燃料處置區(qū)域無源過濾設計的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在核反應堆中具有廢燃料池的燃料處置區(qū)域的無源過濾系統(tǒng)。無源過濾系統(tǒng)減少在廢燃料池沸騰事件中產(chǎn)生的顆粒（如放射性顆粒）到大氣中的排放。無源過濾系統(tǒng)包括排放路徑、通風機構，該通風機構定位在燃料處置區(qū)域與排放路徑之間。通風機構構造成將蒸汽和空氣混合物從燃料處置區(qū)域釋放到排放路徑中。蒸汽和空氣混合物包括顆粒。無源過濾系統(tǒng)還包括布置在排放路徑中的空氣過濾單元，并且這個單元具有至少一個無源過濾器。由于在燃料處置區(qū)域中產(chǎn)生的壓差，蒸汽和空氣混合物被迫通過至少一個無源過濾器。
【專利說明】燃料處置區(qū)域無源過濾設計
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于核反應堆電站的無源過濾系統(tǒng)，并且更明確地說，涉及在核反應堆電站的燃料處置區(qū)域中的無源過濾系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]由核反應堆發(fā)電通過放射性材料的核裂變完成。由于核反應的易變性，核電站實際上要求以保證公眾的健康和安全的方式設計。
[0003]在用來發(fā)電的傳統(tǒng)核反應堆中，核燃料被耗盡，并且以定期間隔從核反應堆移除并用新鮮燃料替換。廢燃料產(chǎn)生衰變熱，并且在它已經(jīng)從核反應堆移除之后保持是放射性的。因而，設有接收廢燃料的安全存儲設施。在核反應堆中(如在壓水反應堆中)，將水池提供為用于廢燃料的存儲池。廢燃料池設計成包含一水位，從而將廢燃料存儲在水下。廢燃料池典型地由混凝土建造，并且至少40英尺深。除控制和監(jiān)視水位之外，也控制和監(jiān)視水的質量，以防止燃料當它在廢燃料池中時退化。進一步，廢燃料池中的水被連續(xù)地冷卻，以移除由廢燃料產(chǎn)生的熱量。
[0004]一般地，核電站包括廢燃料池冷卻系統(tǒng)，該廢燃料池冷卻系統(tǒng)設計成從廢燃料池中的水中移除由存儲的廢燃料產(chǎn)生的衰變熱。衰變熱的移除將廢燃料池水溫保持在可接受的規(guī)定極限內。廢燃料池冷卻系統(tǒng)典型地包括廢燃料池泵，該廢燃料池泵使來自廢燃料池內的高溫水通過熱交換器循環(huán)，并且然后使冷卻的水返回到廢燃料池。在一個實施例中，廢燃料池冷卻系統(tǒng)包括兩個系列的機械設備。每個系列包括一個廢燃料池泵、一個廢燃料池熱交換器、一個廢燃料池脫礦質器和一個廢燃料池過濾器。兩個系列的設備共享公共吸入和排出集管。另外，廢燃料池冷卻系統(tǒng)包括管路、閥和對于系統(tǒng)操作必要的儀器。在這個實施例中，一個系列連續(xù)地冷卻和凈化廢燃料池，而另一個系列適用于水轉移、外殼內燃料補給儲水罐凈化、或調整成對于設備操作系列的備用。
[0005]圖1示出了按照現(xiàn)有技術在其正常操作期間的廢燃料池冷卻(SFPC)系統(tǒng)10。SFPClO包括廢燃料池15。廢燃料池15包含水位16，該水位16由于廢燃料(未示出)的高溫而處于高溫下，該廢燃料從核反應堆(未示出)轉移到廢燃料池15中。SFPC系統(tǒng)10包括系列A和B。系列A和B用來冷卻廢燃料池15中的水。如以前描述的那樣，典型地是，操作系列A或系列B之一用以連續(xù)地冷卻和凈化廢燃料池15，而另一系列適于作為備用。系列A和B的每一個均包括SFPC泵25、熱交換器30以及SFPC脫礦質器和過濾器系統(tǒng)45。這些系列共享公共吸入集管20和公共排出集管50。在系列A和B的每一個中，水通過吸入集管20離開廢燃料池15，并且通過SFPC泵25泵送到SFPC熱交換器30。在SFPC熱交換器30中，流動管線40使水從分支冷卻水系統(tǒng)(CCWS)(未示出)通過SFPC熱交換器30，并且回到CCWS。來自進入SFPC熱交換器30的水(來自廢燃料池15)的熱量傳遞到由流動管線40提供的水，并且通過流動管線40返回到CCWS。冷卻的水離開SFPC熱交換器30，并且通過SFPC脫礦質器和過濾器系統(tǒng)45，該SFPC脫礦質器和過濾器系統(tǒng)45定位在SFPC熱交換器30的下游。凈化、冷卻的水離開脫礦質器和過濾器系統(tǒng)45，通過公共排出集管50輸送，并返回到廢燃料池15。
