CN113168926A - 乏核燃料罐 - Google Patents

Abstract

一种用于存储乏核燃料的罐包括细长的壳体，封闭壳体底端的基板以及用螺栓固定在壳体上的可移动的顶盖。相比之下，壳体可以具有双重厚度，包括具有第一厚度的下部和具有较大的第二厚度的上部。上部由环形凸台形成，该环形凸台限定了壳体的紧固部分，该紧固部分包括用于接合盖螺栓的多个螺纹孔。在不同的实施例中，紧固部分可以径向向外或向内突出。盖上有容纳螺栓的安装凸缘，并位于外壳的顶端。安装凸缘不径向突出超过紧固部分的外表面，以尽量使罐的直径最小，以将其放置在防辐射的用于运输/存储的堆叠件或桶内。壳体可选地包括冷却翅片。

Description

乏核燃料罐

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年11月29日提交的美国临时申请No.62/772,986的权益，该临时申请的全部内容通过引用合并于此。

背景技术

本发明总体上涉及用于存储用过的或乏核燃料的系统，更具体地，涉及形成存储系统的一部分的改进的核燃料桶。

在核反应堆的运行中，核能源为填充有浓缩铀的中空锆合金管的形式，集中布置在称为燃料组件的多个组件中。当燃料组件中的能量消耗到一定的预定水平时，将用过的或“乏”核燃料(SNF)组件从核反应堆中移出。用于包装从轻水反应堆排出的用过的或乏燃料组件以进行场外运输或现场干燥存储的标准结构称为燃料篮。燃料篮本质上是棱柱形存储单元的组件，每个存储单元的尺寸确定为可存储一个燃料组件，该燃料组件包括多个单独的乏核燃料棒。燃料篮布置在圆柱形的金属存储罐(通常为不锈钢)内部，该存储罐通常被称为多功能存储罐(MPC)，形成了主要的安全壳。然后将罐放入形成第二容器的外部通风堆叠件(overpack)或桶中，以安全地运输和存储多个乏燃料组件。通风利用周围的冷却空气消散仍然由乏燃料散发出来的大量热量。

容纳在燃料罐内部的燃料篮中的用过的或乏核燃料被存储在罐内形成的惰性气体气氛中。在所有存储或运输条件下，保证乏核燃料散发出来的热和辐射与环境隔离是罐的一项基本设计要求。在现有技术中，通过在将乏燃料装入罐后(通常在水下，例如在核反应堆的乏燃料池中)将顶盖气密密封地焊接到罐壳上，从而满足了这种限制要求的保证。全焊接的罐保证了对内容物的限制，但是如果以后需要重新包装，则使存储的燃料难以取用。尽管已经成功开发并证明了用于从罐壳切断盖的盖切割工具，但切割操作本质上是剂量增加的(dose-accretive)，麻烦且费时的，在此过程中需要金属屑和润滑剂的管理。

需要对传统乏核燃料罐的改进以克服上述缺陷。

发明内容

为了克服现有技术中在核工业中目前使用的“全焊接”燃料罐结构中回收乏核燃料(SNF)内容物的前述限制，本文公开了一种新型的改进的乏核燃料罐，其不仅保持了罐结构坚固性的基本特征，以保护燃料，而且无需进行上述切割过程，并且在以最小的人力和对工人最小辐射的情况下，即可使燃料更易于获取。一些实施例还包括散热特征，用于显著提高罐的抗热能力，从而保证存储在其中的SNF的结构完整性。同样重要的是，本文公开的SNF罐有利地保持了具有密封焊接盖的现有罐的相同的优选的小尺寸和外形(即高度和直径)，从而允许新的罐在不修改现有的外部运输和存储堆叠件或桶的情况下互换使用。

根据本公开的SNF罐包括多种厚度的壳体和紧凑的带螺栓的封闭盖-壳体的接头，以易于接近内部的燃料内容物。这避免了上述的费时且繁琐的先前切割过程，在焊接盖的设计中，该先前切割过程是切断盖和壳体之间的焊接接头所必需的。在一个实施例中，本发明的盖可以直接用螺栓固定在壳体的顶部。

为了适应所需的螺栓连接和密封，提供了一种具有顶部紧固部分的多种厚度的壳体，该顶部紧固部分包括与壳体一体形成的呈环形安装凸台形式的增强结构。壳体的顶部紧固部分的横向壁的厚度大于其下方的壳体的壁部分的横向壁的厚度，从而为在螺栓连接的盖接头处接合螺栓提供了额外的支点。在一些实施例中，安装凸台的壁的厚度可以等于或大于下壳体壁的厚度的至少两倍。

在本文所述的各种实施例中，上环形安装凸台可以径向向内超出壳体的下部内表面向壳体的腔体内突出，或者替代地超出壳体的下部外表面径向向外凸出。壳体的凸台或紧固部分包括在紧固部分处形成在壳体顶部中的多个周向间隔开且向上敞开的螺纹孔。孔螺纹接合纵向延伸穿过盖的螺栓。提供内部和外部密封件，以密封SNF罐的安全壳腔体，并提供冗余的高完整性防漏层。

在一些优选实施例中，顶部安装凸台/紧固部分可以形成为壳体的一体式整体结构部分，其可以是单件式的。在其他实施例中，安装凸台/紧固部分可以是焊接到壳体的下部较小厚度部分上的分立元件式密封件。

