JP2007010434A

JP2007010434A - 照射燃料貯蔵ラック

Info

Publication number: JP2007010434A
Application number: JP2005190399A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Mihashi; 偉司三橋; Tomoharu Sasaki; 智治佐々木; Kiyoshi Ueda; 精植田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】中性子吸収体に中性子吸収材料を多く含有させて照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率の低下を図り、加工を要するバスケット材の中性子吸収材料の添加量を抑制し、加工性を向上させ、照射燃料の高密度収納が可能な照射燃料貯蔵ラックを提供する。
【解決手段】本発明に係る照射燃料貯蔵ラック１２は、仕切板または角管（セル管）で構成した照射燃料収納セル１３を多数配置し、原子力発電所で発生する照射燃料を収納して貯蔵、保管する照射燃料収納セル１３を燃料貯蔵プール１１等の水プールの水中に設置したものである。
照射燃料貯蔵ラック１２は、照射燃料収納セル１３間に存在する水領域２２に中性子吸収体２５を配置して構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は原子炉から取り出された照射燃料集合体を貯蔵し、保管する照射燃料貯蔵技術に係り、特に、原子力発電所で発生する使用済みの照射燃料集合体を原子力発電所あるいは、核燃料再処理工場の燃料貯蔵プール内で貯蔵し、保管するのに好適な照射燃料貯蔵ラックに関する。

一般に原子力発電プラントにおいては、原子炉を一定期間運転後、使用済となった照射燃料は炉心から取り出される。使用済みの照射燃料は、原子力発電所から再処理工場へ搬出されるまでの間、原子力発電所内の燃料貯蔵プールで貯蔵され、冷却される。

この場合、使用済みの照射燃料は、燃料貯蔵プール内に設置された照射燃料貯蔵ラックに貯蔵される。照射燃料貯蔵ラックは、ステンレス鋼等の構造材料で燃料収納セルを多数構成し、燃料貯蔵プール内に設置された照射燃料貯蔵ラック内に使用済照射燃料が収容される。

また、使用済みの照射燃料（照射燃料集合体）は再利用に供するために再処理される。この再処理を効率的に行なうことができるように、輸送用として照射燃料輸送容器のバスケットが用いられる。このバスケットに収納された照射燃料が輸送された後、使用済照射燃料が再処理されるまで、再処理工場の照射燃料受入貯蔵施設の燃料貯蔵プール内に設置された照射燃料貯蔵ラック内に使用済照射燃料は貯蔵される。

使用済照射燃料は照射燃料貯蔵ラックを構成する材料の中性子吸収特性および水による中性子の減速、遮蔽効果などを考慮し、一定の間隔を保ちながら貯蔵され、想定されるいかなる状況下においても未臨界性が保たれる。また、使用済照射燃料は可能な限り高密度で貯蔵されることが好ましい。さらに、燃料貯蔵プールを広く作ることが可能な場合には、高密度な貯蔵に必要な高価な照射燃料貯蔵ラック材料を廃し、安価な材料で照射燃料貯蔵ラックを製作し、照射燃料貯蔵ラックを低コストにすることが経済的であり、望まれる。

しかし、近年、使用済みの照射燃料の増加により、照射燃料の照射燃料貯蔵ラックでの高密度貯蔵は増々必要性が増してきている。使用済みの照射燃料を高密度に貯蔵する目的から照射燃料貯蔵ラックに多数配置される仕切板または角管で構成した照射燃料収納セルの仕切板または角管の材料を、中性子吸収能力の大きな物質（以下、中性子吸収物質という。）とし、照射燃料貯蔵ラックの未臨界性を保持しながら、照射燃料間の間隔を狭くし、稠密度配置ができる配慮をしている。

また、原子炉燃料の高燃焼度化（高濃縮度化）による照射燃料を収納した照射燃料貯蔵ラックの未臨界性担保の裕度減少に対する対応策としても、バスケット材をボロン中性子吸収材を含有させた材料とすることが必要となってきている。ここに、バスケット材とは照射燃料収納セルを構成する仕切板または角管の材料をいい、照射燃料収納セルの集合をバスケットという。

さらに、ボロン中性子吸収材入りバスケット材はそのボロン濃度が約１ｗｔ％（重量％）以上に高くなると加工が困難になることから、バスケット材に含まれるボロン濃度に上限があり、このため、中性子吸収核種であるＢ−１０を濃縮したり、また、バスケット材がボロン濃度１ｗｔ％以上を含有しても加工性が悪くならないようなバスケット材やその製造方法を開発したり、さらに、照射燃料の稠密度を増大させる開発研究も行われてきている。

照射燃料貯蔵ラックではバスケット材としてボロン中性子吸収材入りステンレス鋼等の材料を使用し、照射燃料貯蔵の稠密度を増大させてきているが、このボロン中性子吸収材入りバスケット材は現在でも非常に高価であり、照射燃料貯蔵ラックのコストアップが生じ、高コスト化を招いている。