[0006]最近，核反應堆制造商已經(jīng)提供無源電站設置，即在沒有操作人員干預或場外動力的情況下將減輕核反應堆中的事故事件的電站。Westinghouse Electric Company LLC提供APlOOO無源電站設計。AP1000設計包括高級無源安全特征和徹底電站簡化，以加強電站的安全性、建造、操作以及維護。AP1000設計強調依賴于自然力的安全特征。在AP1000設計中的安全系統(tǒng)使用自然驅動力，如加壓氣體、重力流動、自然循環(huán)流動以及對流。安全系統(tǒng)不使用有源部件(如泵、風扇或柴油發(fā)電機)，并且設計成在沒有安全級支持系統(tǒng)(如交流電力、分支冷卻水、可用水以及HVAC)的情況下起作用。AP1000燃料處置區(qū)域設計成使得用于燃料保護的基本裝置由無源裝置提供，并且依賴于廢燃料池水存量的沸騰，以移除衰變熱。因而，在極端情況下，廢燃料池可沸騰。
[0007]假定有源廢燃料池冷卻系統(tǒng)完全失效，廢燃料冷卻可由廢燃料池中的水的熱容量提供。補充水由無源裝置提供給廢燃料池，以維持水池水位在廢燃料以上，而水池水的沸騰提供衰變熱的移除。廢燃料池水的沸騰將大量蒸汽釋放到燃料處置區(qū)域中。蒸汽與燃料處置區(qū)域中的空氣相混合，并且必須從這個區(qū)域釋放，以防止壓力的積累。蒸汽/空氣混合物從燃料處置區(qū)域釋放到大氣中。這可潛在導致放射性空中污染物釋放到大氣中。
[0008]分析已經(jīng)表明，從沸騰開始發(fā)生可以導致完全在可接受極限內的微小輻射劑量。然而，在核反應堆的燃料處置區(qū)域中提供廢燃料過濾系統(tǒng)和用來進一步減小放射性劑量的方法是有利的，這些放射性劑量從廢燃料池的沸騰開始起釋放到大氣中。希望的是，系統(tǒng)和方法是無源機構，該無源機構設計和實施起來簡單，并且在核反應堆中的廢燃料池沸騰事件的情況下有效地移除放射性顆粒。

【發(fā)明內容】

[0009]在一個方面，本發(fā)明提供一種用于在核反應堆中具有廢燃料池的燃料處置區(qū)域的無源過濾系統(tǒng)，用以減少在廢燃料池沸騰事件中產(chǎn)生的顆粒到大氣中的排放。無源過濾系統(tǒng)包括:排放路徑，該排放路徑具有第一端部和第二端部，該第一端部連接到燃料處置區(qū)域，該第二端部連接到大氣中；通風機構，該通風機構定位在燃料處置區(qū)域與排放路徑的第一端部之間，通風機構構造成將蒸汽和空氣混合物從燃料處置區(qū)域釋放到排放路徑，蒸汽和空氣混合物包括顆粒；空氣過濾單元，該空氣過濾單元布置在排放路徑中，空氣過濾單元包括至少一個無源過濾器，由于在燃料處置區(qū)域中產(chǎn)生的壓差，迫使蒸汽和空氣混合物通過所述至少一個無源過濾器，所述至少一個無源過濾器構造成捕獲來自蒸汽和空氣混合物的顆粒，以產(chǎn)生經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物；以及第二通風機構，該第二通風機構連接到空氣過濾單元，第二通風機構構造成將經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物釋放到大氣中。
