CN117242530A - 用于核燃料存储的自动调节抗震系统 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，用于核燃料存储的自动调节抗震系统包括被配置为容纳核燃料的独立式第一燃料存储部件(FSC)，以及被配置为接收第一燃料存储部件的固定的第二FSC。形成在FSC之间的主体间间隙包括至少一个抗震组件。该组件包括固定地联接至第二FSC的固定楔形构件和与固定楔形构件接合并由固定楔形构件支撑就位的可移动的松动楔形构件。固定楔形构件限定倾斜承载表面，该倾斜承载表面与松动楔形构件的配合倾斜承载表面可滑动地接合。在地震事件或第一FSC的热膨胀期间，第一FSC朝第二FSC移动，这缩小了主体间间隙，并且松动楔形构件相对于固定楔形构件垂直位移，同时保持与其接合。

Description

用于核燃料存储的自动调节抗震系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年4月19日提交的美国临时申请No.63/176,496的优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开涉及核发电设施，并且更具体地涉及包括用于在地震事件期间支撑独立式核燃料存储部件的可滑动抗震组件的抗震系统和相关方法。

大型乏核燃料存储组件(例如装载核燃料并置于外部辐射屏蔽混凝土和钢制堆叠件或桶中的钢制多用途罐(MPC)，以及浸没在燃料池中的钢制乏核燃料架)属于核电站常规使用的“独立式组件”(FSC)类别。术语“独立式(free standing)”意味着这些燃料存储部件没有固定地或刚性地联接到另一结构上。这些FSC的设计必须能够承受由地震等事件引起的振动惯性载荷，而不损坏燃料存储容器的完整性。

为了减轻地震载荷的影响，必须对这种存储乏核燃料(SNF)的独立式组件(FSC)进行物理限制，以防止由施加在其上的振动力引起的发出格格声的运动以及可能对邻近结构的严重影响。在MPC的情况下，容纳MPC的存储桶的内壁必须受到保护，以免受地震事件期间的严重惯性负载和冲击。对于燃料池中浸没式湿式存储中的独立式燃料架来说，必须保护周边机架或其他相邻机架的相邻池壁免受FSC影响。FSC和相邻结构之间的小间隙(以下称为“主体间间隙”)，无论是固定的(如燃料罐的大型外部存储桶或钢筋混凝土燃料池壁的情况)，还是可移动的(如在燃料池中相邻燃料架的情况下)，对于促进FSC安装并允许其在运行期间的热增长以及适应地震事件期间由振动力引起的运动是必要的。在MPC情况下，由于这些核燃料存储组件中的SNF存储所发出的衰变热，FSC在运行期间仅径向热增长就可能高达±3/8英寸。

抗震装置的改进可以位于主体间间隙中，并且还可以在地震事件期间提供过度运动的限制，并在正常运行期间适应核燃料存储部件的热增长。

发明内容

本公开提供了一种配置用于核燃料存储的自动调节抗震系统。在一个实施例中，该系统在独立式第一燃料存储部件和相邻的第二燃料存储部件之间的主体间间隙处提供了两件式可滑动移动的抗震组件，该第二燃料存储部件可以是独立式的或本质上是固定的(例如，外部存储桶或燃料池竖直壁)。在另一个实施例中，提供了在两个独立式燃料存储部件之间使用的三件式可滑动移动的抗震组件。两个实施例在除了补偿一个或多个燃料存储部件的热膨胀或收缩之外，均有利地提供了在地震事件(例如，地震)期间防止燃料存储部件之间过度移动和碰撞的保护。

在一个方面，一种用于核燃料存储的自动调节抗震系统，包括：独立式第一燃料存储部件，其被配置为容纳核燃料并限定垂直中心线；固定的第二燃料存储部件，被配置为接收第一燃料存储部件；形成在第一燃料存储部件和第二燃料存储部件之间的本体间间隙；至少一个抗震组件，其设置在主体间间隙中并包括固定楔形构件和可移动的松动楔形构件；固定楔形构件固定地联接到第二燃料存储部件，固定楔形构件设置在本体间间隙中；固定楔形构件限定倾斜承载表面；可移动的松动楔形构件设置在主体间间隙中，该松动楔形构件限定倾斜承载表面，该倾斜承载表面与固定楔形构件的倾斜承载表面可滑动地接合；其中，在第一燃料存储部件的地震事件或热膨胀期间，第一燃料存储部件朝向第二燃料存储部件移动，这缩小了主体间间隙，并且松动楔形构件相对于固定楔形构件竖直位移。松动楔形构件的配置和操作使得当松动楔形构件垂直移动时，其倾斜承载表面沿着固定楔形构件的倾斜承载表面滑动并保持与固定楔形构件的倾斜承载表面接触。固定楔形构件的倾斜承载表面和松动楔形构件的倾斜承载表面都是平坦的，在其间限定平坦到平坦(flat-to-flat)的滑动界面。在各种实施例中，松动楔形构件和固定楔形构件由水平伸长的金属杆形成，该金属杆包括互补的弓形弯曲形或直形杆。

一种使用上述系统的方法，包括：独立式第一燃料存储部件沿径向或横向热膨胀；主体间间隙经由第一燃料存储部件的热膨胀而缩小；松动楔形构件沿着固定楔形构件垂直向上滑动，同时保持与固定楔形构件接触。

