TW201423764A - 用於乾燥儲存及／或運輸固化核廢燃料棒之系統及方法 - Google Patents

Abstract

在一實施例，乾燥儲存的系統及方法包含由燃料棒組件移除多個廢燃料棒，且以高包裝密度放置不受限制的該些燃料棒在一乾燥儲存的不繡鋼桶的一儲存單元內，該不繡鋼桶沒有中子吸收材料。

Description

用於乾燥儲存及/或運輸固化核廢燃料棒之系統及方法 參照相關領域

此申請基於先前2012年8月2日提申的美國臨時專利申請第61/678,702號(審查中)，且主張優先權，在此加入整篇內容做為參考。

驅動核子反應器的核燃料組件一般包含很多燃料棒，燃料棒包含在離散的燃料棒組件中。這些組件標準包含底部末端接頭或噴嘴、由此向上延伸且在方型或三角形節距的組態中彼此分離的的多個燃料棒、支持且定位燃料棒而沿著該組件長度週期性配置的分隔件網格、散佈在整個組件中的多個控制導管，以及一頂端接頭或蓋子。一但組裝好，燃料棒組件可安裝在其內，且如一單位般由反應器移除。

當核燃料棒排出很多可用能量後，被視為”廢”燃料棒，且燃料棒組件由反應器移除而暫時存放在鄰近的池子中，直到可被輸送到再加工中心或永久儲存設施。即使被視為廢燃 料棒，燃料棒仍具有高度輻射性且對人體和土地有害。

有一些可用為放置輻射性廢燃料棒的選擇。在一此種選擇中，燃料棒組件放在一乾燥儲存系統中，該乾燥儲存系統可廠外輸送到另一設施。在此系統，燃料棒組件標準是不含水的放置在圓柱形的不繡鋼瓶內，接著將不繡鋼瓶放置在運輸核廢料桶內。

可運輸、基於不繡鋼瓶的乾燥廢燃料儲存系統必須遵循多個聯邦管理要求，包括儲存和運輸的要求。運輸系統的許可必須符合由聯邦法規10 CFR Part 71(此後稱為71 part)強制的艱鉅安全設計條件，71 part是聯邦法規的一篇，規定必須遵照要求，以獲得美國核能管制委員會(U.S.Nuclear Regulatory Commission,NRC)的證書以運輸廢燃料。

為了獲得在71 part下的管制委員會的證書以運輸廢燃料的乾燥儲存系統，必須設計儲存系統使其不會達到核能的臨界狀態。核能的臨界狀態是一種情況，其中燃料陣列的有效的中子增殖因素K_eff大於或等於1，且核能連鎖反應成為自持續。根據所述要求，即使儲存系統充滿了中子緩和劑，如水，在增強核能臨界狀態可能性的最佳條件下，也絕對不能達到核能臨界狀態。特別是，法規沒有限定需要設計系統以確保水實際上不會入侵的可能性。

即使有中子緩和劑，防止核能臨界狀態的要求典型迫使乾燥儲存系統的設計者生產出在燃料棒組件之間的空間整合昂貴的中子吸收材料的系統。中子吸收材料確保Keff維持小於或等於0.95，在即使有中子緩和劑時，系統仍不能持 續核能連鎖反應。不幸地，因為需要中子吸收材料，此種設計的燃料容量很低又很昂貴。結果是儲存或運輸每廢燃料組件成本大幅增加。