封闭盖具有环形安装凸缘，用于容纳贯穿螺栓。凸缘位于罐壳的顶端。重要的是，安装凸缘不径向伸出上部紧固部分或下部外壳的外表面，以最大程度地减小将罐存储在用于运输/存储的外部防辐射堆叠件或桶内所需的罐的外径。这种独特的盖和螺栓构造及布置有利于实现紧凑的盖设计，从而将外桶的外径保持在可能的最小范围内，这是符合NRC10CFR71规定的设计的重要部分。尽管带螺栓的盖可用于散装辐射屏蔽的外部运输/存储桶，但此类散装设计不适合内部SNF罐，后者必须尽可能保持最小的外径和轮廓，而不会显著减少要存储在罐中的乏燃料组件的数量。

在一个实施例中，罐可进一步包括多个径向冷却翅片，其沿周向布置在壳体的外表面上以增强散热。翅片可以直接焊接到壳体的外表面，或者可以与壳体一体地形成以提供直接接触。这确保了从壳体到罐周围的外部环境的有效传导热传递路径，从而使翅片可以用作散热器。在一些构造中，翅片可以设置在由安装凸台形成的外部壳体的环形的360度凹进的下部区域中。通过将翅片定位在安装凸台下方的凹进区域中，在某些实施方式中，翅片不会沿径向向外突出超过罐的盖、壳体和底部基板，以保持罐包装的期望的较小外径，并且重要的是以保护翅片在乏燃料脱水、分级和运输过程中处理和移动罐时不受损坏。

一方面，一种用于乏核燃料存储的罐，其包括：纵向轴线；和沿纵向轴线延伸的细长壳体，该壳体包括顶端和底端；在壳体内部沿纵向轴线延伸的腔体，用于存储乏核燃料；基板，其连接到壳体的底端并封闭腔体的下部。封闭盖可拆卸地固定在壳体的顶端并封闭腔体的上部；多个安装螺栓纵向延伸穿过盖并与壳体的顶端螺纹接合；其中，所述罐被配置为放置在具有辐射屏蔽的外部堆叠件内部。

在另一方面，一种用于乏核燃料存储的罐，包括：竖直的纵向轴线；和沿纵向轴线延伸的圆柱形壳体，该壳体包括顶端、底端和外表面；内部腔体，其沿着纵向轴线在壳体的顶端和底端之间延伸，用于存储乏核燃料；基板，其附接到壳体的底端并封闭腔体的下部；封闭盖，其可拆卸地固定在壳体顶端并封闭腔体上部，该封闭盖具有圆形主体，该圆形主体包括第一部分和径向向外突出超过第一部分的第二安装凸缘部分；多个安装螺栓沿纵向延伸穿过盖的安装部分并与壳体的顶端螺纹接合；其中，盖的安装凸缘部分不径向向外突出超过壳体的外表面；其中，该罐被配置为放置在具有辐射屏蔽的外部堆叠件内部。

在另一方面，一种用于乏核燃料存储的罐，包括：竖直的纵向轴线；和沿纵向轴线延伸的圆柱形壳体，该壳体包括顶端和底端；腔体，其在壳体内部沿纵向轴线延伸，用于存储乏核燃料；基板，其附接到壳体的底端并封闭腔体的下部；封闭盖，其可拆卸地固定在壳体的顶端并封闭腔体的上部；多个安装螺栓纵向延伸穿过盖并与壳体的顶端螺纹接合；多个纵向延伸的冷却翅片从壳体径向向外突出，这些翅片在壳体周围沿周向间隔开；其中，盖的外表面与壳体的顶端的外表面基本齐平；其中，该罐被配置为放置在具有辐射屏蔽的外部堆叠件内。

一种用于存储乏核燃料的系统，该系统包括：纵向轴线；细长的外桶，其包括：具有双壁的第一壳体，其包括辐射屏蔽材料；第一盖，其附接到所述第一壳体的顶端；以及内部的第一腔体；细长的内部圆柱形罐，其位于第一壳体的第一腔体中，该圆柱形罐包括：沿纵向轴线延伸的具有单壁的第二壳体，该第二壳体包括顶端和底端；第二腔体在第二壳体内沿纵向轴线延伸，该第二腔体容纳乏核燃料；基板，其附接到壳体的底端并封闭第二腔体的下部；第二盖可拆卸地固定在第二壳体的顶端并封闭第二腔体的上部；多个安装螺栓沿纵向延伸穿过第二盖，并与形成在第二壳体的顶端的多个盲螺纹孔螺纹接合；形成于径向突出的安装凸台中的螺纹孔围绕第二壳体的顶端周向延伸，安装凸台的横向第一壁的厚度大于安装凸台下方的第二壳体下部的横向第二壁的厚度。

根据下文提供的详细描述，本发明的其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，详细说明和特定示例虽然指示了本发明的优选实施例，但是仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

通过详细说明和附图，将更加全面地理解本发明，其中，相似的元件被相似地标记，并且其中：

图1是根据本公开的用于存储和运输乏核燃料的桶和罐系统的局部剖视立体图；

图2是罐及其带螺栓的盖的俯视立体图。

图3是其仰视立体图。

图4是图3的第一细节图。

图5是图3的第二细节图。

图6是罐的分解立体图。

图7是图6的细节图。

图8是罐的侧视图。

图9是罐的俯视图。

图10是罐的侧视剖视图。

图11是取自图10的细节图。

图12是罐的盖的侧视剖视图。

图13是图12的横截面图。

图14是取自图13的细节图。

图15是罐和带螺栓的盖的第二实施例的俯视立体图。

图16是其底部立体图。

图17是第二罐的分解立体图。

图18是图17的细节图。

图19是第二罐的侧视图。

图20是第二罐的俯视图。

图21是图19的横截面图。

图22是取自图21的细节图。

图23是第二罐的侧视剖视图。

图24是取自图23的细节图。

图25是第二罐的盖的侧视剖视图。

所有附图均为示意图，不一定按比例绘制。除非另有说明，否则某些图中所示的特征与其他图中未编号的特征相同。

具体实施方式

在此通过参考示例性实施例示出和描述了本发明的特征和益处。旨在结合附图阅读示例性实施例的该描述，这些附图应被认为是整个书面描述的一部分。因此，本公开明确地不应该限于示出了可以单独存在或以特征的其他组合存在的特征的一些可能的非限制性组合的示例性实施例。