另一方面，一种用于核燃料存储的自动调节抗震系统，包括：独立式第一燃料存储部件，其被配置为容纳核燃料并限定垂直中心线；独立式第二燃料存储部件，其被配置为容纳核燃料并限定垂直中心线；形成在第一燃料存储部件和第二燃料存储部件之间的主体间间隙；至少一个抗震组件，设置在主体间间隙中，该抗震组件包括一对第一固定楔形构件和第二固定楔形构件以及设置在第一固定楔形构件和第二固定楔形构件之间的可移动双锥形楔形构件；第一固定楔形构件在主体间间隙内固定地联接至第一燃料存储部件；第二固定楔形构件在主体间间隙内固定地联接至第二燃料存储部件，并与第一固定楔形构件横向间隔开以在其间限定间隙空间；双锥形楔形构件设置在间隙空间中并由第一固定楔形构件和第二固定楔形构件可滑动地支撑；其中，在第一或第二燃料存储部件的地震事件或热膨胀期间，第一燃料存储部件之间的主体间间隙收缩，并且双锥形楔形构件相对于第一固定楔形构件和第二固定楔形构件垂直位移。

双锥形楔形构件限定在一侧上的第一倾斜承载表面和在相对侧上的第二承载表面，第一倾斜承载表面与第一固定楔形构件的相应倾斜承载表面可滑动地接合，第二倾斜承载表面与第二固定楔形构件的相应倾斜承载表面可滑动地接合。双锥形楔形构件的配置和操作使得当松动楔形构件竖直位移时，其倾斜承载表面沿着固定楔形构件的倾斜承载表面滑动并与之保持接触。双锥形楔形构件的第一和第二倾斜承载表面以及第一和第二固定楔形构件的倾斜承载表面是平坦的，限定了第一和第二固定楔形构件和双锥形楔形构件之间的平坦对平坦的滑动界面。在一个实施例中，双锥形楔形构件具有横截面为梯形的主体并且形成为水平伸长的直金属杆。第一固定楔形构件和第二固定楔形构件可以类似地构造和成形。

一种使用具有双锥形楔形构件以及第一固定楔形构件和第二固定楔形构件的前述系统的方法，包括：独立式第一燃料存储部件和独立式第二燃料存储部件中的至少一个沿横向热膨胀；主体间间隙经由第一燃料存储部件或第二燃料存储部件中的至少一个的热膨胀而缩小；双锥形楔形构件沿着第一固定楔形构件和第二固定楔形构件垂直向上滑动，同时保持与两个固定楔形构件接触。

附图说明

通过详细描述和附图，将会更加全面地理解本发明，其中相同的元件被类似地标记，并且其中：

图1是核燃料存储系统的第一实施例的侧面剖视图，该系统包括乏核燃料罐、外部辐射屏蔽存储桶以及设置在其间的根据本公开的抗震系统；

图2A是取自图1的放大细节，示出了处于第一操作位置的抗震系统的抗震组件；

图2B是图2A的放大细节,示出了可滑动地移动到第二操作位置的抗震组件；

图3是图1的横截面图；

图4是图3的放大细节；

图5是抗震组件的可移动的松动楔形构件的局部侧视图，示出了由图1的燃料罐的热膨胀施加在楔形构件上的反作用力；

图6是取自下面描述的图7的放大细节，示出了在两个独立式燃料存储部件之间使用的三件式抗震组件；

图7是根据本公开的核燃料存储系统的第二实施例的侧剖视图，该核燃料存储系统包括浸没在乏核燃料池中的核燃料架和包括至少两种不同类型的多个抗震组件；

图8是图7的两件式抗震组件之一放大细节；

图9是包含可存储在图1的燃料罐或图7的燃料架中的核燃料的矩形核燃料组件的立体图；

所有附图均被视为示意性的，不一定按比例绘制。除非本文另有说明，在某些附图中所示的编号的特征或项目与在其他附图中未编号的特征或项目是相同的特征或项目。

具体实施方式

本文通过参考可体现本公开的各方面的非限制性示例来图示和描述本发明的特征和益处。对示例的描述旨在结合附图或图片来阅读，附图或图片被视为整个书面描述的一部分。因此，本公开明确地不应限于示出可以单独存在或以本文所公开的特征的其他组合形式存在的一些可能的非限制性特征组合的示例。

在本文公开的示例的描述中，对方向或方位的任何引用仅旨在方便描述并且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”、“上面”、“下面”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当被解释为指的是当时所描述的或所讨论的附图中所示的方向。这些相对术语仅是为了描述方便，并不要求装置以特定方向构造或操作。诸如“附接”、“固定”、“连接”、“联接”、“互连”等术语是指其中结构固定或直接或间接地通过介入结构相互附接的关系，以及可移动或刚性附接的关系，除非另有明确说明。

如全文所使用的，本文公开的任何范围用作描述该范围内的每个值的简写。可以选择范围内的任何值作为范围的端点。

图1是包括根据本公开的用于核燃料存储的自动调节抗震系统102的第一实施例的第一核燃料存储系统100的侧面剖视图。图2-4是附加视图及其细节。

参考图1至图4，燃料存储系统100包括圆柱形乏核燃料罐110(即，一个燃料存储部件)和圆柱形外部存储堆叠件或桶130(另一燃料存储部件)。

罐110是竖直细长的燃料存储部件或容器，其限定竖直中心线Vc并具有包括外壳体111的圆柱体110a，外壳体111限定如图1示意性地示出的容纳乏核燃料(SNF)的内腔113。外壳体111限定从罐的顶部延伸至底部的竖直且周向延伸的圆柱形侧壁111a。SNF可以是图8所示的燃料组件124的形式。燃料罐可以是任何合适的市售罐，例如可从新泽西州卡姆登的霍尔泰克国际公司获得的多用途罐(MPC)。这种罐在本领域中是众所周知的，无需进一步详细说明。燃料罐110优选地由不锈钢构造并且是气密密封的容器，其包括密封焊接至罐的竖直外壳体111的圆形盖115和底板114。罐110为存储在其中的核燃料提供主安全壳，但当从核电站的乏燃料池121中移除时(在水下罐装载有核燃料，这在潮湿的环境中提供辐射屏蔽)，罐110无辐射屏蔽。

