CN117501383A - 用于核废料存储的通风桶 - Google Patents

Abstract

自然无源冷却的通风桶包括腔，该腔容纳包含散发热量和辐射的废核燃料组件或其他高放射性废料的罐。环境通风或冷却空气通过与联接至桶的底部罐支撑结构一体形成的空气入口管道在桶下方向内吸入并垂直向上进入腔的下部部分。被罐加热的空气在腔中向上流动，并通过桶盖上的空气出口管道返回到大气中。空气循环是通过自然对流热虹吸流驱动的。结构支座构件将桶底部抬高到混凝土基垫上方，在罐支撑结构下方形成空气入口室。容器的横向侧壁表面没有用于空气入口的贯穿部，这消除了乏核燃料发出的辐射的任何流动路径。

Description

用于核废料存储的通风桶

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年6月16日提交的美国临时申请No.63/211,234和2021年7月20日提交的美国临时申请No.63/223,578的权益；其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本发明总体上涉及用于干燥存储和/或运输来自核电站或其他核设施的高水平核废料的通风堆叠件(overpack)或桶。

在核反应堆的运行中，核能源通常采用多个空心锆合金管的形式，每个空心锆合金管都填充有浓缩铀芯块，它们共同布置在被称为燃料组件的组件中。当燃料组件中的能量已经耗尽到某个预定水平时，燃料组件被从核反应堆中移除并且被称为用过的或乏核燃料(“SNF”)。用于包装或存储从轻水反应堆排出的SNF组件以进行场外运输或现场干燥存储的标准结构是全焊接不锈钢容器。这样的容器是众所周知的并且可以不同地被称为多用途罐(MPC)，例如可从新泽西州卡姆登市的霍尔泰克国际公司获得的那些多用途罐，或者干燥存储罐(DSC)。

无论其名称如何，这些SNF罐的特点是具有相对薄壁的不锈钢外壳，可有效地使得衰减的SNF组件发出的热量穿过罐壁边界。不锈钢外壳具有多个全厚度连续缝焊缝，包括纵向缝焊缝和环焊缝，例如将外壳连接到顶部和底部端封闭板的焊缝。燃料篮通常布置在金属存储罐内，该金属存储罐限定棱柱形存储单元阵列，每个存储单元的尺寸被设计成容纳单个燃料组件，该燃料组件又包括多个单独的乏核燃料棒。

单个罐依次存储并封闭在其自己的外部垂直通风模块(称为堆叠件或桶)内。这些桶是重型辐射屏蔽容器，可阻挡从SNF组件发出的穿过罐壳和端板的伽马和中子辐射。通风桶用于安全运输和/或在内部燃料篮内存储多个乏燃料组件。

燃料组件中的高放射性SNF(或可能存储在废料罐中的其他高放射性核废料)除了发射需要防护屏蔽的中子和伽马辐射外，仍然会产生大量热量，必须将其消散以避免损坏燃料组件和存储在罐中的乏燃料覆层(cladding)。通风桶使用可用的环境通风空气来冷却罐并去除从其发出的热量以保护燃料组件。一些桶的侧面和/或盖上有侧向通风开口，在某些情况下，这可以为辐射流到周围环境建立一条路径。

因此，需要对用于存储高放核废料的通风桶进行改进。

发明内容

提供了一种改进的核废料存储系统，其包括用于在其中存储核燃料罐的辐射屏蔽通风桶。在一个实施例中，桶体的横向侧表面不具有用于空气流通的贯穿部(penetration)或开口，这消除了从存储在桶中的罐内的乏核燃料(SNF)或其他高水平放射性废料发出的辐射的任何潜在的横向或径向流动路径。为了实现这一点，在一个实施例中，本发明的桶在底部包括独特的填充混凝土的罐支撑结构。该辐射屏蔽底部封闭结构支撑罐，并配置有一体的入口管道，该入口管道经由自然对流热虹吸流动效应，通过罐支撑结构底部基板中的向下敞开的空气入口将环境冷却空气吸入桶的内腔。罐支撑结构配置成将基板以及伴随的桶抬高至混凝土基垫上方并使其间隔开。在使用期间，桶定位在混凝土基垫上。这允许冷却空气在桶下方被径向/水平向内吸入，然后沿与桶的竖直纵向轴线或中心轴线平行的竖直轴向方向向上流过空气入口。在桶的基垫和基板之间形成空气入口室(plenum)。

当空气被热罐加热时，吸入桶中的冷却空气在桶体和罐之间的内腔中形成的通风环中继续向上上升。加热的空气通过一体形成在桶的辐射屏蔽顶盖中的空气出口管道返回到周围环境。盖安装在桶体上，并且被配置为不存在辐射在横向或径向泄漏到环境的宏观路径。在一个实施例中，桶被配置成用于地上安装，使得环境冷却空气可以容易地从桶周围360度到达空气入口室，并且在进入桶之前被混合。该室消除了由定向风流引起的箱体周围的任何压差，从而增强了桶内整个罐的均匀冷却。

罐支撑结构中的向下开口的入口管道被迂回地配置以消除穿过管道的任何向下的直线视线，以防止从桶内部向外的直线辐射流。在一个非限制性实施例中，空气入口管道可具有大体Z形的横截面形状。万一发生任何辐射流路径，直线辐射流仍将从空气入口向下引导至桶所在的厚混凝土基垫，而不是在核存储现场工作人员可能出现的核废料存储设施的边界或围栏周围或附近沿径向或横向方向引导。混凝土基垫和垫下方的土壤是有效的辐射屏蔽材料，其作用是阻挡或吸收任何逸出的向下定向的辐射流。

