專利名稱：基于露點溫度測量使高放廢物脫水的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及存儲高放廢物(high level waste) ( "HLW")的 領域，具體地涉及干燥HLW以便在"干燥狀態(tài)"下存儲和/或運輸?shù)念I 域。
背景技術：
存儲、操作和轉移諸如乏核燃料之類的HLW需要特別細心和程序 性防護措施。在核反應堆的操作中，稱為燃料組件的填充有濃縮鈾的中 空吉爾卡洛伊鋯錫管(zircaloy tubes )在核反應堆堆芯內(nèi)燃盡。通常在 這些燃料組件的能量耗至預定水平之后，從反應堆移出這些燃料組件。 在耗散以及隨后的移出時，這種乏核燃料("SNF")仍舊是高放射性的 并產(chǎn)生相當多的熱量，需要在隨后的封裝、運送和存儲過程中格外小心。 具體地，SNF放射出極其危險的中子和伽馬光子。非常重要的是，在從 反應堆堆芯移出之后，這些中子和伽馬光子必需一直以防泄漏方式封 藏。
在從核反應堆取出核燃料時，通常是從反應堆移出SNF并將SNF 置于水下，即通常稱為乏燃料存儲池或乏燃料存儲水池。池水有利于冷 卻SNF并提供足夠的輻射屏蔽。SNF在存儲池內(nèi)存儲足夠長的時間以 便使熱量和輻射衰減至足夠低的水平，從而使SNF能夠被安全地運輸。 但是，由于考慮到安全、空間和經(jīng)濟，所以當需要將SNF存儲相當長 時間時，單獨使用存儲池并不能獲得令人滿意的結果。因此，當需要長 期存儲SNF時，核工業(yè)領域的標準做法是，在乏核燃料存儲池內(nèi)短期 存儲之后便在干燥狀態(tài)下存儲SNF，即在封裝于提供足夠輻射屏蔽的結 構內(nèi)的干燥惰性氣體環(huán)境中存儲SNF。 一種用于在干燥狀態(tài)下長期存儲 SNF的典型結構是存儲屏蔽罐。
存儲屏蔽罐具有合適地限定尺寸以容納SNF的廢料罐的腔室，并且 設計為由鋼、鉛、混凝土以及適合環(huán)境的含氳材料制成的大的重型結構。 通常，存儲屏蔽罐的重量大約是150噸，并且其具有高于15英尺的高 度。與存儲屏蔽罐相關聯(lián)的常見問題是它們太沉重以至于大部分核電站的起重機無法將其提起。另一常見問題是存儲屏蔽罐通常太大以至于不
能放置于乏燃料存儲池內(nèi)。因此，為了在存儲池內(nèi)冷卻之后將SNF存 儲于存儲屏蔽罐內(nèi)，SNF必須從存儲池中移出、在集結區(qū)域準備、并運 送到存儲屏蔽罐。在這種轉移程序的所有階段中需要足夠的輻射屏蔽。
由于需要將SNF從乏燃料存儲池中移出并運送到存儲屏蔽罐內(nèi)，所 以將SNF從反應堆堆芯移出之前，通常將敞開的廢料罐浸入乏燃料存 儲池內(nèi)。然后，在浸沒在水下的同時將SNF直接置入敞開的廢料罐內(nèi)。 但是，即使密封之后，單獨依靠廢料罐并不能充分防止SNF的輻射向 外泄漏。已裝載的廢料罐在無附加輻射屏蔽的情況下不能從乏燃料存儲 池移出或運輸。因此，已經(jīng)開發(fā)出在運送SNF過程中提供附加輻射屏 蔽的裝置和方法。通常通過在浸沒于存儲池中的同時將廢料罐定位于稱 為轉移屏蔽罐的大的圓筒形容器內(nèi)來實現(xiàn)附加的輻射屏蔽。與存儲屏蔽 罐相似，轉移屏蔽罐具有尺寸合適限定以容納廢料罐的腔室并且設計成 保護環(huán)境不受其內(nèi)SNF放射出的輻射作用。
在利用轉移屏蔽罐運輸已裝載的廢料罐的設施中，首先將空廢料罐 置于敞開的轉移屏蔽罐的腔室內(nèi)。然后將該廢料罐和轉移屏蔽罐浸沒于 乏燃料存儲池內(nèi)。之前從反應堆排出并定位于潮濕存儲場所內(nèi)的SNF 移入浸沒的廢料罐(該廢料罐位于轉移屏蔽罐內(nèi)并填充有水)內(nèi)。然后， 給已裝載的廢料罐裝配上蓋，從而將SNF和來自于存儲池的7jC封裝于 廢料罐內(nèi)。然后，已裝載的廢料罐和轉移屏蔽罐通過起重機移出存儲池， 并放置到集結區(qū)域內(nèi)從而準備已裝載SNF的廢料罐以便在干燥條件下 存儲或運輸。為了適當?shù)販蕚湟蜒b載SNF的廢料罐以便干燥存儲或運 輸，美國Nuclear Regulatory Commission ( "NRC")要求在廢料罐密 封和轉移到存儲屏蔽罐之前，SNF和廢料罐的內(nèi)部必須足夠干燥。具體 地，NRC的規(guī)定要求在廢料罐用惰性氣體回填和密封之前，廢料罐內(nèi) 的蒸汽壓力("vP")必須是3托或更低(1托=1亳米汞柱)。蒸汽壓力 是平衡狀態(tài)時蒸汽相對于液體的壓力，其中平衡狀態(tài)定義為當分子從氣 相轉變成液相時，相等數(shù)量的分子從液相轉變成氣相的狀態(tài)。要求3托 或更低的低vP確保了廢料罐內(nèi)部空間足夠干燥從而適于SNF的長期存 儲或運輸。
當前，核設施通過執(zhí)行真空干燥工藝來滿足NRC的3托或更低的 vP要求。在執(zhí)行這種工藝時，首先將廢料罐內(nèi)的大量水排出廢料罐。一旦排出大部分液體水，真空系統(tǒng)便耦聯(lián)到廢料罐并被起動以便在廢料