従来、この種の照射燃料貯蔵ラックとして、特開平５−２４９２９０号公報（特許文献１）および実開昭６１−８２２９５号公報（特許文献２）に開示されたものがある。

特許文献１に開示された照射燃料貯蔵ラックは、使用済みの照射燃料を収納する照射燃料収納セル間にフラックストラップ中性子吸収装置を配置し、中性子吸収量を増加させて照射燃料収納セルの密度を高め、核燃料の貯蔵を高めるようにしたものである。

この照射燃料貯蔵ラックは、照射燃料収納セル間に存在する水の一部を排除して高速中性子減速用の金属水素化物を配置し、この金属水素化物の周囲に配置した熱中性子吸収材で熱中性子を吸収し、中性子吸収量を増加させたものである。

また、特許文献２に記載された照射燃料貯蔵ラックは、照射燃料貯蔵ラックの燃料収納セル間に中性子吸収板を配置し、中性子吸収量を増加させて照射燃料収納セルの密度を高め、核燃料の貯蔵能力を高めるようにしたものである。
特開平５−２４９２９０号公報実開昭６１−８２２９５号公報

特許文献１に記載の照射燃料貯蔵ラックは、照射燃料収納セル間に存在する水の一部を排除する高速中性子減速用の金属水素化物と高速中性子が減速されて生成される熱中性子を吸収する熱中性子吸収材を何らかのキャニスタ容器に入れて照射燃料収納セル間に配置するという極めて複雑な構造を有している。

キャニスタ容器を構成するのに必要な材料や熱中性子吸収材の他、高速中性子減速用の金属水素化物も照射燃料収納セル間に挿入する必要がある。実際には、照射燃料収納セル間が狭い場合には、金属水素化物を照射燃料収納セル間に挿入するに充分な大きさにできず、金属水素化物による高速中性子の熱中性子への減速を効率的に行うことができない。高速中性子の減速が充分でないと、中性子吸収量の増加による照射燃料集合体（照射燃料）が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率の低下を果すことができない。

また、照射燃料収納セル同士の間隔が広い場合には、照射燃料収納セル間の水の存在により、高速中性子の減速が十分行われており、そこに、高速中性子を熱中性子に減速する金属水素化物を挿入すること自体に格別な意義が存在しない。

また、特許文献２に記載の照射燃料貯蔵ラックは、バスケット材や照射燃料収納セル間に配置する中性子吸収板についての定量的な検討がなく、実際の照射燃料貯蔵ラックへの適用が困難であった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、照射燃料収納セル間に存在する水領域に中性子吸収体を配置して高価なボロン中性子吸収材入りバスケット材を不要とし、バスケット材中のボロン中性子吸収材の濃度を低下させて加工性を向上させ、さらに、照射燃料間の間隔を狭くし、照射燃料の稠密度を増大させた照射燃料貯蔵ラックを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、複雑な加工が不要なプレート部材に中性子吸収材を多く含有させ、中性子吸収量を増加させて照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率の低下を図り、加工を要するバスケット材のボロン中性子吸収材の添加量を抑制し、加工性を向上させ、照射燃料を高密度収納が可能な低コストの照射燃料貯蔵ラックを提供することにある。

本発明に係る照射燃料貯蔵ラックは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、仕切板または角管で構成した照射燃料収納セルを多数配置し、原子力発電所で発生する照射燃料を収納して貯蔵、保管する前記照射燃料収納セルが水プールの水中に設置される照射燃料貯蔵ラックにおいて、前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に中性子吸収体を配置したものである。

本発明に係る照射燃料貯蔵ラックは、照射燃料収納セル間に存在する水領域に中性子吸収体を配置することにより、照射燃料収納セルの集合であるバスケットを構成するバスケット材として高価なボロン中性子吸収材入りバスケット材を不要とし、ボロン中性子吸収材を含有しないバスケット材としたり、ボロン中性子吸収材の濃度を低下させたバスケット材とすることができ、バスケット材を簡素化して加工性を向上させることができ、さらに、照射燃料収納セルの間隔を減少させ、稠密度を増大させることができ、水プールの水中で照射燃料ラックを用いた照射燃料の効率的かつ効果的な貯蔵、保管が可能となる。

本発明に係る照射燃料貯蔵ラックの第１実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は、原子炉建屋１０における使用済燃料貯蔵プール１１の水中に設置された角筒形状の照射燃料貯蔵ラック１２とを示し、この照射燃料貯蔵ラック１２に多数の照射燃料収納セル１３が収容され、バスケットが構成される。収容された照射燃料収納セル１３は、平面視マトリックス状あるいは格子状に配設される。照射燃料収納セル１３は、照射燃料貯蔵ラック１２内を仕切板で仕切ることにより、あるいは照射燃料貯蔵ラック１２内に図２に示すように、多数の角管１４を収納させることにより、形成される。