在本文公开的实施例的描述中，对方向或取向的任何引用仅旨在便于描述，而绝不旨在以任何方式限制本发明的范围。相对术语，例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“之上”、“之下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”，以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应解释为指的是当时所描述的方向或在所讨论的附图中所示的方向。这些相对术语仅是为了描述的方便，并且不需要以特定的方向构造或操作该设备。诸如“附接”、“附着”、“连接”、“联接”、“互连”和类似的术语是指一种关系，其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接，以及两者活动或刚性附接或关系，除非另有明确说明。

贯穿全文，本文公开的任何范围均用作描述该范围内的每个值的简写。可以选择该范围内的任何值作为该范围的端点。另外，本文引用的所有参考文献通过引用整体并入本文。在本公开中的定义与所引用的参考文献中的定义发生冲突的情况下，以本公开为准。

图1描绘了用于存储和运输放射性乏核燃料(SNF)的系统，该系统结合了具有根据本发明的紧凑的带螺栓的盖的乏燃料罐100。该系统通常包括限定竖直的纵向轴线LA的外部竖直的通风堆叠件(VVO)或桶20。桶20可具有复合结构，该复合结构包括外部圆柱形壳体22、内部圆柱形壳体23以及设置在壳体之间的环形区域中的辐射屏蔽材料24。在一些实施例中，屏蔽材料24可以包括混凝土、铅、含硼材料或这些或其他材料的组合，以有效地阻挡和/或衰减由被桶封闭的SNF发射的伽马和中子辐射。

桶20具有细长的主体，该细长的主体包括用于将罐100插入腔体28中的敞开的顶部27、底端25、在端部之间延伸的圆柱形侧壁29以及由内部壳体23限定的内部罐腔体28。腔体28沿着纵向轴线线LA从上端到下端完全穿过该桶延伸。在一个实施例中，腔体28的尺寸和横截面面积仅容纳单个SNF罐100。桶20包括与罐腔体28相邻的内表面23-1和相对的外表面22-1。桶201可以由单个长圆柱体组成，或者可以由多个轴向对准且垂直堆叠的圆柱体段形成，这些圆柱体段在各段之间的接头处密封地焊接在一起，以共同形成桶主体。

桶20的底端25可以例如通过周向密封焊接而由与其附接的圆形基座26封闭。圆柱形的罐支撑垫26-1可以设置在罐腔体28内部的基座26的顶部上，以支撑乏燃料罐100。在一个实施例中，垫可以由混凝土形成。桶20的腔体28可通过环境冷却空气通风以去除由存储在罐100内部的SNF发出的衰减热。因此，桶20可包括与腔体28的下部连通的一个或多个空气入口30和与腔体的上部连通的一个或多个空气出口31。空气通过入口30径向向内流动，通过腔体向上流动，并通过出口31径向向外流动(请参见气流方向箭头)。桶20的敞开的顶端27由可拆卸地安装在桶上的可移动盖封闭。在所示的一些实施例中，出口导管31可以形成在桶的盖和顶部之间。

图1-14更详细地示出了根据本公开的第一实施例的具有紧凑的带螺栓的盖的乏燃料罐100。如本文先前所述，本发明的罐有利地包括在可移除的顶部封闭盖与罐体之间的带螺栓的接头，从而有利地提供了其中的SNF的现成通道，以用于重新包装或其他目的。在下面的讨论中进一步描述了带螺栓的盖的接头。

罐100包括细长的圆柱形主体103，其包括单个壳体106，该单个壳体106包括敞开的顶部101，敞开的底部102以及沿着罐的竖直的纵向轴线LA在其间延伸的侧壁109。轴线LA与罐的几何垂直中心线重合。罐100还包括底部基板110和顶部封闭盖120。在一个实施例中，壳体106可以是由单一材料形成的一体式整体结构。

壳体106还包括内表面107和相对的外表面108。纵向延伸的燃料腔体105沿着纵向轴线LA在壳体的顶端101和底端102之间延伸。腔体105配置成容纳常规的燃料篮60，该燃料篮包括纵向延伸的燃料存储单元62的棱柱形阵列。燃料篮的单元62可以由一束细长的管61(示出)或可替代地互锁的单元分隔物限定。在本领域中，两种设计都被使用并且是众所周知的，不需要进一步的详细说明。本发明不受所使用的燃料篮的构造或配置的限制。单元62均被配置成用于容纳单个乏燃料组件，该单个乏燃料组件包含从反应堆堆芯移除的多个用过的燃料棒或乏燃料棒。这种燃料组件在本领域中是众所周知的，无需进一步阐述。乏燃料仍然散发出相当数量的衰减热，该衰减热通过外部桶20的空气冷却通风系统除去，如本文先前所述。

基板110气密密封地焊接到壳体106的底端102。在一个实施例中，基板的直径可大于壳体的底端，以使基板径向向外突出超过壳体(例如，参见图10)。如本文进一步描述的，该布置保护纵向冷却翅片140(如果提供的话)。在没有翅片的其他实施例中，基板110可具有与壳体106的底端相同的直径，以使得基板的向外侧面与壳体的外表面108基本齐平(例如参见图19)。

在图1-14中可见各种顶部封闭盖120的第一实施例。现在将更详细地描述图1-14。图10-12更详细地示出了盖。

在一个实施例中，盖120可以具有多个台阶状构造，其包括圆形主体，该圆形主体包括顶表面121、底表面122、与顶表面相邻的上部123、与底表面相邻的下部124以及中间部分125。如图所示，下部配置成用于插入到罐壳体106的腔体105的上部中。因此，下部的外径D4小于在腔体105内测得的至少壳体106的顶端101的内径D3。