罐內(nèi)產(chǎn)生負壓(sub-atmospheric pressure)狀況。廢料罐內(nèi)的負壓狀況 有利于蒸發(fā)余留液體，同時真空有助于除去水蒸汽。廢料罐內(nèi)的vP通 過真空-保持程序(vacuum-and-hold procedure )才艮據(jù)經(jīng)驗確定。如果 必要，重復真空-保持程序，直到在預定測試持續(xù)時間(30分鐘)內(nèi)壓 力升高被限制于3托內(nèi)。 一旦真空干燥通過驗收測試，則用惰性氣體回 填廢料罐并將該廢料罐密封。然后將轉移屏蔽罐(其內(nèi)具有廢料罐)運 送到存儲屏蔽罐上方的位置，并將已裝載SNF的廢料罐轉移到存儲屏 蔽罐內(nèi)以便長期存儲。
滿足NRC的3托或更低的vP要求的當前方法是耗費時間的、人工 密集的并易于因管線和閥泄漏而出差錯。每當必須親身接近廢料罐以便 進行真空監(jiān)測和干燥度測試時，總是存在使工作人員暴露于高輻射下的 風險。此外，在廢料罐內(nèi)產(chǎn)生負壓狀況需要昂貴的真空設備并能夠引起 復雜的設備問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種用于干燥裝載有HLW的廢料罐的方 法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另 一 目的是提供一種在無需實際接觸廢料罐所含物質(zhì)的 情況下就能干燥裝載有HLW的廢料罐從而確保廢料罐內(nèi)達到能夠接受 的干燥度的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一 目的是提供一種在無需使廢料罐內(nèi)部經(jīng)受負壓條件 的情況下就能干燥裝載有HLW的廢料罐的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一目的是提供一種在無需使用昂貴的真空設備的情況 下就能干燥裝載有HLW的廢料罐的方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的進一步的目的是提供一種準備用于干燥存儲的裝載有 SNF的廢料罐的方法和系統(tǒng)，其易于實施并且/或者節(jié)省時間。
本發(fā)明的再進一步的目的是提供一種以更節(jié)省成本的方式準備用 于干燥存儲的裝載有HLW的廢料罐的方法和系統(tǒng)。
這些目的以及其他目的由本發(fā)明來實現(xiàn)， 一方面，本發(fā)明是一種干燥裝載有"HLW"的腔室的方法，該方法包括a)使不活潑氣體流動 通過所述腔室；b )反復測量從所述腔室排出的不活潑氣體的露點溫度； c)當測量出從所述腔室排出的不活潑氣體的露點溫度在等于或低于預 定露點溫度的狀態(tài)下持續(xù)預定時間后，中斷所述不活潑氣體的流動并且 密封所述腔室。
通過確保從腔室排出的不活潑氣體在等于或低于預定露點溫度的 狀態(tài)下持續(xù)預定時間，從而得以確保所述腔室足夠干燥(即腔室內(nèi)的不 活潑氣體的vP低于預期水平，而無需實際測量其內(nèi)的vP)。
在某些實施方式中，選定預定露點溫度，從而在腔室內(nèi)獲得諸如3 托或更低的預期蒸汽壓力。
不活潑氣體通過腔室的流量決定特定干燥度(即預定露點溫度)的 預定時間。用于任意大小腔室容積的廢料罐的預定露點溫度和預定時間 能夠通過試驗或模擬來確定。
在某些實施方式中，該創(chuàng)造性方法可進一步包括以下步驟d)在 測得露點溫度之后，干燥從所述腔室排出的不活潑氣體；以及e)使經(jīng) 過干燥的不活潑氣體重新循環(huán)通過所述腔室。能夠通過使不活潑氣體接 觸干燥劑或冷卻不活潑氣體來執(zhí)行該干燥步驟。
在某些實施方式中，不活潑氣體將以預定流量循環(huán)通過所述腔室。 能夠選定該預定流量，從而使得在預定時間段內(nèi)腔室的容積被流過25 至50次。
在某些實施方式中，所述預定露點溫度能夠介于大約20至26下的 范圍內(nèi)，并且所述預定時間介于大約25至35分鐘的范圍內(nèi)。在一種實 施方式中，優(yōu)選的是，所述預定露點溫度是大約22.9下，并且所述預定 時間是大約30分鐘。
合適的不活潑氣體包括但不限于氮氣、二氧化碳、輕質(zhì)烴氣、或者 選自由氦氣、氬氣、氖氣、氡氣、氪氣、氙氣組成的集合的稀有氣體。
另一方面，本發(fā)明能夠是一種用于干燥裝載有"HLW"的腔室的系 統(tǒng)，包括形成所述腔室的廢料罐，所述腔室具有入口和出口；不活潑 氣體源；用于使所述不活潑氣體從不活潑氣體源流動通過腔室的裝置；以及用于反復測量從所述腔室排出的不活潑氣體的露點溫度的裝置。露 點溫度測量裝置能夠是任何類型的直接水汽感測裝置，例如濕度計，或 者其他裝置，例如氣相色鐠分析儀、質(zhì)譜儀等。
在某些實施方式中，該系統(tǒng)能夠進一步包括用于干燥不活潑氣體的 裝置。合適的干燥方法包括使用冷卻器、冷凍器和/或冷凝器，或者使 用干燥劑。在此種實施方式中，干燥裝置將位于露點溫度測量裝置的下 游。該系統(tǒng)的包括干燥裝置的實施方式還能夠包括用于使所述不活潑氣 體從干燥裝置重新循環(huán)回不活潑氣體源的裝置。這能夠通過釆用再循環(huán) 管線來實現(xiàn)。
在某些實施方式中，該系統(tǒng)能夠是自動化的，并將進一步包括控制 器，所述控制器以可操作方式耦聯(lián)到露點溫度測量裝置。在此種實施方 式中，露點溫度測量裝置優(yōu)選地適于產(chǎn)生指示所測得的不活潑氣體的露 點溫度的信號并將所述信號傳輸?shù)娇刂破?。所述控制器適于分析所述信 號，并且在判定出所述信號表明所測得的露點溫度在等于或低于預定露 點溫度的狀態(tài)下持續(xù)預定時間時，所述控制器進一步適于(i)使所述
