罐履带牵引装置作为示例，但是可使用用于运输转移式屏蔽罐的任何适合装置。例如，可采用诸如但不限于龙门起重机、高架起重机、或其他起重机设备等适合类型的载荷处理装置。

在准备期望的HLW贮存容器100以接纳废料罐90时，盖30被移除从而使空腔24敞开。屏蔽罐履带牵引装置将转移式屏蔽罐定位在地下HLW贮存容器100的顶部。在转移式屏蔽罐适当地紧固到地下HLW贮存容器100的顶部之后，转移式屏蔽罐的底板被去掉。如果需要的话，可采用适合的匹配设备以确保转移式屏蔽罐与HLW贮存容器100的连接并将转移式屏蔽罐的底板移到不碍事的位置。这种匹配设备是本领域公知的并且经常用于废料罐的转移操作。

如上所述，然后废料罐90通过屏蔽罐履带牵引装置从转移式屏蔽罐降低到空腔24内，直到废料罐90的底表面接触并置于支撑块52的顶部。当置于支撑块52上时，废料罐的主要部分位于地下。最优选地，当位于其贮存位置时整个废料罐90位于地下。因此，HLW贮存容器100使废料罐90以竖直构造状态完全地下贮存在空腔24内。在某些实施方式中，根据其尺寸、辐射屏蔽性能、以及与ISFSI中的其他贮存模块的协作关系，垫层63本身的顶表面可被看作地平线。

一旦废料罐90定位并置于空腔24中，如上面参照图3所述，盖30便定位在HLW贮存容器100本体部20的顶部，从而大体上封闭空腔24。进气室位于废料罐90下方，而排气室位于废料罐90上方。排气室用于增强热空气排出HLW贮存容器的“烟囱”作用。

然后，盖30通过延伸到混凝土垫层63内的螺栓紧固到位。由于废料罐90释放的热量，来自外界的冷空气被虹吸到进气口33、穿过空间23、并经由开口25进入空腔24的底部。然后，该冷空气由于来自废料罐90的热量而变暖、经由废料罐90和内壳22之间的间隙空间在空腔24中上升、然后作为热空气经由盖30中的排气口38排出空腔24。

本发明的地下贮存系统是纯粹的被动冷却系统，没有设置诸如闭路冷却系统、鼓风机等之类强迫流体流动的任何设备。

如图9所示，多个贮存容器100可用于同一ISFSI基地并以阵列方式定位。虽然HLW贮存容器100彼此间隔很小，但是该设计允许贮存在每个HLW贮存容器100中的废料罐独立地放入和取出。

尽管已经非常详细地描述并图示了本发明，以致本领域的技术人员能够容易地制造并使用它，但是在不背离本发明的精神和范围的情况下，显然能够容易做出各种可替代方式、改型和改进。

Claims (30)

1.一种用于贮存高放废物的系统，包括：

内壳，其形成具有顶部、底部、和大体竖直取向的轴线的空腔；

外壳，其环绕所述内壳从而在所述内壳和所述外壳之间形成空间；

所述内壳上的至少一个开口，其位于所述空腔的底部或所述空腔的底部附近，所述至少一个开口在所述空间和所述空腔的底部之间形成通道；以及

可拆卸盖，其定位在所述内壳和所述外壳顶部以形成盖-内壳交界面和盖-外壳交界面，所述盖-内壳交界面适于阻挡空气流，所述盖具有至少一个进气口和至少一个排气口，所述至少一个进气口在外界大气和所述空间之间形成通道，所述至少一个排气口在所述空腔的顶部和外界大气之间形成通道。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括定位在所述空腔中的多用途废料罐，所述空腔具有容纳不超过一个所述多用途废料罐的水平截面。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括使所述空间的至少一部分与所述空腔内的热量隔绝的装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述内壳和所述外壳大体上呈圆筒形，并且所述内壳和所述外壳之间的空间是环状空间。

5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

环绕所述外壳的辐射吸收材料；

其中，至少所述内壳和所述外壳的大部分低于地平线；并且

其中所述辐射吸收材料是形成地平线的天然土壤材料或工程填料。

6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括底板，所述内壳和外壳定位在所述底板顶部，所述外壳的底部边缘一体地连接到所述底板。

7.根据权利要求3所述的系统，其中所述隔绝装置包括绝热材料层，所述绝热材料层位于所述空腔和所述空间之间并从所述空腔的顶部或所述空腔的顶部附近延伸到所述空腔的底部或所述空腔的底部附近。

8.根据权利要求2所述的系统，进一步包括：

所述多用途废料罐和所述空腔的底板之间的底部气室；

所述盖的底部和所述多用途废料罐的顶部之间的顶部气室；以及

所述多用途废料罐的外侧壁和所述内壳之间存在的连接底部气室和顶部气室的间隙。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述盖包括插塞部和环绕所述插塞部的凸缘部，所述插塞部延伸到所述空腔内，并且所述凸缘部置于所述内壳和所述外壳顶部。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个进气口是从所述盖的侧壁上的开口延伸到所述空间的通道；并且所述至少一个排气口是从所述盖的底表面上的开口延伸到所述盖的顶表面上的开口的通道。

