CN101689407B - 超安全并且可简易拆除的核电厂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低廉的/易于拆除的核电厂，在该核电厂中一个或多个核电站的核岛被安装在洞穴中，并且还与所述放射性岛并列地，将用于表征、处置和调节放射性废物的中心及两个储存库安装在合适的洞穴中，其中最终储存库用于存储低-中级核废物并且临时储存库用于存储耗尽的燃料、高级长寿命放射性材料及在万一的情况下用于反应堆换料的备用核棒。

Description

超安全并且可简易拆除的核电厂

技术领域

本发明涉及具有最高等级的安全特征的核电厂，在其服务寿命结束时可以确定地、容易地并且非常廉价地拆除该核电厂，该核电厂包括用于将放射性废物进行非常安全的处置的系统。

更具体地，本发明涉及核电厂的规划，使得其放射性的组件和用于表征、处置和放射性废物处理(对低-中级放射性废物进行最终地处理，并对高级长寿命放射性废物进行临时地处理)的有关设施一起非常安全地位于地下被厚度足够的岩石覆盖。该规划允许一个绝对的环境和人口保护，既能够抵抗电厂的内部故障又能抵抗外部的恐怖主义袭击或极端自然事件，并且具有安全和容易的拆除。

背景技术

如今以这样一种方式来设计并构造用于从受控的核裂变反应来产生电能的常规电厂，在该方式中，组成该电厂的主要机件，尤其是核岛、蒸汽发电机、涡轮/发电机岛以及安全防护厂房位于土层表面之上。

尤其是在切尔诺贝利灾难和2001年9月11日纽约的双子塔遭受恐怖分子袭击之后，这些被公众认为是非常危险的电厂的安全和防护基于多种系统。具体地，通过使用冗余结构解决方案(针对设施工程和厂房机件)、对用于热交换和冷却的回路进行分离、用预装配管道来构造、采用高构造标准、保护并增加安全防护厂房并且应用极其严格的步骤来管理电厂和人员，获得它们的安全。

但是显然该解决方案绝对不足以防止核电厂遭受最有可能的袭击，即，发射装满燃料或爆炸物的大型飞行器或者甚至火箭对核岛或包含废核燃料的燃料池发起的进攻。这些情况在最近几年变得如此地非常现实，以至于美国核管制委员会(NRC)于2010年2月17日以4比0的投票通过而发布了新的规定，要求对新的反应堆的设计要达到：在飞机碰撞之后，其防泄漏系统要保持完好，冷却系统要保持工作且废燃料池要受到保护。

上述类型的事件将产生军事专家所谓的“脏蛋”，其影响即使不如核弹的破坏力强，无论如何会非常危险，以至于污染多达数千平方公里的大面积区域，结果使得这些区域数百年不适于居住。

从60年代以来，本领域的技术人员已提出若干解决方案。即使这些技术方案未具体设计为抵御过去不可预知的极端恐怖分子袭击，但是它们通过将核反应堆置于挖掘的地下洞穴中，旨在对放射材料的意外泄露达到高的安全等级。

但是，所提出的解决方案无法达到足够有利的效果，因此一方面为了安全另一方面为了总经济成本可以提议采用它们。例如在俄罗斯专利号2.283.901中公开了用于地下核电厂的解决方案。

