TW201342393A - 用於輕水式反應器之替代型遠距廢燃料池冷卻系統之方法及裝置 - Google Patents

用於輕水式反應器之替代型遠距廢燃料池冷卻系統之方法及裝置 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種用於提供用於廢燃料池之一替代型遠距廢燃料池冷卻系統之方法及裝置。該冷卻系統經操作以在正常電廠電力不可用於習知燃料池冷卻及清除系統時或在廢燃料之完整性已受危害時之一電廠意外事故的情況下冷卻該廢燃料池。該冷卻系統係自一遠距部位被操作及控制，此情形在一電廠緊急事故期間係理想的。

Description

用於輕水式反應器之替代型遠距廢燃料池冷卻系統之方法及裝置
實例實施例大體上係關於核反應器，且更特定言之，係關於一種用於輕水式反應器(LWR)核反應器之替代型遠距廢燃料池冷卻系統之方法及裝置。該冷卻系統可在造成電廠電力(plant electrical power)中斷或廢燃料池之正常冷卻以其他方式變得削弱之電廠緊急事故的情況下特別有益。該冷卻系統亦可用以經由習知燃料池冷卻及清除系統而補充燃料池冷卻。
圖1為習知沸水式核反應器(BWR)反應器建築物5之剖示圖，其為輕水式反應器(LWR)之一實例。應理解，此情形僅僅為一實例，此係因為其他反應器設計佈局可用於其他LWR。廢燃料池10為用以儲存廢燃料12之儲存池，其在該燃料用以對BWR反應器1供電之後繼續存在。廢燃料池10通常定位於鄰近於反應器1且朝向反應器1之頂部的部位中(如圖1所示，廢燃料池10位於保護反應器1之鋼圍阻體容器3及混凝土殼體4外部的次級圍阻體中)。廢燃料池可位於抑壓池2之部位上方的電廠標高(plant elevation)處。應注意，在其他反應器設計中，廢燃料池可位於與反應器相同的電廠標高處，或位於反應器下方的標高處。廢燃料12通常在被發送至再處理或桶儲存器之前儲存於廢燃料池10中歷時至少5年之時期。廢燃料池10之深度通常為40呎或更大，其中為14呎之底部經配備有固持自反應器移除之燃 料總成之儲存架。通常需要約8呎之水(其自身在廢燃料之頂部上方)以使廢燃料池10中之輻射位準保持於可接受極限內(參見廢燃料池水液位10b，其在廢燃料12上方)。
由習知燃料池冷卻及清除系統(未圖示)提供之冷卻水流提供屏蔽免於輻射，且使廢燃料池10維持於確保冷卻水不沸騰之冷卻溫度下(藉此將廢燃料曝露至大氣)。習知廢燃料冷卻泵提供廢燃料池之冷卻。具體言之，習知燃料池冷卻泵將水自廢燃料池轉移至燃料池冷卻及清除系統。習知燃料池冷卻及清除系統使用熱交換器及去礦化器來冷卻及清潔水(移除一些放射性同位素，及其他雜質)。燃料池冷卻泵接著將冷卻清潔水發送回至廢燃料池10。
在嚴重電廠意外事故期間，正常電廠電力可被中斷。詳言之，電廠可無正常電力來運行習知燃料池冷卻泵，或操作燃料池冷卻及清除系統。若電力被中斷歷時超長時段，則燃料池冷卻及清除系統之使用中斷可造成廢燃料池中之水變暖且最終沸騰。當發生足夠沸騰時，池中之水液位可降至不再提供足夠冷卻水來有效地屏蔽可由廢燃料造成之輻射之液位。在極嚴重緊急事故中，廢燃料池中之水可沸騰及蒸發至廢燃料可變得曝露至大氣之點。此緊急事故可對電廠人員及環境造成重大危險。
在電廠緊急事故中，即使廢燃料池中之廢燃料未曝露至大氣(在最壞狀況意外事故情境的情況下)，仍存在輻射洩漏離開廢燃料池且逸出至環境之顧慮。詳言之，燃料池冷卻及清除系統可在處置廢燃料池之冷卻及輻射縮減需要方 面變得超載。在廢燃料池中發生燃料損害的情況下可特別為此狀況。若廢燃料池內之燃料棒之完整性變得受危害，則使用燃料池冷卻及清除系統可對電廠人員及環境造成風險，此係因為高度放射性水(高於可接受設計極限)可轉移至燃料池冷卻及清除系統。在此情境中，燃料池冷卻及清除系統可能不能夠輔助有效地縮減廢燃料池水之輻射位準。因此，高度放射性水至燃料池冷卻及清除系統之轉移可在本質上且自然而然地造成將有害放射性同位素圍阻於次級圍阻體內之能力之潛在提高。
