CN1345452A - 长期储存像核废料这样的发热产物的设备 - Google Patents

Abstract

长期储存像核废料这样的发热产物的设备,至少包含有一个封闭的腔体(10),在此腔体中至少容纳一个密封此产物的容器(14)。为了排放所储存产物放出的热量,在每一个容器(14)的周围都放置一个外套(26),而此外套则与热虹吸管(24)连在一起,热虹吸管的冷源是由设置在板块(20)上面的空气冷凝器构成的,这个板块把此腔体的顶部封闭。外套(26)最好是可交换的,它紧密地环绕着此容器(14)。

Description

长期储存像核废料这样的发热产物的设备

发明领域

本发明涉及的是一种用于确保长时间储存发热产物的设备，例如像放出大量热的产物，而这种放出的热量会随时间(dans le temps)而减少。

术语“储存”指的是可逆地存放包装过的产物，这种储存带有对产物放出来的热量进行排放的功能。副词“可逆地”指的是存放的产物可以从储存中取出来。

用词“长期”指的是至少五十年，最好是几个五十年。

本发明设备的一种优先运用是与储存核废料有关，这种核废料具有长期很强的放射性，例如，核反应堆中受到辐照的燃料。

背景技术

储存危险的发热产物，例如核废料，是一个重大的问题，为此已经提出了一些解决方案。

在这些解决方案中，只提及那些不供给任何外部能源而保证对产物进行无源冷却的解决方案。这是因为，为了得到在面临的长期储存中所需要的可靠性，这个无源的特征看来是不可缺少的。

按照第一种已知的储存技术，这些产物被装在一些容器中，这些容器又放置在地下做成的腔体中，该腔体是由混凝土墙壁构成的。在每个容器和腔体墙壁之间都设置有充空气的空间。只是通过处于自然对流的空气流通来排放热量。

这样的储存设备有一个明显的缺点，这就是冷却是通过与容器壁直接接触的第一通路而实现的。在发生事故时这样的配置是扩散的，因而对环境是危险的。另一方面，它只能排出非常有限的热流量。

按照另一种已知的储存技术，总的配置是与前面相似的，但是冷却是由第二冷却通路来保证的，处于自然对流的流体，尤其是水，或是空气流过此第二通路。这些通路完全地嵌入在混凝土墙壁中，这里的混凝土墙壁构成了容纳这些容器的腔体。

这样的设备有一些缺点。

首先，由于冷却只是在混凝土墙壁的内部起作用，所以构成腔体的这些墙壁表面本身被储存的产物直接加热。结果是至少在表面上使混凝土变得脆弱了。而且，容器的温度很高，这由其焊缝的快速老化表现出来。最后，这样的储存设备不能控制容器的外部温度，因而就不能控制容器的内部温度，这就能导致，例如，受辐照燃料的罩子(gaine)被破坏。

第三种已知的储存技术与前面技术的主要不同是，第二冷却通路穿过构成腔体的墙壁，并且部分地处于环绕此容器的空间中。

在这种情况下，发现与上面所描述的已知技术有几乎相同的缺点。而且，由于此冷却通路局部地穿过构成腔体的混凝土墙壁表面，所以这些表面经受到非均匀热应变，这由混凝土的加速老化表现出来。

在第四种已知的储存技术中，在每个容器和容纳此容器的腔体之间设置有充满了水的空间，此冷却通路完全处在此空间中。

此已知解决方案的特点是因容器浸没在水中而导致的侵蚀问题。而且，在储存产物是核废料的情况下，任何来自冷却通路的泄漏都会导致污染的危险。此外，这样的储存装置的维修是特别繁重的。

由文献DD-A-223 562也知道有一种储存受辐照核燃料的设备，在这种设备中，盛放此产物的圆柱状容器放置在由混凝土墙壁构成的竖井中摞着。每个竖井的壁在内部都衬以金属管，此金属管延伸到此竖井的上面，直到一个散热器，这个散热器带有叶片或类似物，能把它接收到的热量传送给环境大气。在此竖井的顶部放置有一个井盖，它位于金属管子的内部，在容器的上面。

