CN101960534B - 用于支持放射性燃料组件的设备 - Google Patents

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Abstract

用于支持放射性燃料组件如废核燃料的设备。在一个方面，本发明是燃料篮、燃料元件架等等形式的设备，其中使用了六角形贮存管，不仅是利用其内部巢室，而且通过策略性地布置借助其外表面形成了组合巢室。在另一方面，本发明是具有环绕每一巢室的通量阱的设备，其中所述通量阱的尺寸随着与贮存格栅中心的距离增大而减小。

Description

用于支持放射性燃料组件的设备
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2007年10月29日提交的序列号为No.60/983,566的美国临时专利申请，和2008年3月21日提交的序列号为No.61/038,525的美国临时专利申请的权益，本文将它们全文引入作为参考。
技术领域
广而言之，本发明涉及用于支持高放射强度废物的设备和方法，更具体地涉及用于支持放射性燃料组件的设备和方法。本发明可实施为各种用于转移、支持和/或贮存废核燃料组件的结构，包括但不限于水下燃料元件架(fuel rack)和装入罐(canister)或桶(cask)中的燃料篮(fuel basket)。
背景技术
在核能工业中，核能源是填充有浓缩铀的中空锆合金管的形式，也称为燃料组件。在消耗到一定程度后，废燃料组件被从反应器中取出。此时，所述燃料组件不仅放射出极度危险的水平的中子和伽马量子(即中子和伽马辐射)，而且产生相当大量的热，这些热必须被耗散掉。
从反应器中取出后，所述废燃料组件放射出的中子和伽马辐射必须始终被充分克制(contained)。同时，所述废燃料组件也必须被冷却。由于水是一种优良的辐射吸收剂，因此从反应器中取出后，废燃料组件通常被迅速浸没在水池的水下。所述池水还通过从所述燃料组件上汲取热载荷，起到了冷却所述废燃料组件的作用。所述水还可含有溶解的中子屏蔽物质。
所述浸没的燃料组件通常在所述燃料池中以大致竖直的取向支撑在通常称为燃料元件架的支架结构中。公知地，当所述燃料组件之间的距离减小时，燃料组件之间的中子相互作用增强。因此，为了避免由所述支架中的相邻燃料元件的相互作用导致的危险程度(或者其威胁)，支撑所述燃料组件的燃料元件架必须间隔开，使得在相邻燃料组件之间存在充足的中子吸收材料。所述中子吸收材料可以是所述池水、包含中子吸收材料的结构，或者它们的组合。
用于燃料组件的高密度贮存的燃料元件架通常是蜂巢状构造，在巢室(cell)之间放置有实心板形式的中子吸收板结构(即屏障)。所述巢室通常是顶部开口的细长、竖直的方形管，燃料元件通过所述开口插入。有时，所述巢室具有双层壁，它们封装了中子屏蔽板，以保护所述中子屏障不受由于与水接触导致的腐蚀或者其它劣化作用。
每一燃料组件被置于分隔的巢室中，从而所述燃料组件相互之间被屏蔽开。Maurice Holtz等于1983年5月3日授权的美国专利4,382,060中记载了典型的现有燃料元件架的例子，本文将其全文引入作为参考。所述Holtz支架由包括中空且截面呈十字形(cruciform in section)的元件的构造单元构成。所述十字形构造单元的每个支脚在内部包含中子屏障。所述十字形构造单元的支脚的自由端会聚于一点(converge)，从而具有约90度的夹角。所述支架由这类十字形元件，以及截面为大致T和L型的配合元件构成。
在世界上的某些地区，核反应器中所用的燃料组件并不具备矩形的水平截面。作为替代，所述燃料组件具有大致六角形的水平截面。在这种情况下，现有的包括具有矩形水平截面的巢室的支架不够理想。
甚至从所述池中取出后，所述燃料组件仍然放射出极度危险的中子(即中子辐射)和伽马量子(即伽马辐射)，因此在转移和贮存期间，这些中子和伽马量子仍然必须始终被克制。所述燃料组件散发出的残余热量也必须被转移并逸出所述燃料组件。因此，用于转移和/或贮存燃料组件的容器不仅必须安全地隔绝并吸收所述燃料组件的放射能，而且还必须允许充分的冷却。在本领域中，有两类用于运输和/或贮存燃料组件的容器系统，基于罐(canister-based)的系统和基于桶(cask-based)的系统。
一般而言，有两类用于运输和/或贮存SNF的桶，通风的竖直外包装(overpack)(“VVOs”)和热传导性的桶。VVOs通常与可密封的罐一起使用，所述罐装载了所述燃料组件并置于所述VVO的空腔内。这类罐通常为多功能罐，并且通常包含用于接收所述燃料组件的燃料篮。在1999年4月27日授权的美国专利5,898,747(Singh)中公开了设计用来与VVO一同使用的罐和篮组件，本文将其全文引入作为参考。另一类型的桶是热传导性的桶。在常规的热传导性桶中，所述燃料组件直接装载到由所述桶体形成的空腔内。通常在所述空腔本身内部设置有篮组件，用以给所述燃料组件提供支持。
所述燃料篮通常与所述桶一同起作用，从而以特定模式支持所述燃料、使传递到所述燃料的负荷最小、将热传递至所述桶并控制危险程度。
发明内容
本发明的目的是提供能安全地容纳燃料组件的燃料元件架。
本发明的另一目的是提供具有诸如六角形的非矩形形状的水平截面的燃料元件架。
本发明的另一目的是提供能够成本高效地制造的燃料元件架。
本发明的又一目的是提供能够承受与来自流水的水力负荷一致作用的高惯性负荷的燃料元件架。
本发明的又一目的是提供能够容许所述池水通过所述巢室的自然热虹吸(thermosiphon)流动的燃料元件架。
本发明的又一目的是提供无需中子吸收剂板的燃料元件架。
本发明的又一目的是提供由带槽板(slotted plate)构建的燃料元件架。
本发明的另一目的是提供紧凑的、并且能使燃料池的贮存空间最大化的燃料元件架。
本发明的又一目的是提供抗水腐蚀的燃料元件架。
本发明的又一目的是提供能够在辐射照射下保持结构稳定性的燃料元件架。
本发明的另一目的是提供具有通量阱(flux trap)的燃料元件架。
本发明的目的是提供具有更高的结构整体性的燃料篮。