中间部分125径向向外突出超过上部123和下部124，并且限定向上和向下暴露的部分，从而形成环形安装凸缘125-1，该环形安装凸缘125-1是带螺栓的盖-壳体的接头的一部分。安装凸缘的外径D5大于下部124的外径D4和壳体106的内径D3。优选地，在一个实施例中，直径D5与邻近壳体106的顶端101测量的壳体106的外径D1基本相同，使得凸缘125-1在径向方向上基本上不突出超过壳体。这有利地保持了罐100的狭窄轮廓和尺寸，这使得堆叠件或外桶20的内径保持尽可能小。因此，罐的整体直径(即D5和D1)与现有的具有密封焊接盖的SNF罐相对应。安装凸缘125-1的底侧(即，面向下的表面)限定环形密封表面125-2，该环形密封表面125-2配置成当将盖放置在其上时邻接并安置在壳体的顶端上(如图11)。密封表面125-2与壳体106的顶端101之间的界面优选地是平坦的。

盖120还包括在中间安装凸缘125-1和上部123之间的过渡处的环形台阶状上肩部177，以及在安装凸缘和下部124之间的过渡处的环形台阶状下肩部128。下肩部128在腔体105中接合壳体106的顶端的内侧边缘，以使盖在壳体上居中。下肩部128进一步提供密封界面，如本文进一步所述。

安装凸缘125-1包括完全穿过凸缘延伸的多个纵向螺栓通孔或洞126。在一个实施例中(见图10-12)，螺栓通孔126配置成用于容纳可以是螺栓的螺纹紧固件的至少带有部分螺纹的柄127-1。螺栓127还具有直径扩大的工具头127-2，该工具头127-2配置成用于接合工具并施加工具以拧紧或松开螺栓。工具头127-2的底侧接合安装凸缘125-1的面向上的表面(图11中最佳示出)。在一个优选实施例中，通孔126可以是不带螺纹的，但是在其他实施例中可以是带螺纹的。上部123可具有任何合适的外径D6，该外径D6小于中间部分125/安装凸缘125-1的直径D5，以提供至通孔126的通道以将螺栓插入其中。盖的螺栓优选地可以是细长的，例如在一些实施例中直径约为1/2英寸，具有长的螺纹长度(例如，至少4英寸长)。通过使用更多数量的较小直径的细长螺栓而不是少量的较大直径的螺栓，可以有利地将盖l20的径向投影保持为最小，而不会不利地影响盖至壳体的气密密封，进而使罐100的外径最小化。

螺栓通孔126沿周向布置在安装凸缘125-1的周围，并且沿周向间隔开，以覆盖凸缘的整个360度。优选地，通孔126均匀地间隔开，以在拧紧螺栓时在封闭盖120的整个周边上提供均匀的密封压力。通孔126的中心线均限定螺栓轴线BA。多个通孔126共同落在螺栓圆周BC上，限定该螺栓圆周BC与螺栓轴线BA相交并且围绕安装凸缘125-1周向延伸。

壳体106的顶端101包括形成在壳体106的主体的顶端中的多个周向布置且沿周向间隔开的螺纹插座或孔130。孔130垂直定向并向上敞开，以螺纹接收并接合螺栓127的柄127-1上的螺纹。因此，优选地，螺栓的柄127-1的至少下部是带螺纹的。孔130是盲孔，这意味着孔的底端是封闭的(如图11)。孔130落在螺栓圆周BC上，并因此通过盖在壳体上的适当旋转定位，每个孔130可以与盖的通孔126的螺栓轴线BA同轴对准。孔130形成在壳体的环形安装凸台132中的壳体106的内表面107和上部外表面108a之间，该环形安装凸台132限定了顶部紧固部分131，如下文进一步描述的。

为了在结构上加强罐壳体106的螺栓连接，壳106的顶端101被径向加厚以形成与壳体一体形成的向外突出的环形安装凸台132。凸台132围绕壳体的上部的整个圆周并且从壳体106的顶端101垂直向下延伸。在一个非限制性实施例中，凸台132可以高约6英寸。凸台限定了壳体的顶部紧固部分131，其顶部的横向壁的厚度T1(垂直于纵向轴线LA测量)大于在壳体的底端102和紧固部分131之间下方的壳体部分的壁的厚度T2。该额外的厚度提供了额外的支点，并在结构上增强了壳体106的顶端以形成螺纹孔130。在所示的实施例中，环形安装凸台132可径向向外突出超过壳体106下部的下部外表面108b，从而使壳体具有阶梯状的外表面108。因此，下部外表面108b从由凸台132限定的上部外表面108a径向向内凹陷，使得外表面108a位于圆形竖直平面中，该圆形竖直平面从壳体106的纵向轴线LA偏移并且与壳体106的纵向轴线LA间隔的距离比位于不同的圆形垂直平面中的下部外表面108b的距离远(如图11)。

值得注意的是，罐壳体106的安装凸台132/紧固部分131不同于仅在带螺栓的头凸缘的接头所用的壳体的顶端上形成的常规的径向突出的凸缘，其中紧固件的柄完全穿过配合的凸缘突出，螺母螺纹连接到底部裸露的柄部分上。相反，壳体106的当前安装凸台132/紧固部分131在壳体的顶端处是基本上更高的加厚部分，如图11所示，其提供了重要的功能，即在结构上增强壳体以形成带螺纹的盲孔130，而不仅仅是用于容纳带螺栓的盖-壳体接头。因此，优选地，本安装凸台132/紧固部分131的实施例的平行于纵向轴线LA测量的高度大于其径向/横向壁的厚度T1的至少三倍，并且在一些实施例中，大于至少五倍。

