TWI743408B

TWI743408B - 通風的金屬儲存外包裝(vmso)及用於吸收中子及伽瑪射線之方法

Info

Publication number: TWI743408B
Application number: TW107138315A
Authority: TW
Inventors: 赫格爾菲佛; 杰Ｇ威爾伍德; 喬治Ｃ卡爾佛
Original assignee: 美商內克國際股份有限公司
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2021-10-21
Also published as: EP3704716A1; WO2019089421A1; US11676736B2; KR20200083502A; KR102580083B1; EP3704716A4; US20190131024A1; TW201923782A

Abstract

提供一種用於放射性核廢料的乾燥儲存之儲存裝置。儲存裝置包含密封的桶，裝載放射性核廢料，及外部通風的金屬儲存外包裝(VMSO)。VMSO具有複數個通風口，使得周遭空氣能夠流動通過VMSO且在桶四周流動，藉此從桶散熱。VMSO具有側壁，側壁具有內部金屬層及一或更多組交替層。各組包括鄰接於另一金屬層的中子吸收層，使得中子吸收層及金屬層交替地遍及側壁。中子吸收層或多層設計成吸收從放射性核廢料所輻射的中子粒子，且金屬層設計成吸收從放射性核廢料所輻射的伽瑪粒子，以及由與吸收中子粒子相關聯的反應獲得的從中子吸收層或多層所輻射的伽瑪粒子。

Description

通風的金屬儲存外包裝(VMSO)及用於吸收中子及伽瑪射線之方法

本專利申請案主張於2017年10月30日申請的臨時申請案第62/578,758號的益處及優先權，該案在此處整體併入作為參考。

本發明關於儲存裝置及安全地乾燥裝載放射性核廢料(例如，用過的核燃料棒、放射性材料等等)的儲存桶之方法。

在商用核能電廠處，用過的核燃料已經儲存於深的水貯存庫中，通常稱為在核電廠之中用過的燃料池。當此等用過的燃料池到達其用過的燃料容量限制時，或當核能電廠的設施的壽命終結而遭受從用過的燃料池完全移除用過的燃料時，燃料傳送至具有最終包體蓋的金屬桶中，此等金屬桶隨著裝載用過的燃料或放射性廢料而在電廠處以機械手段焊接關閉或密封。密封的桶接著放置於通風的儲存外包裝中(通常以鋼及混凝土的層組成)中，此儲存外包裝供以作為提供機械保護、被動的散熱特徵、及對裝載放射性材料的內部金屬桶額外的輻射遮蔽的包體。在其中裝載儲存有放射性材料的焊接的或螺栓的金屬桶的通風的儲存外包裝接著放置於核能電廠結構的外側的指定的安全地點，但仍在所有者控制的土地，以便確保實行與裝載金屬桶的通風的儲存外包裝連接的適當的控制及監控。

此等通風的儲存外包裝必須僅符合用於儲存的監管要求，而非與金屬桶的異地運送相關聯的法規。與異地運送相關聯的法規要求使用特殊設計的異地運送存桶，此存桶與通風的儲存外包裝在設計及材料上很不相同，且以與用以批准通風的儲存外包裝的不同的規則及法規下，藉由監管部門授權使用。

通風的儲存外包裝設計成：(1)限制離子輻射；(2)提供金屬桶的適當結構保護遠離外部威脅；及(3)對儲存於通風的儲存外包裝之中的金屬桶之中所儲存的內容物提供被動散熱。為了滿足此等基本功能屬性，通風的儲存外包裝通常以金屬及混凝土的結合構成，而其需要大的尺寸。此類大的尺寸對使用者展現問題，此等使用者在操作及除役階段期間受限於適合用於部署此等類型的大尺寸容器的實體大小的區域。

