本發(fā)明涉及一種用于對(duì)燃料元件池中冷卻液體進(jìn)行冷卻的冷卻元件，在燃料元件池中設(shè)置有燃料元件框架以容納燃料元件，其中該冷卻元件包含有傳熱器(熱交換器)，該傳熱器構(gòu)造用于連接到冷卻回路上。另外還涉及一種用于對(duì)燃料元件池中冷卻液體進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)、一種燃料元件池以及一種核技術(shù)設(shè)施。

背景技術(shù)：

為了冷卻燃料元件池，當(dāng)前主要采用兩種不同的技術(shù)解決方案。第一種解決方案是進(jìn)行池水的直接冷卻。在此，水借助泵而從池中抽出，在外部冷卻單元中被冷卻，并然后回饋到池中。如果在此在冷卻回路中產(chǎn)生泄露，那么可能導(dǎo)致池液位的降低。

第二種常見(jiàn)的解決方案基于的是采用懸掛冷卻器。在這種情況下，池水借助中間冷卻回路而被冷卻。與前述方法的不同之處是，在該系統(tǒng)中不存在池泄露的危險(xiǎn)，因?yàn)橐环矫娌恍枰貪B透，并另一方面池水保持于池中。但是,這種系統(tǒng)由于所必須的熱傳輸面而在存儲(chǔ)池中需要可觀的安裝空間。

在DE 102 17 969 A1中公開(kāi)了具有無(wú)源單相冷卻回路的核技術(shù)設(shè)施的燃料元件中間存儲(chǔ)系統(tǒng)。濕存儲(chǔ)池的內(nèi)室通過(guò)懸掛在該濕存儲(chǔ)池中的熱交換器而被冷卻。

DE 29 44 962 A1公開(kāi)了一種核反應(yīng)堆的燃料元件的存儲(chǔ)池，其中熱交換器浸在池水中，該熱交換器與該池壁之間不用固定連接來(lái)懸掛。

US 2012/0051484 A1描述了一種用于燃料元件的存儲(chǔ)池，其中熱交換器設(shè)置在池邊上，其具有兩相冷卻回路，其中冷卻介質(zhì)在該熱交換器中進(jìn)行相變換。

在“Post Fukushima，后福島”措施的范疇內(nèi)需要冗余和多樣的池冷卻的改造，其中其主要基于的是所闡述的第二種變化方案，其經(jīng)常面臨的問(wèn)題是：在現(xiàn)有的池中必要的安裝空間太小了，以至于不能安置相應(yīng)數(shù)量的懸掛冷卻器。那么通常所存在的唯一出路是造價(jià)昂貴的并且技術(shù)支持耗費(fèi)的、針對(duì)燃料元件存儲(chǔ)位置的重組。另外在地震技術(shù)上安全地設(shè)置懸掛冷卻器也是有問(wèn)題的，因?yàn)閮H困難地通過(guò)焊接和鉆孔來(lái)改變已有的池結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明從而所基于的任務(wù)是，提供一種冷卻元件，其能夠節(jié)省空間地集成在已有的燃料元件冷卻池中。另外，應(yīng)該還提供了一種用于對(duì)燃料元件池中的冷卻液體進(jìn)行冷卻的相應(yīng)系統(tǒng)、燃料元件池以及一種核技術(shù)設(shè)施。

關(guān)于該冷卻元件，上述的任務(wù)如此來(lái)解決，即該冷卻元件如此來(lái)確定尺寸并且如此來(lái)配置，即其可以設(shè)置和/或固定在燃料元件框架中空閑的燃料元件部位/位置中。

本發(fā)明的有利的擴(kuò)展參見(jiàn)從屬權(quán)利要求的技術(shù)方案。

本發(fā)明所基于的考慮是：由于當(dāng)今對(duì)核技術(shù)設(shè)施的安全性要求，急劇提高了對(duì)可靠的、可模塊化應(yīng)用的并且冗余或補(bǔ)充應(yīng)用的冷卻系統(tǒng)的需求。已公開(kāi)的解決方案通常是構(gòu)造耗費(fèi)的，而且關(guān)于新設(shè)計(jì)的安全性并從而還有新許可的安全性而可能產(chǎn)生不安全性。

從而出于這個(gè)原因而期望一種技術(shù)解決方案，其實(shí)施不需要或僅需要微小地改變?cè)摾鋮s池或冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造。

