CN104246904B - 用于减小两个实体之间的热阻的方法和可动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于核燃料存储托架的大致棱柱形的传热元件(30、32、34、36)，所述传热元件包括三个主表面(303、303′、305、325、345、365)和两个侧表面(301、301′)，所述主表面包括基部和两个副平面表面，所述传热元件由传热材料制成，并且所述传热元件在其侧部上设置有用于沿平行于所述基部的方向拉动所述元件的装置。

Description

用于减小两个实体之间的热阻的方法和可动装置

技术领域

本发明涉及一种用于核燃料组件的存储托架，该存储托架由多个大长度的相邻单元构成，燃料组件或可选地若干燃料组件的棒可以被引入到所述多个相邻单元中的每个单元中。

背景技术

所述存储托架(也称作存储篮)旨在用于存储和/或运输可选地被封装或被屏敝或不被封装或不被屏敝的燃料组件。所述存储托架适用于辐射燃料，但也可被用于新燃料。所述存储托架可以例如在将燃料存储在水池中期间或在将燃料引入到运输或存储封装件中期间在干燥介质或潮湿介质中使用。

为了运输燃料组件的罐体的不同功能(辐射保护、抗冲击性、耐火性等)的需要而提供的解决方案为不同的材料的叠组。在需要排出大功率的情况下，对内部温度的限制的起因是存在对该叠组而言必要的间隙。

与安全性相关联并且与辐射性材料的运输相关联的问题在文献B.Lenail,RevueGénérale Nucléaire n°1 2005的“La suretédes transports de matièresradioactives”(放射性材料的安全运输)；B.C.Bernardo,IAEA Bulletin Vol.21,n°6的“Conception,fabrication et essais des emballages pour le transport des matières radioactives”(用于运输放射性材料的封装件的设计、构造和测试)或者说在文献EP0 752 151中进行了描述。

通常，燃料组件在包含多达12个(或更多)组件的干式罐体中被运送。这些运输封装件已经得到相关的法国、英国和日本当局的认可并且满足国际原子能机构规则为B式封装件所制定的标准。使用了将近40年的这种类型的罐体基于防止任何放射性泄漏的封装件(双屏障、着火特性等)所固有的性能原理。

如图1所示，罐体在其较大长度上从外部到内部包括：

-外部区域2、其可以设置有冷却翼片4，

-中子吸收层6，

-钢制套环8，

-以及用于核燃料组件的存储托架10，该存储托架10包括一个或多个相邻单元12，燃料组件或(可选地)若干燃料组件的棒可以被引入到所述单元12中。

用于核燃料组件的具有蜂窝状结构的各种类型的托架是已知的。它们通常保证了三个功能：

-在干燥或有液态或气态的水(所述水能够包含例如硼基的中子吸收化合物)存在的情况下，控制存储在其中的成套组件的临界性。

-满足两个目标的足够的机械强度：(i)保证装载有组件的托架的几何结构得到保持并且避免燃料棒在正常使用期间(处理、运输等)劣化，(ii)通过保持托架的几何结构而在即使根据现行规则的紧急状况下(显著冲击和掉落)也能够保证对临界性的控制，

-热传递，以便排出在辐射的组件的情况下释放的热量。

该托架有时也以提供对抗辐射的屏敝的补偿的目的而设计。

该托架一般由若干材料联合构成，每种材料实现上述三个功能中的至少一个功能。通常，所使用的主要材料为：

-不锈钢或铝(或铝合金)，以实现机械强度功能，

-铝或铜(或铜合金)，以实现热传递功能，

-硼化合物(诸如B4C基熔合体)、包含硼的铜合金、铝合金或不锈钢合金，以便实现临界性控制功能。

从罐体的热性能的观点来看，内部功率的排出和30分钟的800℃的耐火性现在已经通过利用上述材料(钢制套环、铝制托架等)以及其性能(由翼片“复式”地横越、连结点的保护等)得到解决。

对于实施并且特别是组装的问题，该系统在互锁不同的径向层的情况下特别需要更容易地将组件或托架引入到罐体中，从而在不同层之间的界面处，特别是在组件与空腔之间以及在托架与套环之间的界面处布置有间隙。例如大约介于5mm与2mm之间的这些间隙对于热传递的需要会是不利的。

特别地，在大功率需要被排出的情况下，这些间隙的出现产生高热阻，由此产生大的热梯度，当希望增大最大可接受功率等级时，高热阻和大热梯度显著地增大了最大内部温度(最大内部温度还取决于材料，燃烧速率等)。