当燃料罐110离开燃料池121时，存储桶130为燃料罐110提供辐射屏蔽(也参见图7)。桶130是重的辐射屏蔽燃料存储部件或容器，其具有主体130a，主体130a包括钢外壳体132、钢内壳体131以及壳体之间的环形空间137。环形空间137填充有辐射屏蔽材料133，在一个实施例中辐射屏蔽材料133包括混凝土填充物。根据需要，除了混凝土之外或代替混凝土的，还可以使用其他辐射屏蔽材料，包括含硼材料。

桶130限定内腔135，如图1所示，内部空腔135可插入地接收燃料罐110。桶130还包括焊接至内壳体131和外壳体132的底部的固定钢基板136以及可移除的顶盖134，顶盖134是用于辐射屏蔽的钢和混凝土填充结构。盖134可以被移除以将燃料罐110装载到桶中，并且然后盖被放回以封闭桶。

桶130的内壳体131在主体间间隙G的面向罐110的圆柱形侧壁111a的一侧上在桶腔135内部限定圆柱形竖直壁131a。

值得注意的是，例如桶130的存储桶是巨大且重型的结构，其典型高度为约20英尺，在没有燃料罐的情况下重量为约135至160吨，由内壳体131限定的内径为约6英尺，由外壳体132限定的外径为约11英尺，容纳罐110的内腔135的高度为约16英尺。这种桶可从制造商处买到，例如新泽西州卡姆登的霍尔泰克国际公司生产的HI-STORM 100S桶。这种结构必须由本领域熟知的大型履带驱动的桶履带机移动，该履带机具有足够的提升能力来提升和运输重桶。出于所有意图和目的，大型核燃料存储桶因此被认为是相对于独立式燃料罐110的“固定”燃料存储部件，因为该桶不易移动并且不经历显著的热增长。

燃料罐110的外径小于桶内腔135的直径，从而形成围绕整个罐周向延伸的环形空间138形式的主体间间隙G。

核燃料罐110可以被认为是“独立式”第一燃料存储部件，因为它没有固定地安装在外部存储桶130内，因此当暴露于由地震事件产生的振动力时可以自由地进行运动。相反，由于其巨大的重型钢和混凝土结构以及如本文先前所述的显著的热增长，罐130又可被认为是固定的第二燃料存储部件。

继续参考图1-4，在一个实施例中，抗震系统102包括至少一个两件式抗震组件200，其位于形成于核燃料罐110和外部存储桶130之间的界面(即，主体间间隙G)处。优选地，对于这种安装，多个周向间隔开的抗震组件200安装在罐周围的主体间间隙G中(参见例如图3)以在所有侧面360度支撑罐，防止其在地震事件期间过度移动，同时允许罐在正常操作期间热膨胀或收缩。在一些实施例中，抗震组件可以等距间隔开，但不限于这种布置。

尽管为了便于说明示出了四个抗震组件200，但是在其他实施例中可以根据需要提供更少或更多的抗震组件。优选地，提供至少四个组件200以在地震事件期间径向/侧向支撑并稳定罐的每个四分之一部分的侧面。实际上，多个抗震组件将围绕环形间隙排列，使得围绕罐110的圆周的环形空间138(主体间间隙G)的不均匀性不会妨碍它们的成功安装和使用。在一个优选但非限制性实施例中，八个周向且等距间隔开的抗震组件200每个均跨越罐110的圆周的约15度，可足以提供必要的功能。

抗震组件200可以在适当的情况下垂直地定位在主体间间隙G内。在一个实施例中，每个抗震组件优选地定位在主体间间隙的上半部中，并且更优选地接近主体间间隙的顶部，靠近罐110顶端。在地震事件期间，施加在罐上的振动力将倾向于使其顶端朝向桶体130a径向向外翻斜或倾斜，并且如果没有通过抗震组件稳定，则将在罐的上部区域和主体间间隙中接触。因此，燃料罐110的上部部分可以被认为由抗震组件200以自动调节和可移动的方式径向支撑，如本文进一步描述的。

每个抗震组件200包括固定楔形构件201和与固定楔形构件可滑动地接合的配合互补配置的可移动的松动楔形构件202。固定楔形构件201在桶内腔135内固定地且刚性地联接至外部存储桶130的主体130a。更具体地，在一个实施例中，固定楔形构件可在主体间间隙G内固定地联接至桶内腔135中限定的内壳体131的圆柱形竖直壁131a。固定楔形构件201可通过本领域已知的任何合适方式固定地联接至桶内壳体131，例如但不限于焊接、螺栓连接或其他技术。

松动楔形构件202和固定楔形构件201由具有比高度或宽度更大的长度(在安装位置水平测量)的水平细长金属杆形成。长度可以大于垂直高度的5倍。松动楔形构件202和固定楔形构件201的横截面均具有楔形(尽管在上端和下端处被稍微截断)且基本为三角形的主体(参见例如图2)。术语“基本上”意味着楔形构件的两个相对的锐角尖角已如图所示被稍微切平，以通过消除这些尖角区域来促进楔形的物理处理。然而，如图所示，楔形的整体构造基本上保持为三角形。

固定楔形构件201包括限定竖直表面207的竖直侧、限定水平表面206的水平侧以及在竖直表面和水平表面之间延伸的斜面或倾斜承载表面205。从几何学上来说，承载表面205是三角形楔形构件201的斜边。竖直表面207是楔形构件201的被固定地焊接或以其他方式联接到桶主体130a(即，燃料存储部件)的竖直壁131a的部分。如图2A-B最佳所示，在固定楔形构件201的竖直表面207和倾斜承载表面205之间限定锐角倾斜角A1。