本发明的另一目的是具有燃料巢室的燃料篮，所述燃料巢室与待贮存在其中的燃料组件的形状相对应。
本发明的另一目的是提供能使废核燃料的堆积密度最大，同时保持.95或者更低的反应性的燃料篮。
本发明的另一目的是提供易于制造且重量轻的燃料篮。
本发明满足了这些和其它目的，在一个方面，本发明为具有用于保持燃料组件的巢室阵列的燃料元件架，包括：具有上表面的底板；多根管，每根管具有形成所述巢室之一的内表面；并且所述管以基本竖直的取向和这样的式样与所述底板的上表面连接，其中所述式样使得所述巢室中的一个或多个由相邻管的外表面形成。
在另一方面，本发明为用于支持燃料组件的燃料元件架，包括多个具有内腔的六角形管；具有上表面的底板；所述六角形管以基本竖直的取向与所述底板的上表面连接，并且彼此间隔开使得在所有相邻的六角形管之间存在通量阱空间；以及多个位于所述通量阱空间内的间隔物(spacer)，其用于保持所述通量阱空间的存在，所述间隔物与所述六角形管相连。
在另一方面，本发明为具有用于保持燃料组件的巢室阵列的燃料元件架，包括多个带槽板，它们彼此滑动互锁以形成所述巢室阵列。
在另一方面，本发明为具有蜂巢状格栅(grid)的燃料篮，所述格栅形成多个基本竖直取向的细长的巢室。最优选地，所述篮组件包括一个或多个通量阱，并且位于空腔内。所述篮组件可由金属基质复合材料构成。在一种实施方式中，所述篮组件可以采用可变的通量阱以使堆积密度最大化。在这种实施方式中，随着不断接近所述篮组件的外围，所述通量阱的宽度可以减小。在另一实施方式中，所述篮组件可采用具有不同高度的管状元件，所述管状元件形成在竖直方向上交错的结构，从而没有两个相邻的巢室具有在竖直方向上平齐的界面。
在另一方面，本发明为用于支持放射性燃料组件的设备，包括用于容纳放射性燃料组件的巢室的格栅，所述格栅由多个六角形管形成，所述六角形管具有形成所述巢室之一的外表面和内表面，所述多个六角形管以相邻的方式和这样的式样布置，所述式样使得所述巢室中的一个或多个是由周边的六角形管的外表面所形成的巢室。
在另一方面，本发明为用于支持放射性燃料组件的设备，包括用于容纳放射性燃料组件的巢室的格栅，所述格栅由多个具有形成所述巢室的内表面的管形成，所述管以轴对齐(axially aligned)并且相邻的方式布置；每一所述管均由多个轴向对正叠置的管状段形成，在每根管的相邻管状段之间形成界面；并且其中所述管状段的长度以及所述管布置形成所述格栅的式样使得没有相邻管的界面是彼此平齐的。
在另一方面，本发明为用于支持放射性燃料组件的设备，包括：包含多个具有不同长度的底部管状段的底部区段，所述底部管状段以轴相邻的方式和特定模式布置，从而没有两个相邻的底部管状段具有相同的长度，所述底部管状段的底部边缘对齐；至少一个包含多个等长的中间管状段的中间区段，所述中间区段叠置在所述底部区段顶上，从而所述中间管状段与所述底部管状段轴向对正，并且所述中间管状段的底部边缘与所述底部管状段的顶部边缘毗连；以及，包含多个具有不同长度的顶部管状段的顶部区段，所述顶部区段叠置在所述中间区段的顶上，从而所述顶部管状段与所述中间管状段轴向对正，所述顶部管状段的底部边缘与所述底部管状段的顶部边缘毗连，并且所述顶部管状段的顶部边缘对齐。
在另一方面，本发明为一种燃料元件架，其具有用于保持燃料组件的巢室的格栅，所述燃料元件架包括：具有上表面的底板；多根六角形管，每根六角形管具有形成所述巢室之一的内表面；并且所述六角形管以基本竖直的取向和特定模式与所述底板的上表面连接，所述特定模式使得所述巢室中的一个或多个由相邻六角形管的外表面形成。
在另一方面，本发明为一种燃料元件架，其具有用于保持燃料组件的巢室的格栅，所述燃料元件架包括：具有上表面的底板；多根管，每根管具有形成所述巢室之一的内表面；并且所述管以基本竖直的取向和特定模式与所述底板的上表面连接，所述特定模式使得所述巢室中的一个或多个由相邻管的外表面形成。
在另一方面，本发明为用于支持燃料组件的燃料元件架，包括：多个具有内腔的六角形管；具有上表面的底板；所述六角形管以基本竖直的取向与所述底板的上表面连接，并且彼此间隔开，使得在所有相邻的六角形管之间存在通量阱空间；以及，多个置于所述通量阱空间内的间隔物，其用于保持所述通量阱空间的存在，所述间隔物与所述六角形管连接。
在另一方面，本发明为用于支持燃料组件的燃料元件架，包括：多个具有内腔的管；具有上表面的底板；所述管以基本竖直的取向与所述底板的上表面连接，并且彼此间隔开，使得在所有的相邻管之间存在通量阱空间；以及，多个置于所述通量阱空间内的间隔物，其用于保持所述通量阱空间的存在，所述间隔物与所述管连接。
在另一方面，本发明为具有外围巢室和非外围巢室的用于支持燃料组件的燃料元件架，包括：具有上表面的底板；多根六角形管，每根六角形管具有形成一个所述外围巢室或所述非外围巢室的内表面；并且，所述六角形管以基本竖直的取向和特定模式与所述底板的上表面连接，所述特定模式使得每第三个(every third)非外围巢室由六个周边的六角形管的外表面形成。
在另一方面，本发明为用于支持放射性燃料组件的燃料篮，包括多根具有用于接收放射性燃料组件的内腔的管；所述管以基本竖直的取向布置，并且彼此间隔开，使得在所有的相邻管之间存在通量阱空间，所述管形成具有中心轴和外围的贮存格栅；多个置于所述通量阱空间内的间隔物，其用于保持所述通量阱空间的存在；并且其中相邻管之间的通量阱空间的宽度随着与所述贮存格栅的中心轴的距离而减小。
附图说明
图1是本发明一实施方式的燃料元件架的顶部立体图；
图2是图1所示燃料元件架顶部的局部放大图；
图3是图1所示燃料元件架的俯视图；
图4是图1所示燃料元件架的底部立体图；
图5是图1所示燃料元件架的底部拐角的局部放大图；
图6A是从图1所示燃料元件架上取下的可调高支座的顶部立体图；
图6B是图6A所示的可调高支座的底部立体图；
图7是本发明第二实施方式的包括通量阱的燃料元件架的顶部立体图；
图8是图7所示燃料元件架的顶部的局部放大图；
图9是图7所示燃料元件架的俯视图；
图10是本发明一实施方式的由带槽板构建的燃料元件架的顶部立体图；
