TWI460740B - 儲存高階核廢料之系統及方法 - Google Patents

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Description

儲存高階核廢料之系統及方法
本發明大體係關於儲存高階核廢料("HLW")之領域，且具體言之係關於用於將諸如用過核燃料之HLW儲存於通風垂直模組之系統及方法。
諸如用過核燃料之HLW的儲存、處理及轉移需要特別小心及程序上的防護。例如，在核反應器的操作中，通常在燃料整件之能量已耗乏至一預定能階之後將燃料整件移除。在移除時，該用過核燃料仍具有很大的放射性並產生大量的熱，從而在其封裝、運輸及儲存中需要非常小心。為保護環境免受輻射曝露，首先將用過核燃料置放於一濾毒罐中。然後將該負載濾毒罐在稱為護箱的大圓柱形容器內運輸及儲存。使用一轉移護箱將用過核燃料在不同地點之間運輸，而使用一儲存護箱將用過核燃料儲存一預定時間段。
在一典型的核能電廠內，首先將一開口的空濾毒罐置放於一開口的轉移護箱內。然後將該轉移護箱及空濾毒罐浸入一池水中。將用過核燃料裝載於該濾毒罐中，同時該濾毒罐及轉移護箱仍浸沒在該池水中。一旦裝滿了用過核燃料，通常在該池中將一蓋子置放於濾毒罐頂部。然後將轉移護箱及濾毒罐自該池水中移出，將濾毒罐的蓋子焊接於其上並在該轉移護箱上安裝一蓋子。然後對該濾毒罐適當地脫水，回填惰性氣體並進行密封。然後將轉移護箱(其固持負載濾毒罐)運輸至一儲存護箱所處之位置。隨後，將負載濾毒罐自轉移護箱轉移至儲存護箱以進行長期儲存。在自轉移護箱至儲存護箱之轉移中，必須使得負載濾毒罐不曝露於環境。
一種儲存護箱係一通風垂直外包裝("VVO")。一VVO係一主要由鋼及混凝土製造的塊狀構造，其用於儲存一裝載有用過核燃料(或其他HLW)之濾毒罐。VVO立在地面上，其通常為圓柱形的且非常重，重量超過150噸且高度通常大於16英尺。VVO通常具有一平底、一圓柱箱體，該箱體具有一空腔以容納用過核燃料之濾毒罐及可拆除頂蓋。
在使用一VVO來儲存用過核燃料時，將一裝載有用過核燃料之濾毒罐置放於該VVO之圓柱箱體之空腔。因為用過核燃料在置放於VVO內進行儲存時仍會產生大量的熱，所以有必要藉由一種方法將熱能自VVO空腔散逸。熱能藉由使VVO空腔通風而自濾毒罐外表面移除。在使VVO空腔通風時，冷空氣經由底部通風管進入VVO腔室、向上流過負載濾毒罐並以一高溫經由頂部通風管離開VVO。如圖1所示，已有VVO的底部及頂部通風管分別靠近VVO之圓柱箱體的底部及頂部沿圓周進行定位。
然而，有必要在VVO空腔上開孔以使得熱量可自濾毒罐散逸出來，亦必須使VVO提供適當的輻射屏蔽且必須使得用過核燃料不直接曝露於外部環境中。位於外包裝底部附近的入口管對安全及監視人員而言係一尤其易受輻射曝露傷害的來源，安全及監視人員為監控負載外包裝，必須在短期內位於與該等管非常近之處。
此外，當一裝載有用過核燃料的濾毒罐自一轉移護箱轉移至一儲存VVO時，該轉移護箱堆疊在儲存VVO頂部以使得該濾毒罐可降入該儲存VVO的空腔。大多數護箱係非常大的結構且其重量可達250000磅，且高度達16英尺或更大。將一轉移護箱堆疊在一儲存VVO/護箱頂部需要很大的空間、大的門型起重機且可能需要一用於穩定化之約束系統。通常，在一核能電廠內部得不到此空間。最終，地面上儲存VVO處於地面上至少16英尺處，因此為恐怖分子提供了一相當大的襲擊目標。
圖1說明一傳統的先前技術之VVO 2。先前技術之VVO 2包含平底17、圓柱箱體12及蓋子14。蓋子14藉由螺釘18固定於圓柱箱體12。螺釘18用於在先前技術之VVO 2將要翻倒時阻止蓋子14自箱體12分離。圓柱箱體12具有頂部通風管15及底部通風管16。頂部通風管15在圓柱箱體12頂部或圓柱箱體12頂部附近，而底部通風管16在圓柱箱體12底部或圓柱箱體12底部附近。底部通風管16與頂部通風管15均圍繞圓柱箱體12之圓周定位。整個先前技術之VVO 2定位於地上。
熟習該項技術者將理解，在先前技術之VVO 2之圓柱箱體12內存在的頂部通風管15及/或底部通風管16在裝載程序中需要額外的防護以避免輻射光(radiation shine)。
本發明之一目標係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其在一轉移護箱堆疊於一儲存VVO頂部時降低堆疊總成的高度。
本發明另一目標係提供一種用於儲存需要較少垂直空間之HLW之系統及方法。
本發明又一目標係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其在儲存時利用路基的輻射屏蔽特性、同時提供HLW之足夠通風。
本發明又一目標係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其與在一完全合格的核能電廠結構內得到的操作防護水平相比提供相同或更大水平的操作防護。
本發明又一目標係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其減少地震及其他災難性事件引起的危險且在實質上消除來自對儲存濾毒罐的世貿中心或五角大樓型襲擊之潛在破壞。