这种装置的效率是比较有限的，不能阻止对容器和竖井壁的大量加热。而且，在置于竖井底部的容器和靠近表面的容器之间有大的热梯度。结果是，混凝土表面变得脆弱，而且容器焊缝以及散热的管子(是不可交换的)的加速老化几乎是不可避免的。

另一方面，文献US-A-4 040 480提出了一种储存放射性产物的设备，在这种设备中，产物装在圆柱状容器里，放于环形腔体中，此环形腔体是在圆形横截面竖井的混凝土墙壁和竖直的封闭管子之间形成的，此竖直的管子位于此竖井的轴上，构成了散热管(caloduc)。在其顶部，在封闭此竖井的井盖上面，此竖直管子带有冷却叶片，与空气接触。

储存产物所散发的热量传向竖井的壁，同样也传向构成散热管的管子。因而可以预料，混凝土的表面会较快速地被损坏。而且，如果发生散热管故障的话，没有任何预防措施。

一般说来，到目前已知的设备都是设计用于最大寿命大约为五十年的，而在核工业中需要储存几个五十年，典型的直到300年。

发明内容

精确地讲，本发明的目标是一种储存发热产物的设备，例如储存核废料，这种设备没有先前技术设备的缺点。换句话说，本发明的目标是一种无源储存设备，它能在一个很长的时期排放大量的热，而同时具有很高的可靠性和坚固性，特别是只让材料经受与长寿命相一致的负荷(sollicitation)。

依照本发明，这个结果是通过长期储存发热产物的设备而实现的，这个设备包含有至少一个封闭的腔体、至少一个密封该产物并能容纳在该腔体中的容器和热虹吸管(thermosiphon)形成机构，这个机构能把该产物所放出的热量消散在腔体的上面，此设备的特征在于：此热虹吸管形成机构部分地与外套做成一体，此外套与其环绕的容器直接接触。

使用与紧紧环绕容器的外套做成一体的热虹吸管形成机构，能够保证有效地排放由盛在容器中的产物所放出的热量，而不会在发生事故时有任何污染扩散的危险。而且，此外套在容器和腔体墙壁之间形成了热的屏障。如果所有储存的产物是核废料的话，此腔体一般是由混凝土制造的，因而此腔体受到均匀有效地冷却，就像容器本身受到冷却一样。因而避免了混凝土、容器焊缝以及容器组成(produitscontenus)的迅速老化。此外，还可能了解容器的表面温度以及竖井壁或沟槽壁的温度，并对其进行有效地调节。这也可能按照通常的假设(在已有的设备中一般不遵从)来驾驭储存条件，按照这一假设，混凝土表面的温度是已知的而且是固定的。这种设备还有优点，这就是它能按照所储存产物放出热量在时间上的变化，来对位于腔体上方的冷源进行调整。

在本发明的一个优选实施例中，外套是可拆下来的。而且腔体有利地在容器上方被可取下来的腔盖封住了。这样的配置，如果需要的话，能保证替换包含热虹吸管的外套，或是在发生问题时取出容器。

在这个例子中，此外套是开口的，并用可弯曲的弹性材料，例如金属来制作是有利的，使得能处在一种自然状态，在这种自然状态下，它离开容器有间隔。这种自然状态能让外壳的安装和拆卸容易。因而就设置了可脱开的锁紧机构，以便在储存时使外套紧紧地贴在容器上。