現(xiàn)在已知的是，通過(guò)將已有的、迄今已被用于設(shè)置其他部件的構(gòu)造空間或空間用于安置冷卻元件，那么就可以實(shí)現(xiàn)這種用于池水冷卻的技術(shù)解決方案。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，尤其適合于此的是在燃料元件框架中空閑的槽或豎向通道。為此必須相應(yīng)地確定冷卻元件的尺寸，也即針對(duì)其直徑或橫截面以及必要時(shí)還針對(duì)其長(zhǎng)度而與預(yù)給定的尺寸相匹配。另外其還應(yīng)該被配置為使得其能夠被插入并再次取出，并能夠穩(wěn)定地布置。相應(yīng)的冷卻元件在某些情況下也可以比燃料元件更長(zhǎng)，其占據(jù)了燃料元件的位置——其比如可以在上面從燃料元件框架的與其關(guān)聯(lián)的槽或豎向通道中伸出來(lái)。在上端也可以設(shè)置一種導(dǎo)送池水的漏斗——一種入口。

相應(yīng)的冷卻元件有利地從而原則上具有燃料元件的典型尺寸。比如單純?cè)诘湫统叽绲拇致越浦档囊饬x上，在此上下文應(yīng)提及的是：壓水反應(yīng)堆的典型燃料元件包含有15x15個(gè)燃料棒，并具有約4500mm的長(zhǎng)度和邊長(zhǎng)250mm的正方形橫截面。壓水反應(yīng)堆的EPR型的燃料元件比如具有18x18個(gè)燃料棒以及相應(yīng)更大的邊長(zhǎng)，沸水反應(yīng)堆的燃料元件比如具有8x8個(gè)燃料棒以及相應(yīng)更小的邊長(zhǎng)。但也可以存在比如具有六邊形橫截面或者其他形狀的燃料元件。此外，如果也被稱(chēng)作燃料元件盒的燃料元件框架專(zhuān)門(mén)具有針對(duì)該應(yīng)用而定制的特殊尺寸，那么該冷卻元件也可以與典型的尺寸不同。

優(yōu)選地，該冷卻元件作為懸掛冷卻元件來(lái)構(gòu)造以懸掛在燃料元件框架中。優(yōu)選地該冷卻元件在安裝之后那么就布置在燃料元件的空閑部位/位置之一中?；蛘咴摾鋮s元件布置在燃料元件盒旁邊或燃料元件框架外壁的外面。燃料元件豎向通道那么就用于容納支架，該支架固定該冷卻元件。在這種變型方案中，該冷卻元件的空間尺寸不受豎向通道大小的限制。

在一種可能的實(shí)施方式中，該熱交換器具有冷卻介質(zhì)通道以導(dǎo)送在所屬冷卻回路中所引導(dǎo)的冷卻介質(zhì)，其中該冷卻元件包含有至少一個(gè)冷卻介質(zhì)導(dǎo)入端子和至少一個(gè)冷卻介質(zhì)導(dǎo)出端子，以連接到或集成在該冷卻回路中。這種冷卻元件尤其適于單相冷卻回路，其中該冷卻介質(zhì)在熱交換器中吸收熱量，但在此并不改變其物態(tài)。

但在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，該冷卻元件設(shè)計(jì)用于集成在兩相冷卻回路中，其中設(shè)置有至少一個(gè)冷凝通道，以把冷卻介質(zhì)輸入到冷凝收集器中，并且其中該熱交換器包含有至少一個(gè)蒸汽通道，以把蒸發(fā)的冷卻介質(zhì)引導(dǎo)到蒸汽收集器中，并且其中該冷卻元件另外還包含有進(jìn)給管和返回管，以連接到該冷卻回路。在兩相冷卻回路或熱傳輸回路中，循環(huán)的冷卻介質(zhì)在該蒸發(fā)器中將其物態(tài)從液態(tài)變成氣態(tài)、并之后在位于燃料元件池外部的冷凝器中再次變回，所述兩相冷卻回路或熱傳輸回路與單相冷卻回路相比通常實(shí)現(xiàn)了高的熱傳輸速率。