不活潑氣體通過腔室的流動停止；并且/或者(2)起動用于指示所述腔 室已干燥完畢的裝置。
在一種實施方式中，該系統(tǒng)進一步包括乏核燃料屏蔽罐。在此種實 施方式中，廢料罐將定位于所述屏蔽罐內(nèi)并在所述屏蔽罐內(nèi)被干燥。
最后，優(yōu)選的是，該腔室具有頂部和底部，并且入口位于腔室的底 部或底部附近以便將不活潑氣體供應到腔室內(nèi)，用于使潮濕的不活潑氣 體從腔室排出的出口位于腔室的頂部或頂部附近。


圖l是能夠結合本發(fā)明使用的敞開廢料罐的實施方式的立體圖，所 述廢料罐以局部剖面圖示出并且處于空置狀態(tài)。
圖2是以局部剖面圖示出的轉移屏蔽罐的立體圖，圖l的廢料罐密 封并定位于轉移屏蔽罐內(nèi)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)系統(tǒng)的示意圖。
圖4是才艮據(jù)本發(fā)明并采用圖3的系統(tǒng)干燥裝載有SNF的廢料罐的方法的第一實施方式的流程圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實施方式繪出氦氣的露點溫度和蒸汽壓力之間對 應關系的圖表，該圖表能夠用于確定目標露點溫度。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施方式繪出在受到氦氣流作用時廢料罐內(nèi)的露 點溫度和時間之間對應關系的圖表。
具體實施例方式
圖1示出適于與本發(fā)明一起使用的廢料罐20。本發(fā)明不限于特定廢 料罐的幾何形狀、結構或尺寸，并且能夠應用于任何類型的用于運輸、 存儲或保存放射性物質(zhì)的封閉容器。盡管將從用于干燥乏核燃料 ("SNF")的廢料罐方面來描述本發(fā)明的示例性實施方式，但是本領域 技術人員能夠理解的是，本文所述的系統(tǒng)和方法能夠根據(jù)需要用于干燥 其它形式的以及位于各種不同的容置結構中的放射性廢物。
廢料罐20包括底板22和形成腔室21的圓筒形壁24。如本文所用 的，廢料罐20的離底板22最近的端部25將稱作廢料罐20的底部，而 廢料罐20的離底板22最遠的端部26將稱作廢料罐20的頂部。腔室21 具有定位于其內(nèi)的蜂窩狀柵格23。蜂窩狀柵格23包括多個適于容納乏 核燃料("SNF")棒的矩形箱體。本發(fā)明不限于具有蜂窩狀柵格的形式。
廢料罐20進一步包括定位于廢料罐20的底部或底部附近的具有開 口端部的排水管(未圖示)，該排水管提供從廢料罐20的外側至腔室21 內(nèi)部的可密封通道。如果需要，排水口能夠定位在底板22中或廢料罐 壁的底部附近。排水管能夠被打開或者通過常規(guī)插塞、排水閥或焊接程 序密封。
如圖l所示，廢料罐20是空的(即腔室21中沒有置于蜂窩狀柵格 23內(nèi)的SNF棒)，并且廢料罐20的頂部26是敞開的。在利用廢料罐 20運輸和存儲SNF棒時，將廢料罐20置于轉移屏蔽罐10內(nèi)(圖2 )， 同時廢料罐20敞開并且是空的。然后，將保持敞開廢料罐20的敞開的 轉移屏蔽罐10浸沒于乏燃料存儲池內(nèi)，從而導致腔室21的容積內(nèi)充滿 水。然后，將從核反應堆移出的SNF棒在水下從乏燃料存儲池移動并 置于廢料罐20的腔室21內(nèi)。優(yōu)選地，單捆SNF棒被置于蜂窩狀柵格 23的每個矩形箱體中。 一旦腔室21裝載滿SNF棒，廢料罐蓋27(圖2 )有多個可密封蓋孔28,打 開時可密封蓋孔28形成從廢料罐20的外側到腔室21內(nèi)的通道。然后， 通過起重機將轉移屏蔽罐10 (其內(nèi)容置有已裝載的廢料罐20)從乏燃 料存儲池提起并豎直地置于集結區(qū)域(如圖2所示)內(nèi)，從而使廢料罐 20能夠被適當?shù)販蕚湟员闱г锎鎯?。這種干燥存儲準備包括干燥廢料罐 20的內(nèi)部并將蓋27密封到廢料罐20。
現(xiàn)在專門參閱圖2，當位于集結區(qū)域內(nèi)時，廢料罐20(容置有SNF 棒和池水)位于轉移屏蔽罐10內(nèi)。廢料罐20和轉移屏蔽罐10都位于 豎直位置。 一旦位于集結區(qū)域內(nèi)，附接到廢料罐蓋27并且具有位于廢 料罐20的底部25處或其附近的底部開口的排水管(未圖示)便用來通 過吹送氣體(通常是氦氣或氮氣)排出存于腔室21內(nèi)的大量水。盡管 從腔室21排出大量水，但殘留的水汽保留在腔室21內(nèi)和SNF棒上。 然而，在廢料罐20能夠被永久性密封并運送到存儲屏蔽罐以便長期干 燥存儲或運輸之前，必須確保腔室21和容置在其中的SNF棒足夠干燥。 因為容器內(nèi)的低蒸汽壓力("vP")表示存在低水平的水汽，所以美國 Nuclear Regulatory Commission ( "NRC")要求容置有HLW的屏蔽罐 的腔室21內(nèi)滿足3托或更低的蒸汽壓力("vP")要求。