本發明之一目標亦係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其允許HLW自一轉移護箱至一儲存容器之工作環境轉移(ergonomic transfer)。
本發明另一目標係提供一種用於在地下或地上儲存HLW之系統及方法。
本發明另一目標係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其降低發射至環境中的輻射量。
本發明又一目標係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其消除在裝載程序及/或隨後儲存過程中之輻射光危險。
本發明又一目標係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其將入口孔及出口孔之開口均定位於一可拆除蓋子中。
本發明又一目標係提供一種用於儲存HLW之系統及方法，其導致便利的製造及現場施工(site construction)。
該等及其他目標由本發明得以滿足，在有些實施例中，本發明係一用於儲存高階核廢料之系統，該系統包含：一內殼，其形成一用於容納高階核廢料之空腔，該空腔具有一頂部及一底部；一外殼，其圍繞該內殼以形成一位於該內殼與該外殼之間之空間；內殼中在該空腔底部或該空腔底部附近之至少一開口，該至少一開口形成一自該空間進入該空腔之通道；一蓋子，其定位於該內殼及外殼頂部，該蓋子具有形成一自環境大氣至該空間之通道之至少一入口孔及形成一自該空腔至環境大氣之通道之至少一出口孔。視確切的儲存需要而定，該裝置可經調適以用於高階核廢料之地上或地下儲存。
在一實施例中，本發明係一用於儲存並被動冷卻高階核廢料之通風垂直系統，其包含：一內殼，其形成一具有一頂部、一底部及一大體垂直定向的軸之空腔；一外殼，其圍繞該內殼以形成一位於該內殼與該外殼之間之空間；內殼中在該空腔底部或該空腔底部附近之至少一開口，該至少一開口形成該空間與該空腔之間之一通道；一用於儲存發射熱及輻射之高階核廢料之密閉濾毒罐，該密閉濾毒罐以一大體垂直定向定位於該空腔中，該空腔具有一僅可容納一濾毒罐之水平截面；一蓋子，其定位於內殼及外殼頂部以形成一蓋子至內殼界面及一蓋子至外殼界面，該蓋子至內殼界面經調適以防止空氣流動，一頂部空氣室存在於該濾毒罐與該蓋子之間之空腔中，該蓋子具有形成一環境大氣與該空間之間的一通道之至少一入口孔及形成該空腔之頂部空氣室與環境大氣之間的一通道之至少一出口孔；及用於使該空間之至少一部分與該空腔內的熱絕緣之構件。
在另一實施例中，本發明可係一種用於儲存高階核廢料之方法，其包含：(a)提供一裝置，該裝置包含：一形成一空腔之內殼，該空腔具有一頂部及一底部；一外殼，其與該內殼同心並圍繞該內殼以在其間形成一空間；及內殼中在該空腔底部或該空腔底部附近之至少一開口，該至少一開口形成一自該空間至該空腔中之通道；(b)將一具有高階核廢料之濾毒罐置放於該空腔中；(c)提供一具有至少一入口孔及至少一出口孔之蓋子；(d)將該蓋子定位於內殼及外殼之頂部以使得至少一入口孔形成一自環境大氣至該空間之通道，且使得至少一出口孔形成一自該空腔至環境大氣之通道；及(e)冷空氣經由該至少一出口孔及該空間進入該空腔，冷空氣由具有高階核廢料之濾毒罐暖化，並經由該蓋子中之至少一出口孔排出該空腔。
在其他實施例中，本發明係一種供一用於儲存高階核廢料之系統使用之蓋子，該蓋子包含；一蓋體，其包含一栓塞部分及一凸緣部分；至少一入口孔，其形成一自該凸緣部分之一側壁中之一開口至該凸緣部分之一底面中之一開口之通道；及至少一出口通風管，其形成一自該栓塞部分之一底面中之一開口至該蓋體之一頂面中之一開口之通道；其中該至少一通風管成形以使得自該栓塞部分之該底面中之該開口至該蓋體之該頂面中之該開口不存在視線。
熟習該項技術者將在閱讀圖示之如下詳細描述後明白本發明之其他實施例。
圖2說明一根據本發明之一實施例進行設計之高階核廢料("HLW")儲存容器100。儘管該HLW儲存容器100將在用於儲存已準備進行乾式儲存之用過核燃料之濾毒罐方面進行描述，但熟習該項技術者將易瞭解，本文描述之系統及方法可用於儲存多種HLW。
HLW儲存容器100設計為一垂直的、通風的乾燥系統以用於儲存諸如用過燃料之HLW。HLW儲存容器100與用於諸如用過核燃料轉移操作之HLW轉移程序的100噸及125噸轉移護箱完全相容。為在獨立式(free－standing)、地下及/或錨定外包裝模型中的儲存而設計之所有用過燃料濾毒罐類型均可儲存於HLW儲存容器100中。適宜濾毒罐包括多用途濾毒罐及熱傳導護箱，其經密封並經調適以用於諸如用過核燃料之高階核廢料的乾式儲存。通常，此等濾毒罐包含一直接建置於其中以容納複數個空間相關之用過燃料棒的蜂巢式柵格/籃或其他結構。適用於本發明之濾毒罐之一實例揭示於頒予Krishna Singh之美國專利5,898,747，頒於1999年4月27日，其全文以引用之方式併入本文中。
可將HLW儲存容器100修改/設計為與任何尺寸或類型的轉移護箱相容。亦可將HLW儲存容器100設計為接受用過燃料濾毒罐儲存在一用過燃料獨立儲存設施("ISFSI")中。當有需要時，可將使用HLW儲存容器100之ISFSI設計為容納任何數目之HLW儲存容器100。在利用複數個HLW儲存容器100之ISFSI中，每一HLW儲存容器100在該ISFSI處完全獨立於任何其他HLW儲存容器100而行使其功能。
