CN104641420A - 无源冷却的乏核燃料池系统 - Google Patents

Abstract

一种无源冷却的乏核燃料池系统及其方法。在一个实施方式中，本发明提供了一种无源冷却的乏核燃料池系统，包括：乏核燃料池，其包括具有水平面的液态水体，至少一个乏核燃料棒浸在该液态水体中加热液态水体；覆盖乏核燃料池的盖子以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间；以及流体连接到蒸汽空间的无源热交换子系统，该无源热交换子系统配置成：(1)接收来自蒸汽空间的水蒸汽；(2)排除所接收的水蒸汽中的热能，从而冷凝水蒸汽以形成冷凝的水蒸汽；以及(3)将冷凝的水蒸汽返回到液态水体中。

Description

无源冷却的乏核燃料池系统

相关申请的交叉引用

本申请要求对2012年8月14日提交的美国临时专利申请61/683,030的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及一种用来无源(passively)冷却乏核燃料池的系统和一种无源冷却乏核燃料池的方法。

发明背景

乏燃料池是核电站燃料存储建筑内的一种水体(a body of water)，通常大约40英尺深并且装有燃料架，用来在换料停机期间存放反应堆上卸下的乏核燃料。乏燃料池将燃料保存在吸收燃料放射性及其衰变热的安全的水下结构中。燃料存于池水中的衰变热必须除去以防止池水的热堆积失控，后者会引起燃料池水的不希望的蒸发。在现有的核电站设计方案中，池中的水采用将其泵入热交换器的方法来冷却，其通常是采用核电站的部件冷却水来进行，这是一种闭环的已净化水流，可冷却核电站的各种设备而后再被自然水源来冷却，诸如湖水、河水、或海水。

这种传统的乏燃料池冷却系统存在几个缺点，最明显的缺点是池子的冷却依赖于泵和电动机来在热交换器两侧进行水的循环。在动力停机或某种其它事件使得泵和电动机不能工作期间，乏燃料池内的水会沸腾并会蒸发，这会引起燃料暴露于燃料池水的水平面之上。另一个缺点是水蒸汽连续地释放到核电站的燃料存放建筑中，这增加了建筑的湿度和温度，影响适居性(habitability)和增加HVAC(采暖通风与空调)负担。敞开的池子还会吸收来自环境空气中的灰尘和颗粒，将其转化为放射性物质，这些都必须从池中吸除、过滤和收集而作为污染废料来处理。

为此，需要一种可冷却乏燃料池的系统和方法，这种方法不依赖泵和电动机。另外，还需要一种系统和方法来降低核电站燃料存储建筑物内部的湿度。此外，需要一种防止灰尘和颗粒集中于乏燃料池内的系统和方法。

发明内容

本发明提供了一种无源冷却的乏核燃料池系统和方法，用来克服上述现有装置的缺陷。

一方面，本发明提供了一种无源冷却的乏核燃料池系统，包括：乏核燃料池，其包括：一种具有水平面的液态水体，至少一个浸在液态水体中的乏核燃料棒，以加热液态水体；覆盖乏核燃料池的盖子以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间，所述盖子包括第一盖子部分和第二盖子部分；以及第一隔板，其从盖子延伸一部分距离进入到液态水体内，将蒸汽空间分隔成位于第一盖子部分和液态水体之间的第一蒸汽空间部分和位于第二盖子部分和液态水体之间的第二蒸汽空间部分；以及无源热交换子系统，其包括：立管，包括具有设置在第一蒸汽空间部分内的第一进口的第一立管进口部分，具有设置在第二蒸汽空间部分内的第二进口的第二立管进口部分和主立管部分，其中立管接收来自第一和第二蒸汽空间部分的水蒸汽；至少一个溢流管(downcorner)流体连接到第一立管部分上，用来接收来自第一立管部分的水蒸汽，在至少一个溢流管内冷凝的水蒸汽形成冷凝的水蒸汽；以及至少一个回流管，流体连接到至少一个溢流管上，所述至少一个回流管具有位于液态水体内部的出口，用来将冷凝水蒸汽返回到液态水体中。

在另一个方面，本发明提供了一种无源冷却乏核燃料池系统，包括：一种乏核燃料池，包括：具有水平面的液态水体，浸在液态水体中的至少一个乏核燃料棒，加热液态水体；覆盖乏核燃料池的盖子，以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间，以及无源热交换子系统，包括；具有位于蒸汽空间内进口的至少一个立管，用来接收来自蒸汽空间的水蒸汽；流体连接到立管上的至少一个溢流管管道，用来接收来自立管的水蒸汽，水蒸汽在溢流管管道内冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及流体连接到至少一个溢流管管道上的至少一个回流管，回流管具有位于液态水体内的出口，用来将冷凝的水蒸汽返回到液态水体中。

另一方面，本发明提供了一种无源冷却的乏核燃料池系统，包括：一种乏核燃料池，包括具有水平面的液态水体，浸在液态水体中的至少一个乏核燃料棒，用来加热液态水体；覆盖乏核燃料池的盖子，以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间；以及流体连接到蒸汽空间的无源热交换子系统，该无源热交换子系统配置成：(1)接收来自蒸汽空间的水蒸汽；(2)将所收到的水蒸汽中的热能排除，从而对水蒸汽进行冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及(3)将冷凝的水蒸汽返回到液态水体中。

再一个方面，本发明提供了一种无源冷却乏核燃料池的方法，包括：a)用盖子覆盖乏核燃料池，从而在盖子和位于乏燃料池液态水体的水平面之间形成具有水蒸汽的蒸汽空间；b)水蒸汽无源地从蒸汽空间流过热交换子系统，从而排除水蒸汽中的热能以形成冷凝的水蒸汽；以及c)冷凝的水蒸汽无源地从热交换子系统流至液态水体中。

再一个方面，本发明提供了一种无源冷却乏核燃料池的方法，包括：a)用具有水平面的液态水体至少部分地填充乏核燃料池；b)在液态水体中浸入至少一个核燃料棒，所述至少一个核燃料棒加热液态水体；c)用盖子覆盖液态水体以在液态水体的水平面和盖子之间形成密封蒸汽空间，所述盖子包括第一盖子部分和第二盖子部分；d)将蒸汽空间分隔成位于第一盖子部分和液态水体之间的第一蒸汽空间部分，和位于第二盖子部分和液态水体之间的第二蒸汽空间部分；所述第一和第二蒸汽空间部分通过隔板形成彼此密封隔断；e)将热交换子系统流体连接到乏核燃料池上，该热交换子系统具有流体连接在一起的立管、溢流管管道和回流管，立管具有设置在第一和第二蒸汽空间部分每个内的进口，回流管具有设置在液态水体内的出口；以及其中，水蒸汽从第一和第二水蒸汽空间部分流到立管处并从立管处流入溢流管管道，其中，水蒸汽在溢流管管道内冷凝以形成冷凝水蒸汽，以及其中，冷凝的水蒸汽从溢流管管道流入回流管并从回流管流入液态水体中。

