CN104937670A - 轮替式被动废燃料池冷却系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在没有内部和外部电力的情况下，例如在电站停电事故中，冷却核电站中废燃料池的被动冷却系统和方法。所述系统包括沿废燃料池的周边被形成的间隙、热阱、一个或多个导热构件、输送水以至少部分地充满所述间隙并将废燃料池产生的热量通过该间隙传递到至少一个用于给热阱传热的导热构件的水供应系统、以及用于开启和关停水供应系统的热开关机构。具体地，本发明的被动废燃料池冷却系统和方法在主动废燃料池冷却系统不可用或不可运行时是有用的。

Description

轮替式被动废燃料池冷却系统和方法
技术领域
本发明总体涉及核反应堆发电站的废燃料池的轮替式被动冷却系统和方法，具体地涉及在由于缺失内部和外部电力而导致的失去通常主动废燃料池冷却系统的情况下用于冷却废燃料池的机构。
发明背景
核反应堆发电站通过核反应堆内所包含的放射性材料的核裂变来进行发电。由于核反应的挥发性，核反应堆发电站以一种确保维持公众的健康安全的方式进行设计。
在常规核反应堆中，用于发电的放射性材料是核燃料。核燃料在燃料循环的寿命内被耗尽，即消耗。核燃料不被再利用，所以周期性地从核反应堆中取出废燃料。即使在取出后，废燃料仍继续产生强烈的热，被称为“衰变热”，并仍有放射性。衰变热会随时间以次幂级比率自然地衰减，但仍然产生需要水冷若干年的足够热量。因此，需要安全的存储设施来接收并存储废燃料。在核反应堆发电站(比如小型模块化反应堆和其他压水反应堆)中，废燃料池被提供作为废燃料在其从反应堆中被取出后的存储设施。废燃料池典型地以混凝土构造，并包括充足的水位，从而维持核燃料浸没水下。废燃料池典型地有至少40英尺深。水的品质也受到控制和监视，以防止燃料在废燃料池中劣化。另外，水不断地被冷却以取出池中的废燃料所产生的热量。
典型的核反应堆发电站包括主动废燃料池冷却系统，其被设计成能从废燃料池的水中取出所存储的废燃料产生的衰变热。“主动”冷却系统包括需要交流电来操作泵或阀、从而实现所需的冷却功能的系统。为了维持废燃料池水温在可接受的调控极限内以及防止废燃料池中的水的有害沸腾，衰变热的取出是必要的。在部分压水反应堆中，比如包含西屋被动堆芯冷却系统的AP1000方案中，废燃料池冷却系统是非安全相关系统。在其他压水反应堆设计中，比如非AP1000方案中，废燃料池冷却系统是安全相关系统。
主动废燃料池冷却系统典型地包括废燃料池泵，以循环来自废燃料池的高温水并通过换热器冷却所述水。冷却后的水被返回废燃料池。废燃料池冷却系统包括两个机械设备列。每个列具有一个废燃料池泵、一个废燃料池换热器、一个废燃料池脱矿质器以及一个废燃料池过滤器。所述两个设备列能共享公共的吸水和排水集管。另外，废燃料池冷却系统包括系统运行所必需的管系、阀和仪表。典型地，一个列持续地冷却和净化废燃料池，而另一个列用于送水、净化安全壳内置换料储水箱、或者调整作为运行中的设备列的后备。
图1示出了根据现有技术在正常运行期间的主动废燃料池冷却系统(SFPC)10。SFPC 10包括废燃料池5。废燃料池5包含从核反应堆(未示出)送入废燃料池5的废燃料(未示出)所产生的衰变热而导致的高温水位16。SFPC系统10包括列A和B。列A和B都被用于冷却废燃料池5中的水。如之前所述，常见的是操作列A或列B之一以持续冷却和净化废燃料池5，同时另一个列用作后备。列A和B每一个都包括SFPC泵25、SFPC脱矿质器和过滤器系统45。列A和B共享公共的吸水集管20和公共排水集管50。在列A和列B的每一个中，水通过吸水集管20离开废燃料池5，然后通过SFPC泵25被泵送到SFPC换热器30。在SFPC换热器30中，流动管道40使来自部件冷却水系统(CCWS)(未示出)的水流过SFPC换热器30然后回到CCWS。(从废燃料池5)进入SFPC换热器30的水的热量被传递给由流动管道40所提供的水，然后通过流动管道40返回CCWS。被冷却的水离开SFPC换热器30，并流过位于SFPC换热器30下游的SFPC脱矿质器和过滤器系统45。净化冷却后的水离开脱矿质器和过滤器系统45，通过公共排水集管50被输送，然后返回废燃料池5。
