CN102439667B - 待安装在可变的净空间隙中的辐射屏蔽体及发电设施 - Google Patents

Abstract

一种膨胀间隙辐射屏蔽体，其由柔性的容器形成，该容器容纳辐射屏蔽流体，它位于永久屏蔽物中的可变间隙内。本发明降低了当辐射源位于间隙的相对侧上时该间隙外面的辐射计量率。该装置适应可变的间隙尺寸而没有损失屏蔽能力。

Description

待安装在可变的净空间隙中的辐射屏蔽体及发电设施

相关申请的交叉引用 

本申请要求于2009年5月21日提交的美国临时申请系列No.61/180,211的优先权，该临时申请的名称为“EXPANSION GAP RADIATION SHIELD(膨胀间隙辐射屏蔽体)”。 

技术领域

本发明总体涉及辐射屏蔽体，和更具体是涉及柔性辐射屏蔽体，它能够填充热膨胀间隙中的开口和适应该间隙内随温度可变的净空而没有损失屏蔽完整性。 

背景技术

在典型的核电厂中，大多明显采用压水反应堆的那些核电厂，用来产生热量的反应堆压力容器以及其他的部件，诸如蒸汽发生器、泵、增压器及相关的管道都容纳在安全壳建筑物中。典型地，安全壳建筑物可以由混凝土、不锈钢、两者的结合或其他合适的材料制成。安全壳建筑物限定燃料换装腔并完整地包封整个反应堆和反应堆冷却剂系统，并且确保不会超过放射性材料释放给周围/本地环境的可接受极限，即使在不大可能出现反应堆冷却剂系统的大规模故障中也是如此。与反应堆容器和反应堆冷却剂系统的功能相关的所有操作和过程都是在安全壳建筑物中实施的。 

典型地，燃料换装腔是在安全壳中提供的。燃料换装腔一般是一个分水平的区域，其中较高水平包含反应堆腔和较低水平由燃料转移通道构成。反应堆容器容纳在反应堆腔内，该反应堆腔也是一种增强的混凝土结构。当为换装燃料而填满水时，它在燃料换装腔内反应堆上方形成池。该燃料换装腔被填充到一个限制水面处辐射到可接受水 平的深度，通常高到操作盖板，从该操作盖板进行维护过程。典型地，所述水是经过硼酸处理过的水的形式，它帮助最小化辐射照射水平。水为操作盖板上的人员提供有效和透明的辐射屏蔽体以及提供可靠的介质用于去除来自反应堆容器的衰变热。在换装燃料期间，乏燃料或废弃燃料通过核电厂燃料换装机器从反应堆堆芯被取出，转移到水下并放置在燃料换装转移系统中；并且新燃料或新鲜燃料类似地从安全壳外面的燃料转移建筑物通过燃料转移通道内的燃料转移管被转移，用于装载在反应堆中。在燃料换装操作完成之后，水从燃料换装腔和燃料换装通道被排干并且燃料转移管在安全壳内被密封，然后再起动反应堆。 

在燃料换装和维护操作期间，做出任何的努力来保护人员免受辐射照射。在新一代核电厂的屏蔽体设计工作中，发现了通过传统方法难以屏蔽的部位。这个区域是在反应堆安全壳和混凝土屏蔽体之间围绕转移管的两英寸宽的膨胀间隙，其中该区域从燃料装卸建筑物穿过安全壳延伸。这个间隙根据安全壳外面和里面的温度状况会发生变化，需要能够适应这种可变性的屏蔽体。自从在过去发生过过由于屏蔽物中的这种间隙而使核电厂工人收到过量辐射，这就被认识为是一个重要的问题。 