[0010]在實施例中，無源過濾系統(tǒng)還可包括至少一根引流管，該至少一根引流管連接到空氣過濾單元，引流管構造成使從空氣過濾單元中的蒸汽和空氣混合物產(chǎn)生的冷凝物返回到燃料處置區(qū)域或其它適當?shù)呐欧盼恢谩Ｔ谶M一步的實施例中，無源過濾系統(tǒng)可包括兩根引流管。在更進一步的實施例中，無源過濾系統(tǒng)可包括布置在過濾器前面的一根引流管和布置在過濾器后面的另一根引流管。
[0011]在實施例中，無源過濾系統(tǒng)的第一通風機構可包括至少一個溫度致動的閘門。在另一個實施例中，第二通風機構可包括至少一個故障時打開或重力操縱的閘門。在進一步實施例中，第一通風機構和第二通風機構可每個包括兩個閘門。
[0012]在實施例中，與從第二通風機構釋放的經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物相比，從第一通風機構釋放的蒸汽和空氣混合物具有較高顆粒水平。
[0013]在可選擇實施例中，核反應堆是壓水或沸水反應堆。
[0014]在另一個實施例中，無源過濾器包括高效顆?？諝膺^濾器。
[0015]在又一個實施例中，顆粒包括放射性顆粒。
[0016]在另一個方面，本發(fā)明提供一種在將蒸汽和空氣混合物排放到大氣中之前從蒸汽和空氣混合物中過濾顆粒的方法，該蒸汽和空氣混合物由核反應堆的燃料處置區(qū)域中的廢燃料池沸騰事件產(chǎn)生。該方法包括:將蒸汽和空氣混合物從燃料處置區(qū)域通過通風機構排放；使蒸汽和空氣混合物通過無源過濾器；將在蒸汽和空氣混合物中包含的顆粒的至少一部分捕獲到無源過濾器中，以產(chǎn)生經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物；以及將經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物通過通風機構排放到大氣中。蒸汽和空氣混合物的排放和通過采用了無源方式，該無源方式包括在燃料處置區(qū)域中產(chǎn)生的壓差。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1示意性地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的廢燃料池冷卻系統(tǒng)。
[0018]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的無源廢燃料池過濾系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明涉及一種無源過濾系統(tǒng)和在核反應堆(如壓水反應堆)中的燃料處置區(qū)域中的至少一個無源過濾器的使用，用以減少由于廢燃料池沸騰事件而導致的諸如放射性顆粒之類的顆粒到大氣中的釋放。
[0020]在核反應堆中，廢燃料池布置在燃料處置區(qū)域中。廢燃料池包含水，并且存儲從核反應堆堆芯移除的廢燃料。廢燃料在從核反應堆堆芯取出并轉移到廢燃料池中之后，產(chǎn)生衰變熱并且保持放射性。因而，在核反應堆中提供廢燃料池冷卻系統(tǒng)，以移除衰變熱并將廢燃料池中的水的溫度保持在可接受的極限。可以使用有源和/或無源廢燃料池冷卻系統(tǒng)。如這里以前描述的那樣，圖1示出了在現(xiàn)有技術中已知的有源廢燃料池冷卻系統(tǒng)的例子。無源廢燃料池冷卻系統(tǒng)可以設計成使得在廢燃料池中的水沸騰，以移除由廢燃料產(chǎn)生的衰變熱。由于廢燃料池中的水沸騰，在燃料處置區(qū)域中產(chǎn)生大量蒸汽。蒸汽與燃料處置區(qū)域中的空氣相混合。蒸汽和空氣混合物可能包含顆粒和污染物，如放射性顆粒和放射性空中污染物。進一步，由于廢燃料池中的水沸騰，燃料處置區(qū)域中的溫度和壓力升高。蒸汽和空氣的混合物從燃料處置區(qū)域通過排放路徑排放，并且排放到大氣中，以防止在燃料處置區(qū)域中積累壓力。蒸汽和空氣混合物的釋放可導致空中放射性污染物釋放到大氣中。