附图简要说明

下面结合附图，介绍本发明示例性实施方式的特性，附图中类似的部件都标有类似的符号，附图如下：

图1为根据本发明实施方式的核反应堆安全外壳(containment enclosure)的正面图；

图2为沿图1的II-II线剖开的安全外壳剖面图,示出了被安全外壳至少部分地包围的安全壳(containment vessel)；

图3为沿图2所示III-III线剖开的剖面图；

图4为沿图2所示IV-IV线剖开的剖面图；

图5为穿过安全外壳和安全壳的剖面示意图；

图6为图5的VI区的局部放大图；

图7为核反应堆安全外壳和图2所示安全壳的局部一般剖面示意图,示出了乏核燃料池和其中的核反应堆；

图8为根据本发明实施方式的乏核燃料池的剖面示意图；

图8A为图8的VIIIA区域的局部放大图；以及

图9为根据本发明另一个实施方式的核反应堆安全外壳和安全壳局部的一般剖面示意图,其中图8所示乏核燃料池被包含在安全壳内；

所有附图都是示意性的，并不一定成比例。

本发明的具体说明

下面参照示例性实施方式结合附图说明本发明的特征和益处。示例性实施方式的如下描述应与附图一起阅读，这些附图被认为是整个书面描述的组成部分。在本文所公开的本发明的实施方式的描述中，有关方向或方位的任何参照都仅仅旨在便于介绍，决不是来限定本发明的范围。相关术语，诸如“下方的”、“上方的”、“水平的”、“垂直的”、“在…正上方”、“在…正下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及这些术语的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)，都应被解释为是指当时所描述的或所述图所示的方位。这些相对术语都仅仅是为了描述方便，并不要求装置按特定方位来建造或操作使用。术语，诸如“附着”、“固定”、“连接”、“耦合”、“互连”，以及类似术语，都是指各个构件通过中间结构件以及活动或刚性固定件而直接地或间接地相互固定或连接的一种关系，除非另有明确说明。为此,很显然，本发明公开内容应不限定在这些示例性实施方式上，这些实施方式说明了发明特征的一些可能的非限定性结合形式，这些特性可以独立存在，也可以以其它结合形式存在。

同时参照图1和图2，这些附图示出了根据本发明实施方式的一种核反应堆安全壳系统100。该系统通常包括内安全结构，诸如安全壳200和外安全外壳300。安全壳200和安全外壳300为垂直细长型结构，容纳核电站的一些部件，诸如核反应堆和乏核燃料池。安全壳200和安全外壳300一起构成安全壳-外壳组件200-300。在某些实施方式中，安全外壳300和安全壳200可部分地埋入地下。安全壳200和安全外壳300的细节详见如下介绍和2013年5月21日提交的国际专利申请No.PCT/US13/42070，该申请全文在此通过引用并入本文。

在某些实施方式中，安全壳-外壳组件200-300可以由混凝土基础301来支撑，包括底板302和垂直延伸侧壁303，其从底板302向上立起并构成顶部基垫(base mat)304。侧壁303可以沿周向地包覆安全壳200下部209，如图2所示，其中，安全壳200下部209位于侧壁303内部。在一些实施方式中，侧壁303可以在安全壳200置于底板302(其可先浇注定型)上后浇注，从而将安全壳200下部209完全嵌入基础301内。在一些实施方式中，基础侧壁303的端部可伸至地下，以便对安全壳-外壳组件200-300提供附加防护，防止抛射物体撞击(例如，飞机撞击等)。基础301可以具有任何合适的俯视图布局，包括(但不限于)多边形(例如，长方形、六角形、圆形等)。

在一些实施方式中，安全外壳300可以为具有侧壁320的双壁结构，该侧壁由两个大体径向间隔而相互连接的同心壳体310(内)和311(外)形成，内外壳体310,311之间的环形空间内安装有普通的或钢筋混凝土312。在这些实施方式中，内外壳体310,311均采用任何合适坚固材料制成，诸如(但不限于)可方便焊接的韧性金属板(例如低碳钢)。也可使用其它合适金属材料，包括各种合金。在一个实施方式中(但不限于)，双壁安全外壳300可以具有厚度为六英尺或以上的混凝土312，确保足以承受高能抛射物体的撞击，诸如客机。

安全外壳300围绕着安全壳200并与安全壳200呈大体径向隔开，从而在安全壳200外表面251和安全外壳300内壳310之间形成散热空间(heat sinkspace)313。在一个实施方式中，该散热空间313可以是贮液区，这样，该散热空间313内充有液体，诸如水，从而形成散热区，在安全壳200内出现热能释放事故情况下，可用来接收并散去安全壳200的热量。散热空间也可用来散去来自位于安全壳200内部的乏核燃料池的热能，如下参照图7和图9将更详细介绍。在一个实施方式中，这种充水的散热空间313沿周向延伸整个360度，这样，散热空间313就是一个沿周向围绕安全壳200的环形空间。在一个实施方式中，从安全外壳300同心壳310,311底端314基垫304处流至安全外壳300同心壳310,311的大约顶端315处的液体填充散热空间313，形成安全壳200和安全外壳300内壳310之间的环形冷却水区域。在一些实施方式中，该环形贮液区可以被涂覆或者衬有合适的防腐材料，诸如铝、不锈钢，或者合适的用于防止腐蚀的防腐剂。在一个代表性的示例中(但不限于)，散热空间313可以大约10英尺宽，大约10英尺高。

在一个实施方式中，安全外壳300包括钢质穹顶316，其比较厚且硬度增强，可防止飞机和其它来袭抛射物体的撞击。穹顶316通过坚固的法兰接头可拆除地固定到壳体310,311上。在一个实施方式中，安全壳200的所有地上暴露部分都被安全外壳300全部包覆，外壳优选足够高，可保护安全壳200防止飞机事故或类似抛射物体的撞击，保持包围安全壳200的散热空间313内的水体(water mass)的结构完整性。在一个实施方式中，安全外壳300从地下垂直延伸至顶部的基垫304处。

安全外壳300可以进一步包括至少一个防雨的通风口317，其与散热空间313实现流体相通，和位于穹顶316与安全壳200之间的顶部空间318，以使水蒸汽流动、逸出并排到大气中。为此，在某些实施方式中，由于通风口317的作用，安全外壳300可被视为具有敞开的顶端。在一个实施方式中，通风孔317可位于穹顶336的中央，但本发明并不仅限于此，所述通风孔317可以位于别处。在其它实施方式中，可以设置多个通风孔，围绕穹顶316而大体径向彼此隔开。在一些实施方式中，通风孔317可以采用一小段管路来形成，其上覆盖有任何合适布局的防雨罩，以便蒸汽可以从安全外壳300逸出，但又将雨水的渗入降到最小。

在一些实施方式中，穹顶316和安全壳200之间的顶部空间318可以填充能量吸收材料或结构，以便将来自撞击或下落抛射物体作用在安全外壳300穹顶上的冲击载荷降到最小，抛射物体诸如(但不限于)客机、流星等。在一个示例中，多个紧密叠放的波状或波纹状可变形铝板可配置在顶部空间318的局部或整体，以形成皱褶区域，有助于吸收和耗散作用在穹顶316上的冲击力。

在该示例性实施方式中，安全壳结构200为细长形容器202，包括具有圆形横截面的空心圆筒形壳体204、上封头206和下封头208。在某些实施方式中，安全壳200可以被认为是一种导热安全壳，因为安全壳200是由导热材料(即，金属或诸如此类，如下所述)制成以及可用来将安全壳200内部的热量传输到散热空间313内。在一个实施方式中，安全壳200可以采用合适强度和韧性金属板和便于焊接的棒材制成，诸如(但不限于)低碳钢。在一个实施方式中，安全壳200的圆筒形壳204可以采用低碳钢形成，厚度至少为一英寸。可用于安全壳200的其它合适金属材料包括(但不限于)各种金属合金等等。

在一个实施方式中，安全壳200的重量可以主要由底板302来支撑，安全壳200驻留在该底板上，安全外壳300可以由基垫来支撑，而基垫则置于基础301侧壁303的顶上。可以使用其它合适的安全壳200和安全外壳300的支撑装置。在一个实施方式中，安全壳200的底部可包括具有加强筋的支架208a或类似结构，固定到下封头208上，有助于稳定并提供安全壳在基础301底板302上的水平支撑。

现在参照图3和图4进一步介绍本发明。图3示出了安全外壳300和安全壳200以及二者之间散热空间313的顶部剖面图，图4示出的是其纵向剖面图。如上所述，安全壳200具有内表面250和外表面251，内表面250形成安全壳200的内腔260。在示例性实施方式中，安全壳200具有多个热交换翅片220，从安全壳200的外表面251处延伸到散热空间313的贮液区内。然而，在所有实施方式中，本发明并不仅限于此，且在某些其它实施方式中，可以不用热交换翅片220。在示例性实施方式中，热交换翅片220围绕安全壳200壳体204周缘沿周向间隔分布，并从安全壳200大体径向向外延伸，延伸到散热空间313中。

