CN1902715A - 储存危险材料的容器装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于长期储存危险材料(F)特别是用于核燃料最终处理的容器装置(11)，包括一个连续放置在另一个内部的多个容器本体(A，B，C，D)。每个容器本体包括外壳壁、上端壁和下端壁以及具有由这些壁限定的室。最内侧的容器本体(A)容纳危险材料，其他的容器本体(B，C，D)分别容纳下一个内部容器本体(A，B，C)。用自压实混凝土注入容器本体之间的空间。

Description

储存危险材料的容器装置及其制造方法
本发明涉及一种用于长期储存危险材料的容器装置。特别是，预期的危险材料的类型是核燃料或其他放射性材料，这些放射性材料在很长的时间内还保持高放射性水平并且必须以安全的方式储存至少到其放射性降到没有危险或者至少可以忍受的程度。由于这个原因，本发明将特别针对对乏核燃料最终处理的应用来进行描述。然而，本发明的应用并不局限于任何特殊类型的危险材料。可以考虑应用到其他类型的危险材料，这些危险材料包括：核武器或者这些武器的一部分、毒气、非常有害的生物材料等等。
用于核燃料最终处理的容器装置必须满足的要求在几个方面比可用于运输核燃料短期储存的容器或者其他容器必须满足的要求更严格。最后提到类型的容器装置必须允许安全储存一段时间，这一段时间可以是几十年，而用于最终储存的容器装置必须在相当长的时间内保证安全例如几个世纪或甚至几千年的时间。例如，最新的研究和发展项目旨在在美国内华达州制造最终的贮藏室，先决条件是放射性材料的储存在好几万年里必须是安全的。
要满足的要求包括需要容器装置能够承受极大的机械载荷、短期和长期的静、动载荷和冲击载荷，例如由于地震和由其它地震运动引起而出现的载荷或与核爆炸或其他战争或恐怖分子袭击有关的载荷。其他必须满足的要求包括需要极长时间的稳定性，例如防止甚至在容纳的核燃料引起加热的作用下在容器装置的材料中或者其故障会威胁到安全的至少部分材料中出现的腐蚀或其他分解或老化现象。
2002年11月29日申请号为0203528-5(申请人：OysterInternational N.V.)的瑞典专利，相当于国际申请PCT/SE2003/001837，公开号为WO2004/051671 A1，该申请提出了一种容器装置，该装置适于核燃料的最终处理和能够令人满意地安全保存储存的核燃料或其他类型的危险材料需要的足够长的时间。上述申请还提出了一种制造该容器装置的方法和装置。
上述专利申请中容器装置的实现所指出目的的一个必要特征在于一种完成的密封容器装置的盒子套盒子的结构，在该容器装置中，在危险材料和容器装置外侧之间交替设置多个混凝土屏蔽层和金属屏蔽层。基本上这种屏蔽层的数量可以不受限制并且可以根据需要的安全程度来选择。如果屏蔽层由于力或腐蚀或其他的原因失效，那么其他的屏蔽层仍然可以防止储存的危险材料从容器中泄漏出来。
设计组合结构的容器装置提供屏蔽层间的相互作用，该屏蔽层可选择地由混凝土和不同的优选为具有很好的机械强度的金属材料制成。
本发明涉及上述公开的专利申请中的那种类型的容器装置的改进以及制造这种装置的技术的改进，并提供解决特别在容器装置的结构方面优化的容器装置的问题的方法。
本发明提供的解决所述问题的方案是，(1)提供一种用于长期储存危险材料特别是用于核燃料最终处理的容器装置，和(2)提供一种用于制造该容器装置的方法。这种容器装置和这种制造方法具有在独立权利要求中提出的特征。
本发明的一个重要要素是用于注入容器本体内空腔的浇注材料。根据本发明，将称之为自压实的混凝土(经常缩写为SCC，有时候SCC称为高性能混凝土或“低温陶瓷”)用作浇铸材料。SCB是一种混凝土或者类似混凝土的材料，其中通过加入粘性调节剂来提供非常低的粘性(高流动性)以使该材料可以仅仅通过重力流出，因此不需振动，也可以容易地在很窄的部分中完全注满浇注框架(例如参见Okamura，H.，和Ouchi，M.的自压实混凝土，改进的混凝土技术期刊(Journal ofAdvanced Concrete Technolodge)，2003年4月第1卷5-15页)。通过应用本发明，以技术上简单和经济的方式构造一种根据盒子套盒子的原理的容器装置因此是可行的，该容器装置具有多个“盒子”和所需的相应数量的不同屏蔽层，以获得期望的长时间的安全存储能力。