圖3是閉環(huán)干燥系統(tǒng)300的實施方式的示意圖，閉環(huán)干燥系統(tǒng)300 能夠在無需以侵入方式測量腔室21內(nèi)的干燥后的vP的情況下將腔室 21干燥到合格的NRC水平。 一旦保持廢料罐20的轉移屏蔽罐10定位 于集結區(qū)域內(nèi)并且從腔室21排出大量水時，干燥系統(tǒng)300便連接到廢 料罐20的入口 28和出口 29從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。更具體地，供氣管線 325以流體方式連接到廢料罐20的入口 28，同時排氣管線326以流體 方式連接到廢料罐20的出口 29。廢料罐的入口 28和出口 29僅僅是廢 料罐20上的孔。如果需要，合適的端口連接裝置、密封件、和/或閥能 夠結合到入口 28和出口 29內(nèi)。
干燥系統(tǒng)300包括不活潑氣體貯存器310;供給泵320;流量閥 321;露點溫度濕度計330;冷卻器340;再循環(huán)泵360以及控制系統(tǒng)350， 控制系統(tǒng)350包括適當編程的微處理器351、計算機存儲介質(zhì)352、計 時器353以及報警器370。盡管干燥系統(tǒng)300的所示實施方式借助控制 系統(tǒng)350自動操作，但是本發(fā)明的方法和系統(tǒng)都不限于此。如果需要， 在某些情況下，控制系統(tǒng)350所執(zhí)行的功能能夠人工地執(zhí)行和/或省略。200
氦氣貯存器320、廢料罐20以及冷卻器340以流體方式連接，從而 使得諸如氦氣之類的不活潑氣體能夠流動通過閉環(huán)干燥系統(tǒng)300，而不 會泄漏到外部環(huán)境。更具體地，供氣管線325將氦氣貯存器310以流體 方式連接到廢料罐20，排氣管線326將廢料罐20以流體方式連接到冷 卻器340，并且再循環(huán)管線345將冷卻器340以流體方式連接到氦氣貯 存器310，因此形成閉環(huán)氣體循環(huán)路徑。所有的氣體管線325、 326和 345都能夠由合適的管道或管材形成。管材和管道都能夠由撓性或非撓 性導管制成。所述導管能夠由諸如金屬、合金、塑料、橡膠之類的任何 合適材料形成。所有密封連接都能夠通過使用螺紋連接器、密封件、環(huán) 形夾和/或墊圏來形成。
氦氣貯存器310用于存儲氦氣。盡管氦氣是用于本發(fā)明中的優(yōu)選不 活潑氣體，但是任何不活潑氣體均可結合系統(tǒng)300及其操作一起使用。 例如，其它合適的不活潑氣體包括但不限于氮氣、二氧化碳、諸如甲烷 之類的輕質(zhì)烴氣、或者任何惰性氣體(inert gas),所述惰性氣體包括但 不限于稀有氣體(氦、氬、氖、氡、氪以及氙)。
供給泵320以可操作方式耦聯(lián)到供氣管線325。當起動時，供給泵 320從氦氣貯存器310抽吸氦氣，并經(jīng)由供氣管線325迫壓氦氣進入廢 料罐20的腔室21。氦氣繼續(xù)流動通過廢料罐20并經(jīng)由排氣管線326 進入冷卻器340。再循環(huán)泵360以可操作方式耦聯(lián)到再循環(huán)管線345。 當起動時，再循環(huán)泵360從冷卻器340抽吸已經(jīng)去過水分的氦氣并迫壓 干燥的氦氣回流到氦氣貯存器310內(nèi)以便進一步循環(huán)通過廢料罐20。盡 管圖示是將兩個泵320、 360結合到干燥系統(tǒng)300中，但本發(fā)明并不限 于此，并且能夠使用任何數(shù)量的泵?？紤]到諸如流量要求、系統(tǒng)內(nèi)的壓 降、系統(tǒng)的尺寸和/或系統(tǒng)中組件的數(shù)量，泵的確切數(shù)量將視具體設計 而定。氦氣流動通過系統(tǒng)300的方向由流體線路上的箭頭標示。
流量閥321以可操作方式耦聯(lián)到位于供給泵320下游的供氣管線。 閥321用于控制流入/過廢料罐20的腔室21以及整個干燥系統(tǒng)300中的 氦氣流量。閥321能夠是可調(diào)節(jié)流量的閥。在本發(fā)明的其它實施方式中， 通過干燥系統(tǒng)300的氦氣流量能夠可替代地通過在系統(tǒng)中結合質(zhì)量流量 控制器進行控制。和泵一樣，任何數(shù)量的閥能夠根據(jù)需要結合到整個系 統(tǒng)300中。此外，本發(fā)明不限于閥或泵沿閉環(huán)流動回路的任何特定位置 設置。露點溫度濕度計330以可操作方式耦聯(lián)到排氣管線326,從而使得 能夠?qū)膹U料罐20的腔室排出的氦氣的露點溫度進行測量。用于露點 溫度測量的合適裝置包括諸如濕度計之類的水汽直接感測裝置以及諸 如氣相色譜分析儀、質(zhì)譜分析儀之類的其它裝置。在某些實施方式中， 濕度計330優(yōu)選地包括數(shù)字信號。露點溫度濕度計330反復測量從腔室 21排出的氦氣的露點溫度。關于反復測量的取樣率沒有要求。例如，露 點溫度濕度計330能夠每秒多次或每幾分鐘僅一次地測量氦氣的露點溫 度。在某些實施方式中，反復測量之間的時間間隔非常小，以至于實際 測量看似基本上是連續(xù)的?？紤]到諸如系統(tǒng)的功能要求以及氦氣的流量 之類的因素，時間間隔將視具體設計而定。
冷卻器340的入口 342耦聯(lián)到排氣管線326,同時出口 343以流體 方式耦聯(lián)到再循環(huán)管線345。設置冷卻器340用于使從廢料罐20的腔室 21排出的濕氦氣充分地脫水，從而使得所述氦氣能夠重新循環(huán)回氦氣貯 存器320內(nèi)以便進一步用于干燥腔室21。通過對從廢料罐20的腔室21 排出的濕氦氣進行充分地冷卻，氦氣中的水蒸汽將在冷卻器340內(nèi)從所 述氦氣冷凝出來，并且經(jīng)由排放裝置341以液體形式排出。濕氦氣將被 冷卻到何種溫度取決于所需的干燥度。所需的干燥度越大，溫度越低。 在本發(fā)明的一種實施方式中，可能需要將濕氦氣冷卻到25下或更低。一 旦在冷卻器340內(nèi)脫水，干燥氦氣將重新循環(huán)回貯存器310內(nèi)以便進一 步使用。