下面仅参照图3，进一步介绍热交换翅片220。热交换翅片220在使用时具有多个有利功能，包括(但不限于)：(1)加强安全壳200的刚性；(2)防止在出现地震事故时散热空间313内的水过度“晃动”；以及(3)起传热“翅片”的作用，通过安全壳200将传导吸收的热量散到散热空间313的环境中。

为此，在一个实施方式中，为了将传热效率提高到最大，热交换翅片229沿大体上散热空间313整个高度垂直延伸，覆盖安全壳200的有效传热表面(即未埋入混凝土基础内的部分)，将来自安全壳200的热量传输到散热空间313的贮液区内。在一个实施方式中，热交换翅片220具有上水平端部217，其端部在安全壳200顶部216下方或底部附近，以及下水平端部218，其端部在混凝土基础301基垫304处或附近。在一个实施方式中，热交换翅片220的高度等于或大于安全壳200壳体204总高度的一半。

热交换翅片220可以采用钢(例如低碳钢)或其它合适金属材料制成，包括合金，均可在其中一个纵向延伸侧面上焊接到安全壳200的外表面251上。每个热交换翅片220的相对纵向延伸一侧位于安全外壳300内壳310内部附近，但并不永久固定到其上，将起散热翅片作用的加强筋的传热表面提高到最大。为此，热交换翅片220的未焊接侧面与安全外壳300内壳310之间留有小小间隙。在一个实施方式中，热交换翅片220大体径向向外延伸过安全壳200的顶部216。在一个典型示例中(但不限于)，钢质热交换翅片220的厚度为大约1寸。根据情况，也可使用其它合适厚度的翅片。为此，在一些实施方式中，热交换翅片220的径向宽度是热交换翅片220厚度的10倍以上。

在一个实施方式中，热交换翅片220相对于安全壳200呈现一定斜角。这个方向形成皱褶区，围绕安全壳200的周缘延伸360度，与外部的安全外壳300一起，更好地抵抗抛射物体的撞击。为此，引起安全外壳300内壳和外壳310,311向内变形的撞击会折弯热交换翅片220，其在这个过程中会将撞击力分散，不会直接传递到并破坏内部的安全壳200，否则，如果翅片取向与安全壳200成90°，则可能会破坏安全壳。在其它可能的实施方式中，根据安全外壳300的结构以及其它因素，热交换翅片220垂直于安全壳200配置也是合适的。

参照图3至图6，进一步介绍本发明。本发明包括无源热交换子系统340，其流体连接到乏核燃料池600上(见图7和图9，下面将更详细介绍)，后者位于安全壳200内并被其所包覆。无源热交换子系统340的运行细节将在下面参照图7和图9更详细地介绍。

在示例性实施方式中，无源热交换子系统340部分地包括至少一个溢流管管道341、进入歧管343和排出歧管344。在某些实施方式中，进入歧管343和排入歧管344都可略去。在示例性实施方式中，示出了密切表面接触的多个溢流管管道341，从而直接连接到安全壳200的内表面250上。此外，在某些实施方式中，进入歧管和排出歧管343,344也都可密切表面接触，并直接连接到安全壳200的内表面250上。

在某些实施方式中，溢流管管道341可采用金属制成，诸如钢，并可焊接到安全壳200的内表面250上。在示例性实施方式中，多个溢流管管道341沿周向围绕安全壳200周缘间隔，并与安全壳200的纵轴A-A平行延伸。在一个实施方式中，如图5和图6所示，溢流管管道341可包括垂直走向的C形结构通道(横截面)，这样配置可使得通道的平行支腿每个缝焊(seam we l ded)到安全壳200上，以便整个高度形成密封垂直流动管道。也可使用其它合适形状和配置的溢流管管道，只要溢流管管道内传输的流体与散热空间313实现热配合，以便将热量传输给散热空间313中，下面将详细介绍。

尽管所述和所示的溢流管管道341直接连接到安全壳200的内表面250上，但在所有实施方式中本发明并不限于此。在某些实施方式中，在安全壳200的内外表面250,251之间，溢流管管道341可以部分地或全部地直接形成为安全壳200。在这些实施方式中，在安全壳的内外表面250,251之间，安全壳200的厚度应足够支撑溢流管管道341。为此，溢流管管道341可以是管道或通道形式，在安全壳内外表面250,251之间，垂直延伸过安全壳200的本体。

在示例性实施方式中，每个溢流管管道341流体连接到进入歧管343和排出歧管344上，并在进入歧管343和排出歧管344之间延伸。在示例性实施方式中，每个进入歧管和排出歧管343,344为环形结构件，流体连接到每个溢流管管道341上。在示例性实施方式中，进入歧管和排出歧管343,344垂直间隔，在安全壳200内表面250上以合适高度配置，在由安全壳200各个部分所形成的有效热量传输区域，这些区域设有外部纵向翅片220和/或由散热空间313所包围，从而最大限度提高在溢流管管道341内垂直流动的流体和安全壳200之间的热量传输。为了利用散热空间313内贮液区来进行热量传输，进入歧管和排出歧管343,344均可分别位于散热空间313顶部和底部附近的安全壳200的内表面250。

在一个实施方式中，进入歧管和排出歧管344均可采用多个半段钢管形成，其直接焊接到安全壳200的内表面250上。在其它实施方式中，进入歧管和排出歧管343,344可采用完整段的弯曲管路来形成，该管路由安全壳200内表面250以任何合适方式支撑并固定到内表面上。在其它实施方式中，在安全壳200的内外表面250,251之间的空间内，进入歧管和排出歧管343,344可以在安全壳200中直接形成。在另外一些实施方式中，进入歧管和排出歧管343,344可以直接连接到溢流管管道341上，但与安全壳200的内表面250隔开。

在某些实施方式中，一些溢流管管道341可以连接到进入歧管和排出歧管343,344上，而另一些溢流管管道341则可不用连接到进入歧管和排出歧管343,344上，以便各种溢流管管道341可在安全壳200的内部无源冷却方面发挥不同的作用。在示例性实施方式中，由于溢流管管道341连接到进入歧管和排出歧管343,344上，进入到进入歧管343内的任何空气、液体或流体(如下将参照图7和图9详细讨论)都将向下流过溢流管管道341，流过溢流管管道341的空气、液体或流体将热量传输到散热空间313内，从而对流过溢流管管道341的空气、液体或流体实现冷却。为此，图4所示的每个溢流管管道341的向下指向箭头都表示空气、液体或流体的流动方向，在无源乏核燃料池冷却运行期间，其流过溢流管管道341，如下将参照图7和图9详细介绍。

根据冷却流过溢流管管道341流体所需要的热量传输表面区域，可设置任何合适数量和布局形式的溢流管管道341。溢流管管道341可均匀地或非均匀地配置在安全壳200的内表面250上，且在一些实施方式中，成组地溢流管管道341簇可沿周向分布在安全壳200的周围。溢流管管道341可以具有任何合适的横截面尺寸，这取决于所述管道和热量传输所需要运载的流体流量。

现在参照图7，将介绍安全外壳300和安全壳200内部的一个实施方式。安全壳200包围并容纳核反应堆500和乏核燃料池600。无源热交换子系统340按上述方式连接到安全壳200的内表面250上，尽管如上所述无源热交换子系统340的某些管道可直接在安全壳200中形成。无源热交换子系统340也可流体连接到乏核燃料池600上，以便无源地冷却乏核燃料池600，如下将详细介绍。