下面将参照附图来描述容器装置及其制造方法的实施例。
图1是利用本发明的方法制造完成的容器装置的竖向剖视图；
图2表示沿着图1中II-II线的容器装置剖视图；
图3表示沿着图2中III-III线的容器装置剖视图；
图4是第一内部容器本体的轴向剖视图，该内部容器本体装有核燃料组件并且形成容器装置的中心或最里面的部分。
图5表示图4的容器本体沿着IV-IV线的剖视图。
下面对本发明容器装置、制造方法和安装方法包括附图在内的描述仅限于对发明的理解是必要的那些内容。如已经理解的那样，实现发明还需要那些没有说明或描述的主题，但是所属领域的技术人员在下面描述的指导下仅仅通过运用其技术就可以加上这些主题。
附图中描述的容器装置11适于容纳由单个核燃料组件或者可选择地由四个相似的核燃料组件结合成的一个“包”所形成的危险材料本体F，以便储存。图4和图5示意表示由单个燃料组件形成的危险材料本体F，该单个燃料组件包括一组适当地容纳危险材料也就是核燃料的燃料棒(未示出)。
由燃料组件形成的危险材料本体F容纳在第一子容器内或者容器本体A内，该容器本体A为具有方形截面的长圆柱形(当然，截面形状可选择地为圆形或不同于方形的形状)并且包括金属薄片的外壳壁12和分别由上金属板和下金属板形成的端壁13A和13B。在由外壳壁12和端壁13A、13B形成的室14内，棒15固定到每个端壁以支承离端壁一定的距离的支撑元件16。这些支撑元件在它们之间容纳危险材料本体F，以使燃料组件和外壳壁14的内侧之间以及燃料组件和端壁13A、13B之间存在敞开空间。
两个端壁13A、13B的每一个具有由套筒17A、17B形成的中心开口。这些套筒示意性地表示没有详细示出的装置，这些装置用于引入浇注混合物。根据本发明，在危险材料本体F安装到室内之后，该浇注混合物是自压实混凝土-进入室14的敞开空间中。该混凝土可以包括增强纤维，该纤维优选地由导热材料制成以提高混凝土的传热性能，也可以使混凝土通过端部开口进入和/或进入危险材料本体F侧以注满那里的空腔，例如如果危险材料本体是燃料组件时注满燃料棒间的敞开空间，因此燃料棒将埋入到混凝土中。前面所述引入混凝土的装置可以但不必须包括安装在容器本体A的一个端壁中的导入混凝土的阀和装配在另一端壁中的将多余的混凝土排出容器本体A的阀。
在完成的容器装置11中第一容器本体A被第二子容器或容器本体B包围。该容器本体是具有圆形横截面的长圆柱体并且包括金属薄片的外壳壁18和分别由下端板和上端板形成的端壁19A和19B。在外壳壁稍微向内处多个轴向管20从上端壁19A向下延伸到端壁19B附近。这些管用作提供浇注材料的通道。另外，还可以用于其他的目的，例如用于将外壳壁和端壁保持在一起。而且，这些管可以用作加强元件和用作提升眼孔或其他装置的附件以便提升和运输。当然，也可能和适于特别是在下面描述的容器本体C和D的外壳壁24和30之间设置分离的轴向加强元件。
四个支撑元件21装配在每个端壁19A、19B上以在室22内容纳容器本体A，该室22由外壳壁18和端壁19A、19B限定以使容器本体A相对于第二容器本体B固定在轴向和径向的中心位置，如图1所示，该中心位置具有相对于外壳壁18和端壁19A、19B的间隔。每个管20的下端部插入到与之相应的一个支撑元件21中，这些支撑元件设置有通道21A以形成室22和管20内部之间的连通。
存在于第一容器本体A和第二容器本体B之间的室22的空间比第一容器本体A和危险材料本体F之间相应的空间大很多，并且与后一个空间一样在完成的容器装置11内注满混凝土。因此，在完成的容器装置11内封入第一容器本体A的中空圆柱形混凝土本体的壁基本上比在第一容器本体A内封入危险材料本体F的混凝土本体的壁厚。
容器本体B的上端壁19A内侧稍微呈圆锥形凹面。与室22连通的管23安装在内侧的最顶端并且向上延伸，通向端壁19A的上方的空间。