此外套的形状最好是因而沿着母线开口的圆柱状，而可脱开的锁紧机构则介于与此母线相对着的边部之间。

为了防止使腔体墙壁过渡加热，在腔体内部，环绕着装配了其外套的容器，设置有一般是充有空气的空间是有利的，而此空气可以是以自然对流而流通，也可以不以自然对流而流通。

在本发明的优选实施例中，此外套包含有多个装有流体冷却剂的外管，外管的下端和上端分别通向下环形收集器和上环形收集器。

在这个例子中，最好是在至少某些外管上做上冷却叶片，以便增加与盛在腔体中的空气的热交换。

在本发明的这个优选实施例中，这些外管可以焊接在外套上。

作为一种变化形式，此外套也可以包含有多个片段，它们并排着由装配机构，例如，焊缝或是铆钉，固定起来。每一根外管因而都是做得与这些片段中的一段连成一片。

为了保证对盛在热虹吸管形成机构中的流体(一般是水)进行冷却，这些热虹吸管还包含有热交换机构，这个机构放置在腔体的上方，构成一个冷源。

当此外套是可以拆下来的时候，此热交换机构就通过可分离的连接机构连接在此外套上。

有利的是，此热交换机构是与要消散的热流中的变化相适应的。

在本发明的这个优选实施例中，热虹吸管形成机构构成了散热管。

本发明的设备用于储存核废料是有利的。此腔体于是就是由混凝土墙构成的。

附图简要说明

参考附图，以非限定性的例子，现在对本发明的几个不同实施例来进行描述，在这些附图中有：

-图1是一个竖直的剖面视图，它非常简明地表示出本发明的用于储存发热产物的设备。

-图2是一个有部分剖切的透视图，它表示出外套的上部，此外套紧紧地围绕着图1设备中的每个容器。

-图3是沿着水平面的剖面视图，它以实线表示处于自然开口状态的外套，以点划线表示紧紧环绕着容器时的外套。

-图4是沿着水平面的剖面视图，它放大地说明了此外套的另一个实施例；以及

-图5和图6是与图4类似的剖面视图，它说明了本发明实施例的几个变化形式。

具体实施方式

图1非常简明地表示出长期储存发热产物设备的一部分，此设备是按照本发明建造起来的，这里的发热产物例如是核废料。

此设备包含有至少一个封闭的腔体10，例如一个在地下挖的沟槽(tranchée)，侧部和底部都是由混凝土墙壁12构成的。

在所描述的这个实施例中，腔体10的形状是埋入地下的直线状沟槽。这个沟槽能容纳多个容器14，要储存的产物就装在这些容器中。然而，此腔体10的形状可以是不同的，这并不脱离本发明的范围。因而，每个容器14都可以放置在不同的单个腔体中。

同样，用于密封待储存产物的容器14是金属容器，其形状和大小可以不同，这并不脱离本发明的范围。在作为例子的图示实施例中，容器14的形状是圆柱状，它们并排地放置着，在形成腔体10的沟槽中处于唯一的高度，它们的轴大致沿着竖直方向取向。

更详细讲，每个容器14都既不与相邻的容器接触，也不与腔体10的墙壁接触。换句话说，在腔体10的内部，围绕着每个容器14，设置了一个充有空气的空间16。这个空间16中的空气因自然对流而流通，就促成了对容器14的冷却。

为了在每个容器14下面留有这个空间，此容器借助一个基座18而坐落在腔体10的底部上。另一方面，在腔体10和每个容器14之间设立定位机构和隔离机构(未画出)是有利的，以便保障容器在腔体中的定位和对中。

而且如图1所示，腔体10在顶部是由混凝土板块20封闭的。在每个容器14的上方，此混凝土板块20具有一个一般圆形的开口，这个开口由可取下来的腔盖22封闭。这个可取下来的腔盖22也是由混凝土制作的。取下腔盖来可以把每个容器14单个地放置在腔体10中，也可能把它们从此腔体中取出来。为此目的，在混凝土板块20上方设置了装卸机构(未画出)。当所储存的产物是核废料时，这样的配置保障了生物学防护，以及对飞机坠落或敌意行为的机械防护。