可移动的松动楔形构件202与固定楔形构件201可滑动地接合并由固定楔形构件201支撑。松动楔形构件202包括限定竖直表面208的竖直侧、限定水平表面203的水平侧以及在竖直表面和水平表面之间延伸的斜面或斜面承载表面204。从几何学上来说，承载表面204是三角形楔形构件201的斜边。垂直表面208是当楔形构件沿着固定楔形构件201向上/向下移动时，楔形构件201可滑动地接合燃料罐110(即另一燃料存储部件)的垂直侧壁111a的部分。锐角倾斜角C被限定在松动楔形构件202的竖直表面208和倾斜承载表面204之间，如图2A-B中最佳所示。

图2中所示的每个抗震组件200用于在正常操作条件下封闭燃料罐110和外部存储桶130的内壳体131之间的主体间间隙G的一部分。具体地，松动楔形构件202封闭相应固定楔形构件201和罐110的竖直侧壁111a之间的径向间隙。因此，每个抗震组件的松动楔形构件202相对于固定楔形构件201倒置，使得松动楔形构件“键合”到互补配置的固定楔形构件中，如图所示。在松动楔形构件202中，水平表面203位于顶部，而固定楔形构件201的水平表面206位于底部，以允许在楔形构件之间形成键合的平坦界面。楔形构件201、202均具有可归类为直角三角形的三角形主体。

固定楔形构件201和可移动松动楔形构件202均由适当坚固的金属制成，并且在优选实施例中可由不锈钢形成以耐腐蚀。这种结构确保在配合的倾斜承载表面204、205上不会生锈，生锈会增加楔间界面处的表面粗糙度和摩擦力，从而在罐110的正常热膨胀/收缩期间以及在地震事件期间不利地影响松动楔形构件沿固定楔形构件201上/下滑动的能力。

如第一实施例的图3和4最佳所示，抗震组件200的固定楔形构件201和可移动的松动楔形构件202均在俯视图中具有弓形弯曲主体，其与主体间间隙G的曲率半径一致(并且罐110和桶130形成限定间隙的环形空间138)。因此，楔形构件201、202包括金属杆，其弯曲成形以形成与燃料罐110和外部存储桶130的内壳体131的曲率半径互补的弧段。

松动楔形构件202的配置和操作使得当在地震事件期间或罐体热膨胀期间，松动楔形构件竖直向上位移或者可选地竖直向下滑回时，其倾斜承载表面204沿固定楔形构件的倾斜承载表面205滑动并保持与该倾斜承载表面205的接触。固定楔形构件201和松动楔形构件202的倾斜承载表面都是平坦的，在其间限定平坦到平坦的滑动界面。

松动楔形构件202被支撑在固定楔形构件201上的适当位置，并且仅通过固定楔形构件的倾斜承载表面来防止与固定楔形构件完全脱离。在示出的非限制性实施例中，不存在与可以稳定可移动的松动楔形构件202或为其提供支撑的任何其他结构或部件的任何类型的其他支撑或连接，从而可以被认为是“自由(freely)”的移动。

另外参考图5,在抗震系统102的操作理论中，如果核燃料罐110(例如，第一燃料存储部件或“主体1”)与桶130(例如，第二燃料存储部件或“主体2”)相比沿径向热收缩，然后，可移动的松动楔形构件202将简单地沿固定楔形构件201的倾斜承载表面205向下滑动，以维持抗震组件200处的主体间间隙G的闭合。另一方面，如果罐110(主体1)由于从存储在其中的燃料组件124发出的衰变热的热效应而比桶主体130a(主体2)径向热膨胀更多，则松动楔形构件202将沿着固定楔形构件201的倾斜承载表面205向上滑动，如果松动楔形构件的倾斜角C足够大，使得由于热膨胀而施加在松动楔形构件上的向外作用的径向力F能够克服固定楔形构件和松动楔形构件202之间的倾斜界面处的摩擦阻力fR。

值得注意的是，随着倾斜角C变大，松动楔形构件202的倾斜承载表面204在水平方向上变得更平坦，反之亦然。因此，较大的倾斜角导致较平坦的承载表面204，其容纳并允许松动楔形构件202沿固定楔形构件201向上滑动。

相反，如果松动楔形构件的倾斜角C太小，则松动楔形构件202不会沿着固定楔形构件201的倾斜承载表面205向上滑动。在这种情况下，由罐110径向增长产生的向外作用的热膨胀相关的径向力F将不足以克服固定楔形构件和松动楔形构件202之间的倾斜界面处的摩擦阻力fR。而是，压缩应力将在界面处产生，在该界面中将约束松动楔形构件202并防止其滑动，从而限制罐110的径向热增长，径向热增长会导致金属容器的热应力破裂。因此，较小的倾斜角C导致松动楔形构件202的更陡的承载表面204，需要更大的热膨胀径向力F来克服摩擦界面力fR并且沿着固定楔形构件201倾斜的承载表面205向上推动或移动松动楔形构件。

因此，可以通过考虑由于倾斜承载表面204、205的表面粗糙度以及松动楔形构件的重量，罐110(第一燃料存储部件或主体1)的径向热增长和径向力F、在两个部件之间的倾斜界面处的摩擦力来确定松动楔形部件202的适当的倾斜角C。

因此，从罐110热膨胀的角度来看，合适的倾斜角C将足够大，使得可移动松动楔形构件202将滑动并通过与热增长相关的径向力F沿固定楔形构件201向上位移，从而释放压缩力。

参考图2和图5所示，倾斜角C的极限值(称为阈值或临界角CA)是当角反作用力R沿抗震组件楔块的倾斜承载表面204、205之间的界面作用时，其倾向于向上推动或可滑动地移动可移动的松动楔形构件202，等于抵抗松动楔形构件的滑动运动的摩擦力fR。在实际上每种应用中，希望临界角CA足够大，使得可移动的松动楔形构件202沿着固定楔形构件201向上上升，以减轻由径向力F产生的径向热应力。