图11A是用于构建图10所示的燃料元件架的第一带槽板的立体图；
图11B是用于构建图10所示的燃料元件架的第二带槽板的立体图；
图11C是用于构建图10所示的燃料元件架的第三带槽板的立体图；
图12是图10所示的燃料元件架的带槽板的纵断面(vertical section)的立体图；
图13是本发明实施方式的燃料篮的贮存格栅部分的顶部立体图；
图14是图13的II-II区域的俯视图，显示了本发明一实施方式的组合巢室；
图15是图13所示的燃料篮的贮存管的底部竖直段的立体图，它们以所需式样布置，使得相邻贮存管的段间界面不是竖直平齐的；
图16是本发明一实施方式的燃料篮的俯视图，包括图13所示的贮存格栅部分和外围支撑管；
图17是本发明一实施方式的支撑管的立体图；
图18是图16所示燃料篮的立体图；
图19是本发明第二实施方式的燃料篮组件的立体图；
图20是图19所示燃料篮的贮存管的立体图；
图21是图19所示燃料篮的贮存格栅部分的底部竖直段的立体图；
图22是图19所示燃料篮的贮存格栅部分的底部立体图；
图23是图19所示燃料篮的贮存格栅部分的顶部立体图。
具体实施方式
以下将结合示例性的实施方式对本发明进行说明。应当理解，虽然针对某些实施方式具体解释了某些细节和结构设置，但是所述细节和结构设置可适用于任何实施方式。
I.通量阱燃料元件架实施方式
参见图1，公开了本发明一实施方式的燃料元件架100的立体图。燃料元件架100为蜂巢状的、竖直的棱柱状模块。图示的燃料元件架100的实施方式特别设计用来容纳六角形的燃料组件，例如VVER1000燃料组件。对于这种情况，燃料元件架100的每一巢室101的形状也大致为六角形(即具有六角形的水平截面)，从而在几何学上可容纳单个六角形的燃料元件。然而，应当理解，本发明的构思可以改变，以容纳任何形状的燃料组件，包括矩形、八角形、圆形等。
在以下对燃料元件架100及其组成部分的描述中，所用的诸如顶、底、上、下、水平、竖直上部和下部的相对关系术语是相对于图1所示的基本竖直取向的燃料元件架100而言的。此外，基于读者能够识别重复元件这一认识，为了避免附图中的混乱，仅对每种组件中的少部分进行了编号。
燃料元件架100通常包括底板110、多根六角形管120和多根间隔棒130(图2中显示得最清楚)。六角形管120以基本竖直的取向与底板110的上表面111连接。在这种实施方式中，每根六角形管120的轴不仅基本竖直，并且基本垂直于底板110的上表面111。六角形管120与底板110之间的连接通过将六角形管120的底部边缘焊接到底板110的上表面上来实现。当然，经过稍稍改动即可采用其它连接方式，包括诸如螺栓连接、卡箍连接、螺纹连接等的机械连接。
六角形管120的顶端保持开口，从而燃料组件可滑入由六角形管120的内表面形成的内腔101(也称为巢室)中。每根六角形管120可以是延伸出整个所需高度H1的单部件管，或者可以由多根具有部分高度的管构成，这些管加合在一起达到所需的高度H1。优选，所述高度H1足够高，使得所述燃料组件的整个高度均位于六角形管120内。
六角形管120以相邻并且相间隔的式样与矩形底板110连接，以形成巢室101的蜂巢状的格栅。巢室101为用于通过其开口顶端接收放射性燃料组件的基本竖直的细长腔室。虽然，显示了巢室101的大致矩形的栅框(gridwork)，但是燃料元件架120可设计为具有任何所需的形状。以下将对照图2-3，更加具体地描述六角形管120的几何布置。六角形管120优选由金属基质复合材料，更优选为间断(discontinuously)加强的铝/碳化硼金属基质复合材料，最优选为硼浸润铝构成。一种这类适合的材料是以商标MetamicTM销售的材料。六角形管120起到了反应性控制以及结构支持的双重作用。底板110优选由金属构成，该金属与构成六角形管120的材料是冶金学相容的以利于焊接。
现在同时参见图2-3，每根六角形管120布置为与所有相邻的六角形管120均间隔开，从而在每根六角形管120与其紧邻的六角形管120之间存在间隙140。间隙140充当中子通量阱，以降低和/或消除危险程度的威胁。通量阱空间140可设计为任何所需的宽度，并且实际的宽度取决于待贮存的燃料组件的辐射强度，所述管120的构成材料，以及浸没燃料元件架100的池水的性质。在一种实施方式中，通量阱空间140具有介于30到50毫米，更优选介于25-35毫米，最优选约38毫米的宽度。
在通量阱空间140内插入了间隔物，在图示的实施方式中其为间隔棒130的形式，从而保持通量阱空间140以所需的宽度存在，并且提供增强的结构稳定性。虽然，所述间隔物显示为延伸通过六角形管120的整个高度H1的细长棒130，但是所述间隔物并不局限于此，并且可以选取各种形状和尺寸。例如，在某些实施方式中，如果需要所述间隔物可以仅仅是块或者销。
间隔棒130放置在三根相邻六角形管120边缘的汇合处。因而，每根间隔棒130(除了沿着外围的那些间隔棒130之外)与三根六角形管120接触。为了增强整体性且便于构建，间隔棒130沿其长度方向具有三个轴向凹槽，它们充当接收六角形管120边缘的嵌置空间。在图示的实施方式中，间隔棒130具有形状大致为截头三角形的水平横截面，其中在每个被截头的尖端内形成了嵌置凹槽。当然，间隔棒130可以选取具有或不具有凹槽的其它形状。
间隔棒130优选由铝或金属基质材料制成，例如硼浸润的铝。间隔棒130是焊接到六角形管120上的柱销(plug)，其中它们通过位于六角形管120的边缘/拐角处的细长孔121相接触。柱销焊接孔120的形状、位置和数量根据设计考虑而变化，并且不构成对本发明的限制。柱销孔121均匀地分布在六角形管120的每个拐角上，以便于统一制造，但是这并不是必须的。柱销孔121可以通过冲压、切割或者在模制过程中形成。
现在同时参见图3-4，底板110还包括多个穿过底板110从其下表面112延伸到上表面111的流动孔115。类似地，底板110还包括四个用于在燃料池内提升和安装燃料元件架100的长椭圆形孔116(从角落起第二排)。使用具有4根长延伸棒的专用提升梁与长椭圆孔116相作用，来抓住燃料元件架110并将其放入所述池中。