桶盖中的空气出口管道也被构造和迂回配置成消除向上的直线辐射流和桶盖侧面的任何横向敞开的空气出口贯穿部。而是，加热的空气经由保护盖结构通过盖的顶部排放回大气。

一方面，无源通风核废料存储桶包括：伸长的桶体，其限定顶部、底部、侧壁以及沿桶的垂直中心轴线在顶部和底部之间延伸的内腔，该内腔被配置用于容纳核废料存储罐；附接在桶体顶部的盖；形成于盖中的空气出口；桶体底部形成有向下开口的空气入口，与内腔和环境大气流体连通；以及罐支撑结构，其被配置为将罐支撑在内腔中并接合基垫，罐支撑结构还配置成将桶体的底部抬高至基垫上方；其中，环境冷却空气在桶体的底部下方的流动路径中被吸入，并通过空气入口垂直向上进入内腔。

根据另一方面，无源通风核废料存储系统包括：伸长的桶，其限定顶部、底部、侧壁以及沿桶的垂直中心轴线在顶部和底部之间延伸的内腔；被配置为容纳核废料的罐，该罐定位在桶的内腔中并在罐和桶之间形成周向延伸的通风环；盖，附接至桶的顶部并包括与内腔和周围大气流体连通的空气出口；填充混凝土的罐支撑结构，设置在桶的底部并支撑罐；多个从罐支撑结构向下突出的支座构件，其支撑桶的底部并从基垫抬高桶的底部以形成与环境空气流体连通的空气入口室；空气入口管道系统(air inlet ductwork)形成为穿过罐支撑结构并与通风环和空气入口室流体连通；其中，空气入口管道系统配置成通过由从罐发出的热量驱动的自然热虹吸效应将环境冷却空气径向向内吸入空气入口室和通风环中。

根据另一个方面，一种用于操作无源通风核燃料存储系统的方法包括：提供包括内腔和与所述内腔和大气流体连通的环境空气通风系统的桶；将包含发出热量的核废料的罐插入到桶的内腔中以及固定地联接到桶的罐支撑结构上；将环境冷却空气吸入形成于桶下方的空气入口室；使冷却空气从空气入口室向上流动穿过罐支撑结构进入桶的内腔；加热桶内腔的冷却空气；通过联接到桶顶部的盖将加热的冷却空气排放到大气中。

附图说明

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

图1是用于存储诸如乏核燃料的高水平核放射性废料的无源通风桶的俯视立体图；

图2是其仰视立体图。

图3是其垂直局部剖视立体图。

图4是图3的放大细节。

图5是桶的底部罐支撑结构的俯视立体图。

图6是桶的俯视分解立体图。

图7是桶的仰视分解立体图。

图8是桶的侧视图。

图9是桶的俯视图。

图10是桶的整体垂直剖视立体图。

图11是桶的整体垂直剖视立体图。

图12是桶和盖的上部的局部垂直剖视图。

图13是桶的罐支撑结构的横向/水平剖视图。

图14是具有未示出的侧壁的混凝土内衬的桶的垂直局部剖视立体图。

图15是桶的下部和支撑桶的混凝土基垫的垂直局部剖视图。

图16是具有未示出的侧壁和底部罐支撑结构的混凝土内衬的桶的竖直局部剖视立体图。

图17是桶的底部的仰视立体图，示出了安装的弯曲的辐射光子散射衰减器。

图18是桶的上部的俯视立体图，示出了安装在桶的环境空气通风系统的空气出口管道中的辐射光子散射管道衰减器。

图19是桶的另一个垂直剖视图，其中乏核燃料罐定位在桶中。

图20是桶的仰视图。

图21是罐支撑结构的空气入口管道的放大的垂直剖视图。

图22是空气入口管道的俯视立体图。

图23是空气入口管道的仰视立体图。

所有附图均为示意性的，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与在其他附图中可能出现的未编号的特征相同。

具体实施方式

在此参考示例性实施例示出并描述了本发明的特征和优点。示例性实施例的该描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是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其他特征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。除非另有明确说明，诸如“附接”、“固定”、“连接”、“联接”、“互连”等术语是指一种结构通过介入结构以及两者可移动地或刚性附接关系而直接或间接地彼此固定或附接的关系。

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。此外，本文引用的所有参考文献均通过引用全文并入本文。如果本公开中的定义与引用的参考文献的定义发生冲突，则以本公开为准。

图1-23描绘了核废料存储系统的各个方面和组件，该系统包括无源冷却和自然通风的外部核废料存储模块或桶100的第一实施例，该模块或桶100被配置用于容纳核废料罐101，该核废料罐101包含乏核燃料(SNF)或其他高水平放射性废料。在一个实施例中，桶100被构造和配置用于放置在地面以上，例如放置在平坦的钢筋混凝土基垫130板的顶表面131上，钢筋混凝土基垫130板可以放置在土壤或其他结构上。如果需要，可以通过紧固件将桶锚定在基垫上，以防止在假定的地震事件或射弹撞击期间发生移动。

在一个实施例中，罐101是竖直伸长且气密密封(即气密)的容器，其包括圆柱形壳体103、固定到壳体底端的圆形底部封闭板104、以及联接到壳体顶端的圆形顶部封闭板106。顶部封闭板和底部封闭板可通过焊缝处的周向连续的环带密封焊接而气密地密封焊接至壳体。内部空间105被限定在壳体内，其被配置用于容纳SNF燃料组件102(在图11中由虚线示意性地表示)或其他高水平放射性废料。这种燃料组件在本领域中是众所周知的，无需进一步详细说明。例如，用于美国式压水反应堆(PWR)的典型矩形燃料组件在共同拥有的美国专利申请No.17/115,005中公开，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。燃料组件102包含具有衰变铀的燃料棒或“覆层”，其产生大量的热量，必须将这些热量消散以保护燃料的结构完整性和密封性。这接着又加热散发热量的罐。在一个实施例中，包括壳体103以及顶部封闭板104和底部封闭板106的罐优选地可以由不锈钢制成，以防止腐蚀。