[0021]本發(fā)明的無源過濾系統(tǒng)提供過濾蒸汽和空氣混合物的裝置。通風機構定位在燃料處置區(qū)域中。通風機構構造成將蒸汽和空氣混合物釋放到排放路徑中，該排放路徑連接到燃料處置區(qū)域。通風機構可包括至少一個溫度致動的閘門。隨著溫度升高，至少一個溫度致動的閘門打開，以將蒸汽和空氣從燃料處置區(qū)域排出到排放路徑中。在一個實施例中，有兩個溫度致動的閘門，從而一個適于作為備用。
[0022]至少一個無源過濾器可定位在排放路徑中，該排放路徑從燃料處置區(qū)域延伸到大氣中。因而，通過溫度致動的閘門(一個或多個)排出的蒸汽和空氣在排放到大氣中之前通過無源過濾器(一個或多個)。由于在燃料處置區(qū)域中的壓差，迫使蒸汽和空氣混合物通過無源過濾器(一個或多個)。無源過濾器(一個或多個)能夠從蒸汽和空氣混合物中移除顆粒和污染物，該蒸汽和空氣混合物由于廢燃料池沸騰事件而產(chǎn)生在燃料處置區(qū)域中。顆粒和污染物可包括放射性顆粒和空中放射性污染物。進一步，無源過濾器(一個或多個)在減小排放到大氣中的放射性顆粒和空中放射性污染物的水平方面是有效的。無源過濾器(一個或多個)在廢燃料池沸騰事件之前、期間及之后是適用的。分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，放射性顆粒的釋放水平在由United States Nuclear Regulatory Commission (美國核法規(guī)委員會)提供的可接受極限內。然而，本發(fā)明的無源過濾器(一個或多個)提供如下另外的保證:放射性顆粒和污染物的釋放完全在可接受極限內。
[0023]用在本發(fā)明中的無源過濾器(一個或多個)可包括能夠從蒸汽、空氣或其混合物移除顆粒和/或污染物的、現(xiàn)有技術中已知的各種各樣的過濾器，而不用有源裝置。在一個實施例中，過濾器是高效顆?？諝?HEPA)過濾器。一般地，HEPA過濾器包括隨機排列纖維的墊。纖維可包括各種材料，例如但不限于玻璃纖維。典型地，HEPA過濾器是可操作的，以通過使顆粒粘附到纖維上或使顆粒嵌到纖維中而捕獲顆粒。
[0024]在本發(fā)明中，無源過濾器(一個或多個)提供用于通到大氣中的空氣的過濾的無源裝置。由燃料處置區(qū)域中的壓差，迫使蒸汽和空氣混合物通過無源過濾器(一個或多個)。因而，不必使用驅動蒸汽和空氣混合物通過有源過濾器(一個或多個)的有源裝置，如風扇。
[0025]燃料處置區(qū)域與大氣之間的排放路徑可包括各種設計，以包括無源過濾器(一個或多個)和過濾路徑。在一個實施例中，至少一個無源過濾器包含在外殼中，該外殼定位在空氣過濾單元中，該空氣過濾單元布置在排放路徑中。空氣過濾單元包括通風機構，該通風機構將經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物釋放到大氣中。通風機構包括至少一個故障時打開或重力操縱的排放閘門。至少一個故障時打開或重力操縱的排放閘門定位在無源過濾器(一個或多個)的下游。排放閘門的數(shù)量可變化。典型的是，為了備份目的設有多于一個排放閘門。因而，在正常操作期間，故障時打開或重力操縱的排放閘門(一個或多個)能夠將無源過濾器(一個或多個)與大氣隔離。進一步，故障時打開或重力操縱的排放閘門(一個或多個)保護無源過濾器(一個或多個)免于當不在使用中時(例如，在核反應堆的正常電站操作期間)損壞。
[0026]在本發(fā)明中，與從排放閘門(一個或多個)釋放的經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物相t匕，從第一通風機構釋放的蒸汽和空氣混合物具有較高顆粒水平。
[0027]在實施例中，空氣過濾單元包括至少一根引水管或引流路徑，該至少一根引水管或引流路徑能夠使來自空氣過濾單元的冷凝蒸汽返回到燃料處置區(qū)域或其它適當?shù)呐欧盼恢弥?，以降低可能包含放射性的冷凝物的意外釋放的可能性。在一個實施例中，空氣過濾單元包括兩根引流管。一根引流管定位在布置在空氣過濾單元中的無源過濾器(一個或多個)前面，并且另一根引流管定位在無源過濾器(一個或多個)后面，例如之后或其后邊。