流动孔115(和长椭圆形孔116)形成了从底板100下方进入由六角形管120形成的巢室101内的通道。优选地，对每个巢室101提供单个流动孔115。流动孔115提供为入口，以便当具有热负荷的燃料组件放置在巢室101内时，有利于池水通过巢室101的自然热虹吸流动。更具体地，当热燃料组件被放置在处于浸没环境中的巢室101内时，巢室101内环绕燃料组件的水变热，从而由于浮力增大而上升。当这种热水上升并通过巢室101的开口顶端离开时，冷水通过流动孔115被吸入巢室101的底部。然后，这种沿着燃料组件的热诱导的水流自然地持续。
如图5中最清楚显示地，在六角形管120内位于或接近其底部边缘处，设置有多个辅助切口/孔121。辅助孔121充当额外的用于输入池水的入口开口，以便于冷却过程中的热虹吸流动。此外，如下所述，某些巢室101的流动孔115被附着的可调高支座150所阻塞。从而，形成这些巢室101的六角形管120的辅助孔121是贮存在其内的燃料组件的输入冷水的唯一来源。虽然，在燃料元件架100中的每根和所有六角形管120的每个面上都设置有辅助孔121，但是应当理解这并不是在所有情况下都是必要的。
作为边注，流动孔115(和孔116)起到了以下的附加作用，为用于将六角形管120焊接到底板110的上表面上的“鹅颈焊接机”提供了进入巢室101的通道。
再次参见图3-4，底板110还包括多个与底板110的下表面112连接的可调高支座150。可调高支座150确保了在所述燃料池底与底板110的下表面之间存在间隔，从而产生了用于水流动通过流动孔115的入口增压通道(plenum)。
可调高支座150间隔分布，以为底板110进而为燃料元件110提供均衡地支持。每个支座150可独立地调节，以在不均匀的废燃料池底上平衡并支持所述元件架。支座150螺栓紧固到底板110上。当如，如果需要，支座150可通过其他方式附着到底板110上，包括焊接或螺纹连接。在焊接支座15的情况下，可使用爆炸结合(explosion-bonded)不锈钢-铝板来制造所述过渡件(transition)。对于焊接的支座，可以省略螺栓和螺栓孔。
现在参见图6A-6B，对可调高支座150的构造细节进行描述。每个可调高支座150包括支撑块151和充当支脚的圆柱状垫块152。支撑块152通过螺栓155与底板110连接。
支撑块151包括中心孔153，其具有带螺纹的内表面(不可见)。类似地，垫块151的一部分的外表面也带有相应的螺纹。垫块152插入孔153内，并在其内螺接接合到支撑块151上。
垫块152在其上表面内还包括矩形凹陷154，用于接收用来转动垫块152的工具。当然，所述凹陷可以是有利于与工具的转动接合的任何形状。此外，可使用其它用于接合并转动垫块152的方式，包括小突起(tab)、螺钉头、螺栓头等等。
由于垫块152与支撑块151之间的螺纹连接，通过凹陷154转动垫块152，致使垫块152从支撑块151的下表面伸出的高度增加或者降低。通过插入巢室101内的长柄工具来进行垫块152的调节。可穿过巢室101内的流动孔115(参见图3)接触垫块152的凹陷154。
垫块152的底部具有倒圆的边缘，以防止在地震引起的燃料元件架100的滑动中勾住并撕破所述衬里(liner)。由于泄漏，衬里中的破裂对该位置就意味着问题。如果需要，垫块152的下表面可由低摩擦系数的滑动材料形成或覆盖。
II.包括组合巢室的无通量阱燃料元件架实施方式
现在同时参见图7-10，显示了第二实施方式的燃料元件架200。与上述元件架类似，燃料元件架200为蜂巢状的、竖直的棱柱状模块。所示的燃料元件架200的实施方式特别设计用于容纳六角形燃料组件，例如VVER1000燃料组件。燃料元件架200的每个巢室201的形状也大致为六角形(即具有六角形的水平横截面)，从而在几何学上可容纳单个六角形的燃料元件。然而，应当理解，本发明的构思可以改变，以容纳任何形状的燃料组件，包括矩形、八角形、圆形等。
在以下对燃料元件架200及其组成部分的描述中，所用的诸如顶、底、上、下、水平、竖直上部和下部的相对关系术语是相对于图7所示的基本竖直取向的燃料元件架200而言的。此外，基于读者能够识别重复元件这一认识，为了避免附图中的混乱，仅对每种组件中的少部分进行了编号。
导致燃料元件架100(如上所述)与燃料元件架200之间的结构差异的驱动因素是，燃料元件架200设计为用于不需要在相邻巢室201之间设置中子通量阱的燃料组件。因此，在无此需要的时候，在燃料元件架内设置中子通量阱是不希望的，因为珍贵的池底区域被不必要地浪费了。当然，燃料元件架100和200型可以并排贮存在同一池内。
由于燃料元件架200的许多结构和功能特征与燃料元件架100相同，因此以下仅描述燃料元件架200不同的那些方面，应当理解以上针对燃料元件架100描述的其它构思也适用。
燃料元件架200包括多个六角形管220。六角形管220以基本竖直的取向与底板210的上表面211连接。在这一实施方式中，每根六角形管220的轴不仅基本竖直，而且基本垂直于底板210的上表面211。六角形管220与底板210纸之间的连接通过将六角形管220的底部边缘焊接到底板110的上表面上来实现。当然，通过稍稍改动也可采用其它连接技术，包括诸如螺栓连接、卡箍连接、螺纹连接等的机械连接。
六角形管220的顶端保持开口，从而燃料组件可滑入由每根六角形管220的内表面形成的内腔201A内。六角形管220以特定的几何布置连接到矩形底板110顶上，从而某些非外围巢室210D由周边六角形管220的外表面形成。因此，某些外围巢室201B-C由周边六角形管220的外表面和附加板形成，根据位置不同可以是双面板(panel)板225或单面板板226。
换而言之，巢室201B-201D不是任何管状结构的内腔，而是由(1)周边六角形管220的外表面；或(2)周边六角形管220的外表面和附加板结构225、226形成的。在本文中，所有三种巢室类型201B-201D均称为“组合(resultant)巢室”或“导出(developed)巢室”。