在辐射屏蔽体中或其间的间隙会导致在间隙外有高度局部化的辐射场，其不能被辐射防护人员稳定地探测到。这个难题由于以下的情况而被加剧，即，正被屏蔽的辐射源不是固定的并且在屏蔽墙后面间歇地被引入。在核电厂中燃料转移管周围的膨胀间隙就是这样的实例。在外面的钢安全壳壳体与放置在燃料转移管周围的混凝土屏蔽体材料之间必须保持合适的空间。典型地为两英寸宽的间隙是需要的，以便适应安全壳容器的热膨胀。同样，对于带有钢衬的混凝土安全壳，通常为两英寸宽的地震间隙被设置在安全壳壁和/或钢衬与转移管屏蔽物之间。当乏燃料组件穿过转移管从安全壳被转移到在燃料装卸建筑物内的乏燃料池时，间隙外面的计量率会导致对人员的潜在致命的辐射计量。在过去发生过工人照射过度的多个实际情况，导致核管制 委员会对执照持有者的指示，需要严格的进出控制和记录(例如，参见核管制委员会办公室的检查和实施公告，No.78-08，“Radiation Levels From Fuel Element Transfer Tubes”，6/12/78)。 

已经考虑过使用铅或钢的不同“遮蔽屏蔽体”类型的屏蔽结构，但是由于其设计和安装的成本和困难已经被拒用。 

因此，期望新的屏蔽装置，它能够有效地保护人员同时适应膨胀间隙的变化。 

此外，期望这种方法，它将经历延长的停机和优选经历核电厂的寿命。 

发明内容

因此，本发明的提供一种膨胀间隙辐射屏蔽体，它是柔性的容器，该容器包含定位于膨胀间隙内的屏蔽流体。该装置降低了当辐射源位于间隙的相对侧上时该间隙外面的辐射计量率，并且适应可变的间隙尺寸而没有损失屏蔽能力。更具体地，本发明的辐射屏蔽体包括：空心柔性的外囊，该外囊具有用于包含衰减发射自燃料组件的中子和γ射线的流体的内部储存器。该空心柔性的外囊至少部分地被容纳在基本刚性的辐射屏蔽材料之间的柔性间隙内，其中，空心柔性的外囊基本上填满间隙中的开口。在空心柔性的外囊中的流体入口，该流体入口连通内部储存器与柔性外囊的外部，用于以所述流体中的至少一些填充所述内部储存器。 

优选地，包括用于控制储存器中流体体积的补偿箱，与空心柔性的外囊中的储存器保持流体连通。理想地，所述补偿箱与流体入口流体连通并且通到大气。优选地，所述补偿箱与储存器气密地密封并且形成针对储存器体积变化的溢流箱。理想地，包括用于指示补偿箱中流体液位的装置，诸如观测计。该装置也可以指示储存器中流体体积水平变化。 

在另一个实施例中，空心柔性的外囊包括多个柔性的外囊，这些外囊互相连接以气密地连通其内部储存器。理想地，所述多个柔性的 外囊装中的至少一些外囊与所述多个柔性的外囊中的其他外囊能够断开连接，而不会破坏它们之间的联接。 

在又一个实施例中，空心柔性的外囊由两层构成，包括一个内层和一个外层，该内层选自具有将在多个停堆(outage)上包含流体的属性的材料，该外层是防刺穿的和耐磨的。优选地，内层由橡胶或经过橡胶处理的材料形成和外层由经过橡胶处理的凯夫拉尔材料形成。 

在又一个实施例中，空心柔性的外囊包括防下陷阻挡件(anti-sag baffle)。理想地，防下陷阻挡件包括相对非柔性的材料，诸如网丝，其支撑外囊的至少四个侧面的形状。 

本发明也设想一种发电设施，具有包封在安全壳内的核岛。该核岛包括：燃料转移管，该燃料转移管延伸穿过核安全壳，用于把核燃料组件和被辐照的其他部件从核安全壳的内部输送到其外部。固体辐射屏蔽体包围燃料转移管的至少一部分，以及，在固体辐射屏蔽体与核安全壳之间存在膨胀间隙，用于适应固体辐射屏蔽体与核安全壳之间的热膨胀差。该发电设施还包括柔性的辐射屏蔽体，该辐射屏蔽体在膨胀间隙之间并且至少部分在膨胀间隙内延伸。在一个优选的实施例中，柔性的辐射屏蔽体包括如上所述的空心外囊和流体入口。 