作為先前所述的混凝土及金屬通風的儲存外包裝的替代，商用核能電廠可選擇利用基於金屬的儲存系統，此系統亦設計成：(1)限制離子輻射；(2)提供金屬桶的適當結構保護遠離外部威脅；及(3)對儲存於金屬儲存外包裝之中的金屬桶之中所儲存的內容物提供被動散熱。此等雙目的金屬儲存外包裝在中間儲存的某些時段之後亦用於運送內容物，且因此具有較小的尺寸。歸因於金屬儲存外包裝的設計，此並非通風，因此在其從所儲存的內容物之中的被動排熱的能力上相當受限。基於此特定天性，選擇用於裝載此等系統的燃料內容物受限於當與藉由通風的儲存外包裝設計供給的較高熱負荷儲存能力比較時，具有較低的熱負荷。

本揭露案提供通風的金屬儲存外包裝(VMSO)的各種實施例，設計成最小化(1)用以儲存具有放射性核廢料的桶所需的區域，及(2)從儲存於之中的內容物發射至人員的輻射，同時最大化儲存系統的被動散熱能力，而不會降低儲存的內容物對外部威脅的保護。

在其他之中的一個實施例為儲存裝置，包含裝載放射性核廢料的密封的桶，及外部通風的金屬儲存外包裝(VMSO)。VMSO具有複數個通風口，使得周遭空氣能夠流動通過VMSO及桶的四周，藉此從桶散熱。VMSO具有側壁，具有內部金屬層及一或更多組交替層。各組包括鄰接於另一金屬層的中子吸收層，使得中子吸收層及金屬層交替地遍及側壁。中子吸收層或多層設計成吸收從放射性核廢料輻射的中子粒子，且金屬層設計成吸收從放射性核廢料輻射的以及從吸收中子粒子所導致的中子吸收層或多層所輻射的伽瑪粒子。

儘管並非限制於此等特定材料，在較佳的實施例中，金屬層為碳素鋼，且中子吸收層或多層為聚合物材料、水泥材料、金屬的材料或此等之結合。再者，在任一者實施例中，鋼層可為不同的鋼材料，且中子吸收層可為不同的中子吸收材料。

在其他之中的另一實施例為一種儲存裝置，包含裝載放射性核廢料的密封的桶及VMSO。WMSO具有複數個通風口，使得周遭空氣能夠流動通過VMSO及桶的四周，藉此從桶散熱。VMSO具有五層的側壁，包括第一層(最內層)、鄰接於第一層的第二層、鄰接於第二層的第三層、鄰接於第三層的第四層及鄰接於第四層的第五層(最外層)。在此實施例中，第一、第三及第五層以金屬材料製成，且第二及第四層以中子抑制材料製成。中子吸收層或多層設計成吸收從放射性核廢料輻射的中子粒子，且金屬層設計成吸收從放射性核廢料輻射的以及從吸收中子粒子所導致的中子吸收層或多層所輻射的伽瑪粒子。

本發明的其他實施例、裝置、方法、特徵及優點將對本領域中技藝人士而言，在檢視以下圖式及詳細說明之後成為顯而易見的。所有此等額外的系統、方法、特徵及優點意圖包括在此說明書之中，在本發明的範疇之中，且藉由隨附申請專利範圍保護。

10:VMSO

12:桶

14:VMSO

16:蓋

18:底部

22:側壁

24:主體

25:螺釘

26:圓形頂蓋

27:升降吊耳

28:底部

32a:第一層

32b:第二層

32c:第三層

32d:第四層

32e:第五層

34:空氣入口

36:空氣出口

本揭露案的許多態樣可參照以下圖式而更佳理解。圖式中的元件並非必須按照尺寸，取而代之地，在圖式上放置強調而清楚地圖示本揭露案的原理。再者，在圖式中，類似的元件符號遍及數個視圖代表相對應部件。