尽管他们的成形方法不同，所有的巢室201A-201D均具有大致六角形的水平横截面。当然，如果需要组合巢室的构思可应用于许多其它几何形状。现在描述六角形管220和附加板结构225-226在底板210顶上的特定几何布置。
如图9中最清楚显示地，六角形管220按排1-11(以圆圈内的数字表示)几何布置在底板210顶上。当然，对于燃料元件架200可以形成任意数量的排或列。针对第1-3排描述了三种不同类型的组合巢室成形的细节，应当理解某些式样不断重复从而构造出整个燃料元件架200。
A.外围组合巢室X的成形
现在描述由六角形管的外表面与双面板板结构组合形成的外围组合巢室(以上称为201C型巢室)的成形。为了便于介绍并避免混乱，所有由六角形管外表面与双面板板结构组合形成的外围组合巢室均用X标记。
在第1排中，六角形管220(1)、220(2)以相邻并毗连的方式布置在底板210顶上位于左上角，从而六角形管220(1)、220(2)相对的外表面形成表面接触。六角形管220(1)、220(2)的内腔充当头两个巢室201A(未标出)。为了减少进一步的混乱，在图9中所有由单个六角形管220的内表面形成的巢室201A均保留为空白。
第二对六角形管220(3)、220(4)布置在底板201顶上位于第1排内，并且与第一对六角形管220(1)、220(2)间隔开。与第一对六角形管220(1)、220(2)类似，第二对六角形管220(3)、220(4)以相邻并毗连的方式布置，从而六角形管220(3)、220(4)相对的外表面形成表面接触。虽然，第二对六角形管220(3)、220(4)与第一对六角形管220(1)、220(2)对齐排列在第1排中，但是它们也间隔开，以为第一外围组合巢室X留下空间。
双面板板结构225(1)连接到六角形管220(3)、220(4)的左侧，以包围所述外围组合巢室X的开放外侧(lateral side)。具体地，通过焊接或其它技术，将双面板板结构225(1)与六角形管220(2)和六角形管220(3)连接。所述外围组合巢室X由位于第2排中的六角形管220(8)、220(9)的外表面补完(complete)。从而，由六角形管220(2)、220(3)、220(8)、220(9)的外表面和板结构225(1)组合形成了完整的六角形组合巢室X。所述组合巢室X具有与燃料元件架200中的所有其它巢室的形状相对应的水平横截面形状。
B.组合外围巢室#的成形
现在描述由六角形管的外表面与单面板板结构组合形成的外围组合巢室(以上称为201B型巢室)的成形。为了便于介绍并避免混乱，所有由六角形管外表面与单面板板结构组合形成的外围组合巢室均用#标记。
现在转到第2排，一对六角形管220(8)、220(9)以彼此之间及与第1排的六角形管220(2)、220(3)之间相邻且毗连的方式布置在底板210顶上。当这样布置时，六角形管220(8)、220(9)相对的外表面彼此形成表面接触。六角形管220(8)、220(2)相对的外表面也彼此形成表面接触。同样，六角形管220(9)、220(3)相对的外表面彼此形成表面接触。
六角形管220(14)、220(15)以彼此相邻且毗连的方式布置在底板210顶上的第3排中，从而六角形管220(15)的外表面与第2排的六角形管220(8)的外表面形成表面接触。单面板板结构226(1)连接到六角形管220(1)、220(14)以包围所述外围组合巢室#的开放外侧。具体地，单面板板结构226(1)通过焊接或者其它技术与六角形管220(1)和六角形管220(14)相连。因而，通过六角形管220(1)、220(2)、220(8)、220(14)、220(15)的外表面和单面板板结构226(1)的组合形成了完整的六角形组合巢室#。所述组合巢室#具有与燃料元件架200中的所有其它巢室的形状相对应的水平横截面形状。
C.组合外围巢室＊的成形
现在描述完全由周边六角形管的外表面形成的非外围组合巢室(以上称为201D型巢室)的成形。为了便于介绍并避免混乱，所有由六角形管外表面组合形成的非外围组合巢室均用＊标记。
为了避免赘述，省略了六角形管在底板顶上的布置和相互作用，应当理解可适用以上的描述。在第2排中，由六角形管220(3)、220(4)、220(9)、220(10)、220(16)、220(17)的外表面组合形成了完整的六角形组合巢室。所述组合巢室＊具有与燃料元件架200中的所有其它巢室的形状相对应的水平横截面形状。
回到燃料元件架200的总体制造和成形，六角形管220与底板210之间的所有连接均按照以上针对燃料元件架100所述的方式来实现。此外，相邻六角形管220之间的连接可以通过上述的柱销孔来实现。并且，为了确保组合巢室201B-D具有适当的尺寸，燃料元件架可通过以下方式形成。
首先，将六角形管220的阵列布置成所需的几何构型，从而所有非外围六角形管220的所有六个外表面与相邻六角形管220的外表面接触。换而言之，在这一阶段，燃料元件架200只包括由六角形管220本身的内腔形成201A型巢室。然而，由于预先计划，已经知道了待形成组合巢室201B-D的那些位点的位置。将六角形管220的阵列放置在底板210顶上，并且进行必要的焊接。然而，任何位于待形成组合巢室的位点处的六角形管220都不焊接到底板210或相邻的六角形管220。随后，将这些六角形管220从所述阵列中滑动取出，从而留下组合巢室201B-D。如果必要，随后连接单面板板226和双面板板225，以包围外围组合巢室220B-C。
此外，如果需要，向所述阵列中加入必要的中子吸收面板。燃料元件架200不含任何通量阱。
III.带槽板燃料元件架实施方式
现在参见图10，显示了由多个以自锁结构布置的带槽板形成的燃料元件架300。燃料元件架300设计为具有通量阱340和矩形巢室301。然而，应当理解，以下描述的带槽板构思可用于形成无通量阱的燃料元件架，并且可用于形成具有任何形状的巢室的燃料元件架，包括但不限以上描述的燃料元件架。
