用于对燃料元件池中冷却液体进行冷却的冷却元件、所属的系统、燃料元件池以及核技术设施

摘要

本发明涉及一种用于对燃料元件池(115)中的冷却液体进行冷却的冷却元件(2)，其中在燃料元件池(115)中设置有燃料元件框架(92)以容纳燃料元件(98)，其中该冷却元件(2)包含有传热器(64)，该传热器构造用于连接到冷却回路(120)上，该冷却元件应该节省空间地集成在已有的燃料元件池(115)中。为此根据本发明而规定，该冷却元件(2)被确定尺寸并配置为使得其可以设置和/或固定在燃料元件框架(92)中燃料元件(98)的空闲位置(106)中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对燃料元件池中冷却液体进行冷却的冷却元件，在燃料元件池中设置有燃料元件框架以容纳燃料元件，其中该冷却元件包含有传热器(热交换器)，该传热器构造用于连接到冷却回路上。另外还涉及一种用于对燃料元件池中冷却液体进行冷却的系统、一种燃料元件池以及一种核技术设施。

背景技术

为了冷却燃料元件池，当前主要采用两种不同的技术解决方案。第一种解决方案是进行池水的直接冷却。在此，水借助泵而从池中抽出，在外部冷却单元中被冷却，并然后回馈到池中。如果在此在冷却回路中产生泄露，那么可能导致池液位的降低。

第二种常见的解决方案基于的是采用悬挂冷却器。在这种情况下，池水借助中间冷却回路而被冷却。与前述方法的不同之处是，在该系统中不存在池泄露的危险，因为一方面不需要池渗透，并另一方面池水保持于池中。但是,这种系统由于所必须的热传输面而在存储池中需要可观的安装空间。

在DE 102 17 969 A1中公开了具有无源单相冷却回路的核技术设施的燃料元件中间存储系统。湿存储池的内室通过悬挂在该湿存储池中的热交换器而被冷却。

DE 29 44 962 A1公开了一种核反应堆的燃料元件的存储池，其中热交换器浸在池水中，该热交换器与该池壁之间不用固定连接来悬挂。

US 2012/0051484 A1描述了一种用于燃料元件的存储池，其中热交换器设置在池边上，其具有两相冷却回路，其中冷却介质在该热交换器中进行相变换。

在“Post Fukushima，后福岛”措施的范畴内需要冗余和多样的池冷却的改造，其中其主要基于的是所阐述的第二种变化方案，其经常面临的问题是：在现有的池中必要的安装空间太小了，以至于不能安置相应数量的悬挂冷却器。那么通常所存在的唯一出路是造价昂贵的并且技术支持耗费的、针对燃料元件存储位置的重组。另外在地震技术上安全地设置悬挂冷却器也是有问题的，因为仅困难地通过焊接和钻孔来改变已有的池结构。

发明内容

本发明从而所基于的任务是，提供一种冷却元件，其能够节省空间地集成在已有的燃料元件冷却池中。另外，应该还提供了一种用于对燃料元件池中的冷却液体进行冷却的相应系统、燃料元件池以及一种核技术设施。

关于该冷却元件，上述的任务如此来解决，即该冷却元件如此来确定尺寸并且如此来配置，即其可以设置和/或固定在燃料元件框架中空闲的燃料元件部位/位置中。

本发明的有利的扩展参见从属权利要求的技术方案。

本发明所基于的考虑是：由于当今对核技术设施的安全性要求，急剧提高了对可靠的、可模块化应用的并且冗余或补充应用的冷却系统的需求。已公开的解决方案通常是构造耗费的，而且关于新设计的安全性并从而还有新许可的安全性而可能产生不安全性。