由上述討論，可了解具有較高廢燃料容量的可輸送乾燥儲存系統及方法，及/或消除昂貴中子材料的需求是大家想要的。

10‧‧‧不繡鋼瓶

12‧‧‧外殼

14‧‧‧內筐

16‧‧‧儲存單元

18‧‧‧廢燃料棒

20‧‧‧中央管

22‧‧‧分隔件壁

24‧‧‧末端壁

30‧‧‧不繡鋼瓶

32‧‧‧外殼

34‧‧‧內筐

36‧‧‧儲存單元

38‧‧‧皺褶狀分隔件

40‧‧‧不繡鋼瓶

42‧‧‧外殼

44‧‧‧內筐

46‧‧‧儲存單元

48‧‧‧圓柱管

50‧‧‧間隔圓盤

52‧‧‧周圍板

60‧‧‧不繡鋼瓶

62‧‧‧外殼

64‧‧‧內筐

66‧‧‧儲存單元

68‧‧‧長方形管

70‧‧‧間隔圓盤

80‧‧‧不繡鋼瓶

82‧‧‧外殼

84‧‧‧內筐

86‧‧‧儲存單元

88‧‧‧皺褶狀分隔件

90‧‧‧核廢料桶

92‧‧‧不繡鋼瓶

參照下列圖式可更了解本揭露。在所有圖式中，類似的參考符號會賦予到對應的構件，且圖式不一定需要照比例繪示。

圖1是儲存廢燃料棒的乾燥儲存不繡鋼瓶的第一實施例的立體圖。

圖2是圖1乾燥儲存不繡鋼瓶的端視圖。

圖3是儲存廢燃料棒的乾燥儲存不繡鋼瓶的第二實施例的端視圖。

圖4是儲存廢燃料棒的乾燥儲存不繡鋼瓶的第三實施例的立體圖。

圖5是圖4乾燥儲存不繡鋼瓶的端視圖。

圖6是儲存廢燃料棒的乾燥儲存不繡鋼瓶的第四實施例的立體圖。

圖7是圖6乾燥儲存不繡鋼瓶的端視圖。

圖8是儲存廢燃料棒的乾燥儲存不繡鋼瓶的第五實施例的 端視圖。

圖9是設置多個乾燥儲存不繡鋼瓶的核廢料桶的立體圖。

如上所述，具有較高廢燃料容量及/或消除昂貴中子吸收材料需求的可運輸乾燥儲存系統及方法是大家想要的。此種系統及方法的例子在下列揭露中描述。在一些實施例，廢燃料棒由燃料棒組件中分離出來，且不受限制的棒放置在一乾燥儲存的不繡鋼瓶裡，舉例來說，不繡鋼瓶可以放置在儲存或輸送的核廢料桶裡。因為燃料棒由燃料棒組件分離，棒可以較高包裝密度放置在儲存的不繡鋼瓶內。結果，棒跟棒之間的空間較小，因此如果如水的中子緩和劑進入不繡鋼瓶，達到核能臨界狀態的系統較不危險。因此，在不繡鋼瓶內不需要提供昂貴的中子吸收材料。

在下列的揭露中，描述各種特定的實施例。需了解這些實施例示揭露的本發明之例示性實作，而替代的實施例是可能的。所有此種實施例旨在落在本揭露範圍之內。

如上述，為了滿足聯邦安全要求，燃料棒組件標準放置在具有昂貴中子吸收材料的圓柱形不繡鋼瓶裡，造成廢燃料棒低容量而成本高。有一個替代的方法去滿足此種需求，而不需要使用中子吸收材料，將廢燃料以棒與棒之間較少空隙的方式包裝，如水的中子緩和材料可填入的空隙變少，使得可降低核能臨界狀態的風險。或者，不需要中子吸收材料。除了增加廢燃料棒的容量及消除使用昂貴的中子吸收材料之外，此種設計的優點是核能燃料的燃耗效應可減少核能臨界狀態。當 使用核燃料時，隨時間會增加分裂產物，分裂產物可降低自持續連鎖反應能力。此方法稱為”燃耗(burnup)”，以每噸百萬瓦日來度量。一但燃耗足夠防止進一步的能量成長，燃料典型地稱為”廢燃料”。可能的優點可包括(a)由於在能量操作時，以延長分裂來消耗材料，可降低燃料有效的可裂變材料內容物的數量，(b)以廢燃料中的锕系元素(actinides)達到有效的中子吸收及(c)以廢燃料中的可裂變生成物達到有效的中子吸收。

達成上述目標的一個方法是由燃料棒組件移除廢燃料棒，且放置不受限制的燃料棒在乾燥儲存不繡鋼瓶裡，使棒和棒之間的空間很小。這麼作有幾個優點。首先，廢燃料棒在不繡鋼瓶裡會有較高的包裝密度，因此和相同尺寸的不繡鋼瓶相比，有較大的儲存容量。此外，因為燃料棒之間的空間很小，可降低水或其他中子緩和劑入侵的相關風險，且不需要昂貴的中子吸收材料。此外，在不繡鋼瓶折衷方案的情況中，和核能臨界狀態相關的風險較小，因此不繡鋼瓶可由較不貴的材料製成。

當以此方法增加包裝密度，可採取一些步驟以確保散去由廢燃料棒產生的熱，特別是由離不繡鋼瓶壁最遠的不繡鋼瓶的中央的熱。圖1至圖8繪示各種不繡鋼瓶的設計，可用來達到較高的棒包裝密度及合意的散熱。