在以下对燃料元件架300及其组成部分的描述中，所用的诸如顶、底、上、下、水平、竖直上部和下部的相对关系术语是相对于图10所示的基本竖直取向的燃料元件架300而言的。此外，基于读者能够识别重复元件这一认识，为了避免附图中的混乱，仅对每种组件中的少部分进行了编号。
由于燃料元件架300的许多结构和功能特征与上述燃料元件架100、200相同，因此以下仅描述燃料元件架300不同的那些方面，应当理解以上针对燃料元件架100、200描述的其它构思和结构也适用。
燃料元件架300通常包括由带槽板370-372的栅格形成的巢室301的阵列，所述带槽板以联锁直线(interlocking rectilinear)结构滑动装配。带槽板370-372的栅格放置在底板310顶上并与其连接。整个燃料元件架体由三种类型的带槽板形成，中间板370、顶板371和底板372。所述底板包括上述辅助孔321，以有利于热虹吸流进入巢室301。
现在参见图11A-11C，单独显示了中间板370、顶板371和底板372之一。如图所示，底板372只是中间板370的上半部分，且在其底部边缘具有辅助孔321切口。类似地，顶板371仅为中间板370的下半部分。下板372和上板371仅用在燃料元件架体的底部和顶部，以覆盖(cap)由中间板370形成的中间体段380(图12)，从而所述燃料元件架体具有平整的(level)顶部和底部边缘。
板370-372中每一个均包括多个策略地(strategically)布置的槽374和末端突起375，以有利于滑动装配，以形成燃料元件架体。在板370-372的上边缘和下边缘中均设置有槽374。在每块板370-372的上边缘上的槽374与同一板370-372的下边缘上的槽374对齐。槽374延伸通过板370-372高度的四分之一。末端突起375从板370-372的侧边缘伸出，优选约为板370-372高度的一半。末端突起372与相邻板370-372侧边缘上的缺口376滑动配合，缺口376由于突起375的存在而自然形成。
板370-372优选由金属基质复合材料，更优选间断加强的铝/碳化硼金属基质复合材料，且最优选硼浸润的铝制成。一种这类适合的材料是以商标MetamicTM销售的材料。
现在参见图12，显示了所述篮的单个中间段380。燃料元件架300的每个中间段380包括以直线构型(rectilinear configuration)布置，从而形成巢室301和通量阱340的竖直部分的中间板370的栅格。在形成中间段380时，第一中间板370竖直布置。随后，第二中间板370布置在其上，并且相对于第一中间板370成大致90度角，从而其相应的槽374对齐。随后，将第二中间板370降低到第一中间板370上，从而使槽374如图所示形成互锁。用所有中间板370重复这一过程，直到形成所需的直线构型，从而形成段380。
在形成燃料元件架体时，段380的槽374和末端突起375与相邻段380互锁在一起，从而阻止段380之间的相对水平移动和转动。段380彼此交叉(intersect)并互锁形成叠层组件，即所述燃料元件架体。燃料元件架300优选包括至少4个段380，更优选至少10个段380。所有段380具有基本相同的高度和构型。
因此，除了顶板371和底板372需通过切割中间板370并增加切口321来形成之外,整个燃料元件架300由具有基本上单一构型即中间板370构型的带槽板370-372形成。
此外，由于带槽板370-372的互锁特性，并不需要间隔物来保持通量阱340。因而，在某些实施方式中，燃料元件架300在通量阱340中并没有间隔物。
IV.无通量阱燃料篮实施方式
参见图13-17，显示了本发明实施方式的燃料篮1000。完整且装配好的燃料篮1000如图15和17所示。虽然，在整个说明书中燃料篮1000(及其组件)都是结合贮存和/或运输具有六角形水平横截面轮廓的废核燃料组件进行描述的，本发明丝毫不应受与其结合使用的高放射强度废物的类型的限制。燃料篮组件1000(及其组件)可用于运输和/或贮存任何形状的燃料组件。
现在参见图13，显示了燃料篮1000的贮存格栅部分1001的立体图。贮存格栅1001是包括多根管10的蜂窝状结构，其中管10形成了用于接收并保持燃料组件的巢室20。管10形成了布置成两极构型(polar configuration)的巢室20的蜂巢状格栅。为了便于表示(以及避免混乱)，在图13中仅有少部分管10和巢室20用数字进行了标示。
管10具有形状为六角形的水平横截面轮廓。然而，本发明并不局限于此，且管10具有与待贮存在空腔20内的燃料组件的形状相应的水平横截面轮廓。例如，在燃料篮1000中可贮存其它多角形形状的SNF组件，在这种情况下管10会具有适当的水平横截面形状。巢室20是基本竖直取向的细长空间/空腔，具有大致六角形的水平横截面轮廓。巢室20的水平横截面轮廓也不局限于六角形，并且可以是包括其它多角形在内的任意形状。每一巢室20设计用来容纳单个燃料组件。贮存格栅1001(进而巢室20)具有等于或稍大于待容纳在所述篮1000内的燃料组件高度的高度。燃料蓝1000优选包括85个巢室20，并且具有大约48001bs的重量。
每根贮存管10包括5块具有内表面12和外表面13的板11。根据所需的水平横截面轮廓，管10可具有更少或更多的板11。管10的内表面12形成巢室20。优选地，管10以轴相邻的布置捆扎在一起，形成巢室20的蜂巢状贮存格栅。管10由叠置的管状段10A-10C形成，从而产生具有等于或大于待贮存在其内的燃料组件的高度的巢室20。在每个形成管10的竖直堆叠中，在管状段10A-10C的接触边缘之间形成了界面/接头21。为了便于表示(以及避免混乱)，在图13中仅少部分的接触界面用数字进行了表示。如以下将更具体描述地，管状段10A-10C具有不同的高度，从而相邻管10/巢室20的界面21不是平齐的。通过确保相邻管10/巢室20的界面21不平齐，增强了燃料篮1000的结构整体性。