第二容器本体B被第三容器本体C包围，该第三容器本体C基本上以与容器本体B相同的方式布置和构造。因此，容器本体C包括圆柱形外壳壁24和上、下端壁25A、25B。这些端壁限定室26，该室26安装有轴向管27，轴向管27穿过上端壁25A向下进入室26，下到下端壁25B附近并进入支撑元件28。支撑元件28设置有与通道21A类似的通道28A并且与在上端壁25A处类似的支撑元件(未示出)一起使第二容器本体B在室26内固定在恰当限定的径向和轴向位置。
在完成的容器装置中，将混凝土注满形成在第二容器本体B和第三容器本体C之间的室11内的空间。
与容器本体B的上端壁内侧一样，容器本体C的上端壁25A的内侧稍微呈圆锥形凹面。与室26连通的管29安装在内侧的最上面的点处并且从端壁25A向上延伸，通向上述端壁上部的空间。
在描述的实施例中，还有将第三容器本体C封入其径向和轴向中心位置的第四容器本体D，并且该第四容器本体D除了尺寸外基本上与容器本体C相同。相应地，容器本体D包括圆柱形外壳壁30和上、下端壁31A，31B。这些外壳和端壁限定室32，该室32安装有与管27具有相同功能的轴向管33，轴向管33延伸进入与支撑元件28类似的支撑元件。而且，在室32的最上端安装管34，管34可适于与吸入装置连接以用于下面描述的目的。
在完成的容器装置11中，将混凝土注入形成在第三容器本体C和第四容器本体D之间的室32内的空间。
如下面将要描述的，附图以简单的和省略了很多细节的形式表示了本发明的容器装置，这些细节并不构成与发明相关的部分，因此不用进行图解和描述所属领域的技术人员也可以实现本发明。例如，实际上子容器或者容器本体A-D必须设置辅助元件，这些辅助元件能够实现提升它们和对它们进行操作以及还可包括测量或监测装置等等。
本发明容器装置的制造可能发生在这样的安装过程中，其中装置的不同组件优选地至少部分在水下装配，如在上面提到的专利申请中说明和描述的安装过程以及在WO01/78084中说明和描述的安装过程一样。
直到容器装置的容器本体被注入混凝土的阶段，容器本体可以以不同的方式安装。根据一个程序，将没有安装上端壁31A的最外侧容器本体D首先设置在水下位置，从而将也没有安装上端壁的第二最外侧容器本体C放置在最外侧容器本体D内。同样地，将同样没有上端壁的第二最内侧容器本体放置在第二最外侧容器本体C内，并且最后将最内侧容器本体A放置在容器本体B内，从而将危险材料本体F放置在容器本体A内。
当上述的步骤完成时，在容器本体A、B、C和D上依次安装它们的上端壁。
当然，也可能在水上方的位置进行容器本体D、C、B和A的上述装配，然后将装配好的容器本体放置在水下位置，从而将危险材料本体F放置在容器本体A内，再安装所有容器本体的上端壁。
另一种可能是在水上方的位置组装容器本体D、C和B，将危险材料本体F放置在水下位置在容器本体A内，将容器本体组件D+C+B放置在水下位置，并且将由容器本体A和其内的危险材料本体F形成的单元放置在刚提到的组件D+C+B内，最后安装容器本体D、C和B的上端壁。
浇注材料即自压实混凝土的引入优选地在水下位置进行，使装配好的容器装置11注满水。上面提到的混凝土优选地能够含有导热材料的短加强纤维。如果需要在一定压力下加快引入所述混凝土，该混凝土将流过最外侧容器本体D的一根或优选地几根或全部管33。在图1中，通过在小圆圈内的小写字母a标明的箭头象征性地表示引入。接下来引入混凝土的步骤同样由小圆圈内的小写字母标明的箭头表示。
混凝土从一根管或多根管出来进入到最外侧容器本体D底部附近的室32内，如箭头b所示，在室32内逐渐升高直到混凝土的平面到达第二最外侧容器本体C的上侧，在第二最外侧容器本体C的上侧进入管27，如箭头c所示，流入容器本体C的室26的底部附近，如箭头d所示，并且在室26内逐渐增高。当混凝土的平面到达第二最内侧容器本体B的上侧时，混凝土流入管20，如箭头e所示，进入容器本体C的室22的底部附近，如箭头f所示。