目前，运输在氮环境下进行，但也可以使用更具传导性的气体(氦)，在这种情况下，分别为5mm和2mm的内部和外部间隙足以运输功率等级低的PWR(压水反应堆)燃料。

但提出了能够运输更大功率的燃料(例如MOX燃料类型或者是在未来具有锕系元素的组件)的问题。

由此，在不超过总体可接受的内部温度的情况下将卡路里良好地排出到外部的可能性是未来的关键问题。

在这种情况下，产生问题的关键之处不在于需要排出的总功率，而是由于前述间隙的出现而产生的热梯度。

因而，通过使用当前技术，在氦的环境下被运输的组件的最大功率会被限制到2.5kW(不超过450℃)和4.5kW(不超过650℃)，而对于排出的功率的需求会更高。

文献WO 2011/161233描述了一种系统，该系统能够减小由于外部间隙产生的接触热阻。在该系统中，托架的4个部分与钢制环圈进行接触。产生具有改善的径向传热性的简单系统，但没有涉及到内部间隙。因而，关于可排出功率的收益是低的。

由此还提出了被称作内部间隙(组件与托架之间)的问题。

事实上，重新考虑在氦的环境下具有组件的罐体的情况，在常规间隙(例如5mm的内部间隙和2mm的外部间隙)的情况下在650℃下可排出功率为6.3kW。如果外部间隙被消除，例如根据文献WO 2011/61233的教导，在650℃下可排出功率为6.75kW，即可排出功率仅增加8％。如果2个间隙都被消除则功率变为8.75(即，增大+40％)，但是，在该技术中，定位成接触的表面是重要的(托架的外部表面的大约1/4)，从而除非存在有整体上可接受的制造公差，否则接触仅可能发生在一个发生器或简单地若干区域上。

因此，存储或运输罐体内部的间隙(其中，间隙的厚度产生了重要的接触热阻)以及热标准不允许被超过，这在燃料组件的运输期间极大地影响了可排出功率。

由此，产生了改善运输罐体内部的热交换的问题，以便降低达到标称工况的温度。

发明内容

在本文中提供了该限制的解决方案。

首先描述的是一种用于核燃料存储托架的大致三棱柱形的传热元件，所述传热元件包括3个主表面和两个侧表面，所述主表面包括基部和2个副平面表面，所述元件由传热材料制成，并且所述元件在其侧部上设置有用于沿平行于所述基部的方向拉动所述元件的装置。

每个传热元件由导热材料制成，因而具有良好的导热性，例如由诸如铝或铜的金属材制成。

用于拉动所述元件的装置可以被置于所述侧表面上。例如，所述侧表面中的每个侧表面设置有至少2个销或2个凸耳。

在变型中，用于拉动所述元件的装置可以形成在所述元件中的凹口或侧凹入部，每个所述凹入部出现在所述副平面表面中的一个中，并且可选地出现在相应的侧表面中，每个凹口的壁包括例如至少2个销或2个凸耳的装置。

所述元件可以包括至少一个牵引联接件，所述至少一个牵引联接件例如具有内部切口并且与用于沿平行于所述基部的方向拉动所述元件的装置配合。

所述元件可以在垂直于所述基部的平面中呈大致三角形形状。

所述基部可以是平面的，或具有至少一个围绕大致平行于牵引方向的轴线的曲面。

因此核燃料存储托架元件可以包括：

-上述类型的传热元件的第一叠组，一个所述元件的每个副平面表面与相邻传热元件的副表面相对，使得不同的吸收元件的基部交替地朝向所述叠组的一侧并且相继的吸收元件的基部朝向所述叠组的另一侧，每个传热元件通过用于沿平行于所述基部的方向拉动所述元件的装置连接到与其相邻的传热元件，

-用于在所述传热元件的组件上施加牵引力的装置。

在所述存储托架元件中，元件的每个副表面可以：

-在没有牵引力被施加在所述传热元件的组件上时，特别是在压力被施加在传热元件的组件上时与传热元件的副表面接触，

-并且在牵引力被施加在所述传热元件的组件上时，远离相邻传热元件的副平面表面。

所述传热元件的叠组可以具有比所述托架元件的总高度小的高度(h)。在这种情况下，托架的其余部分由叠置在上述传热元件的上方和下方的传热材料构成。高度h于是大致等于或接近于燃料元件产生热量的长度。

所述托架元件可以进一步包括如上所述的传热元件的至少一个第二叠组，所述至少一个第二叠组被布置在通过连续的材料部分与所述第一叠组分开的区域中。所述第二叠组于是产生机械作用，但较少地产生传热作用。

基本核燃料存储托架可以包括多个上述类型的存储托架元件，所述多个存储托架元件被布置成限定中心空腔，所述中心空腔根据其将被用于的组件的形状在垂直于每个托架的牵引方向的平面中呈大致方形或矩形或六边形。

由此可以构造用于存储和/或运输核燃料的罐体，所述罐体包括如之前所述类型的基本存储托架，所述托架由用于吸收伽马射线的外周保护层和用于使中子减速的外周保护层包围。

还可以构造用于存储和/或运输核燃料的包括若干(例如数量介于2个与12个之间)基本存储托架的罐体，每个基本托架为如之前所述的类型。

基本托架被放置在固定托架中，固定托架自身由多个前述类型的传热元件包围，这保证了与外周层的充分的热接触。

本发明还涉及一种存储和/或运输核燃料棒的方法，包括以下步骤：

-在如上所述的存储托架的托架元件的传热元件上施加牵引力，以便使所述传热元件从初始位置转换到升起位置，并且在每个传热元件和所述热壁和所述冷壁中的每个壁之间产生间隙，

