(57)【要約】  受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムおよびその方法。一実施形態において、本発明は、受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムであって、表面レベルを有する液体水塊を備える使用済み核燃料プールであり、液体水塊を加熱する少なくとも１つの使用済み核燃料棒が液体水塊内に浸漬されている、使用済み核燃料プールと、使用済み核燃料プールを被覆する蓋であり、液体水塊の表面レベルと蓋との間に密閉蒸気空間を形成する、蓋と、蒸気空間に流体結合されている受動熱交換サブシステムであり、受動熱交換サブシステムは、（１）蒸気空間から水蒸気を受け入れ、（２）受け入れられた水蒸気から熱エネルギーを除去し、それにより、水蒸気を凝縮して凝縮水蒸気を形成し、（３）凝縮水蒸気を液体水塊に戻すように構成されている、受動熱交換サブシステムとを備える、システムであり得る。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムであって、
使用済み核燃料プールであり、
表面レベルを有する液体水塊であって、前記液体水塊を加熱する少なくとも１つの使用済み核燃料棒が前記液体水塊内に浸漬されている、液体水塊と、
前記使用済み核燃料プールを被覆する蓋であって、前記液体水塊の前記表面レベルと前記蓋との間に密閉蒸気空間を形成し、前記蓋は、第１の蓋部分および第２の蓋部分を備える、蓋と、
前記蒸気空間を、前記第１の蓋部分と前記液体水塊との間に位置する第１の蒸気空間部分、および、前記第２の蓋部分と前記液体水塊との間に位置する第２の蒸気空間部分に分割する、前記蓋から前記液体水塊内へと一部の距離にわたって延伸する第１の仕切りと
を備える、使用済み核燃料プールと、
受動熱交換サブシステムであり、
前記第１の蒸気空間部分内に位置付けられている第１の入口を有する第１の昇水路入口部分、前記第２の蒸気空間部分内に位置付けられている第２の入口を有する第２の昇水路入口部分、および主昇水路部分を備える昇水路導管であって、前記昇水路導管は前記第１の蒸気空間部分および前記第２の蒸気空間部分から水蒸気を受け入れる、昇水路導管と、
前記主昇水路部分から前記水蒸気を受け入れるために前記主昇水路部分に流体結合されている少なくとも１つの降水管であって、前記水蒸気は前記少なくとも１つの降水管の中で凝縮して凝縮水蒸気を形成する、少なくとも１つの降水管と、
前記少なくとも１つの降水管に流体結合されている少なくとも１つの戻し導管であって、前記少なくとも１つの戻し導管は、前記凝縮水蒸気を前記液体水塊に戻すために前記液体水塊内に位置する出口を有する、少なくとも１つの戻し導管と
を備える、受動熱交換サブシステムと
を備える、システム。
【請求項２】
前記システムは内部空洞を画定する内面を有する円筒シェルを含む格納容器をさらに備え、前記使用済み核燃料プールは前記格納容器の前記内部空洞内に収容されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムは、前記格納容器を包囲する格納エンクロージャをさらに備え、前記格納容器と前記格納エンクロージャとの間にヒートシンク空間が形成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ヒートシンク空間は水を含み、前記少なくとも１つの降水管は、前記格納容器の前記内面に結合されており、それにより、前記水蒸気からの熱エネルギーが、前記少なくとも１つの降水管および前記格納容器を通じて前記ヒートシンク空間内の前記水に伝達される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記システムは、前記格納容器の前記内面の周りに円周方向に離間されるように配置されている複数の前記降水管をさらに備え、前記複数の降水管の各々は、前記格納容器の前記内面と密接に表面接触している、請求項２〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記昇水路導管は断熱層を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記凝縮水蒸気は前記使用済み核燃料プール内の前記液体水塊と混合する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の仕切りは、前記液体水塊の深さの約１／３〜１／５まで、前記液体水塊内へと延伸する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分は前記第１の仕切りならびに前記第１の蓋部分および第２の蓋部分によって互いから気密的に分離されており、したがって、前記第１の蒸気空間部分内の前記水蒸気は前記第２の蒸気空間部分内に流れ込むことができず、前記第２の蒸気空間部分内の前記水蒸気は前記第１の蒸気空間部分内に流れ込むことができない、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分の各々は密閉空間である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記密閉蒸気空間を形成する、前記第１の蓋部分および第２の蓋部分の各々に結合されているガスケットをさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記使用済み核燃料プールは、
第３の蓋部分と、
前記蓋から前記液体水塊内へと一部の距離にわたって延伸する第２の仕切りであって、前記第１の仕切りおよび第２の仕切りは、前記蒸気空間を前記第１の蒸気空間部分、前記第２の蒸気空間部分、および第３の蒸気空間部分に分割し、前記第３の蒸気空間部分は前記第３の蓋部分と前記液体水塊との間に位置する、第２の仕切りと
をさらに備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記昇水路導管は、前記第３の蒸気空間部分内に位置付けられている第３の入口を有する第３の昇水路入口部分をさらに備え、前記第３の昇水路入口部分は、前記主昇水路部分から前記第３の蒸気空間部分へと延伸する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記使用済み核燃料プールの周縁壁がコンクリートから形成されており、前記第１の昇水路入口部分および第２の昇水路入口部分が前記コンクリートを通じて延伸する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分の各々は亜大気圧にある、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記受動熱交換サブシステムは、前記昇水路導管を前記少なくとも１つの降水管に流体結合する入口マニホルドと、前記少なくとも１つの降水管を前記少なくとも１つの戻し導管に流体結合する出口マニホルドとをさらに備える、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記受動熱交換サブシステムは閉ループ流体回路を含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムは原子炉と、
熱伝導性格納容器内に収容されている前記原子炉、前記使用済み核燃料プール、および前記受動熱交換サブシステムであって、前記少なくとも１つの降水管は前記熱伝導性格納容器に結合されており、それにより、前記水蒸気からの熱エネルギーが前記少なくとも１つの降水管および前記熱伝導性格納容器を通じてヒートシンクに伝達される、前記原子炉、前記使用済み核燃料プール、および前記受動熱交換サブシステムと
をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムであって、
使用済み核燃料プールであり、
表面レベルを有する液体水塊で、前記液体水塊を加熱する少なくとも１つの使用済み核燃料棒が前記液体水塊内に浸漬されている、液体水塊と、
前記使用済み核燃料プールを被覆する蓋で、前記液体水塊の前記表面レベルと前記蓋との間に密閉蒸気空間を形成する、蓋と
を備える、使用済み核燃料プールと、
受動熱交換サブシステムであって、
前記蒸気空間から水蒸気を受け入れるために前記蒸気空間内に位置する入口を有する少なくとも１つの昇水路導管と、
前記昇水路導管から前記水蒸気を受け入れるために前記昇水路導管に流体結合されている少なくとも１つの降水管で、前記水蒸気は降水管の中で凝縮して凝縮水蒸気を形成する、少なくとも１つの降水管と、
前記少なくとも１つの降水管に流体結合されている少なくとも１つの戻し導管で、前記戻し導管は、前記凝縮水蒸気を前記液体水塊に戻すために前記液体水塊内に位置する出口を有する、少なくとも１つの戻し導管と
を備える、受動熱交換サブシステムと
を備える、システム。
【請求項２０】
前記受動熱交換サブシステムは、
前記昇水路導管を前記少なくとも１つの降水管に流体結合する入口マニホルドと、
前記少なくとも１つの降水管を前記戻し導管に流体結合する出口マニホルドと
をさらに備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記受動熱交換サブシステムは閉ループ流体回路を含む、請求項１９〜２０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記閉ループ流体回路は、前記水蒸気を、前記蒸気空間から、前記前記昇水路導管を通じて前記少なくとも１つの降水管内に流すことであって、ここで、前記水蒸気は凝縮して前記水蒸気を形成し、前記水蒸気を、前記少なくとも１つの降水管から、前記戻し導管を通じて前記液体水塊内へと流すこととを含む、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記蒸気空間を、第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分に分割する、前記液体水塊内へと一部の距離にわたって延伸する第１の仕切りをさらに備える、請求項１９〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記蓋は、前記第１の蒸気空間部分を密閉するために前記第１の蒸気空間部分を被覆する第１の蓋部分と、前記第２の蒸気空間部分を密閉するために前記第２の蒸気空間部分を被覆する第２の蓋部分とを備え、前記第１の蓋部分および第２の蓋部分の各々は、互いから独立して取り外すことができる、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１の蒸気空間部分内に位置付けられている第１の入口を有する第１の昇水路導管と、前記第２の蒸気空間部分内に位置付けられている第２の入口を有する第２の昇水路導管とをさらに備える、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１の昇水路導管および第２の昇水路導管の各々は入口マニホルドに流体結合されており、前記入口マニホルドは前記少なくとも１つの降水管に流体結合されている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第１の昇水路導管および第２の昇水路導管は前記蒸気空間から主昇水路部分へと延伸し、前記主昇水路部分は入口マニホルドに流体結合されており、前記入口マニホルドは前記少なくとも１つの降水管に流体結合されている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第１の仕切りは、前記液体水塊の深さの約１／３〜１／５まで、前記液体水塊内へと延伸し、それにより、前記液体水塊は前記第１の仕切りの下を流れることができ、前記第１の蒸気空間部分内の前記水蒸気は、前記第２の蒸気空間部分内の前記水蒸気から気密的に分離される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