具体地，参考图5所示，“F”是施加在可移动的松动楔形构件202上的热膨胀径向力，“R”是作用在倾斜承载表面204、205界面上的角反作用力，其是作用在倾斜界面上的径向力F的角垂直作用分量，fR是作用在倾斜承载表面界面上的摩擦力，其作用方向与角反作用力R相反，如方向力箭头所示。

关于不受约束的可移动的松动楔形构件202的垂直力平衡方程很容易设定如下：

R sin C＝f R cos C或f＝tan C。

因此，趋向于将可移动的松动楔形构件202从固定楔形构件201移开并弹出的垂直力“V”为：V＝R sin C-f R cos c

从上面可以看出，倾斜角C的值越大，作用在松动楔形构件201上的弹出力就越大。接着，松动的楔形构件从固定楔形构件201移开或脱离完全消除了抗震组件200在热增长期间以任何方式约束罐110的能力；这是必须避免的情况。

并且关于松动楔形构件202的水平力平衡方程如下：

F＝R cos c+f R sin c或R＝F/(cos c+f sin c)

然而，抗震组件200的设计不能仅基于前述的热增长/膨胀考虑。地震事件期间发生的地震载荷的情况则与热膨胀有些不同。由于地震而在罐110(本示例中的第一燃料存储部件或主体1)中引起并施加在其上的大振动惯性力将倾向于在可移动松动楔形构件202上施加弹出力或位移力，其大小将受倾斜角C决定：角度C越大，弹出力越大。因为施加在罐110上的与地震事件相关的惯性力通常相当大，所以弹出力将相应地更大。如果弹出力足够大，则可移动松动楔形构件202会突然从其座弹出，导致横向或径向抗震系统变得不起作用。为了防止这种不良情况发生，有必要选择正确的倾斜角C值。

理想地，松动楔形构件202的倾斜角C应当稍微大于临界角CA。然而，临界角CA取决于松动楔形构件202和固定楔形构件201之间的倾斜界面处的摩擦系数，其可以以高斯分布的方式变化。为了开发可靠的设计，有必要使用由相同材料制成的金属试样对相交的倾斜承载表面204、205之间的摩擦系数进行统计上显著数量的测量。应当使用平均值加上三个标准偏差来定义适当的倾斜角C。通过使用稍微大于阈值或临界角CA的松动楔形构件202的倾斜角C的实际设计值，例如在一些非限制性实施例中大于约5-15％，将在地震条件下确保可移动的松动楔形构件沿着固定楔形构件201向上或向下的滑动，而不存在松动楔形构件202突然弹出或位移的风险，以及适应在正常操作条件(即，无地震活动)期间罐110的热膨胀所需的滑动运动。在一实施例中，倾斜角C可为大于临界角CA约5％以防止松动楔形构件202弹出，同时提供沿着固定楔形构件201的滑动运动以用于燃料罐110的热膨胀。

从上文可以明显看出，最佳倾斜角C与为楔形构件201、202选择的金属界面材料以及它们各自的配合承载表面204、205的摩擦系数相关。基于上述方程和对各种设计应用的考虑来确定最佳倾斜角度完全在本领域技术人员的能力范围内。

图2A示出了处于第一操作位置的抗震组件200。可移动松动楔形构件202相对于固定楔形构件201处于第一下部位置。当核燃料罐110(第一燃料存储部件或主体1)沿径向方向向外热膨胀或增长时，核燃料罐与容纳该罐的外存储桶130的内壳体131之间的主体间间隙G闭合并且径向尺寸收缩。在某些情况下，径向增长可能高达+/-3/8英寸。由封闭的间隙G施加在松动楔形构件202上的与热膨胀相关的径向力F使松动楔形构件沿着固定地联接到桶130的内壳体131的固定楔形构件201向上位移并驱动松动楔形构件。松动楔形构件202沿着固定楔形构件202的倾斜承载表面205自动向上滑动，并且在该移动期间保持与其接触。图2B示出了松动楔形构件的新的第二上部位置。松动楔形构件202的这种滑动位移和运动释放或防止配合的楔形构件之间压缩应力的累积。因此，抗震组件200自动调节罐110在预定的径向增长范围内的任何程度的热膨胀。

当存储在罐110中的燃料组件124发出的衰变热随时间减少时，罐的径向尺寸可能收缩并且主体间间隙变宽。由于作用在松动楔形构件上的重力和松动楔形构件的重量，松动楔形构件202将沿着固定楔形构件201的倾斜承载表面205自动向下滑回。因此，抗震组件200有利地自动调节罐110在预定的径向运动范围内的任何程度的热膨胀或收缩。基于待存储在罐110中的乏核燃料的热负荷而容易地确定在抗震系统102服务期间可以预期的适当的最大径向运动范围完全在本领域技术人员的范围内。

图7和图8示出了另一种类型的核燃料存储系统100，其使用本文先前描述的用于根据本公开的核燃料存储的自动调节抗震系统102的第一实施例。包括松动楔形构件201和固定楔形构件202的抗震组件200应用于水下燃料存储装置中，以对保持乏核燃料组件124的乏燃料池121中的核乏燃料存储架提供抗震。

乏核燃料(SNF)池121，本文中为简洁起见也称为“燃料池”，用池水W填充至表面水平。作为非限制性示例，典型的燃料池121可以具有大约40英尺的总深度。

燃料池121包括从水平地板121b向上升起的多个竖直壁121a；所有这些都可以由厚钢筋混凝土结构形成，以形成用于容纳池水的不漏水的盆。厚混凝土顶垫121c围绕燃料池并且可以支撑用于进入池以从浸没在池水W中的燃料架122装载和卸载燃料组件124的设备的重量，池水W冷却燃料组件并提供辐射屏蔽。地板121b可嵌入工程填料121d中。乏核燃料池的前述方面是本领域众所周知的，无需进一步过度阐述。