-将一个或多个组件引入到所述中心空腔中，

-释放所述牵引力，以便使所述传热元件返回到所述初始位置，在所述初始位置中每个所述传热元件的基部被定位成与所述热壁和冷壁中的一个壁或另一壁接触。在该步骤期间，由于其自身的重量，重力的作用可以足以使元件返回到初始位置。外加的压力可以可选地添加，这使得即使在托架处于非竖向位置的位置中，例如，当托架在运输期间处于水平位置中时，也能够将元件保持在该位置中。

该方法可以先进行将存储托架引入到水池中的步骤，并且之后进行取出装载有棒的托架的步骤以将托架从水池中取出。

在本发明中，实施了装置以将力施加到传热元件的叠组，这使托架能够改变其内部和外部半径并且由此减小组件与托架之间的空间并且还减小托架与例如套环的外部环境之间的空间。

由此托架调节其形状并且支持组件的潜在变形。

因此本发明使得能够在引入装载件期间保存重要的间隙，然后在例如处理或运输的后续操作之前将所述间隙再吸收。

在运输组件的情况下，并且特别是在运输高功率等级的组件的情况下，该系统使得能够减小并且甚至消除接触热阻(直接地与间隙中的气体空隙相关联并且与气体的导热性相关联)。但该系统具有其它优点：

-托架在组件上的包覆使机械强度在运输期间增大；不再需要如之前的情况下引入楔块，

-该托架将会调节其形状并且支持组件的潜在纵向变形，

-该系统的切口节省了托架的机加工成本，

-在特定情况下(特别是组件处于壳体中的情况下)，托架的氦可以由干燥空气或氮取代。

与文献WO 2011/161233中描述的技术相比，这里将对该技术进行回忆，其中接触仅可以发生在一个发生器上或简单地发生在若干区域上，本文中所描述的本发明通过其基部表面的多重性使得能够增加接触点的数量并且能够具有更大的接触表面。传热元件越小，形状的适应性越好。

本发明使得能够最小化托架中的内部和外部间隙，这使得能够执行特定组件的存储和运输，所述特定组件的功率等级(P>8kW)比目前所释放的功率更大。由于不仅单个组件可以被实现，而且多个组件也可以被实现，因此本发明还使得能够最优化组件运输数量。

附图说明

现在将通过非限制性示例的方式同时参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：

已经描述的图1为已知结构的罐体的分解视图，

图2A-2D和图3A-3B为所描述的传热元件的各种视图，

图4A-4C示出了由联接件连接的2个元件以及其相对运动，

图5A-5D为传热元件的各种视图，

图6A和图6B示出了由联接件连接的传热元件的叠组以及其相对运动，

图7A和图7B分别为处于打开位置的托架和处于关闭位置的托架的示意图，

图8A和图8B为包含组件的托架的视图，

图9A-9E为将组件引入到托架中的步骤，

图10A和图10B为2个系统的俯视图，其中包括有包含若干组件的一个系统，每个所述系统包括至少一个托架、一个钢制套环和一个树脂层，

图11、图12和图13分别针对1个组件、7个组件和12个组件相应地示出了作为内部和外部间隙以及组件的功率的函数的最大可能温度。

具体实施方式

首先参照图2A(沿着图2B的平面AA′或xOz剖切的截面侧视图)和图2B(沿着图2A的平面BB′或xOy剖切的截面俯视图)，图2A和图2B示出了根据本发明的特定实施例的托架系统20的传热元件30、32、34、36的叠组。

在图2A中，可以看到的是多个传热元件沿着空间直角坐标系(trièdretrirectangle)Oxyz的方向Oz叠置。在图2A中并且在图2B中还示出的是两个壁22、24，所述两个壁22、24分别为叠组所定位于的环境的热壁和冷壁(称作热壁的壁22在位于托架(panier)内部的热组件一侧；而称作冷壁的壁24在托架外部的直接环境一侧)。在上述环境外部，附图标记22和24为界定叠组沿着Ox的横向延伸量的两个平面(当该叠组处于关闭或降下位置时，如下文所述)；在下文中，所述附图标记表示2个壁，但这两个附图标记也可以用来指代2个平面。

轴线Ox垂直于2个壁22、24，而轴线Oz和Oy平行于2个壁22、24。叠组大致沿着Oz的方向延伸。

如在图2C中示出的单个元件30的实施例所示，叠组中的每个元件呈大致棱柱的形状。图2A中的其它元件等同于或类似于该单个元件30，并且由于这个原因，所述其它元件中的所有的部分(类似于或等同于图2C中描述的元件)不再进行详细描述。

更具体地，图2C中示出的元件大致为五面体或三棱柱，并且具有两两相邻的三个四边形表面303、303′、305和两个彼此不相邻并且大致垂直于轴线Oy的三角形端面301、301′。