在一个实施例中，桶100可以是高度辐射屏蔽的双壁容器，包括由圆柱形外壳111和内壳112形成的竖直伸长的桶体110，以及布置在其间形成的环形空间113a中的辐射屏蔽材料113。壳111、112和屏蔽材料113共同限定桶的侧壁110a。如图所示，内壳和外壳相对于彼此同心布置。

在一个实施例中，桶体110的屏蔽材料113可包括用于阻挡中子和伽马辐射的高密度混凝土块或内衬。在一些实施例中，混凝土可包含赤铁矿(氧化铁化合物Fe₂O₃)和/或其他含铁骨料，其显著提高内衬的导热率，从而导致从桶的内表面传导热传递到暴露于环境大气的外表面的速率显著增加。除了混凝土之外和/或代替混凝土的是，可以使用其他辐射屏蔽材料，包括用于伽马辐射屏蔽的铅、含硼中子阻挡材料(例如或其他)、钢和/或本领域中通常用于此类目的的其他屏蔽材料。

桶体110的内壳112限定了桶的内部或内表面112a，外壳111限定了桶的外部或外表面111a。在一个实施例中，由壳形成的表面111a、112a可以相应地是圆柱形的并且是弓形弯曲的。桶体还包括由桶体侧壁110a的上端限定的敞开顶部119(当未被盖114关闭时)和由桶体侧壁的下端处的基板115限定的底部120。

如所示实施例中示出，无源冷却和通风的核废料存储桶100在使用时可竖直伸长并取向。内壳112和外壳111可由合适的金属材料形成，例如但不限于钢(例如碳钢或不锈钢)。如果使用碳钢，则至少桶的外表面111a可以被涂上环氧树脂/涂覆以用于防腐。作为一个非限制性示例，金属壳111、112可各自具有约3/4英寸的代表性厚度；然而，可以使用其他合适的厚度。

桶100包括垂直延伸的内腔121，该内腔121沿着由伸长的桶的几何中心线限定的垂直纵向轴线或中心轴线CL延伸并穿过伸长的桶的几何中心线。在一个实施例中，内腔121可以是具有圆形横截面形状的圆柱形构造；然而，可以使用具有相应横截面形状的其他形状的内腔，包括多边形形状和其他非多边形形状(例如直线、六边形、八边形等)。

桶100还包括设置在桶体110的底部120处的辐射屏蔽罐支撑结构140，其基本上封闭桶的内腔121的底端(除了本文进一步描述的冷却空气入口结构以允许环境通风空气进入底部的腔)。罐支撑结构140被配置成以所示的方式在桶的内腔内支撑和抬高罐101。罐支撑结构140具有复合构造，其包括下部且最外侧的基板115、面向底部的内腔121并设置在底部的内腔121内部的上部顶板141、在其间延伸的外围圆柱形垂直壳144、以及填充由外壳以及顶板和基板形成的内部空间的用于增强辐射屏蔽的混凝土内衬142。顶板141和基板115可以是圆形且平坦的。基板115径向突出向外超出垂直壳体144(参见例如图4-5)。基板覆盖桶体110的整个底部，并在桶的周边沿着桶体的外壳111的整个底端周向延伸。罐支撑结构的基板115、顶板141和垂直壳体144可以焊接在一起以形成永久连接的组件。多个填充孔145设置在顶板141中，以在焊接之后将混凝土内衬浇注到由罐支撑结构140的罐支撑肋板143限定的组合件的每个四分之一扇形部分中，如本文进一步描述的。

基板115可以在桶体的底部120处气密地密封焊接至内壳112和外壳111的底端并且在结构上支撑壳。顶板141的直径小于基板115的直径，并且顶板141设置在与桶的底部向上间隔开的桶内腔121内并被抬高。在如图所示的一个非限制性实施例中，顶板141和基板115可各自具有平坦且圆形的构造。顶板包括暴露在桶内腔121内的平坦的面向上的顶表面141a。罐支撑结构140的基板115、顶板141和壳体144可以由与壳体111、112类似的金属材料(例如，钢或不锈钢)制成。在一个实施例中，基板115可以大约3英寸厚。基板115的底表面115a限定桶100的底部。

罐支撑结构140形成用于将罐101支撑在桶内腔121中的基座，并且还包括多个相交的罐支撑肋板143的组件，所述肋板143是支撑结构的整体部分。在一个实施例中，罐101由肋板支撑并直接坐落在肋板143上。肋板143在长度上是伸长的并且在桶体110的侧壁110a的相对的直径相对部分之间径向延伸。肋板嵌入侧壁110a(包括混凝土内衬113)中并具有可焊接至桶的外壳111的竖直外端部143a。在一个实施例中，端部143a可以完全突出穿过外壳中的互补构造的狭槽143b，以除了其焊接件之外还由外壳基材提供额外的结构支撑。