附图说明

从下面与附图结合阅读对优选实施例的描述能够得到对本发明的进一步理解，其中： 

图1为本发明的膨胀间隙辐射屏蔽体的正视图，该辐射屏蔽体从支撑托架悬挂下来，该支撑托架附接于包围燃料转移管的混凝土屏蔽物上； 

图1A为图1中支撑托架区域的放大剖视图，示出用来把本发明的柔性屏蔽体支撑在支撑托架上的索环； 

图2为图1的侧剖视图； 

图2A为图2局部的放大剖面图，示出本发明的空心柔性外囊状物的双层壁，包括可选的支撑在其中的防下陷阻挡件； 

图3为本发明所采用的支撑托架的一部分的仰视图，示出用来把支撑托架固定于燃料转移管混凝土辐射屏蔽体的屏蔽体支撑螺栓和锚栓之间的关系； 

图4为图3的局部剖面的侧视图； 

图5为本发明的支撑托架的局部剖面的侧视图，示出在它围绕混凝土屏蔽体与安全壳之间的燃料转移管混凝土屏蔽体的角部延伸时的角形支撑托架； 

图6为包围燃料转移管的混凝土屏蔽体和相邻的安全壳壁的局部剖面的侧视图，其中，本发明的柔性辐射屏蔽体设置在它们之间并且通过纳尔逊(nelson)螺柱支撑在锚固于混凝土转移管屏蔽物的角形托架上； 

图7为图1所示的正视图，示出补偿/膨胀箱和现场测量计相对于本发明空心柔性的外囊的布置以及燃料转移管在包围的外混凝土屏蔽体内的布置；和 

图8为图7的侧视图，其进一步示出本发明空心柔性的外囊在转移管混凝土屏蔽体和安全壳壁之间的布置。 

具体实施方式

在给核反应堆换装燃料中，放射性燃料组件必须从反应堆堆芯中被取走并且在乏燃料池中存放延长的时间周期。为了避免由于辐射引起的危险，核反应堆堆芯被充淹没于水中到堆芯顶部上方显著的深度，而从水下取走燃料元件。由于这些燃料元件是高辐射性的并且仍然产生热量(作为衰变热)几个月的周期，它们不能立即从核电厂被取走而是必须被存放，优选在水下，这提供了辐射防护和所需的冷却。 

当这些乏燃料元件充分已衰变时，他们可以被取出和运走以进行再加工，或者存储在核电厂乏燃料池中或干式存储桶中。由于核反应堆在乏燃料被取出时将重返运行，乏燃料池优选位于反应堆安全壳的外面。由于反应堆安全壳设计为承受较高的压力和提供辐射防护体，在该安全壳容器中的大开口是麻烦和昂贵的。因此细长的燃料元件被 纵向穿过反应堆安全壳中的开口到燃料装卸建筑物。 

一种途径是把乏燃料池定位在反应堆下面的标高井处，使得燃料元件可以被向下降低到乏燃料池中。但是这由于池的低标高而需要大量的挖掘，并且增加了所需的淹没水量以便在反应堆腔上方的反应堆换装燃料池与安全壳外面相邻燃料装卸建筑物中的乏燃料池之间实现合适的燃料转移。 

通常使用的另一种途径是，把乏燃料池定位在安全壳外面燃料装卸建筑物中一定标高处，该标高大致等于反应堆换装燃料池。转移管穿过安全壳壁在反应堆换装燃料池与燃料装卸建筑物中的乏燃料池之间延伸。一个转移管将两个池连接起来，并且这个转移管能够通过闸阀被切断，以便当安全壳中的水在准备启动反应堆中被排干时把乏燃料池与安全壳的内部隔离开来。燃料组件在两个池之间的转移需要将燃料组件从反应堆中取出，放置在燃料支架上，转动到水平的位置和移动穿过燃料转移管。在燃料组件转移完成以后，闸阀被关闭，安全壳中的水被排干和燃料转移管在安全壳侧通过可移除的盖板(hatch)被封闭。 