盡管在干燥系統(tǒng)300的所示實施方式中利用冷卻器340對濕氦氣進 行脫水，但是如果需要的話，也能夠釆用其它脫水裝置及方法來代替冷 卻器340或者同時采用冷卻器340和其它脫水裝置及方法。例如，可使 用冷凝器或冷凍器。在另一實施方式中，濕氦氣可暴露于諸如硅膠之類 的合適的干燥劑，所述干燥劑將吸收濕氦氣流中的水蒸汽。根據(jù)需要， 所述干燥劑能夠通過加熱、UV照射或其它傳統(tǒng)千燥方法進行干燥，然 后再重新使用。
在本發(fā)明的不重新循環(huán)氦氣的實施方式中，將不需要對濕氦氣進行 脫水。同樣，冷卻器340或其它干燥模塊便可以省略。
干燥系統(tǒng)300進一步包括自動化系統(tǒng)350。自動化系統(tǒng)350包括CPU 351、計算機存儲介質(zhì)352、計時器353以及才艮警器370。 CPU 351是基 于合適微處理器的可編程邏輯控制器、個人計算機等。計算機存儲介質(zhì)352能夠是硬盤驅(qū)動器，硬盤驅(qū)動器包括足量存儲空間以便存儲所有必 需的計算機編碼、算法、以及為操作和運行干燥系統(tǒng)300所必需的數(shù)據(jù)， 例如預定時間、預定露點溫度、預期冷卻溫度、流量等。計時器353是 標準的數(shù)字化或內(nèi)部計算機計時機構。報警器370能夠是警笛、信號燈、 LED、顯示器模塊、揚聲器或其它能夠產(chǎn)生音頻和/或視頻激勵的裝置。 盡管對報警器370進行了圖示和描述，但是通知操作者干燥系統(tǒng)300已 完成干燥過程的任何儀器、設備或裝置均能夠使用。例如，計算機顯示 屏能夠通過文本或圖像簡單地指示廢料罐已干燥完畢。
CPU 351包括各種輸入/輸出端口 ，這些輸入/輸出端口用于提供到 干燥系統(tǒng)300的需要被控制和/或與其通訊的各種組件320、 321、 330、 340、 360、 370、 352、 353的連接。CPU 351以可操作方式借助電線、 光纖線、同軸電纜或其它數(shù)據(jù)傳輸線耦聯(lián)到這些組件。這些連接在圖3 中以虛線標示。CPU 351能夠與干燥系統(tǒng)300的各種組件中任何一個或 全部進行通訊，CPU 351以可操作方式與所述組件連接以便控制干燥系 統(tǒng)300，例如(1)起動或停用泵320、 360; (2)打開、關閉和/或調(diào)節(jié) 流量閥321; (3)起動或停用冷卻器340;以及(3 )起動或停用報警器 370。
CPU 351 (和/或存儲器352)也以合適的算法被編程以便接收來自 露點濕度計330的數(shù)據(jù)信號、分析所接收的數(shù)據(jù)信號、將所接收的數(shù)據(jù) 信號代表的值與所存儲的值和范圍進行比較、以及記錄所接收的數(shù)據(jù)信
所用CPU的類型取決于CPU結合于其中的系統(tǒng)的確切需要。
參見圖4，圖中示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的干燥裝載有SNF的腔室 的方法的實施方式的流程圖。為了易于描述和理解，將聯(lián)系圖3的干燥 系統(tǒng)300描述該方法。但是，該方法不限于任何特定結構或系統(tǒng)，并且 能夠由其它系統(tǒng)和/或裝置實施。
在步驟400中，容置有已裝載SNF的廢料罐20的屏蔽罐10在從冷 卻池/水池移出之后定位于集結區(qū)域內(nèi)。如上所述，此時廢料罐20的腔 室21中填充有池水。大量7jC借助適當定位的排水裝置從廢料罐20的腔 室21排出，因此完成步驟400。
盡管從廢料罐20的腔室21排出大量水，但是腔室21的內(nèi)部和SNF仍舊充滿水汽并需要進一步脫水以便長期存儲。為了進一步干燥腔室21 和SNF,采用千燥系統(tǒng)300。在干燥操作過程中，廢料罐20保留于屏 蔽罐10中。在步驟410中，供氣管線325以流體方式耦聯(lián)到廢料罐20 的入口 28，同時排氣管線326以流體方式耦聯(lián)到廢料罐20的出口 29。 因而，形成閉環(huán)流體回路，其中廢料罐20的腔室21形成該流體回路的 一部分。
一旦干燥系統(tǒng)300適當?shù)芈?lián)接到廢料罐20，判定塊420的答案便是 "是"并且操作者起動干燥系統(tǒng)300。干燥系統(tǒng)300能夠通過扳動設備 上的開關而人工起動或者由CPU 351以自動方式起動。當以自動方式 起動時，操作者將通過向以可操作方式耦聯(lián)到CPU 351的諸如鍵盤、 計算機、開關、按鈕之類的用戶輸入裝置(未圖示)輸入系統(tǒng)起動指令 而起動干燥系統(tǒng)300。當收到來自用戶輸入裝置的相關的系統(tǒng)起動信號 時，CPU 351便將合適的起動信號發(fā)送給泵320和360、冷卻器340、 濕度計330以及流量閥321。