该三棱柱包括基部305，在本实施例中，该基部305呈平面状并且平行于沿着空间直角坐标系Oxyz的轴线Oy延伸的边缘307。

根据特定的方面，如在图2D中示出的，侧面和角可以被截顶：即便如此，用语“边缘”或“顶部”将仍然使用。

在边缘307或顶部与基部305之间延伸有2个表面303、303′，为方便起见，所述2个表面303、303′可以分别指代“上表面”和“下表面”。在示出的示例中，这些表面为平面，但这些表面可以具有其它形状，例如这些表面可以包括折皱或波纹，以便与相邻元件的平面表面的相应的折皱或波纹相接触或相组合。

元件在横向上沿着轴线Oy由两个壁或侧表面301，301′限定。在本实施例的示例中，所述两个壁大致垂直于基部305并且大致平行于平面xOz。在变型中，如在图3A和图3B中的俯视图中示意性地示出的，侧壁(这里为341、341′，所示出的元件为元件34)是倾斜的并且因此与两个轴线Ox和Oy相交。在平面zOx中，每个所述传热元件呈大致三角形形状，每个三角形具有一个长边和2个短边，所述2个短边优选地具有大致相等的长度，从而该三角形自身是大致等腰的。还优选的是，三条边在其端部处被截顶，如在图2D中所示，或在图4A-4C中所示。在平面zOx中，每个三角形于是严格来说不再呈大致三角形形状，而是呈六边形，该六边形具有彼此交替的3个长边和3个短边。

该三角形的高度或边缘307或顶部与基部305之间的距离小于两个壁22、24之间的距离。因而，当该元件以图2A中示出的方式被定位时，元件的顶部307与其基部305之间的最大距离使得能够在该元件与2个壁22、24中的每个壁之间形成间隙27、29。当装置处于“关闭”位置中时(图4C、图6B和图7B)，保留有未被传热元件的一部分填充的区域270、270′、290、290′。这些间隙的大小被确定成使得能够避免传热元件与相邻的第二排的元件之间的任何接触(例如，在图2A中，元件30与34之间、元件32与36之间、等等的所有的接触都被避免)。从传热的观点来看这些区域不会产生问题，因为热量经由相邻的元件之间(30和32之间、32和34之间、34和36之间等等)产生的接触部分来传递。这些区域被布置成交替地朝向每个壁22、24；即使充满气体并由此导致绝热，其传热影响也是可忽略的，因为这些区域经由更为导热的平行通道分流(shuntées)。

在图2A中可以看到的是，所述其它元件32、34、36具有与在图2C中示出的相类似的基部325、345、365以及边缘327、347、367。

各元件30、32、34、36以如图2A中示出的方式被叠置，第一元件的下部(相应地上部)平面表面与紧邻的、但沿着轴线Oz位于该第一元件的下方(相应地：上方)的第二元件的上部(相应地下部)平面表面接触或相对。

叠置元件的长边被布置成交替地朝向壁24和壁22。换言之，传热元件30具有指向壁24的基底而相邻元件的基底指向壁22。

在叠组的关闭或降下位置中，两个相邻的元件可以通过它们的下部平面表面和上部平面表面中的一个表面沿着互连件40彼此压靠。互连件40呈直线节段的形状，该直线节段与平行于轴线Ox或垂直于壁22、24的直线限定了锐角A(所述锐角A例如介于30°和60°之间，或者例如等于或接近于45°)。

在上述示例中，表面305、325等为平面。

在变型中，该表面可以具有一定的曲率，例如该表面可以包括圆柱的一部分，如在图3B、图5C和图5D中通过表面345′(元件34，图3B)和表面305′(元件30，图5C和5D)示出的，该圆柱的轴线平行于叠组整体的牵引方向。在叠组的关闭或降下位置中叠组整体的热效应不受影响，因为两个相邻元件的相邻的平面表面之间的接触仍然与上文描述的接触相同。该元件沿着平面zOx的截面也呈三角形形状或如同图2D中的形状，三角形的基底305为直线节段。在叠组的降下位置，壁345′、305′的圆柱形部分相切于外部壁或相切于外部平面24。该曲率对于紧靠圆柱的形状会是有用的，因为平面或壁22和24沿着平行于牵引方向的轴线经常是圆柱形的(参见例如图10A、图10B中的结构)。

如在图2A-2C、图3A-3B和图5A-5D中还可以看到的，每个元件的每个侧表面301、301′、321、321′、341、341′、361、361′可以包括两个凸耳30′、30″、32′、32″、34′、34″、36′、36″，每个凸耳靠近于相应的元件的下部平面表面和上部平面表面中的一个表面。同一侧表面的两个凸耳沿平行于该同一元件的基部的方向大致对准或沿着在图2D的截面图中的边缘305(或者是：沿着牵引方向)大致对准。每个凸耳呈大致圆柱形形状，圆柱的轴线以大致垂直的方式指向该凸耳所位于的侧表面。