11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

多用途废料罐，其用于贮存高放废物；

所述多用途废料罐沿大体上竖直的取向定位在所述空腔中，从而在所述多用途废料罐和所述内壳之间形成间隙；并且

其中，所述空间的宽度在大约1至6英寸范围内。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述盖包括多个进气口，每个进气口从所述盖的侧壁上的开口延伸到所述空间，所述进气口的开口以轴对称方式绕所述盖的侧壁定位，并且所述内壳包括多个开口，每个开口形成从所述空间到所述空腔底部的通道，每个开口以轴对称方式绕所述空腔的轴线定位。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述盖包括具有凸形上表面和凹形下表面的第一弯曲板，所述盖进一步包括位于所述第一弯曲板下方并与之隔开的第二弯曲板，所述至少一个排气口形成在所述第一弯曲板和所述第二弯曲板之间。

14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

多用途废料罐，其适用于高放废物的干燥贮存，所述多用途废料罐沿大体上竖直的取向定位在所述空腔中，从而在所述多用途废料罐和所述盖之间产生顶部气室并在所述多用途废料罐和所述空腔的底板之间产生底部气室；

所述空腔具有容纳不超过一个所述多用途废料罐的水平截面；

绝热材料层，其环绕所述空腔并从所述空腔的顶部或所述空腔的顶部附近延伸到所述空腔的底部或所述空腔的底部附近；

其中，所述可拆卸盖定位在所述内壳和所述外壳顶部从而形成盖-内壳交界面和盖-外壳交界面，并且所述盖-内壳交界面适于阻挡空气流；

所述内壳上的至少一个开口在所述空间和所述底部气室之间形成通道；以及

所述至少一个排气口在所述顶部气室和外界大气之间形成通道。

15.根据权利要求9所述的系统，进一步包括定位在所述盖的凸缘部和所述内壳之间的第一密封件和定位在所述盖的凸缘部和所述外壳之间的第二密封件。

16.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

环绕所述外壳顶部的环形凸缘；并且

所述盖进一步包括从所述盖的底部延伸的环形结构，所述环形结构沿周向环绕所述环形凸缘。

17.根据权利要求5所述的系统，其中所述内壳和外壳充分低于地平面，从而当高放废物定位在所述空腔内时，全部高放废物位于地平面之下。

18.根据权利要求5所述的系统，其中所述内壳和外壳的一部分延伸超出地平面，所述系统进一步包括环绕所述外壳的超出地平面的部分的辐射吸收结构。

19.根据权利要求6所述的系统，进一步包括基础，所述底板定位在所述基础顶部并紧固到所述基础。

20.根据权利要求10所述的系统，进一步包括覆盖所述盖的顶表面上的开口的罩，所述罩包括使热空气经由所述至少一个排气口排出所述空腔的装置和防止雨水进入所述至少一个排气口的装置。

21.根据权利要求10所述的系统，其中，所述盖的顶表面在远离所述顶表面上的开口的方向上倾斜。

22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述内壳和外壳是厚度在1/2英寸至3英寸之间的金属壳。

23.根据权利要求22所述的系统，进一步包括金属底板，所述内壳和外壳定位在所述金属底板顶部，所述外壳的底部边缘一体地连接到所述金属底板从而在所述外壳的底部边缘和所述金属底板之间形成密封连接。

24.根据权利要求22所述的系统，进一步包括位于所述内壳和外壳之间的一个或多个隔离件。

25.一种贮存高放废物的方法，包括：

(a)提供一种贮存容器，所述贮存容器包括：内壳，其形成具有顶部和底部的空腔；外壳，其环绕所述内壳从而在所述内壳和所述外壳之间形成空间；以及所述内壳上的至少一个开口，其位于所述空腔的底部或所述空腔的底部附近，所述至少一个开口形成从所述空间到所述空腔的通道；

(b)将容置有高放废物的多用途废料罐通过所述顶部降低到所述空腔内；

(c)提供具有至少一个进气口和至少一个排气口的盖；

(d)将所述盖定位在所述内壳和所述外壳顶部，从而使所述至少一个进气口形成从外界大气到所述空间的通道，并使所述至少一个排气口形成从所述空腔到外界大气的通道，所述盖包围所述空腔的顶部；以及

(e)冷空气经由所述至少一个排气口和所述空间进入所述空腔，所述冷空气通过所述高放废物的多用途废料罐排放的热量在所述空腔中变暖，所述暖空气在所述空腔内上升并经由所述盖上的至少一个排气口排出所述空腔。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，步骤(a)进一步包括：提供所述贮存容器从而使至少所述内壳和所述外壳的大部分低于地平线，所述贮存容器为大体上竖直的取向并且是密封的以至于地下流体无法流入；并且所述盖定位在地平线以上。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，步骤(b)包括：将所述多用途废料罐降低到所述空腔内，使得整个多用途废料罐低于地平线。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述盖包括多个进气口，每个进气口从所述盖的侧壁上的开口延伸到所述空间，所述进气口的开口以轴对称方式绕所述盖的侧壁定位；并且所述内壳包括位于所述空腔的底部或所述空腔的底部附近的多个开口，所述开口以轴对称方式环绕所述内壳定位。

29.根据权利要求25所述的方法，其中，步骤(e)是纯粹的被动冷却步骤，所述贮存容器没有设置任何强迫流体流动的设备。

30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述内壳和所述外壳是圆筒形的并由金属制成，所述空间是环状空间；所述空腔具有容纳不超过一个所述多用途废料罐的水平截面；并且所述贮存容器进一步包括绝热材料层，所述绝热材料层环绕所述空腔并从所述空腔的顶部或所述空腔的顶部附近延伸到所述空腔的底部或所述空腔的底部附近。

Images