继续参考图7和图8，燃料池121中的池水W被从存储在位于燃料池的地板121b上的多个燃料架122的向上开口单元125中的多个燃料组件124(参见例如图9)发出的衰变热加热。燃料架具有棱柱结构，该棱柱结构包括基板122b和多个竖直伸长的壁结构122a，例如限定容纳燃料组件的开放单元125的管或互连的开槽板。为了简洁起见，竖直壁结构122a在本文中可替代地被称为壁122a，但可以是相同的结构。每个燃料架122的最外面暴露的竖直壁122a形成直线构造的架(即长方体形状)的四个侧面或侧壁。这些外壁122a是竖直且平坦的，并且与燃料架的邻接的外壁垂直地相交。

在一种实施例中，为了耐腐蚀，基板122b和壁结构122a可由不锈钢形成。单元125可以具有任何合适的横截面形状以容纳含有乏核燃料棒124a的燃料组件。在一个实施例中，开孔可具有直线横截面形状，用于在其中插入燃料组件124，燃料组件124具有在美国使用的那些组件典型的相应直线横截面形状(参见例如图9)。在其他实施例中，单元125可具有六边形横截面，其对应于在美国之外例如俄罗斯使用的那些燃料组件。

每个燃料架122可包括从燃料架的水平基板122b向下延伸以接合燃料池地板121b的多个基座122e。这将燃料架提升至燃料池121的地板121b上方，这允许池水W在燃料架下方循环以冷却存储在其中的燃料组件。燃料架和燃料组件的前述方面在本领域中是公知的，无需进一步过度阐述。

在本发明的抗震组件200的燃料池应用中，主体间间隙G形成在邻近燃料池121的竖直壁121a但与燃料池121的竖直壁121a稍微间隔开的周边乏核燃料架122之间。具体地，间隙G形成在周边燃料架122的最外竖直壁结构122a与固定安装至燃料池的混凝土竖直壁121a的内表面的不锈钢衬里126之间(在图8中最佳地示出)，例如通过螺栓连接或本领域中使用的其他合适的刚性安装技术。燃料架122均形成第一燃料存储部件(或主体1)和作为第二燃料存储部件(或主体2)的燃料池竖直壁121a，它们分别对应于如前所述的燃料罐110和存储桶130。由于存储在架的单元中的核燃料组件124发出的衰变热(参见例如图7)，燃料架122相对于因为是嵌入到土壤或者工程填料121d中的巨大的混凝土结构而保持静止的燃料池壁121a横向向外热增长/膨胀。每个燃料架122可被认为是“独立式”第一燃料存储部件，因为它们没有固定地安装到燃料池平坦地板121b。燃料池竖直壁121a由于其庞大且重的结构而可被认为是固定的第二燃料存储部件。

继续参考图7和图8，在乏核燃料池和燃料架燃料存储系统中，例如通过焊接、螺栓连接、其组合或本领域已知的其他合适的刚性紧固方法，将固定楔形构件201固定且刚性地联接至金属池衬里126。垂直可移动的松动楔形构件202桥接固定楔形构件201和面向燃料池壁121a的每个燃料架122的最外侧竖直壁结构或壁122a之间的空间，以在地震和此类事件期间产生的相关振动力的情况下提供燃料架的滑动抗震。这防止燃料架直接撞击燃料池壁，否则可能会损坏池衬里126和/或燃料架。同时，抗震组件200有利地允许燃料架122的侧向热膨胀或收缩，这加宽或缩小了周边燃料架和燃料池壁121a之间的主体间间隙G。松动楔形构件201和固定楔形构件202以与图2A-B中所示的相同方式起作用，参见本文之前描述的。

每个燃料架122包括一个或多个两件式抗震组件200，每个抗震组件200包括一对松动楔形构件202和固定楔形构件201，其布置在燃料架122的外竖直壁122a与邻近燃料池壁121a之间的主体间间隙G中。组件200定位成靠近燃料架的竖直壁122a的顶端，如图7所示。与用于圆柱形燃料罐110和桶130的燃料存储系统的弓形弯曲的松动楔形构件202和固定楔形构件201相比，应用于燃料架122的松动楔形构件202和固定楔形构件201形成为线性直线且为水平细长金属杆，其长度(在安装位置水平测量)大于高度或宽度。直杆与长方体燃料架的直边一致。

在抗震系统102的另一个方面，每对相邻的“独立式”燃料架122之间的间隙或空间S还可以包括抗震组件，抗震组件被配置为不仅允许架的热膨胀/收缩，而且还有利地为架提供抗震保护，以防止一个架由于地震事件期间发生的振动力而撞击相邻的架。由于燃料架是“独立式”结构(即没有固定地紧固到燃料池)，因此需要合适的抗震装置来容纳两个相邻的燃料存储部件，每个燃料存储部件都会受到热膨胀/收缩。图6和图7示出了用于此目的的安装在相邻燃料架之间的这种三件式抗震组件300。

参考图6和图7所示，抗震组件300包括一对固定楔形构件301和位于固定楔形构件之间将它们分开的间隙空间S处的竖直可移动且双锥形的楔形构件302。因此，楔形构件302以自动调节的方式桥接相对的一对固定楔形构件301之间的间隙空间S。在燃料存储部件的该实施例中，主体间间隙G被限定为在每对相邻燃料架122之间横向延伸。