肋板143的水平底边缘143c可以焊接至基板115的顶表面。肋板143在罐支撑结构的顶板141的顶表面141a上方向上突出，使得它们的水平顶边缘143d在顶板的表面141a上方间隔开，以接合位于其上的罐101的底部封闭板104。这抬高了罐并在罐底部封闭板104和顶板141的顶表面141a之间形成间隙或空间，其允许从罐101的底部发出的热量被流经桶100的内腔121的环境冷却空气带走。

在一个实施例中，肋板143还可以包括台阶肩部143a，台阶肩部143a形成在与桶内腔121内的内壳112相邻的板的顶部边缘143d中。肩部143a接合罐壳体103的侧面，以在运输期间以及在地震事件的情况下使得罐在桶中居中并保持稳定。在一个实施例中，肩部143a优选地配置成将罐壳体103与桶内壳112的内表面112a间隔开，使得当该罐位于桶的内腔121中时，基本一致的通风环122(下文将描述)被保持在桶100和罐之间。

在一个实施例中，肋板143可布置成如图所示的“X”形交叉图案。肋板143的交叉点可以落在桶的竖直纵向轴线或中心轴线CL上。在一些实施例中，肋板143可以在交叉处彼此焊接。因为肋板143的中心部分嵌入罐支撑结构140的混凝土内衬142中(参见例如图5)，这种交叉布置特别地加强了肋组合件。

桶100的腔121的构造适合于在其中容纳单个SNF罐101的横截面面积(垂直于中心轴线CL)和高度，该单个SNF罐101容纳SNF组件或其他高水平放射性废料。桶腔121的内径有意地设置成大于燃料罐101的直径，以当罐放置在桶中时在罐10和内壳112之间形成通风环122。当冷却通风空气沿着罐向上流动时，环122的径向宽度优选地足以将罐内的核废料产生的热量从罐带走。当空气被罐101加热时，环中的冷却空气的向上流动通过自然对流热虹吸效应被自动驱动。作为非限制性示例，典型的气流环的径向宽度可以在约2-8英寸(包括2-8英寸)的范围内，这取决于燃料罐100的估计热负荷和所需的通风冷却空气流。选择空气流量以维持所需的罐最高温度限制。值得注意的是，即使在地震事件发生期间，罐支撑肋板143也维持环122，以确保冷却空气能够继续到达罐。

通风环122至少垂直延伸罐的整个高度，并且优选地稍微高于罐的高度。罐101的上部由下面讨论的多个上引导构件117横向/径向支撑并居中。因此，罐101的高度接近桶腔121的整个高度，并且至少大于腔高度的3/4。环122进一步一直向下延伸至罐支撑结构140的顶板141，并且与结构140中的桶的空气入口200流体连通，如本文进一步描述的。

径向和垂直延伸的引导构件117设置在桶腔121的上部。上引导构件117的阵列周向间隔开并且例如通过焊接刚性地附接到内壳112的内部/内表面112a。引导构件117可以由钢板(例如，凸耳)或管形成，并且围绕整个内壳至少在腔121中的上部设置以用于完全360度覆盖。引导构件的向内竖直侧或边缘配置成邻接地接合罐101并使之居中，这在罐101在地震事件、运输期间或在通过起重机抬高/降低时，或从桶内腔121抬起或进入到桶内腔121中时，防止过度横向/径向运动并嘎嘎作响。值得注意的是，引导构件117还用于在桶腔121的上部中维持罐100和内壳112之间的通风环122，从而保留该气流通道以去除由罐发出的热量。这确保了连续可用的环境冷却流可以在罐的侧面周围循环并沿着罐的侧面向上流动以进行冷却。

辐射屏蔽盖114可拆卸地联接到桶体110的顶部119，并且在就位时封闭桶100的通常向上敞开的腔121(除了穿过盖的冷却/通风空气出口路径之外)。桶通风系统的空气出口220穿过盖形成。在一个实施例中，盖114可以具有“盘和环形”构造，包括限定中心空气出口开口114f的上部环形构件114a和刚性地联接到上部环形构件114a的下部盘构件114b。盘构件114b的尺寸适合安装在桶内腔121的顶端内。当盖就位时，环形盖构件114a搁置在侧壁110a上的桶体110的顶部119上。更具体地，盖构件114a坐落在环形顶部封闭板119a上，该环形顶部封闭板119a被固定地焊接至内壳112和外壳111的顶端。多个填充孔145可以形成在封闭板119a中，用于在辐射屏蔽桶体110的内壳112和外壳111之间浇注混凝土内衬113。盖构件114a通过多个螺纹紧固件146可拆卸地联接到桶体110，每个紧固件146固定到嵌入桶体顶部并焊接到内壳112和外壳111的混凝土内衬113中的垂直钢抬高板146(参见，例如图12和14)。

由环形构件114a和盘构件114b组成的盖114是复合结构，其包括限定内部空间的中空金属外壳体114c，内部空间填充有辐射屏蔽材料114d，例如由外壳体包围的高密度混凝土内衬。除了混凝土之外或代替混凝土的，可以使用其他屏蔽材料。盖114在竖直向上方向上提供辐射屏蔽，而设置在内壳112和外壳111之间的混凝土内衬113在横向或径向方向上提供辐射屏蔽。除了混凝土内衬之外，壳体114c优选地由能够承受射弹冲击或其他潜在损坏源的金属形成，例如但不限于钢(例如碳钢或不锈钢)。

根据核废料燃料存储系统的一方面，立式通风核燃料存储桶100包括自然循环冷却空气通风系统(即，不由风扇/鼓风机提供动力)，用于去除从容纳SNF或其他高放核废料的罐101发出的衰变热。由围绕桶的环境空气提供的冷却气流通过自然对流热虹吸效应驱动，其中通风环122内的空气被罐101(含有衰变的SNF或其他核废料)加热，从而引起向上流动，该向上流动将环境冷却空气带动通过罐支撑结构140中的空气入口200而进入底部的桶。