HLW儲存容器100包含一本體部分20及一蓋子30。本體部分20包含一底板50。底板50具有裝配於其上之複數個錨51以將HLW儲存容器100固定於一基座(base)、底(floor)，或其他穩定結構/底座。蓋子30位於頂部且可自本體部分20拆除/分離(即，該組合係一非整體結構)。HLW儲存容器100可經調適以用作一地上或地下儲存系統，此在下文將更詳細地論述。
現在參看圖3，本體部分20包含外殼21及內殼22。外殼21圍繞內殼22，在其間形成小空間23。外殼21與內殼22一般係圓柱形的且彼此同心。因此，空間23係一環形空間。儘管在該說明之實施例中內殼及外殼22、21之形狀係圓柱形，但該等殼可採取任何形狀，包括(但不限於)矩形、圓錐形、六邊形或不規則形狀。在有些實施例中，內殼與外殼22、21並不一定要同心定向。
內殼22與外殼21之間形成之空間23作為冷空氣的通道，此將在下文進行更詳細論述。任何HLW儲存容器100之空間23之確切寬度基於個案分析(cases－by－case)設計確定，考慮諸如待儲存之HLW之熱負載、冷環境空氣的溫度及所要的流體流動動態之因素。在有些實施例中，空間23之寬度將在1至6英吋之範圍中。儘管空間23之寬度可隨圓周而更改，但設計HLW儲存容器100使得空間23之寬度大體恆定以實現HLW容器之對稱冷卻、甚至實現進入空氣之流體流動將係理想的。
內殼22及外殼21固定於底板50頂部。底板50係正方形，但可採取任何所要形狀。複數個隔片27在空間23內固定於底板50頂部。隔片27在將內殼及外殼22、21置放於底板50頂部時作為導引件並確保在HLW儲存容器100之整個使用壽命中得以維持空間23的完整性。隔片27可由低碳鋼或另一材料進行建構並焊接於底板50。
較佳地，外殼21在所有接觸點密封連接於底板50，藉此藉由該等接合點將HLW儲存容器100密封至流體之入口。在可焊接金屬之情況下，該密封連接可包含焊接或使用密封墊。最佳地，外殼21整體焊接於底板50。
圍繞外殼21頂部提供一環形凸緣77以硬挺外殼21，使其在負載條件下不會彎曲或大體變形。環形凸緣77可整體焊接於外殼21之頂部。
內殼22由隔片27及支撐塊52側向旋轉約束於其底部的水平面。內殼22較佳不焊接或以其他方式永久固定於底板50或外殼21以准許便利地拆除以停止使用且在需要時繼續使用。內殼22之底部邊緣配備一管形導軌(未圖式)，該管形導軌亦提供可撓性以准許內殼22由於與空腔24內之濾毒罐加熱之空氣接觸而擴展，從而不對蓋子30誘發過大的向上力。
內殼22、外殼21、底板50及環形凸緣77較佳由諸如低碳鋼之金屬加以建構，但可由諸如不銹鋼、鋁、鋁合金、塑膠及其類似物之其他材料製成。適宜低碳鋼包括(但不限於)ASTM A516、Gr.70、A515、Gr.70或同等物質。內殼及外殼22、21之所要厚度係設計問題且將基於個案分析而確定。然而，在有些實施例中，內殼及外殼22、21之厚度將在至3英吋之間。
內殼22形成一具有一大體垂直定向中心軸之空腔24。空腔24之尺寸及形狀在本發明中不受限制。然而，較佳的是選擇內殼22以使得空腔24經訂定大小及定形以使其可容納用過核燃料或其他LHW之濾毒罐。儘管不必要實踐本發明，但較佳的是將空腔24之水平橫截面大小及形狀設計為大體對應於待與特殊HLW儲存容器100結合使用的濾毒罐類型之水平橫截面大小及形狀。更具體言之，需要將空腔24的大小及形狀設計為使得當一含HLW之濾毒罐定位於空腔24中以進行儲存(見圖8之說明)時，在該濾毒罐外側壁與空腔24之側壁之間存在小間隙。空腔24之水平橫截面較佳僅容納一個用過燃料濾毒罐。
設計空腔24使得在儲存濾毒罐之側壁與空腔24之側壁之間形成小間隙限制了在一災難性事件中濾毒罐在空腔內可移動的範圍，藉此使得對濾毒罐及空腔壁的破壞最小化並避免濾毒罐在空腔內翻倒。該小間隙亦便於熱空氣在HLW冷卻過程中流動。可控制/設計該間隙的確切尺寸以達成任何特定情境下之所要流體流動動態及熱轉移能力。例如，在有些實施例中，該間隙可係1至3英吋。小間隙亦降低了輻射流動。
內殼22亦在一垂直切面(elevation)處配備有等間隔縱向肋條(未圖式)，這些縱向肋條與一儲存於空腔24之HLW濾毒罐之頂部對凖。該等肋條提供一種對儲存於空腔24內之HLW濾毒罐進行導引以使該濾毒罐位於支撐塊52之頂部之方式。該等肋條亦用於將濾毒罐在地震或其他災難性事件中之側向移動限制於一英吋。
在內殼22內或靠近其底部提供複數個開口25。開口25在環形空間23與空腔24底部之間提供一通道。開口25提供諸如空氣之流體可從環形空間23穿入空腔24之通道。使用開口25便於冷環境空氣進入空腔24以冷卻具有一熱負載之儲存HLW。在該說明之實施例中，提供六個開口25。然而，可提供任何數量的開口25。該確切數量將在個案分析基礎上進行確定並將由諸如HLW熱負載、所要流體流動動態等之考慮因素加以規定。此外，儘管開口25被說明為定位於內殼22之側壁，但在HLW儲存容器100之某些經修改實施例中，開口25可提供在底板50中。
在有些實施例中，開口25將以一圓周定向圍繞內殼22之底部進行對稱定位以使得能夠以一對稱方式將來自環形空間23之氣流進行冷卻以進入空腔24。換句話說，開口25軸對稱地定位於內殼22周圍。