出于建設(shè)性的觀點(diǎn)，相應(yīng)的冷卻元件/冷卻器從而優(yōu)選地具有用于在該冷卻回路中循環(huán)的冷卻介質(zhì)的多個(gè)管狀冷卻介質(zhì)通道，其中冷卻介質(zhì)通道在安裝位置中優(yōu)選地平行于燃料元件框架中所述豎向通道的縱向方向來(lái)定向。其中優(yōu)選地把相對(duì)小的部分用于向下面的冷凝收集器(向下流動(dòng))進(jìn)行冷凝輸送，并把較大的部分用于冷凝的蒸發(fā)，或者用于把如此產(chǎn)生的蒸汽-液體混合物向上面的蒸汽收集器(向上流動(dòng))進(jìn)行引導(dǎo)。冷卻器除了管或者附加地也可以具有穿流的板。在管或板之間優(yōu)選地從上向下通過(guò)相應(yīng)的空腔或通道而流過(guò)池水，并且所述池水通過(guò)熱輸出到在冷卻回路中在此優(yōu)選沸騰的冷卻介質(zhì)而被冷卻。蒸汽收集器或冷凝收集器一方面把按照流向平行連接的管相互連接，另一方面應(yīng)該借助合適的空隙等等來(lái)保證池水能夠流過(guò)其間。

冷卻元件的哪種橫截面比例被用于在冷卻回路中引導(dǎo)冷卻介質(zhì)的管/板，以及哪種橫截面比例被用于池水的向下流動(dòng)，對(duì)此的設(shè)計(jì)在個(gè)別情況下按照給定的熱力學(xué)邊緣條件來(lái)進(jìn)行。

必要時(shí)也可以把多個(gè)這種冷卻元件進(jìn)行功能綜合——比如在相應(yīng)連接管或連接管線(xiàn)的情況下通過(guò)共同的蒸汽收集器。

在不同的實(shí)施方式中，用于把冷卻元件連接到冷卻系統(tǒng)的管線(xiàn)可以剛性地或柔性地實(shí)施。在每種情況下其都應(yīng)該實(shí)施為耐壓的。

關(guān)于該系統(tǒng)，上述的任務(wù)通過(guò)燃料元件框架和至少一個(gè)其中可插入或插入的所述種類(lèi)的冷卻元件而得到解決。

關(guān)于燃料元件池，通過(guò)給燃料元件池填充冷卻液體、尤其是水(池水)，并通過(guò)其中設(shè)置上述的系統(tǒng)，上述的任務(wù)被解決。燃料元件池優(yōu)選地是燃料元件的存儲(chǔ)池，尤其是濕存儲(chǔ)池、冷卻池、中間存儲(chǔ)池或最終存儲(chǔ)池。

關(guān)于該核技術(shù)設(shè)施，上述的任務(wù)通過(guò)這種燃料元件池而得到解決。該核技術(shù)設(shè)施優(yōu)選地另外還包含有一種按照循環(huán)方式而構(gòu)造的冷卻系統(tǒng)，其具有至少一個(gè)循環(huán)冷卻器以連接相應(yīng)的冷卻元件。該冷卻系統(tǒng)可以根據(jù)需要而構(gòu)造為有源的或無(wú)源的。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)尤其在于，借助冷卻元件實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料元件存儲(chǔ)池的相對(duì)簡(jiǎn)單和魯棒的冷卻。由此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行不復(fù)雜的更改或補(bǔ)充。通過(guò)模塊化構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)的解決方法，其中這些解決方法包含有不僅冗余地、而且多樣的冷卻選項(xiàng)。此外，能夠?qū)崿F(xiàn)在核滿(mǎn)載情況下的暫時(shí)冷卻。因?yàn)閷?lái)可能實(shí)施與當(dāng)前不同的燃燒，所以這種冷卻系統(tǒng)可以極為變化地被應(yīng)用。也可以有效地對(duì)由于衰減過(guò)程而導(dǎo)致的熱負(fù)載的降低進(jìn)行響應(yīng)。

附圖說(shuō)明

借助附圖來(lái)更詳細(xì)解釋本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。其中以非常示意的圖示：

圖1示出了根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻元件的透視圖，

圖2示出了用于冷卻燃料元件池中的冷卻液體的系統(tǒng)的俯視圖，其中該系統(tǒng)包含有燃料元件框架，燃料元件框架具有設(shè)置于其中的燃料元件和兩個(gè)設(shè)置于其中的按照?qǐng)D1的冷卻元件，

