輪替式被動廢燃料池冷卻系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及核反應(yīng)堆發(fā)電站的廢燃料池的輪替式被動冷卻系統(tǒng)和方法，具體地涉及在由于缺失內(nèi)部和外部電力而導(dǎo)致的失去通常主動廢燃料池冷卻系統(tǒng)的情況下用于冷卻廢燃料池的機(jī)構(gòu)。
[0002]發(fā)明背景
[0003]核反應(yīng)堆發(fā)電站通過核反應(yīng)堆內(nèi)所包含的放射性材料的核裂變來進(jìn)行發(fā)電。由于核反應(yīng)的揮發(fā)性，核反應(yīng)堆發(fā)電站以一種確保維持公眾的健康安全的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0004]在常規(guī)核反應(yīng)堆中，用于發(fā)電的放射性材料是核燃料。核燃料在燃料循環(huán)的壽命內(nèi)被耗盡，即消耗。核燃料不被再利用，所以周期性地從核反應(yīng)堆中取出廢燃料。即使在取出后，廢燃料仍繼續(xù)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱，被稱為“衰變熱”，并仍有放射性。衰變熱會隨時間以次冪級比率自然地衰減，但仍然產(chǎn)生需要水冷若干年的足夠熱量。因此，需要安全的存儲設(shè)施來接收并存儲廢燃料。在核反應(yīng)堆發(fā)電站(比如小型模塊化反應(yīng)堆和其他壓水反應(yīng)堆)中，廢燃料池被提供作為廢燃料在其從反應(yīng)堆中被取出后的存儲設(shè)施。廢燃料池典型地以混凝土構(gòu)造，并包括充足的水位，從而維持核燃料浸沒水下。廢燃料池典型地有至少40英尺深。水的品質(zhì)也受到控制和監(jiān)視，以防止燃料在廢燃料池中劣化。另外，水不斷地被冷卻以取出池中的廢燃料所產(chǎn)生的熱量。
[0005]典型的核反應(yīng)堆發(fā)電站包括主動廢燃料池冷卻系統(tǒng)，其被設(shè)計(jì)成能從廢燃料池的水中取出所存儲的廢燃料產(chǎn)生的衰變熱?！爸鲃印崩鋮s系統(tǒng)包括需要交流電來操作泵或閥、從而實(shí)現(xiàn)所需的冷卻功能的系統(tǒng)。為了維持廢燃料池水溫在可接受的調(diào)控極限內(nèi)以及防止廢燃料池中的水的有害沸騰，衰變熱的取出是必要的。在部分壓水反應(yīng)堆中，比如包含西屋被動堆芯冷卻系統(tǒng)的AP1000方案中，廢燃料池冷卻系統(tǒng)是非安全相關(guān)系統(tǒng)。在其他壓水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，比如非AP1000方案中，廢燃料池冷卻系統(tǒng)是安全相關(guān)系統(tǒng)。
[0006]主動廢燃料池冷卻系統(tǒng)典型地包括廢燃料池泵，以循環(huán)來自廢燃料池的高溫水并通過換熱器冷卻所述水。冷卻后的水被返回廢燃料池。廢燃料池冷卻系統(tǒng)包括兩個機(jī)械設(shè)備列。每個列具有一個廢燃料池泵、一個廢燃料池?fù)Q熱器、一個廢燃料池脫礦質(zhì)器以及一個廢燃料池過濾器。所述兩個設(shè)備列能共享公共的吸水和排水集管。另外，廢燃料池冷卻系統(tǒng)包括系統(tǒng)運(yùn)行所必需的管系、閥和儀表。典型地，一個列持續(xù)地冷卻和凈化廢燃料池，而另一個列用于送水、凈化安全殼內(nèi)置換料儲水箱、或者調(diào)整作為運(yùn)行中的設(shè)備列的后備。
[0007]圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在正常運(yùn)行期間的主動廢燃料池冷卻系統(tǒng)(SFPC) 10。SFPC 10包括廢燃料池5。廢燃料池5包含從核反應(yīng)堆(未示出)送入廢燃料池5的廢燃料(未示出)所產(chǎn)生的衰變熱而導(dǎo)致的高溫水位16。SFPC系統(tǒng)10包括列A和B。列A和B都被用于冷卻廢燃料池5中的水。如之前所述，常見的是操作列A或列B之一以持續(xù)冷卻和凈化廢燃料池5，同時另一個列用作后備。列A和B每一個都包括SFPC泵25、SFPC脫礦質(zhì)器和過濾器系統(tǒng)45。列A和B共享公共的吸水集管20和公共排水集管50。在列A和列B的每一個中，水通過吸水集管20離開廢燃料池5，然后通過SFPC泵25被泵送到SFPC換熱器30。在SFPC換熱器30中，流動管道40使來自部件冷卻水系統(tǒng)(CCWS)(未示出)的水流過SFPC換熱器30然后回到CCWS。(從廢燃料池5)進(jìn)入SFPC換熱器30的水的熱量被傳遞給由流動管道40所提供的水，然后通過流動管道40返回CCWS。被冷卻的水離開SFPC換熱器30，并流過位于SFPC換熱器30下游的SFPC脫礦質(zhì)器和過濾器系統(tǒng)45。凈化冷卻后的水離開脫礦質(zhì)器和過濾器系統(tǒng)45，通過公共排水集管50被輸送，然后返回廢燃料池5。