现在将进一步更详细地描述桶冷却空气通风系统。

如适用，一般地参考图1-23，桶通风装置包括冷却空气入口200和冷却空气出口220，冷却空气入口200穿过罐支撑结构140形成在桶200的底部，冷却空气出口220穿过盖形成。空气入口和出口200、220与环境大气和桶100的内腔121流体连通，并且更具体地当核废料罐101在腔中就位时，与形成的通风环122流体连通。

空气入口200包括穿过罐支撑结构140的水平平坦基板115形成的向下敞开的空气入口开口201，罐支撑结构140固定至桶体110的底部。空气入口开口201经由罐支撑结构中的空气入口提供桶内腔121的下部部分与周围大气的流体连接。在一个实施例中，空气入口开口201可以布置成圆形阵列，其与桶的竖直中心轴线CL同心且同轴地对准。

空气入口200包括由多个复合形状的空气入口管道202共同限定的入口管道系统208，所述多个复合形状的空气入口管道202形成在包括混凝土内衬142的罐支撑结构140内并延伸穿过罐支撑结构140。因此，通风桶100的空气入口管道系统不会穿透桶的侧壁(即，内壳112、外壳111和混凝土内衬113)，以防止辐射流沿径向/横向流向工人可能出现的周围环境。在非限制性示出的实施例中，设置了八个入口管道202(两个位于桶及其内腔121的每个四分之一扇形区域内(参见例如图13)。然而，在其他实施例中可以提供其他数量的入口管道并且不限制本发明。入口管道202优选地布置成紧密间隔的圆形或环形阵列或分组，使得相邻管道之间的横向间距小于每个管道的横向宽度。这种紧密分组有利地确保罐101的圆柱形壳体103被周向延伸的环境冷却空气幕均匀且充分地冷却，如本文进一步描述的。

罐支撑结构140中的入口管道系统208的各个入口管道202均具有复合构造，该复合构造被设计成使得在桶100的内腔121(包括通风环122)和基板115中的空气入口开口201或周围环境之间不存在直线视线。这防止了直线辐射通过空气入口管道向下流动。

因此，在一个实施例中，每个空气入口管道202可包括具有大致Z形横截面形状的中空金属体，该中空金属体由以下部件以可操作地流体联通的方式形成：流体地联接到基板115中的相应空气入口开口的竖直下入口部分203；流体地联接至桶体110的内腔121中的通风环122的竖直上出口部分204；以及在入口部分和出口部分之间流体地联通的径向/水平中间部分205。每个入口管道202的下入口部分203位于其相应的上出口部分204径向向内的位置，因此更靠近桶体的竖直中心轴线CL。入口管道202以所示的锯齿形延伸穿过罐支撑结构140的混凝土内衬142，并且可以由钢或其他合适的金属形成。管道202可以焊接至罐支撑结构的基板115和顶板141，在罐支撑结构的基板115和顶板141之间填充混凝土之前将管道嵌入混凝土中。

空气入口管道202的上出口部分204各自限定向上排出的空气出口开口206，该空气出口开口206将环境冷却空气穿过管道排出并引入到桶100的内腔121的底部，并且更具体地是通风环122的底部。因此，上出口部分204和出口开口206位于邻近桶体110的侧壁110a并且位于通风环的底部处。在一个实施例中，管道202如本文先前描述的那样布置，使得管道的相应空气出口开口206同时形成邻近桶内壳112的圆形或环形阵列开口，该圆形或环形阵列开口接着与桶的垂直中心轴线CL同心地对准(参见例如图4和13)。有利地，环境冷却空气被排出并轴向地且竖直地向上被引入通风环(平行于中心轴线CL)以形成围绕罐360度的周向延伸的冷却空气幕。因此，罐的每个四分之一扇形区域以平衡的方式均匀冷却，以最小化或防止罐壳上的局部“热点”。值得注意的是，由于管道之间进入的环境冷却空气在进入通风环122的底部时混合，如图中所示的相邻空气入口管道202之间的非常小的间隙对冷却罐的有效性没有实际影响。

还值得注意的是，与将空气通过桶100的侧壁径向地引入到环中相反，沿竖直且轴向向上的方向将环境冷却空气引入到桶100的通风环122中(平行于桶中心轴线CL)提供额外的益处。当前的冷却空气垂直引入路径(其中空气平行于罐的侧面(以及桶的垂直中心轴线CL)向上流动)增强了罐的冷却，因为与将冷却空气径向引入桶中，垂直地冲击罐且扩散相比，其产生更少的湍流。这通过热虹吸效应转化为减小的气流阻力和更大的自然驱动的对流冷却空气流速(CFM-立方英尺每分钟)以冷却罐101和其中的燃料组件。这是特别值得注意的，因为无源冷却气流没有风扇或鼓风机的辅助。此外，垂直向上引入桶内腔121的环境冷却空气与被罐加热的通过自然热虹吸效应自然上升并向上流动的空气沿相同方向流动。