为了能把由储存在容器内部的产物所放出的热量(可以表示为80kW的能量)排放到位于混凝土板块20上面的大气中去，本发明的设备还包含有热虹吸管形成机构24(图2)。更精确地讲，这些热虹吸管形成机构24的一部分与外套26做成一体，而此外套环绕着每个容器14，使得其光滑的圆柱状内表面27通常是紧密地与容器的光滑的圆柱状外表面15相接触。此外，外套26是由导热材料制做的，例如，像不锈钢或铜这样的金属材料。

由于这种配置，装在容器14中的产物所放出的热量，就通过热虹吸管形成机构24均匀有效地传送到这些容器的整个周围。容器和外套之间的热联系是由两个墙壁之间的直接接触来保证的。由于墙壁之间残余空气薄层的有效厚度限于几分之一毫米，所以热阻很小了。

在图示实施例中，热虹吸管形成机构24的与外套26做成一体的那部分，其形式是环绕容器14的封闭的冷却通路。这个通路包含有多个外管28和下环形收集器30以及上环形收集器32，这里的外管沿着其母线固定在外套26的外部表面上，而外管的下端和上端则分别通向这两个环形收集器。外管28有许多个，它们均匀地分布在外套26的整个外围。冷却剂流体，例如处于100°℃的水，处于此通路的内部。在运行时，水在下环形收集器30中为液态，在上环形收集器32中为汽态。此热虹吸管形成机构24因此就构成了一散热管，它紧紧地环绕着此容器，并使得温度均匀化，从而防止了形成热点。

换句话说，热虹吸管形成机构24使用的是冷却剂流体的蒸发/浓缩循环原理，以便把热量从容器14构成的热源向置于板块20上方的冷源传送。由于它们只是通过流体的相变化而起作用，所以它们是密封的无源的。

如图1所表明的，热虹吸管形成机构24的冷源，包含有热交换机构34，例如空气压缩机，它安装在腔体10的外部上方，也就是说，在混凝土板块20的上方。热交换机构34由两个管道36连接到冷却通路的收集器30和32上。而此冷却通路又连接在外套26上。更精确地讲，在作为例子所描述的实施例中，一个同样(？)的热交换机构34连接在每个冷却通路上，而此冷却通路又是承载在由环绕着置于一个同样腔体10中的所有容器14的外套26上。

热交换机构34可以有任何与其功能相适应的形状，而不脱离本发明的范围。应该注意的是，它们可以建立在混凝土板块20上方的某一高度，离开此容器一定的距离，而不会使在此设备的性能明显降低。

管道36把热交换机构34连接到与外套26相连的一个或几个冷却通路的下部环形收集器30和上环形收集器32上。这些管道穿过在可取下来的腔盖22中为此目的而设置的通道。

在图中所示的本发明的这些优选实施例中，外套26安装在容器14上，使它们可以从这些容器上单独地取下来。因此在取下任何一个可取下来的腔盖22以后，就可以替换相应容器14的外套26，而不必把此容器从腔体10中取出来。在此板块20中在每个容器14的上方做成的开口的尺寸，能适宜于进行这样的替换。

这种配置大大地方便了这个储存设备的长期管理(gestion)。因为它能借助于置于板块20上方的远程装卸机构，来容易的对设备的任何出故障部件进行干预，保证长期地排放由储存在此容器中的产物所放出的热量。

在实践中，尤其是如图2和图3所示的那样，通过把每一个外套都做成沿着母线开口的圆柱形状而实现了外套26的可拆下来的特性。此外，外套26是由整体刚度非常低的可弯曲弹性材料制作的，例如薄的金属板(例如3-4mm)。

在其静止的自然状态，如图3中实线所示，外套26的圆柱状平滑内表面27的直径，比容器14的圆柱状平滑外表面15的直径要大许多。因此，当外套26处于其静止的自然状态时，外套就离开容器14一个间隔。于是通过做与容器的竖直轴平行的移动，就能容易地把外套拆卸下来，或者是把它安装在位于腔体10中的容器14的周围。