当混凝土逐渐在容器本体B的室22内升高时，混凝土也升高通过容器本体A和它的室14，并且也通过形成危险材料本体F的燃料组件，以使燃料组件内的燃料棒埋入在混凝土中。当容器本体B的室22和容器本体A以及其内的燃料组件被注满时，多余的混凝土从管2排出，如箭头g所示，以进一步注满容器本体C的室26。同样，当容器本体C的室26被注满时混凝土将进入管29，如箭头h所示，排入容器本体D的室32，如箭头i所示，以进一步填充该室直到该室完全注满，多余的混凝土开始通过管34排出，如箭头j所示。
现在所有的空腔都注满了自压实混凝土，一部分混凝土在图1的中部用剖面线标记。在引入混凝土的过程中，混凝土逐渐向上排出空腔中的水。可以通过为一个或多个进入和排出容器本体的通道提供自封闭阀(未示出)，防止混凝土反向流动。
在上述选择的在容器本体A放置在容器本体B内之前将包括核燃料组件或多个核燃料组件构成的危险材料本体F放置在容器本体A内的实施例中，首先在容器本体内将混凝土浇注在危险材料本体F周围并且在将由容器本体A和埋入在混凝土中的危险材料本体F构成的单元放置在容器本体B内之前使混凝土固定是有好处的。
如上所述引入自压实混凝土即混凝土沿着曲折的路径通过容器装置，这是优选地但不是必须的。一种可供选择的方案是，将混凝土引入容器本体A的室32，如上所述，以使混凝土通过上端壁31进入该室并且在外壳壁30和第二最外侧容器本体C的外壳壁24之间限定的空间中继续向下，但是然后使混凝土在所有的容器本体和危险材料本体F内同时逐渐升高直到容器本体D的室32并因此整个容器装置11被完全注满，然后多余的混凝土开始通过管34排出。
在引入自压实混凝土的最后阶段以及在引入完成后的一段时间内直到混凝土已经足够变硬，可以使混凝土保持一定的过压，以便通过张紧的加强元件对凝固的混凝土施加预应力。
可以通过在管34上施加吸力作用增加混凝土的引入和水的排出。
当然，容器装置的容器本体数量可以多于或少于上述仅仅通过示例的方式描述的容器装置实施例中的的容器本体数量。
容器装置的示例实施例中最内侧的容器本体A构造成某种程度上与周围其他的容器本体B、C和D不同，但是基本上与这些容器本体以相同的方式构造，其中该容器本体A限定容纳危险材料本体F的室并且注入完全包围危险材料本体的自压实混凝土。在所描述的危险材料本体是一个或多个核燃料组件的应用中，这是优选的和特别适合的，但是这不是本发明必不可少的特征。因此，危险材料可以保持在自身没有注入填埋其所保持的危险材料的混凝土的容器中，但是密封和放置在容器本体例如容器本体B内并在其中封入混凝土。

Claims (9)

1、一种用于长期储存危险材料特别是用于核燃料最终处理的容器装置，包括：
细长的圆柱形的内部容器本体(A)，所述内部容器本体(A)具有外壳壁(12)、上端壁(13A)、下端壁(13B)、第一室(14)和第一室(14)内的支撑装置(15，16)，第一室(14)由所述外壳壁和所述端壁限定以容纳至少一个由危险材料形成的或容纳或支撑所述危险材料的危险材料本体(F)，危险材料本体具体包括一束棒状核燃料元件，室(14)内的支撑装置(15，16)支撑在所述室内中心的并且与所述外壳壁和端壁间隔开的危险材料本体，和
圆柱形的外部容器本体(D)，所述外部容器本体(D)具有外壳壁(30)、上端壁(31A)和下端壁(31B)、圆柱形第二室(32)，圆柱形第二室(32)由所述外壳壁和所述端壁限定，内部容器本体(A)被支撑在该室(32)内并与外部容器本体(D)的所述外壳壁和端壁间隔开，其中
通道延伸穿过外部容器本体(D)的端壁中的至少一个端壁并且通入第二室(32)，以使自压实混凝土进入所述第二室，
通道延伸穿过内部容器本体(A)的端壁(13A、13B)中的至少一个端壁并且通入第一室(14)，所述通道与第二室(32)连通以使自压实混凝土能够从所述第二室流入所述第一室，以及
用于从外部的室的顶部排出多余自压实混凝土的通道设置在所述外部容器本体的上端壁中。