實例實施例提供一種用於提供用於廢燃料池之一替代型遠距廢燃料池冷卻系統之方法及裝置。該冷卻系統可為對環境不會造成危害之一單級貫流式熱交換器。該冷卻系統可經操作以甚至在正常電廠電不可用以運行習知廢燃料池冷卻及清除系統或燃料池冷卻泵之一電廠意外事故的情況下仍冷卻該廢燃料池。另外，該冷卻系統可在已發生燃料損害且該習知廢燃料池冷卻及清除系統在將輻射洩漏圍阻至電廠之其他區域方面變得無效的情況下特別有益。該冷卻系統可自一遠距部位被操作及控制，此情形在一電廠緊急事故期間係理想的。
藉由參看附加圖式來詳細地描述實例實施例，實例實施例之上述及其他特徵及優點將變得更顯而易見。隨附圖式意欲描繪實例實施例且不應被解釋為限制申請專利範圍之 所欲範疇。除非有明確提及，否則隨附圖式不應被認為按比例繪製。
本文揭示詳細實例實施例。然而，本文所揭示之特定結構及功能細節出於描述實例實施例之目的而僅僅係代表性的。然而，實例實施例可以許多替代形式予以體現且不應被解釋為僅限於本文所闡述之實施例。
因此，雖然實例實施例容許各種修改及替代型形式，但其實施例在圖式中係藉由實例予以展示且將在本文中予以詳細地描述。然而，應理解，不存在將實例實施例限於所揭示之特定形式的意圖，而相反地，實例實施例將涵蓋屬於實例實施例之範疇的所有修改、等效者及替代例。類似數字貫穿諸圖之描述指代類似元件。
應理解，儘管術語第一、第二等等可在本文中用以描述各種元件，但此等元件不應受到此等術語限制。此等術語僅用以區分一元件與另一元件。舉例而言，在不脫離實例實施例之範疇的情況下，第一元件可被稱為第二元件，且相似地，第二元件可被稱為第一元件。如本文所使用，術語「及/或」包括關聯所列項目中之一或多者之任何及所有組合。
應理解，當一元件被稱作「連接」或「耦接」至另一元件時，其可直接連接或耦接至該另一元件，或可存在介入元件。與此對比，當一元件被稱作「直接連接」或「直接耦接」至另一元件時，不存在介入元件。應以類似方式來解釋用以描述各元件之間的關係之其他詞語(例如， 「在......之間」相對於「直接在......之間」、「鄰近」相對於「直接鄰近」，等等)。
本文所使用之術語係出於僅描述特定實施例之目的且不意欲限制實例實施例。如本文所使用，除非上下文另有明確指示，否則單數形式「一」及「該」意欲亦包括複數形式。應進一步理解，術語「包含」及/或「包括」在本文中使用時指定所陳述特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。
亦應注意，在一些替代型實施中，所提及之功能/動作可不以諸圖所提及之次序發生。舉例而言，取決於所涉及之功能性/動作，經接連地展示之兩個圖事實上可實質上同時地執行或有時可以相反次序執行。
圖2為根據一實例實施例的廢燃料池10之俯視圖。冷卻系統20可提供原位熱交換器(在廢燃料池10內)，以冷卻池10而無需自廢燃料池10移除水。冷卻系統20可包括冷卻管26，冷卻管26通過管26而提供冷卻水流。冷卻管26可定位於廢燃料池10內，且圍繞池10內之廢燃料12之區域。冷卻管26可包括單一冷水入口22及單一暖水出口24，以將單級貫流式熱交換器提供於廢燃料池10內。單級貫流式冷卻系統20之益處包括效率增加，此係因為每加侖的流動通過冷卻管26之水可交換最大量之熱。替代單級貫流式冷卻系統20(如圖2所示)，可使用多級冷卻系統20(未圖示)。多級冷卻系統20可包括可各自與圖2所示之單級冷卻系統20相同 的冷卻管26之多個單級通路。
