CN85109562A - 废燃料贮存容器用的封闭系统 - Google Patents

Abstract

叙述了一种含废核燃料的贮存容器用的封闭系统，它带有重复的机械密封，用来在研制、试验和改进容器期间暂时地封闭容器，此时偶然需要打开容器；这种封闭系统还带有重复的焊接密封，用来在容器完成研制后需要长期贮存和永久性密封时补充机械密封。

Description

本发明涉及长期贮存从核反应堆拆卸下来的废燃料，特别是涉及一种封闭系统，它能够在研制、试验和演示容器时可拆卸地应用于废燃料贮存容器，它也能够在研制、试验和演示工作完成后用于在长期贮存时永久性地密封容器。

对这样一种容器必须提出的要求是比较严格的。容器在长期贮存期间必须免受化学腐蚀。其次，容器在机械强度方面必须足够坚固，以避免在长期贮存期间和运输期间出现即使很微小的破裂，在此期间容器可能遭受剧烈的处理或诸如跌落之类意外事故。此外，容器必须能将废燃料产生的热量传送给周围环境，而仍能屏蔽周围环境，使其免受废燃料产生的辐射。燃料棒的温度必须保持低于一个最高温度。如375℃，以防止损坏锆合金外壳。容器内的篮筐装置必须能够在所有现实条件下在机械强度方面支承废燃料，而将废燃料产生的热量传送给容器壁。也必须采取预防措施以保证在水被排放以前容器内不可能维持链式反应。这些要求对容器是非常严格的，容器必须在完全可靠的状态下完成它的贮存功能。

鉴于这些要求，人们毫不奇怪，在一种容器准备商业生产之前，必须进行大量的研制、试验和改进工作。人们可能很希望从经验上证实有关辐射水准或温度的计算，或者说在实际中试验一种新的篮筐装置。同样，人们可能很希望在一段贮存时期后检验容器或燃料的内部状况，或者是检验不同贮存方式（如原封不动的燃料组件或加固的燃料）下容器的性能。简言之，在研制、试验和演示一种容器期间，人们显然很希望用一个可拆卸的封闭系统来密封容器，以便允许接近容器内部。不过，这种试验和改进的目的是研制一种能够用于长期贮存废燃料的永久性密封的容器。而且，人们很希望使用将用于实际的封闭系统来试验容器。

因此，本发明的主要目的是提供一种封闭系统，这种封闭系统在研制、试验和演示一种容器的期间能够可拆卸地应用，而后当容器用于长期贮存废的核燃料时，这种封闭系统可以永久性地应用，而不需要重新设计容器或封闭系统。

考虑到这一目的，本发明属于这样一种封闭系统，它用于暂时地密封一个具有带第一级和第二级台阶的桶口区的容器基本件，并用于能够永久性地密封该容器基本件，其特征在于，这种封闭系统有一个第一级盖子，一个第一级密封环，一个通常的箍状的切开的圆环，一个第二级盖子，和一个第三级密封环;第一级盖子有一个其结构形状可以置于上述第一级台阶上的第一边缘区和一个第二边缘区;第一级密封环置于上述第一边缘区和上述第一台阶之间，用来形成一个机械密封，以至少暂时地密封上述容器基本件;箍状切开圆环有第一和第二边缘，第一边缘密封地固定于上述第一级盖子的第二边缘区上，而第二边缘只有当上述容器基本件永久性地密封时才密封地固定于上述容器基本件上;第二级盖子有一个其结构形状可以置于上述第二级台阶上的边缘区;第二级密封环置于上述第二级盖子的边缘区和上述第二级台阶之间，用来形成一个附加的机械密封，以至少暂时地密封上述容器基本件。

第一级盖子足以将辐射减弱到允许工人短时间接近容器。剪切键被插入容器桶口区的槽内，以保证当容器在安装第二级盖子之前从水池中吊起时第一级盖子不会移开。当容器打算永久性地密封时，剪切键被顺序地移去，而后围绕第一级盖子的边缘进行焊接，形成一道顶盖型的焊接密封。不管容器是打算永久性地安装还是暂时地安装，第二级盖子都在第一级盖子的上边用螺栓栓住。当打算将容器永久性地密封时，在第二级盖子的边缘上进行焊接，形成一道顶盖型的焊接密封。

从上面仅作为例子表示于附图中的最佳实施方案的描述中，可以更清楚地理解本发明，附图中：

图1是一种典型的燃料组件的透视图;

图2是短期贮存废燃料组件的水池的俯视图;

图3是具有台阶式桶口区的容器基本件的截面图;

图4是桶口区一部分的截面图，带有安装好的本申请的封闭系统;

图5是顶盖件一部分的透视图，属于用来永久性地密封本发明封闭系统的第一级盖子和第二级盖子的类型;