第1圖為本發明的通風的金屬儲存外包裝(VMSO)的較佳實施例的頂部視圖。

第2圖為第1圖的VMSO的較佳實施例的部分剖面視圖，沿著第1圖的A-A剖面線擷取。

通風的金屬儲存外包裝(VMSO)利用在鋼外殼之中層疊密集中子輻射吸收材料的結合，使得VMSO的整體尺寸相較於先前技術的金屬-混凝土儲存外包裝而最小化，同時供以至少：(1)提供對儲存於金屬桶之中的內容物的人員放射性保護；(2)保護儲存於金屬桶之中的放射性內容物遠離外部威脅；(3)最大化從儲存於金屬桶之中的內容物排除熱的能力；同時(4)最小化對各個儲存系統所需的實際區域。藉由交替使用密集中子吸收材料，而與VMSO中使用的鋼的實體保護一起，所發射的輻射的人員保護可最大化，系統的整體尺寸可最小化，且系統的熱排除能力可最大化，而不會降低系統對外部影響的保護能力。

藉由所選擇的在VMSO之中所使用的密集中子衰減材料(可為與任何特定中子吸收類型材料耦合的形式的金屬的、聚合物或水泥)是基於應用的特定需求之設計，包括實體空間可利用性(即，系統及數個系統所需的最大尺寸)及在VMSO的外部上的輻射等級。設計可包括鋼及密集中子吸收材料的三或更多交替層，以形成VMSO。進一步的，中子吸收材料的密度可改變，以當在鋼的二或更多交替層之中分析及建構時最大化材料的效果，以便降低由中子衰減所獲得的可從材料發射的任何伽瑪輻射。歸因於在鋼的交替層之中密集中子吸收材料的戰略性放置，可強化VMSO的設計，特別是消減從VMSO發射的輻射的量，同時最小化VMSO的整體尺寸，從而最佳化系統設計，而相較於標準的通風的金屬及混凝土儲存外包裝強化VMSO，且由直徑比較更加類似於金屬儲存外包裝。

藉由通風VMSO，VMSO的排熱能力非常類似於通常通風的金屬及混凝土儲存外包裝的熱排除能力，而不具有與先前技術的通常通風的金屬及混凝土儲存外包裝相關聯的增加的直徑。

再者，藉由密集中子吸收材料的戰略性設計及放置，從VMSO發射的中子及伽瑪輻射可使用從VMSO之中的內容物發射的中子及伽瑪輻射位準的特定能量位準而最小化。中子吸收材料可為金屬的材料(例如，梅氏金屬陶瓷(metamic)等等)及/或非金屬的材料，例如聚合物(例如NS4聚合物、硼摻雜的聚合物等等)或水泥材料(例如，以硼摻雜的水泥材料等等)。

現參照圖式，第1圖為藉由元件符號10，標記VMSO的較佳實施例的頂部視圖，且第2圖為VMSO 10的部分剖面視圖，沿著第1圖的A-A剖面線擷取。VMSO 10具有密封的拉長的圓柱形桶12，裝載有害核材料，例如但非限於用過的核燃料棒等等，且拉長的圓柱形VMSO 14裝載桶12。

桶12具有固定的可移除圓形頂蓋16、圓形平坦底部18、及在蓋16及平坦底部18之間延伸的拉長的圓柱形側壁22。桶12的範例顯示為具有管狀及碟狀，但可利用其他類型的桶12。一般而言，桶12可實施任何傳導或對流熱傳方案，且以不銹鋼部件作成。適合的桶的其他非限制範例在美國專利第9,558,857及6,784,443號中說明，此等揭露案在此處整體併入作為參考。

VMSO 14具有在固定的可移除圓形頂蓋26及圓形平坦底部28之間延伸的圓柱形縱向主體24。如一範例，頂蓋26顯示為透過複數個螺釘25螺栓至主體24。頂蓋26亦可焊接至主體24或者附接著。

縱向主體24的頂部亦具有複數個螺栓的升降吊耳27，使得VMSO 14以例如傳統的起重機移動。如一替代實施例，縱向主體24可安裝有複數個耳軸(trunnions)。

底部28焊接至、螺栓至或者附接至VMSO 14的縱向主體24。

縱向主體24具有至少三層32：內部層、鄰接於內部層的至少一個中間層、及鄰接於至少一個中間層的外部層，其中內部層及外部層為金屬，較佳但非限制為碳素鋼，且至少一個中間層包含中子抑制材料。在此實施例中，中子粒子通過碳素鋼的第一層且足夠藉由單一層的中子吸收材料衰減及/或捕捉。再者，來自桶12的伽瑪粒子藉由多重層的碳素鋼吸收及衰減，且藉由在中子吸收層中吸收中子粒子而催生的任何額外的伽瑪粒子足夠在外部碳素鋼層中衰減及/或捕捉。