除了图1中所示的主动SFPC系统，现有技术中还采用被动设计，以在没有操作人员干预或外部电力的情况下减轻核反应堆中的意外事件。被动设计强调依靠自然作用力(比如增压气体、重力流动、自然循环流动、以及对流)的安全结构，并且不依靠主动部件(比如泵、风扇、或柴油发电机)。另外，被动系统被设计成在没有安全级支援系统(比如AC电源、部件冷却水、厂用水、以及HVAC)的情况下起作用。被动废燃料池冷却系统能被设计成使得用于废燃料保护的主要装置由被动装置提供，并依靠废燃料池库存水的沸腾来取出衰变热。
例如，如果假设主动废燃料池冷却系统彻底失去或失效，则由废燃料池中水的热容量来提供废燃料冷却。废燃料的衰变热被传递给池中的水，并且在一段时间后，引起水沸腾。池水的沸腾产生将衰变热能量传递到环境的非放射性蒸汽。在指定的时间段之后，需要将额外的水加入SFP以补充库存的沸腾损失。通过轮替式装置将补充水提供给废燃料池，以维持池水水位高于废燃料的顶部，池水的沸腾能继续提供衰变热的取出。废燃料池水的沸腾释放大量的蒸汽进入燃料装卸区。蒸汽与燃料装卸区的空气混合以形成蒸汽/空气混合物，蒸汽/空气混合物然后通过工程泄压盘被被动地排出到环境，从而降低燃料装卸区的温度。
废燃料池水的蒸发速率主要取决于池中燃料所产生的衰变热。所产生的衰变热的数量取决于燃料被卸入废燃料池的时间长短。在失去冷却后的头72个小时内，通常由安全相关的水源(比如废燃料池库存、存储在运输桶冲洗池中的水、以及来自燃料更换渠的水)来供应水。如果72小时后需要额外的补充水，来自被动安全壳冷却系统辅助储水箱的水能被提供给废燃料池。
本发明提供一种轮替式被动废燃料冷却系统和方法，其被用于在没有内部和外部电力(其中主动废燃料池冷却系统不能冷却废燃料池)的情况下，取出废燃料所产生的衰变热。
发明内容
在一个方案中，本发明提供一种用于核电站中的废燃料池的被动冷却系统，以在没有内部和外部电力的情况下提供冷却。所述被动冷却系统包括：间隙，所述间隙沿废燃料池的周边至少局部地形成且具有第一侧和第二侧；热阱；一个或多个导热构件，所述一个或多个导热构件具有被连接到所述间隙的第二侧的第一端和被连接到所述热阱的第二端，所述一个或多个导热构件被构造成从所述间隙传递热量到所述热阱；水供应系统，所述水供应系统包括：水源；和排水集管，所述排水集管具有被连接到所述水源的第一端和被连接到所述间隙的第二端；以及热开关机构，所述热开关机构具有开启位置和关停位置，所述热开关机构被构造成在处于所述开启位置时从所述水系统往所述间隙中送水，并且被构造成在所述关停位置时停止从所述水供应系统往所述间隙中送水。当所述热开关机构处于所述开启位置时，废燃料池中产生的热量被间隙中的水传导到所述间隙，通过所述一个或多个导热构件被传递到所述热阱。。
在某些实施例中，所述被动冷却系统能包括一个或多个导热的冷却翅片，所述一个或多个冷却翅片被附接到所述一个或多个导热构件的第二端，从而增强从所述一个或多个导热构件到所述热阱的衰变热传递。
另外，所述被动冷却系统能包括阀，所述阀位于所述排水集管内，并被构造成定位在允许水流入所述间隙的打开位置和防止水流入所述间隙的关闭位置。
另外，所述被动冷却系统能被并入包含压水反应堆的核电站。
在某些实施例中，所述间隙的第一侧由废燃料池衬板形成。所述间隙的第二侧由混凝土壁形成。所述间隙能是连续的或者所述间隙能被分隔成多个通道。
在某些实施例中，所述排水集管位于所述间隙的顶部处或顶部附近。当所述间隙被分隔成多个通道时，每个通道具有位于其中的排水集管。
另外，所述热开关机构能响应于外部电力缺失事件，在具有可运行以供给AC电力至主动废燃料池冷却泵的紧急柴油发电机或没有所述紧急柴油发电机的情况下开启。此外，当所有备用DC电力源耗尽时，所述热开关机构能响应于电站停电而开启。
在某些实施例中，所述热阱能选自以下项目构成的组：大量泥土、大量混凝土或大量用在废燃料池结构的地基或地板中的其他材料、以及它们的组合。
在另一个方案中，本发明提供一种在没有内部和外部电力的情况下被动地冷却核电站中的废燃料池的方法。所述方法包括：沿废燃料池的周边至少局部地形成具有第一侧和第二侧的间隙；提供热阱；以水至少部分地填充所述间隙；将来自所述废燃料池的热量传导通过至少部分地填充水的间隙；以及将热量从所述至少部分地填充水的间隙传递到所述热阱。
在某些实施例中，通过从水源经排水集管将水排入所述间隙中而至少部分地以水进行填充所述间隙。所述排水集管能包括控制水的流动的装置。所述装置能包括具有打开和关闭位置的阀。
所述间隙的第一侧是废燃料池的衬板，所述间隙的第二侧是废燃料池的混凝土壁。所述间隙被分隔成多个通道。每个通道能包括送水的排水集管。
在某些实施例中，所述方法包括通过以下步骤将热量从所述间隙传递到所述热阱：获得至少一个导热构件，将一端连接到所述间隙的第二侧，而将另一端连接到所述热阱；以及传导热量通过空气间隙，并通过所述至少一个导热构件将热量传递到所述热阱。