前記システムは、
前記使用済み核燃料プールを包囲する熱伝導性格納容器と、
前記熱伝導性格納容器の外側に位置するヒートシンクと
前記熱伝導性格納容器に結合されており、前記水蒸気からの熱エネルギーが前記少なくとも１つの降水管および前記熱伝導性格納容器を通じて前記ヒートシンクに伝達されるように、前記ヒートシンクと熱的に協働する前記少なくとも１つの降水管と
をさらに備える、請求項１９〜２８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３０】
前記格納容器を少なくとも部分的に包囲する格納エンクロージャと、前記格納容器と前記格納エンクロージャとの間に形成される前記ヒートシンクを形成する液体貯留槽とをさらに備える、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記液体貯留槽は、前記熱伝導性格納容器の周囲を包囲する環状空間である、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
原子炉と、
前記原子炉を包囲する前記熱伝導性格納容器と
をさらに備える、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３３】
前記システムは、複数の前記降水管をさらに備え、前記複数の降水管の各々は前記昇水路導管および前記降水管に流体結合されており、
前記降水管の各々は前記熱伝導性格納容器の内面に結合されている、請求項２９〜３２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３４】
受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムであって、
表面レベルを有する液体水塊を備える使用済み核燃料プールであって、液体水塊を加熱する少なくとも１つの使用済み核燃料棒が前記液体水塊内に浸漬されている、使用済み核燃料プールと、
前記使用済み核燃料プールを被覆する蓋であって、前記液体水塊の前記表面レベルと前記蓋との間に密閉蒸気空間を形成する、蓋と、
前記蒸気空間に流体結合されている受動熱交換サブシステムであって、前記受動熱交換サブシステムは、（１）前記蒸気空間から水蒸気を受け入れ、（２）前記受け入れられた水蒸気から熱エネルギーを除去し、それにより、前記水蒸気を凝縮して凝縮水蒸気を形成し、（３）前記凝縮水蒸気を前記液体水塊に戻すように構成されている、受動熱交換サブシステムと
を備える、システム。
【請求項３５】
前記受動熱交換サブシステムは、前記蒸気空間内に位置する少なくとも１つの入口と、前記液体水塊内に位置する少なくとも１つの出口とを備える、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記システムはヒートシンクをさらに備え、前記受動熱交換サブシステムは、前記蒸気空間から前記水蒸気を受け入れる少なくとも１つの昇水路導管と、
前記少なくとも１つの昇水路導管から前記水蒸気を受け入れる少なくとも１つの降水管であって、前記少なくとも１つの降水管は前記ヒートシンクと熱的に協働して前記水蒸気から前記ヒートシンクへと熱エネルギーを伝達し、それにより、前記少なくとも１つの降水管において前記水蒸気を濃縮し、前記受動熱交換サブシステムを通じた前記水蒸気の熱サイフォン流を促進する、少なくとも１つの降水管とを備える、請求項３４〜３５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３７】
前記使用済み核燃料プールを包囲する熱伝導性格納容器と、
前記熱伝導性格納容器の外側に位置する前記ヒートシンクと、
前記水蒸気からの前記熱エネルギーが前記少なくとも１つの降水管および前記熱伝導性格納容器を通じて前記ヒートシンクに伝達されるように、前記熱伝導性格納容器に結合されている、前記少なくとも１つの降水管と
をさらに備える、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記システムは、間にヒートシンク空間を形成するために前記熱伝導性格納容器を少なくとも部分的に包囲する格納エンクロージャをさらに備え、
前記ヒートシンクは前記ヒートシンク空間内に位置する液体貯留槽である、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記ヒートシンク空間は、前記熱伝導性格納容器の周囲を包囲する環状空間である、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記格納エンクロージャは上端開口部を有する、請求項３８〜３９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４１】
前記熱伝導性格納容器の外面から前記液体貯留槽へと延伸する複数の熱交換フィンをさらに備える、請求項３８〜４０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４２】
前記システムは原子炉と、
前記原子炉を包囲する前記熱伝導性格納容器と
をさらに備える、請求項３７〜４１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４３】
前記受動熱交換サブシステムは、前記少なくとも１つの昇水路導管を前記少なくとも１つの降水管に流体結合する少なくとも１つの入口マニホルドをさらに備える、請求項３７〜４２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４４】
前記熱伝導性格納容器の内面の周りに円周方向に離間されるように配置されている複数の前記降水管をさらに備える、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの昇水路導管は断熱層を備える、請求項３６〜４４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４６】
前記システムは、前記蓋から前記使用済み核燃料プール内へと延伸する１つまたは複数の仕切りをさらに備え、前記１つまたは複数の仕切りは、前記蒸気空間を２つ以上の蒸気空間部分に分割する、請求項３４〜４５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４７】
前記蓋は２つ以上の蓋部分を備え、前記蓋部分の各々は前記蒸気空間部分のうちの１つを密閉し、前記蓋部分の各々は互いから独立して取り外されて、前記液体水塊の前記表面レベルと前記取り外された蓋部分との間の前記蒸気空間部分を露出することができる、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
前記蒸気空間部分の各々は亜大気圧にある、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記受動熱交換サブシステムは、前記蒸気空間部分の各々の中に位置する入口を備える、請求項４６〜４８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５０】
前記受動熱交換サブシステムは、主昇水路部分および２つ以上の昇水路入口部分を備える少なくとも１つの昇水路導管を備え、前記２つ以上の昇水路入口部分の各々は、前記蒸気空間部分のうちの１つの中に位置する前記入口のうちの１つを含み、前記２つ以上の昇水路入口部分の各々は前記蒸気空間部分のうちの１つから前記主昇水路部分へと延伸し、前記昇水路導管は、前記蒸気空間部分から前記水蒸気を受け入れる、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
前記受動熱交換サブシステムは、前記主昇水路部分から前記水蒸気を受け入れる少なくとも１つの降水管を備え、入口マニホルドが、前記少なくとも１つの昇水路導管の前記主昇水路部分を前記少なくとも１つの降水管に流体結合し、前記水蒸気は前記少なくとも１つの降水管の中で凝縮して凝縮水蒸気を形成する、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５２】
前記受動熱交換サブシステムは、前記凝縮水蒸気を前記液体水塊に戻すために前記少なくとも１つの降水管に流体結合されている少なくとも１つの戻し導管をさらに備え、前記少なくとも１つの戻し導管は、前記液体水塊内に位置する出口を備える、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記受動熱交換サブシステムは、前記少なくとも１つの降水管を前記少なくとも１つの戻し導管に流体結合する出口マニホルドをさらに備える、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記受動熱交換サブシステムは閉ループ流体回路を含む、請求項３４〜５３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５５】
使用済み核燃料プールを受動的に冷却する方法であって、
ａ）前記使用済み核燃料プールを蓋によって被覆するステップであって、それにより、前記蓋と、前記使用済燃料プール内に位置する液体水塊の表面レベルとの間に、水蒸気を有する蒸気空間を形成する、被覆するステップと、
ｂ）凝縮蒸気を形成するために、前記水蒸気から熱エネルギーを除去する熱交換サブシステムを通じて前記蒸気空間から前記水蒸気を受動的に流すステップと、
ｃ）前記凝縮水蒸気を前記熱交換サブシステムから前記液体水塊へと受動的に流すステップと
を含む、方法。
【請求項５６】
ステップａ）の後で、かつステップｂ）の前に、前記液体水塊の蒸発温度を低減するために、前記蒸気空間から空気を抜くステップをさらに含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
ステップｂ）は、
ｂ−１）前記水蒸気を前記蒸気空間から昇水路導管内へと受動的に流すステップであって、前記昇水路導管は前記蒸気空間内に位置付けられている開口を有する、受動的に流すステップと、
ｂ−２）前記水蒸気を前記昇水路導管から１つまたは複数の降水管内へと受動的に流すステップと、
ｂ−３）前記凝縮水蒸気を形成するために、前記１つまたは複数の降水管内の前記水蒸気から熱エネルギーを除去するステップと