乏核燃料池600包括周侧壁601和底板602，一起形成内腔603。在示例性实施方式中，乏核燃料池600的周侧壁601和底板602采用混凝土制成，尽管在其它实施方式中也可使用通常用于乏核燃料池结构的其它材料。在乏核燃料池600内部设有具有水平面606的液态水体605，以及特别是，所述液态水体605填充了乏核燃料池600的内腔603。此外，至少一个乏核燃料棒607浸入液态水体605内。所述至少一个乏核燃料棒607具有较高热量，因此在乏核燃料池600内会加热液态水体605。无源热交换子系统340用来在乏核燃料池600内无源冷却液态水体605，防止液态水体605沸腾和蒸发，因为这会引起不可预期的情况，导致乏核燃料棒607暴露于液态水体605水平面606之上。

在示例性实施方式中，乏核燃料池600用盖子610覆盖。用盖子610覆盖乏核燃料池600可在液态水体605水平面606和盖子610之间形成密封蒸汽空间611。蒸汽空间611是一个在液态水体605水平面606和盖子610之间的充气空间。在液态水体605被浸入其中的乏核燃料棒607加热时，蒸汽空间611充满来自液态水体605的蒸汽或蒸发水。盖子610的使用防止了污垢和碎屑沉淀进入液态水体605内，从而减少了使用池子清洁系统的需要或次数。此外，盖子610抵御乏核燃料池600的湿度，即防止蒸汽空间611内的水蒸汽进入到安全壳200的内腔260内，从而减少了安全壳200内腔260内的HVAC负担，提高了对于操作人员/工人而言安全壳200内腔260的适居性。此外，在某些实施方式中，盖子610可以设计成具有扁平顶部，以便使得盖子610可用作安全壳200内部的工作区域或设备配置区域。

盖子610可采用任何期望的材料制成，包括(但不限于)混凝土、金属、金属合金、木材等。在所有实施方式中，盖子610不需要屏蔽辐射，因为根据必须屏蔽的程度，通常液态水体605便可实现辐射屏蔽。相反，盖子610可以用来在盖子610和液态水体605水平面606之间建立密封蒸汽空间611。能够实现这种密封蒸汽空间611的任何材料都可用于盖子610。

如上所述，无源热交换子系统340流体连接到乏核燃料池600上。特别是，无源热交换子系统340流体连接到蒸汽空间611和乏核燃料池600的液态水体605上。如上所述，无源热交换子系统340包括溢流管管道341、进入歧管343和排出歧管344。此外，在示例性实施方式中，无源热交换子系统340还包括立管370和回流管380。如下将详细介绍，无源热交换子系统340配置成可接收来自蒸汽空间611的水蒸汽，排除所收到的水蒸汽中的热能，从而冷凝成蒸汽，再将冷凝的水蒸汽返回到液态水体605中。结果，水蒸汽并不影响安全壳200内腔260内部的湿度，因为水蒸气保持处于密封蒸汽空间611内，然后流过无源热交换子系统340，并不进入到安全壳200的内腔260。此外，由于水蒸汽和冷凝的水蒸汽流过无源热交换子系统340，乏核燃料池600(特别是，其中的液态水体605)从而被无源冷却。

正如下面将要更详细介绍的，无源热交换子系统340包括或构成闭环流体流动管路。特别是，水蒸汽从乏核燃料池700(特别是，从乏核燃料池700的蒸汽空间611)流入立管370，从立管370流入进入歧管343，从进入歧管流入溢流管管道341，从溢流管管道341流入排出歧管344，从排出歧管流入回流管380，从回流管380流回到乏核燃料池700(特别是，流入乏核燃料池700内的液态水体705中)。于是，无源热交换子系统340形成了闭环流体流动管路，其从乏核燃料池700中提取被加热的水蒸汽，对被加热的水蒸汽进行冷却，形成冷却的冷凝水蒸汽，以及重新将冷却的冷凝水蒸汽送回到乏核燃料池700，从而无源冷却乏核燃料池700内的液态水体700。该系统和流体流过该系统的细节将在下面详细介绍。

在示例性实施方式中，无源热交换子系统340的立管370具有位于蒸汽空间611内的进口371。此外，无源热交换子系统340的回流管380具有位于液态水体605内的出口381。这样，当液态水体605被乏燃料棒607加热时，蒸汽空间611便充满了热的水蒸汽。水蒸汽通过立管370的进口371流入无源热交换子系统340。然后，水蒸汽在立管370内沿箭头A所示方向向上流动。

尽管上面已经介绍了溢流管管道341连接到安全壳200内表面250或与之表面紧密接触(即，共形表面接触(conformal surface contact))，但在某些实施方式中，立管370并不一定连接到安全壳200上。相反，可取的是，确保流过立管370的水蒸汽在立管370内时保持其热能，以便水蒸汽不会在立管370内上升时变冷。通过在水蒸汽流过立管370的同时保持水蒸汽的热能，确保热的水蒸汽在立管370内上升，然后在溢流管管道341内变冷，从而可以便于热虹吸(thermosiphon flow)。为此，在某些实施方式中，立管370与安全壳200的内表面250和其它表面隔开，以便立管370不与散热空间(即，散热空间313)进行热配合。在某些实施方式中，立管370也可包括隔热层。当水蒸汽在立管370内向上流动时，通过使水蒸汽的热能存留于立管370内，这种隔热层进一步确保水蒸汽在立管370内向上流动时不会冷凝。

然而，在所有实施方式中本发明并不限于上述情况，且在某些其它实施方式中，可以期望在水蒸汽于立管370内上升时会冷凝水蒸汽。在这些实施方式中，立管370可以连接到安全壳200内表面250上或与其表面紧密接触。或者，隔热层可不用，因为安全壳200内腔260温度小于立管370内水蒸汽的温度，随着时间推移会出现自然热能传输和自然冷却，为此，在水蒸汽上升时会冷凝。

水蒸汽会沿箭头A方向在立管370内继续流动，直到其被送入进入歧管343内。在示例性实施方式中，进入歧管343将立管370流体连接到一个或多个溢流管管道341上。这样，在进入到进入歧管343后，水蒸汽会流出进入歧管343而流入到一个或多个溢流管管道341内。如上所述，在某些实施方式中，溢流管管道341直接连接到安全壳200的内表面250上。结果，溢流管管道341与散热空间313内贮液区所建立的散热区实现热配合。由于溢流管管道341和散热区之间的这种热配合，热能从溢流管管道341所携带的水蒸汽向外传输到散热区(即，散热空间313内的贮液区)。特别是，来自水蒸汽的热能通过一个或多个溢流管管道341和通过安全壳200被传输到散热区。这样，通过将溢流管管道341内流动的水蒸汽的热量以自然蒸发形式排放到环境中，散热空间313和其内的贮液区可用作乏核燃料池6000内衰变热的散热器。当热能从水蒸汽传输到散热区时，水蒸汽在溢流管管道341内冷凝、冷却并形成冷凝的水蒸汽。

热能从水蒸汽传输到散热区促进水蒸汽自然无源地热虹吸流过无源热交换子系统340。特别是，热的水蒸汽在立管370内向上并在溢流管管道341内冷却。热的水蒸汽持续流过立管370并继续无源地推动水蒸汽流过无源热交换子系统340的闭环流体管路。

在水蒸汽在溢流管管道341内冷凝而形成冷凝的水蒸汽(即，液态水)后，冷凝的水蒸汽继续沿箭头B方向在溢流管管道341内向下流动。在一些实施方式中，冷凝水蒸汽的这种向下流动可以通过重力作用来实现。冷凝的水蒸汽从溢流管管道341流出并流入到排出歧管343。排出歧管344将溢流管管道341流体连接到回流管380上。这样，从排出歧管343处，冷凝的水蒸汽流入回流管380，经过回流管380，并从回流管380出口381流出，进入到液态水体605中。冷凝的水蒸汽与乏核燃料池600内的液态水体605相混合。

