CN105900178A - 固态发电机 - Google Patents

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Abstract

一种固态发电机，其响应于相对低水平的辐射场以为核发电设施内的紧急设备供电。电力从材料生成，该材料最初是非辐射的，当该材料被放置在相对低的中子和/或γ辐射场内时，能够产生电能，并且将基本上增殖材料，从而充分地增强由装置产生的电力，以允许装置将足够的电力提供给紧急设备，即使反应堆或者中子和/或γ辐射的其它的源已经关闭。

Description

固态发电机
发明背景
1、技术领域
本发明一般地属于发电机，并且更具体地属于响应于相对低的辐射环境发电的固态组件。
2、背景技术
日本福岛核电站的事件增强了较长时间内的电力损失对冷却核反应堆堆芯和乏燃料池的系统的可能后果的担忧。由于海啸的结果，存在着异地电力的损失，其导致全站断电时段。电力的损失关闭反应堆和乏燃料池冷却系统。由于浸没在乏燃料池中的高放射性乏燃料组件的加热引起的池的温度升高，在乏燃料池中的一些中的水通过汽化和蒸发而耗散。在延伸至将置换水泵送进入反应堆和进入池之前没有电力的情况下，燃料组件有可能会变成暴露的，其理论上会升高这些组件中的燃料棒的温度，可能导致这些燃料棒的包层内的缺口，以及放射性可能逃逸至环境中。破坏性海啸之后福岛单元所经历的设备和传感器的总的电力损失导致不能控制维持燃料组件冷却所需的阀功能。本发明的目的是提供一种装置，该装置能够被动地提供大大扩展核电站电池控制堆芯冷却和监控系统的能力所需的电流，从而能够使它们在全站断电期间继续执行所需的关键功能。
发明内容
通过具有导电外壳以及在导电外壳内支撑的辐射响应材料的固态发电机来实现这些以及其它目的。辐射响应材料响应于核发电设施内的背景辐射，该核发电设施在核反应堆的外部，但是在核燃料棒的附近，以产生足够的电力来操作或者基本上完全地给操作设施内的紧急设备的电池充电。绝缘体位于辐射响应材料和外壳之间。在一个实施例中，在背景辐射场内，辐射响应材料的电输出在给定的时间段内增加。在核反应堆的第一给定数目的操作循环之后，即使在反应堆关闭的情况下，由辐射响应材料产生的电力也足以操作或者基本上完全地给操作紧急设备的电池充电。
优选地，在被放置在背景辐射之前，辐射响应材料是非辐射的。此外，导电外壳可足够薄，以装入反应堆腔的壁和压力容器的外部之间的空间，核反应堆被支撑在反应堆腔内，压力容器容纳核反应堆的堆芯。
在一个实施例中，辐射响应材料是γ辐射体，其基本上夹在γ和电子辐射体中。在一个这样的实施例中，辐射响应材料是Co-59和钨的组合。优选地，导电外壳和辐射响应材料是柔性的。
在又一个实施例中，电绝缘体密封垫片支撑在外壳的后侧和γ辐射体之间，并且将外壳的后侧与形成集电器的外壳的前侧电绝缘。本发明还考虑包括这种固态发电机的核发电设施。
附图说明
当结合附图阅读时，可以从下面的具体实施方式获得对本发明的进一步理解，附图中：
图1是下文要求保护的原理的一个示例性优选实施例的侧视图的示意图；
图2是图1中例示的实施例的前视图；
图3是本发明的电流产生机制的示意图；
图4是反应堆腔的截面图，其中示出了本发明的发电机从反应堆腔的侧壁支撑，在反应堆腔壁与反应堆压力容器之间，至少部分地在周围延伸；
图5是图4中示出的反应堆腔的一部分的平面剖视图；以及
图6是乏燃料池的横截面示意图。
具体实施方式
图1示出了下文要求保护的原理的一个示例性优选实施例的示意图的侧视图，图2示出了其前视图。图1和2中例示的电流发生器是固态设备，具有外壳12，该外壳12具有通过绝缘体密封垫片基板18与后端16密封的导电前端14。辐射响应材料20被布置在外壳的前端14和绝缘体密封垫片面板18之间，其中绝缘26(诸如Al2O2)被布置在辐射响应材料20的两侧，在辐射响应材料20与外壳的前面14之间，以及辐射响应材料20与绝缘体密封垫片面板18之间。绝缘体密封垫片面板18保持电子被从最靠近外部γ辐射源(例如，反应堆容器)的一面“推”进装置内，从而防止消除由内部γ发射器生成的电子。