尤其是如图2所示，与外套26的开口母线相对着的每一条边部都包含有辐射状向外取向的夹板38，因而两夹板38大致相互平行。一些孔洞间隔规则地穿过同一外套26的夹板28，螺钉40则可以装在这些孔洞中，这些螺钉构成可脱开的锁紧机构，能把外套26紧紧地贴在容器14上。

在这里螺钉40构成了可脱开的锁紧机构，为了使外套变形而把外套26的圆柱状平滑内表面27紧紧地贴在容器14的圆柱状平滑外表面14上，可以由其他任何能把夹板28相互合在一起的机构来代替这些螺钉。由于制作外套26的材料的刚性小，这个结果可以在不费太大力的情况下得到。

应该注意的是，最好是选用可脱开的锁紧机构，以便在把腔盖22或在此腔盖中设置的堵头除去以后，能容易地安装此机构，并能通过远程拆卸机构，从位于板块20上方的空间来使它们启动。

热交换机构34能安排得适宜于热流随时间的变化是有好处的，这里的热流是由储存在容器中的产物放出来的。然而，即使是安装了热交换机构34，也必须能作到对外套26进行干预。因此，必须把这些热交换机构34安装在混凝土板块20的上方，使得能替换外套26，以及安装外套并能把容器14取出来。

也是如图1所示，刚才描述的配置使得能在每一根管子36上设置可分离的连接机构42。这些可分离的连接机构42安装在板块20下面是有好处的。通过设置在可取下来腔盖22中的入口可以进入这些机构，这与可脱开的锁紧机构一样。这个可分离的连接机构42可以有任何形状，而不脱离本发明的范围。

按照本发明的第一实施例，如图2和3所示，外套26是由较薄的可弯曲金属板做成的，外管28则直接焊接在这块金属板的外部表面上。

在本发明的另一个实施例中，如图4所示，外套26是由多个片段26a构成的。它们首尾相接地成围成圆周。每个片段26a都通过组装机构固定在相邻的片段上，在本例中，此组装机构是由焊缝44构成的。

在图4所示的这个实施例中，每根外管28都做得与外套26的相应片段26a连成一片。

图5表示了图4中实施例的一个变化形式，它的主要不同之处是组装机构。这里的组装机构并排地把构成外套26的不同片段26a连接起来。在这个例子中，不是使用焊缝44进行连接，而是片段26a有重叠的相邻边部，固定部件，例如铆钉，穿过这些重叠边部，这像图5中点划线44’所示的一样。

图6画出了外套26的实施例的另一种变化形式。应注意的是，这个变化形式同样可以应用于依次参考图2，4和5所描述过的实施例，尽管图6只是表示了图5中的情况。

如图6所示，在这个例子中，每一根外管28都装备有至少一个冷却叶片46。这个叶片46位于在腔体10中设置的环绕着外套26的空间中，它改善了由外管28本身所保证的“叶片效应”。在储存产物放出的热流量在随时间减少的情况下，当这种形式的冷却变得足够强的时候，这种“叶片效应”与环绕容器的空间16中空气的自然流动相结合，就能消除由储存在容器中的产物所放出的热量。此外，在热虹吸管形成机构24出故障的情况下，这种“叶片效应”则使得对容器进行紧急冷却变得容易。

刚才描述的这种储存设备能保证长期储存、密封和排放发热产物散发的热量。这是因为热虹吸管形成机构24能排放大量的热，正如核废料储存的开始所要求的那样。因此所提出的这种配置能使容器14的焊缝和发热产物保持在足够低的温度，以防止它们加速老化。还可以让混凝土腔体表面上的温度均匀并足够低，以防止其随时间而变得脆弱。