在一些实施方式中，因为上述热能传输作用，冷凝水蒸汽的温度低于乏核燃料池600内液态水体605的平均温度。热的水蒸汽继续从乏核燃料池600被排出，并作为被冷却的冷凝水蒸汽而再次被引入乏核燃料池600中。这样，通过使用无源热交换子系统340，乏核燃料池600(更确切地说，乏核燃料池600内的液态水体605)因为热的水蒸汽流出乏核燃料池600并将冷却的冷凝水蒸汽送回到液态水体605中而得到无源冷却。无源热交换子系统340促进了上述水蒸汽的热虹吸，无需使用任何泵或电动机。

在某些实施方式中，蒸汽空间611内的空气被部分地排放(即抽真空)到低于大气压，从而使得液态水体605的蒸发温度被降低到大约120°F和I80°F之间，更具体地说，在大约135°F和165°F之间，以及再更具体地说是大约150°F。排出蒸汽空间611内的空气可确保蒸汽空间始终充满水蒸汽，以便实现水蒸汽热虹吸流过无源热交换子系统340。

现在参照图8和图9，根据本发明的另一个实施方式来介绍乏核燃料池700。乏核燃料池700的某些特征类似于上述乏核燃料池600的特性。除使用700系列数字外,这些类似特性采用类似数字编号。

乏核燃料池700包括周侧壁701和底板702，一起构成内腔703。具有水平面706的液态水体705位于乏核燃料池700的内腔703内。至少一个乏核燃料棒707浸在液态水体705内。由于乏核燃料棒707非常热，乏核燃料棒707加热了液态水体705。这样，在某些实施方式中，采用无源热交换子系统340，液态水体705会继续被冷却以排除乏核燃料棒707所产生的热量，下面将详细介绍。

在示例性实施方式中，盖子710覆盖着乏核燃料池700并在液态水体705水平面706和盖子710之间形成密封蒸汽空间711。在示例性实施方式中，盖子710包括第一盖子部分721、第二盖子部分722和第三盖子部分723，一起覆盖着整个乏核燃料池700。虽然示例性实施方式中使用了三个不同的盖子部分，但在所有实施方式中本发明并不仅限于此。为此，在其它实施方式中，盖子710可包括仅仅两个盖子部分或盖子710可包括三个以上盖子部分。在某些实施方式中，盖子部分的数量与如下所述的隔板数量相对应(在某些实施方式中，盖子部分会比隔板多出一个)。

此外，在示例性实施方式中，第一隔板730自盖板710处部分地延伸入液态水体705中，第二隔板731自盖板710处部分地延伸入液态水体705中。每个隔板730,731为一种局部延伸的壁，局部延伸入液态水体705中。隔板730,731可以采用任何期望的材料制成，诸如金属、金属合金、混凝土等。第一隔板730自盖板710在第一和第二盖板部分721，722之间的部位处延伸进入液态水体705，第二隔板731自盖板710在第二和第三盖板部分722,723之间的部位处延伸进入液态水体705中。在某些实施方式中，隔板730,731可以直接连接到盖子710上，诸如，通过焊接、粘结、紧固件等，或者采用中间结构件而间接地联接到盖子710上。虽然示例性实施方式给出了两个隔板，但本发明并不限于此。为此，在其它某些实施方式中，仅仅只有一个隔板，或者两个隔板以上。在某些实施方式中，如果使用一个隔板时，则该盖子就有两个盖子部分，如果使用两个隔板时，则该盖子就有三个盖子部分，如果使用三个隔板时，则该盖子就有四个盖子部分，以此类推。

第一和第二隔板730,731的每一个都自盖子710延伸并进入液态水体705中，但并不是一直延伸到乏核燃料池700的底板上。在某些实施方式中，每个隔板730,731延伸到液态水体705深度的大约1/3和1/5之间，更确切地说，延伸到液态水体705深度的大约1/4处。为此，如果乏核燃料池700的深度为40英尺，第一和第二隔板730,731的每一个可以延伸到液态水体705中8到13英尺，或者更具体地说，延伸到液态水体705中大约10英尺。当然，第一和第二隔板730,731延伸深度可大于或小于上述数值，本发明并不受隔板730,731延伸入液态水体705深度的限制，除非权利要求书中另有特别说明。

由于第一和第二隔板730,731仅仅部分地延伸到液态水体705中,液态水体705能够在第一和第二隔板730,731下方流过。为此，整个液态水体705可在乏核燃料池700内自由流动，不受任何阻挡。然而，第一和第二隔板730,731将蒸汽空间711分隔成位于第一盖子部分721和液态水体705水平面706之间的第一蒸汽空间部分724，位于第二盖子部分722和液态水体705水平面706之间的第二蒸汽空间部分725，以及位于第三盖子部分723和液态水体705水平面706之间的第三蒸汽空间部分726。第一、第二和第三蒸汽空间部分724,725,726都通过隔板730,731和通过盖子部分721,722,723形成彼此密封隔离，以便第一蒸汽空间部分724内的水蒸汽不能流入第二或第三蒸汽空间部分725,726内，第二蒸汽空间部分725内的水蒸汽不能流入第一或第三蒸汽空间部分724,726内，以及第三蒸汽空间部分726内的水蒸汽不能流入第一或第二蒸汽空间部分724,725内。

在示例性实施方式中，垫片735连接到第一、第二和第三盖子部分721,722,723的每一个上(见图8A)。垫片735可以是一种环形橡胶垫片或任何其它类型的已知垫片，便于形成密封蒸汽空间部分724,725,726。这样，乏燃料池700就被一组沉重的盖子部分721,722,723所覆盖，周围具有密封装置，以便该空间(即，盖子部分721,722,723下方的蒸汽空间部分724,725,726)与盖子部分721,722,723上方的大气环境相隔绝。

在示例性实施方式中，来自第一、第二和第三蒸汽空间部分724,725,726的水蒸汽被引入到无源热交换子系统340中。在这方面，将水蒸汽从乏核燃料池700运至溢流管管道341的立管770(见图9)包括主立管部分771(见图9)、第一立管进口部分772、第二立管进口部分773和第三立管进口部分774。在示例性实施方式中，第一、第二和第三立管进口部分772,773,774均延伸到乏核燃料池700的混凝土周侧壁701内并穿过该侧壁。这种配置可以使得盖子部分721,722,723都可拆除/打开，不会影响无源热交换子系统340的进入/回流管路。

第一立管进口部分772具有位于第一蒸汽空间部分724内的第一进口775，第二立管进口部分773具有位于第二蒸汽空间部分725内的第二进口776，以及第三立管进口部分774具有位于第三蒸汽空间部分726内的第三进口777。为此，在各自的蒸汽空间部分724,725,726之内，第一、第二和第三进口775,776,777均位于液态水体705水平面706(即，最大水表面)的上方。水蒸汽从第一、第二和第三蒸汽空间部分724,725，726的每个流过无源热交换子系统340，这将在下面参照图9更详细介绍。

此外，如上所述，无源热交换子系统340包括回流管380。在示例性实施方式中，回流管380延伸过乏核燃料池700的混凝土侧壁701。回流管380的末端在位于液态水体705内的出口381处。虽然示例性实施方式中只示出了一个回流管380，但在其它实施方式中，可以使用不止一个回流管380，诸如每个蒸汽空间部分可具有一个回流管。

在某些实施方式中，每个第一、第二和第三蒸汽空间部分724,725,726内的空气都可部分地抽真空到低于大气压力，诸如，通过对蒸汽空间724,725,726的空气采用抽真空方法，从而使得液态水体705的蒸发温度降到大约120°F至180°F之间，更具体地说，在大约135°F至165°F之间，以及再更精确地说，大约150°F。抽取蒸汽空间部分724,725,726内的空气可确保蒸汽空间部分724,725,726始终充有水蒸汽，从而实现水蒸汽热虹吸流过无源热交换子系统340。