圍繞內殼22外表面在環形空間23內提供一絕緣層26。提供絕緣層26以使得空間23內的進入冷空氣之發熱在進入空腔24之前減至最小。絕緣層26有助於確保圍繞位於空腔24內的濾毒罐上升的熱空氣引起環形空間23內之下降冷空氣之最小限度的預熱。較佳將絕緣層26選擇為防水且防輻射的，且不會因偶然變濕降級。絕緣層的適宜形式包括(但不限於)氧化鋁－二氧化矽火黏土覆蓋層(Kaowool Blanket)、氧化鋁及二氧化矽之氧化物覆蓋層(Kaowool S Blanket)、氧化鋁－二氧化矽－氧化鋯纖維覆蓋層(Cerablanket)，以及氧化鋁－二氧化矽－氧化鉻覆蓋層(Cerachrome Blanket)。絕緣層26之所要厚度係設計問題並將由諸如HLW之熱負載、該等殼之厚度及使用的絕緣類型之此等考慮因素加以規定。在有些實施例中，絕緣厚度在至6英吋之範圍。在有些實施例中，僅一部分空腔高度由絕緣層26圍繞。在此等實施例中，較佳的是至少頂部空氣室與環形空間23絕緣。
在空腔24之底(由底板50形成)上提供複數個支撐塊52。在空腔24之底上提供支撐塊52以使得一儲藏HLW(諸如用過核燃料)之濾毒罐可置放於其上。支撐塊52沿圓周彼此隔開且安置於每一開口25之間靠近與底板50接觸之內殼22之六個扇區之處。當一儲藏HLW之濾毒罐裝載於空腔24進行儲存時，該濾毒罐之底面位於支撐塊52之頂部，從而在該HLW濾毒罐之底面與空腔24的底之間形成一入口空氣室。該入口空氣室對流體流動及濾毒罐之適當冷卻有幫助。
支撐塊52可由低碳鋼製成且較佳焊接於空腔24之底。在有些實施例中，支撐塊52之頂面會配備一不銹鋼襯墊以使得該HLW濾毒罐不位於一碳鋼表面。用於支撐塊52之其他適宜建構材料包括(但不限於)加強型混凝土、不銹鋼、塑料及其他金屬合金。支撐塊52亦用作一能量/衝擊吸收功能。在有些實施例中，支撐塊52較佳具有一蜂巢式柵格型式，諸如由美國加利福尼亞的Hexcel公司製造的彼等支撐塊。
蓋子30位於內殼及外殼22、21之頂部邊緣之頂部且由其支撐。蓋子30可自內殼及外殼22、21拆除，與之形成一非整體結構。蓋子30封閉空腔24之頂部，並提供必要的輻射屏蔽以使得當一載入HLW之濾毒罐儲存於空腔24內時，輻射不能自空腔24之頂部散逸。蓋子30經特別設計以便於冷空氣引入空間23(為了隨後引入空腔24)及熱空氣自空腔24釋放。在有些實施例中，本發明係蓋子本身，獨立於HLW儲存容器100之所有其他態樣。
圖4及圖5根據本發明之一實施例對蓋子30進行了詳細說明。在有些實施例中，蓋子30係一充滿屏蔽混凝土之鋼結構。蓋子30之設計較佳經設計以實現若干個效能目標。
首先參看圖4，其說明了一自HLW儲存容器100之本體部分20拆除的蓋子30之頂部透視圖。為提供必需的輻射屏蔽，蓋子30由低碳鋼與混凝土之組合加以建構。更具體言之，在建構蓋子30之一實施例時，提供一充滿混凝土(或另一輻射吸收材料)之鋼裏料。在其他實施例中，蓋子30可由廣泛多種材料加以建構，包括(但不限於)：金屬、不銹鋼、鋁、鋁合金、塑料及其類似物。在有些實施例中，蓋子可由諸如混凝土或鋼之單片材料加以建構。
蓋子30包含一凸緣部分31及一栓塞部分32。栓塞部分32自凸緣部分31向下延伸。凸緣部分31圍繞栓塞部分32，自其以徑向延伸。在蓋子30中提供複數個入口孔33。入口孔33沿蓋子30的圓周定位。每一入口孔30提供一自凸緣部分31之側壁35中之開口34至凸緣部分31之底面37中之開口36之通道。
在蓋子30中提供複數個出口孔38。每一出口孔38形成一自栓塞部分32的底面40中之開口39至蓋子30的頂面42中之開口41之通道。在開口41上提供一帽蓋43以防止雨水或其他碎片進入及/或阻塞出口孔38。帽蓋43經由螺釘70或藉由任何其他適宜連接方式固定於蓋子30，該等其他的適宜連接方式包括(但不限於)：焊接、夾鉗、緊配合、螺紋連接等等。
帽蓋43經設計以阻止雨水及其他碎片進入開口41，同時允許進入開口41之熱空氣自其散逸。在一實施例中，此可藉由在帽蓋43之壁44中剛好低於該帽蓋之伸出部45處提供複數個小孔(未圖示)而達成。在其他實施例中，此可藉由將帽蓋43之伸出部45非密封地連接於壁44及/或使用僅對氣體有滲透性的材料對帽蓋43進行建構而達成。開口41定位於蓋子30之中心。
藉由將入口孔33及出口孔38均定位於蓋子30，在裝載或卸載操作中在降低或提高一在空腔24內之HLW濾毒罐時便沒有側向輻射洩漏。因此，消除了屏蔽阻斷之需要，其對有些先前技術之VVO係有必要的。入口孔33及出口孔38較佳對稱定位(即關於蓋子的圓周軸對稱)以使得系統的空氣冷卻行為不受風在水平方向的變化影響。此外，藉由將入口孔33的開口34定位於蓋子30外圍並將出口孔38之開口41定位於蓋子的頂部中心軸，便基本消除了進入冷空氣流與排放熱空氣流之混合。
為進一步防止雨水或其他碎片進入開口41，蓋子30之頂面42彎曲並傾斜而遠離開口41(即向下並向外)。將開口41遠離開口34進行定位有助於防止經由出口孔38排放之熱空氣退回至入口孔33中。蓋子30之頂面42(其作為一頂壁)伸出於凸緣部分31之側壁35之外，藉此有助於阻止雨水及其他碎片進入入口孔33。伸出亦有助於阻止冷與熱空氣流之混合。彎曲形增加了蓋子30之負載承載能力，其主要方式為一彎曲梁比其直對應物展示了大得多的側向負載承載能力。