を含む、請求項５５〜５６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５８】
ステップｃ）は、
ｃ−１）前記凝縮水蒸気を前記１つまたは複数の降水管から戻し導管内へと受動的に流すステップであって、前記戻し導管は前記液体水塊内に位置付けられている出口を有する、受動的に流すステップと、
ｃ−２）前記凝縮水蒸気を前記戻し導管から前記液体水塊内へと受動的に流すステップと
を含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記１つまたは複数の降水管はヒートシンクと熱的に協働し、それにより、ステップｂ−３）は、熱エネルギーを前記水蒸気から前記ヒートシンクへと伝達するステップを含む、請求項５７〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６０】
前記ヒートシンクは、前記使用済み核燃料プールを収容する格納容器と、前記格納容器を少なくとも部分的に包囲する格納エンクロージャとの間に形成される液体貯留槽である、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
ステップａ）は、
ａ−１）部分的に前記液体水塊内へ仕切りを位置付けることによって前記蒸気空間を第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分に分割するステップと、
ａ−２）前記第１の蒸気空間部分を第１の蓋部分によって被覆するステップと、
ａ−３）前記第２の蒸気空間部分を第２の蓋部分によって被覆するステップと
を含む、請求項５５〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１の蒸気空間部分および前記第２の蒸気空間部分は密閉され、互いから気密的に分離されている、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
ａ−４）前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分が亜大気圧にあるように、前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分の各々から空気を部分的に抜くステップをさらに含む、請求項６１〜６２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６４】
ステップｂ）は、前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分の各々からの水蒸気を、前記熱交換サブシステムを通じて受動的に流すステップを含む、請求項６１〜６３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
使用済み核燃料プールを受動的に冷却する方法であって、
ａ）前記使用済み核燃料プールに、表面レベルを有する液体水塊を少なくとも部分的に充填するステップと、
ｂ）少なくとも１つの核燃料棒を前記液体水塊内に浸漬するステップであって、前記少なくとも１つの核燃料棒は前記液体水塊を加熱する、該ステップと、
ｃ）前記液体水塊を蓋によって被覆するステップであって、前記液体水塊と前記蓋との間に密閉蒸気空間を形成し、前記蓋は、第１の蓋部分および第２の蓋部分を備える、該ステップと、
ｄ）前記蒸気空間を、前記第１の蓋部分と前記液体水塊との間に位置する第１の蒸気空間部分、および、前記第２の蓋部分と前記液体水塊との間に位置する第２の蒸気空間部分に分割するステップであって、前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分は仕切りによって互いから気密的に分離されており、前記第１の蓋部分は前記第１の蒸気空間部分を被覆し、前記第２の蓋部分は前記第２の蒸気空間部分を被覆する、該ステップと、
ｅ）熱交換サブシステムを前記使用済み核燃料プールに流体結合するステップであって、前記熱交換サブシステムは、ともに流体結合されている昇水路導管、降水管、および戻し導管を有し、前記昇水路導管は、前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分の各々の中に位置付けられている入口を有し、前記戻し導管は、前記液体水塊の中に位置付けられている出口を有する、該ステップと
を含み、
水蒸気は前記第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分から前記昇水路導管へ、前記昇水路導管から前記降水管内へと流れ、前記水蒸気は前記降水管の中で凝縮して凝縮水蒸気を形成し、前記凝縮水蒸気は前記降水管から前記戻し導管内へ、前記戻し導管から前記液体水塊内へと流れる、方法。
【請求項６６】
前記少なくとも１つの降水管は前記格納容器内に直接形成される、請求項２〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６７】
前記少なくとも１つの降水管は前記格納容器内に直接形成される、請求項２９〜３２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６８】
前記少なくとも１つの降水管は前記格納容器内に直接形成される、請求項３７〜４３のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１２年８月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／６８３，０３０号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、使用済み核燃料プールを冷却する受動的なシステム、および、使用済み核燃料プールを受動的に冷却する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
使用済燃料プールは、原子力発電所の燃料貯蔵建屋の内側にある水塊であり、一般的にその深さは約４０フィートであり、燃料交換停止中に反応炉から排出される使用済み核燃料を貯蔵する燃料ラックを備えている。プールは、燃料の放射線およびその崩壊熱を吸収する安全な水中構成の中に燃料を保持する。燃料によってプールの水の中に蓄積される崩壊熱は、燃料プール水の望ましくない蒸発をもたらすことになるプールの水の制御不可能な加熱を防止するために、除去されなければならない。既存の原子力プラント設計の実践において、プールの水は、熱交換器を通じて圧送することによって冷却され、これは一般的に、水、すなわち、プラント内の様々な設備を冷却し、湖水、河川、または海洋のような天然水源によって冷却される閉ループ精製水流を冷却するプラントの構成要素によって果たされる。
【０００４】
この従来の使用済み核燃料冷却システムにはいくつかの欠点があり、そのうち最も注目すべきものは、プールの冷却が、熱交換器の両側を通じた水の循環をポンプおよびモータに依存していることである。停電、または、ポンプおよびモータを機能停止する何らかの他の事象の間、使用済燃料プール内の水は沸騰して蒸発し、これによって燃料がプール水の表面レベルを超えて露出されることになる可能性がある。もう１つの欠点は、プラントの燃料貯蔵建屋の内側の水蒸気が放出され続け、これによって、建屋の湿度および温度が増加し、その居住性が影響を受け、そのＨＶＡＣ負荷が増大することである。開放プールであれば、さらに、外気から塵芥および粒子を引きつけ、それらを放射性物質に変える。放射性物質は、プールから吸引し、汚染廃棄物として廃棄するためにろ過および収集しなければならない。
【０００５】
したがって、ポンプおよびモータに依拠しない、使用済燃料プールを冷却するシステムおよび方法が必要とされている。原子力発電所燃料貯蔵建屋の内側の湿度を低減するシステムおよび方法も必要とされている。さらに、塵芥および粒子が使用済燃料プール内にたまるのを防止するシステムおよび方法が必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の既存の構成の欠点を克服する、受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムおよびその方法を提供する。
【０００７】
一態様において、本発明は、受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムであって、使用済み核燃料プールであり、表面レベルを有する液体水塊で、液体水塊を加熱する少なくとも１つの使用済み核燃料棒が液体水塊内に浸漬されている、液体水塊と、使用済み核燃料プールを被覆する蓋で、液体水塊の表面レベルと蓋との間に密閉蒸気空間を形成し、蓋は、第１の蓋部分および第２の蓋部分を備える、蓋と、蒸気空間を、第１の蓋部分と液体水塊との間に位置する第１の蒸気空間部分、および、第２の蓋部分と液体水塊との間に位置する第２の蒸気空間部分に分割する、蓋から液体水塊内へと一部の距離にわたって延伸する第１の仕切りとを備える、使用済み核燃料プールと、受動熱交換サブシステムであり、第１の蒸気空間部分内に位置付けられている第１の入口を有する第１の昇水路入口部分、第２の蒸気空間部分内に位置付けられている第２の入口を有する第２の昇水路入口部分、および主昇水路部分を備える昇水路導管で、昇水路導管は第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分から水蒸気を受け入れる、昇水路導管と、主昇水路部分から水蒸気を受け入れるために主昇水路部分に流体結合されている少なくとも１つの降水管で、水蒸気は少なくとも１つの降水管の中で凝縮して凝縮水蒸気を形成する、少なくとも１つの降水管と、少なくとも１つの降水管に流体結合されている少なくとも１つの戻し導管で、少なくとも１つの戻し導管は、凝縮水蒸気を液体水塊に戻すために液体水塊内に位置する出口を有する、少なくとも１つの戻し導管とを備える、受動熱交換サブシステムとを備える、システムであり得る。
【０００８】
別の実施形態において、本発明は、受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムであって、使用済み核燃料プールであり、表面レベルを有する液体水塊で、液体水塊を加熱する少なくとも１つの使用済み核燃料棒が液体水塊内に浸漬されている、液体水塊と、使用済み核燃料プールを被覆する蓋で、液体水塊の表面レベルと蓋との間に蒸気空間を形成する、蓋とを備える、使用済み核燃料プールと、受動熱交換サブシステムであって、蒸気空間から水蒸気を受け入れるために蒸気空間内に位置する入口を有する少なくとも１つの昇水路導管と、昇水路導管から水蒸気を受け入れるために昇水路導管に流体結合されている少なくとも１つの降水管で、水蒸気は降水管の中で凝縮して凝縮水蒸気を形成する、少なくとも１つの降水管と、少なくとも１つの降水管に流体結合されている少なくとも１つの戻し導管で、戻し導管は、凝縮水蒸気を液体水塊に戻すために液体水塊内に位置する出口を有する、少なくとも１つの戻し導管とを備える、受動熱交換サブシステムとを備える、システムであり得る。
【０００９】