如上所述，在新一代核电厂的屏蔽体设计工作中，发现了通过传统方法难以屏蔽的部位。这个区域是在反应堆安全壳和混凝土屏蔽体之间围绕转移管的两英寸(5.08cm)宽的膨胀间隙，在乏燃料组件穿过转移管进行转移时该转移管要屏蔽发射自乏燃料组件的辐射。这个间隙根据安全壳外面和里面的温度状况会发生变化，需要能够适应这种可变性的屏蔽体。自从在过去发生过由于辐射屏蔽物中的这种间隙而使核电厂工人收到过量辐射，这就被认识为是一个重要的问题。在辐射屏蔽体中或其间的间隙会导致在间隙外有高度局部化的辐射场，其不能被辐射防护人员容易地探测到。这个难题由于以下的情况而被加剧，即，正被屏蔽的辐射源不是固定的并且在屏蔽墙后面间歇地被引入，乏燃料转移就有这种情况。典型地为两英寸(5.08cm)宽的间隙是需要的，以便适应安全壳容器的热膨胀。同样，对于带有钢衬的混凝土安全壳，通常为两英寸(5.08cm)宽的地震间隙被设置在安全 壳壁和/或钢衬与混凝土转移管屏蔽物之间。当乏燃料组件穿过转移管从安全壳被转移到乏燃料池时，间隙外面的计量率会导致对人员的潜在致命的辐射计量。 

本发明解决了屏蔽这种可变间隙的问题，是通过提供一种囊式辐射屏蔽体，并且用合适的流体填充空气间隙，它将提供可接受的辐射屏蔽度。该屏蔽体符合于已有的会变化的间隙宽度，使得屏蔽完整性总是得以保持。本发明的该屏蔽体系统完全是被动的并且本地补偿/膨胀箱上的观测计为人员提供了对屏蔽完整性可能破坏的区域的立即指示。对于用于典型核电厂乏燃料转移管的单件的膨胀间隙辐射屏蔽体，在附图1中示出和在下面描述按照本发明的屏蔽体装置。 

如图1所示，按照本发明的囊式辐射屏蔽体10被制作为适合待屏蔽间隙的几何形状，在这种情况下，是在包围乏燃料转移管的方形混凝土辐射屏蔽体与核安全壳上的乏燃料转移管辐射屏蔽体穿过的开口之间的间隙。作为替代，如图1虚线所示的那样，屏蔽体可以被制作为更简单的几何形状并且被互连。例如，屏蔽体10可以被制作为三个矩形的配置块12、14和16并且以“连梁柱(post and lintel)”的配置形式被定位，其中，通过流体连通端口18和20建立互连。在图1中，为了图示的目的，柱12和14与过梁16之间的接口以及其间的互接18和20通过虚、点线的形式表示。优选地，互连18和20形成气密封，它将包含屏蔽流体32限制于囊部分内同时允许流体在其间连通。屏蔽体10通过合适的支撑框架22在索环24处被支撑，在图1A中更详细地示出该索环(grommet)，这些索环与囊16一起被供应。屏蔽体10采用图2A中所示的两层囊系统制作，该图2A为图2所示的图1的侧视图的一部分的放大图。该两层囊系统包括内囊26以及抗刺穿和耐磨的外囊28，内囊优选由用橡胶处理过的材料26制成以长期容纳屏蔽流体。例如，外囊将利用经过橡胶处理的凯夫拉尔(Kevlar)材料(诸如Aero Tech Laboratories Inc.ATL-797-B)或类似物。如果对于特定的几何形状和环境需要附加的稳定性，可以在制造过程中包含进合适的防下陷阻挡件30，其由较高刚性的材料诸如网丝材料制 成。阻挡件30将由相对非柔性的材料构成，该材料连接于囊的至少四个侧面，或者由织物网构成，该织物网将被附接于屏蔽体10的内囊。 