固定楔形构件301通过任何合适的方法(例如焊接、螺栓连接、其组合或本领域已知的其他方法)固定且刚性地联接到每个燃料架122的最外竖直壁122a。每个固定楔形构件301包括一对相对的顶部和底部水平表面306、在一对表面306之间延伸的笔直垂直表面307、以及在与垂直表面307相对的一对表面306之间延伸的倾斜承载表面305，如图6所示。在一个实施例中，每个固定楔形构件301可具有横截面构造为具有两个相邻直角的直梯形(也称为直角梯形)的主体。可以使用其他合适的几何形状的固定楔形构件301，只要限定成角度或倾斜承载表面305用于可滑动地接合双锥形楔形构件302即可。

在一个实施例中，双锥形楔形构件302可具有梯形主体横截面。在示出的非限制性实施例中，楔形构件302在几何上可以是底角具有相同角度的等腰梯形。楔形构件302包括顶部水平表面309、相对的底部水平表面303以及位于两个水平表面之间的一对相对的倾斜承载表面308，如图6中最佳地示出。当楔形构件302如图所示安装时，顶部水平表面309比底部水平表面303长。在优选但非限制性实施例中，倾斜承载表面308具有相等的长度。

倾斜承载表面308可滑动地接合固定楔形构件301的相应倾斜承载表面305。每个倾斜承载表面308限定相对于竖直方向或平面的锐角倾斜角C。与上述抗震组件200的方法类似地确定最佳倾斜角C，以最大地震防护来平衡燃料架的热膨胀。在优选实施例中，楔形构件301和302类似地由不锈钢制成。

一个或多个三件式抗震组件300可安装在相邻燃料架122之间的主体间间隙G内，优选地靠近燃料架的顶部，如图7所示。应用于相邻燃料架122的双锥形楔形构件302和一对固定楔形构件301和固定楔形构件201由线性笔直且水平伸长的金属杆形成，该金属杆的长度(在安装位置水平测量)大于高度或宽度。直杆与长方体燃料架的直边一致。

三件式抗震组件300与本文先前描述的两件式抗震组件200类似地操作。一般而言，地震事件或燃料池121中的一对相邻燃料架122中的至少一个的热膨胀或收缩使主体间间隙G收缩，从而使不受约束的双锥形楔形构件302沿着双倾斜表面界面在相对的一对固定楔形构件301之间向上或向下可滑动地位移和移动。

虽然前面的描述和附图代表了本发明的示例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的等同物的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种添加、修改和替换。具体地，本领域技术人员将清楚，在不背离本发明的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、尺寸以及其他元件、材料和部件来实施。其中。另外，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对本文描述的适用的方法/过程进行多种变化。本领域技术人员还应当理解，本发明可以对结构、布置、比例、尺寸、材料和部件等进行许多修改，用于本发明的实践，这些修改特别适合于特定的环境和操作要求而不脱离本发明的原理。因此，当前公开的示例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，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示例。相反，所附权利要求应当被广义地解释，以包括本发明的其他变体，这些变体可以由本领域技术人员做出而不背离本发明等同物的范围。

Claims (32)

1.一种用于核燃料存储的自动调节抗震系统，包括：

独立式第一燃料存储部件，其被配置为容纳核燃料并限定垂直中心线；

固定的第二燃料存储部件，其被配置为接收所述第一燃料存储部件；

本体间间隙，其形成在所述第一燃料存储部件和所述第二燃料存储部件之间；

至少一个抗震组件，其设置在所述主体间间隙中并包括固定楔形构件和可移动的松动楔形构件；

所述固定楔形构件固定地联接到所述第二燃料存储部件，所述固定楔形构件设置在所述本体间间隙中；

所述固定楔形构件限定倾斜承载表面；

所述可移动的松动楔形构件设置在所述主体间间隙中，所述松动楔形构件限定倾斜承载表面，该倾斜承载表面与所述固定楔形构件的倾斜承载表面可滑动地接合；

其中，在地震事件或所述第一燃料存储部件的热膨胀期间，所述第一燃料存储部件朝向所述第二燃料存储部件移动，这缩小了所述主体间间隙，并且所述松动楔形构件相对于所述固定楔形构件竖直位移。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述松动楔形构件被配置并操作为使得当所述松动楔形构件竖直位移时，所述松动楔形构件的倾斜承载表面沿着所述固定楔形构件的倾斜承载表面滑动并与之保持接触。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述固定楔形构件的倾斜承载表面和所述松动楔形构件的倾斜承载表面都是平坦的，从而在其间限定平坦到平坦的滑动界面。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述松动楔形构件和所述固定楔形构件的横截面形状均为三角形。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述松动楔形构件的倾斜承载表面设置为与所述第一燃料存储部件的竖直中心线成锐角。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其中所述固定楔形构件包括位于所述固定楔形构件的底部的水平表面，并且所述松动楔形构件包括位于所述松动楔形构件的顶部处且在整个所述固定楔形构件上方竖直间隔开的水平表面。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述松动楔形构件还包括竖直表面，该竖直表面与所述倾斜承载表面相对并且与所述水平表面垂直相交。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述松动楔形构件在其竖直表面与其倾斜承载表面的相交部分之间限定锐角倾斜角，该倾斜角被选择为大于临界角约5％，使得所述松动楔形构件将保持与所述固定楔形构件接合并且在地震事件期间不会从其移开。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述本体间间隙限定在所述第一燃料存储部件的竖直侧壁和所述第二燃料存储部件的竖直壁之间。

10.根据权利要求9所述的系统，其中当所述松动楔形构件竖直位移时，所述松动楔形构件的竖直表面可滑动地接合所述第一燃料存储部件的竖直侧壁。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其中所述第一燃料存储部件是容纳乏核燃料的圆柱形燃料罐，所述第二燃料存储部件是限定有容纳所述燃料罐的空腔的圆柱形外桶，并且所述主体间间隙是在所述燃料罐和所述燃料桶之间沿周向延伸的环形空间。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括设置在所述环形空间中的多个周向间隔开的抗震组件。