別の実施形態において、本発明は、受動的に冷却される使用済み核燃料プールシステムであって、表面レベルを有する液体水塊を備える使用済み核燃料プールであり、液体水塊を加熱する少なくとも１つの使用済み核燃料棒が液体水塊内に浸漬されている、使用済み核燃料プールと、使用済み核燃料プールを被覆する蓋であり、液体水塊の表面レベルと蓋との間に密閉蒸気空間を形成する、蓋と、蒸気空間に流体結合されている受動熱交換サブシステムであり、受動熱交換サブシステムは、（１）蒸気空間から水蒸気を受け入れ、（２）受け入れられた水蒸気から熱エネルギーを除去し、したがって、水蒸気を凝縮して凝縮水蒸気を形成し、（３）凝縮水蒸気を液体水塊に戻すように構成されている、受動熱交換サブシステムとを備える、システムであり得る。
【００１０】
さらなる態様において、本発明は、使用済み核燃料プールを受動的に冷却する方法であって、ａ）使用済み核燃料プールを蓋によって被覆するステップであり、したがって、蓋と、使用済燃料プール内に位置する液体水塊の表面レベルとの間に、水蒸気を有する蒸気空間を形成する、被覆するステップと、ｂ）凝縮蒸気を形成するために、水蒸気から熱エネルギーを除去する熱交換サブシステムを通じて蒸気空間から水蒸気を受動的に流すステップと、ｃ）凝縮水蒸気を熱交換サブシステムから液体水塊へと受動的に流すステップとを含む、方法であり得る。
【００１１】
またさらなる態様において、本発明は、使用済み核燃料プールを受動的に冷却する方法であって、ａ）使用済み核燃料プールに、表面レベルを有する液体水塊を少なくとも部分的に充填するステップと、ｂ）少なくとも１つの核燃料棒を液体水塊内に浸漬するステップであり、少なくとも１つの核燃料棒は液体水塊を加熱する、浸漬するステップと、ｃ）液体水塊を蓋によって被覆するステップであり、液体水塊の表面レベルと蓋との間に密閉蒸気空間を形成し、蓋は、第１の蓋部分および第２の蓋部分を備える、被覆するステップと、ｄ）蒸気空間を、第１の蓋部分と液体水塊との間に位置する第１の蒸気空間部分、および、第２の蓋部分と液体水塊との間に位置する第２の蒸気空間部分に分割するステップであり、第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分は仕切りによって互いから気密的に分離されている、分割するステップと、ｅ）熱交換サブシステムを使用済み核燃料プールに流体結合するステップであり、熱交換サブシステムは、ともに流体結合されている昇水路導管、降水管、および戻し導管を有し、昇水路導管は、第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分の各々の中に位置付けられている入口を有し、戻し導管は、液体水塊の中に位置付けられている出口を有する、流体結合するステップとを含み、水蒸気は第１の蒸気空間部分および第２の蒸気空間部分から昇水路導管へ、昇水路導管から降水管内へと流れ、水蒸気は降水管の中で凝縮して凝縮水蒸気を形成し、凝縮水蒸気は降水管から戻し導管内へ、戻し導管から液体水塊内へと流れる、方法であり得る。
【００１２】
本発明の例示的な実施形態の特徴が、添付の図面を参照して説明される。同様の要素は同様にラベリングされている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による、原子炉の格納エンクロージャの正面図である。
【図２】格納エンクロージャによって少なくとも部分的に包囲されている格納容器を示す、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿ってとられた格納エンクロージャを通る断面図である。
【図３】図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿ってとられた断面図である。
【図４】図２の線ＩＶ−ＩＶに沿ってとられた断面図である。
【図５】格納エンクロージャおよび格納容器を通る概略断面図である。
【図６】図５の領域ＶＩの拡大図である。
【図７】内部の使用済み核燃料プールおよび原子炉を示す、図２の原子炉格納エンクロージャおよび格納容器の一部分の一般化された概略断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による、使用済み核燃料プールの概略断面図である。
【図８Ａ】図８の領域ＶＩＩＩＡの拡大図である。
【図９】それによって図８の使用済み核燃料プールが格納容器内に格納される、本発明の別の実施形態による原子炉格納エンクロージャおよび格納容器の一部分の一般化された概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
全ての図面は概略的なものであり、必ずしも原寸に比例していない。
【００１５】
本発明の特徴および利点が、本明細書において例示的な実施形態を参照することによって例示および説明される。この例示的な実施形態の説明は、添付の図面とともに読まれるように意図されており、図面は、本明細書書面全体の一部分と考えられるべきである。本明細書に開示されている実施形態の説明において、方向または向きが参照されている場合、これは、説明を簡便にするよう意図されているにすぎず、本発明の範囲を限定するようには決して意図されていない。「下側（ｌｏｗｅｒ）」、「上側（ｕｐｐｅｒ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」、「上方（ａｂｏｖｅ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」、「上向き（ｕｐ）」、「下向き（ｄｏｗｎ）」、「上部（ｔｏｐ）」および「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」のような相対的な用語ならびにその派生語（例えば、「水平に（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ）」、「下向きに（ｄｏｗｎｗａｒｄｌｙ）」、「上向きに（ｕｐｗａｒｄｌｙ）」など）は、そのとき説明されているように、または説明されている図面に示されているような向きを指すものとして解釈されるべきである。これらの相対的な用語は説明を簡便にするためのものにすぎず、装置が特定の向きに構築または動作される必要はない。「取り付けられている（ａｔｔａｃｈｅｄ）」、「固定されている（ａｆｆｉｘｅｄ）」、「接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「結合されている（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「相互接続されている（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」などの用語は、別途明示的に記載されない限り、複数の構造が直接的に、または介在する構造を通じて間接的に互いに固定または取り付けられている関係、および、可動または剛直の両方の取り付けまたは関係を指す。したがって、本開示は、単独でまたは特徴の他の組合せにおいて存在してもよい特徴のいくつかの可能な非限定的組合せを示すそのような例示的な実施形態には限定されるべきではないことを明示しておく。
【００１６】
最初に図１および図２を同時に参照すると、本発明の一実施形態による、原子炉格納システム１００が示されている。システム１００は概して、格納容器２００のような内側格納構造および外側格納エンクロージャ３００を含む。格納容器２００および格納エンクロージャ３００は、原子炉および使用済み核燃料プールのような原子力発電所の特定の構成要素を収容する垂直方向に長い構造である。格納容器２００および格納エンクロージャ３００はまとめて、格納容器−エンクロージャアセンブリ２００−３００を形成する。特定の実施形態において、格納エンクロージャ３００および格納容器２００は、部分的に、地盤内に埋め込まれてもよい。格納容器２００および格納エンクロージャ３００の詳細は下記に、および、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１３年５月２１に提出された国際出願ＵＳ１３／４２０７０号明細書に記載されている。
【００１７】
特定の実施形態において、格納容器−エンクロージャアセンブリ２００−３００は、底版３０２と、底版３０２から立ち上がり、上部基礎マット３０４を形成する、垂直に延伸する側壁３０３とから構成されるコンクリート基礎３０１によって支持され得る。側壁３０３は、図２に示すように格納容器２００の下側部分２０９の周囲を包囲し得、格納容器２００の下側部分２０９は側壁３０３の内側に位置付けられる。いくつかの実施形態において、側壁３０３は、底版３０２（最初に流し込まれて固められ得る）上に格納容器２００が配置された後に流し込まれてもよく、したがって、格納容器２００の下側部分２０９が基礎３０１の中に完全に埋め込まれる。基礎側壁３０３は、いくつかの実施形態においては、飛翔体による衝撃（例えば、墜落中の飛行機など）からの格納容器−エンクロージャアセンブリ２００−３００のさらなる保護を可能にするために、地盤面の下で終端してもよい。基礎３０１は、上面図視点において、限定ではなく多角形（例えば、矩形、六角形、円形など）を含む、任意の適切な構成を有してもよい。
【００１８】
格納エンクロージャ３００は、いくつかの実施形態においては、２つの実質的に半径方向に離間され、相互接続されているコンクリートシェル３１０（内側）および３１１（外側）によって形成される側壁３２０を有し、内側シェル３１０と外側シェル３１１との間の環状空間内に無筋または鉄筋コンクリート３１２が設置されている二重壁構造であってもよい。そのような実施形態において、内側シェル３１０および外側シェル３１１は、例えば、限定ではなく、容易に溶接可能な延性金属板（例えば、低炭素鋼）のような、任意の適切で強靭な材料から作成されてもよい。様々な合金を含む他の適切な金属材料が使用されてもよい。一実施形態において、限定ではなく、二重壁格納エンクロージャ３００は、航空機からのもののような、飛翔体による高エネルギーの衝撃に十分に耐えることができることを保証する、６フィート以上のコンクリート３１２厚を有してもよい。
【００１９】
格納エンクロージャ３００は、格納容器２００を囲み、格納容器２００から実質的に半径方向に離間され、したがって、格納容器２００の外面２５１と格納エンクロージャ３００の内側シェル３１０との間にヒートシンク空間３１３が形成される。ヒートシンク空間３１３は、一実施形態においては液体貯留槽であってもよく、したがって、ヒートシンク空間３１３は、格納容器２００の内側の熱エネルギー放出インシデントの場合に格納容器２００から熱を受け入れて放散するヒートシンクを形成するために、水のような液体を充填される。ヒートシンクはまた、図７および図９を参照してより詳細に後述されるように、格納容器２００内に位置する使用済み核燃料プールから熱エネルギーを除去するのに使用することもできる。この水充填ヒートシンク空間３１３は、一実施形態において、円周方向において３６０度全体にわたって延伸し、したがって、ヒートシンク空間３１３は、格納容器２００の周囲を囲む環状空間になる。一実施形態において、ヒートシンク空間３１３は、格納エンクロージャ３００のコンクリートシェル３１０、３１１の低端部３１４にある基礎マット３０４から、およそ格納エンクロージャ３００のコンクリートシェル３１０、３１１の上端部３１５まで液体を充填されて、格納容器２００と格納エンクロージャ３００の内側シェル３１０との間に環状冷却水貯留槽が形成される。この環状貯留槽は、いくつかの実施形態において、アルミニウム、ステンレス鋼、または腐食保護のための適切な防腐剤のような適切な腐食耐性材料をコーティングまたは充填される。例示的な一例において、限定ではなく、ヒートシンク空間３１３は、約１０フィート幅で、約１００フィート高であってもよい。