此外，这个热虹吸管形成机构24构成了第二通路，容器墙壁和外套26所载管子28的壁同时把此通路与装在容器中的产物隔离开来。这就保证了在容器泄漏的情况下，保护环境。

另一方面，在本发明的外套26可以拆下来的优选实施例中，通过确保直接替换出故障的外套，可以安全快速地对此热虹吸管形成机构采取措施。

应注意的是，一些附加装备(未画出)可以使此设备得以完善，这些附加装备尤其是能收集任何可能泄漏的液体或气体，保证在丢弃之前对其进行控制，以保护环境。这样的装备是常规的，不需要具体描述。

显然，本发明不局限于刚才作为例子而描述的这些实施例，而是覆盖其所有的变化形式。因此，如果储存周期不是太长的话，此外套就可以永久地锁紧固定在此容器上。相反，通过把外套做成半壳套的形式，以可拆卸的方式组装在一起，或是做成相互铰接在一起的半壳套形式，或是能在外套和容器之间保证紧密接触并能保证良好的热交换的任何其他形式，都可以实现外套的可交换性。此外，与外套相连的冷却通路可以做成其他形式，例如做成螺旋管形的，或是在外套的较厚的区域做上一些通道的形式。

Claims (15)

1.长期储存发热产物的设备，它包含有至少一个闭合的腔体(10)、至少一个容器(14)和热虹吸管形成机构(24)，所述容器用于密封所述的产物，能装在腔体(10)中；而此热虹吸管形成机构则位于此腔体(10)的上方，能消散由所述产物放出的热量，此设备的特征在于：此热虹吸管形成机构(24)部分地与外套(26)做成一体，此外套与其环绕的容器(14)直接相接触。

2.按照权利要求1所述的设备，其中，所述的外套(26)是可以拆下来的。

3.按照权利要求1和2中的任一项所述的设备，其特征在于：此腔体(10)是由容器上方的可取下来的腔盖(22)所封闭。

4.按照权利要求2所述的设备，其中，所述的外套(26)是开口的，而且是由可弯曲的弹性材料制作的，使得它可以处在一种自然状态，在这种自然状态中，它离开容器(14)一定的距离，可脱开的锁紧机构(40)设置用来使外套(26)紧紧地贴在容器(14)上。

5.按照权利要求4所述的设备，其中，所述的外套(26)的形状是沿着母线开口的圆柱状，而可脱开的锁紧机构(40)插在与此母线相对的边部之间。

6.按照前面权利要求中的任一项所述的设备，其中，在腔体(10)中，在装有其外套(26)的容器(14)周围，设置了一个空间(16)。

7.按照前面权利要求中的任一项所述的设备，其中，此外套(26)包含有多个充有冷却剂液体的外管(28)，它们分别通向下环形收集器(30)和上环形收集器(32)。

8.按照权利要求7所述的设备，其中，在至少某些外管(28)上形成有冷却叶片。

9.按照权利要求7和8中的任一项所述的设备，其中，这些外管(28)是焊接在外套(26)上。

10.按照权利要求7和8中的任一项所述的设备，其中，外套(26)包含有多个片段(26a)，这些片段通过组装机构(44，44’)，并排地固定在一起，每一个外管(28)都做得与所述的一个片段连成一片。

11.按照前面权利要求中的任一项所述的设备，其中，热虹吸管形成机构(24)还包含有置于腔体(10)上面的热交换机构(34)。

12.按照权利要求2和11组合起来所述的设备，其中，热交换机构(34)通过可分离的连接机构(42)连接在外套(26)上。

13.按照权利要求11和12中的任一项所述的设备，其中，热交换机构(34)是与待消散的热流的变化相适应的。

14.按照前面权利要求中的任一项所述的设备，其中，热虹吸管形成机构(24)形成了一个散热管。

15.按照前面权利要求中的任一项所述的应用于储存核废料的设备，其中，腔体(10)是由混凝土墙壁所构成的。