圖1及圖2繪示乾燥儲存不繡鋼瓶10的第一實施例，其中不受限制的廢燃料棒(即由燃料棒組件分離的棒)以乾燥狀態(即沒有水)儲存。如圖1所示，不繡鋼瓶10一般包含伸長的外殼12，外殼12提供適於接收廢燃料棒及散熱的內筐 14。外殼12的形狀及尺寸根據棒的尺寸及儲存的本質及/或放置不繡鋼瓶的容器(例如是核廢料桶)之尺寸或本質。在一些實施例中，無論如何，外殼12是圓柱形，大約165至190英吋長，且直徑大約24英吋。

如圖1所示，內筐14將外殼12的內部空間分成多個儲存艙或單元16，如棒18的廢燃料棒可設置其內。從圖1可明顯的看到，單元16由外殼一末端沿著外殼12的長度方向延伸到另一末端。圖2更清楚繪示內筐14的組態。在圖2繪示的例子中，內筐14包含中央管20，由中央管20輻射狀延伸的多個分隔件壁22為單元16製造出”單片派(pie piece)”組態。分隔件壁22延伸到外殼12。在分隔件壁22的遠距末端之間，末端壁24延伸。以此組態，內筐14的每個單元16一般為三角形，且由中央管20、兩分隔件壁22及一末端壁24定義。

內筐14的各種構件，包括中央管20、分隔件壁22及末端壁24，可由具有高熱傳導的堅固材料製成。例示性的材料包括碳鋼、鋁及銅。可基於所需強度及所需散熱量選擇這些構件的厚度。內筐14包含的分隔件壁22的數目可隨著需求單元16的尺寸及數目變化。在繪示的例子中，然而，內筐包含形成8個分離單元16的8個分隔件壁22。

在圖2，只有繪示一個儲存單元16填充廢燃料棒18。由圖中可清楚看見，棒18緊密的包裝在單元16內，使得彼此之間的空間很小。在一些實施例，沿著大部分或整個棒的長度，棒18彼此接觸，使得達到最大的包裝密度。

內筐14裝配為不只提供廢燃料棒18結構上的支 撐，也發散由棒產生的熱，特別是在離外殼12的壁最遠的不繡鋼瓶的中心。內筐14以分隔件壁22達成此目的，間隔件壁22由不繡鋼瓶10的中心傳送熱到外殼12，作為散熱器。單元16的單片派組態增加內筐材料數量而增加不繡鋼瓶10中心的熱傳導，且同時降低在此位置棒的集中程度。換言之，隨著由外殼12的壁橫越不繡鋼瓶10到不繡鋼瓶的中心，增加散熱內筐材料的重量和燃料棒材料重量的比例。

中央管20也降低靠近不繡鋼瓶10中心的廢燃料棒材料密度。此外，中央管20可作為分散施加在不繡鋼瓶10上負載的負載分佈單元，舉例來說，如果不繡鋼瓶因為意外而變形。此外，中央管20可提供空間給排洩管(未繪示)，排出密封不繡鋼瓶10前的乾燥製程中由燃料棒低下的殘餘水。

圖3繪示一替代的乾燥儲存不繡鋼瓶30，和圖1及圖2的不繡鋼瓶10有很多相似之處。不繡鋼瓶30一般也包含一伸長的外殼32及定義多個具有單片派組態的儲存單元36之內筐34。在圖3的實施例中，然而，每個單元36設置有皺褶狀分隔件38，可進一步發散由廢燃料棒18產生的熱。分隔件38因此也可由具有高熱傳導的材料製成，如碳鋼、鋁或銅。

圖3中明顯可見，皺褶狀分隔件38將廢燃料棒18分離成多個棒之離散的列，棒的列一般垂直於不繡鋼瓶10的徑向方向。以此種組態，分隔器38由棒的鄰近列分離出棒18的一列。此外，因為每個分隔件38是皺褶狀，在每個列內的每個棒18，如所需，根據皺褶的組態可在自己的列中和鄰近的棒分離。除了由棒18散熱之外，分隔件38也便利了包裝不受 限制的棒18到單元36中。舉例來說，和不繡鋼瓶30分開先一起組合棒18和分隔件38，且之後如一預製件單位一起放入不繡鋼瓶的單元36中。或者，分隔件38可定位在單元36內，可用來導引不同的、不受限制的棒18進入單元36的個別位置。

圖4及圖5繪示乾燥儲存不繡鋼瓶40的第三實施例。如圖4所示，不繡鋼瓶40一般包含一伸長的外殼42，其中設置適於接收廢燃料棒的內筐44。在一些實施例，外殼42的形狀、尺寸及材料類似於關於上述圖1及圖2中的外殼12。