根据桶通风冷却系统的另一方面，桶100通过从基板115向下突出以接合混凝土基垫130的多个支座构件150被升高或抬高到混凝土基垫130上方。支座构件150共同支撑其中装载有燃料组件的桶100和罐101的整个重量。在一个实施例中，支座构件150可包括如图所示的伸长的矩形形式的钢板。然而，可以使用其他形状的支座构件。为了均匀地分布装载的桶100的重量，支座构件150可包括外支座构件150a的圆形外部阵列和内支座构件150b的圆形内部阵列。支座构件150a、150b相对于其每个相应阵列中的其他支座构件沿周向间隔开。外支座构件150a从底部基板115上的内支座构件150b径向向外间隔开。周向间隔允许环境冷却空气在桶的基板115下方被径向向内吸入并且向上进入形成于其中的空气入口开口201的圆形阵列中。在一个实施例中，内支座构件150b可定位成比空气入口开口201更靠近桶100的中心轴线CL并且位于空气入口开口201的内部。

对于自然热虹吸冷却空气通风系统，由于基板115和混凝土基垫130之间的垂直间距或间隙，支座构件150在桶100下方形成空气入口室151。如上所述，支座构件150间隔开，其起到允许环境空气进入该室并到达空气入口管道202的空气入口开口201的重要功能。环境空气的入流围绕桶100的整个底部周边以全360度进入该室151。冷却空气通过支座构件150/在支座构件150之间被吸入该室，然后经由形成在基板115中的管道202的空气入口开口201进入桶的内腔121。

有利地，因为入口开口201形成为罐支撑结构140的平坦水平基板115中的切口或开口，所以入口对风向相对不敏感，这是由于环境空气首先聚集在形成于基板115下方的空气入口室151中，之后环境空气垂直上升并进入空气入口开口。这与在桶体的侧面形成通风空气入口或贯穿部的设计形成对比。风会导致桶的迎风侧的气压大于背风侧的气压，从而导致进入桶的冷却空气的不平衡且优先的流速。这可能会不均匀地冷却罐101的部分，特别是如果SNF罐上的热点位于桶的背风侧，其接收的冷却空气较少。然而，相比之下，在桶100的当前竖直空气入口设计中，入口室151将冷却空气吸入桶中自然是压力平衡的，并且空气彻底混合，从而导致更均匀的入口空气压力以及罐的所有侧面的均匀冷却。

现在转向桶100的上端，盖114中的通风系统的冷却空气出口220由在限定中心空气出口开口114f的上环形构件114a和之前本文描述的下盘构件114b之间延伸的多个出口管道221形成。出口管道221与底部处的桶内腔121和顶部处的空气出口开口114f流体连通，空气出口开口114f经由中空管状顶部气候防护帽结构225与环境大气流体连通，帽结构225形成如图所示的向上突出的盖延伸部。帽结构225可包括竖直的圆柱形侧壁226，其在其上部上装配有穿孔通风筛网227，并且优选地包括实心顶盖板228以防止雨水直接进入帽结构中。在一个非限制性实施例中，通风筛网227可以具有大约50％的开口面积；然而，也可以使用其他敞开区域。敞开的内部229限定在帽结构225内部，其在底部与盖上环形构件114a中的空气出口开口114f流体连通，并且通过通风筛网227横向/径向地与环境大气连通。

盖114中的出口管道221的横截面具有迂回形状，使得在桶内腔121和出口开口114f或周围环境之间不存在直线视线。这防止了沿向上方向的直线辐射流，如下面描述的加热的冷却空气所遵循的流动路径所例示的。

现在将总结自然对流热虹吸空气通风系统的操作方法。图19是桶100的剖视图，示出了穿过其中的冷却空气流动路径和对应的流动方向箭头。

操作时，参考图19和其他适用图，环境冷却空气首先从周围环境围绕桶100的底部以完整360度径向向内被吸入到支座构件150之间的入口室151中。然后空气首先混合并垂直向上流动通过罐支撑结构140的基板115中的空气入口开口201并进入入口管道202。空气在管道202中垂直向上流动，然后径向向外流动，最后垂直向上流动。仍然冷的环境空气被从入口管道的向上排放管道出口开口206的环形阵列吸入桶100的通风环122的底部。

罐101加热通风环122中的进入空气，进入空气向上上升并收集在内壳112与盖的下盘构件114b之间的桶内腔121内形成的环形空气出口室222中。现在被加热的冷却空气在室中垂直向上流动，然后通过出口管道221径向向内转向到盖的上环形构件114a中的中心出口开口114f。加热的冷却空气继续在帽结构225内部垂直向上流动，然后通过通风筛网227径向/横向向外排放到环境大气。只要罐散发热量，罐101内的燃料组件对通风环122中的空气的加热就连续地驱动前述空气循环。

根据核废料存储系统的另一方面，可以在需要时用光子衰减器来补充桶100的空气入口区域以增加辐射阻挡。这些可以周边地定位在桶体110下方的空间中，并且仅定位在潜在增加辐射水平的位置处，例如沿着紧邻包含SNF或其他高水平放射性废料的装载桶的桶存储区域边界或栅栏。图17示出了包括弓形弯曲的辐射光子散射衰减器160的桶100的某个实施例的底面。所提供的衰减器均固定地联接在本文先前描述的底部基板115上的外支座阵列中的一对径向板外支座构件150a之间。图中显示了一对衰减器；然而，可以根据需要使用更多或更少。衰减器160配置有敞开区域，以允许环境冷却空气朝向罐支撑结构140中的空气入口200向内流入自然通风系统的底部空气入口室151。在非限制性示出的实施例中，每个衰减器160可以包括弓形弯曲的外部支撑杆161和可选的内部支撑杆163，每个支撑杆163可以在它们的端部焊接到相对的支座构件150a，该相对的支座构件150a又焊接到基板115的底部。如图所示，多个竖直取向的平坦偏转板162被焊接至杆161、163并且在杆161、163上弧形地间隔开。如果需要增加稳定性和支撑，板162可选地另外焊接至基板115。在一些实施例中，如图所示，外部支撑杆161的底表面可以与外部支座构件150a的底表面齐平，使得杆通过支座搁置在混凝土基垫130上。这为衰减器160和桶提供了额外的支撑。在一个实施例中，支撑杆161、163和偏转板162可以由诸如钢的金属或其他合适的金属形成。如图17所示，衰减器160仅位于需要的位置并且不必围绕桶底部的整个周边。