从而出于这个原因而期望一种技术解决方案，其实施不需要或仅需要微小地改变该冷却池或冷却系统的构造。

现在已知的是，通过将已有的、迄今已被用于设置其他部件的构造空间或空间用于安置冷却元件，那么就可以实现这种用于池水冷却的技术解决方案。进一步认识到，尤其适合于此的是在燃料元件框架中空闲的槽或竖向通道。为此必须相应地确定冷却元件的尺寸，也即针对其直径或横截面以及必要时还针对其长度而与预给定的尺寸相匹配。另外其还应该被配置为使得其能够被插入并再次取出，并能够稳定地布置。相应的冷却元件在某些情况下也可以比燃料元件更长，其占据了燃料元件的位置——其比如可以在上面从燃料元件框架的与其关联的槽或竖向通道中伸出来。在上端也可以设置一种导送池水的漏斗——一种入口。

相应的冷却元件有利地从而原则上具有燃料元件的典型尺寸。比如单纯在典型尺寸的粗略近似值的意义上，在此上下文应提及的是：压水反应堆的典型燃料元件包含有15x15个燃料棒，并具有约4500mm的长度和边长250mm的正方形横截面。压水反应堆的EPR型的燃料元件比如具有18x18个燃料棒以及相应更大的边长，沸水反应堆的燃料元件比如具有8x8个燃料棒以及相应更小的边长。但也可以存在比如具有六边形横截面或者其他形状的燃料元件。此外，如果也被称作燃料元件盒的燃料元件框架专门具有针对该应用而定制的特殊尺寸，那么该冷却元件也可以与典型的尺寸不同。

优选地，该冷却元件作为悬挂冷却元件来构造以悬挂在燃料元件框架中。优选地该冷却元件在安装之后那么就布置在燃料元件的空闲部位/位置之一中。或者该冷却元件布置在燃料元件盒旁边或燃料元件框架外壁的外面。燃料元件竖向通道那么就用于容纳支架，该支架固定该冷却元件。在这种变型方案中，该冷却元件的空间尺寸不受竖向通道大小的限制。

在一种可能的实施方式中，该热交换器具有冷却介质通道以导送在所属冷却回路中所引导的冷却介质，其中该冷却元件包含有至少一个冷却介质导入端子和至少一个冷却介质导出端子，以连接到或集成在该冷却回路中。这种冷却元件尤其适于单相冷却回路，其中该冷却介质在热交换器中吸收热量，但在此并不改变其物态。

但在一种优选的实施方式中，该冷却元件设计用于集成在两相冷却回路中，其中设置有至少一个冷凝通道，以把冷却介质输入到冷凝收集器中，并且其中该热交换器包含有至少一个蒸汽通道，以把蒸发的冷却介质引导到蒸汽收集器中，并且其中该冷却元件另外还包含有进给管和返回管，以连接到该冷却回路。在两相冷却回路或热传输回路中，循环的冷却介质在该蒸发器中将其物态从液态变成气态、并之后在位于燃料元件池外部的冷凝器中再次变回，所述两相冷却回路或热传输回路与单相冷却回路相比通常实现了高的热传输速率。

出于建设性的观点，相应的冷却元件/冷却器从而优选地具有用于在该冷却回路中循环的冷却介质的多个管状冷却介质通道，其中冷却介质通道在安装位置中优选地平行于燃料元件框架中所述竖向通道的纵向方向来定向。其中优选地把相对小的部分用于向下面的冷凝收集器(向下流动)进行冷凝输送，并把较大的部分用于冷凝的蒸发，或者用于把如此产生的蒸汽-液体混合物向上面的蒸汽收集器(向上流动)进行引导。冷却器除了管或者附加地也可以具有穿流的板。在管或板之间优选地从上向下通过相应的空腔或通道而流过池水，并且所述池水通过热输出到在冷却回路中在此优选沸腾的冷却介质而被冷却。蒸汽收集器或冷凝收集器一方面把按照流向平行连接的管相互连接，另一方面应该借助合适的空隙等等来保证池水能够流过其间。