优选地，管10(以及管状段10A-10C)通过挤出或形成板坯料，随后在侧边缘将每块板11焊接在一起制得。管10由包含嵌入在微结构中的中子吸收剂同位素的材料制成，所述同位素例如元素硼或碳化硼。Metamic.LLC公司生产的Metamic是可接受的材料的例子，其由具有嵌入的碳化硼的铝合金基质制成。然而，在某些实施方式中，燃料蓝1000及其组件可由诸如钢或硼酸处理的(borated)不锈钢的替代材料构成。
在管10底部的板11上设置了多个切口23。为了便于表示(并且避免混乱)，在图13中仅有少部分切口23用数字进行了标示。切口23形成了穿过板11的通道，从而所有的巢室20在空间上都是连通。从而，位于或接近贮存格栅1001底部的切口23充当了底部增压通道，该底部增压通道在贮存和/或运输过程中帮助燃料篮1000(及巢室20)内的循环流体(空气或水)实现对所贮存燃料组件的对流冷却。通过让一个或多个沿着所述篮100外围的巢室20保持为空，使它们充当下导管(如果增加了所述切口，那么支持管30A、30B也可充当下导管)，可以进一步促进这种空气或水的自然循环。虽然，在所示的实施方式中切口23的形状为矩形，但是它可以选取各种形状。
同时参见图13和15，贮存格栅1001由布置为叠层组件的多个管状段10A-10C的区段150A-D形成。区段150A-D和管状段10A-C彼此连接，形成所述叠层组件即贮存格栅1001。贮存格栅1001的每一区段150A-D是贮存格栅1001的竖直部分，其本身包括布置为两极构型的管状段10A-C的蜂巢状的格栅。管状段10A-C为三种不同的高度，每一不同高度分别由字母A-C表示。图15显示了贮存格栅1001的单独的底部区段150A，底部区段150A具有布置为两极构型的管状段10A-C。管状段10A-C的底部边缘平齐在同一高度。两个中间区段150B-C包括管状部件10C，所有都具有相同的高度。顶部区段150D包括以特定方式布置的管状部件10A-C，该特定方式使得所述管状部件10A-C的上表面平齐在同一高度。
管状段10A具有优选等于一英尺的高度。管状段10B具有优选等于两英尺的高度。管状段10C具有优选等于三英尺的高度。然而，本发明并不局限于此，并且管状段10A-C可以为任意高度，只要所形成巢室至少与所述燃料组件等高。为了确保相邻管10的界面21不平齐，优选底部区段150A中没有相邻的管状部件10A-C具有相同的高度。因而，当组装底部区段150A时，一英尺的管状段10A被交替的管状段10B和10C所环绕。
现在参见图14和16，燃料篮1000还包括多个组合巢室20A，其由六个管状部件10的壁11的外表面13形成。图14显示了单个组合巢室20A。当六个管状部件连接为两极构型时，在其间形成了具有六角形水平横截面轮廓的组合巢室20A。这种布置使得能使用更少的板11(即管10)来形成同样数量的巢室20，从而形成更轻的燃料篮1000。在所示的实施方式中，总共有29个组合巢室20A。然而，本发明并不局限于此，并且组合巢室的数目可以变化。组合巢室20A具有约1/2英寸大的开口，从而可容纳受损的或尺寸异常的燃料组件。此外，组合巢室20A使得燃料篮1000可以用角焊法来制造，因为组合巢室使得更容易达到(access)管10。
如图16最清楚显示地，某些沿燃料篮1000外围分布的组合巢室20A需要使用封闭板15A-B来补完所述巢室。封闭板15A-B是等分六角形(par-hexagonal)板。根据组合巢室20的构型，燃料篮组件1000包括两种类型的封闭板15A-B。部分组合巢室20A仅需要单板来封闭该巢室20A，而其他组合巢室需要两块面板来封闭该组合巢室20A。当需要两块面板时，通过如下方式形成封闭板15A，将板弯成等长的两块面板，并将所得封闭板15A的侧边缘结合到形成可适用的组合巢室20A的管10的侧边缘上。
篮组件1000还包括邻接贮存格栅1001并沿其外围安置的篮支持管30A、B。篮支持管30A、B用于提供与容器/器皿的等角(conformal)接触，其中篮组件1000在所述容器/器皿中使用。篮支持管30A、B包括等分六角形板31A、B，其与弯曲板32A、B的凹侧相连。弯曲板32A、32B为燃料篮1000形成了基本呈圆形的外周缘。由于篮支持管30A、B并不是分布在所述贮存格栅外围的每个位置，因此所述基本圆形的外周缘是沿圆周分段的。
对于仅需要单板来形成六壁巢室(即有一侧开放)的组合巢室20A，支持管30B的等分六角形板31B也可充当封闭板。在没有组合巢室20A的地方，或者在组合巢室20A被封闭板15A所封闭的地方，可以使用篮支持管30A。
现在参见图17，显示了从燃料篮组件1000取下的篮支持管30A、B。提供了篮支持管30A、B，使得所述篮组件在所述容器(其可以是罐或桶)内居于中心，其中所述篮组件在所述容器中使用。
现在参见图18，显示了附有篮支持件30A、B的篮组件100。篮支持件30A、B为燃料篮1000提供了圆形的外周缘。篮支持件30A、B之间的间隙31内不贮存燃料组件，从而它们可以改善贮存在巢室20内的燃料组件的冷却。
V.通量阱燃料篮实施方式
现在参见图19，显示了本发明另一实施方式的燃料篮2000。燃料组件2000的设计方案与上述针对燃料篮1000所述的那些基本类似。为了避免赘述，仅论述燃料篮2000明显区别于燃料篮1000的那些设计方案。
燃料篮2000包括多个通量阱空间50，其控制了中子辐射的产生，并阻止了浸没条件下的反应性。通量阱50是延伸了篮2000的整个高度的小空间。通量阱50形成在彼此靠近并基本平行的两个管状部件210之间。如以下所述，通量阱50设计为各种宽度，以使燃料篮2000中可贮存的燃料组件数量最大，同时保持反应性等于或小于0.95。通量阱50形成在贮存管2210的外表面之间。管2210具有多个间隔物60，其维持了管状部件10之间形成通量阱50的间隔。