屏蔽体填充有合适的屏蔽流体32，以提供所期望的辐射衰减。在大多数情况下，流体会是水，或者经过硼酸处理的水，包含适量的乙二醇或其他的合适的防冻添加剂。在图1中所示的用于辐射屏蔽体10的支撑框架在图3、4、5和6中更详细地表示。如图3和6所示，支撑框架22优选包括角钢以形成屏蔽体支撑板36，辐射屏蔽体支撑螺栓34从该角钢延伸。如图3和6中所示，屏蔽体支撑板36利用纳尔逊螺柱40被固定到混凝土转移管屏蔽体38的顶边上。作为替代，支撑板36通过在支撑板36上锚栓孔42的部位处把该板螺栓连接于埋置在混凝土屏蔽体38中的螺栓(未示出)可以被保持就位。在囊屏蔽体支撑螺栓34之间的中心-中心的距离的大小为，使得它们与屏蔽体索环24的中心-中心的间距匹配。在图6中示出标准的垫圈44和螺母46用来把囊屏蔽体10固定在支撑板36上。理想地，重规格橡胶或柔性金属片防尘盖48在囊屏蔽体支撑螺栓34处被附接于支撑板36，以防止碎屑进入屏蔽体的顶部，因此，降低了屏蔽囊10的潜在损坏。图6表示屏蔽囊10通过支撑框架22被支撑在混凝土转移管屏蔽物38与安全壳壁50之间。 

在图7和8中示出膨胀间隙径向屏蔽体10的总体组件。较细的补偿/膨胀箱52通过流体连通接头54连接于膨胀间隙屏蔽体10，以便适应任何温度引起的体积变换和补偿任何的蒸发损耗。如果采用金属箱52，那么设置一个现场测量计56向在该区域内的人员提供补充/膨胀箱52内的水位的立即指示，和因此提供屏蔽体完整性的立即指示。现场测量计56优选通到大气，以避免可能的超压和屏蔽体囊10的破裂。以及，如果间隙尺寸变化使得需要更多的膨胀体积，则可以把附加的和/或更大的补偿箱连接/联接于原来的补偿膨胀箱52。 

因此，在本文中描述的本发明是一种被动式(passive)装置，它通过观测在补偿膨胀箱内的水位向在紧邻区域内的人员提供屏蔽体完整性的损耗指示。作为替代，现有技术中公知的远程水位指示装置也 可以被采用来在控制室内提供屏蔽体完整性的指示。本发明不需要屏蔽体支架焊接或附接于安全壳壁和/或不需要在转移管58处的本地屏蔽物，为了使用中检查，这会需要去除和重装屏蔽物。与其他的屏蔽方法相比，本发明对于地震事件响应迅速并且允许在安全壳50与转移管屏蔽物38之间有相对运动。此外，与传统的涉及本地铅砖和/或钢板遮蔽屏蔽体的屏蔽方案相比，在地震事件期间对转移管58的潜在损坏也被降低。本发明也避免了核电厂中在燃料转移期间需要限制对转移管附近区域的接近。这种限制会损害停堆期间有效的人员交通流型并且延长停堆时间。本发明中所使用的特定材料选择为，使得本发明的预期寿命等于最大数量的燃料循环的寿命，并且优选地，为核电站的最大设计寿命，即60年。以及，在核电厂设计寿命期间，本发明将承受预期为在乏核燃料转移期间产生的辐射照射量，即大致107拉德。 

尽管已经详细描述了本发明的特定实施例，本领域普通技术人员将会理解，可以根据本公开的总教导来形成对那些细节不同的变型和替换。因此，所公开的特定实施例只是示意性的而不是限制本发明的范围，本发明的范围是要由所附权利要求书的整个宽度和其任何及所有等同物给定。 

Claims (19)