通过使用本发明的乏核燃料池700，根据在乏核燃料池700内安装或拆除新的燃料元件或燃料组件的需要，盖子部分721,722,723的任何一个都可与乏核燃料池700分离。当希望拆除盖子部分721,722,723的其中一个时，首先，由要移开的盖子部分721,722,723所覆盖的特定蒸汽空间部分724,725,726的压力被平衡到环境压力。然后，移开盖子部分721,722,723。在盖子部分721,722,723的其中一个被移开来进行燃料管理活动时，其它的盖子部分721,722,723则仍覆盖着乏核燃料池700。为此，例如，如果(但不限于)第一盖子部分721被移开时，第二和第三盖子部分722,723则保持不动。于是，第二和第三蒸汽空间部分725,726则仍继续为密封的蒸汽空间，以及第二和第三立管进口部分773,774则将继续接收来自第二和第三蒸汽空间部分725,726的水蒸汽并使所收到的水蒸汽流过无源热交换子系统340。因此，在某些实施方式中，乏燃料池冷却系统将继续一直在工作，即使在燃料管理活动期间，无需任何电动机或泵的协助。

现在仅参照图9，介绍在无源热交换子系统流体连接到乏核燃料池700上时，水蒸汽流过无源热交换子系统340的情况。由于第一、第二和第三蒸汽空间部分724,725,726均为彼此密封隔离，立管进口部分772,773,774的其中一个的进口775,776,777都位于第一、第二和第三蒸汽空间部分724,725,726的各自部分内。在示例性实施方式中，第一、第二和第三立管进口部分772,773,774的每个均会聚到主立管部分771中，这样，流过每个第一、第二和第三立管进口部分772,773,774的水蒸汽就都会聚到主立管部分771中。立管770的主立管部分771通过进口管道343而流体结合到一个或多个溢流管管道341上。更具体地说，立管770的主立管部分771流体连接到进口管道343上，而进口管道343则流体连接到溢流管管道341上。

尽管在示例性实施方式中，第一、第二和第三立管进口部分772,773,774会聚到主立管部分771上，但在所有实施方式中，本发明并不限于此。在某些其它实施方式中，第一、第二和第三立管进口部分772,773,774的每一个都会从其中一个蒸汽空间部分724,725,726单独延伸到进口管道343处。为此，主立管部分771可以省略，第一、第二和第三立管进口部分772,773,774可以并不会聚，但是却相反，每个单独将水蒸汽从蒸汽空间部分724,725,726输送至进口歧管343处，以便分配到溢流管管道341中。

主立管部分771和第一、第二和第三立管进口部分772,773,774的每一个都可包括隔热层，防止水蒸汽在立管770内流动时热量离开水蒸汽。此外，每个主立管部分771和第一、第二和第三立管进口部分772,773,774都可与安全壳200的内表面250隔开，防止水蒸汽在立管770内流动时热量从水蒸汽传输到散热空间中。

如上所述，进口歧管343与溢流管管道341流体连通。为此，水蒸汽从立管770向上流到进口管道343，在此处，水蒸汽然后流入溢流管管道341并在溢流管管道341内向下流动。如上所述，在某些实施方式中，溢流管管道250与安全壳200内表面250紧密接触或连接到其上。于是，水蒸汽在溢流管管道341内流动时，热量从水蒸汽传输，流过溢流管管道，流过安全壳200，进入到散热空间(即，散热空间313内的贮液区)。这种热能的传输冷却并冷凝了水蒸汽，将水蒸汽转换为冷凝的水蒸汽。

然后，冷凝的水蒸汽在重力作用下继续向下流过溢流管管道341。冷凝水蒸汽流入排出歧管344，然后从排出歧管344流入回流管380。从回流管380处，冷凝水蒸汽流过出口381并进入到液态水体705中。为此，通过使用无源热交换子系统340，乏核燃料池700内的液态水体705因为加热水蒸汽流出乏核燃料池700以及冷却冷凝水蒸汽流回乏核燃料池700内而得以无源冷却。

在某些实施方式中，本发明旨在提供一种通过使用上述部件对乏核燃料池进行无源冷却的方法。该系统的使用已经在上面进行了详细介绍，而这种方法是通过本发明的系统来实现的。具体地说，通过使用上述系统部件，本发明系统可以无源冷却乏核燃料池，为此，本发明提供了一种无源冷却乏核燃料池的方法。

除非另有说明，一般来讲，本文所述各个部件可以采用适合预计用途和使用条件的合适材料制成。所有管路和管道都是通常采用核工业标准管材制成。暴露于腐蚀或潮湿环境下的部件可以采用防腐金属(例如，不锈钢、镀锌钢、铝等)或经过涂覆，防止腐蚀。

尽管上面结合具体示例已经介绍了本发明，包括本发明目前的优选实施方式，但所属领域的技术人员都清楚，上述系统和技术仍存在多种不同形式和布局方式。人们很清楚，可以采用其它的实施方式，且可以进行结构上和功能上的改进，但都没有脱离本发明的范围。为此，本发明的精神和范围应该根据所附权利要求的主张而被宽泛地解释。

Claims (68)

1.一种无源冷却的乏核燃料池系统，包括；

乏核燃料池，包括:

具有水平面的液态水体，至少一个乏核燃料棒浸在所述液态水体中加热所述液态水体；

覆盖所述乏核燃料池的盖子，以在所述液态水体的所述水平面和所述盖子之间形成密封蒸汽空间，所述盖子包括第一盖子部分和第二盖子部分；以及

第一隔板，从所述盖子延伸一部分距离进入到所述液态水体内，将所述蒸汽空间分隔成位于所述第一盖子部分和所述液态水体之间的第一蒸汽空间部分和位于所述第二盖子部分和所述液态水体之间的第二蒸汽空间部分；以及

无源热交换子系统，包括；

立管，包括具有设置在所述第一蒸汽空间部分内的第一进口的第一立管进口部分，具有设置在所述第二蒸汽空间部分内的第二进口的第二立管进口部分，和主立管部分，其中所述立管接收来自所述第一蒸汽空间部分和所述第二蒸汽空间部分的水蒸汽；

流体连接到所述主立管部分的至少一个溢流管，用来接收来自所述主立管部分的所述水蒸汽，所述水蒸汽在所述至少一个溢流管内冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及

流体连接到所述至少一个溢流管的至少一个回流管，所述至少一个回流管具有位于所述液态水体内的出口，用来使所述冷凝的水蒸汽返回到所述液态水体。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括安全壳，所述安全壳包括具有限定内腔的内表面的圆筒形壳体，所述乏核燃料池被容纳于所述安全壳的所述内腔内。

3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括围绕所述安全壳的安全防护壳，在所述安全壳和所述安全防护壳之间形成散热空间。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述散热空间容纳水，以及其中所述至少一个溢流管连接到所述安全壳的所述内表面，使得来自所述水蒸汽的热量通过所述至少一个溢流管管道和所述安全壳传输到所述散热空间中的水。

5.根据权利要求2至4任一项所述的系统，进一步包括多个所述溢流管管道，其被采用周向间隔方式布置在所述安全壳的所述内表面周围，以及其中所述多个溢流管管道的每一个都与所述安全壳的所述内表面密切表面接触。

6.根据权利要求1至5任一项所述的系统，其中所述立管包括隔热层。

7.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其中所述冷凝的水蒸汽与所述乏核燃料池内的所述液态水体相混合。

8.根据权利要求1至7任一项所述的系统，其中所述第一隔板在所述液态水体中延伸到所述液态水体深度的大约1/3至1/5之间。

9.根据权利要求1至8任一项所述的系统，其中所述第一和第二蒸汽空间部分通过所述第一隔板和所述第一和第二盖子部分而将其彼此密封隔断，以便所述第一蒸汽空间部分内的所述水蒸汽不能流入所述第二蒸汽空间部分以及所述第二蒸汽空间部分内的所述水蒸汽不能流入所述第一蒸汽空间部分。