【００２０】
一実施形態において、格納エンクロージャ３００は、墜落中の航空機および他の事故飛翔体に対してエンクロージャを堅牢にするために、適切な厚さにされ強化されている鋼ドーム３１６を含む。ドーム３１６は、強固なフランジ継ぎ手によってシェル３１０、３１１に着脱可能に固定されてもよい。一実施形態において、格納容器２００は、地盤より上の全ての露出した部分の上全体を格納エンクロージャ３００によって囲まれ、エンクロージャ３００は、好ましくは、格納容器２００を囲むヒートシンク空間３１３内の水塊の構造的完全性を保持するために、ヒートシンク空間３１３内の航空機災害または同等の飛翔体に対する格納容器２００の保護を提供するのに十分な高さがある。一実施形態において、格納エンクロージャ３００は、地盤の下で上部基礎マット３０４まで垂直に延伸する。
【００２１】
格納エンクロージャ３００は、水蒸気が大気に流れ、逃げ、発散するのを可能にするために、ヒートシンク空間３１３と流体連通している少なくとも１つの雨除け通気孔３１７と、ドーム３１６と格納容器２００との間に位置するヘッドスペース３１８とをさらに含んでもよい。したがって、特定の実施形態において、通気孔３１７に起因して、格納エンクロージャ３００は、上端開口部を有するものと考えられてもよい。一実施形態において、通気孔３１７は、ドーム３１６の中心に位置してもよいが、本発明はそのように限定されるべきではなく、通気孔３１７は他の場所に位置してもよい。他の実施形態において、複数の通気孔がドーム３１６をめぐって実質的に半径方向に離間されて設けられてもよい。通気孔３１７は、いくつかの実施形態において、蒸気が格納エンクロージャ３００から逃げることを可能にするが、水の進入を最小限に抑える任意の適切な構成にある雨除けによって被覆されている配管の短い部分によって形成されてもよい。
【００２２】
一実施形態において、ドーム３１６と格納容器２００との間のヘッドスペース３１８は、例えば、限定ではなく、航空機、隕石などのような墜落中のまたは落下中の飛翔体からの、格納エンクロージャ３００のドーム３１６に対する衝撃負荷を最小限に抑えるためのエネルギー吸収材料または構造を充填されてもよい。一例において、ドーム３１６に対する衝撃力を吸収し散逸させる一助となる衝撃吸収帯を形成するために、複数の密集した波状または波形変形可能アルミニウム板が、ヘッドスペース３１８の一部分または全体に配置されてもよい。
【００２３】
例示されている実施形態において、格納構造２００は、円形横断面を有する中空円筒シェル２０４と、上端部２０６と、下端部２０８とを有する細長い管２０２である。特定の実施形態において、格納容器２００は、格納容器２００が熱伝導性材料（すなわち、後述するような金属など）から形成され、格納容器２００の内部からヒートシンク空間３１３へと熱を伝達するのに使用することができるという点において、熱伝導性格納容器と考えられてもよい。一実施形態において、格納容器２００は、例えば、限定ではなく、低炭素鋼のような、容易に溶接可能である適切な強靭で延性のある金属板または棒材から作成されてもよい。一実施形態において、格納容器２００の円筒シェル２０４は、少なくとも１インチの厚さを有する低炭素鋼から形成されてもよい。格納容器２００に使用することができる他の適切な金属材料は、限定ではなく、様々な金属合金などを含む。
【００２４】
一実施形態において、格納容器２００の重量は、主に、格納容器２００が載置される底版３０２によって支持され得、格納エンクロージャ３００は、基礎３０１の側壁３０３の上に形成される基礎マット３０４によって支持され得る。他の適切な格納容器２００および格納エンクロージャ３００支持構成が使用されてもよい。一実施形態において、格納容器２００の下部は、基礎３０１の底版３０２上で格納容器を安定させ水平面支持を提供する一助となるために、下端部２０８に取り付けられているリブ付き支持スタンド２０８ａまたは同様の構造を含んでもよい。
【００２５】
ここで図３および図４を同時に参照して、本発明がさらに説明される。図３は、格納エンクロージャ３００および格納容器２００ならびにそれらの間のヒートシンク空間３１３の上断面図を示し、図４は、それらの長手方向断面図を示す。上記のように、格納容器２００は、内面２５０および外面２５１を有し、内面２５０は、格納容器２００の内部空洞２６０を画定する。例示されている実施形態において、格納容器２００は、格納容器２００の外面２５１からヒートシンク空間３１３内の液体貯留槽内へと延伸する複数の熱交換フィン２２０を有する。しかしながら、本発明は全ての実施形態においてそのように限定されるべきではなく、特定の他の実施形態において、熱交換フィン２２０は省かれてもよい。例示されている実施形態において、熱交換フィン２２０は、格納容器２００のシェル２０４の周縁をめぐって円周方向に離間されており、格納容器２００からヒートシンク空間３１３内へと実質的に半径方向外向きに延伸している。
【００２６】
図３のみを参照して、熱交換フィン２２０がさらに説明される。熱交換フィン２２０は、使用されるとき、限定ではなく、以下を含む複数の有利な機能を果たす。（１）格納容器２００を強化する。（２）地震事象が発生したときにヒートシンク空間３１３内の水が過剰に「跳ね跳ぶ」のを防止する。（３）格納容器２００を通じたヒートシンク空間３１３の環境への伝導によって吸収される熱を放散するために熱伝達「フィン」として作用する。
【００２７】
したがって、一実施形態において、熱伝達効果を最大限にするために、熱交換フィン２２０は、格納容器２００からヒートシンク空間３１３内の液体貯留槽へと熱を伝達するために、実質的に格納容器２００の有効熱伝達面を被覆するヒートシンク空間３１３の高さ全体（すなわち、コンクリート基礎に埋め込まれていない部分）にわたって垂直に延伸する。一実施形態において、熱交換フィン２２０は、格納容器２００の上部２１６の下面または底部において、またはそれに近接して終端する水平上端部２１７と、コンクリート基礎３０１の基礎マット３０４において、またはそれに近接して終端する水平下端部２１８とを有する。一実施形態において、熱交換フィン２２０は、格納容器２００のシェル２０４の全高の２分の１以上である高さを有してもよい。
【００２８】
熱交換フィン２２０は、鋼（例えば、低炭素鋼）、または、各々、長手方向に延伸する側面の１つにおいて格納容器２００の外面２５１に対して溶接される合金を含む他の適切な金属材料から作成されてもよい。各熱交換フィン２２０の反対の長手方向に延伸する側面は、放熱フィンとして作用するリブの熱伝達面を最大限にするために、格納エンクロージャ３００の内側シェル３１０に近接するが、内側シェル３１０の内部に永続的に固定されるものではない。したがって、熱交換フィン２２０の溶接されていない側面は、小さい間隙によって格納エンクロージャ３００の内側シェル３１０から離間される。一実施形態において、熱交換フィン２２０は、格納容器２００の上部２１６を越えて実質的に半径方向外向きに延伸する。例示的な一例において、限定ではなく、鋼熱交換フィン２２０は、約１インチの厚さを有してもよい。必要に応じて、他の適切な厚さのフィンが使用されてもよい。したがって、いくつかの実施形態において、熱交換フィン２２０は、熱交換フィン２２０の厚さの１０倍を超える半径方向幅を有する。
【００２９】
一実施形態において、熱交換フィン２２０は、格納容器２００に対して一定の斜角に向けられている。この向きによって、外側の格納エンクロージャ３００と協働して飛翔体による衝撃により良好に耐える格納容器２００の周囲に３６０度にわたって延伸する衝撃吸収帯が形成される。したがって、格納エンクロージャ３００の内側シェル３１０および外側シェル３１１の内向きの変形を引き起こす衝撃によって、熱交換フィン２２０が屈曲し、これによって、この過程において、衝撃力が、格納容器２００に対して９０度に向けられたフィンによって発生し得るように内側の格納容器２００に直接伝わって格納容器２００を破断することなく、分散される。他の可能な実施形態において、格納エンクロージャ３００の構造および他の要因に応じて、熱交換フィン２２０が格納容器２００に対して直角をなす構成が適切である場合もある。
【００３０】
図３〜図６を同時に参照して、本発明がさらに説明される。本発明は、格納容器２００内に収容され、格納容器２００によって包囲されている使用済み核燃料プール６００（下記により詳細に説明される図７および図９参照）に流体結合されている受動熱交換サブシステム３４０を含む。受動熱交換サブシステム３４０の動作の詳細は、図７および図９を参照して下記により詳細に説明される。
【００３１】
例示されている実施形態において、受動熱交換サブシステム３４０は、一部には、少なくとも１つの降水管３４１と、入口マニホルド３４３と、出口マニホルド３４４とを備える。特定の実施形態において、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４は省かれてもよい。例示されている実施形態において、複数の降水管３４１は、格納容器２００の内面２５０と密接に表面接触して、それゆえ直接に結合されて示されている。さらに、特定の実施形態において、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４も、格納容器２００の内面２５０と密接に表面接触して、それゆえ直接に結合されてもよい。
【００３２】
降水管３４１は、特定の実施形態において、鋼のような金属から作成され、格納容器２００の内面２５０に溶接されてもよい。例示されている実施形態において、複数の降水管３４１は、格納容器２００の周囲に円周方向に離間され、格納容器２００の長手方向軸Ａ−Ａに平行に延伸する。図５および図６に示されているように、一実施形態において、降水管３４１は、（断面において）垂直に向けられたＣ字形状構造チャネルであって、したがって、当該チャネルの平行な脚部が各々、密閉された垂直流導管を画定するためにチャネルの全高にわたって格納容器２００にシーム溶接されるように位置付けられている、チャネルから構成されてもよい。下記により詳細に説明されるようにヒートシンク空間３１３に熱を伝達するために、降水管内で搬送される流体がヒートシンク空間３１３と熱的に協働する限り、他の適切な形状および構成にされた降水管が設けられてもよい。
【００３３】
降水管３４１は格納容器２００の内面２５０に直接結合されるように図示および説明されているが、本発明は、全ての実施形態においてそのように限定されるべきではない。特定の実施形態において、降水管３４１は、部分的にまたは全体的に、格納容器２００の内面２５０と外面２５１との間で直接、格納容器２００内へと形成されてもよい。そのような実施形態において、格納容器２００は、その内面２５０と外面２５１との間で降水管３４１を支持するのに十分である厚さを有し得る。したがって、降水管３４１は、格納容器２００の内面２５０と外面２５１との間で格納容器２００の本体を通じて垂直に延伸するダクトまたは通路であってもよい。