特意使出口孔38彎曲以使得在其內不存在一視線。此阻止了自環境空氣至一裝載於HLW儲存容器100之HLW濾毒罐存在一視線，藉此消除了進入環境的輻射光。在其他實施例中，出口孔可成角度或足夠傾斜以使得不存在此視線。入口孔33在一大體水平的定向中。然而，可更改入口孔及出口孔33、38之形狀及定向。
入口孔及出口孔33、38由"成形煙道式(formed and flued)"頭部(即回轉面)製成，其用於三個主要設計目標。首先，入口孔及出口孔33、38之彎曲形消除了來自空腔24之任何直接視線，且作為一有效構件以散射來自HLW之光子流。第二，形成出口孔通道38之彎曲鋼板78顯著增加了蓋子30之負載承載能力，其主要方式為一彎曲梁比其直對應物展示了大得多的側向負載承載能力。若對於一特殊ISFSI位點需要評估一涉及一大的高能導彈之超設計基礎(beyond－the－design basis)影響情況分析，則該設計特徵係一有價值的屬性。第三，入口孔33之彎曲性質提供了冷卻空氣流之最小壓力損失，導致一更有力的通風行為。
在有些實施例中，較佳提供覆蓋進入入口孔及出口孔33、38之所有開口之篩網以防止碎片、昆蟲及小動物進入空腔24或該等孔33、38。
現在參看圖5，蓋子30進一步包含一在凸緣部分31之底面37上之第一密封墊片46及第二密封墊片47。墊片46、47較佳由一防輻射材料進行建構。當蓋子30定位於HLW儲存容器100之本體部分20之頂部時(如圖3所示)，第一密封墊片46在蓋子30之凸緣部分31之底面37與內殼22之頂部邊緣之間受到壓縮，藉此形成一密封件。類似地，當蓋子30定位於HLW儲存容器100之本體部分20之頂部時，第二密封墊片47在蓋子30之凸緣部分31之底面37與外殼21之頂部邊緣之間受到壓縮，藉此形成一第二密封件。
在凸緣部分31之底面35上提供一容器環48。容器環48經設計以當蓋子30定位於HLW儲存容器100的本體部分20之頂部時自底面35向下延伸且在外圍圍繞並嚙合外殼22頂部的外表面，如圖3所示。
再次參看圖3，現在將描述蓋子30之元件與本體部分20之元件之間的協作關係。當蓋子30適當地定位於HLW儲存容器100之本體部分20之頂部時(例如，在一裝載有HLW之濾毒罐之儲存過程中)，蓋子30之栓塞部分32降低至空腔24中，直至蓋子30之凸緣部分31接觸並位於內殼22及凸緣環77之頂部。凸緣部分31消除了蓋子30落入空腔24中之危險。
當蓋子30定位於本體部分20之頂部時，第一及第二密封墊片46、47分別在蓋子30之凸緣部分31與內殼及外殼22、21之頂部邊緣之間受到壓縮，藉此形成密封界面。第一墊片46在蓋子/內殼界面處提供可靠密封，其阻止了通過環形空間23之冷空氣流入流與空腔24頂部之熱空氣流出流之混合。第二墊片47在蓋子/外殼界面處提供密封，其提供了對於可能升至高於凸緣環77本身之洪水之防護。
容器凸緣48圍繞並在外圍與凸緣環77嚙合。凸緣環77約束蓋子30使其不能進行水平移動，即使在設計基礎地震事件時。當如此嚙合時，蓋子30保持內殼22之頂部不進行側向、軸向移動。蓋子30亦提供內殼及外殼22、21之穩定性、形狀及適當對凖/定向。
蓋子30之栓塞部分32向空腔24之延伸有助於降低HLW儲存容器100之總高度。由於栓塞部分32係由充滿屏蔽混凝土之鋼製成的，因此栓塞部分32防止自一HLW濾毒罐析出之向上輻射散逸至環境中。栓塞部分32之高度經設計以使得若蓋子30在其操縱中偶然落下，其不會接觸一儲存於空腔內之HLW濾毒罐之頂部。此亦在濾毒罐與蓋子30底部之間建立了如上所述之空腔24之出口空氣室部分。
當蓋子30定位於本體部分20之頂部時，入口孔33與形成於內殼與外殼22、21之間之空間23進行空間協作。出口孔38與空腔24進行空間協作。結果，冷環境空氣可經由入口孔33進入HLW儲存容器100，流入空間23，並經由開口25進入空腔24之底部。當一含有具有熱負載之HLW之濾毒罐在空腔24內得以支撐時，該冷空氣由HLW濾毒罐加熱，在空腔24內上升，並經由出口管38自空腔24排放出來。
由於入口孔33之開口34(在圖4中最明顯)沿蓋子30之圓周延伸，對引入空氣流之流體阻力(通風模組之一共同限制)被最小化。沿圓周限定入口孔33之開口34亦導致入口孔33即使在包括大量碎片之最極端環境現象下不太容易完全阻塞。類似空氣流阻力最小化亦建置於用於排放空氣之出口孔38之設計中。
如上所述，HLW儲存容器100可經調適以用於HLW之地上或地下儲存。當調適以用於HLW地上儲存時，HLW儲存容器100會進一步包含一圍繞本體部分20之輻射吸收結構/體。輻射吸收結構會具有一種材料且具有足夠之厚度以使得自HLW濾毒罐析出之輻射被充分吸收/容納。在有些實施例中，輻射吸收結構可係一混凝土單塊。此外，在有些實施例中，外殼可由輻射吸收結構本身之內壁形成。
現在參看圖6及圖7，其將根據本發明之一實施例對用於在一ISFSI或其他地點對HLW進行地下儲存之HLW儲存容器100之調適及使用進行描述。
參看圖6，首先在ISFSI內一所要位置以一所要深度在地面上挖一孔。一旦該孔得以挖掘，並使其底部適當水平時，在孔底部置放一基座61。基座61係一經設計以滿足諸如ACI－349的公認工業標準之負載組合之加強型混凝土平板。然而，在有些實施例中，視待支撐之負載及/或地面特徵而定，可能不必要使用一基座。基座61經設計以滿足某些結構標準並防止來自路基周圍材料的不利影響之長期沉降及物理降級。