起動供給泵320和再循環(huán)泵360導致氦氣從氦氣貯存器310抽出并 流動通過閉環(huán)流體回路(該流體回路包括供氣管線325、廢料罐20、排 氣管線326、冷卻器340以及再循環(huán)管線345)。通過千燥系統(tǒng)300的氦 氣流量由流量閥321控制，流量閥321優(yōu)選地是可調(diào)閥。在本發(fā)明的一 種實施方式中，CPU 351打開流量閥，從而使氦氣以大約400磅/小時 (4001b/hr)的流量流動通過廢料罐20。但是，本發(fā)明不限于此，也能 夠采用其它流量?？紤]到諸如廢料罐腔室的開啟容積、廢料罐腔室內(nèi)的 目標干燥度、廢料罐腔室內(nèi)的最初水汽含量、保留在貯存器內(nèi)的氦氣的 水汽含量、預期的廢料罐每小時被流過的次數(shù)等，用于任何特定干燥操 作中的確切流量視具體設計而定。
冷卻器340也由CPU 351起動，從而使從廢料罐20排出的濕氦氣 能夠在重新循環(huán)回氦氣貯存器310之前被脫水。在一種實施方式中，CPU 351起動冷卻器340，從而使氦氣被冷卻到25下或更低的溫度。但是， 冷卻器340能夠用于將氦氣冷卻到使氦氣適當脫水的任何預期溫度。如 上所述，在本發(fā)明的某些實施方式中，諸如采用干燥劑的其它脫水裝置 能夠代替冷卻器340用來干燥濕氦氣。
當被起動時，供給泵320從氦氣貯存器310抽吸干燥的氦氣并使干 燥的氦氣經(jīng)由入口 28流入廢料罐20的潮濕的腔室21內(nèi)。當進入腔室21時，干燥的氦氣從SNF和腔室21的內(nèi)表面吸收呈水蒸汽形式的水。 然后，充滿水汽的氦氣經(jīng)由出口 29排出腔室21。當濕氦氣從腔室21 排出時，濕度計330反復測量其露點溫度。當濕度計330測得濕氦氣的 露點溫度時，它生成指示所測得露點溫度值的數(shù)據(jù)信號，并經(jīng)由電連接 裝置將這些數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)紺PU351,因此完成步驟440。
當收到指示所測得露點溫度值的數(shù)據(jù)信號時，CPU 351將該測得值 與存儲在存儲介質(zhì)352內(nèi)的預定露點溫度值進行比較。因此，完成步驟 450。選定預定露點溫度，以便表明腔室21的內(nèi)部和SNF足夠干燥因 而適于長期存儲。在一種實施方式中，所選定的預定露點溫度對應于腔 室21內(nèi)指示合格干燥度的蒸汽壓力，例如3托或更低。在此種實施方 式中，能夠通過經(jīng)驗或模擬對應關系選定預定露點溫度。
現(xiàn)在參見圖5，下面將描述怎樣選擇預定露點溫度的示例性實施方 式。從圖5所示曲線中能夠看出，諸如氦氣之類的氣體的水蒸汽壓力與 露點溫度相關。因此， 一旦已知目標蒸汽壓力，則能夠通過該曲線確定 預定露點溫度。例如，如果目標蒸汽壓力是3托，這就對應大約22.9T 的露點溫度。該位置由曲線上的點A標示。目標蒸汽壓力能夠由政府或 其它管理組織規(guī)定并且能夠做大的改變。在某些實施方式中，優(yōu)選的是， 預定露點溫度介于大約20-26下范圍內(nèi)，最優(yōu)選為大約22.9下。但是， 本發(fā)明不限于任何特定露點值。考慮到諸如政府規(guī)定、安全因素要求、 所存儲的HLW類型、存儲期間等因素，對應于腔室21內(nèi)的足夠干燥 的狀態(tài)的濕氦氣的確切露點溫度將視具體情況而定。
返回參見圖4，在CPU351將所測得露點溫度與預定露點溫度比較 之后，CPU351判定所測得露點溫度是否低于或等于預定露點溫度，因 此執(zhí)行判定塊460。對于CPU 351所接收的每個信號均執(zhí)行這種比較。
如果判定從廢料罐排出的濕氦氣的露點溫度高于預定露點溫度，則 判定塊460處的答案是"否"，并且CPU351將繼續(xù)運行至判定塊4卯。 在判定塊490處，CPU 351判定計時器353是否已被起動(該操作在步 驟470中執(zhí)行)。如果計時器353被起動，則判定塊4卯處的答案是"是"， 并且CPU 351停用計時器353并回到步驟440。如果計時器353未被起 動，則判定塊490處的答案是"否"，并且CPU351直接回到步驟440。 另 一途徑是，如果判定從廢料罐排出的濕氦氣的露點溫度高于預定露點 溫度，則干燥系統(tǒng)300繼續(xù)使干燥的氦氣循環(huán)進入并通過廢料罐20的腔室21。
但是，如果判定從廢料罐排出的濕氦氣的露點溫度等于或低于預定 露點溫度，則判定塊460處的答案是"是"，并且CPU 351將繼續(xù)步驟 470。在步驟470中，CPU 351起動/啟動計時器353。計時器470被編 程為運行預定時間。以下將對預定時間的選擇和目的進行更詳細地討 論。
一旦在步驟470起動計時器，CPU 351便繼續(xù)運行至判定塊480以 便判定計時器353是否停止(即，是否已經(jīng)過預定時間)。如果判定塊 480處的答案是"否"，則CPU 351回到步驟440，并且干燥系統(tǒng)300 繼續(xù)使氦氣循環(huán)通過廢料罐20的腔室21并且重復步驟440 — 470的操 作直到經(jīng)過預定時間為止。換句話說，干燥過程持續(xù)進行，直到所測得 的從廢料罐排出的濕氦氣的露點溫度降至預定露點溫度以下(或等于預 定露點溫度)并且在此狀態(tài)下保持預定時間(沒有隨后升至預定露點溫 度以上)。