2、如权利要求1所述的容器装置，包括中间容器本体(B)，所述中间容器本体(B)具有外壳壁(18)、上端壁(19A)、下端壁(19B)和第三室(22)，所述第三室由该外壳壁和这些端壁限定，内部容器本体(A)被支撑在第三室(22)内并与中间容器本体(B)的外壳和端壁间隔开，其中通道延伸穿过所述中间容器本体的端壁中的至少一个端壁并且通入所述第三室(22)，所述通道与第二室(32)连通以使自压实混凝土能够从所述第二室流入所述第三室。
3、如权利要求3所述的容器装置，包括另一个中间容器本体(C)，所述另一个中间容器本体(C)具有外壳壁(24)、上端壁(25A)、下端壁(25B)和第四室(26)，所述第四室由该外壳壁和这些端壁限定，所述另一个中间容器本体(C)被支撑在所述第四室内并与所述另一个中间容器本体(C)的外壳和端壁隔开，其中另一个通道延伸穿过所述另一个中间容器本体(C)的端壁中的至少一个端壁并且通入第四室(26)，所述另一个通道与所述第二室(32)连通以使自压实混凝土能够从所述第二室流入所述第四室。
4、如权利要求1或2或3所述的容器装置，其中延伸穿过外部容器本体(D)的端壁中的至少一个端壁的所述通道包括管道(33)，所述管道延伸穿过外部容器本体(D)的上端壁(31A)并且在所述第二室底部附近通入所述第二室。
5、如权利要求3和4所述的容器装置，其中对中间容器本体(B)和另一个中间容器本体(C)中的每一个而言，延伸穿过至少一个端壁的所述通道包括管道(20，27)，所述管道分别延伸穿过中间容器本体(B)和另一个中间容器本体(C)的上端壁(19A，25A)并且分别在第三室(22)和第四室(26)的底部附近通入所述第三室(22)和第四室(26)；而且还包括设置在上端壁的开口和分别通入所述第四室和所述第二室。
6、一种制造容器装置(11)的方法，该容器装置用于危险材料特别是用于以至少一束布置的例如布置在一个或多个燃料组件(F)中的核燃料元件，其中将由危险材料形成或者容纳或支撑危险材料的危险材料本体(F)引入和固定在基本上为圆柱形的容器(A)的限定位置，该容器的长度基本上大于危险材料本体的长度，危险材料与所述容器的侧壁和端壁(12，13A、13B)之间设置有空间并且该危险材料本体沿其整个长度以及在其端部处都被埋入在浇铸混合物中，所述浇注混合物基本上完全注满在危险材料本体(F)以及容器的侧壁和端壁(12，13A、13B)之间的空间，然后凝固，所述方法包括下面的步骤：
将危险材料本体(F)放置在具有外壳壁(12)、上端壁(13A)和下端壁(13B)、由外壳壁和端壁限定的第一室(14)的圆柱形内部容器本体(A)内，并且将危险材料本体(F)支撑在第一室的中心以及使其与所述外壳壁和端壁间隔开，至少一个端壁具有与所述第一室(14)连通的通道(17A，17B)，
将内部容器本体(A)放置在具有外壳壁(30)、上端壁(31A)、下端壁(21B)和由第二容器本体的外壳和端壁限定的第二室(32)的圆柱形外部容器本体(D)内，并且将第一容器本体(A)支撑在第二室的中心以及使其与第二室的外壳壁和端壁间隔开，至少一个端壁具有与所述第二室(32)连通的入口通道和出口通道，
将自压实混凝土通过入口通道引入所述第二室(32)并且使自压实混凝土完全注满第一室和第二室以及使多余的自压实混凝土通过出口通道排出。
7、如权利要求6所述的方法，其中通过在外部容器本体(D)的底壁(31B)附近敞开的管道将自压实混凝土导入所述第二室(32)。
8、如权利要求6或7所述的方法，其中将内部容器本体(A)放置在具有外壳壁(18)、上端壁(19A)、下端壁(19B)和由这些壁限定的第三室的中间容器本体(B)内，其中将中间容器本体(B)支撑在外部容器本体(D)内并与其外壳壁和端壁间隔开，使自压实混凝土从外部容器本体导入中间容器本体(B)以将其完全注满。
9、如权利要求8所述的方法，其中将中间容器本体(B)放置在具有外壳壁(24)、上端壁(25)、下端壁(25B)和由这些壁限定的第四室(26)的另一个中间容器本体(C)内，将另一个中间容器本体(C)支撑在外部容器本体(D)内并与其外壳壁和端壁间隔开，使自压实混凝土从外部容器本体导入另一个中间容器本体(B)以将其完全注满。
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