為了幫助減輕輻射洩漏自廢燃料池10進入冷卻管26之機會，可使流動通過冷卻管26之冷卻水之壓力維持至高於廢燃料池10中之水之壓力。因為廢燃料池在電廠內曝露至大氣，所以廢燃料池10上方之大氣壓力為大約1個大氣壓之壓力。因此，為了減輕輻射洩漏，可使流動通過冷卻管26之流體之壓力維持於1個大氣壓或更大之壓力加上冷卻管26延伸至之最低深度處的水之靜壓力下。保守而言，可使冷卻管26之壓力維持於1個大氣壓之壓力加上廢燃料池10之最深深度處的水之靜壓力下。
除了使冷卻管26之壓力維持至高於廢燃料池10中之水之壓力(以減輕輻射洩漏之機會)以外，亦可使輻射監視器28位於暖水出口24之管路上。輻射監視器28可量測流出廢燃料池10之冷卻水之輻射位準，以確保不會發生出自池10之輻射洩漏。
為了通過冷卻管26而抽汲冷卻水，可使用專用冷卻系統泵30。泵30可運行於備用柴油發電機56上或直接由柴油引擎56驅動，以確保泵30不依賴於在嚴重電廠緊急事故的情況下可能不可用之正常電廠電力。取決於廢燃料池10之大小，泵30之大小可變化。泵30之大小亦可基於針對在意外事故情境期間廢燃料池10之最壞狀況熱輸出之設計計算而變化。為了減輕針對大多數LWR設計之電廠意外事故，泵30可提供約300加侖/分鐘之冷卻水流率。應理解，較大冷卻水流率將造成增加之熱交換，此係以冷卻系統20之效率 縮減為代價。
應注意，通常可用於LWR核電廠中之習知緊急事故用攜帶型泵(未圖示)可用作冷卻系統泵30。若使用單級貫流式冷卻管26，則單一泵30可適當。若使用多級冷卻管26，則可使用針對冷卻管26之每一級之單一泵30(亦即，多級組態可包括相似於圖2所示之冷卻系統的多個冷卻系統20)。
替代使用冷卻系統泵30，可實施冷卻水通過冷卻管26之重力排泄。冷卻水通過冷卻管26之重力排泄提供針對冷卻系統20之額外安全等級，此係因為將無需抽汲功率來使用該系統。然而，此組態將需要使冷卻水源50位於廢燃料池10之液體液位10b(參見圖1及圖3)上方之標高處。冷卻水源50可為海洋、河流、大型戶外水體，或圍阻水源之人造結構。接著，將需要使暖水出口24排放至水排放件52之部位，該部位具有在穿過廢燃料池10之冷卻水管26之最低標高下方的標高。水排放件52亦可為戶外水體，或用以收集經排放水之人造結構。
不管將重力排泄抑或冷卻系統泵30用於冷卻系統20，出於電廠人員之安全起見，可將與系統20相關聯之所有控制件(參見控制器58)定位於遠離廢燃料池10之遠距部位60中。亦即，泵30之部位或用以操作泵30、入口閥32a/出口閥32b(若該等閥未被手動地操作)及輻射監視器28之控制器58之部位可經定位成與池10相隔一距離。相似地，用以控制通過冷卻管26之水流之入口閥32a(在冷水入口22上)及/或出口閥32b(在暖水出口24上)可定位於遠離池10之部位中 (尤其是在閥32a/32b被手動地操作的情況下)。此情形係確保電廠人員可在意外事故條件期間不曝露至可存在於廢燃料池10中之潛在高輻射位準的情況下安全地操作系統20。
冷卻管26之組態可包括圍繞廢燃料池10之單一迴路，如圖2所示。或者，冷卻管26可需要可包括額外迴路或通過池之「蛇」狀組態(未圖示)之其他組態。冷卻管26可有散熱片，或以其他方式經組態以最大化管26之表面積以增加管26與廢燃料池10中之水之間的熱交換容量。另外，冷卻系統管26可包括冷卻水管之分支26a/26b/26c(參見圖3)，其亦可增加冷卻管26與廢燃料池10中之水之間交換之熱。有分支冷卻系統管26仍可具有單一冷水入口22及單一暖水出口24，以縮減曝露至電廠之除了廢燃料池10以外之區域之冷卻管路26的量。單一冷水入口22及單一暖水出口24之組態可進一步縮減輻射洩漏至電廠之其他區域的可能性。
圖3為根據一實例實施例的廢燃料池10之側視圖。通常，廢燃料12位於廢燃料池10之總深度之約1/3的深度處。因此，冷卻管26(包括分支26a/26b/26c)可位於通常在廢燃料12上方且在池10之水液位10b下方的位置中。藉由使冷卻管26位於廢燃料12上方，冷卻管26將引起形成自然對流。具體言之，冷卻管26將在廢燃料12之部位上方產生冷水，且此較冷水將自然地下沈至池10之底部。同樣地，廢燃料12將在廢燃料池10之底部附近產生較暖水，且此較暖水將在池10內自然地上升。因此，藉由使冷卻管26位於廢燃料12之部位上方，冷卻系統之熱交換程序將更有效 率。