通過要求所測得的從廢料罐排出的濕氦氣的露點溫度不僅達到預 定露點溫度，而且在預定露點溫度下或在低于預定露點溫度的溫度下保 持預定時間，確保腔室21和其內(nèi)的SNF被充分地干燥到合格的安全因 數(shù)內(nèi)?，F(xiàn)在將參照圖6對此以及用于選擇預定時間的方式進行描述。
參見圖6，圖中示出隨著時間的過去使氦氣持續(xù)流動通過廢料罐20 對露點溫度的影響。假定干燥氦氣流量為400磅/小時、壓力為50磅/ 平方英寸、干燥氦氣內(nèi)的水分含量為1毫米汞柱、廢料罐的氦氣容納量 為10磅，以及廢料罐的初始水分含量為100亳米汞柱，在上述假定條 件下模擬出曲線圖中的數(shù)據(jù)。從曲線圖中能夠看出，在時間("t")= 0.1小時(即6分鐘)時，能夠估計出腔室21內(nèi)的露點溫度為大約22.9 下(從圖5中可知，其對應于大約3托的蒸汽壓力)，其在曲線圖上標 示為點B。當氦氣隨時間的變化持續(xù)流過腔室1時，露點溫度將繼續(xù)下 降，直至達到平衡蒸汽壓力為止，該時間點在所繪出的示例中為大約t =0.36小時(即約22分鐘)，在曲線圖上標示為點C。如果需要，氦氣 能夠進一步繼續(xù)流動通過腔室，但不會導致腔室21內(nèi)的露點溫度進一 步顯著地下降。
取點B和點C作為參照點，該示例的預定時間為大約16分鐘(即，從6分鐘到22分鐘)。但是，如果需要，對該示例來說預定時間可小于 或大于16分鐘?？紤]到敞開廢料罐的容積、流量、腔室內(nèi)的預期干燥 度、預期或規(guī)定的安全因數(shù)等，任何情形下的確切預定時間將視具體設 計而定。在本發(fā)明的某些實施方式中，預定時間將優(yōu)選地介于20至40 分鐘的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地介于25至35分鐘的范圍內(nèi)，并且最優(yōu)選為大 約30分鐘。
返回參見圖4， 一旦預定時間終止、并且所測得的露點溫度在預定 露點溫度下或在低于預定露點溫度的溫度下維持了整個預定時間，則 CPU 351再次到達判定塊480。但是，該答案現(xiàn)在為"是"，并且CPU 351 繼續(xù)至步驟510。在步驟510處，CPU351生成停機信號，該停機信號 傳輸?shù)奖?20、 360。當接收到停機信號時，泵320、 360被停用，并且 通過千燥系統(tǒng)的氦氣停止流動。可替代地，CPU 351能夠通過關閉閥 321來終止氦氣流動。
一旦泵320、 360被停用，CPU 351便生成起動信號并將該起動信號傳 輸給報警器370，因此完成步驟520。當接收到起動信號時，起動報警器 370。根據(jù)用作報警器370的裝置的類型，報警器370對起動信號做出的響 應能夠非常不同。但是，優(yōu)選的是，報警器370的響應是通知操作者廢料 罐20已經(jīng)干燥完畢的某種類型的聲頻和/或視頻激勵。例如，報警器370 的起動能夠產(chǎn)生聲音、在計算機屏上顯示視頻圖像、使LED或其它光源 發(fā)光等。
當報警器370通知廢料罐20的腔室21和SNF足夠干燥時，操作者 將干燥系統(tǒng)與廢料罐20斷開并且密封廢料罐20以便存儲，因此完成步 驟530。
前述討論僅公開并描述了本發(fā)明的示例性實施方式。如本領域技術 人員能夠理解的，在不脫離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，本發(fā)明 可具有其它具體形式的實施方式。
具體而言，在某些實施方式中，本發(fā)明的干燥方法能夠以人工方式 實施。在此種實施方式中，泵和其它所有i殳備將以人工方式起動/控制。 濕度計的讀數(shù)能夠由操作者通過視覺觀察得到，并且計時順序操作能夠 以人工方式執(zhí)行。
權利要求
1.一種干燥裝載有高放廢物的腔室的方法，包括a)使不活潑氣體流動通過所述腔室；b)反復測量從所述腔室排出的不活潑氣體的露點溫度；c)當測量出從所述腔室排出的不活潑氣體的露點溫度在等于或低于預定露點溫度的狀態(tài)下持續(xù)預定時間時，中斷所述不活潑氣體的流動并且密封所述腔室。
2. 如權利要求l所述的方法，其中，步驟(a)包括使所述不活潑 氣體以預定流量流動通過所述腔室。
3. 如權利要求2所述的方法，其中，所述腔室具有一定容積，并 且選定所述預定流量從而使所述腔室的容積每小時內(nèi)被流過25至50 次。
4. 如權利要求l所述的方法，其中，所述預定露點溫度被選擇成 對應于所述腔室內(nèi)的預期蒸汽壓力。
5. 如權利要求l所述的方法，其中，所述預定露點溫度介于大約 20至26下的范圍內(nèi)，并且所述預定時間介于大約25至35分鐘的范圍 內(nèi)。
6. 如權利要求5所述的方法，其中，所述預定露點溫度是大約22.9 T，并且所述預定時間是大約30分鐘。
7. 如權利要求l所述的方法，進一步包括d) 在測得所述露點溫度之后，干燥從所述腔室排出的不活潑氣體；以及e) 使所述經(jīng)過干燥的不活潑氣體重新循環(huán)通過所述腔室。
8. 如權利要求7所述的方法，其中，步驟d)包括用干燥劑干燥所 述不活潑氣體。
9. 如權利要求7所述的方法，其中，步驟d)包括通過冷卻所述不活潑氣體來干燥所述不活潑氣體。
10. 如權利要求l所述的方法，其中，所述不活潑氣體是氮氣、二氧化碳、輕質(zhì)烴氣、或者選自由氦氣、氬氣、氖氣、氡氣、氪氣以及氙 氣組成的集合的稀有氣體。