一旦基座61在該孔內進行了適當定位，將HLW儲存容器100以一垂直定向降至該孔內直至其位於基座61頂部。底板50接觸並位於基座61頂面之頂部。然後，將底板50經由錨51固定於基座61以阻止HLW儲存容器100相對於基座61之未來的移動。
挖掘該孔較佳使得當HLW儲存容器100定位於其內時，至少有內殼及外殼22、21之大部分低於地平面62。最佳地，挖掘該孔以使得當HLW儲存容器100以垂直定向位於基座61頂部時，內殼及外殼22、21高於地平面62僅1至4英尺。在有些實施例中，該孔可被挖掘地足夠深以使得內殼及外殼22、21之頂部邊緣與地平面62齊平。在該說明之實施例中，內殼及外殼22、21約有32英吋突出於地平面62之上。
可在外殼21及底板50之曝露表面塗覆適當的防腐劑，諸如煤焦油環氣漆或其類似物，以確保密封、減少材料衰變，並防止火及地下流體的進入。一種適宜的煤焦油環氣漆由密蘇裏州聖路易斯的Carboline公司生產，其商標為Bitumastic 300M。在有些實施例中，可較佳亦以該防腐劑塗佈內殼22及外殼21之所有表面，即使該等表面不直接曝露於元素。
一旦HLW儲存容器100以垂直定向位於基座61頂部，將土60擲於該孔中HLW儲存容器100外部，藉此以土60填充該孔並埋藏HLW整體結構100之主要部分。儘管以土60作為實例來填充該孔並圍繞HLW儲存容器100，但可使用滿足環境及屏蔽要求之任何適宜的質控回填土(engineered fill)。其他適宜的質控回填上包括(但不限於)砂礫、碎石、混凝土、沙子及其類似物。此外，所要的質控回填土可以任何可行方法供應至該孔，包括手動、傾倒及類似方法。
將土60供應至該孔直至土60圍繞HLW儲存容器100並填充該孔達到土60約等於地平面62之水平。土60與處於地下之HLW儲存容器100之外表面直接接觸。
圍繞外殼21之部分提供一輻射吸收結構，諸如混凝土襯墊63，其突出於地平面62之上。外殼21之環形凸緣77位於混凝土襯墊63頂面之頂部。混凝土襯墊63經設計以使得能夠為HLW儲存容器100突出地面的部分提供必要的輻射屏蔽。襯墊63之頂面亦在HLW轉移操作中為一護箱覆帶車(或用於運輸一轉移護箱之其他裝置)提供一錨泊表面。土60為HLW儲存容器100低於地平面62之部分提供輻射屏蔽。襯墊63亦作為一防止雨水或洪水在HLW儲存容器100之地下部分周圍的重力誘發滲流的障壁膜。
圖7展示混凝土襯墊63之俯視圖。儘管襯墊63較佳由加強型混凝土製成，但襯墊63可由能夠適當吸收/容納由儲存於空腔24之HLW發射的輻射之任何材料製成。
仍參看圖6，當HLW儲存容器100經調適以用於HLW地下儲存且蓋子30被拆除時，HLW儲存容器100係一底部封閉、頂部開口的厚壁圓柱形容器，其沒有地下滲透或開口。因此，地下水沒有路徑進入空腔24。同樣，可經由蓋子30中之入口孔及出口孔33、38引入空腔24之任何水其本身不會被排出。
一旦混凝土襯墊63處於適當位置，即如上所述將蓋子30置放於內殼及外殼22、21之頂部。蓋子30包括入口孔及出口孔33、38至周圍環境之開口，由於其位於地上，因此一HLW熱濾毒罐可儲存於地下空腔24而仍允許濾毒罐之足夠通風以進行熱量移除。
現在參看圖8，其將論述將一裝載有熱HLW之濾毒罐90儲存於一地下HLW儲存容器100之方法。自一用過燃料池中移出後，處理濾毒罐90以進行乾式儲存，包括將濾毒罐90之內體積乾燥至一所要乾燥水平、以惰性氣體回填濾毒罐90且在此後對濾毒罐90進行密封。然後將經密封濾毒罐90在一轉移護箱中進行運輸。轉移護箱由一護箱履帶車運載至一所要HLW儲存容器100以進行儲存。儘管以一護箱履帶車作為實例，但可使用運輸一轉移護箱之任何適宜裝置。例如，可使用任何適宜類型的負載操縱裝置，諸如(但不限於)一門型起重機、高架起重機或其他起重裝置。
在製備所要HLW儲存容器100以容納濾毒罐90時，拆除蓋子30以打開空腔24。護箱履帶車將轉移護箱定位於地下HLW儲存容器100之頂部。當轉移護箱適當地固定於地下HLW儲存容器100之頂部之後，拆除該轉移護箱之底板。若必要，可使用一適宜配合裝置來固定轉移護箱至HLW儲存容器100之連接並將轉移護箱之底板拆除至一不顯眼的位置。此等配合裝置在該項技術中係熟知的且通常用於濾毒罐轉移程序。
然後由護箱履帶車將濾毒罐90自轉移護箱降低至空腔24，直至濾毒罐90之底面如上所述接觸並位於支撐塊52之頂部。當位於支撐塊52上時，濾毒罐之主要部分處於地下。最佳地，當處於儲存位置時，濾毒罐90整體處於地下。因此，HLW儲存容器100為在空腔24內處於一垂直組態之濾毒罐90提供了完全的地下儲存。在有些實施例中，襯墊63本身之頂面可視為地面線(grade level)，此視其尺寸、輻射屏蔽特性及與ISFSI內之其他儲存模組之協作關係而定。
一旦濾毒罐90經定位且位於空腔24內，即將蓋子30定位於HLW儲存容器100之本體部分20頂部，如上參看圖3之描述，藉此大體封閉了空腔24。一入口空氣室存在於濾毒罐90之下，而一出口空氣室存在於濾毒罐90之上。出口空氣室用於推進熱空氣排出HLW儲存容器之"煙囪"行為。
然後將蓋子30以螺釘固定於適當位置，其延伸至混凝土襯墊63。由於自濾毒罐90析出之熱量，來自環境之冷空氣被虹吸至入口孔33、流過空間23、並經由開口25進入空腔24之底部。然後該冷空氣被來自濾毒罐90之熱量加熱、經由濾毒罐90與內殼22之間之餘隙空間在空腔24內上升、且隨後經由蓋子30中之出口孔38作為熱空氣排放出空腔24。