本发明所提出的解决方案适用于这种背景，其提供的核电厂的实施例能够确保：

-通过应用创新过程来极大降低拆除该核电厂所需要的成本，在核电厂服务寿命结束时拆除是必然的；

-绝对防止核电厂之外的人口和环境由于意外的-内部的原因或者任何恐怖分子袭击或者灾难性的自然事件而遭受放射性泄露的影响；

-通过避免在地表面上对这种放射性废物向主处置/调节/处理中心的运输，最终超安全地存储核电厂的操作期间产生的低-中级核反应废物；

-废燃料、高级长寿命放射性材料、以及有必要时用于反应堆换料的备用杆的临时、绝顶安全的存储；

-作为结果的与人口更好的关系，以及初始投资更高的确定性；

-对旧的核电厂厂址的再次使用的可能性，否则，由于其不再符合当前的指导方针或者由于公众的抵制，这些旧核电厂厂址不再适用。

发明内容

根据本发明，通过以下步骤获得这些以及其它结果：

a)应用采矿业中已知的技术，通过利用这些技术的防止由工厂故障或恐怖分子袭击或极端自然事件而导致的破坏两者所引起的对外部环境的任何类型辐射和放射性泄露的绝对能力，借助具有合适的厚度(数百米)的地下岩石，这些技术允许可挖掘具有相当大规模的地下洞穴并且确保核电厂的核岛和安全防护厂房及控制厂房安置在所述洞穴中；

b)构造特定设施以在地表以下表征、处置并且处理(dispose)放射性废物；

c)在核电厂的服务寿命结束时，采用合适的过程来便利地拆除核岛。

因此，本发明的具体目的是核电厂，在该系统中一个或多个核电厂的核岛被安装在洞穴中，并且与这些核岛并列地，还在合适的洞穴中安装用于表征、处置和调节放射性废物的中心和两个储存库，其中，最终储存库用于存储低-中级核废物且临时储存库用于存储废燃料、高级长寿命放射性材料以及在万一的情况下用于反应堆换料的备用核棒。

优选地，根据本发明，在所述核电厂的服务寿命结束时(在最终地关闭升降机通道、断开命令/控制系统之后以及在移除核燃料和主回路的液体及-必要时-高活性放射性核所污染的工厂部件之后)，通过使用轻型混凝土来密封所述核岛的放射性组件、通过将容纳所述反应堆和蒸汽发电机的所述洞穴的空隙、以及通过使用具有足够厚度的金属门以及将由注入混凝土而构成的墙任意插入在所述门之间来封闭所述洞穴的入口，来进行便利地拆除。

此外，根据本发明，使得通往地下设施机件的入口对于陆地恐怖分子袭击和由火箭、飞行器和类似武器进行的其它袭击两者而言都绝对安全。

此外，根据本发明，构造该入口，使得地下设施机件不会被极端自然事件淹没。

此外，根据本发明，通过在挖掘期间适当地进行模塑以便容纳放射物封锁系统(containment system)和安全防护厂房这些组件的洞穴的岩石来实现放射物封锁系统和安全防护厂房的保护。

此外，根据本发明，在核电厂服务寿命期间所产生的任意类型的低-中级放射性废物最终在安全的条件下存储在地下工厂之中，降低/避免对这种废物前往其它远方的存储库的运输。

此外，全部高级或长寿命的放射性废物被临时存储在同一厂址，并且如果后续地证明该厂址是合适的，则其会成为同样用于高级放射性废物的最终储存库。

此外，根据本发明，可以设立核燃料储备(supply)，从而降低用于核电反应堆换料的运输的总数。

此外，根据本发明，外部区域的占地极其有限。

此外，根据本发明，核电厂的通道(access)优选地是低于水平的类型。

此外，根据本发明，提供了用于表征、调节和处理放射性废物的系统。

根据本发明，能够在所述核电厂中容纳商用的高能PWR反应堆。

此外，根据本发明，用于容纳核岛的地下洞穴和用于存储放射性废物及材料的地下洞穴具有防渗透的顶部、倒拱和边墙，并且具备用于收集自然和意外地释放的流体的系统。

最后，根据本发明，如果地下核电厂实现在待拆除的以前存在的(地上型的(superficial))常规核电站之下，那么可以通过将产生的放射性废物转移到新的地下电厂的地下储存库中，将以前存在的常规核电站拆除，从而避免对周围环境产生任何核污染的危险。

附图说明

现在将具体参考附图中的图所描述的优选实施例，以说明性而非限制性的方式来描述本发明，其中：

图1示出了常规的现代EPR核电厂的图；以及

图2示意性地示出了根据本发明的核电厂的实施例。

具体实施方式

在附图的图1中，示出了根据已知技术的现代EPR核电厂的布局，其包括：反应堆厂房1、燃料厂房2、安全防护厂房3、柴油应急发电机厂房4、辅助核厂房5、核废物厂房6和涡轮厂房7。