出於額外支撐，可使用錨定器54(參見圖2及圖3)將冷卻管26錨定至廢燃料池10之池壁10a。可在LWR電廠操作之前安裝冷卻管26，以確保在潛在電廠意外事故之前冷卻系統20處於適當位置中。或者，可將冷卻系統20安裝為修整式系統。可將冷卻管26永久地安裝於廢燃料池10中，在此狀況下，冷卻管26可位於池10內之不干涉廢燃料12在該池內之安裝及移除的位置中。或者，可經由托架將冷卻管26暫時地固持於池10內之適當位置中，在此狀況下，冷卻管26可直接位於廢燃料12之部位上方。
應理解，可在除了電廠意外事故條件以外之時段期間使用冷卻系統20。舉例而言，冷卻系統20可僅僅用以經由習知燃料池冷卻及清除系統而補充廢燃料池之正常冷卻。亦應理解，用於冷卻系統20之冷卻水供應物之溫度將影響系統效能。亦即，若使用較冷之冷卻水供應物，則冷卻系統20將更有效且更有效率。
圖4為根據一實例實施例的冷卻廢燃料池之方法之流程圖。如方法步驟S40所示，可將冷卻管26插入至廢燃料池10中。如步驟S42所示，可使來自冷卻水源之冷卻水穿過冷卻管26。如步驟S44所示，可使冷卻管26中之冷卻水維持於高於廢燃料池10中之水之壓力的壓力下。亦可使冷卻管中之冷卻水維持於低於廢燃料池10中之水之溫度的溫度下。
在已如此描述實例實施例的情況下，將明顯的是，可以 許多方式來變化實例實施例。此等變化不應被視為脫離實例實施例之所欲精神及範疇，且對於熟習此項技術者將明顯的所有此等修改意欲包括於以下申請專利範圍之範疇內。
1‧‧‧沸水式核反應器(BWR)反應器
2‧‧‧抑壓池
3‧‧‧鋼圍阻體容器
4‧‧‧混凝土殼體
5‧‧‧沸水式核反應器(BWR)反應器建築物
10‧‧‧廢燃料池
10a‧‧‧池壁
10b‧‧‧廢燃料池水液位/液體液位
12‧‧‧廢燃料
20‧‧‧冷卻系統
22‧‧‧單一冷水入口
24‧‧‧單一暖水出口
26‧‧‧冷卻管/冷卻水管/有分支冷卻系統管/冷卻管路
26a‧‧‧分支
26b‧‧‧分支
26c‧‧‧分支
28‧‧‧輻射監視器
30‧‧‧冷卻系統泵
32a‧‧‧入口閥
32b‧‧‧出口閥
50‧‧‧冷卻水源
52‧‧‧水排放件
54‧‧‧錨定器
56‧‧‧備用柴油發電機/柴油引擎
58‧‧‧控制器
60‧‧‧遠距部位
圖1為習知輕水式核反應器(LWR)反應器建築物之一實例設計之剖示圖；圖2為根據一實例實施例的廢燃料池之俯視圖；圖3為根據一實例實施例的廢燃料池之側視圖；及圖4為根據一實例實施例的冷卻廢燃料池之方法之流程圖。
10‧‧‧廢燃料池
10a‧‧‧池壁
12‧‧‧廢燃料
20‧‧‧冷卻系統
22‧‧‧單一冷水入口
24‧‧‧單一暖水出口
26‧‧‧冷卻管/冷卻水管/有分支冷卻系統管/冷卻管路
28‧‧‧輻射監視器
30‧‧‧冷卻系統泵
32a‧‧‧入口閥
32b‧‧‧出口閥
50‧‧‧冷卻水源
52‧‧‧水排放件
54‧‧‧錨定器
56‧‧‧備用柴油發電機/柴油引擎
58‧‧‧控制器
60‧‧‧遠距部位

Claims (20)

  1. 一種替代型地冷卻一輕水式反應器(LWR)之一廢燃料池之方法，其包含：藉由使冷卻水穿過一冷卻管而自該廢燃料池移除熱，該冷卻水相比於該廢燃料池中之水具有一較冷溫度。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含：將一單一入口管及一單一出口管附接至該冷卻管，該入口管及該出口管延伸超過該廢燃料池之邊界。
  3. 如請求項2之方法，其進一步包含：使該冷卻管中之該冷卻水之一壓力維持至高於該廢燃料池水之壓力。