11. 如權利要求l所述的方法，其中，所述預定露點溫度被選擇成對應于所述腔室內(nèi)的3托或更低的蒸汽壓力。
12. 如權利要求l所述的方法，進一步包括d) 在測得所述露點溫度之后，干燥從所述腔室排出的不活潑氣體；e) 使所述經(jīng)過干燥的不活潑氣體重新循環(huán)通過所述腔室；其中，所述預定露點溫度被選擇成對應于所述腔室內(nèi)的3托或更低 的蒸汽壓力；并且步驟a)包括^f吏所述不活潑氣體以預定流量流動通過所述腔室， 從而導致所述腔室的容積每小時內(nèi)被流過25至50次； 并且所述不活潑氣體是氦氣；并且所述腔室由廢料罐形成并裝載有乏核燃料，所述廢料罐定位于 屏蔽罐內(nèi)。
13. —種用于干燥裝載有高放廢物的腔室的系統(tǒng)，包括 形成所述腔室的廢料罐，所述腔室具有入口和出口； 不活潑氣體源；用于使所述不活潑氣體從所述不活潑氣體源流動通過所述腔室的 裝置；以及用于反復測量從所述腔室排出的不活潑氣體的露點溫度的裝置。
14. 如權利要求13所述的系統(tǒng)，進一步包括用于干燥所述不活潑氣 體的裝置，所述干燥裝置位于所述露點溫度測量裝置的下游。
15. 如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述干燥裝置包括冷卻器。
16. 如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述干燥裝置包括干燥劑。
17. 如權利要求14所述的系統(tǒng)，進一步包括用于使所述不活潑氣體 從所述干燥裝置重新循環(huán)回所述不活潑氣體源內(nèi)的裝置。
18. 如權利要求13所述的系統(tǒng)，進一步包括控制器，所述控制器以可操作方式耦聯(lián)到所述露點溫度測量裝置； 其中，所述露點溫度測量裝置適于生成指示測得的所述不活潑氣體 的露點溫度的信號并將所述信號傳輸?shù)剿隹刂破?；并且所述控制器適于分析所述信號，并且在判定出所述信號表明所述測 得的露點溫度在等于或低于預定露點溫度的狀態(tài)下持續(xù)了預定時間時， 所述控制器進一步適于(i)使所述不活潑氣體通過所述腔室的流動停 止；并且/或者(2)起動用于指示所述腔室已干燥完畢的裝置。
19. 如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述預定露點溫度介于大約 20至26下的范圍內(nèi)，所述預定時間介于大約25至35分鐘的范圍內(nèi)， 并且所述流動裝置使所述不活潑氣體以預定流量流動通過所述腔室，從 而導致所述腔室的容積在所述預定時間內(nèi)被流過25至50次。
20. 如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述露點溫度測量裝置包括 濕度計。
21. 如權利要求13所述的系統(tǒng)，進一步包括屏蔽罐，所述廢料罐定 位于所述屏蔽罐內(nèi)。
22. 如權利要求13所述的系統(tǒng)，進一步包括 屏蔽罐，所述廢料罐定位于所述屏蔽罐內(nèi)；用于干燥所述不活潑氣體的裝置，所述干燥裝置位于所述露點溫度 測量裝置的下游；用于使所述不活潑氣體從所述干燥裝置重新循環(huán)回所述不活潑氣 體源內(nèi)因而形成閉環(huán)系統(tǒng)的裝置；控制器，所述控制器以可操作方式耦聯(lián)到所述露點溫度測量裝置；其中，所述露點溫度測量裝置適于生成指示測得的所述不活潑氣體 的露點溫度的信號并將所述信號傳輸?shù)剿隹刂破?；并且所述控制器適于分析所述信號，并且在判定出所述信號與所述測得 的露點溫度在等于或低于預定露點溫度的狀態(tài)下持續(xù)了預定時間相對應時，所述控制器進一步適于(i)使所述不活潑氣體通過所述腔室的流動停止；并且/或者(2)起動用于指示所述腔室已干燥完畢的裝置； 并且所述預定露點溫度介于大約20至26下的范圍內(nèi)，所述預定時間介于大約25至35分鐘的范圍內(nèi)，并且所述流動裝置使所述不活潑氣體以預定流量流動通過所述腔室，從而導致所述腔室的容積每小時內(nèi)被流過25至50次；并且所述露點溫度測量裝置包括濕度計。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于干燥裝載有高放廢物(“HLW”)的腔室的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明采用一種基于監(jiān)測循環(huán)通過腔室的不活潑氣體的露點溫度的非侵入式程序。一方面，本發(fā)明是一種方法，該方法包括a)使不活潑氣體流動通過腔室；b)反復測量從腔室排出的不活潑氣體的露點溫度；c)當從腔室排出的不活潑氣體的露點溫度達到并保持在預定露點溫度下一段預定時間時，中斷不活潑氣體的流動并且密封腔室。另一方面，本發(fā)明是一種設計為實施該方法的系統(tǒng)。
文檔編號F26B3/00GK101542225SQ200680023013
公開日2009年9月23日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權日2005年6月6日
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