在优选实施例中，罐壳体106的上部外表面108a和下部外表面108b之间的径向偏移限定了向外敞开的环形凹部141，该环形凹部141围绕壳体的圆周延伸了整个360度。环形凹部从安装凸台132的底部延伸到底部基板110。

根据本发明的另一方面，罐100可包括多个纵向延伸的冷却翅片140，其从壳体径向向外突出。这提供了额外的冷却表面积，以散发存储在侧面罐100中的SNF发出的热量。翅片沿周向布置在壳体106的整个圆周上，并且沿圆周间隔开，优选地在它们之间为一致的间距而具有规则的间隔。翅片具有垂直长度，该垂直长度延伸为壳体的垂直长度的大部分，以最大化罐的有效传热面积。可以使用厚板坯料将翅片140与壳体一体形成为壳体的一体式整体结构部分，该厚板坯料用于壳体的加工以形成翅片。典型的板坯料可以是1-1/4英寸厚，并具有围绕罐壳体106的圆周以1-1/4英寸间距的3/4英寸高×1/2英寸厚的机加工矩形翅片。替代地，翅片140可以是焊接到壳体106的外表面108的分离结构。如图所示，翅片140可以是纵向笔直的结构，包括相对的侧面主表面和笔直的竖直纵向边缘。在一个实施例中，翅片140可具有楔形横截面，其中侧面主表面径向向外移动汇聚(在图14中最佳地示出)。在其他可能的实施方式中，侧面主表面可以彼此平行。在一种优选的布置中，翅片140可以设置在壳体106的下部外表面108b上，在壳体的扩大的安装凸台132-紧固部分131的下方。翅片140从安装凸台132的底部垂直延伸到罐的底部基板110。

在一种优选但非限制性的布置中，冷却翅片140可以完全设置在壳体106的向外敞开的环形凹槽141内。这保护了翅片在罐的处理和运输期间不受损坏，并且有利地保持了罐100的期望的较小外径，以用于存储在外部辐射屏蔽桶20中。因此，在该实施例中，翅片140不径向向外突出超过壳体106的上部增强紧固部分131(即，凸台132)。翅片还可以另外不径向地突出超过盖120的安装凸缘125。并且在一些实施例中，翅片还可以进一步不径向地突出超过罐100的基板110，以在处理罐期间最大程度地保护翅片免受结构损坏，并且使得翅片的径向突出最小以维持小的罐直径。

在一个实施例中，翅片140的顶端可以邻接环形凸台132的底侧(即，面向下的表面)(如图11)，或者在不接触的情况下在其附近终止。翅片140的相对的底端可以终止于邻近基板110但在基板110上方略微间隔的位置处，以提供用于将基板周向密封焊接到壳体的底端102的通路(如图5和10)。

对于具有中等热负荷的罐，其翅片表面可能足以保持罐内部SNF的峰值燃料包壳温度适中(定义为<300摄氏度)，因此有利地允许使用价格较低的惰性气体，例如用氮气代替氦气作为罐中的填充气体。

任何合适的金属材料都可以用于制造盖120、壳体106、板108和翅片140。在一个实施例中，不锈钢可用于防腐。易于焊接的铜镍合金和双相不锈钢也是可接受的材料。

上面讨论的纵向翅片140布置适用于竖直的存储罐，例如可从霍尔泰克国际公司获得的HI-STORM存储系统中的罐。在采用水平定向的罐的存储系统中，壳体上的翅片的方向必须是周向的(最好是螺旋形的)，以实现对散热的改善。周向定向的翅片也可以有效地用于消除在水平罐和支撑罐的轨道的连接处形成的隐藏缝隙。

图10和11示出了完全固定，螺栓连接并密封到罐壳体106的顶部紧固部分131的盖120。盖120的安装凸缘125的外表面125-3没有径向向外突出超过由壳体的环形安装凸台132限定的顶部紧固部分131形成的上部外表面108a。因此，表面125-3和108a位于相同的圆形垂直平面Vp中。占据壳体106上的环形凹口141的冷却翅片140的纵向边缘142没有径向向外突出超过顶部紧固部分131或盖120；边缘也位于相同的垂直平面Vp中。每个安装螺栓127竖直地穿过盖的中间安装凸缘125中的其相应的螺栓通孔126，并且经由穿过在壳体的顶端101处的面向上的环形端面111形成的螺纹孔130直接螺纹接合壳体。

为了使罐组件的外径保持最小以提供所需的紧凑的小外形的盖结构，该结构模仿现有的小外形焊接而不是用带螺栓的罐盖，用于包装在辐射屏蔽的外部堆叠件中，例如本文前面所述的桶20，如图图11所示，通过当前的盖建立的特殊的空间关系。罐100的纵向轴线LA与螺栓轴线BA/螺栓圆周BC之间的径向距离R1小于壳体106的上部外表面108a与轴线LA之间的径向距离R6以及盖的安装凸缘125的外表面125-3和轴线LA之间的径向距离R3两者。然而，径向距离R1大于轴线LA与壳体106的内表面107之间的径向距离R5，以及轴线LA与壳体腔体105内的盖下部124的外表面124-1之间的径向距离R4。径向距离R1也大于轴线LA与壳体106的外部下表面108b之间的径向距离R7。在一个实施例中，纵向轴线LA与盖上部123的外表面123-1之间的径向距离R2小于R1，R3和R6，但是大于R4和R5。在一个实施例中，R2可以与R7基本相同。