圖3示出了利用圖2的冷卻系統(tǒng)所構(gòu)造的燃料元件池的俯視圖，以及

圖4示出了具有燃料元件池和圖3的所屬的冷卻系統(tǒng)的核電站的剖視圖。

在所有附圖中相同的部分設(shè)置有相同的參考符號(hào)。

具體實(shí)施方式

在圖1中所示的冷卻元件2包含有冷卻元件體8，冷卻元件體具有多個(gè)在該冷卻元件2的縱向14上延伸的冷凝通道20和蒸汽通道56，其作為平行定向的管來(lái)構(gòu)造。也可以使用一個(gè)單獨(dú)的、優(yōu)選具有對(duì)應(yīng)大的橫截面的管(也或者板)來(lái)代替多個(gè)管。通過(guò)至少一個(gè)在頂部區(qū)域26中連接到該冷卻元件的進(jìn)給管32，該冷卻元件2與冷卻回路的冷凝器(在此未示出)相連接或接入到該冷卻回路中。

通過(guò)該進(jìn)給管32，給該冷卻元件2在由箭頭34所示的供給方向上輸入了冷凝物質(zhì)、也即以液態(tài)形式的冷卻介質(zhì)，其中該冷凝物質(zhì)在該冷凝通道20中沿著重力矢量38向下流向在該冷卻元件2的底部區(qū)域44中所設(shè)置的冷凝收集器50，其中該重力矢量在有效重力加速度或重力的方向上指向地面。從那里，在該冷凝收集器50中雖然被預(yù)熱但總還是液態(tài)存在的液體或冷卻介質(zhì)穿過(guò)在該冷卻元件2中所設(shè)置的管狀蒸汽通道56以與重力矢量38相反的方向上升到在該頂部區(qū)域26中所設(shè)置的蒸汽收集器62中。蒸汽通道56從而構(gòu)成了用作冷卻介質(zhì)蒸發(fā)器的熱交換器或傳熱器64。

通過(guò)在冷卻介質(zhì)上升和蒸發(fā)期間的蒸發(fā)過(guò)程，熱能從池水中被提取，由此池水被冷卻。從而實(shí)現(xiàn)了一種兩相冷卻系統(tǒng)，其中在該冷卻回路中循環(huán)的冷卻介質(zhì)在流過(guò)冷卻元件2期間它的物態(tài)從液態(tài)變成氣態(tài)。

蒸汽從該蒸汽收集器62通過(guò)至少一個(gè)返回管68——優(yōu)選地以上升管的構(gòu)造——而以箭頭70所示的返回方向被輸入給被設(shè)置用于冷卻介質(zhì)再冷卻的冷凝器(在圖1中未示出)，并在那里被冷凝。通過(guò)該進(jìn)給管32——優(yōu)選地以下降管的構(gòu)造——冷凝物質(zhì)被重新輸入給該冷卻元件2，如此使得該循環(huán)閉合。在該冷卻回路內(nèi)部中的質(zhì)量流可以通過(guò)或者有源的機(jī)械的解決方案(泵等)、或者無(wú)源的解決方案(按照自然對(duì)流或自由對(duì)流的原理)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)所述的冷卻，在池側(cè)面產(chǎn)生了密度梯度，使得引起池水在重力矢量38方向上的流動(dòng)。這種向下流動(dòng)是所謂對(duì)流作用的一部分；另一部分在相鄰的燃料元件98中通過(guò)相應(yīng)的向上流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。池水在該冷卻元件2的頂部區(qū)域26中進(jìn)入到在該蒸汽通道56之間所設(shè)置的、在縱向上延伸的中間空間130中，這通過(guò)箭頭74來(lái)示出。池水然后在重力矢量38的方向上流過(guò)該冷卻元件2，其中它將它的熱量輸出給在該蒸汽通道56中上升的冷卻介質(zhì)。其再次在該冷卻元件2的底端44上離開(kāi)，這通過(guò)箭頭80來(lái)示出。