冷却元件的哪种横截面比例被用于在冷却回路中引导冷却介质的管/板，以及哪种横截面比例被用于池水的向下流动，对此的设计在个别情况下按照给定的热力学边缘条件来进行。

必要时也可以把多个这种冷却元件进行功能综合——比如在相应连接管或连接管线的情况下通过共同的蒸汽收集器。

在不同的实施方式中，用于把冷却元件连接到冷却系统的管线可以刚性地或柔性地实施。在每种情况下其都应该实施为耐压的。

关于该系统，上述的任务通过燃料元件框架和至少一个其中可插入或插入的所述种类的冷却元件而得到解决。

关于燃料元件池，通过给燃料元件池填充冷却液体、尤其是水(池水)，并通过其中设置上述的系统，上述的任务被解决。燃料元件池优选地是燃料元件的存储池，尤其是湿存储池、冷却池、中间存储池或最终存储池。

关于该核技术设施，上述的任务通过这种燃料元件池而得到解决。该核技术设施优选地另外还包含有一种按照循环方式而构造的冷却系统，其具有至少一个循环冷却器以连接相应的冷却元件。该冷却系统可以根据需要而构造为有源的或无源的。

本发明的优点尤其在于，借助冷却元件实现了对燃料元件存储池的相对简单和鲁棒的冷却。由此能够实现对池冷却系统进行不复杂的更改或补充。通过模块化构造可以实现不同种类的解决方法，其中这些解决方法包含有不仅冗余地、而且多样的冷却选项。此外，能够实现在核满载情况下的暂时冷却。因为将来可能实施与当前不同的燃烧，所以这种冷却系统可以极为变化地被应用。也可以有效地对由于衰减过程而导致的热负载的降低进行响应。

附图说明

借助附图来更详细解释本发明的一个实施例。其中以非常示意的图示：

图1示出了根据一种优选实施方式的冷却元件的透视图，

图2示出了用于冷却燃料元件池中的冷却液体的系统的俯视图，其中该系统包含有燃料元件框架，燃料元件框架具有设置于其中的燃料元件和两个设置于其中的按照图1的冷却元件，

图3示出了利用图2的冷却系统所构造的燃料元件池的俯视图，以及

图4示出了具有燃料元件池和图3的所属的冷却系统的核电站的剖视图。

在所有附图中相同的部分设置有相同的参考符号。

具体实施方式

在图1中所示的冷却元件2包含有冷却元件体8，冷却元件体具有多个在该冷却元件2的纵向14上延伸的冷凝通道20和蒸汽通道56，其作为平行定向的管来构造。也可以使用一个单独的、优选具有对应大的横截面的管(也或者板)来代替多个管。通过至少一个在顶部区域26中连接到该冷却元件的进给管32，该冷却元件2与冷却回路的冷凝器(在此未示出)相连接或接入到该冷却回路中。

通过该进给管32，给该冷却元件2在由箭头34所示的供给方向上输入了冷凝物质、也即以液态形式的冷却介质，其中该冷凝物质在该冷凝通道20中沿着重力矢量38向下流向在该冷却元件2的底部区域44中所设置的冷凝收集器50，其中该重力矢量在有效重力加速度或重力的方向上指向地面。从那里，在该冷凝收集器50中虽然被预热但总还是液态存在的液体或冷却介质穿过在该冷却元件2中所设置的管状蒸汽通道56以与重力矢量38相反的方向上升到在该顶部区域26中所设置的蒸汽收集器62中。蒸汽通道56从而构成了用作冷却介质蒸发器的热交换器或传热器64。

通过在冷却介质上升和蒸发期间的蒸发过程，热能从池水中被提取，由此池水被冷却。从而实现了一种两相冷却系统，其中在该冷却回路中循环的冷却介质在流过冷却元件2期间它的物态从液态变成气态。

蒸汽从该蒸汽收集器62通过至少一个返回管68——优选地以上升管的构造——而以箭头70所示的返回方向被输入给被设置用于冷却介质再冷却的冷凝器(在图1中未示出)，并在那里被冷凝。通过该进给管32——优选地以下降管的构造——冷凝物质被重新输入给该冷却元件2，如此使得该循环闭合。在该冷却回路内部中的质量流可以通过或者有源的机械的解决方案(泵等)、或者无源的解决方案(按照自然对流或自由对流的原理)来实现。