10.根据权利要求1至9任一项所述的系统，其中所述第一和第二蒸汽空间部分每个都是密封空间。

11.根据权利要求1至10任一项所述的系统，进一步包括连接到所述第一和第二盖子部分每个上的垫片，以建立所述密封蒸汽空间。

12.根据权利要求1至11任一项所述的系统，其中所述乏核燃料池进一步包括：

第三盖子部分；以及

第二隔板，其从所述盖子延伸一部分距离进入到所述液态水体内，所述第一和第二隔板将所述蒸汽空间分隔成所述第一蒸汽空间部分、所述第二蒸汽空间部分和第三蒸汽空间部分，所述第三蒸汽空间部分位于所述第三盖子部分和所述液态水体之间。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述立管进一步包括第三立管进口部分，其具有设置在所述第三蒸汽空间部分内的第三进口，所述第三立管进口部分自所述主立管部分延伸到所述第三蒸汽空间部分。

14.根据权利要求1至13任一项所述的系统，其中所述乏核燃料池的周壁采用混凝土制成，以及其中所述第一和第二立管进口部分延伸穿过所述混凝土。

15.根据权利要求1至14任一项所述的系统，其中所述第一和第二蒸汽空间部分每个都低于大气压。

16.根据权利要求1至15任一项所述的系统，其中所述无源热交换子系统进一步包括进口歧管，用来将所述立管流体连接到所述至少一个溢流管管道，和排出歧管，用来将所述至少一个溢流管管道流体连接到所述至少一个回流管。

17.根据权利要求1至16任一项所述的系统，其中所述无源热交换子系统包括闭环流体管路。

18.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：

核反应堆；以及

所述核反应堆、所述乏核燃料池和所述无源热交换子系统被容纳于导热安全壳内，所述至少一个溢流管管道连接到所述导热的安全壳上，以便来自所述水蒸汽的热量就通过所述至少一个溢流管管道和所述导热安全壳传输到散热区。

19.一种无源冷却的乏核燃料池系统，包括：

乏核燃料池，包括：

具有水平面的液态水体，至少一个乏核燃料棒浸在所述液态水体中，加热所述液态水体；

覆盖所述乏核燃料池的盖子，以在所述液态水体的水平面和所述盖子之间形成密封蒸汽空间；以及

无源热交换子系统，包括：

至少一个立管，具有位于所述蒸汽空间内的进口，用来接收来自所述蒸汽空间的水蒸汽；

至少一个溢流管管道，流体连接到所述立管，用来接收来自所述立管的水蒸汽，所述水蒸汽在所述溢流管管道内冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及

至少一个回流管，流体连接到所述至少一个溢流管管道，所述回流管具有位于所述液态水体内部的出口，用来使所述冷凝的水蒸汽返回到所述液态水体中。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述无源热交换子系统进一步包括：

进口歧管，将所述立管流体连接到所述至少一个溢流管管道；以及

排出歧管，将所述至少一个溢流管管道流体连接到所述回流管。

21.根据权利要求19至20任一项所述的系统，其中所述无源热交换子系统包括闭环流体管路。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述闭环流体管路包括所述水蒸汽从所述蒸汽空间流出，经过所述立管，进入所述至少一个溢流管管道，其中所述水蒸汽冷凝形成所述水蒸汽，以及所述水蒸汽从所述至少一个溢流管管道流出，经过所述回流管，流入所述液态水体。

23.根据权利要求19至22任一项所述的系统，进一步包括延伸一部分距离进入所述液态水体中的第一隔板，其将所述蒸汽空间分隔为第一蒸汽空间部分和第二蒸汽空间部分。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述盖子包括覆盖所述第一蒸汽空间部分以密封所述第一蒸汽空间部分的第一盖子部分，和覆盖所述第二蒸汽空间部分以密封所述第二蒸汽空间部分的第二盖子部分，其中所述第一和第二盖子部分每个都可彼此分离拆开。

25.根据权利要求24所述的系统，进一步包括具有位于所述第一蒸汽空间部分内的第一进口的第一立管，和具有位于所述第二蒸汽空间部分内的第二进口的第二立管。

26.根据权利要求25所述的系统，其中所述第一和第二立管都流体连接到进口歧管，所述进口歧管流体连接到所述至少一个溢流管管道。

27.根据权利要求25所述的系统，其中所述第一和第二立管都自所述蒸汽空间延伸到主立管部分，所述主立管部分流体连接到进口歧管，所述进口歧管流体连接到所述至少一个溢流管管道。

28.根据权利要求25所述的系统，其中所述第一隔板延伸到所述液态水体中，延伸至所述液态水体深度的大约1/3至1/5之间，使得所述液态水体就在所述第一隔板下方流过，并且使得所述第一蒸汽空间部分内的所述水蒸汽与所述第二蒸汽空间部分内的所述水蒸汽密封隔离。

29.根据权利要求19至28任一项所述的系统，进一步包括：

封闭所述乏核燃料池的导热安全壳；

位于所述导热安全壳外部的散热区；以及

所述至少一个溢流管管道，其连接到所述导热安全壳并与所述散热区热配合，使得来自所述水蒸汽的热量通过所述至少一个溢流管管道和所述导热安全壳而传输到所述散热区。

30.根据权利要求29所述的系统，进一步包括：至少部分地包围着所述安全壳的安全防护壳，形成在所述安全壳和所述安全防护壳之间形成的所述散热区的贮液区。

31.根据权利要求30所述的系统，其中所述贮液区是沿周向包围所述导热安全壳的环形空间。

32.根据权利要求29至31任一项所述的系统，进一步包括：

核反应堆，以及

封闭所述核反应堆的所述导热安全壳。

33.根据权利要求29至32任一项所述的系统，进一步包括：

多个所述溢流管管道，每个所述溢流管管道流体连接到所述立管和所述回流管；以及

其中，每个所述溢流管管道连接到所述导热安全壳的内表面。

34.一种无源冷却的乏核燃料池系统，包括：

乏核燃料池，包括具有水平面的液态水体，至少一个乏核燃料棒浸入在所述液态水体中，加热所述液态水体；

覆盖所述乏核燃料池的盖子，以在所述液态水体的水平面和所述盖子之间建立密封蒸汽空间；以及

流体连接到所述蒸汽空间的无源热交换子系统，所述无源热交换子系统配置成：(1)接收来自蒸汽空间的水蒸汽；(2)排除所接收的水蒸汽的热能，从而对所述水蒸汽进行冷凝以形成冷凝的水蒸汽；以及(3)使所述冷凝的水蒸汽返回到所述液态水体中。

35.根据权利要求34所述的系统，其中所述无源热交换子系统包括位于所述蒸汽空间中的至少一个进口和位于所述液态水体中的至少一个出口。

36.根据权利要求34至35任一项所述的系统，进一步包括散热区；以及其中所述无源热交换子系统包括至少一个立管，其接收来自所述蒸汽空间的所述水蒸汽，和至少一个溢流管管道，其接收来自所述至少一个立管的所述水蒸汽，所述至少一个溢流管管道与所述散热区为热配合，以将所述水蒸汽的热量传输到所述散热区，从而在所述至少一个溢流管管道中冷凝所述水蒸汽并促进所述水蒸汽热虹吸流过所述无源热交换子系统。