[0008]除了圖1中所示的主動SFPC系統(tǒng)，現(xiàn)有技術(shù)中還采用被動設(shè)計(jì)，以在沒有操作人員干預(yù)或外部電力的情況下減輕核反應(yīng)堆中的意外事件。被動設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)依靠自然作用力(比如增壓氣體、重力流動、自然循環(huán)流動、以及對流)的安全結(jié)構(gòu)，并且不依靠主動部件(比如泵、風(fēng)扇、或柴油發(fā)電機(jī))。另外，被動系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成在沒有安全級支援系統(tǒng)(比如AC電源、部件冷卻水、廠用水、以及HVAC)的情況下起作用。被動廢燃料池冷卻系統(tǒng)能被設(shè)計(jì)成使得用于廢燃料保護(hù)的主要裝置由被動裝置提供，并依靠廢燃料池庫存水的沸騰來取出衰變熱。
[0009]例如，如果假設(shè)主動廢燃料池冷卻系統(tǒng)徹底失去或失效，則由廢燃料池中水的熱容量來提供廢燃料冷卻。廢燃料的衰變熱被傳遞給池中的水，并且在一段時間后，引起水沸騰。池水的沸騰產(chǎn)生將衰變熱能量傳遞到環(huán)境的非放射性蒸汽。在指定的時間段之后，需要將額外的水加入SFP以補(bǔ)充庫存的沸騰損失。通過輪替式裝置將補(bǔ)充水提供給廢燃料池，以維持池水水位高于廢燃料的頂部，池水的沸騰能繼續(xù)提供衰變熱的取出。廢燃料池水的沸騰釋放大量的蒸汽進(jìn)入燃料裝卸區(qū)。蒸汽與燃料裝卸區(qū)的空氣混合以形成蒸汽/空氣混合物，蒸汽/空氣混合物然后通過工程泄壓盤被被動地排出到環(huán)境，從而降低燃料裝卸區(qū)的溫度。
[0010]廢燃料池水的蒸發(fā)速率主要取決于池中燃料所產(chǎn)生的衰變熱。所產(chǎn)生的衰變熱的數(shù)量取決于燃料被卸入廢燃料池的時間長短。在失去冷卻后的頭72個小時內(nèi)，通常由安全相關(guān)的水源(比如廢燃料池庫存、存儲在運(yùn)輸桶沖洗池中的水、以及來自燃料更換渠的水)來供應(yīng)水。如果72小時后需要額外的補(bǔ)充水，來自被動安全殼冷卻系統(tǒng)輔助儲水箱的水能被提供給廢燃料池。
[0011]本發(fā)明提供一種輪替式被動廢燃料冷卻系統(tǒng)和方法，其被用于在沒有內(nèi)部和外部電力(其中主動廢燃料池冷卻系統(tǒng)不能冷卻廢燃料池)的情況下，取出廢燃料所產(chǎn)生的衰變熱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在一個方案中，本發(fā)明提供一種用于核電站中的廢燃料池的被動冷卻系統(tǒng)，以在沒有內(nèi)部和外部電力的情況下提供冷卻。所述被動冷卻系統(tǒng)包括:間隙，所述間隙沿廢燃料池的周邊至少局部地形成且具有第一側(cè)和第二側(cè)；熱阱；一個或多個導(dǎo)熱構(gòu)件，所述一個或多個導(dǎo)熱構(gòu)件具有被連接到所述間隙的第二側(cè)的第一端和被連接到所述熱阱的第二端，所述一個或多個導(dǎo)熱構(gòu)件被構(gòu)造成從所述間隙傳遞熱量到所述熱阱；水供應(yīng)系統(tǒng)，所述水供應(yīng)系統(tǒng)包括:水源；和排水集管，所述排水集管具有被連接到所述水源的第一端和被連接到所述間隙的第二端；以及熱開關(guān)機(jī)構(gòu)，所述熱開關(guān)機(jī)構(gòu)具有開啟位置和關(guān)停位置，所述熱開關(guān)機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成在處于所述開啟位置時從所述水系統(tǒng)往所述間隙中送水，并且被構(gòu)造成在所述關(guān)停位置時停止從所述水供應(yīng)系統(tǒng)往所述間隙中送水。當(dāng)所述熱開關(guān)機(jī)構(gòu)處于所述開啟位置時，廢燃料池中產(chǎn)生的熱量被間隙中的水傳導(dǎo)到所述間隙，通過所述一個或多個導(dǎo)熱構(gòu)件被傳遞到所述熱阱。。
[0013]在某些實(shí)施例中，所述被動冷卻系統(tǒng)能包括一個或多個導(dǎo)熱的冷卻翅片，所述一個或多個冷卻翅片被附接到所述一個或多個導(dǎo)熱構(gòu)件的第二端，從而增強(qiáng)從所述一個或多個導(dǎo)熱構(gòu)件到所述熱阱的衰變熱傳遞。
[0014]另外，所述被動冷卻系統(tǒng)能包括閥，所述閥位于所述排水集管內(nèi)，并被構(gòu)造成定位在允許水流入所述間隙的打開位置和防止水流入所述間隙的關(guān)閉位置。
[0015]另外，所述被動冷卻系統(tǒng)能被并入包含壓水反應(yīng)堆的核電站。
[0016]在某些實(shí)施例中，所述間隙的第一側(cè)由廢燃料池襯板形成。所述間隙的第二側(cè)由混凝土壁形成。所述間隙能是連續(xù)的或者所述間隙能被分隔成多個通道。
[0017]在某些實(shí)施例中，所述排水集管位于所述間隙的頂部處或頂部附近。當(dāng)所述間隙被分隔成多個通道時，每個通道具有位于其中的排水集管。
[0018]另外，所述熱開關(guān)機(jī)構(gòu)能響應(yīng)于外部電力缺失事件，在具有可運(yùn)行以供給A