附图说明
图1示意地示出了典型的根据现有技术的主动废燃料池冷却系统。
图2示出了根据本发明某些实施例的被动废燃料池冷却系统的顶视图。
图3示意地示出了根据本发明某些实施例在正常运行期间的图2中所示的被动废燃料池冷却系统的水供应系统。
图4示意地示出了根据本发明某些实施例在电力缺失期间的图2中所示的被动废燃料池冷却系统的水供应系统。
图5示意地示出了根据本发明某些实施例在正常运行条件下的图2中所示的被动废燃料池冷却系统的被填充的集管和被关停的热开关。
图6示意地示出了根据本发明某些实施例在电力缺失事件中的图2中所示的被动废燃料池冷却系统的被排空的集管和被起动的热开关。
具体实施方式
本发明涉及用于冷却核反应堆发电站(包括比如小型模块化反应堆、其他压水反应堆和沸水反应堆方案在内)中的废燃料池的被动系统和方法。具体地，本发明的所述被动系统和方法被用在由于失去内部和外部电力(例如电站停电)所导致的正常主动废燃料池冷却系统丧失的事件中。
本发明包括采用了从废燃料池中取出衰变热的热阱。所述热阱能包括各种各样的吸热物质，比如土/泥、填充物比如岩块或混凝土、以及它们的组合。在某些实施例中，所述热阱是大量泥土、大量混凝土、或大量被用在废燃料池结构的地基或地板中的其他材料、及它们的组合。响应于电站停电事件，衰变热被从废燃料池中取出，然后被传递到所述热阱。所述热阱相对靠近废燃料池。在典型的核反应堆发电站设计中，废燃料池以及周围结构的设计和架构可以排除使用直接包围(例如临近)废燃料池的区域作为热阱。因此，需要提供一种将从废燃料池取出的热量传递到所述热阱的装置。所述传递装置是多样的。在某些实施例中，采用一个或多个高导热构件传递热量，比如热管。另外，在正常运行期间，需要一种机构来抑制从废燃料池到热阱的传热，从而使热阱在正常运行期间保持冷却以及在事故(比如电站停电)期间能发挥作用。
在本发明中，废燃料池壁的内侧表面被改造成沿废燃料池的至少部分周边设置间隙，从而形成内废燃料池壁和外废燃料池壁。因此，所述间隙的一侧由内废燃料池壁形成，所述间隙的另一侧由外废燃料池壁形成。内废燃料池壁由不锈钢内衬板形成，外废燃料池壁通常由混凝土构成，比如衬钢的增强混凝土。所述间隙的宽度和深度是多样的。外废燃料池壁之外的区域(例如在外侧)能被用作热阱。
在核反应堆发电站的正常运行期间，所述间隙包含空气以阻止来自废燃料池的热量的传导性流动。但是，在紧急状况下(比如电站停电)，所述间隙被至少部分地以水填充。水比空气更导热，例如更导热大约20倍。因此，热量从废燃料池传导到所述至少部分被水填充的间隙。
水能通过各种常规系统和方法被供应给所述间隙。在某些实施例中，水源被附接到与废燃料池外壁相连的排水集管或歧管，并向所述间隙排水或排尽水。水源是多种形式的，比如箱或容器。排水集管能包括失效安全被动阀，比如空气驱动电磁阀。在正常运行期间，所述阀能被关闭以防止水流入所述间隙，以及抑制通过导热构件的热传递。在电力缺失事件(例如电站停电)中，能利用存储的能量(典型地以压缩弹簧的形式)打开(例如失效打开)所述阀，从而允许水从水源流过排水集管，然后尽排入所述间隙。然后，导热构件被激活以从所述间隙向所述热阱传递热量。
在某些实施例中，所述间隙是沿着废燃料池周边的连续结构。在其他实施例中，所述间隙被分隔成多个通道。根据本发明，所述集管能围着废燃料池的周边连续地延伸，或者所述集管能对应于形成在所述间隙内的通道，从而使集管被定位在每个通道内。所述集管典型地被定位在所述间隙的顶部或顶部附近。
在紧急事故期间，热量被从废燃料池中取出，然后被传导通过所述间隙到达导热构件，比如热管。所述间隙的外废燃料池壁(例如混凝土壁，例如衬钢的增强混凝土)提供导热构件的附接点。这些导热构件能穿透外废燃料池壁，从而使一端靠近或接触所述间隙。导热构件的另一端能被直接或间接地连接到所述热阱。在某些实施例中，热管从废燃料池壁到热阱传热。一般地，所述热管利用中间流体的蒸发和冷凝产生非常强的热传导。
在某些实施例中，使用热开关机构来开启或关停强导热构件。在正常运行期间，例如当主动废燃料池冷却系统可用和可运行时，热开关机构被定位成关停强导热构件，从而抑制从废燃料池到热阱的传热。但是，在失去正常池冷却后，热开关机构被定位成开启强导热构件，从而允许热量从废燃料池中被取出并被传递到热阱。