转到图2，在根据本发明的工厂中，全部放射性组件，相关的安全防护厂房和应急发电机被提供在为此目的而挖掘的地下洞穴中，该洞穴具有足够的尺寸和深度并且通过配备的通道斜坡和/或立轴连接到地面。因此，全部核组件可以与外部世界隔绝。

这样，PWR核电厂的以下组件位于地下洞穴中：

-反应堆/蒸汽发电机/加压单元；

-安全防护厂房；

-控制室；

-应急发电机。

实质上，大大减少了仍在外部的厂房的数量。

此外，使用相同的原则，取决于国家的需要和情况能够以很少的成本的形式来构造洞穴，用作：

-低-中级放射性废物的最终储存库，

-废燃料/高级或长寿命放射性废物的和用于存储任意备用核燃料的临时储存库

-若被后续地证明合适的话，高级(和/或长寿命)放射性废物的最终储存库。

将每个地下洞穴隔离并且装配合适的控制系统来维持将要在其中执行的活动所需要的压力差。将通过合适的过滤系统来处理用于维持所述压力差而提取的空气。

一最佳示意设计是图2的左部所示的图示，其中将入口构造在山坡上，使得蒸汽发电机和涡轮可以位于同一水平。

在任意情况下，可以获得类似的结果(见图2右部)，其中将反应堆放置在比入口更低的水平位置；在该情况下，应该对辅回路做出大调整，尤其是涡轮位于比蒸汽发电机更高的水平位置的情况。

对容纳有待拆除的旧核电厂并要重新用于新核电厂的厂址的所有此类情况，可以采用该解决方案。在该情况下，上述技术方案将允许通过将拆除旧的外部核电厂所产生的放射性废物简单地移到地表之下、到储存库洞穴中而对外部区域“清扫”放射性材料。

根据新的法国-德国核电厂(1600MWe EPR)的比较分析显示：根据本发明所提出的解决方案将常规核电厂的核岛移到地表之下与完全构造在地表的常规核电厂相比不会带来附加成本。事实上，挖掘成本(洞穴和进入隧道)，包括材料和人员处理系统大约是1亿5千万欧元。该成本大大地低于在新EPR情况下用于下述的所要求的总量：

-用于容纳反应堆核的假想的聚变(fusion)所熔化的材料所必要的反应堆地下室；

-用于容纳放射物的两个(内部和外部)遮蔽部(shelter)，每个遮蔽部1.3米厚；

-部分的外部安全防护厂房，并且尤其是必要的民防机件，在EPR配置中四个安全防护厂房以星形配置的方式位于反应堆周围，从而降低它们一起全部遭单向空袭而破坏的风险。

通过覆盖在地下洞穴之上的岩石可以超安全地良好地实现当前分配给经典EPR的这些组件的任务，在该洞穴中可以进行用于容纳根据本发明的核电厂的放射性部件和安全防护厂房的挖掘。

将通过以下步骤来进行对核岛的便利拆除：

i.1)将用于反应堆和蒸汽发电机的洞穴的顶部、倒拱底部和边墙构造得能够防渗透，并且安装用于收集(自然的或来自可能的意外泄露的)流体的合适的系统；

i.2)通过(在核电厂的服务寿命结束时移除废燃料、主回路的循环液体以及-必要时-被高活性长寿命放射性核素污染的部件之后，以及在密封升降机通道、断开命令和操作控制系统之后)在将要密封的组件上应用喷洒混凝土层(spritz beton lining)(或者用于水泥的熔液/灰浆的通用涂底料)