13.根据权利要求11或12所述的系统，其中所述松动楔形构件和所述固定楔形构件由包括互补的弓形弯曲形状的水平细长金属杆形成。

14.根据权利要求9或10所述的系统，其中所述第一燃料存储部件为容纳有多个乏核燃料组件的燃料架，所述第二燃料存储部件的竖直壁为乏燃料池的壁，所述乏燃料池中容纳有水，所述燃料架浸没在所述乏燃料池中，所述主体间间隙是所述燃料架与所述乏燃料池的壁之间限定的线性横向空间。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述松动楔形构件和所述固定楔形构件由具有直线形状的水平细长金属杆形成。

16.根据权利要求1所述的系统，其中仅通过所述固定楔形构件的倾斜承载表面将所述松动楔形构件支撑就位并防止所述松动楔形构件完全脱离所述固定楔形构件。

17.根据权利要求1所述的系统，其中所述松动楔形构件和所述固定楔形构件由水平细长金属杆形成，该水平细长金属杆的长度大于其高度或宽度。

18.一种使用根据权利要求1所述的系统的方法，该方法包括：

所述独立式第一燃料存储部件沿径向或横向方向热膨胀；

所述主体间间隙经由所述第一燃料存储部件的热膨胀而缩小；和

所述松动楔形构件沿着所述固定楔形构件竖直向上滑动，同时保持与所述固定楔形构件接触。

19.一种用于核燃料存储的自动调节抗震系统，包括：

独立式第一燃料存储部件，其被配置为容纳核燃料并限定垂直中心线；

独立式第二燃料存储部件，其被配置为容纳核燃料并限定垂直中心线；

主体间间隙，其形成在所述第一燃料存储部件和所述第二燃料存储部件之间；

至少一个抗震组件，其设置在所述主体间间隙中，该抗震组件包括一对第一固定楔形构件和第二固定楔形构件以及设置在所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件之间的可移动双锥形楔形构件；

所述第一固定楔形构件在所述主体间间隙内固定地联接至所述第一燃料存储部件；

所述第二固定楔形构件在所述主体间间隙内固定地联接至所述第二燃料存储部件，并与所述第一固定楔形构件横向间隔开以在其间限定间隙空间；

所述双锥形楔形构件设置在所述间隙空间中并由第一固定楔形构件和第二固定楔形构件可滑动地支撑；

其中，在地震事件或第一燃料存储部件或第二燃料存储部件的热膨胀期间，所述第一燃料存储部件和第二燃料存储部件之间的所述主体间间隙收缩，并且所述双锥形楔形构件相对于所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件垂直位移。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述双锥形楔形构件在一侧上限定第一倾斜承载表面和在相对侧上限定第二倾斜承载表面，所述第一倾斜承载表面与对应的所述第一固定楔形构件的倾斜承载表面可滑动地接合，并且所述第二倾斜承载表面与对应的所述第二固定楔形构件的倾斜承载表面可滑动地接合。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述双锥形楔形构件被配置并可操作为使得当所述松动楔形构件竖直位移时，所述双锥形楔形构件的倾斜承载表面沿着所述固定楔形构件的倾斜承载表面滑动并保持与之接触。

22.根据权利要求20或21所述的系统，其中所述双锥形楔形构件的第一倾斜承载表面和第二倾斜承载表面以及所述第一固定楔形构件的倾斜承载表面和所述第二固定楔形构件的倾斜承载表面是平坦的，其限定在所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件与所述双锥形楔形构件之间的平坦到平坦的滑动界面。

23.根据权利要求20-22中任一项所述的系统，其中所述双锥形楔形构件具有横截面为梯形的主体。

24.根据权利要求20-23中任一项所述的系统，其中所述双锥形楔形构件的所述第一倾斜承载表面和所述第二倾斜承载表面均设置为与竖直方向成锐角的倾斜角。

25.根据权利要求24所述的系统，其中每个所述倾斜角被选择为大于临界角约5％，使得所述双锥形楔形构件将保持与所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件接合，并且在地震事件中不会从其移出。

26.根据权利要求20-25中任一项所述的系统，其中所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件均具有横截面为梯形的主体，所述主体包括位于底部的水平表面、位于顶部的相对的水平表面以及在其间延伸的所述倾斜承载表面。

27.根据权利要求20-26中任一项所述的系统，其中所述第一独立式燃料存储部件和所述第二独立式燃料存储部件均是燃料架，该燃料架被配置为以浸没状态放置在乏核燃料池中，每个燃料架被配置为支持多个乏核燃料组件。

28.根据权利要求27所述的系统，其中所述主体间间隙限定在所述燃料架的平坦竖直外壁之间。

29.根据权利要求19-28中任一项所述的系统，其中所述双锥形楔形构件以及所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件由水平细长金属杆形成，该水平细长金属杆的长度大于其高度或宽度。

30.根据权利要求19-29中任一项所述的系统，其中所述双锥形楔形构件仅通过所述固定楔形构件的倾斜承载表面被支撑就位并且防止所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件完全脱离。

31.根据权利要求19-30中任一项所述的系统，其中所述双锥形楔形构件仅通过所述第一固定楔形构件的倾斜承载表面和所述第二固定楔形构件的倾斜承载表面被支撑就位并防止所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件完全脱离。

32.一种使用根据权利要求19所述的系统的方法，包括：

所述独立式第一燃料存储部件和所述独立式第二燃料存储部件中的至少一个在横向方向上热膨胀；

所述主体间间隙经由所述第一燃料存储部件和所述第二燃料存储部件中的至少一个的热膨胀而缩小；

所述双锥形楔形构件沿着所述第一固定楔形构件和所述第二固定楔形构件垂直向上滑动，同时保持与两个固定楔形构件接触。