[0028]在緊急事件期間，例如，廢燃料冷卻系統(tǒng)不能用，并且廢燃料池水加熱和沸騰，以移除衰變熱，排放閘門(一個或多個)打開，從而無源過濾器(一個或多個)可從燃料處置區(qū)域接收蒸汽和/或空氣，并且在其從排放路徑排放到大氣中之前，從蒸汽和空氣中移除顆粒，如放射性顆粒。在核反應堆的正常操作期間，排放和/或溫度操縱的閘門(一個或多個)將無源過濾器(一個或多個)和排放/過濾路徑隔離于燃料處置區(qū)域。
[0029]圖2示出了按照本發(fā)明實施例的無源廢燃料池過濾系統(tǒng)100。廢燃料池過濾系統(tǒng)100包括廢燃料池15和水位16，如圖2所示。進一步，廢燃料池過濾系統(tǒng)100包括燃料處置區(qū)域101和排放路徑115。排放路徑115的第一端部連接到燃料處置區(qū)域101，并且排放路徑115的第二端部連接到大氣155中。在圖2中，廢燃料池15定位在燃料處置區(qū)域101中。燃料處置區(qū)域101包括閘門105、110，這些閘門105、110是溫度致動的，并且能夠打開，以將蒸汽/空氣從燃料處置區(qū)域101釋放到排放路徑115。閘門105、110定位在燃料處置區(qū)域101與排放路徑115的第一端部之間，例如在它們的接合部位處。空氣過濾單元125定位在排放路徑115中。空氣過濾單元125包括HEPA過濾器130。在實施例中，空氣過濾單元125可包括多于一個HEPA過濾器130。排放路徑115中的蒸汽/空氣進入空氣過濾單元125，并且通過HEPA過濾器130。HEPA過濾器能夠從蒸汽/空氣混合物中移除顆粒和污染物。經(jīng)過濾的蒸汽/空氣混合物然后離開HEPA過濾器130，通過閘門145、150，并排放到大氣155中，這些閘門145、150連接到空氣過濾單元125。閘門145、150是故障時打開的和機動的或氣動的；或者是重力操縱的。進一步，空氣過濾單元125包括引流管135、140。從蒸汽/空氣冷凝的任何冷凝物，例如水，可收集在引流管135、140中，并且返回到燃料處置區(qū)域101。弓丨流管135布置在HEPA過濾器130的上游，并且引流管140布置在HEPA過濾器130的下游，例如之后。
[0030]盡管就各個具體實施例而言，已經(jīng)描述了本發(fā)明，但本領域的技術人員將認識到，本發(fā)明可借助于修改而實施，這些修改在所附權利要求書的精神和范圍內。
【權利要求】
1.一種用于在核反應堆中具有廢燃料池(15)的燃料處置區(qū)域(101)的無源過濾系統(tǒng)，用以減少在廢燃料池沸騰事件中產(chǎn)生的顆粒到大氣(155)中的排放，該無源過濾系統(tǒng)包括: 排放路徑(115)，所述排放路徑具有第一端部和第二端部，該第一端部連接到燃料處置區(qū)域(101)，該第二端部連接到大氣(155)中； 第一通風機構，所述第一通風機構定位在燃料處置區(qū)域(101)與排放路徑(115)的第一端部之間，第一通風機構構造成將蒸汽和空氣混合物從燃料處置區(qū)域(101)釋放到排放路徑(115)，所述蒸汽和空氣混合物包括顆粒； 空氣過濾單元(125)，所述空氣過濾單元位于排放路徑(115)中，空氣過濾單元(125)包括至少一個無源過濾器，由于在燃料處置區(qū)域(101)中產(chǎn)生的壓差，蒸汽和空氣混合物被迫使通過至少一個無源過濾器，至少一個無源過濾器構造成捕獲來自蒸汽和空氣混合物的顆粒，以產(chǎn)生經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物；以及 第二通風機構，所述第二通風機構連接到空氣過濾單元(125)，第二通風機構構造成將經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物釋放到大氣(155)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的無源過濾系統(tǒng)，還包括至少一根引流管(135)，該至少一根引流管連接到空氣過濾單元(125)，引流管(135)構造成使在空氣過濾單元(125)中由蒸汽和空氣混合物產(chǎn)生的冷凝物返回到燃料處置區(qū)域(101)或其它適當?shù)呐欧盼恢谩?br> 3.