如果該冷卻元件2向上略微從燃料元件框架92中突出，那么池水就不必穿過(guò)該蒸汽收集器62中的相應(yīng)空隙，而是可以從側(cè)面流來(lái)。

該冷卻元件2在其空間尺寸或者參數(shù)方面被構(gòu)造為適于被插入或安裝到圖2中在重力矢量38方向上、也即基本由上面所示出的燃料元件存儲(chǔ)框架或簡(jiǎn)稱(chēng)的燃料元件框架92中。該冷卻元件2為此作為懸掛冷卻器來(lái)構(gòu)造。為了懸掛在燃料元件框架92中，其具有合適的形狀，并必要時(shí)具有合適的凸起或支撐元件。但該冷卻元件2也可以安裝在燃料元件框架92的底部上。

在圖2中示出了具有所插入的燃料元件98的燃料元件框架92的俯視圖。燃料元件框架92在橫截面中或在俯視圖中觀察而作為二維網(wǎng)格來(lái)構(gòu)造。在燃料元件框架92中插入了多個(gè)燃料元件98。燃料元件框架92在此具有一個(gè)空閑位置106。

燃料元件框架92在當(dāng)前的實(shí)施例25中具有用于燃料元件98的安裝或插入位置或豎向通道104(槽)。在兩個(gè)插入位置上插入了冷卻元件2來(lái)代替燃料元件98。在極端情況下可以把全部的插入位置用冷卻元件2來(lái)占據(jù)。

這些冷卻元件2在此在其縱向14上具有長(zhǎng)度l，該長(zhǎng)度基本等于燃料元件98的長(zhǎng)度。但該長(zhǎng)度l也可以選擇得稍微大一些，使得相應(yīng)的冷卻元件2向上從燃料元件框架92中伸出，并且池水也可以從側(cè)面流入(見(jiàn)上文)。每個(gè)冷卻元件2在此在該實(shí)施例中都具有在其整個(gè)長(zhǎng)度上基本恒定的正方形橫截面。相應(yīng)冷卻元件2的寬度b都基本等于設(shè)置用于容納它的豎向通道104的內(nèi)徑。由于這種尺寸，相應(yīng)的冷卻元件2與燃料元件98相類(lèi)似地插入到豎向通道104中。

在一種未詳細(xì)示出的變化方案中，冷卻元件2可以設(shè)置在燃料元件框架92的外部，但其中在燃料元件92上進(jìn)行固定，也即優(yōu)選借助支架，該支架配合到空閑的豎向通道104中并固定于其中。

燃料元件框架92和其中/其上所設(shè)置的冷卻元件2構(gòu)成了用于對(duì)燃料元件池中的冷卻液體進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)110。

圖3示意示出了一種燃料元件池115，在此比如在外部存儲(chǔ)設(shè)施(中間存儲(chǔ)器)中，其具有其中所設(shè)置的燃料元件框架92，燃料元件框架至少在幾個(gè)最初為燃料元件98而設(shè)置的位置上容納有冷卻元件2。冷卻元件2分別單獨(dú)地或成組聚束地連接到冷卻回路120中。冷卻回路120不僅可以有源地(通過(guò)相應(yīng)的泵134)、而且可以無(wú)源地被驅(qū)動(dòng)。為了對(duì)在冷卻元件2中被加熱的冷卻介質(zhì)進(jìn)行再冷卻，在圍繞燃料元件池115的建筑之內(nèi)或之外設(shè)置有相應(yīng)的再冷卻器136，并熱耦合到合適的散熱器上。在優(yōu)選采用的一種兩相冷卻回路120中，冷卻元件2用作在該回路中所引導(dǎo)的冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)器，該再冷卻器136用作冷凝器。

相應(yīng)地，類(lèi)似對(duì)于在圖4中所示例示出的核電廠這也是適用的，其中該核電廠具有在反應(yīng)堆廠房中的、位于具有反應(yīng)堆壓力容器138的反應(yīng)堆坑旁邊的燃料元件池115(冷卻池)。

參考符號(hào)列表

2 冷卻元件

8 冷卻元件體

14 縱向

20 冷凝器通道

26 頂部區(qū)域

32 進(jìn)給管

34 箭頭

38 重力矢量

44 底部區(qū)域

50 冷凝收集器

56 蒸汽通道

62 蒸汽收集器

64 傳熱器

68 返回管

70 箭頭

74 箭頭

80 箭頭

92 燃料元件框架

98 燃料元件

104 豎向通道

106 空閑位置

110 系統(tǒng)

115 燃料元件池

120 冷卻回路

130 中間空間

134 泵

136 再冷卻器

138 反應(yīng)器壓力容器

l 長(zhǎng)度

b 寬度