图6A和6B是剪切键的透视图，剪切键插入容器基本件桶口区的槽中，以保证在第二级盖子安装之前第一级盖子不会移开;

图7是在安装上第一级盖子并用剪切键锁入位置后容器基本件的俯视图。

图1例示用来给反应堆供应核燃料的一种典型的燃料组件20。组件20包括一个底部管座22和顶部管座24，两者之间安装了细长的燃料棒26。每根燃料棒26包括一个由诸如商品供应的“锆-4合金”之类锆合金制成的柱状外壳，并填充有浓缩了U-235的裂变燃料芯块。在燃料棒26的组件内，在管座22和24之间安置了导管（图中未示出），以容纳可移动地安装的控制棒（未图示）和测量仪表（未图示）。这些导管的两端附着于管座22和24上，以形成对燃料棒26的骨架式支承，燃料棒并不永久性附着于管座22和24上。格架28有许多孔，燃料棒26和导管插在这些格架的孔中，聚成一束。压水型反应堆用的商品供应的燃料组件包括179至264根燃料棒，随具体设计而定。一种典型的燃料组件长约4.1米，宽约19.7厘米，重约585公斤，但可以理解，精确的尺寸随不同的燃料组件设计而变化。

在压水型反应堆中满了大约三年的使用寿命后，燃料组件20中的U-235浓缩物就消耗尽了。此外，燃料棒26中存在许多种半衰期不同的裂变产物。当组件20从反应堆移出时，这些裂变产物产生强烈的放射性和热量，因此组件20被移至含有溶解于水的硼盐的水池，以短期贮存。这样一种水池在图2中用参考号30表示。

水池典型的深度为12.2米。许多放置在水池30底部的废燃料框架32带有贮存槽34，以垂直地容纳燃料组件20。一个容器衬垫36置于水池30的底部。

在燃料组件20贮存于水池30中期间，燃料棒26中废燃料的成分是变化的。半衰期短的同位素衰变了，结果半衰期相当长的裂变产物的比例增大了。因此，由燃料组件20产生的放射性和热量的水准在一个时期内相当迅速地下降，最终达到一个热量和放射性都下降得非常慢的状态。但是，即使在这一降低的水准，燃料棒26也必须在一段不确定的长时期内与周围环境可靠地隔离。

干的贮存容器提供一种长期贮存废燃料的形式，在每个燃料组件20产生的热量降到预定的水准（例如贮存水池30中大约10年之后，每个组件为0.5至1.0千瓦）后，一个开口的容器下放到衬垫36上。容器一般包含篮筐装置，后者提供垂直取向的贮存槽间架，以接受废燃料。通过遥控，废燃料（或是取燃料组件20的形式，或是取加固筒的形式，为了增加贮存密度，加固筒中包含已从燃料组件中移出来的燃料棒26）被转移到容器的篮筐装置中，容器而后被密封、排水和充气。容器而后能够从水池30中移出，运输到一个地上贮存区，以长期贮存。

现在来参考图3，容器基本件38有一个桶形的空腔40，空腔从桶底42延伸到台阶式桶口区44。在使用期间，空腔40通常包含一个篮筐装置（未图示），该装置在机械强度方面将废燃料支承在贮存槽中，并将那里产生的热量传递给容器基本件38的壁46。篮筐装置的贮存槽的轴平行于基本件38的轴，贮存槽在桶口区44附近是敞开的，以接受燃料组件26和（或）装在加固筒中的燃料。

继续参考图3，容器基本件38包括一个碳素钢部件48，其厚度约为25厘米，用来防护环境不受伽马射线照射。部件48的内部加一层不锈钢包覆层50，加层的方法例如是，将部件48放置在转台上旋转，同时在部件内部用不锈钢焊条沿连续的螺线路径焊涂，使得部件48的内部完全覆盖一层不锈钢表面，以防护部件不受化学腐蚀。部件48受一层约7.0厘米厚的中子吸收材料52的包围，它可以是一种树脂。材料52的外围是一个不锈钢外层54，以保证容器免受环境损伤。碳素钢散热片56焊接在部件48上，通过材料52和外层54向外延伸。基本件38一般高约4.8米，包括散热片56在内的外径为约2.5米。它的重量在装载废燃料后超过一百吨。为了装卸方便，基本件38上可以安装吊环（未图示）。

下面转到图4，台阶式桶口区44包括一个第一级环形台阶区58、一个环形凸缘60和一个环形槽64;第一级环形台阶区58当基本件38置于容器衬垫36（图2）上时是水平放置的;环形凸缘60提供一个第二级环形台阶区62，后者当基本件38置于容器衬垫36上时也是水平放置的;环形槽64位于台阶区58和台阶区62之间。绕凸缘60设有螺孔66。不锈钢层50向上延伸到环形槽64，在此处的终端区68厚度增大。做到这一点的办法是，在部件48上形成一个凹口（未标号码），当进行上述不锈钢焊条的螺线形焊涂时，将该凹口充以过量的不锈钢。台阶区58和62机械加工成光滑平整的表面。