通过使罐的外径保持尽可能小，有利地最小化了外部运输/存储桶20的尺寸，这降低了制造成本并有利于利用起重设备来搬运大型的重桶。

为了将盖120密封到壳体106，提供了一对周向密封件，包括环形内部密封件150和环形外部密封件151。内部密封件150将盖的下部124密封到壳体106的内表面107。如图所示，可以提供活塞型密封件布置，其包括形成在盖下部124的外表面124-1中的朝外的环形活塞槽152，内部密封件150被保持在其中。当将盖120放置在壳体的顶部紧固部分131上时，较小直径的盖下部124被插入到壳体腔体105的上部中。内部密封件150沿着壳体的内表面107向下滑动，直到盖完全安置在罐上。

周向外部密封件151将盖120的阶梯状下肩部128密封到壳体106的顶部环形端面108。在端面108的最内侧拐角边缘处形成环形槽153，该环形槽153保持外部密封件151。内部密封件150和外密封件151形成两个独立的高完整性泄漏屏障，从而有利地创建了冗余保护，以防止气态物质从罐100内部泄漏。可以使用任何合适的环形密封件。在一个实施例中，密封件可以是由合适的密封材料(例如但不限于柔性弹性体材料)形成的O形环。

图15-25更详细地示出了根据本公开的第二实施例的具有紧凑的带螺栓的盖的乏核燃料(SNF)罐200。SNF罐200与罐100相似。为了简洁，相似的部分将不在附图中详细描述或编号。在设计上有一些明显的不同。例如，罐200的壳体206与罐100的壳体106基本相似，不同之处在于其不具有带有环形凹部的阶梯状外表面。而是，壳体的内表面是阶梯状的，如下文进一步所述。另外，如图所示，罐200可以是无翅片的，或者如果由SNF散发的热量很大，则罐200可以装备有外部冷却翅片。顶部封闭盖220具有与罐100的盖120不同的构造。但是，它将小外形的带螺栓的接头保持在罐壳体上，如下将进一步说明。另外，罐200的盖220具有不同的密封布置。

现在参考图15至图25，罐200包括细长的圆柱形主体203，其包括单个壳体206，该单个壳体206包括敞开的顶部201，敞开的底部202以及沿着罐的竖直纵向轴线LA在其间延伸的侧壁209。轴线LA与罐的几何垂直中心线重合。罐200还包括底部基板210和顶部封闭盖220。在壳体206的这种无翅片的实施例中，基板优选地不径向向外突出超过壳体的下部，以将罐的外径保持为最小以用于放置在外部辐射屏蔽的堆叠件或桶20内。在一个实施例中，壳体206可以是由单一材料形成的一体式整体结构。

壳体206还包括内表面207和相对的外表面208。纵向延伸的燃料腔体205沿着纵向轴线LA在壳体的顶端201和底端202之间延伸。腔体205的配置类似于罐100的腔体，以保持常规的燃料篮60，该燃料篮包括纵向延伸的燃料存储单元62的棱柱形阵列，如本文先前所述。

为了在结构上加强罐壳体206的螺栓连接，应使壳体206的顶端201径向加厚，但沿向内的方向形成均匀的外表面208，且形成阶梯状的内表面207。这与本文先前描述的罐100的壳体106不同，该壳体在向外方向上径向加厚。因此，壳体206包括在壳体206的顶端201处与壳体206一体形成的向内突出的环形安装凸台232。凸台206围绕壳体的上部的整个圆周延伸。凸台限定壳体206的顶部紧固部分231，其横向壁的厚度T3大于壳体的底端202与紧固部分231之间下方的壳体部分的壁的厚度T4。类似于本文先前描述的孔130的多个向上敞开的螺纹孔230围绕壳体206的顶端201布置并沿周向间隔开。孔230向上穿透壳体的环形端面211。

特别参照图23-25，在一个实施例中，盖220可以具有阶梯状构造，其包括圆形主体，该圆形主体包括顶表面221、底表面222、与顶表面相邻的上部223以及限定径向突出的环形安装凸缘225的下部，环形安装凸缘225是带螺栓的盖-壳体的接头124的一部分，邻近底表面并且在中间部分125中。安装凸缘具有的外径D10大于下部124的上部223的外径D11和在壳体106的紧固部分232处的内径D13。在上部和安装凸缘之间形成环形台阶270。优选地，在一个实施例中，直径D10与壳体206的外径D14基本相同，使得凸缘225在径向方向上基本上不向外突出超过壳体。这有利地保持了罐200的狭窄轮廓和尺寸，这使得外堆叠件或桶20的内径保持尽可能小。因此，罐的整体直径(即D11和D14)与具有密封焊接盖的现有SNF罐相对应。安装凸缘225的底侧(即，向下的表面)限定环形密封表面225-2，该环形密封表面225-2配置成用于在将盖置于其上时定位在壳体的顶端表面211上(如图24)。密封表面225-2与端面211之间的界面优选地是平面的，以容纳环形外部密封件251。在一个实施例中，密封件251可以是平面的自增力的或凸起的垫圈，其形成最外面的次级限制屏障以防止气态产物从罐腔体205泄漏到外部环境。可以使用任何合适的金属或非金属密封材料。

在当前的盖220设计中，需要注意的是，与本文先前描述的盖120相比，盖的任何部分都没有向下突出到罐腔205的顶部中。而是，提供了圆盘形的屏蔽板260，其直接位于腔体205的顶端的下方并位于腔体205的顶端的内侧，如图23-24所示。屏蔽板260的周向边缘由朝上的环形支撑表面261支撑，该环形支撑表面261由环形台阶形肩部限定，该环形台阶形肩部形成在壳体206的上部内表面207a中靠近其顶端201，但随着其垂直向下间隔开，如图所示。因此，支撑表面261形成在壳体的径向加厚的上部紧固部分232中。屏蔽板260形成罐200的主要安全壳边界的一部分。屏蔽板可以由内部密封件密封，该内部密封件可以包括设置在屏蔽件和盖200的底表面222之间的圆盘形隔板密封件250。在一个实施例中，屏蔽板和隔板密封件都可以由合适的金属材料形成，例如不锈钢。