【００３４】
例示されている実施形態において、降水管３４１の各々は、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４の両方に流体結合されており、入口マニホルド３４３と出口マニホルド３４４との間に延伸する。例示されている実施形態において、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４の各々は、降水管３４１の各々に流体接続されている環状構造である。例示されている実施形態において、外部長手方向フィン２２０を有する格納容器２００の部分によって画定され、かつ／またはヒートシンク空間３１３によって包囲される活発な熱伝達領域において、降水管３４１の内側を垂直に流れる流体と格納容器２００との間の熱の伝達を最大限にするために、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４は垂直方向に離間され、格納容器２００の内面２５０上で適切な高さに位置付けられる。ヒートシンク空間３１３内の液体貯留槽を熱伝達に利用するために、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４は各々、それぞれヒートシンク空間３１３の上部および下部に隣接し、近接して、格納容器２００の内面２５０上に位置してもよい。
【００３５】
一実施形態において、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４は各々、格納容器２００の内面２５０に直接溶接されている、鋼管の半分から形成されてもよい。他の実施形態において、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４は、任意の適切な手段によって格納容器２００の内面２５０によって支持されるか、または内面２５０に取り付けられているアーチ状に湾曲した配管の全体部分から形成されてもよい。また他の実施形態において、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４は、格納容器２００の内面２５０と外面２５１との間の空間内で直接、格納容器２００内へと形成されてもよい。さらなる実施形態において、入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４は降水管３４１に直接結合されてもよいが、格納容器２００の内面２５０から離間されてもよい。
【００３６】
特定の実施形態において、降水管３４１のいくつかは入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４に接続されてもよく、一方で他の降水管３４１は入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４に接続されなくてもよく、したがって、様々な降水管３４１が、格納容器２００の内部の受動冷却において異なる役割を果たすことができる。例示されている実施形態において、降水管３４１が入口マニホルド３４３および出口マニホルド３４４に結合されていることに起因して、入口マニホルド３４３に入る任意の空気、液体または流体は（図７および図９を参照して下記により詳細に説明されるように）、降水管３４１を通じて下向きに流れることになり、降水管３４１を通じて流れる空気、液体または流体から熱がヒートシンク空間３１３内へと伝達されることになり、したがって、降水管３４１を通じて流れる空気、液体または流体が冷却される。したがって、図４に示されている降水管３４１の各々の中にある下向きの矢印は、図７および図９を参照してより詳細に説明されるような、受動使用済み核燃料プール冷却動作中に降水管３４１を通じて流れる空気、液体または流体の流れの方向を示す。
【００３７】
降水管３４１を通じて流れる流体を冷却するのに必要とされる熱伝達表面積に応じて、任意の適切な数および構成の降水管３４１が設けられてもよい。降水管３４１は、格納容器２００の内面２５０上に均一にまたは不均一に離間されてもよく、いくつかの実施形態においては、降水管３４１のグループ化された群が、格納容器２００をめぐって円周方向に分散されてもよい。降水管３４１は、ダクトによって搬送される流体の流速および熱伝達の考慮事項に応じて任意の適切な断面寸法を有してもよい。
【００３８】
ここで図７を参照して、格納エンクロージャ３００および格納容器２００の内部の一実施形態が説明される。格納容器２００は、原子炉５００および使用済み核燃料プール６００を包囲および収容する。受動熱交換サブシステム３４０が、上述されたように格納容器２００の内面２５０に結合されているが、受動熱交換サブシステム３４０の特定の導管は、上述されたように格納容器２００内へ直接形成され得る。受動熱交換サブシステム３４０はまた、下記に詳細に説明されるように、使用済み核燃料プール６００を受動的に冷却するために、使用済み核燃料プール６００にも流体結合されている。
【００３９】
使用済み核燃料プール６００は、まとめて内部空洞６０３を画定する周縁側壁６０１および床６０２を備える。例示されている実施形態において、使用済み核燃料プール６００の周縁側壁６０１および床６０２はコンクリートから形成されるが、他の実施形態においては使用済み核燃料プール構築に一般的に使用される他の材料が使用されてもよい。表面レベル６０６を有する液体水塊６０５が使用済み核燃料プール６００内に位置付けられ、より具体的には、液体水塊６０５が、使用済み核燃料プール６００の内部空洞６０３を充填する。さらに、少なくとも１つの使用済み核燃料棒６０７が、液体水塊６０５内に浸漬される。少なくとも１つの使用済み核燃料棒６０７は、高熱を有し、それゆえ、使用済み核燃料プール６００内の液体水塊６０５を加熱する。使用済み核燃料棒６０７が液体水塊６０５の表面レベル６０６の上に露出される望ましくない状況を結果としてもたらす液体水塊６０５の沸騰および蒸発を防止するために、受動熱交換サブシステム３４０が使用されて、使用済み核燃料プール６００内の液体水塊６０５が受動的に冷却される。
【００４０】
例示されている実施形態において、使用済み核燃料プール６００は蓋６１０によって被覆される。使用済み核燃料プール６００を蓋６１０によって被覆することによって、液体水塊６０５の表面レベル６０６と蓋６１０との間に密閉蒸気空間６１１が形成される。蒸気空間６１１は、液体水塊６０５の表面レベル６０６と蓋６１０との間の、空気充填空間である。蒸気空間６１１は、液体水塊６０５がその中に浸漬されている使用済み核燃料棒６０７によって加熱されるようになると、蒸気または液体水塊６０５から蒸発する水で満たされるようになる。蓋６１０を使用することによって、塵およびゴミが液体水塊６０５内に堆積することが防止され、したがって、プール洗浄システムを使用する必要性または頻度が低減する。さらに、蓋６１０は、使用済み核燃料プール６００からの湿気（すなわち、蒸気空間６１１内の水蒸気）が格納容器２００の内部空洞２６０内に入るのを防止し、したがって、格納容器２００の内部空洞２６０におけるＨＶＡＣ負荷を低減し、操作者／作業員による格納容器２００の内部空洞２６０の居住性が増大する。さらに、特定の実施形態において、蓋６１０が格納容器２００の内部の、作業エリア、または、機器を一時的に置けるエリアとしての役割を果たすことを可能にするために、平坦な上部を有する蓋６１０が設計され得る。
【００４１】
蓋６１０は、限定ではなく、コンクリート、金属、金属合金、木材などを含む任意の所望の材料から形成することができる。必要である範囲において放射線遮蔽は概して液体水塊６０５によって達成されるため、蓋６１０は、全ての実施形態において放射線を遮蔽する必要はない。むしろ、蓋６１０は、蓋６１０と液体水塊６０５の表面レベル６０６との間に密閉蒸気空間６１１を形成するように意図されている。そのような密閉蒸気空間６１１を達成することが可能な任意の材料を、蓋６１０に使用することができる。
【００４２】
上記のように、受動熱交換サブシステム３４０は、使用済み核燃料プール６００に流体結合されている。より具体的には、受動熱交換サブシステム３４０は、使用済み核燃料プール６００の蒸気空間６１１および液体水塊６０５の両方に流体結合されている。上記のように、受動熱交換サブシステム３４０は、降水管３４１と、入口マニホルド３４３と、出口マニホルド３４４とを備える。さらに、受動熱交換サブシステム３４０は、例示されている実施形態において、昇水路導管３７０および戻し導管３８０をも含む。下記に詳細に説明されるように、受動熱交換サブシステム３４０は、蒸気空間６１１から水蒸気を受け入れ、受け入れられた水蒸気から熱エネルギーを除去し、したがって水蒸気を凝縮し、凝縮水蒸気を液体水塊６０５に戻すように構成されている。結果として、水蒸気は、密閉蒸気空間６１１内に閉じ込められたままになり、その後、格納容器２００の内部空洞２６０内に入ることなく受動熱交換サブシステム３４０を通じて流れるため、格納容器２００の内部空洞２６０内部の湿度には影響を与えない。さらに、水蒸気および凝縮水蒸気が受動熱交換サブシステム３４０を流れることに起因して、使用済み核燃料プール６００、および具体的には内部の液体水塊６０５が受動的に冷却される。
【００４３】
下記により詳細に説明されるように、受動熱交換サブシステム３４０は、閉ループ流体回路を含むか、または形成する。具体的には、水蒸気は、使用済み核燃料プール７００から（具体的には使用済み核燃料プール７００の蒸気空間６１１から）昇水路導管３７０内へ、昇水路導管３７０から入口マニホルド３４３内へ、入口マニホルドから降水管３４１内へ、降水管３４１から出口マニホルド３４４内へ、出口マニホルドから戻し導管３８０内へ戻し導管３８０から戻って使用済み核燃料プール７００内（具体的には、使用済み核燃料プール７００内の液体水塊７０５内）へと流れる。したがって、受動熱交換サブシステム３４０は、使用済み核燃料プール７００から加熱された水蒸気を取り込み、加熱された水蒸気を冷却して冷却された凝縮水蒸気を形成し、冷却された凝縮水蒸気を再導入して使用済み核燃料プール７００内に戻して、使用済み核燃料プール７００内の液体水塊７００を受動的に冷却する閉ループ流体回路を形成する。このシステムおよびシステムを通じた流体流の詳細が、下記に詳細に説明される。
【００４４】
例示されている実施形態において、受動熱交換サブシステム３４０の昇水路導管３７０は、蒸気空間６１１内に位置する入口３７１を有する。さらに、受動熱交換サブシステム３４０の戻し導管３８０は、液体水塊６０５内に位置する出口３８１を有する。したがって、液体水塊６０５が使用済燃料棒６０７によって加熱されるようになると、蒸気空間６１１が高温の水蒸気で満たされるようになる。水蒸気は、昇水路導管３７０の入口３７１を通じて受動熱交換サブシステム３４０内に流れ込む。その後、水蒸気は矢印Ａによって示される方向において昇水路導管３７０内を上向きに流れる。
【００４５】