连接杆或联接件40、42、44、46将两个相邻元件的最靠近的两个凸耳连接。当最靠近的两个相邻元件不接触时，该联接件由此将会限定在最靠近的两个相邻元件的两个平面表面(下部平面表面和上部平面表面)之间可能存在的最大距离。该联接件还限定了元件的平面表面相对于相邻元件的相对平面表面的可能的滑动的最大幅度。

这些联接件以及相应的凸耳使得能够沿平行于或大致平行于轴线Oz的方向和/或平行于或大致平行于基部305与平面zOx的相交线的方向对上述元件施加牵引力(图2D和图3B中的情况)。在图4A的情况下，施加到每个表面的力还具有沿着Ox的分量，但这是没有关系的，因为在牵引位置中(图4A)元件被阻挡。因此，产生的力此时再次沿着轴线Oz。如在图2A中可以看到的并且如在下文中所描述的，方向Oz上的力F由此可以被施加或传递到每个元件，元件的基部仍然平行于其所朝向的相应的热壁或冷壁。在每个元件沿着轴线Oz被布置在两个另外的元件之间的情况下，每个凸耳经受向上的牵引力，并且还经受位于其下方的元件的重力。

由此，当托架的组成元件被叠置并且被布置在两个壁(例如热壁22和冷壁24)之间时，托架的组成元件的相对位移可以得到确保。

这些装置将能够使不同的元件相对于其每个相邻元件分离开，并由此在两个相邻元件的两个侧表面之间引入间隙e(所述两个侧表面保持彼此平行)。类似地，在不同元件分离开期间会发生元件的定位，使得间距或空隙27、29被布置在不同的元件和壁22、24之间。

联接件具有例如图2A或图6A中示出的形状，该形状是纵向的并且包括中心开口，该中心开口也是纵向的。该开口的最大幅度，换言之，联接件的两个短边的内表面之间的距离等于托架中的两个直接紧邻的传热元件的两个相邻凸耳的外侧边缘之间的最大期望距离。联接件以及其侧开口能够使2个相邻元件彼此滑动，同时保持其紧邻平面表面接触。例如，在图2A中可以看到的是，每个联接件具有中心开口，该中心开口使两个相邻元件301和321、321和341、341和361能够分离开，使得其相邻侧表面以距离e保持彼此平行。这个距离或这个间隙使传热元件能够处于“升起”位置，以便使棒杆状元件能够被引入到托架中。在降下位置中，相邻元件的侧表面彼此接触，如图6B或7B所示。联接件于是处于松开位置，两个相邻元件的两个相邻凸耳之间的距离小于由每个联接件的内部开口限定的最大幅度。

在图4A-图4C中示出了联接件的另一实施例：每个联接件47包括两个开口，每个所述开口使得能够容置两个传热元件中的一个元件的凸耳30″、32″。所述开口中的围绕凸耳30″的一个开口使联接件以仅围绕该凸耳旋转但不平移的方式运动，而另一开口使连接件以围绕凸耳32″旋转并使元件32平移的方式运动：相应的开口延伸经过更大的长度，从联接件的中部(沿联接件的长度的方向)延伸到联接件的侧面端部中的一个端部的内侧。

两个开口之间的距离和第二开口的长度选择成：使得两个相邻传热元件能够：

-从称作初始位置(图4A)的位置出发，在初始位置处，两个相邻元件的两个相邻表面接触，并且间隙27、29被布置在每个元件的基部与该基部面对的壁22或壁24之间，

-到达中间位置(图4B)，在所述中间位置处，两个相邻元件的相邻侧表面彼此远离期望距离，并且每个基部更靠近于相应的壁22、24，

-随后到达“包覆”位置，(图4C)，在所述包覆位置处，两个相邻侧表面彼此接触或彼此压靠，并且每个元件的基部压靠相应的壁22、24。

在上述运动中，联接件的端部在装置21(图7A)的作用下在以联接件的中心为中心的圆上完成大致的圆周运动。

相邻元件之间的连接系统的另一实施例在图5A-5D中示出，图5A-5B与具有平面壁形状的基部305的实施例相对应，图5C-5D与形状呈圆柱的一部分的基部305′的实施例相对应。

这时，所示出的元件30包括：

-两个侧凹口或侧凹入部203、204，其出现在上平面表面303中并且可选地(如图5A-图5D中的情况)出现在相应的侧表面301′，301中，

-两个侧凹口或侧凹入部205、206，其出现在下平面表面303′中并且可选地出现在相应的侧表面301′，301中。

这里，在每个侧凹口的内壁中形成有孔203′，204′，凸耳可以被定位在所述孔203′，204′中以便与连接杆或联接件的端部配合，正如已经在上文中描述的。

由此，每个凹口的壁用于设置例如为至少1个销或1个凸耳的装置，以便例如像上面所述那样借助于两个联接件将每个元件联接，。每个凹口具有充分的空间来容纳相应的联接件的端部部分。