1.一种辐射屏蔽体，包括：

空心柔性的外囊，该外囊具有用于包含衰减中子和γ射线的流体的内部储存器，该外囊至少部分地被容纳在基本刚性的辐射屏蔽材料之间的柔性间隙内，其中，空心柔性的外囊基本上填满间隙中的开口并且空心柔性的外囊被配置为随着柔性间隙的宽度的相应变化而膨胀或收缩以改变内部储存器的总体积；和

流体入口，该流体入口连通内部储存器与柔性的外囊的外部，用于以所述流体中的至少一些填充所述内部储存器。

2.如权利要求1所述的辐射屏蔽体，包括用于储存器中流体的补偿箱，与储存器中的流体保持流体连通。

3.如权利要求2所述的辐射屏蔽体，其中，所述补偿箱与流体入口流体连通。

4.如权利要求2所述的辐射屏蔽体，其中，所述补偿箱通到大气。

5.如权利要求2所述的辐射屏蔽体，其中，所述补偿箱与储存器气密地密封，并且形成针对储存器的流体体积变化的溢流箱。

6.如权利要求2所述的辐射屏蔽体，包括用于指示补偿箱中流体液位的装置。

7.如权利要求6所述的辐射屏蔽体，其中，用于指示补偿箱中流体液位的装置是观测计。

8.如权利要求1所述的辐射屏蔽体，包括用于指示储存器中流体体积液位变化的装置。

9.如权利要求1所述的辐射屏蔽体，包括互相连接以气密地连通其内部储存器的多个柔性的外囊。

10.如权利要求9所述的辐射屏蔽体，其中，所述多个柔性的外囊中的至少一些柔性的外囊与所述多个柔性的外囊中的其他柔性的外囊能够断开连接，而不会破坏所述多个柔性的外囊中的至少一些柔性的外囊与所述多个柔性的外囊中的其他柔性的外囊之间的联接。

11.如权利要求1所述的辐射屏蔽体，其中，空心柔性的外囊由两层构成，包括一个内层和一个外层，该内层选自具有将在多个停堆上包含流体的属性的材料，该外层是防刺穿的和耐磨的。

12.如权利要求11所述的辐射屏蔽体，其中，内层由橡胶或经过橡胶处理的材料形成。

13.如权利要求11所述的辐射屏蔽体，其中，外层由经过橡胶处理的凯夫拉尔材料形成。

14.如权利要求13所述的辐射屏蔽体，其中，外层由Aero TechLaboratories Inc.ATL-797-B形成。

15.如权利要求1所述的辐射屏蔽体，其中，空心柔性的外囊包括防下陷阻挡件。

16.如权利要求15所述的辐射屏蔽体，其中，防下陷阻挡件包括相对非柔性的材料，其支撑外囊的至少四个侧面的形状。

17.如权利要求16所述的辐射屏蔽体，其中，相对非柔性的材料是网丝材料。

18.如权利要求1所述的辐射屏蔽体，包括在空心柔性的外囊的至少一部分与外部环境之间的碎屑屏蔽体，用于在安全壳内保护空心柔性的囊免于与碎屑接触。

19.一种发电设施，具有包封在安全壳内的核岛，该核岛包括：

燃料转移管，该燃料转移管延伸穿过核安全壳，用于把核燃料组件和被辐照的部件从核安全壳的内部输送到其外部，

包围燃料转移管的至少一部分的固体辐射屏蔽体；

在固体辐射屏蔽体与核安全壳之间的膨胀间隙，用于适应固体辐射屏蔽体与核安全壳之间的热膨胀差；和

柔性的辐射屏蔽体，该辐射屏蔽体在膨胀间隙之间并至少部分地在膨胀间隙内延伸，该柔性的辐射屏蔽体包括：空心柔性的外囊，该外囊具有用于包含衰减中子和γ射线的流体的内部储存器；和流体入口，该流体入口连通内部储存器与柔性的外囊的外部，用于以所述流体中的至少一些填充所述内部储存器，其中，空心柔性的外囊被配置为随着柔性间隙的宽度的相应变化而膨胀或收缩以改变内部储存器的总体积。