在该实施例中，辐射响应材料20由基本上夹在γ和电子辐射体(诸如钨)中的γ辐射体材料形成(例如，Co-59)，其中电引线28形成发射器，其传导待被供电的使用设备与电流发生器10之间的电子路径。外壳14的前部形成集电器。术语“γ辐射体”被用于表示响应于由入射辐射引起的材料中的衰变或者中子或者γ的俘获而发射γ的材料。类似地，术语“γ和电子辐射体”被用于表示响应于γ或者中子材料内的衰变或俘获而发射电子的材料。
图3示出了下文要求保护的本发明的该示例性实施例的电流产生机制的示意图。当设备10被中子和/或γ源30照射时，一些辐射衰变并且在辐射响应材料中被俘获，辐射响应材料发射电子，电子由铝外壳的前端14收集，从而建立从发射器28至集电器14流动的电流32。
γ辐射体(例如，Co-60)的表面积和厚度以及γ和电子发射体(例如，钨)的对应的表面积和期望的厚度可以由本领域技术人员调整，以在预期的中子和γ辐射场内获得所期望的电流生成。辐射体元件20和外部集电器14之间的绝缘26的厚度也可由本领域技术人员优化，从而产生最大的电流，而不会在装置的预期操作温度范围内，在两个区域之间遭受短路。
如图3所指示，该装置中的电流的主要来源是时间的函数，I(t)。装置中产生的是通过由中子和Co-59板中的Co-59相互作用生成的Co-60产生的γ辐射而在靠近钴-59板22的钨板24中产生的康普顿和光电散射电子。除了该电流产生的机理，当中子被材料(例如钨)俘获时释放的瞬发俘获γ辐射也会产生康普顿和光电散射电子，其具有足够的能量越过辐射体20和集电器14之间的间隙。装置的表面积可被做得非常大。该装置也可以是非常薄的和柔性的。
图4示出了潜在应用的示例。反应堆容器34支撑在反应堆腔36内，并且包围容纳核燃料组件的反应堆堆芯38。腔壁40在堆芯38的高度之上围绕容器34延伸，并且壁40在反应堆芯38的高度的至少一部分上支撑本发明的装置10。因此，该装置可被用于作反应堆容器腔的衬里，并且利用从反应堆容器34中泄漏出来的无用的中子和γ辐射来生成有价值的电流。图5示出了使装置10缠绕在腔壁40的至少一部分周围的反应堆腔的横截面的平面图。
图6示出了本装置到具有悬挂在冷却剂46内的乏燃料组件44的支架的乏燃料池42的另一潜在的应用。装置10可在如位置50处示出的冷却剂46的水位下面由池壁支撑，或者其可在如位置48所示的冷却剂液位之上从壁悬挂。多个装置10可围绕乏燃料池42散布，并且按需要串联或者并联，以满足其期望被供电的设备的要求。装置10可用于例如为用于补充从池中蒸发的冷却剂46的阀52供电，或者为用于从冷却剂46中移除热量的再循环系统54供电。
这样的操作原理可通过使用除了钴和钨之外的材料来实现。这种设计的重要的特征是使用当放置在相对低的中子和γ辐射场内时能够产生电能的材料，并且将基本上增殖材料，以充分地增强由装置产生的电力，以允许装置将足够的电力提供给电池，该电池为关键仪器和安全设备供电，即使反应堆或者中子和γ辐射的其它的源已经关闭。优选地，该装置最初是非辐射的。
在用于从西屋电气公司LLC可得的AP1000核反应堆系统的12英尺乘12英尺乘0.5英寸的装置中可由该装置的前容器部署生成的电流量的估计，可从关于容器腔内的标称中子通量和γ辐射剂量、Co-60的生成速率、钨内的俘获γ产生速率和钨的可用电流产生灵敏度(Mirion IST)的信息生成。该示例计算的结果表明，在一个操作循环后，跟着反应堆关闭，该装置将输出至少稳定的3安培的电流。利用γ辐射体以及γ和电子辐射体的厚度的适当的优化，该量可容易地增加十倍。该量随着时间线性地增加，直到相当数量的Co-59被转化成Co-60。在两个操作循环后，输出电流将有两倍大。
虽然已经详细记载了本发明的具体实施例，但本领域技术人员将理解的是，根据本公开的总体教导，可开发对这些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定实施例仅仅意在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围将被给予随附权利要求以及其任何和全部等价物的全部宽度。