图18示出了安装在桶通风系统的空气出口220中的网格化辐射光子散射管道衰减器170。管道衰减器170由钢或其他金属扁平管道偏转板171的正交交叉阵列形成，其可安装在盖114中的中央空气出口开口114f内。图22-23示出了安装在每个管道的空气出口206和空气入口201处的罐支撑结构140的入口管道202中的类似的网格管道衰减器170。

本发明的具有环境冷却空气通风系统的桶的特征和优点包括但不限于以下内容。桶侧壁和罐支撑结构140的高密度混凝土内衬113和142可分别包含赤铁矿(氧化铁化合物Fe₂O₃)和/或其他含铁骨料，其显著提高内衬的导热率，从而导致从桶的内表面到外表面的传导热传递有显著的传导速率。因此，桶的热负荷相应地增加以消散罐101发出的热量。桶100具有优异的辐射屏蔽性能，这归因于从存储在桶内的罐中的核燃料发出的辐射没有横向/径向或垂直流动路径。这也对于小型穿透型导弹没有建立任何能够到达桶内的核燃料的敞开的进入路径。空气入口和出口开口可选地配备有管道光子衰减器170，其用于进一步衰减辐射，从而降低环境辐射水平。通过在桶下方的空气入口室151的外围处使用弓形弯曲的光子衰减器170，可以进一步减少桶的底部区域所允许的任何微小剂量。顶盖中的空气出口的贯穿部具有本文先前描述的“盘和环形”几何形状，在桶体110至盖114的界面处在平面水平方向上具有大的重叠，使得没有用于从容纳罐的桶内腔到周围环境的辐射直接竖直向上流动的路径。盖的结构坚固的混凝土和钢盘部分还可以用来阻挡任何来袭的导弹或射弹。空气入口和出口流动通道(例如管道)的宽度可以被优化以满足桶100所需的热负荷，而不允许桶内过量的扩散辐射到达周围环境。通风桶100被配置为适合在混凝土存储或基垫130上有遮蔽或无遮蔽地部署。因此，桶可以存放在通风良好的建筑物内，或者存放在露天的无遮蔽的存储设施中，以促进改善桶的通风和冷却。

虽然前面的描述和附图表示了一些示例系统，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，可以对本文描述的方法/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，当前公开的实施例在所有方面都应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实施例。相反，所附权利要求应当被广义地解释为包括本发明的其他变型和实施例，其可以由本领域技术人员做出而不背离本发明的等同物范围。

Claims (34)

1.一种无源通风核废料存储桶，包括：

伸长的桶体，其限定顶部、底部、侧壁以及内腔，所述内腔沿所述桶的垂直中心轴线在所述顶部和所述底部之间延伸，所述内腔被配置成用于容纳核废料存储罐；

附接在所述桶体的顶部的盖；

形成于所述盖中的空气出口；

所述桶体的底部中形成有向下敞开的空气入口，与所述内腔和环境大气流体连通；

罐支撑结构，配置为在所述内腔中支撑所述罐并接合基垫，所述罐支撑结构还配置为将所述桶体的底部抬高至所述基垫上方；

其中，环境冷却空气被吸入所述桶体的底部下方的流动路径中，并通过所述空气入口垂直向上进入所述内腔。

2.根据权利要求1所述的桶，其中当所述罐位于所述桶体的内腔中时，所述桶体的侧壁与所述罐之间形成有通风环。

3.根据权利要求2所述的桶，其中所述空气入口包括形成在固定至所述桶体的底部的所述罐支撑结构的基板中的空气入口开口。

4.根据权利要求3所述的桶，其中所述空气入口开口具有圆环形并且与所述桶的竖直中心轴线同心对准。

5.根据权利要求3或4所述的桶，其中所述空气入口包括穿过所述罐支撑结构形成的复合形状的空气入口管道系统，其被配置为使得在所述内腔与所述基板中的空气入口开口之间不存在直线视线。

6.根据权利要求5所述的桶，其中所述入口管道系统具有Z形横截面形状并且包括可操作地流体连通的竖直伸长的环形下入口部分、竖直伸长的环形上出口部分和径向伸长的环形中间部分；所述竖直伸长的环形下入口部分流体地联接至所述基板中的所述空气入口开口，所述竖直伸长的环形上出口部分流体地连接至所述桶体的内腔中的所述通风环，所述径向伸长的环形中间部分流体地联接在所述入口部分和出口部分之间。

7.根据权利要求6所述的桶，其中所述入口管道系统的环形下入口部分与所述环形上出口部分向内间隔开，并且所述环形下入口部分比所述上出口部分更靠近所述桶体的竖直中心轴线。

8.根据权利要求6或7所述的桶，其中，所述环形上出口部分位于所述桶体的侧壁附近且位于所述通风环的底部处，使得冷却空气垂直向上排入所述通风环，形成围绕所述罐360度的周向延伸的冷却空气幕。

9.根据权利要求8所述的桶，其中所述冷却空气在穿过所述罐支撑结构的入口管道系统的路径中流动，垂直向上穿过所述环形下入口部分，径向向外穿过所述环形中间部分进入所述环形上出口部分，并且垂直向上穿过所述环形上出口部分进入所述通风环的底部。