如图7A所示，牵引装置或机构21被定位在托架的一侧(位于托架上方或下方)。包括例如一个或多个杆210和/或一个或多个起重器的装置被连接到元件叠组的端部元件，以便对元件组件传递沿着轴线Oz的上升或下降运动。装置21能够在叠组处于关闭或降下位置时在叠组整体上施加压力。

当希望将组件引入到托架中时，由图2A、图6A和图7A中的箭头F示意性地示出的、平行于轴线Oz的、向上的力被施加，并且施加到每个壁22、24上。

于是，托架的每个元件以上述方式与相邻元件分离，参照图4A-4C、图6A-6B和图7A-7B。该运动释放出沿径向方向的间隙27，29，27′，29′(图2A、图6A和图7A)。

一旦组件就位，则施加向下的力(仍然沿着轴线Oz)，或所施加的向下的力是引起传热元件下降的重力，传热元件的平面表面彼此接触并且内部和外部间隙消失(如在图4C、图6B和图7B中)。在该阶段的末尾，无论托架处于何种位置(包括处于水平位置)，承载力可以再次施加到元件叠组上以减小每对相邻元件的实体-实体交界面处的热阻并且确保组件的机械强度。

如在图2B和图3的俯视图中以及在图2C的透视图中可以看到的，每个传热元件延伸经过有限的长度L，例如介于100mm与200mm之间或另外地介于100mm与500mm之间，该长度根据元件的表面质量和期望的热传导质量来选择。特别地在例如图3B的基部345′的基部的情况下，L可以为圆弧伸直的长度。

因此，总体上呈圆柱形形状的组件将会被以大致圆形方式布置的n个托架元件包围，其中每个托架元件覆盖大约360°/n的扇形。这种布置在图8A和图8B中示出，对于六边形组件而言，每个托架元件60、62、64、66、68、70覆盖大约60°的扇形。附图标记620-626为两个托架元件62的单独的元件。两个端部元件620和626被截顶以在叠组的两个端部处获得平面表面。

在所述图8A和图8B中，该系统以三维方式示出，其中为了更好地呈现而将一竖排的传热元件去除(或将一个托架元件去除)。托架元件的组件被布置成限定内部的六边形开口17，燃料元件可以被引入到该开口17中。

图8A与打开状态相对应，其中传热元件处于彼此分离的位置，这如图2A和图4A所示。于是在托架的中心处的装载件与该托架的内壁之间形成重要的间隙。

图8B与关闭状态相对应，其中相邻的传热元件处于彼此接触的位置，这如图4C和图6B所示。在该位置中，之前在装载件与托架的内表面之间出现的任何间隙都被消除。

在图8A和图8B的实施例的示例中，六角形15为该装载件，其外壁与图2A的热壁(壁22)相对应。

在该实施例中，应当指出存在位于同一级的两个相邻单元之间或2个托架元件(例如62和64)之间的区域，在该区域中不存在传热元件。但由于与如上所述的残留间隙270、290相同的原因，这从热传导的观点来看是不会引起麻烦的；事实上，从传热的观点来看，热量在“附近的”高传导性区域中传递(铝的导热性与氦的导热性之比为1000，并且与空气的导热性之比为6000)。

一旦该系统被放置就位(图7B、图8B)，沿径向方向的排出的卡路里即得到改善，并且结果是径向温度梯度的显著减小。

由此，通过使用采用了如上所述的这种托架的存储方法，之前声称的限制2.5kW(Tmax<450℃)和4.5kW(Tmax<650℃)分别变为3.5kW和6.5kW。在组件的运输期间，因此针对Tmax<450℃可以达到5kW并且针对Tmax<650℃可以达到9kW。

图8A和图8B中示出的实施例示出了托架(一列元件已经被单独地移除，以便解决附图的清楚性问题)和六边形管15。但也可以引入若干组件，如示出了俯视图的图10B中所示：在这种情况下，托架包括：

-多个基础托架100-106，

-固定部分55(由例如为铝的导热材料制成的盘体的叠组，每个盘体具有适当的开口以使托架能够穿行到期望的位置)

-托架元件的冠部550，每个元件为已经在上文描述的根据本发明的类型。

由此构造的托架被布置在罐体的内部，该组件被钢制套环54和树脂层52包围。该组件可以设置有排热翼片56；所述翼片56为图10B中朝向外部伸出的翼片。对于单个托架的情况，所述附图标记52、54再次在图10A中出现。

因而，构成罐体的组件可以包括至少一个如上所述的基础托架，但还包括吸收层的组件，所述吸收层例如为层54(可以由锻铁或铅制成)和层52(含有大量的氢)，所述层52用于吸收伽马辐射，所述52用于使中子减速。

基础托架可以在其整个高度的范围内具有如上所述的结构。

基础托架还可以在例如大约1m的有限高度h(该高度与希望基础托架排出的功率相对应)的范围内具有例如在图9A中出现的结构，或可以看到的是，可动元件的组件20延伸经过托架的每个壁的有限高度(热交换在该高度范围内发生)，剩余部分由两个一致的部分20′、20″构成。