现在参见图20，显示了从燃料篮2000中取出的单个贮存管2210，从而可以更清楚地看到它的设计方案。贮存管2210具有六角形的水平横截面轮廓，但是可以是任何构型。优选地，通过带装载和贮存在燃料篮组件2000内的燃料组件的类型来确定所述横截面轮廓。管2210包括多个凹口2215。凹口2215提供了供间隔物2260A-C(如图23所示)附着的空间。优选地，间隔物60最初平头焊接(tack welded)到管2210上，从而可以装配燃料篮2000。在燃料篮2000装配完成后，它位于它的侧面，并且位于底部(靠近放置篮组件2000的地面)上的间隔物2260A-C塞焊(plug welded)到贮存管2210。这使得重力可以帮助所述焊接过程。旋转燃料篮2000，从而另一组间隔物2260A-C现在靠近地面，用以焊接到管2210上。对于所有的间隔物2260A-C和管2210重复所述旋转和焊接过程。
同时参见图21和22，燃料篮2000由布置为叠层组件的多个管状段2210A-C的区段2250A-F形成。区段2250A-F和管状段2210A-C彼此连接，形成所述叠层组件即燃料篮2000。燃料篮2000的每一区段2250A-F包括布置为两极构型的管状段2210A-C的蜂巢状的格栅。篮组件2000的管状部件2210A-C为三种不同的高度，每一高度分别由字母A-C表示。图21显示了所述篮2000的单独的底部区段2250A，底部区段2250A具有布置为两极构型的管状段2210A-C。中间区段2250B-E包括管状段2210C，所有都具有相同的高度。顶部区段2250F包括以特定方式布置的管状段210A，该特定方式使得所述管状段2210A-C的上表面平齐在同一高度。
贮存管2210A具有优选等于一英尺的高度。管状段2210B具有优选等于两英尺的高度。管状段2210C具有优选等于三英尺的高度。然而，本发明并不局限于此，并且管状段2210A-C可以为任意高度，只要所形成巢室至少与所述燃料组件等高。为了确保界面2221不平齐，优选底部区段2250A中没有相邻的管状段2210A-C具有相同的高度。因而，当组装底部区段2250A时，一英尺的管状段2210A被交替的管状段2210B和2210C所环绕。底部区段2250A的管状段2210A-C的底部边缘平齐。
现在参见图23，显示了燃料篮2000的贮存格栅部分的顶部立体图。篮组件2000包括三种类型的在管2210之间形成通量阱50的间隔物2260A-C。第一种类型的间隔物2260A是单边的(unilateral)三角形，其在位于接近篮2000的中心轴处的管2210之间保持了最大的间隙。换而言之，间隔物2260A与最靠近篮2000中心的管2210一起使用，因为在篮2000中心内燃料组件释放的中子不能轻易地逸散到篮2000的外围。因而，为了保持反应性小于.95，需要更大的通量阱50。第二种形状的间隔物2260B用在更接近燃料篮2000外缘的贮存管2210之间。矩形的间隔物2260C用于最接近由篮支持件2230A、B形成的外围的贮存管2210。
本发明的燃料篮1000、2000并不限于与任何具体类型的包围(surrounding)容器一起使用。例如，在一实施方式中，篮组件1000、2000可结合到可气密(hermetically)密封的多用途罐中，用于与VVO型容纳系统联合使用。在这种实施方式中，篮组件1000、2000会提供在由圆筒形金属壳形成的空腔内。该金属壳环绕篮组件1000、2000，并且金属底板可焊接到所述金属壳的底部。金属密封板可安装到由所述金属壳形成的圆筒顶上，从而形成罐。也可使用热传导性的桶来直接容纳燃料篮1000、2000。
虽然，对本发明进行了足够细致的描述和说明使得本领域技术人员可以很容易地制造和使用它，但是在不偏离本发明精髓和范围的前提下，可以显而易见地得出各种替换、更改和改进。

Claims (10)

1.用于支持放射性燃料组件的设备，包括：
用于容纳放射性燃料组件的巢室的格栅，所述格栅由多根管形成，所述管具有形成所述巢室的内表面，且所述管以轴对齐并且相邻的方式布置；
每根所述管由多个轴向对正叠置的管状段形成，在每根管的相邻管状段之间形成了界面；并且
其中所述管状段的长度和所述管布置形成所述格栅的样式使得没有相邻的管的界面是相互平齐的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所有所述管状段选自仅有的三种不同长度之一。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述管是六角形管。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述管由硼浸润的铝材料形成。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所有的所述管具有大致相同的长度。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括所述管是按照使所述巢室中的一个或多个是由周边管的外表面形成的组合巢室的样式布置的。
7.用于支持放射性燃料组件的设备，包括：
底部区段，其包括多个具有不同长度的底部管状段，所述底部管状段以轴相邻的方式且使没有两个相邻的底部管状段具有相同的长度的样式而布置，所述底部管状段的底部边缘平齐；
至少一个中间区段，其包括多个等长的中间管状段，所述中间区段叠置在所述底部区段上方，使得所述中间管状段与所述底部管状段轴向对正，并且所述中间管状段的底部边缘与所述底部管状段的顶部边缘毗连；以及
顶部区段，其包括多个具有不同长度的顶部管状段，所述顶部区段叠置在所述中间区段上方，使得所述顶部管状段与所述中间管状段轴向对正，所述顶部管状段的底部边缘与所述中间管状段的顶部边缘毗连，并且所述顶部管状段的顶部边缘平齐。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所有所述底部和顶部管状段选自仅有的三种不同长度。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述底部、中间和顶部管状段为六角形的。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述底部、中间和顶部管状段由硼浸润的铝材料制成。
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