罐200还包括盖120，其还包括在中间安装凸缘125-1和上部123之间的过渡处的环形台阶状上肩部127，以及在安装凸缘和下部124之间的过渡处的环形台阶状下肩部128。下肩部128在腔体105内部处接合壳体106的顶端的内侧边缘，以使盖在壳体上居中。下肩部128进一步提供密封界面，如本文进一步所述。

安装凸缘125-1包括完全穿过凸缘延伸的多个纵向螺栓通孔或洞126。在一个实施例中(如图10-12)，螺栓通孔126配置成用于容纳可以是螺栓127的螺纹紧固件的至少带部分螺纹的柄127-1。螺栓127还具有直径扩大的工具头127-2，该工具头127-2配置成用于接合工具并对其施加工具以拧紧或松开螺栓。工具头127-2的底侧接合安装凸缘125-1的面向上的表面(图11中最佳示出)。在一个优选实施例中，通孔126可以是不带螺纹的，但是在其他实施例中可以是带螺纹的。上部123可具有任何合适的外径D6，该外径D6小于中间部分125/安装凸缘125-1的直径D5，以提供通孔126的通道以将螺栓插入其中。

图23和24示出了盖220，其完全固定，螺栓连接并密封到罐壳体106的顶部紧固部分232。盖220的安装凸缘225的外表面225-1不径向向外突出超过由壳体的环形安装凸台232限定的顶部紧固部分231形成的外表面108。因此，表面125-1和208位于相同的圆形垂直平面Vp中。每个安装螺栓127竖直地穿过盖的安装凸缘225中的其相应的螺栓通孔226，并且经由穿过在壳体的顶端201处的面向上的环形端面211形成的螺纹孔230直接螺纹接合壳体。屏蔽板260在腔体205内的壳体206的顶端201中凹下，使得屏蔽板的顶表面不会向上突出超过壳体的顶端201。内隔板密封件250与外环形密封件251位于同一水平密封平面中。

如图24所示，当前盖220产生特殊的空间关系，以保持紧凑的盖和罐轮廓。罐200的纵向轴线LA与螺栓轴线BA/螺栓圆周BC之间的径向距离R10小于壳体206的外表面208与轴线LA之间的径向距离R11，以及小于盖安装凸缘225的外表面225-1和轴线LA之间的径向距离R13。R13和R11可以是基本相同的，从而提供了与壳体过渡部分和外表面齐平的盖。径向距离R10可以与轴线LA与外壳206的下内表面207b之间的径向距离R12基本相同。

尽管前面的描述和附图表示一些示例系统，但是应该理解，可以在不脱离所附权利要求的精神和范围以及等同范围的情况下在其中进行各种添加、修改和替换。特别地，对于本领域技术人员将清楚的是，在不背离其精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例、尺寸以及其他要素、材料和部件来实施。另外，可以对本文所述的方法/过程进行多种变化。本领域技术人员将进一步认识到，在不脱离本发明原理的前提下，本发明可以在结构、布置、比例、尺寸、材料和部件的许多修改下使用，并且用于本发明的实施，这些修改特别适合于特定的环境和操作要求。因此，当前公开的实施例在所有方面都应被认为是说明性的而不是限制性的，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定，并且不限于前述描述或实施例。而且，所附权利要求应被宽泛地解释为包括本发明的其他变型和实施例，本领域技术人员可以在不脱离本发明的等同范围的情况下做出这些变型和实施例。

Claims (28)

1.一种用于乏核燃料存储的罐，包括：

纵向轴线；

细长壳体，其沿所述纵向轴线延伸，该壳体包括顶端和底端；

腔体，其在所述壳体内部沿所述纵向轴线延伸，用于存储乏核燃料；

基板，其附接到所述壳体的底端并封闭所述腔体的下部；

封闭盖，其可拆卸地固定在所述壳体的顶端并封闭所述腔体的上部；和

多个安装螺栓，其纵向延伸穿过所述盖并与所述壳体的顶端螺纹接合；

其中，所述罐被配置为放置在具有辐射屏蔽的外部堆叠件内。

2.根据权利要求1所述的罐，其中，所述螺栓均与形成在所述壳体的顶部中的相应的向上敞开的螺纹孔螺纹接合。

3.根据权利要求2所述的罐，其中，所述螺纹孔穿过所述壳体的顶部的面向上的环形端面。

4.根据权利要求3所述的罐，当所述螺栓以周向且均匀间隔布置时，螺栓图案围绕所述壳体的顶部的环形端面延伸完整的360度。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的罐，其中，所述螺纹孔形成在邻近所述壳体的顶端的所述壳体的上部增强紧固部分中。

6.根据权利要求5所述的罐，其中，所述紧固部分的第一壁的厚度大于在所述紧固部分与所述壳体的底端之间的所述壳体的下部的第二壁的厚度，并且所述紧固部分的高度大于其第一壁的厚度的至少三倍。

7.根据权利要求5所述的罐，其中，所述紧固部分径向向外突出超过所述壳体的下部，并且限定了在所述紧固部分和所述罐的基板之间纵向延伸的向外敞开的凹入区域。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的罐，其中，还包括多个纵向延伸的冷却翅片，所述冷却翅片在凹部中从所述壳体径向向外突出。