在变型中，如图9B所示，若干元件可以被布置在不存在热交换或存在少量热交换的部分中，例如布置在区域200、200′中。这些元件的作用已经在上文中进行了描述，但现在这些元件仅具有机械阻挡的作用，并且从传热观点看不具有或具有较少的作用。相反，可动元件的组件20具有传热作用同时又具有机械作用。区域200′、200通过一部分没有设置如上所述的传热元件的均匀且连续的材料与区域或部分20分开。

图9A-图9E示出了将燃料装载到根据本发明的装置中的步骤。

首先(图9A)，尚未容纳燃料元件的该组件被浸入到水池120中并且不同部分的盖130是打开的。

接着(图9B)，托架的传热元件以已经在上文中描述的方式，在装置21的帮助下通过对元件的组件进行牵引而被升起。由此元件的保持状态被松开并且间隙被引入到每个元件的基部与该基部面向的表面22、24之间(参见上文中给出的说明)。

托架被保持在该升起位置中，燃料元件15(参见图9C)可以被引入到中心开口17中。

接着，如图9D中所示，托架的壁的元件上的承载力反向，以便将传热元件定位成彼此接触，并且不会留有所述元件的基部与壁之间的任何间隙。

最后，当使盖返回到其初始位置(参见图9E)时，该组件被再次关闭。

然后该组件可以从水池中被升起以进行排水。

下文中描述了运输1个、7个或12个组件的罐体的数值结果。这些罐体根据它们所运输的1个、2个或7个组件被称为TC1、TC2或TC12。

对于650℃的限制，对于标准间隙而言每个组件的功率从4.6kW(TC12)到6.3kW(TC1)。通过消除这些间隙使得能够分别获得6.6kW至8.8kW。

下面，针对装载有较少的锕系元素的组件的情况，在给定温度标准下对通过可排出的功率获得的收益进行评估。

为罐体选择的几何结构为多层式几何结构：

-在图10B的俯视图中示出：在该几何形状中，层550的外径与现今使用的托架的外径相等，从而不会以任何方式改变几何形状的其余部分。附图标记54指代钢制套环，

-或在图10A的俯视图中示出：在该几何形状中，树脂层52的外径D_e和铝制托架100的外径得以保留。

研究了三种情况：单个组件的情况、7个组件的情况和12个组件的情况。

对于单个组件的情况，对参数Tmax和间隙的作用的研究产生了在图11中给出的如下结果，在图11中：

-曲线I与分别为1mm的2个间隙相对应，

-曲线II与1个5mm的内部间隙和1个1mm的外部间隙相对应，

-曲线III与1个5mm的内部间隙和1个2mm的外部间隙相对应，

-曲线IV与2个5mm的间隙相对应，

-曲线V与2个0mm的间隙相对应，换言之，与根据本发明获得的接触相对应，

例如，对于650℃的最大值：

-在曲线I的情况下，可以排出8kW，

-在标准情况下(曲线III)，大约6.3kW可以被排出，

-并且在间隙消失时(曲线V)，最佳的是8.7kW可以被排出。

对于7个组件的情况，在参数研究过程中，仅标准情况和间隙为零的情况(其它情况介于这2个极限情况之间)被研究。对参数Tmax和间隙的作用的研究产生了在图11中给出的以下结果，在图11中：

-曲线I′与1个5mm的内部间隙和1个1mm的外部间隙相对应；在该标准情况下每个组件可以排出5.5kW，即可以排出39kW的总功率，并且树脂具有介于70℃与88℃之间的温度，

-曲线II′与2个0mm的间隙相对应。

这里再次地，可以看到的是间隙的减小使得能够在中心处的给定最大温度下增加可排出功率。

对于12个组件的情况，在参数研究的过程中，仅标准情况和间隙为零的情况(其它情况介于这2个极限情况之间)被研究。对参数Tmax和间隙的作用的研究产生了在图13中给出的以下结果，在图13中：

-曲线I″与1个5mm的内部间隙和1个1mm的外部间隙相对应；在该标准情况下每个组件可以排出4.5kW，即可以排出54kW的总功率，中心处的温度低于650℃，

-曲线II″与2个0mm的间隙相对应。

在大功率的该情况下，外部树脂达到80℃的温度。

图13的结果得出相同的结论：间隙的减小使得能够在中心处的给定最大温度下增加可排出的功率。

在下面的表II中针对上述三种构型并且针对2种不同的最大温度(450℃和650℃)对可排出功率进行总结。对每种所述情况都指出了可排出功率，当间隙为零时标注下划线。

表II

本发明应用于存储和/或运输高等级放射性材料(特别是第4代高等级燃料以及例如充有较少的锕系元素的组)件的领域。

Claims (19)