图2示出了根据本发明某些实施例的轮替式被动废燃料池冷却系统1的顶视图。系统1包括废燃料池5’和沿废燃料池5’的周边形成的间隙7。所述间隙7由废燃料池5’的内壁9(例如衬板)和废燃料池的外壁11(例如次级混凝土壁)形成。间隙7的宽度13及其深度(未示出)是多样的。另外，图2中所示的是多个热管15，每个热管均具有第一端17和第二端19。第一端17被连接到外壁11，第二端19被连接到热阱23。在某些实施例中，第二端19被连接到散热器21。散热器21包括多个具有大表面积的金属导热冷却翅片22，所述翅片能将热量从位于多个热管15的第二端19处的集中位置散发到热阱23中的更大区域。图2仅示出了一个被连接到散热器21的第二端19，但是在某些实施例中，多于一个第二端19能被连接到散热器21。例如，在某些实施例中，多个热管15的每个第二端19被连接到散热器21。另外，图2示出了四个冷却翅片22，但是在某些实施例中，冷却翅片22的数量可以多于或少于四个。另外，在某些实施例中，冷却翅片22能被适于从集中位置散热的其他结构所取代。如之前所述，间隙7在正常运行期间被注入空气，并且在事故期间(比如电站停电时)被注水。在事故期间，热量从废燃料池5’被传导穿过间隙7进入第一端17，通过热管15离开第二端19，然后进入热阱23。
图3示出了根据本发明某些实施例的在正常运行期间用于控制进入所述间隙7(图2中所示)的水流的水供应系统25’。图3示出了被注入空气(未示出)的间隙7，和位于间隙7的顶部处或顶部附近的集管27。集管27被注入水(未示出)，水由连接到集管27的水箱26供应。集管27内设有厂电供电的电磁阀29，从而在正常运行期间保持通电和关闭。
图4示出了根据本发明某些实施例的在失去内部和外部电力期间(例如电站停电)用于控制进入所述间隙7(图2中所示)的水流的水供应系统25”。图4示出了图3中所示的间隙7、集管27、水箱26和电磁阀29。但是，在图3中，在正常运行期间，间隙7包含空气，且电磁阀29被关闭以防止水流入间隙，而在图4中，在断电期间，电磁阀29被打开以允许水从水箱26经过集管27流入间隙7。因为水比空气导热得多，所以热量被传导通过间隙7到达热管15和散热器21(图2中示出)，然后散发到热阱23内(图2中所示)。
图5示出了图2中所示的轮替式被动废燃料池冷却系统1的剖视图，其包括废燃料池5’、间隙7、内壁9、外壁11、热管15和第一端17。另外，图5示出了在正常运行条件下被填充的热开关集管32、无水的间隙7、以及被关停的热开关34。
图6示出了图2中所示的轮替式被动废燃料池冷却系统1的剖视图，其包括废燃料池5’、间隙7、内壁9、外壁11、热管15和第一端17。此外，图6示出了图5中所示的热开关集管32和热开关34。但是，在图6中，在事故条件下(例如电站停电)，热开关集管32是空的，间隙7被注入水(阴影所示)，热开关34被开启，从而使热量通过热管15传导进入热阱23(图2中所示)。
尽管本发明已经关于多个具体实施例被描述，但本领域技术人员将会明白在后附权利要求的精神和范围内本发明能以各种改动被实施。

Claims (20)

1.一种用于核电站中的废燃料池(5’)的被动冷却系统(1)，所述被动冷却系统在没有内部和外部电力的情况下提供冷却，所述被动冷却系统包括：
间隙(7)，所述间隙沿废燃料池(5’)的周边至少局部地形成且具有第一侧(9)和第二侧(11)；
热阱(23)；
一个或多个导热构件(15)，所述一个或多个导热构件具有被连接到所述间隙(7)的第二侧(11)的第一端(17)和被连接到所述热阱(23)的第二端(19)，所述一个或多个导热构件(15)被构造成从所述间隙(7)传递热量到所述热阱(23)；
水供应系统(25’,25”)，所述水供应系统包括：
水源(26)；和
排水集管(27)，所述排水集管具有被连接到所述水源(26)的第一端和被连接到所述间隙(7)的第二端；以及
热开关机构(34)，所述热开关机构具有开启位置和关停位置，所述热开关机构被构造成在处于所述开启位置时从所述水供应系统(25’,25”)往所述间隙(7)中送水，并且被构造成在所述关停位置时停止从所述水供应系统往所述间隙(7)中送水，
其中，当所述热开关机构(34)处于所述开启位置时，废燃料池(5’)中产生的热量被传导到所述间隙(7)，通过所述一个或多个导热构件(15)被传递到所述热阱(23)。
2.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，还包括一个或多个导热的冷却翅片(22)，所述一个或多个冷却翅片被附接到所述一个或多个导热构件(15)的第二端(19)，从而增强从所述一个或多个导热构件(15)到所述热阱(23)的热传递。