如圖4所示，內筐44形成多個圓柱形儲存單元46。從圖4可明顯的看到，單元46由外殼一末端沿著外殼42的長度方向延伸到另一末端。圖5更清楚繪示內筐44的組態。在圖5繪示的例子中，內筐44包含12個儲存單元46，每個儲存單元46由內筐的圓柱管48形成。雖然圖5中繪示12個單元46，須注意也可使用更多或更少的單元。管48也可由具有高熱傳導的堅固材料製成。例示性的材料包括碳鋼、鋁及銅。可基於所需強度及所需散熱量選擇圓柱管48的壁的厚度。

在圖5，繪示填充廢燃料棒18的9個儲存單元46。由圖中可清楚看見，棒18緊密地包裝在單元46裡，因此棒與棒之間的空間很小。

圓柱管48之間的空間由一個或多個在管的外表面之間延伸的間隔圓盤50維持。在一些實施例，一個此種的間隔圓盤50至少定位在不繡鋼瓶40每個末端。間隔圓盤50，舉例來說，可用和管48一樣的材料製成。如圖5進一步所繪示，內筐44可進一步包含伸長的周圍板52，定位在間隔圓盤50 的邊緣且沿著不繡鋼瓶40的長度方向延伸。當設置時，板52提供內筐44進一步的結構完整性。

如所需，雖然可在儲存單元46內設置類似於上述那些的皺褶狀分隔器，須注意因為由圓柱管48的外壁到管中心的距離不大，其實不太需要皺褶狀分隔器。也須注意除了管48以外，實心圓柱具有鑽出的圓柱通道以適於接收個別的棒18，圓柱通道可用來分離棒且增加散熱。

圖6及圖7繪示乾燥儲存不繡鋼瓶60的第三實施例。如圖6所示，不繡鋼瓶60一般包含一伸長的外殼62，其中設置適於接收廢燃料棒的內筐64。在一些實施例，外殼62的形狀、尺寸及材料類似於關於上述圖1及圖2中的外殼12。

如圖6所示，內筐64定義多個長方形儲存單元66。從圖6可明顯的看到，單元66由外殼一末端沿著外殼62的長度方向延伸到另一末端。圖7更清楚繪示內筐64的組態。在圖7繪示的例子中，內筐64包含7個儲存單元66，每個儲存單元66由內筐的長方形(如正方形)管68形成。雖然圖7中繪示7個單元66，須注意也可使用更多或更少的單元。管68也可由具有高熱傳導的堅固材料製成。例示性的材料包括碳鋼、鋁及銅。可基於所需強度及所需散熱量選擇管68的壁的厚度。

在圖7，繪示填充廢燃料棒18的一個儲存單元66。由圖中可清楚看見，棒18緊密地包裝在單元66裡，因此棒與棒之間的空間很小。在一些實施例，沿著棒18大部分或整個長度，棒18彼此接觸。

長方形管68之間的空間由一個或多個在管的外表面之間延伸的間隔圓盤70維持。在一些實施例，一個此種的間隔圓盤70至少定位在不繡鋼瓶60每個末端。在一些實施例，間隔圓盤70可用和管68一樣的材料製成。

須注意除了管68以外，實心的長方形柱具有鑽出的圓柱通道以適於接收個別的棒18，圓柱通道可用來分離棒且增加散熱。

圖8繪示一進一歩的乾燥儲存不繡鋼瓶80，在很多方面類似於圖6及圖7中繪示的不繡鋼瓶60。因此，不繡鋼瓶80一般包含一伸長的外殼82以及定義多個儲存單元86的內筐84。在圖8的實施例，然而，每個單元86設置有皺褶狀分隔件88，可進一步發散由廢燃料棒18產生的熱。分隔件88因此也可由具有高熱傳導的材料製成，如碳鋼、鋁或銅。

圖8中明顯可見，皺褶狀分隔件88將廢燃料棒18分離成多個棒之離散的列。以此種組態，分隔器88由棒的鄰近列分離出棒18的一列。此外，因為每個分隔件88是皺褶狀，在每個列內的每個棒18，如所需，可在自己的列中和鄰近的棒分離。除了由棒18散熱之外，分隔件88也便利了包裝不受限制的棒18到單元86中。舉例來說，由不繡鋼瓶80分開可先一起組合棒18和分隔件88，且之後如一預製件單位一起放入不繡鋼瓶的單元86中。或者，分隔件88可定位在單元86內，可用來導引不同的、不受限制的棒18進入單元86的個別位置。