在較佳的實施例中，如第2圖中所顯示，層32(或外殼)包括第一層32a、鄰接於第一層32a的第二層32b、鄰接於第二層32b的第三層32c、鄰接於第三層32c的第四層32d及鄰接於第四層32d的第五層32e。再者，第一、第三及第五層32a、32c及32e以金屬製成，較佳但非限制於碳素鋼，且第二及第四層32b及32d以中子抑制材料作成，例如金屬的、聚合物及/或水泥材料。

在此較佳的實施例中，三個碳素鋼層及兩個中子吸收層有效地且有效協助從桶12脫逃的中子及伽瑪粒子的衰減。更具體而言，中子粒子可在不同的能量位準處。中子粒子將通過鋼層。再者，某些將減慢但將通過第一中子吸收層，但將藉由第二中子吸收層捕捉。隨著中子粒子被吸收，可催生及發射額外的伽瑪粒子，但此等藉由多重碳素鋼層衰減及吸收。

VMSO 14設計有複數個篩選的通風口，以使得周遭空氣能夠從底端流動通過VMSO 14至頂端。舉例而言，VMSO 14顯示為在底部28中的底端處具有空氣入口34，且在頂蓋26的頂端處具有空氣出口36，使得周遭空氣於或靠近底端處進入，沿著桶12的外側通過VMSO 14藉此對桶散熱，且接著於或靠近頂端處離開VMSO 14。通風口亦使得水能夠排放及蒸發，以保持VMSO 14的內部足夠乾燥。

應強調本發明的上述實施例，特別是任何「較佳的」實施例，僅為實例的可能性非限制範例，為了本發明的原理的清楚理解而說明。可對本發明的上述實施例作成許多改變及修改而不會實質上悖離本發明的精神及原理。所有此等修改及改變意圖在此處包括於此揭露案及本發明的範疇之中。