9.根据权利要求8所述的罐，其中，所述翅片不径向向外突出超过所述壳体的上部增强紧固部分。

10.根据权利要求6所述的罐，其中，所述基板径向向外突出超过所述壳体的下部。

11.根据权利要求1所述的罐，其中，所述盖具有圆形盖体，所述圆形盖体包括：插入到所述壳体的腔体中的下部、上部、以及径向向外突出超过所述下部和所述上部的中间环形安装凸缘，所述螺栓纵向延伸穿过所述安装凸缘中的相应垂直螺栓孔，以接合所述壳体的顶部。

12.根据权利要求11所述的罐，其中，所述安装凸缘不径向向外突出超过所述壳体的顶部。

13.根据权利要求11所述的罐，其中，所述盖包括在所述安装凸缘和所述上部之间的过渡处的环形台阶状的上肩部，以及在所述安装凸缘和所述下部之间的过渡处的环形台阶状的下肩部。

14.根据权利要求11所述的罐，还包括：上部周向密封件，其布置在所述上肩部和所述壳体的顶部之间的界面处；和下部周向密封件，其布置在所述下部与所述壳体之间的界面处。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的罐，其中，所述盖体具有一体的整体结构，其包括所述上部、所述下部和所述安装凸缘。

16.根据权利要求1所述的罐，其中，所述盖被气密密封地焊接到所述壳体的底部，并且不径向向外突出超过所述壳体的顶部。

17.根据权利要求1所述的罐，其中，所述螺栓均限定有螺栓轴线，所述螺栓轴线与所述罐的纵向轴线间隔开第一径向距离，所述第一径向距离小于所述壳体的外表面与所述纵向轴线之间的第二径向距离。

18.一种用于乏核燃料存储的罐，包括：

竖直的纵向轴线；

沿所述纵向轴线延伸的圆柱形壳体，该壳体包括顶端、底端和外表面。

内部腔体，该内部腔体沿着所述纵向轴线在所述壳体的顶端和底端之间延伸，用于存储乏核燃料；

基板，其附接到所述壳体的底端并封闭所述腔体的下部；

封闭盖，其可拆卸地紧固在所述壳体的顶端并封闭所述腔体的上部，该封闭盖具有圆形主体，该圆形主体包括第一部分和第二安装凸缘部分，该第二安装凸缘部分径向向外突出超过所述第一部分；和

多个安装螺栓，其纵向延伸穿过所述盖的安装部分并与所述壳体的顶端螺纹接合；

其中，所述盖的安装凸缘部分不径向向外突出超过所述壳体的外表面；

其中，所述罐被配置为放置在具有辐射屏蔽的外部堆叠件内。

19.根据权利要求18所述的罐，还包括：环形周向密封件，其布置在所述壳体的顶部的面向上的环形端面与由所述盖的安装凸缘部分限定的面向下的环形表面之间的界面处。

20.根据权利要求18或19所述的罐，还包括圆形的辐射屏蔽板，其容纳在所述腔体的上部中并且由所述壳体支撑在其中，所述屏蔽板设置在所述盖的安装凸缘部分和所述腔体之间。

21.根据权利要求18至20中的任一项所述的罐，还包括圆形的隔板密封件，所述圆形的隔板密封件散布在所述屏蔽板和所述盖的安装凸缘部分之间。

22.根据权利要求18所述的罐，其中，还包括从所述壳体径向向外突出的多个纵向延伸的冷却翅片，所述翅片在所述壳体周围沿周向间隔开。

23.根据权利要求22所述的罐，其中，所述翅片不径向地突出超过所述罐的盖。

24.根据权利要求22或23所述的罐，其中，所述翅片不径向地突出超过所述罐的基板。

25.根据权利要求18所述的罐，其中，所述螺栓均与形成在所述壳体的顶部中的相应的向上敞开的螺纹孔螺纹接合。

26.一种用于乏核燃料存储的罐，包括：

竖直的纵向轴线；

圆柱形壳体，其沿所述纵向轴线延伸，该壳体包括顶端和底端。

腔体，其在所述壳体内部沿纵向轴线延伸，用于存储乏核燃料；

基板，其附接到所述壳体的底端并封闭所述腔体的下部；

封闭盖，其可拆卸地紧固在所述壳体的顶端并封闭所述腔体的上部；和

多个安装螺栓，其纵向延伸穿过所述盖并与所述壳体的顶端螺纹接合；和

多个纵向延伸的冷却翅片，其从所述壳体径向向外突出，该翅片在所述壳体周围沿周向间隔开；

其中，所述盖的外表面与所述壳体的顶端的外表面基本齐平；

其中，所述罐被配置为放置在具有辐射屏蔽的外部堆叠件内。

27.一种用于存储乏核燃料的系统，该系统包括：

纵向轴线；

细长的外桶，其包括：具有双壁的第一壳体，该第一壳体包括辐射屏蔽材料、附接到所述第一壳体的顶端的第一盖以及内部的第一腔体；

细长的内部圆柱形罐，其位于所述第一壳体的第一腔中，该圆柱形罐包括：

沿所述纵向轴线延伸的具有单壁的第二壳体，该第二壳体包括顶端和底端；

在所述第二壳体内沿所述纵向轴线延伸的第二腔体，所述第二腔体容纳乏核燃料；

基板，其附接到所述壳体的底端并封闭所述第二腔体的下部；

第二盖，其可拆卸地紧固在所述第二壳体的顶端并封闭所述第二腔体的上部；和

多个安装螺栓，其纵向延伸穿过所述第二盖，并与形成在所述第二壳体的顶端的多个盲螺纹孔螺纹接合；

形成于径向突出的安装凸台中的所述螺纹孔围绕所述第二壳体的顶端周向延伸，所述安装凸台的横向第一壁的厚度大于所述安装凸台下方的所述第二壳体的下部的横向第二壁的厚度。

28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述安装凸台的高度大于其第一壁的厚度的至少三倍。

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