i.3)在洞穴的有关地点以及反应堆和蒸汽发电机的组件中安装用于监测温度、湿度和放射性的传感器；

i.4)用混凝土贯入物(有可能是膨胀型/轻型的)来填满用于反应堆和蒸汽发电机的洞穴的空隙；

i.5)密闭地关闭到用于反应堆和蒸汽发电机的洞穴的入口；

i.6)通过1.4)中的传感器连续地监测该系统。

如已经描述的那样，通过以下步骤将核岛、安全系统和应急发电机等等转移到地表之下的位置，将获得应对外部袭击和自然灾难事件的安全性：

ii.1)位于地下核电厂的入口处的反侵袭设备；

ii.2)反淹没设备；

ii.3)移到地表之下的位置，在该位置厂房有可能部分地容纳涡轮/发电机；

ii.4)只要有可能就使用天然水(海水、河水等)代替空气塔来进行冷却；

ii.5)用于维持减压的室和洞穴并且用于处理/过滤因而抽取的空气的设备。

将用以下改进来开展表征-定位-许可研究；

iii.1)根据现有规则，初始定位用于坐落核电厂、最终低-中级放射性废物储存库(持续300年)和用于废燃料、高级废物和用于反应堆换料的任何备用杆的临时储存库(持续50年)的厂址；

iii.2)在核电厂服务寿命的50-60年的一部分期间要进行研究和测试，以便证实最终要容纳高级和/或长寿命核污染(50000年)的临时性地下洞穴的适合性。

如此设计的核电厂可以使用已许可且市场中现有的小功率和高功率的反应堆，在短期内进行相对简单的修改。

与其它类似提案不同，该洞穴将尽可能具有水平线以下的通道(在山坡上)，以避免回路中的负荷的任何损失，并且如果实现在平原区域的地表之下则将具有用于将地下设施通过斜道和/或服务机井连接到地表的系统。

至于用于构造本文提出的此类工厂所必要的投资的经济金融模型，根据本发明的解决方案提供了从一开始就考虑拆除的时间和成本的机会。并且，可以假设这些成本基本上是可忽略的(少于常规拆除的成本的90-95％)，并且必然要执行拆除。

对于常规的地面核电厂，其拆除极大地取决于放射性废物储存库的可用性，取决于完全拆除核电厂以及将所坐落的区域恢复成所谓的“绿地状态”的必要性，取决于核电厂和放射性废物储存库之间的距离，并且最重要地取决于获得有关构造授权所需要的时间的不确定性。所有这些因素使得对成本正确的先验(a priori)估计的极不可能进行。

通过在核电厂的构造和核废物和/或放射性材料储存库的管理期间使用微小成本的可能性、使用已为核岛配置的搬运系统来将洞穴与外部连接的相同的搬运系统来获得其它有关节省。

因此，根据本发明提出的解决方案允许实现超安全并且简易地/确定性地可拆除的核电厂，从而如在60-70年代内所提出的、根据将核反应堆安装在地表以下的提案，人们能够再次接受核能量的资源。

根据本发明的工厂提供了在洞穴中对一个或多个核电厂的核岛的安装，以及在合适的洞穴中，与这些核岛并列地，对用于表征、处置和调节放射性废物的中心和两个储存库的安装(其中最终储存库用于存储低-中级核废物并且临时储存库用于存储废燃料和高级长寿命放射性材料)。

具体地，这允许在核电厂的服务寿命结束时极其简化的立即拆除以及实现对地下设施的不受侵犯的通道。

这样：

(i)大大地降低了拆除核电厂的成本(通常是构造成本的30％-60％之间)；

(ii)核电厂在服务寿命结束时的拆除和低-中级废物的最终处理两者都变得可靠；

(iii)降低了用于反应堆换料的燃料传输的数量；

(iv)避免了从土壤表面到表征-处置-调节-处理中心的放射性废物的搬运，并且最重要的是，使用岩石所提供的无可比拟的自然保护能力以及构造到地下机件不受侵犯的通道的可能性；

(v)完全避免了由于工厂的故障或者由(空中或陆地)恐怖分子袭击或灾难性自然事件所引起的泄漏所导致的对外部环境的核泄露；

(vi)避免了附加成本，通过由于不必构造外部保护机件(遮蔽部、牺牲地下室、用于物理保护和用于多个安全防护厂房所必需的冗余、较小的土地占用等等)所得到的节省，补偿了用于挖掘和向地下转移核岛的工作的成本；