不論用來儲存廢燃料棒的不繡鋼瓶的本質，不繡 鋼瓶可放置在儲存或輸送的核廢料桶中。圖9繪示一個例子，儲存的核廢料桶90裡設置多個不繡鋼瓶92。在此例中，核廢料桶90的壁由混凝土製成。在其他例子中，當核廢料桶是輸送的核廢料桶時，核廢料桶的壁可由其他材料製成，如不繡鋼及/或鉛。

在前述揭露中描述的乾燥儲存系統和習知儲存系統相比，提供很多的優點。如上述提到，可達到較高的包裝密度及消除很多空隙空間，因此可限制侵入的中子緩和劑(如水)的數量，且消除了昂貴中子吸收材料的需求。不繡鋼瓶內筐的設計可改良散熱。高包裝密度可以遮蔽內棒的外棒達到較好的遮蔽。此外，不繡鋼瓶的設計相當簡單，以結構分析來說，提供很多優勢，且實作簡易。此外，可達到較高的儲存安全裕度，且同時降低成本。額外地，受損的燃料棒可更容易處理。最後，此設計呈現一組態策略，以支持燃料再加工、輸送、棄置及儲存系統的標準化。

10‧‧‧不繡鋼瓶

12‧‧‧外殼

14‧‧‧內筐

16‧‧‧儲存單元

18‧‧‧廢燃料棒

Claims (21)

1. 一種乾燥儲存廢燃料棒的系統，該系統包含：一乾燥儲存不鏽鋼瓶，包括一外殼及設在該外殼內的一內筐，該內筐形成多個離散的儲存單元，適於接收已由燃料棒組件分離的、不受限制的多個燃料棒。
2. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該外殼是一伸長的圓柱形外殼。
3. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中裝配該些儲存單元使能達到最大的棒包裝密度。
4. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該內筐由具有高熱傳導的金屬材料製成。
5. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該內筐由一個或多個碳鋼、鋁或銅製成。
6. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該內筐包含定義該些儲存單元的多個分隔件壁，該些分隔件壁由該不鏽鋼瓶的一中心輻射狀向外延伸到該外殼。
7. 如申請專利範圍第6項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該分隔件壁為該些儲存單元提供一般為三角形、單片派組態。
8. 如申請專利範圍第6項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該內筐進一步包含由該些分隔件壁輻射狀延伸處的一中央管。
9. 如申請專利範圍第6項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統， 其中該內筐進一步包括在該些分隔件壁遠側末端之間延伸的多個末端壁。
10. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該些儲存單元包含多個皺褶狀分隔件，分離該些燃料棒使成為棒的多個離散列。
11. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該內筐包含定義該些儲存單元的多個管。
12. 如申請專利範圍第11項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該些管為圓柱管。
13. 如申請專利範圍第11項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該些管是正方形管。
14. 如申請專利範圍第11項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，其中該內筐進一步包含在該些管之間延伸的一間隔物圓盤。
15. 如申請專利範圍第1項所述的乾燥儲存廢燃料棒的系統，進一步包含可放置該不鏽鋼瓶的一核廢料桶。
16. 一種乾燥儲存廢燃料棒的方法，該方法包含：由燃料棒組件移除多個廢燃料棒；以高包裝密度放置該些燃料棒在一乾燥儲存不鏽鋼瓶的一儲存單元內；以及在一乾燥狀態，密封具有該些棒的該不鏽鋼瓶，其中該不繡鋼瓶不包含中子吸收材料。
17. 如申請專利範圍第16項所述的乾燥儲存廢燃料棒的方法，其中在該儲存單元放置該些燃料棒包含以最大包裝密度在 該單元放置該些燃料棒。
18. 如申請專利範圍第16項所述的乾燥儲存廢燃料棒的方法，其中在該儲存單元放置該些燃料棒包含在一般具有三角形、單片派組態的一單元內放置該些燃料棒，在該組態中，相對於靠近該不繡鋼瓶外壁，靠近不繡鋼瓶的中心處放置較少的燃料棒。
19. 如申請專利範圍第18項所述的乾燥儲存廢燃料棒的方法，進一步包含在該不繡鋼瓶的該中心散熱，該不繡鋼瓶具有定義該儲存單元且由該不繡鋼瓶該中心輻射狀向外延伸的多個分隔件壁。
20. 如申請專利範圍第16項所述的乾燥儲存廢燃料棒的方法，進一步包含由多個燃料單元散熱，該些燃料單元使用設置在該儲存單元內的多個皺褶狀分隔件。
21. 如申請專利範圍第16項所述的乾燥儲存廢燃料棒的方法，其中在該儲存單元放置該些燃料棒包含在一管中放置該些燃料棒，該管沿著該不繡鋼瓶的長度方向延伸。