10.根据权利要求5所述的桶，其中所述罐支撑结构还包括顶板和填充在所述顶板与所述基板之间的混凝土内衬，所述入口管道系统被形成为穿过所述罐支撑结构的混凝土内衬。

11.根据权利要求5所述的桶，其中所述桶通过从所述罐支撑结构的基板向下突出的多个支座构件而被抬高到所述基垫上方以接合所述基垫，所述支座构件在所述基垫和所述基板之间限定空气入口室。

12.根据权利要求11所述的桶，其中所述支座构件包括径向板，该径向板固定至所述基板并径向伸长取向。

13.根据权利要求12所述的桶，其中所述支座构件包括周向间隔开的径向板的外部阵列和周向间隔开的径向板的内部阵列。

14.根据权利要求13所述的桶，其中所述径向取向板的内部阵列设置在所述入口开口内，具有与所述桶的竖直中心轴线同心对准的圆环形形状。

15.根据权利要求13所述的桶，还包括弓形弯曲的光子散射衰减器其联接在所述外部阵列中的至少一对径向板之间。

16.根据权利要求15所述的桶，其中所述衰减器配置有敞开区域，以允许空气朝向在所述至少一对径向板之间的所述基板中敞开的空气入口而向内流动。

17.根据权利要求5所述的桶，其中所述空气入口管道系统不贯穿所述桶体的侧壁。

18.根据权利要求17所述的桶，其中所述桶体的侧壁包括邻近所述内腔的圆柱形内壳、圆柱形外壳以及设置在所述内壳和所述外壳之间的混凝土内衬。

19.根据权利要求1所述的桶，其中所述罐支撑结构还包括组件，所述组件包括多个交叉的罐支撑肋板，所述肋板在所述桶体的侧壁的相对的直径相对部分之间径向延伸，所述肋板被配置成接合所述罐并将所述罐抬高到所述罐支撑结构的顶板上方。

20.根据权利要求19所述的桶，其中所述肋板形成X形组件，所述肋板各自包括被配置成接合所述罐的圆柱形壳体的底侧的肩部，所述肩部可操作以将所述罐居中并保持所述通风环。

21.一种无源通风核废料存储系统，包括：

伸长的桶，其限定顶部、底部、侧壁以及沿所述桶的垂直中心轴线在所述顶部和所述底部之间延伸的内腔；

罐，其被配置为容纳核废料，该罐定位在所述桶的内腔中并在所述罐和所述桶之间形成周向延伸的通风环；

盖，其附接至所述桶的顶部并包括与所述内腔和环境大气流体连通的空气出口；

填充混凝土的罐支撑结构，其设置在所述桶的底部并支撑所述罐；

多个支座构件，其从所述罐支撑结构向下突出，其支撑所述桶的底部并从基垫抬高所述桶的底部以形成与环境空气流体连通的空气入口室；和

空气入口管道系统，其被形成为穿过所述罐支撑结构并与所述通风环和所述空气入口室流体连通；

其中，所述空气入口管道系统被配置成通过由从所述罐发出的热量驱动的自然热虹吸效应将环境冷却空气径向向内吸入所述空气入口室和所述通风环中。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述罐支撑结构包括基板，所述基板包括向下敞开的环形空气入口开口，其流体地联接到所述桶和所述空气入口管道系统下方的所述空气入口室。

23.根据权利要求21或22所述的系统，其中所述空气入口管道系统包括位于所述通风环的底部处的环形上出口部分，所述冷却空气垂直向上排放到所述通风环中以形成围绕所述罐的周向延伸的冷却空气幕。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述环形上出口部分位于所述基板中的环形空气入口开口的径向向外处。

25.根据权利要求23所述的系统，其中所述空气入口管道系统不穿透所述桶的侧壁。

26.一种用于操作无源通风核燃料存储系统的方法，包括：

提供包括内腔和与所述内腔和大气流体连通的环境空气通风系统的桶；

将包含发出热量的核废料的罐插入到所述桶的内腔中以及固定地联接到所述桶的罐支撑结构上；

将环境冷却空气吸入形成于所述桶的下方的空气入口室；

使所述冷却空气从所述空气入口室向上流动穿过所述罐支撑结构进入所述桶的内腔；

加热所述桶的内腔的所述冷却空气；和

将加热的冷却空气穿过联接到所述桶的顶部的盖排放到大气中。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述冷却空气在所述内腔中的所述桶和所述罐之间形成的通风环中被所述罐加热。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述冷却空气从所述罐支撑结构垂直向上流入所述通风环中。

29.根据权利要求26-28中任一项所述的方法，其中所述冷却空气通过垂直穿过所述罐支撑结构形成的多个空气入口管道流入所述桶的内腔，并且所述冷却空气穿过所述盖中的多个空气出口管道从所述内腔向外流动。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述空气入口管道和所述空气出口管道各自分别布置在所述罐支撑结构和所述盖中的周向延伸的环形阵列中。

31.根据权利要求30所述的方法，其中不存在穿过所述空气入口管道和所述空气出口管道向外的直线视线，以防止辐射流。

32.根据权利要求26所述的方法，其中吸气步骤包括将空气径向向内吸到所述空气入口室中，所述空气入口室形成在所述罐支撑结构的基板和支撑所述罐的混凝土基垫之间。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述空气入口室由多个支座构件形成，所述多个支座构件将所述基板抬高与所述基垫隔开。

34.根据权利要求26-33中任一项所述的方法，其中在与所述通风系统相关联的所述桶的侧壁中不存在贯穿部。