本發明之地下儲存系統係一純被動的冷卻系統，不存在諸如閉路冷卻劑系統、吹風機等的任何強制流體流動之設備。
如圖9所示，多個儲存容器100可用於相同ISFSI位點並排成陣列。儘管該等HLW儲存容器100相距較近，但設計允許儲存於每一HLW儲存容器100之濾毒罐被獨立存取及取回。
儘管已足夠詳細地對本發明進行了描述及說明以使熟習該項技術者可容易地對其進行製造並使用，但易於理解可在不偏離本發明之精神及範疇的情況下進行多種替代、修改及改良。
2．．．通風垂直外包裝
12．．．圓柱箱體
14．．．蓋子
15．．．頂部通風管
16．．．底部通風管
17．．．平底
18．．．螺釘
20．．．本體部分
21．．．外殼
22．．．內殼
23．．．空間
24．．．空腔
25．．．開口
26．．．絕緣層
27．．．隔片
30．．．蓋子
31．．．凸緣部分
32．．．栓塞部分
33．．．入口孔
34．．．開口
35．．．側壁
36．．．開口
37．．．底面
38．．．出口孔/出口孔通道
39．．．開口
40．．．底面
41．．．開口
42．．．頂面
43．．．帽蓋
44．．．壁
45．．．伸出部
46．．．第一密封墊片
47．．．第二密封墊片
48．．．容器環/容器凸緣
50．．．底板
51．．．錨
52．．．支撐塊
60．．．土
61．．．基座
62．．．地平面
63．．．混凝土襯墊
70．．．螺釘
77．．．環形凸緣/凸緣環
78．．．彎曲鋼板
90．．．濾毒罐
100．．．HLW儲存容器
圖1係一先前技術之VVO之頂部透視圖。
圖2係一根據本發明一實施例之HLW儲存容器之頂部透視圖。
圖3係圖2之HLW儲存容器之剖視圖。
圖4係一自圖2之HLW儲存容器拆除的根據本發明之一實施例之蓋子的剖視圖。
圖5係圖4之蓋子之底部透視圖。
圖6係為HLW之地下儲存而定位的圖2之HLW儲存容器之剖視圖。
圖7係圖6之HLW儲存容器之俯視圖。
圖8係圖6之HLW儲存容器之剖視圖，該容器具有一定位於其中之HLW濾毒罐以用於儲存。
圖9係一利用一根據本發明之一實施例之HLW儲存容器陣列的ISFSI之透視圖。
20．．．本體部分
21．．．外殼
22．．．內殼
23．．．空間
24．．．空腔
25．．．開口
26．．．絕緣層
27．．．隔片
30．．．蓋子
31．．．凸緣部分
32．．．栓塞部分
33．．．入口孔
34．．．開口
38．．．出口孔/出口孔通道
41．．．開口
42．．．頂面
43．．．帽蓋
44．．．壁
45．．．伸出部
46．．．第一密封墊片
47．．．第二密封墊片
48．．．容器環/容器凸緣
50．．．底板
51．．．錨
52．．．支撐塊
100．．．HLW儲存容器

Claims (32)

  1. 一種用於儲存高階核廢料之通風垂直系統，其包含：一內殼，其形成一空腔，該空腔具有一頂部、一底部及一大體垂直定向的軸；一外殼，其圍繞該內殼以形成一位於該內殼與該外殼之間之空間；至少一開口，其位在該內殼中在該空腔之該底部或該空腔之該底部附近，該至少一開口形成一位於該空間與該空腔之間之通道；一密閉濾毒罐，其用於儲存發射熱及輻射之高階核廢料，該密閉濾毒罐以一大體垂直定向定位於該空腔中，該空腔具有一僅容納一濾毒罐之水平截面；一蓋子，其定位於該內殼及該外殼頂部以形成一蓋子至內殼的界面及一蓋子至外殼的界面，該蓋子至內殼的界面經調適以防止空氣流動，一頂部空氣室存在於該濾毒罐與該蓋子之間之該空腔中，該蓋子具有形成一環境大氣與該空間之間的一通道之至少一入口孔及形成該空腔之該頂部空氣室與該環境大氣之間的一通道之至少一出口孔；及用於使該空間之至少一部分與該空腔內的熱絕緣之構件。
  2. 如請求項1之系統，其中該絕緣構件包含一絕緣材料層，其定位於該空腔與該空間之間以至少圍繞該空腔之該頂部空氣室。
  3. 如請求項2之系統，其中該絕緣材料層圍繞該空腔並自該空腔之該頂部或該空腔之該頂部附近向該空腔之該底部或該空腔之該底部附近延伸。
  4. 如請求項1之系統，其中該內殼、該外殼及該密閉濾毒罐在形狀上大體係圓柱形的。
  5. 如請求項1之系統，其進一步包含一圍繞該外殼之輻射吸收材料。
  6. 如請求項5之系統，其中該內殼及該外殼充分位於地下以使得整個濾毒罐位於地下。
  7. 如請求項5之系統，其中該輻射吸收材料係具有一地面線之一自然土材料或一工程填充土，且其中該內殼及該外殼至少大部分低於地面線。
  8. 如請求項7之系統，其進一步包含一底板，該內殼及該外殼定位於該底板頂部，該外殼之一底部邊緣整體連接於該底板。
  9. 如請求項8之系統，其進一步包含一底座，該底板定位於該底座頂部且固定於其上。
  10. 如請求項5之系統，其中該內殼及該外殼之一部分延伸至地上，該系統進一步包含一輻射吸收結構，其圍繞該外殼之延伸於地上之該部分。
  11. 如請求項10之系統，其中該內殼及該外殼延伸高於地上約有1至3英尺。
  12. 如請求項1之系統，其中該至少一入口孔係一自該蓋子之一側壁中之一開口至該空間延伸之大體水平的通道。
  13. 如請求項12之系統，其中該至少一出口孔係一自該蓋子之一底面中之一開口至該蓋子之一頂面中之一開口延伸之通道。