降水管３４１は、格納容器２００の内面２５０と結合されているか、または密接に表面接触（すなわち、共形表面接触）しているように上述されているが、特定の実施形態において、昇水路導管３７０は格納容器２００に同様には結合されていない。むしろ、昇水路導管３７０を通じて流れる水蒸気が、昇水路導管３７０内を上昇するときに冷えないように、昇水路導管３７０内にある間は水蒸気の熱エネルギーを保持することを保証することが望ましい。水蒸気が昇水路導管３７０を通じて流れている間、水蒸気の熱エネルギーを保持することによって、高温の水蒸気が昇水路導管３７０内を上昇し、その後、降水管３４１内で冷えることを保証することによって熱サイフォン流が促進され得る。したがって、特定の実施形態において、昇水路導管３７０は格納容器２００の内面２５０および他の表面から離間され、したがって、昇水路導管３７０はヒートシンク（すなわち、ヒートシンク空間３１３）と熱的に協働しない。特定の実施形態において、昇水路導管３７０はまた、断熱層をも含んでもよい。そのような断熱層は、水蒸気が昇水路導管３７０内を上向きに流れるときに水蒸気の熱エネルギーを昇水路導管３７０内に閉じ込めることによって、水蒸気が昇水路導管３７０内を上向きに流れるときに水蒸気が凝縮しないことをさらに保証する。
【００４６】
しかしながら、本発明は、全ての実施形態において上記によって限定されるべきではなく、特定の他の実施形態においては、水蒸気が昇水路導管３７０内を上昇するときに水蒸気を凝縮することが望ましい場合がある。そのような実施形態において、昇水路導管３７０は、格納容器２００の内面２５０に結合されるか、または内面２５０と密接に表面接触してもよい。代替的に、断熱層は省かれてもよく、水蒸気は、格納容器２００の内部空洞２６０内の温度が昇水路導管３７０内の水蒸気の温度よりも低くなることに起因して経時的に発生する自然な熱エネルギーの伝達および自然な冷却に起因して、上昇するときに凝縮してもよい。
【００４７】
水蒸気は、入口マニホルド３４３内に供給されている間は昇水路導管３７０内を矢印Ａの方向に流れ続けることになる。例示されている実施形態において、入口マニホルド３４３は、昇水路導管３７０を１つまたは複数の降水管３４１に流体結合する。したがって、入口マニホルド３４３内に入った後、水蒸気は入口マニホルド３４３を流れ出て、１つまたは複数の降水管３４１に入ることになる。上記のように、降水管３４１は特定の実施形態において、格納容器２００の内面２５０に直接結合される。結果として、降水管３４１はヒートシンク空間３１３内の液体貯留槽によって形成されるヒートシンクと熱的に協働する。この降水管３４１とヒートシンクとの間の熱的協働に起因して、熱エネルギーが、降水管３４１内で搬送されている水蒸気から外向きにヒートシンクへ（すなわち、ヒートシンク空間３１３内の液体貯留槽へ）伝達される。具体的には、水蒸気からの熱エネルギーは、１つまたは複数の降水管３４１および格納容器２００を通じてヒートシンクに伝達される。したがって、ヒートシンク空間３１３および内部の液体貯留槽は、降水管３４１内を流れる水蒸気からの、自然蒸発による環境への熱を拒絶することによって、使用済み核燃料プール６０００内の崩壊熱のためのヒートシンクとしての役割を果たす。熱エネルギーが水蒸気からヒートシンクへと伝達されると、水蒸気は降水管３４１内で凝縮し、冷えて、凝縮水蒸気を形成する。
【００４８】
水蒸気からヒートシンクへの熱エネルギー伝達は、受動熱交換サブシステム３４０を通じた水蒸気の自然な受動熱サイフォン流を促進する。具体的には、高温の水蒸気が昇水路導管３７０内を上昇し、降水管３４１内で冷える。高温の水蒸気は昇水路導管３７０を通じて流れ続け、受動熱交換サブシステム３４０の閉ループ流体回路を通じて水蒸気を受動的に押し続ける。
【００４９】
水蒸気が降水管３４１内で凝縮して凝縮水蒸気（すなわち、液体水）が形成された後、凝縮水蒸気は矢印Ｂの方向において降水管３４１内を下向きに流れ続ける。いくつかの実施形態において、この凝縮水蒸気の下向きの流れは、重力作用によって達成することができる。凝縮水蒸気は降水管３４１から出口マニホルド３４３内へ流れる。出口マニホルド３４４は降水管３４１を戻し導管３８０に流体結合する。したがって、出口マニホルド３４３から、凝縮水蒸気は、戻し導管３８０内へ流れ込み、戻し導管３８０を通って、戻し導管３８０の出口３８１を通じて流れ出て、液体水塊６０５に流れ込む。凝縮水蒸気は、使用済み核燃料プール６００内の液体水塊６０５と混合する。
【００５０】
いくつかの実施形態において、凝縮水蒸気は、上述された熱エネルギー伝達に起因して、使用済み核燃料プール６００内の液体水塊６０５の平均温度よりも低い温度を有する。高温の水蒸気は使用済み核燃料プール６００から継続的に除去され、冷却された凝縮水蒸気として使用済み核燃料プール６００内に再導入される。したがって、受動熱交換サブシステム３４０を使用すれば、使用済み核燃料プール６００、および、より具体的には使用済み核燃料プール６００内の液体水塊６０５が、高温の水蒸気を使用済み核燃料プール６００から流し出して冷却された凝縮水蒸気を液体水塊６０５内に戻すことによって受動的に冷却され得る。受動熱交換サブシステム３４０は、いかなるポンプまたはモータも使用することなく、上述されたように水蒸気の熱サイフォン流を促進する。
【００５１】
特定の実施形態において、蒸気空間６１１内の空気が亜大気圧になるまで部分的に抜かれ（すなわち、吸引され）、したがって、液体水塊６０５の蒸発温度は約１２０°Ｆ〜１８０°Ｆ、より具体的には約１３５°Ｆ〜１６５°Ｆ、さらにより具体的には約１５０°Ｆまで低下される。蒸気空間６１１内の空気を抜くことによって、蒸気空間が水蒸気で満たされたままになり、したがって、受動熱交換サブシステム３４０を通じた水蒸気の熱サイフォン流が達成され得ることが保証される。
【００５２】
ここで図８および図９を参照して、本発明の別の実施形態による、使用済み核燃料プール７００が説明される。使用済み核燃料プール７００の特定の特徴は、使用済み核燃料プール６００に関して上述された特徴と同様である。それらの同様の特徴は、７００番台の数字が使用されることを除いて同様に参照符号を付される。
【００５３】
使用済み核燃料プール７００は、まとめて内部空洞７０３を画定する周縁側壁７０１および床７０２を備える。表面レベル７０６を有する液体水塊７０５が、内部空洞７０３内で使用済み核燃料プール７００の中に位置付けられている。少なくとも１つの使用済み核燃料棒７０７が、液体水塊７０５内に浸漬される。使用済み核燃料棒７０７は極めて高温であるため、使用済み核燃料棒７０７は液体水塊７０５を加熱する。したがって、液体水塊７０５は、特定の実施形態において、下記により詳細に説明されるように、受動熱交換サブシステム３４０を使用することによって、使用済み核燃料棒７０７によって生成される熱を除去するために継続的に冷却される。
【００５４】
例示されている実施形態において、蓋７１０が、使用済み核燃料プール７００を被覆して、液体水塊７０５の表面レベル７０６と蓋７１０との間に密閉蒸気空間７１１を形成する。例示されている実施形態において、蓋７１０は、まとめて使用済み核燃料プール７００全体を被覆する、第１の蓋部分７２１と、第２の蓋部分７２２と、第３の蓋部分７２３とを備える。例示されている実施形態において、３つの異なる蓋部分が示されているが、本発明は、全ての実施形態においてそのように限定されるべきではない。したがって、他の実施形態において、蓋７１０は、２つのみの蓋部分を含んでもよく、または、蓋７１０は、３つ以上の蓋部分を含んでもよい。蓋部分の数は、特定の実施形態において、後述するような仕切りの数に対応する（特定の実施形態において、仕切りの数よりも１つ多い蓋部分があることになる）。
【００５５】
さらに、例示されている実施形態において、第１の仕切り７３０が、蓋７１０から液体水塊７０５内へと一部の距離にわたって延伸し、第２の仕切り７３１が、蓋７１０から液体水塊７０５内へと一部の距離にわたって延伸する。仕切り７３０、７３１の各々は、液体水塊７０５内へと一部の深さにわたって延伸する部分深さ壁である。仕切り７３０、７３１は、金属、金属合金、コンクリートなどのような任意の所望の材料から形成することができる。第１の仕切り７３０は蓋７１０から第１の蓋部分７２１と第２の蓋部分７２２との間の位置において液体水塊７０５内へと延伸し、第２の仕切り７３１は蓋７１０から第２の蓋部分７２２と第３の蓋部分７２３との間の位置において液体水塊７０５内へと延伸する。仕切り７３０、７３１は、特定の実施形態においては、溶接、接着、締結具などによってなどで蓋７１０に直接結合されてもよく、または、介在する構造によって蓋７１０に間接的に結合されてもよい。例示されている実施形態において、２つの仕切りが示されているが、本発明は、全ての実施形態においてそのように限定されるべきではない。したがって、特定の実施形態において、１つのみの仕切りがあってもよく、または２つ以上の仕切りがあってもよい。特定の実施形態において、１つの仕切りが使用される場合、蓋は２つの蓋部分を有し、２つの仕切りが使用される場合、蓋は３つの蓋部分を有し、３つの仕切りが使用される場合、蓋は４つの蓋部分を有する、などである。
【００５６】
第１の仕切り７３０および第２の仕切り７３１の各々は蓋７１０から液体水塊７０５内へと延伸するが、使用済み核燃料プール７００の床へと行き着くところまで延伸するのではない。特定の実施形態において、仕切り７３０、７３１の各々は、液体水塊７０５の深さの約１／３〜１／５、より具体的には、液体水塊７０５の深さの約１／４まで延伸する。したがって、使用済み核燃料プール７００が４０フィートの深さを有する場合、第１の仕切り７３０および第２の仕切り７３１の各々は、液体水塊７０５内へと８〜１３フィート、またはより具体的には、液体水塊７０５内へと約１０フィートまで延伸し得る。無論、第１の仕切り７３０および第２の仕切り７３１が延伸する深さは上記よりも大きくても小さくてもよく、本発明は、特許請求の範囲において特に記載されない限り、仕切り７３０、７３１が液体水塊７０５内へと延伸する深さによって限定されるべきではない。
【００５７】
第１の仕切り７３０および第２の仕切り７３１は液体水塊７０５内へと部分的にしか延伸しないため、液体水塊７０５は第１の仕切り７３０および第２の仕切り７３１の下を流れることが可能である。したがって、液体水塊７０５全体が何ら制約されることなく使用済み核燃料プール７００内を自由に流れることができる。しかしながら、第１の仕切り７３０および第２の仕切り７３１は、蒸気空間７１１を、第１の蓋部分７２１と液体水塊７０５の表面レベル７０６との間に位置する第１の蒸気空間部分７２４と、第２の蓋部分７２２と液体水塊７０５の表面レベル７０６との間に位置する第２の蒸気空間部分７２５と、第３の蓋部分７２３と液体水塊７０５の表面レベル７０６との間に位置する第３の蒸気空間部分７２６とに分割する。第１の蒸気空間部分７２４、第２の蒸気空間部分７２５、および第３の蒸気空間部分７２６の各々は、仕切り７３０、７３１および蓋部分７２１、７２２、７２３によって互いから気密的に分離され、したがって、第１の蒸気空間部分７２４内の水蒸気は第２の蒸気空間部分７２５または第３の蒸気空間部分７２６内へと流れ込むことができず、第２の蒸気空間部分７２５内の水蒸気は第１の蒸気空間部分７２４または第３の蒸気空間部分７２６内へと流れ込むことができず、第３の蒸気空間部分７２６内の水蒸気は第１の蒸気空間部分７２４または第２の蒸気空間部分７２５内へと流れ込むことができない。