根據(jù)權利要求2所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，所述至少一根引流管是兩根引流管(135、140)。
4.根據(jù)權利要求3所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，一根引流管(135)位于所述至少一個無源過濾器的上游，而另一根引流管(140)位于所述至少一個無源過濾器的下游。
5.根據(jù)權利要求1所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，第一通風機構包括至少一個溫度操縱的閘門(105)。
6.根據(jù)權利要求1所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，第二通風機構包括至少一個故障時打開的或重力操縱的閘門(145 )。
7.根據(jù)權利要求1所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，第一通風機構和第二通風機構每個均包括兩個閘門(105、110和145、150)。
8.根據(jù)權利要求1所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，與從第二通風機構釋放的經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物相比，從第一通風機構釋放的蒸汽和空氣混合物具有較高的顆粒水平。
9.根據(jù)權利要求1所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，核反應堆從包括如下各項的組中選擇:壓水核反應堆、沸水核反應堆以及其它類型的核反應堆。
10.根據(jù)權利要求1所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，無源過濾器包括高效顆?？諝膺^濾器(130)。
11.根據(jù)權利要求1所述的無源過濾系統(tǒng)，其中，顆粒包括放射性顆粒。
12.—種在將蒸汽和空氣混合物排放到大氣(155)中之前從蒸汽和空氣混合物中過濾顆粒的方法，該蒸汽和空氣混合物由核反應堆的燃料處置區(qū)域(101)中的廢燃料池沸騰事件產(chǎn)生，該方法包括: 將蒸汽和空氣混合物從燃料處置區(qū)域(101)通過第一通風機構排放； 使蒸汽和空氣混合物通過無源過濾器；將在蒸汽和空氣混合物中包含的顆粒的至少一部分捕獲到無源過濾器中，以產(chǎn)生經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物；以及 將經(jīng)過濾的蒸汽和空氣混合物通過第二通風機構排放到大氣(155)中， 其中，采用無源方式進行蒸汽和空氣混合物的排放和通過，該無源方式包括在燃料處置區(qū)域(101)中產(chǎn)生的壓`差。
【文檔編號】B01D45/10GK103596658SQ201280026840
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年5月24日 優(yōu)先權日:2011年6月2日
【發(fā)明者】G·L·塞德拉克, L·G·馬爾霍倫, M·A·赫瓦拉, J·D·斯特林 申請人:西屋電氣有限責任公司