(vii)由于可以用微小的成本来构造表征-处置-调节中心和两个放射性材料储存库，所以还有其它节省，这是因为它们可以使用与外部之间的搬运系统和已为洞穴中的核电厂实现的用于物理保护的系统；

(viii)可以将该核电厂构造得极其简单，这是因为能够利用矿业中已达到的高级技术，从而可以在尺寸足够大的洞穴中(以微小的修改)容易地配置主要的可允许的核电厂的组件(从法国-德国EPR到威斯丁豪斯(Westinghouse)和俄罗斯VVER电厂或任何其它电厂)；因而，可以在非常短的时间内使得修改生效，尤其是与目前开发的新一代核反应堆的其它工厂所需的修改时间相比；

(ix)在根据本专利申请(为了得到许可，其将需要与最终低-中级放射性废物储存库的定位所必需的选址类似的选址)的核电厂的服务寿命期间，随时可能有时间执行能够以确定性的方式来验证厂址还用于容纳高级长寿命放射性废物的过程。但是，放射性废物应该以最好的方式并且在安全的条件下存放50-60年，这显然大大地高于构造在地表的常规核电厂所提供的年限。

已经根据本发明的优选实施例以说明性而非限制性的方式描述了本发明。应该理解，本领域的技术人员可以进行变形和/或修改，而不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种地下核电厂，其特征在于：

将一个或多个核电站的核岛安装在洞穴中，并且还与所述核岛并列地，将用于表征、处置和调节放射性废物的中心及两个储存库安装在合适的洞穴中，其中，最终储存库用于存储低-中级核废物，临时储存库用于存储废燃料、高级长寿命放射性材料及在万一的情况下用于反应堆换料的备用核棒，

在所述核电厂的服务寿命结束时，在关闭升降机通道、断开命令/控制系统之后以及在移除核燃料和主回路的液体及高活性放射性核所污染的工厂部件之后，通过密封所述核岛的放射性组件、通过将容纳所述反应堆和蒸汽发电机的洞穴的空隙最终地填满轻型混凝土、以及通过使用具有足够厚度的金属门以及将由注入混凝土而构成的墙任意插入在所述门之间来封闭用于所述反应堆和所述蒸汽发电机的洞穴的入口，来进行便利地拆除。

2.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

位于所述地下核电厂的所述入口处的反侵袭设备。

3.如以上任意一个权利要求所述的地下核电厂，其特征在于：

构造通往地下设施机件的所述入口，使得所述地下设施机件不会被极端自然事件淹没。

4.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

通过在挖掘期间适当地进行模塑以便容纳放射物封锁系统和安全防护厂房这些组件的、具有防渗透的顶部、倒拱和边墙的洞穴的岩石来实现对所述放射物封锁系统和所述安全防护厂房的保护。

5.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

在所述核电厂的所述服务寿命期间所产生的任意类型的低-中级放射性废物最终在安全的条件下存储在所述地下工厂之中，降低/避免将这种废物运输到外部。

6.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

将全部高级核材料临时存储在同一位置，并且如果后续地证明所述位置是合适的，则它会成为用于所述高级核材料的最终储存库。

7.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

设立核燃料储备，从而降低用于所述核电反应堆换料的运输的总数。

8.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

外部区域的占地极其有限。

9.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

通往所述核电厂的入口优选地是水平类型的，并由低倾斜的隧道构成。

10.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

提供了用于表征、调节和处理放射性废物的系统。

11.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

在所述核电厂中使用商用的高能PWR反应堆。

12.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

用于容纳所述核岛的地下洞穴和用于存储所述放射性废物及材料的地下洞穴具有防渗透的顶部、倒拱和边墙，并且具有用于监测温度、湿度和放射性的传感器和用于收集自然或意外地释放的流体的系统。

13.如权利要求1所述的地下核电厂，其特征在于：

如果所述地下核电厂实现在待拆除的以前存在的旧的常规核电站之下，那么可以通过将产生的所述放射性废物转移到新的地下电厂的地下储存库中，来将以前存在的常规核电站拆除，从而避免对周围环境产生任何核污染的危险。

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