【００５８】
例示されている実施形態において、ガスケット７３５が、第１の蓋部分７２１、第２の蓋部分７２２、および第３の蓋部分７２３の各々に結合されている（図８Ａ参照）。ガスケット７３５は、環状ゴムガスケット、または、密閉蒸気空間部分７２４、７２５、７２６の形成を促進する任意の他のタイプの既知のガスケットであってもよい。したがって、使用済燃料プール７００は、周縁を密閉されている重い蓋部分７２１、７２２、７２３のセットによって被覆され、したがって、空間（すなわち、蓋部分７２１、７２２、７２３の下の蒸気空間部分７２４、７２５、７２６）は、蓋部分７２１、７２２、７２３の上の周囲環境から隔離される。
【００５９】
例示されている実施形態において、第１の蒸気空間部分７２４、第２の蒸気空間部分７２５、および第３の蒸気空間部分７２６の各々からの水蒸気が、受動熱交換サブアセンブリ３４０内に導入され得る。それに関連して、水蒸気を使用済み核燃料プール７００から降水管３４１へと搬送する昇水路管７７０（図９参照）は、主昇水路部分７７１（図９参照）と、第１の昇水路入口部分７７２と、第２の昇水路入口部分７７３と、第３の昇水路入口部分７７４とを備える。例示されている実施形態において、第１の昇水路入口部分７７２、第２の昇水路入口部分７７３、および第３の昇水路入口部分７７４の各々は、使用済み核燃料プール７００のコンクリート周縁側壁７０１内へ、当該コンクリート周縁側壁７０１を通じて延伸する。この構成によって、蓋部分７２１、７２２、７２３の各々が、受動熱交換サブシステム３４０の吸入／戻し配管に影響を与えることなく取り外し／開放されることが可能になる。
【００６０】
第１の昇水路入口部分７７２は、第１の蒸気空間部分７２４内に位置付けられている第１の入口７７５を有し、第２の昇水路入口部分７７３は、第２の蒸気空間部分７２５内に位置付けられている第２の入口７７６を有し、第３の昇水路入口部分７７４は、第３の蒸気空間部分７２６内に位置付けられている第３の入口７７７を有する。したがって、第１の入口７７５、第２の入口７７６、および第３の入口７７７の各々は、それぞれの蒸気空間部分７２４、７２５、７２６の中で液体水塊７０５の表面レベル７０６（すなわち、最高水面）の上に位置する。第１の蒸気空間部分７２４、第２の蒸気空間部分７２５、および第３の蒸気空間部分７２６の各々から受動熱交換サブシステム３４０を通る水蒸気の流れが、図９を参照して下記により詳細に説明される。
【００６１】
さらに上述されたように、受動熱交換サブシステム３４０は、戻し導管３８０を備える。例示されている実施形態において、戻し導管３８０は、使用済み核燃料プール７００のコンクリート側壁７０１を通じて延伸する。戻し導管３８０は、液体水塊７０５内に位置する出口３８１において終端する。例示されている実施形態において、１つの戻し導管３８０しか示されていないが、他の実施形態においては、蒸気空間部分ごとに１つの戻し導管を有するなど、１つ以上の戻し導管３８０が使用されてもよい。
【００６２】
特定の実施形態において、蒸気空間７２４、７２５、７２６から空気を吸引することなどによって、第１の蒸気空間部分７２４、第２の蒸気空間部分７２５、および第３の蒸気空間部分７２６の各々の中の空気が亜大気圧になるまで部分的に抜かれ得、したがって、液体水塊７０５の蒸発温度は約１２０°Ｆ〜１８０°Ｆ、より具体的には約１３５°Ｆ〜１６５°Ｆ、さらにより具体的には約１５０°Ｆまで低下される。蒸気空間部分７２４、７２５、７２６内の空気を抜くことによって、蒸気空間部分７２４、７２５、７２６が水蒸気で満たされたままになり、したがって、受動熱交換サブシステム３４０を通じた水蒸気の熱サイフォン流が達成され得ることが保証される。
【００６３】
本発明の使用済み核燃料プール７００を使用すれば、新たな燃料カートリッジまたは燃料アセンブリを使用済み核燃料プール７００内に設置するかまたは取り除くために所望されるように、蓋部分７２１、７２２、７２３のいずれか１つを使用済み核燃料プール７００から別個に取り外すことができる。蓋部分７２１、７２２、７２３のうちの１つを取り外すことが所望されるとき、最初に、取り外されるべき蓋部分７２１、７２２、７２３によって被覆されている特定の蒸気空間部分７２４、７２５、７２６内の圧力が周囲と等しくされる。その後、蓋部分７２１、７２２、７２３が取り外される。蓋部分７２１、７２２、７２３のうちの１つが燃料管理活動のために取り外されている間、他の蓋部分７２１、７２２、７２３は使用済み核燃料プール７００を被覆したままである。したがって、例えば、限定ではなく、第１の蓋部分７２１が取り外される場合、第２の蓋部分７２２および第３の蓋部分７２３はその場に留まることになる。したがって、第２の蒸気空間部分７２５および第３の蒸気空間部分７２６は密閉蒸気空間であり続け、第２の昇水路入口部分７７３および第３の昇水路入口部分７７４は第２の蒸気空間部分７２５および第３の蒸気空間部分７２６から水蒸気を受け入れ続け、受け入れられた水蒸気を、受動熱交換サブシステム３４０を通じて流し続ける。したがって、特定の実施形態において、プール冷却システムは、たとえ燃料管理活動中であっても、一切のモータまたはポンプによる補助を受けずに、常時作動し続ける。
【００６４】
図９のみを参照して、受動熱交換サブシステムが使用済み核燃料プール７００に流体結合されているときの、受動熱交換サブシステム３４０を通じた水蒸気の流れが説明される。第１の蒸気空間部分７２４、第２の蒸気空間部分７２５、および第３の蒸気空間部分７２６の各々は互いから気密的に分離されているため、昇水路入口部分７７２、７７３、７７４のうちの１つの入口７７５、７７６、７７７は、第１の蒸気空間部分７２４、第２の蒸気空間部分７２５、および第３の蒸気空間部分７２６の各々のうちのそれぞれの蒸気空間部分内に位置付けられる。例示されている実施形態において、第１の昇水路入口部分７７２、第２の昇水路入口部分７７３、および第３の昇水路入口部分７７４の各々は、主昇水路部分７７１に合流し、したがって、第１の昇水路入口部分７７２、第２の昇水路入口部分７７３、および第３の昇水路入口部分７７４の各々を通じて流れる水蒸気が主昇水路部分７７１において合流する。昇水路導管７７０の主昇水路部分７７１は、入口導管３４３によって１つまたは複数の降水管３４１に流体結合されている。より具体的には、昇水路導管７７０の主昇水路部分７７１が入口導管３４３に流体結合されており、入口導管３４３が降水管３４１に流体結合されている。
【００６５】
例示されている実施形態において、第１の昇水路入口部分７７２、第２の昇水路入口部分７７３、および第３の昇水路入口部分７７４は主昇水路部分７７１に合流するが、本発明は、全ての実施形態においてそのように限定されるべきではない。特定の他の実施形態において、第１の昇水路入口部分７７２、第２の昇水路入口部分７７３、および第３の昇水路入口部分７７４の各々は、蒸気空間部分７２４、７２５、７２６のうちの１つから別個に、入口導管３４３へと延伸してもよい。したがって、主昇水路部分７７１は省かれてもよく、第１の昇水路入口部分７７２、第２の昇水路入口部分７７３、および第３の昇水路入口部分７７４は合流しなくてもよく、代わりに、各々が別個に、蒸気空間部分７２４、７２５、７２６から入口マニホルド３４３へと、降水管３４１内に分散させるために水蒸気を搬送してもよい。
【００６６】
主昇水路部分７７１ならびに第１の昇水路入口部分７７２、第２の昇水路入口部分７７３、および第３の昇水路入口部分７７４の各々は、水蒸気が昇水路導管７７０内を流れている間に熱エネルギーが水蒸気から出るのを防止するために、断熱層を含んでもよい。さらに、主昇水路部分７７１ならびに第１の昇水路入口部分７７２、第２の昇水路入口部分７７３、および第３の昇水路入口部分７７４の各々は、水蒸気が昇水路導管７７０内を流れている間に熱エネルギーが水蒸気からヒートシンクへと伝達されるのを防止するために、格納容器２００の内面２５０から離間されてもよい。
【００６７】
上記のように、入口マニホルド３４３は降水管３４１と流体連通している。したがって、水蒸気は昇水路導管７７０から入口マニホルド３４３へと上向きに流れ、入口マニホルド３４３において、その後、水蒸気は降水管３４１内に流れ込み、降水管３４１内を下向きに流れる。上述されたように、特定の実施形態において、降水管３４１は、格納容器２００の内面２５０と密接に表面接触しているか、または他の様態で内面２５０に結合されている。したがって、水蒸気が降水管３４１内を流れるとき、熱エネルギーが水蒸気から、降水管３４１を通じ、格納容器２００を通じて、ヒートシンク内（例えば、ヒートシンク空間３１３内の液体貯留槽内）へと伝達される。この熱エネルギー伝達によって水蒸気が冷却および凝縮され、水蒸気が凝縮水蒸気になる。
【００６８】
その後、凝縮水蒸気は、重力作用によって降水管３４１を通じて下向きに流れ続ける。凝縮水蒸気は出口マニホルド３４４内に流れ込み、その後、出口マニホルド３４４から戻し導管３８０内に流れ込む。戻し導管３８０から、凝縮水蒸気は出口３８１を通じて液体水塊７０５内に流れ込む。したがって、受動熱交換サブシステム３４０を使用すれば、加熱された水蒸気を使用済み核燃料プール７００から流し出して冷却された凝縮水蒸気を使用済み核燃料プール７００内に流し戻すことによって、使用済み核燃料プール７００内の液体水塊７０５が受動的に冷却され得る。
【００６９】
特定の実施形態において、本発明は、本明細書において上述された構成要素を使用して使用済み核燃料プールを受動的に冷却する方法を対象とし得る。システムの動作が上記に詳細に説明されており、方法はその本発明のシステムによって達成される。具体的には、上述されたシステム構成要素を使用すれば、本発明のシステムは、使用済み核燃料プールを受動的に冷却することができ、したがって、本発明は、使用済み核燃料プールを受動的に冷却する方法であり得る。
【００７０】
別途明記されていない限り、本明細書に記載されている構成要素は概して、意図される用途および使用条件に適した適切な材料から形成されてもよい。全ての導管および配管は概して、原子力産業標準の配管から形成される。腐食または湿気の多い環境に晒される構成要素は、腐食耐性金属（例えば、ステンレス鋼、亜鉛めっき鋼、アルミニウムなど）から作成されるか、または、腐食保護のためにコーティングされてもよい。
【００７１】
本発明を実行するのに現在好ましい形態を含む特定の例に関して本発明が説明されたが、上述されたシステムおよび技法の多数の変形形態および置換形態があることを当業者は理解しよう。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構造的および機能上の変更をなすことができることは理解されたい。したがって、本発明の精神および範囲は、添付の特許請求の範囲に記載されている通りに広範囲に解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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