  14. 如請求項13之系統，其進一步包含一帽蓋，該帽蓋覆蓋該蓋子之該頂面中之該開口，該帽蓋包含用於允許熱空氣經由該至少一出口孔排出該空腔、同時阻止雨水進入該至少一出口孔之構件。
  15. 如請求項13之系統，其中該至少一出口孔在形狀上彎曲或成角度。
  16. 如請求項13之系統，其中該蓋子之該頂面傾斜而遠離該頂面中之該開口。
  17. 如請求項1之系統，其中該蓋子包含一栓塞部分及一圍繞該栓塞部分之凸緣部分，該栓塞部分延伸至該空腔內且該凸緣部分位於該內殼及該外殼之頂部。
  18. 如請求項17之系統，其進一步包含一定位於該內殼與該蓋子之該凸緣部分之間之第一密封件及一定位於該外殼與該蓋子之該凸緣部分之間之第二密封件。
  19. 如請求項18之系統，其進一步：其中該至少一入口孔係一自該蓋子之該凸緣部分之一側壁中之一開口至該凸緣部分之底面中之一開口延伸之大體水平的通道；且其中該至少一出口孔係一自該蓋子之該栓塞部分之一底面中之一開口至該蓋子之一頂面中之一開口延伸之通道。
  20. 如請求項1之系統，其中該內殼及該外殼大體彼此同心。
  21. 如請求項1之系統，其中該形成於該內殼與該外殼之間之空間與該空腔之該軸形成軸對稱。
  22. 如請求項21之系統，其中該空間具有一在一約為1至6英吋之範圍中之寬度。
  23. 如請求項1之系統，其中一小間隙有在於該密閉濾毒罐與該內殼之間。
  24. 如請求項1之系統，其中該濾毒罐經密封且經調適以用於被使用過之核燃料之乾式儲存。
  25. 如請求項1之系統，其中該蓋子包含一具有一凸起上表面及一凹入下表面之第一彎曲板，該蓋子進一步包含一在該第一彎曲板之下間隔開之第二彎曲板，該至少一出口孔形成於該第一彎曲板與該第二彎曲板之間。
  26. 如請求項1之系統，其中該蓋子包含複數個該等入口孔，每一入口孔自該蓋子之一側壁中之一開口延伸至該空間，該等入口孔之該等開口相對於該蓋子之該側壁軸對稱地定位；且其中該內殼包含該空腔之該底部或該空腔之該底部附近的複數個該等開口，該等開口軸對稱地位於該內殼周圍。
  27. 如請求項1之系統，其進一步包含用於支撐該空腔內之該濾毒罐之構件，以使得一底部空氣室存在於該濾毒罐與該空腔之一底之間，在該殼中之該至少一開口形成該小空間與該底部空氣室之間之一通道。
  28. 如請求項1之系統，其中該內殼及該外殼係由金屬建構， 該系統進一步包含一金屬底板，該內殼及該外殼定位於該金屬底板頂部，該外殼之一底部邊緣整體連接至該金屬底板以形成一密封連接。
  29. 如請求項1之系統，其進一步包含：一底板，該內殼及該外殼定位於該底板頂部，該外殼之一底部邊緣密封連接於該底板；一自然土材料或一工程填充土，其圍繞該外殼且具有一地面線，該內殼及該外殼至少大部分處於地面線以下；一地下底座，該底板定位於該底座頂部並固定於該底座；用於支撐該空腔內之該濾毒罐之構件，以使得一底部空氣室存在於該濾毒罐與該底板之間，在該外殼中之該至少一開口形成該小空間與該底部空氣室之間之一通道；一定位於該內殼與該蓋子之間之第一密封件；其中該整個濾毒罐位於地面線以下且該內殼及該外殼之一部分延伸於地面線以上，一輻射吸收結構圍繞該外殼之延伸於地上之該部分；其中該絕緣構件係一絕緣材料層，其定位於該空腔與該小空間之間，該絕緣材料層圍繞該空腔並自該空腔之該頂部或該空腔之該頂部附近至該空腔之該底部或該空腔之該底部附近延伸；且其中該蓋子包含複數個入口孔，每一入口孔自該蓋子之一側壁中之一開口延伸至該空間，該等入口孔之該等 開口相對於該蓋子之該側壁軸對稱地定位；且其中該內殼包含該空腔之該底部或該空腔之該底部附近之複數個該等開口，該等開口軸對稱地定位於該內殼周圍。
  30. 如請求項1之系統，其進一步包含：一圍繞該外殼之一頂部之環形凸緣；且該蓋子進一步包含一自該蓋子之一底部延伸之環形結構，該環形結構在外圍圍繞該環形凸緣。
  31. 一種用於儲存高階核廢料之系統，其包含：一內殼，其形成一用於容納高階核廢料之空腔，該空腔具有一頂部及一底部；一外殼，其圍繞該內殼以形成一位於該內殼與該外殼之間之空間；至少一開口，其位在該內殼中在該空腔之該底部或該空腔之該底部附近，該至少一開口形成一自該空間至該空腔中之通道；一可拆除蓋子，其定位於該內殼及該外殼之頂部，該蓋子具有形成一自一環境大氣至該空間的通道之至少一入口孔及形成一自該空腔至該環境大氣的通道之至少一出口孔。
  32. 一種用於儲存高階核廢料之方法，其包含：(a)提供一容器，該容器包含：一形成一空腔之內殼，該空腔具有一頂部及一底部；一外殼，其與該內殼同心並圍繞該內殼以在其間形成一空間；及至少一開口，其 位在該內殼中在該空腔之該底部或該空腔之該底部附近，該至少一開口形成一自該空間至該空腔中之通道；(b)將一含有高階核廢料之濾毒罐置放於該空腔中；(c)提供一具有至少一入口孔及至少一出口孔之蓋子；(d)將該蓋子定位於該內殼及該外殼之頂部以使得該至少一入口孔形成一自一環境大氣至該空間之通道，且使得該至少一出口孔形成一自該空腔至該環境大氣之通道，該蓋子覆蓋該空腔之該頂部；及(e)冷空氣經由該至少一入口孔及該空間進入該空腔，該冷空氣由該具有高階核廢料之濾毒罐暖化，並經由該蓋子中之該至少一出口孔排出該空腔。
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