1.一种传热元件(30、32、34、36)，其用于核燃料存储托架并为大致棱柱形，所述传热元件(30、32、34、36)包括3个主表面(303、303′、305、325、345、365)和两个侧表面(301、301′)，所述主表面(303、303′、305、325、345、365)包括基部和2个副平面表面，所述传热元件(30、32、34、36)由传热材料制成，所述两个侧表面设置有：用于沿平行于所述基部并且平行于所述侧表面的方向拉动所述元件并且使所述元件从初始位置转换到升起位置或者从升起位置转换到初始位置的装置，在所述初始位置中所述传热元件被松开并且抵靠被称作热壁或冷壁的壁，在所述升起位置中所述传热元件与所述壁以间距或间隙(27、29)分离。

2.根据权利要求1所述的元件，

所述用于拉动所述元件的装置被置于所述侧表面上，或

所述用于拉动所述元件的装置包括形成在所述元件中的侧凹口或侧凹入部(203、204、205、206)，每个所述凹入部出现在所述副平面表面中的一个中。

3.根据权利要求2所述的元件，所述用于拉动所述元件的装置包括至少2个销或2个凸耳(30′、30″、32′、32″、34′、34″、36′、36″)，所述至少2个销或2个凸耳(30′、30″、32′、32″、34′、34″、36′、36″)被置于每个所述侧表面上，或者所述至少2个销或2个凸耳(30′、30″、32′、32″、34′、34″、36′、36″)被置于每个所述侧凹口或侧凹入部的壁上。

4.根据权利要求1或2所述的元件，包括至少一个牵引联接件(40、42、44、47)，所述至少一个牵引联接件(40、42、44、47)与所述用于沿平行于所述基部的方向拉动所述元件的装置配合。

5.根据权利要求4所述的元件，所述牵引联接件具有至少局部开口的内部。

6.根据权利要求1或2所述的元件，在垂直于所述基部的平面中呈大致三角形形状。

7.根据权利要求1或2所述的元件，所述基部呈平面状或形成圆柱的一部分(305′)。

8.根据权利要求1或2所述的元件，所述副平面表面(303，303′)呈平面状或设置有波纹。

9.根据权利要求2所述的元件，每个所述侧凹口或侧凹入部出现在相应的侧表面(301、301′)中。

10.一种核燃料存储托架元件(60、62、64、66、68、70)，包括：

根据权利要求1或2所述的传热元件的第一叠组，所述第一叠组布置在两个壁之间，一个所述传热元件的每个副平面表面与相邻传热元件的副平面表面相对，不同的传热元件的基部交替地朝向所述叠组的一侧并且相继的传热元件的基部朝向所述叠组的另一侧，每个传热元件通过用于沿平行于所述基部的方向拉动所述传热元件的装置连接到与其相邻的传热元件，

用于在所述传热元件的组件上施加牵引力的装置(21)。

11.根据权利要求10所述的存储托架元件(60、62、64、66、68、70)，传热元件的每个副平面表面：

在没有牵引力被施加到所述传热元件的组件上时与传热元件的副平面表面接触，

并且在牵引力被施加到所述传热元件的组件上时位于距所述传热元件的副平面表面非零的距离处并且大致平行于所述传热元件的副平面表面。

12.根据权利要求10所述的存储托架元件(60、62、64、66、68、70)，所述传热元件的叠组具有比所述托架元件的总高度小的高度(h)。

13.根据权利要求10所述的存储托架元件(60、62、64、66、68、70)，进一步包括根据权利要求1所述的传热元件的至少一个第二叠组，所述至少一个第二叠组被布置在通过连续的材料部分与所述第一叠组分开的区域(200，200′)中。

14.一种核燃料存储托架，包括多个根据权利要求10所述的存储托架元件，所述多个存储托架元件布置成限定出中心空腔(17)，所述中心空腔(17)在垂直于每个托架的牵引方向的平面中呈大致圆柱形或方形或矩形或六边形。

15.一种用于存储和/或运输核燃料的罐体，包括至少一个根据权利要求14所述的存储托架，所述至少一个存储托架被外周保护层(54)包围以便吸收伽马射线并且被外周保护层(52)包围以便使中子减速。

16.根据权利要求15所述的用于存储和/或运输核燃料的罐体，包括数量介于2个至12个之间的若干托架。

17.一种用于存储和/或运输核燃料棒(15)的方法，包括以下步骤：

在根据权利要求14所述的存储托架的托架元件的传热元件上施加牵引力，以便使所述传热元件从初始位置转换到升起位置，并且在每个传热元件和限定热壁和冷壁的两个壁(22、24)之间产生间隙(27、29)，

将一个或多个燃料棒引入到中心空腔(17)中，

松开所述传热元件，以便使所述传热元件返回到所述初始位置，在所述初始位置中每个所述传热元件的基部被定位成与所述两个热壁(22)和冷壁(24)中的一个壁或另一壁接触。

18.根据权利要求17所述的方法，包括：在先的将所述存储托架引入到水池(12)中的步骤以及后续的将装载有所述棒的托架从所述水池中取出的步骤。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，每个燃料棒具有至少等于7kW或8kW的功率。