继续参考图4，封闭系统70配合台阶式桶口区44暂时地或永久性地密封基本件38，构成了一套完整的容器。封闭系统70包括一个通常为盘形的第一级不锈钢盖子72，厚度约10厘米。第一级盖子72的底面有一条环形槽74，而顶部形成一个环形凹口76。圆环78提供了第一级机械密封，它被罩在槽74中，通过盖子72的重量压紧第一级台阶区58。很显然，可以用另外的方法设置第一级机械密封，即是把圆环卡到刻在第一级台阶区58中的槽内，或是利用第一级台阶区58和盖子72上互相邻接的两条浅槽，或者根本不用槽。但是把圆环78永久性地安装在槽74内是很方便的，使得第一级盖子72可以作为一个单独的单元来搬运和安装。

下面参考图4和图5，第一级盖子72包括一个不锈钢的环形顶盖件80。顶盖件80可以用例如锯去不锈钢管环箍外缘部分的办法来制造。顶盖件80的底部边缘82焊接在第一级盖子72的区域84上，焊接绕盖子72的外缘进行，而顶盖件80的中间部分伸入凹口76，因此顶盖件80不需要与盖子72分离地搬运或安装。

在容器基本件38下放到容器衬垫36（图2）上并装入废燃料之后，在水下安装第一级盖子72。在装料操作之后，第一级盖子72通过遥控下放到桶口区44中，直到盖子的边缘靠在基本件38的台阶区58上。施加在圆环78上的重量造成机械密封，但在容器基本件38移动之前，通过遥控将剪切键88和90插入槽64中，以免在发生跌落或其它意外事故时第一级盖子72发生位移。在装好剪切键88和90后，通过排水管（未图示）除去容器基本件78中的水，并注入气体。气体最好是惰气，如氦，虽然也可以不用氦而使用其它气体甚至空气。在盖上第一级盖子72并用气体替代容器基本件38的水以后，从水池30（图2）中吊起基本件38。第一级盖子72足以将辐射减弱到使工人在有限时间内暴露于桶口区44是安全的。

下面参考图6A和6B，剪切键88包括插入部分92和隆起部分94，这两部分通过平行的两边96和98结合在一起。剪切键90包括插入部分100和隆起部分102，这两部分通过形成角度的两边104和106结合在一起。剪切键88和90可以这样制造，即是将不锈钢机械加工成像隆起部分94和102那样厚的圆盘，减薄圆盘边缘的厚度，形成插入部分92和100，而后切割去圆盘中心环区，形成一个有些类似于大垫圈的环形构造。然后将环形构造切割成段，成为单个的剪切键88和90。

图7举例说明在安装好第一级盖子72并用剪切键88和90紧固后的基本件38。应该注意到剪切键88和90交替地围绕盖子72的边缘插入。剪切键88和90的边为什么形状不同的理由是使得剪切键能够插入槽64中和从槽中移出;如果剪切键是径向切割上述环状件而制成的，因而所有的剪切键都一样大小，那末很显然，这些键不可能以360°的全圆环插入槽64中。然而，因为剪切键88的两条边96和98是平行的，所以它们能够容易地滑入槽64中的位置或由槽中移出，从而能够进入邻接的两个剪切键90之中。但是，边96不是必须平行于边98;如果边96和98向着一个离端面108比离隆起部分94更近的顶点倾斜的话，剪切键88仍然可以移动。相反，剪切键90的两条边104和106向着一个离隆起部分102比离端面110更近的顶点倾斜。

回到图4和图5，如果容器基本件38是暂时密封，那么顶盖件80的上部边缘112就不要焊接到区域68上去。那就是说，对于暂时的密封，边缘112不是如图4中所示那样焊接到基本件38上，而是代之以简单地放置在凹口76的上部，并不永久性地连接。但是，如果容器密封是永久性的，那么顺序地移去剪切键88和90，露出顶盖件80的上部，将因此而可以接触到的边缘112部分焊接在区域68上。在顶盖件上部的一段焊接之后，剪切键重新插入，随后从顶盖件下一段上移去剪切键，继续焊接。这一过程继续到边缘112连续地焊接在容器基本件38上。很显然，边缘112这种方式的焊接造成永久性的密封，因为顶盖件80的边缘82焊接在第一级盖子72上。而且，因为在顶盖件80的边缘82和112之间有一定程度的柔性，很显然，第一级盖子72能够适应温度的变化而相对于容器基本件38局部地膨胀。那就是说，顶盖件80容许盖子72相对于桶口区44作微小的移动，而不会过度地拉紧焊缝。