通过所述的冷却，在池侧面产生了密度梯度，使得引起池水在重力矢量38方向上的流动。这种向下流动是所谓对流作用的一部分；另一部分在相邻的燃料元件98中通过相应的向上流动来实现。池水在该冷却元件2的顶部区域26中进入到在该蒸汽通道56之间所设置的、在纵向上延伸的中间空间130中，这通过箭头74来示出。池水然后在重力矢量38的方向上流过该冷却元件2，其中它将它的热量输出给在该蒸汽通道56中上升的冷却介质。其再次在该冷却元件2的底端44上离开，这通过箭头80来示出。

如果该冷却元件2向上略微从燃料元件框架92中突出，那么池水就不必穿过该蒸汽收集器62中的相应空隙，而是可以从侧面流来。

该冷却元件2在其空间尺寸或者参数方面被构造为适于被插入或安装到图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储框架或简称的燃料元件框架92中。该冷却元件2为此作为悬挂冷却器来构造。为了悬挂在燃料元件框架92中，其具有合适的形状，并必要时具有合适的凸起或支撑元件。但该冷却元件2也可以安装在燃料元件框架92的底部上。

在图2中示出了具有所插入的燃料元件98的燃料元件框架92的俯视图。燃料元件框架92在横截面中或在俯视图中观察而作为二维网格来构造。在燃料元件框架92中插入了多个燃料元件98。燃料元件框架92在此具有一个空闲位置106。

燃料元件框架92在当前的实施例25中具有用于燃料元件98的安装或插入位置或竖向通道104(槽)。在两个插入位置上插入了冷却元件2来代替燃料元件98。在极端情况下可以把全部的插入位置用冷却元件2来占据。

这些冷却元件2在此在其纵向14上具有长度l，该长度基本等于燃料元件98的长度。但该长度l也可以选择得稍微大一些，使得相应的冷却元件2向上从燃料元件框架92中伸出，并且池水也可以从侧面流入(见上文)。每个冷却元件2在此在该实施例中都具有在其整个长度上基本恒定的正方形横截面。相应冷却元件2的宽度b都基本等于设置用于容纳它的竖向通道104的内径。由于这种尺寸，相应的冷却元件2与燃料元件98相类似地插入到竖向通道104中。

在一种未详细示出的变化方案中，冷却元件2可以设置在燃料元件框架92的外部，但其中在燃料元件92上进行固定，也即优选借助支架，该支架配合到空闲的竖向通道104中并固定于其中。

燃料元件框架92和其中/其上所设置的冷却元件2构成了用于对燃料元件池中的冷却液体进行冷却的系统110。

图3示意示出了一种燃料元件池115，在此比如在外部存储设施(中间存储器)中，其具有其中所设置的燃料元件框架92，燃料元件框架至少在几个最初为燃料元件98而设置的位置上容纳有冷却元件2。冷却元件2分别单独地或成组聚束地连接到冷却回路120中。冷却回路120不仅可以有源地(通过相应的泵134)、而且可以无源地被驱动。为了对在冷却元件2中被加热的冷却介质进行再冷却，在围绕燃料元件池115的建筑之内或之外设置有相应的再冷却器136，并热耦合到合适的散热器上。在优选采用的一种两相冷却回路120中，冷却元件2用作在该回路中所引导的冷却介质的蒸发器，该再冷却器136用作冷凝器。

相应地，类似对于在图4中所示例示出的核电厂这也是适用的，其中该核电厂具有在反应堆厂房中的、位于具有反应堆压力容器138的反应堆坑旁边的燃料元件池115(冷却池)。

参考符号列表

2 冷却元件

8 冷却元件体

14纵向

20冷凝器通道

26顶部区域

32进给管

34箭头

38重力矢量

44底部区域

50冷凝收集器

56蒸汽通道

62蒸汽收集器

64传热器

68返回管

70箭头

74箭头

80箭头

92燃料元件框架

98燃料元件

104 竖向通道

106 空闲位置

110 系统

115 燃料元件池

120 冷却回路

130 中间空间

134 泵

136 再冷却器

138 反应器压力容器

l 长度

b 宽度