37.根据权利要求36所述的系统，进一步包括：

封闭所述乏核燃料池的导热安全壳；

位于所述导热安全壳外部的所述散热区；以及

所述至少一个溢流管管道连接到所述导热安全壳并与所述散热区热配合，从而来自所述水蒸汽的热量通过所述至少一个溢流管管道和所述导热安全壳传输到所述散热区。

38.根据权利要求37所述的系统，进一步包括：

至少部分地包围着所述导热安全壳的安全防护壳，以形成在所述安全壳和所述安全防护壳之间形成的散热区；以及

所述散热区是位于所述散热区空间内的贮液区。

39.根据权利要求38所述的系统，其中所述散热空间是沿周向包围所述导热安全壳的环形空间。

40.根据权利要求38至39任一项所述的系统，其中所述安全防护壳具有敞开的顶端。

41.根据权利要求38至40任一项所述的系统，进一步包括多个热交换翅片，其从所述导热安全壳外表面延伸到所述贮液区内。

42.根据权利要求37至41任一项所述的系统，进一步包括：

核反应堆；以及

封闭所述核反应堆的所述导热的安全壳。

43.根据权利要求37至42任一项所述的系统，其中所述无源热交换子系统进一步包括至少一个进口歧管，将所述至少一个立管流体连接到所述至少一个溢流管管道。

44.根据权利要求43所述的系统，进一步包括多个所述溢流管管道，沿周向间隔方式配置在所述导热安全壳内表面的周围。

45.根据权利要求36至44任一项所述的系统，其中所述至少一个立管包括隔热层。

46.根据权利要求34至45任一项所述的系统，进一步包括一个或多个隔板，自所述盖子延伸进入所述乏核燃料池，所述一个或多个隔板将所述蒸汽空间分隔成两个或更多个蒸汽空间部分。

47.根据权利要求46所述的系统，其中所述盖子包括两个或更多个盖子部分，每个所述盖子部分密封所述蒸汽空间部分中的一个，以及其中每个所述盖子部分可彼此分离拆开，以露出所述液态水体的水平面和所拆除的盖子部分之间的所述蒸汽空间部分。

48.根据权利要求47所述的系统，其中所述蒸汽空间部分中的每一个均低于大气压力。

49.根据权利要求46至48任一项所述的系统，其中所述无源热交换子系统包括位于每个所述蒸汽空间部分内的进口。

50.根据权利要求49所述的系统，其中所述无源热交换子系统包括至少一个立管，其具有主立管部分和两个或更多个立管进口部分，所述两个或更多个立管进口部分每个都包括位于所述蒸汽空间部分中的一个内的所述进口中的一个，所述两个或更多个立管进口部分每个都从所述蒸汽空间部分中的一个延伸到所述主立管部分，其中所述立管接收来自所述蒸汽空间部分的所述水蒸汽。

51.根据权利要求50所述的系统，其中，所述无源热交换子系统包括接收来自所述主立管部分的所述水蒸汽的至少一个溢流管管道，以及其中进口歧管将所述至少一个立管的主立管部分流体连接到所述至少一个溢流管管道，所述水蒸汽在所述至少一个溢流管管道内冷凝以形成冷凝的水蒸汽。

52.根据权利要求51所述的系统，其中所述无源热交换子系统进一步包括至少一个流体连接到所述至少一个溢流管管道上的回流管，用来使所述冷凝的水蒸汽返回到所述液态水体，其中所述至少一个回流管包括位于所述液态水体内的出口。

53.根据权利要求52所述的系统，其中所述无源热交换子系统进一步包括排出歧管，其将所述至少一个溢流管管道流体连接到所述至少一个回流管。

54.根据权利要求34至53任一项所述的系统，其中所述无源热交换子系统包括闭环的流体管路。

55.一种无源冷却乏核燃料池的方法，包括：

a)用盖子覆盖所述乏核燃料池，从而在所述盖子和位于所述乏燃料池内的液态水体的水平面之间形成具有水蒸汽的蒸汽空间；

b)所述水蒸汽无源地从所述蒸汽空间流过热交换子系统，从而将所述水蒸汽中的热能排出，以形成冷凝的水蒸汽；以及

c)所述冷凝的水蒸汽无源地从所述热交换子系统流到所述液态水体中。

56.根据权利要求55所述的方法，进一步包括，在步骤a)之后和步骤b)之前，从所述蒸汽空间排出空气以降低所述液态水体的蒸发温度。

57.根据权利要求55至56任一项所述的方法，其中，步骤b)包括：

b-1)所述水蒸汽无源地从所述蒸汽空间流入立管，所述立管具有设置在所述蒸汽空间内的开口；

b-2)所述水蒸汽无源地从所述立管流入一个或多个溢流管管道；以及

b-3)将所述一个或多个溢流管管道内的所述水蒸汽中的热能排除，以形成所述冷凝的水蒸汽。

58.根据权利要求57所述的方法，其中步骤c)包括：

c-l)所述冷凝的水蒸汽从所述一个或多个溢流管管道中无源地流入回流管中，所述回流管具有位于所述液态水体内的出口；以及

c-2)所述冷凝的水蒸汽从所述回流管无源地流入所述液态水体中。

59.根据权利要求57至58任一项所述的方法，其中所述一个或多个溢流管管道与散热区热配合，从而步骤b-3)包括将所述水蒸汽中的热量传输到所述散热区中。

60.根据权利要求59所述的方法，其中所述散热区为在容纳所述乏核燃料池的安全壳和至少部分地包围所述安全壳的安全防护壳之间形成的贮液区。

61.根据权利要求55至60任一项所述的方法，其中步骤a)包括：

a-1)通过将隔板部分地设置于所述液态水体内，将所述蒸汽空间分隔成第一蒸汽空间部分和第二蒸汽空间部分；

a-2)用第一盖子部分覆盖所述第一蒸汽空间部分；以及

a-3)用第二盖子部分覆盖所述第二蒸汽空间部分。

62.根据权利要求61所述的方法，其中所述第一蒸汽空间部分和所述第二蒸汽空间部分为密闭的并且彼此密闭隔离。

63.根据权利要求61至62任一项所述的方法，进一步包括：

a-4)从所述第一和第二蒸汽空间部分的每个中部分地抽取空气，以便所述第一和第二蒸汽空间部分每个都低于大气压。

64.根据权利要求61至63任一项所述的方法，其中步骤b)包括所述水蒸汽从所述第一和第二蒸汽空间部分的每个中无源地流过所述热交换子系统。

65.一种无源冷却乏核燃料池的方法，包括：

a)用具有水平面的液态水体至少部分地填充所述乏核燃料池；

b)在所述液态水体中浸入至少一个核燃料棒，所述至少一个核燃料棒加热所述液态水体；

c)用盖子覆盖所述液态水体，以在所述液态水体的水平面和所述盖子之间形成密闭的蒸汽空间，所述盖子包括第一盖子部分和第二盖子部分；

d)将所述蒸汽空间分隔成位于所述第一盖子部分和所述液态水体之间的第一蒸汽空间部分和位于所述第二盖子部分和所述液态水体之间的第二蒸汽空间部分；所述第一和第二蒸汽空间部分通过隔板彼此密封隔离，所述第一盖子部分覆盖所述第一蒸汽空间部分，以及所述第二盖子部分覆盖所述第二蒸汽空间部分；

e)将热交换子系统流体连接到所述乏核燃料池，所述热交换子系统具有彼此流体连接在一起的立管、溢流管管道和回流管，所述立管具有设置在所述第一和第二蒸汽空间部分每个内的进口，所述回流管具有设置在所述液态水体内的出口；以及

其中水蒸汽从所述第一和第二水蒸汽空间部分流到所述立管并从所述立管流入所述溢流管管道，其中所述水蒸汽在溢流管导管内冷凝以形成冷凝水蒸汽，以及其中所述冷凝的水蒸汽从所述溢流管导管流入所述回流管并从所述回流管流入所述液态水体中。

66.根据权利要求2至3任一项所述的系统，其中所述至少一个溢流管管道在所述安全壳内直接形成。

67.根据权利要求29至32任一项所述的系统，其中所述至少一个溢流管管道在所述安全壳内直接形成。

68.根据权利要求37至43任一项所述的系统，其中所述至少一个溢流管管道在所述安全壳内直接形成。