Claims (20)

1.一种固态发电机(10)，包括：
导电的外壳(12)；
辐射响应材料(20)，支撑在导电的外壳(12)内，响应于核反应堆(34)外部但是位于核燃料棒(38)附近的核发电设施内的背景辐射(30)，以生成足够的电力来操作或者基本上完全地为操作设施内的紧急设备的电池充电；以及
绝缘体(26)，位于辐射响应材料(20)和外壳(12)之间。
2.如权利要求1所述的固态发电机(10)，其中在背景辐射(30)的场内，辐射响应材料(20)的电输出(28)在给定的时间段内增大。
3.如权利要求1所述的固态发电机(10)，其中在核反应堆(38)的第一给定数目的操作循环之后，即使反应堆关闭，由辐射响应材料(20)产生的电力也足够操作或者基本上完全地为操作紧急设备的电池充电。
4.如权利要求1所述的固态发电机(10)，其中辐射响应材料(20)在被放入背景辐射(30)内之前，是非辐射的。
5.如权利要求1所述的固态发电机(10)，其中外壳(12)足够薄以装入反应堆腔(36)的壁和压力容器(34)的外部之间的空间，核反应堆在所述反应堆腔(36)内支撑，所述压力容器(34)容纳核反应堆的堆芯(38)。
6.如权利要求1所述的固态发电机(10)，其中辐射响应材料(20)是基本上夹在γ和电子辐射体(24)中的γ辐射体(22)。
7.如权利要求1所述的固态发电机(10)，其中辐射响应材料(20)是Co-59和钨的组合。
8.如权利要求1所述的固态发电机(10)，其中外壳(12)和辐射响应材料(20)是柔性的。
9.如权利要求6所述的固态发电机(10)，包括电绝缘体密封垫片(18)，电绝缘体密封垫片(18)支撑在外壳的后侧(16)和γ辐射体(22)之间，并且将外壳的后侧(16)与形成集电器的外壳的前侧(14)电绝缘。
10.一种核发电设施，包括固态发电机(10)，所述固态发电机(10)包括：
导电的外壳(12)；
辐射响应材料(20)，支撑在导电的外壳(12)内，响应于核反应堆(34)外部但是位于核燃料棒(38)附近的核发电设施的背景辐射(30)，以生成足够的电力来操作或者基本上完全地为操作设施内的紧急设备的电池充电；以及
电绝缘体(26)，位于辐射响应材料(20)和外壳(12)之间。
11.如权利要求10所述的核发电设施，其中在背景辐射(30)的场内，辐射响应材料(20)的电输出(28)在给定的时间段内增大。
12.如权利要求10所述的核发电设施，其中在核反应堆(38)的第一给定数目的操作循环之后，即使反应堆关闭，由辐射响应材料(20)产生的电力也足够操作或者基本上完全地为操作紧急设备的电池充电。
13.如权利要求10所述的核发电设施，其中辐射响应材料(20)在被放入背景辐射(30)之前，是非辐射的。
14.如权利要求10所述的核发电设施，其中外壳(12)足够薄以装入反应堆腔(36)的壁和压力容器(34)的外部之间的空间，核反应堆在所述反应堆腔(36)内支撑，所述压力容器(34)容纳核反应堆的堆芯(38)。
15.如权利要求10所述的核发电设施，其中辐射响应材料(20)是基本上夹在γ和电子辐射体(24)中的γ辐射体(22)。
16.如权利要求10所述的核发电设施，其中辐射响应材料(20)是Co-59和钨的组合。
17.如权利要求10所述的核发电设施，其中外壳(12)和辐射响应材料(20)是柔性的。
18.如权利要求10所述的核发电设施，包括：
反应堆压力容器(34)，支撑在具有包围压力容器的至少下部的壁的反应堆腔(36)内；
其中外壳(12)至少部分地支撑在反应堆腔内，位于压力容器和壁之间。
19.如权利要求10所述的核发电设施，包括具有包围乏燃料(44)的壁的乏燃料池(42)，其中外壳(12)被支撑在乏燃料池中临近乏燃料处。
20.如权利要求15所述的核发电设施，包括电绝缘体密封垫片(18)，所述电绝缘体密封垫片(18)支撑在外壳的后侧(16)和γ辐射体(22)之间，并且将外壳的后侧(16)与形成集电器的外壳的前侧(14)电绝缘。
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