3.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，阀(29)位于所述排水集管(27)内，并被构造成定位在允许水流入所述间隙(7)的打开位置和防止水流入所述间隙(7)的关闭位置。
4.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，所述核电站包含压水反应堆。
5.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，所述间隙(7)的第一侧(9)由废燃料池衬板形成。
6.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，所述间隙(7)的第二侧(11)由混凝土壁形成。
7.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，所述间隙(7)是连续的。
8.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，所述间隙(7)被分隔成多个通道。
9.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，所述排水集管(27)位于所述间隙(7)的顶部处或顶部附近。
10.根据权利要求8所述的被动冷却系统(1)，其中，所述多个通道中的每一个具有位于其中的排水集管(27)。
11.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，所述热开关机构(34)能响应于外部电力缺失事件，在具有可运行以供给AC电力至主动废燃料池冷却泵的紧急柴油发电机或没有所述紧急柴油发电机的情况下开启。
12.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，当所有备用DC电力源耗尽时，所述热开关机构(34)能响应于电站停电而开启。
13.根据权利要求1所述的被动冷却系统(1)，其中，所述热阱(23)能选自以下项目构成的组：大量泥土、大量混凝土或大量用在废燃料池结构的地基或地板中的其他材料、以及它们的组合。
14.一种在没有内部和外部电力的情况下被动地冷却核电站中的废燃料池(5’)的方法，所述方法包括：
沿废燃料池(5’)的周边至少局部地形成具有第一侧(9)和第二侧(11)的间隙(7)；
提供热阱(23)；
用水至少部分地填充所述间隙(7)；
将来自所述废燃料池的热量(5’)传导通过至少部分地填充水的间隙(7)；以及
将热量从所述至少部分地填充水的间隙(7)传递到所述热阱(23)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，用水至少部分地填充所述间隙包括：
获得水源(26)；
从所述水源(26)将水排入被连接到所述水源(26)的排水集管(27)；以及
将水从所述排水集管(27)排入所述间隙(7)中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述排水集管(27)包括具有打开位置和关闭位置的流动控制阀(29)。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述间隙(7)被分隔成多个通道。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述排水集管(27)位于所述间隙(7)的顶部处或顶部附近。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个通道的每一个均具有位于其中的排水集管(27)。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，将热量从所述间隙(7)传递到所述热阱(23)包括：
获得至少一个导热构件(15)，所述导热构件具有一端(17)和另一端(19)；
将所述一端(17)连接到所述间隙(7)的第二侧(11)，而将所述另一端(19)连接到所述热阱(23)；以及
传导热量通过所述间隙(7)，并通过所述至少一个导热构件(15)将热量传递到所述热阱(23)。
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