继续参考图4，封闭系统70也包括一个通常为盘形的碳素钢的第二级盖子114，厚度约15厘米。盖子114包括绕盖子边缘设置的孔眼115，环形槽116和118，和中心凸出部120。第二级盖子112通过螺栓122固定到基本件38上，不管顶盖件80的边缘112是否焊接成永久性密封。凸出部120与第一级盖子72之间由一狭窄的空隙124分隔开，从而容许局部的膨胀，而当发生跌落的意外事故使第一级盖子受到振动时，凸出部120仍然提供附加的机械支承。凸出部120也用来保证剪切键88和90不会移开。

放置在槽118中的圆环126形成第二级机械密封。在容器永久性密封的情形中，在插入螺栓122之前，在槽116中放置一个具有下部边缘130和上部边缘132的顶盖件128，而边缘130和132分别焊接在基本件38和第二级盖子114上。像顶盖件80的情形一样，顶盖件128上的焊接也延伸一整圈。顶盖件128不仅允许存在由温度变化引起的局部膨胀，而且还允许第二级盖子114的位置在安装螺栓122期间作轻微的调整，以使孔眼115与螺孔66相准直。

在暂时地或永久性地装上封闭系统后，将帽盖134固定到基本件38上，帽盖134的内芯136为中子吸收材料，外边包了一层不锈钢138。

从上述讨论可以明显地看到，本发明的封闭系统提供重复的盖子，如果容器打算重新打开，那么每个都具有短期使用的机械密封。因为机械密封还不具备长期的有效性，特别是如果容器充了氦气的话，所以每个机械密封有一个在长期贮存期间使用的焊接的后备密封。焊接密封利用允许盖子轻微移动的顶盖件。第一级盖子在水下安装和紧固，可以在吊起容器基本件后和安装第二级屏蔽之前进行焊接密封。在研制、试验和改进容器期间，封闭系统的机械密封就足够满足要求了，而焊接密封能够被安装来使容器适应长期贮存，不再需要重新设计封闭系统或容器基本件的桶口区。

Claims (6)

1、一种封闭系统，用于暂时地密封一个具有带第一级和第二级台阶(58，62)的桶口区(44)的容器基本件(38)，并用于能够永久性地密封该容器基本件，其特征在于，这种封闭系统有一个第一级盖子(72)，一个第一级密封环(78)，一个通常为箍状的切开的圆环(80)，一个第二级盖子(114)，和一个第二级密封环(126)；第一级盖子(72)有一个其结构形状可以置于第一级台阶上的第一边缘区和一个第二边缘区；第一级密封环(78)置于上述第一边缘区和上述第一级台阶之间，用来形成一个机械密封，以至少暂时地密封上述容器基本件；箍状切开圆环(80)有第一和第二边缘(82，112)，第一边缘密封地固定于上述第一级盖子的第二边缘区上，而第二边缘只有当上述容器基本件永久性地密封时才密封地固定于上述容器基本件上；第二级盖子(114)有一个其结构形状可以置于上述第二级台阶上的边缘区；第二级密封环(126)置于上述第二级盖子的边缘区和上述第二级台阶之间，用来形成一个附加的机械密封，以至少暂时地密封上述容器基本件。

2、一种按照权利要求1所述的封闭系统，其特征在于，上述第二级盖子（114）有一个凹口，它与上述容器基本件（38）一起形成一个环槽（116），用来在上述盖子（114）和上述容器基本件（38）之间形成一道永久性的焊接密封。

3、一种按照权利要求1或2所述的封闭系统，其特征在于，具有第一和第二边缘（130，132）的附加的通常为箍圈状的顶盖件（128）被安置在上述环槽（116）内，而该附加的通常为箍圈状的顶盖件的第一和第二边缘被分别密封地固定在上述容器基本件和第二级盖子上。

4、一种按照权利要求1、2或3所述的封闭系统，其特征在于，上述桶口区在上述第一级台阶和第二级台阶之间有一道环槽（64），槽中的上述紧固第一级盖子（72）的机构包括许多个第一和第二剪切键（88，90），它们的结构形状能插入上述环槽（64）中，该第一剪切键（88）的两边是平行的，而该第二剪切键（90）的两边是设置成有角度的。

5、一种按照权利要求1～4中任何一项所述的封闭系统，其特征在于，上述第二级盖子（114）有一个中心凸出部（120），它与上述第一级盖子隔开一个狭窄的空隙（124），凸出部用来防止上述剪切键从上述第一和第二台阶间的环槽中移开。

6、一种按照权利要求1～5中任何一项所述的封闭系统，其特征在于，在上述桶口区和上述第一级和第二级盖子（72，114）的上面罩了一个其中装有中子吸收材料的帽盖（134）。

Images