  4. 如請求項2之方法，其進一步包含：藉由將該冷卻管之部分定位於該廢燃料池內之廢燃料之部位上方及該廢燃料池之一液體液位下方而在該廢燃料池內產生一自然對流。
  5. 如請求項2之方法，其進一步包含：將該入口管以流體方式連接至一水源；將一泵連接至該入口管；及將一備用柴油引擎連接至該泵。
  6. 如請求項5之方法，其進一步包含：將該泵及用於該泵之所有控制件定位於遠離該廢燃料池之一部位中。
  7. 如請求項2之方法，其進一步包含：將該入口管以流體方式連接至位於該廢燃料池之一液 體液位上方之一標高處的一水源；及將該出口管以流體方式連接至位於該廢燃料池下方之一標高處的一水排放部位，該冷卻水對該冷卻管之該穿過係經由重力排泄而發生。
  8. 如請求項2之方法，其進一步包含：將分支及散熱片提供於冷卻管之部分上。
  9. 如請求項2之方法，其進一步包含：將該冷卻管之部分錨定至該廢燃料池之一壁。
  10. 如請求項2之方法，其進一步包含：將一第二冷卻管插入至該廢燃料池中；及藉由使冷卻水穿過該第二冷卻管而自該廢燃料池移除更多熱，該冷卻水相比於該廢燃料池水具有一較冷溫度。
  11. 一種冷卻一輕水式反應器(LWR)之一廢燃料池之系統，其包含：一冷卻管，其中該冷卻管之部分定位於該廢燃料池之一預期液體液位下方，該冷卻管經組態以通過該冷卻管而提供相比於廢燃料池水具有一較高壓力及較冷溫度之一冷卻水流。
  12. 如請求項11之系統，其進一步包含：一單一入口管，其附接至該冷卻管；及一單一出口管，其附接至該冷卻管，該入口管及該出口管延伸超過該廢燃料池之邊界。
  13. 如請求項12之系統，其中該冷卻管之部分定位於該廢燃料池內之廢燃料之部位上方。
  14. 如請求項12之系統，其進一步包含：一泵，其連接至該入口管；及一備用柴油引擎，其連接至該泵。
  15. 如請求項14之系統，其進一步包含：控制件，其電連接至該泵，其中該泵及用於該泵之該等控制件定位於遠離該廢燃料池之一部位中。
  16. 如請求項12之系統，其進一步包含：一水源，其係以流體方式耦接至該入口管，該水源位於該廢燃料池之該預期液體液位上方之一標高處；一水排放點，其位於該廢燃料池下方之一標高處。
  17. 如請求項12之系統，其中該冷卻管包括分支及散熱片。
  18. 如請求項12之系統，其進一步包含：一或多個錨定器，其連接至該廢燃料池之一壁，以支撐該冷卻管。
  19. 如請求項12之系統，其進一步包含：一第二冷卻管，其中該第二冷卻管之部分定位於該廢燃料池之該液體液位下方，該第二冷卻管經組態以通過該冷卻管而提供相比於該廢燃料池水具有一較高壓力及較冷溫度之一冷卻水流。
  20. 一種冷卻一輕水式反應器(LWR)之一廢燃料池之系統，其包含： 該廢燃料池，其位於一反應器建築物中；一抑壓池，其位於該反應器建築物中；一冷卻管，其中該冷卻管之部分定位於該廢燃料池之一預期液體液位下方，該冷卻管經組態以通過該冷卻管而提供相比於廢燃料池水具有一較高壓力及較冷溫度之一冷卻水流。
TW101145507A 2011-12-19 2012-12-04 用於輕水式反應器之替代型遠距廢燃料池冷卻系統之方法及裝置 TWI585780B (zh)

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US13/329,910 US8958521B2 (en) 2011-12-19 2011-12-19 Method and apparatus for an alternative remote spent fuel pool cooling system for light water reactors

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