10:VMSO

14:VMSO

25:螺釘

26:圓形頂蓋

27:升降吊耳

Claims

一種用於放射性核廢料的乾燥儲存的儲存裝置，該儲存裝置包含：一拉長的圓柱形密封的桶，該桶裝載該放射性核廢料；一拉長的圓柱形通風的金屬儲存外包裝(VMSO)，該外包裝裝載該桶，該外包裝具有一縱向主體，該縱向主體在一頂端處的一頂部及一底端處的一底部之間延伸，該縱向主體具有一側壁，該側壁具有至少三層，該至少三層包括一內部層、鄰接於該內部層的至少一個中間層及鄰接於該至少一個中間層的一外部層，該內部層及該外部層為金屬，該至少一個中間層包含一中子吸收材料，該VMSO包含複數個通風口以允許周遭空氣從該底端流動通過該VMSO至該頂端，藉此從該桶散熱；及其中該中子吸收材料設計成吸收從該放射性核廢料所輻射的中子粒子，且該等金屬層設計成吸收從該放射性核廢料所輻射的伽瑪粒子，以及由與吸收中子粒子相關聯的反應獲得的從該中子吸收材料所輻射的伽瑪粒子。
如請求項1所述之裝置，其中該至少一個中間層的該中子吸收材料為金屬的。
如請求項2所述之裝置，其中該金屬的材料為梅氏金屬陶瓷(metamic)。
如請求項1所述之裝置，其中該中子吸收材料為非金屬的。
如請求項1所述之裝置，其中該內部層及該外部層為碳素鋼，且該至少一個中間層為以硼摻雜的一聚合物。
如請求項1所述之裝置，其中該至少一個中間層包括三個中間層，包括該中子吸收材料的一第一中間層、鄰接於該第一中間層的金屬的一第二中間層、及鄰接於該第二中間層的該中子吸收材料的一第三中間層。
如請求項1所述之裝置，其中該至少一個中間層包括三個中間層，包括一NS4聚合物的一第一中間層、金屬的一第二中間層、及NS4聚合物的一第三中間層。
如請求項1所述之裝置，其中該至少三層在一起展現一足夠的中子吸收特徵及一足夠的伽瑪吸收特徵，使得實質上並無輻射的中子粒子及伽瑪射線透過VMSO脫逃至一外側。
一種用於放射性核廢料的乾燥儲存的儲存裝置，該儲存裝置包含：一密封的桶，裝載該放射性核廢料，該桶具有：一頂部蓋；一底部；及一拉長的中空圓柱形側壁，在該頂部蓋及該底部之間延伸；一通風的金屬儲存外包裝(VMSO)，裝載該桶，該VMSO具有：一頂部蓋；一底部；一拉長的中空圓柱形側壁，在該頂部蓋及該底部之間延伸，該側壁具有三個層，該三個層包括一第一層、鄰接於該第一層的一第二層及鄰接於該第二層的一第三層，該第一層及該第三層以金屬製成，且其中該第二層以一中子吸收材料製成；及複數個通風口，其中至少一或更多個通風口佈置於該VMSO的該底部中，使得周遭空氣能夠從該底部流動通過該VMSO至該VMSO的該頂部蓋，且在該桶四周流動，藉此從該桶散熱；其中該VMSO的該拉長的中空圓柱形側壁進一步包含鄰接於該第三層的一第四層及鄰接於該第四層的一第五層，該第四層以一分別的中子吸收材料製成，且該第五層以一分別的金屬製成。
如請求項9所述之裝置，其中該中子吸收材料包括至少一聚合物。
如請求項9所述之裝置，其中該中子吸收材料包括至少一水泥材料。
如請求項9所述之裝置，其中該中子吸收材料包括至少一金屬的材料。
一種用於吸收中子及伽瑪射線之方法，包含以下步驟：提供如請求項9中所界定的一儲存裝置；在該第二層中產生伽瑪粒子，該等伽瑪粒子以該中子吸收材料在該第二層中捕捉中子粒子所獲得；及以一實質的方式在該第三層中吸收所產生的該伽瑪粒子。
一種用於吸收中子及伽瑪射線之方法，包含以下步驟：提供如請求項9中所界定的一儲存裝置；在該第二層及該第四層中產生伽瑪粒子，該等伽瑪粒子以分別的中子吸收材料在該第二層及該第四層中捕捉中子粒子所獲得；及以一實質的方式在該第三層及該第五層中吸收所產生的該伽瑪粒子。
一種用於放射性核廢料的乾燥儲存的儲存裝置，該儲存裝置包含：一密封的桶，裝載該放射性核廢料，該桶具有：一頂部蓋；一底部；及一拉長的中空圓柱形側壁，在該頂部蓋及該底部之間延伸；一通風的金屬儲存外包裝(VMSO)，裝載該桶，該VMSO具有：一頂部蓋；一底部；一拉長的中空圓柱形側壁，在該頂部蓋及該底部之間延伸，該側壁具有一內部金屬層及一或更多組交替層，該一或更多組交替層之各組包括另一金屬層及鄰接於該另一金屬層的一中子吸收層，使得中子吸收層及金屬層交替地遍及該側壁；複數個通風口，使得周遭空氣能夠流動通過該VMSO及該桶的四周，藉此從該桶散熱；及其中該中子吸收層或該等中子吸收層設計成吸收從該放射性核廢料所輻射的中子粒子，且該等金屬層設計成吸收從該放射性核廢料所輻射的伽瑪粒子，以及由吸收中子粒子獲得的從該中子吸收層或該等中子吸收層所輻射的伽瑪粒子。
如請求項15所述之裝置，其中在該等金屬層之各者中的金屬為一碳素鋼。
如請求項15所述之裝置，其中各個中子吸收層包括選自以下構成之群組的至少一材料：一聚合物、一水泥材料、一金屬的材料及此等之一結合。