原子力発電プラントは、原子炉を所定期間運転すると、炉心に装荷された核燃料が使用済みとなる。この使用済みの照射燃料が炉心から取り出されて燃料貯蔵プール１１に搬送され、この燃料貯蔵プール１１内に貯蔵される。

使用済みの照射燃料（照射燃料集合体）を貯蔵する照射燃料貯蔵ラック１２は、図２に示すように、下部に台座１５が設けられ、この台座１５の少なくとも４隅部に設けられる固定ボルト１６により、照射燃料貯蔵ラック１２は、水が張られた使用済燃料貯蔵プール１１の床面に据え付けられ、立設状態で固定される。

使用済みの照射燃料は、核燃料再処理工場へ搬出されるまでの間、原子炉建屋１０の燃料貯蔵プール１１内に貯蔵される。使用済みの照射燃料は、燃料貯蔵プール１１内に設置された照射燃料貯蔵ラック１２内に収容されて、冷却される。

使用済みとなった照射燃料は、原子炉建屋１０の燃料貯蔵プール１１で冷却された後、核燃料再処理工場に搬送され、この再処理工場にて再処理される。核燃料再処理工場への搬送には、照射燃料輸送容器のバスケットが用いられ、このバスケットに使用済照射燃料が収納されて核燃料再処理工場に搬送される。

使用済照射燃料は、核燃料再処理工場に搬送されて再処理されるまでの間、再処理工場の照射燃料受入貯蔵施設のプールに収納される。照射燃料受入貯蔵施設の燃料貯蔵プールに貯蔵される使用済照射燃料（照射燃料集合体）は、照射燃料受入貯蔵ラック内に収容されて貯蔵される。

核燃料再処理工場の照射燃料受入貯蔵プールおよび照射燃料受入貯蔵ラックも図１の原子力発電プラントの使用済燃料貯蔵プール１１および照射燃料貯蔵ラック１２と同一の形態を備えている。

また、原子力発電プラントの使用済燃料貯蔵プール１１や照射燃料貯蔵ラック１２は沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲ１０という。）の例を示したが、加圧水型原子炉（以下、ＰＷＲという。）の燃料はＢＷＲ燃料より大型のため、照射燃料収納セル１３の幅が大きいことなど大きさに違いがあるが、ＰＷＲ燃料用の照射燃料貯蔵ラックも図２に示した仕切板または角管１４で構成した多数の照射燃料収納セル１３を有するＢＷＲ燃料用の照射燃料貯蔵ラック１２と同一の形態を有している。

ＰＷＲ燃料の照射燃料貯蔵ラックはその照射燃料収納セルにＰＷＲブラントの炉心から取り出され照射燃料の冷却のため、あるいは、再処理前の受入貯蔵のために使用済みの照射燃料が収納される。照射燃料を収納した照射燃料貯蔵ラックは水を張ったＰＷＲプラントの使用済燃料貯蔵プールまたは再処理工場の照射燃料受入貯蔵施設プール中に設置される。

図２に示した照射燃料貯蔵ラック１２には、照射燃料収納セル１３のセル間に水領域がなく、照射燃料収納セル１３間には照射燃料収納セル１３を構成する仕切板または角管のみが存在する種類のもの、また、各照射燃料収納セル１３を構成する仕切板または角管の間に水領域がある種類のもの、さらに、それらを組み合わせた照射燃料貯蔵ラック１２が存在する。

照射燃料貯蔵ラック１２の設計は、照射燃料収納セル１３に収納する照射燃料の初期濃縮度、照射燃料の大きさによって決まる照射燃料収納セル１３の大きさ、照射燃料収納セル１３を構成する仕切板または角管の厚み、仕切板または角管の材料、また、照射燃料収納セル１３やこの収納セルを構成する仕切板の材料中のボロン中性子吸収材の含有量、あるいは、照射燃料の燃焼による反応度低化（以下、燃焼度クレジットという。）を考慮する場合は、燃焼度クレジットの考慮の仕方や考慮の程度により、さらに水の中性子の減速や遮蔽効果も考慮し、照射燃料を一定の間隔を保ちながら貯蔵する照射燃料貯蔵ラック１２において、想定されるいかなる状況下においても未臨界性を保つことように決定される。

図３および図４は、ＢＷＲあるいはＰＷＲの燃料貯蔵プール１１や核燃料再処理工場の照射燃料受入照射施設のプール（燃料貯蔵プール）内に設置される照射燃料貯蔵ラック１２を示す図である。図３は図４のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う照射燃料貯蔵ラック１２の部分的な平断面図、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う照射燃料貯蔵ラック１２の部分的な側断面図である。

この照射燃料貯蔵ラック１２は、ラック外枠２０内に多数の角筒状あるいは角管状の照射燃料収納セル１３が変形マトリックス状あるいは変形格子状に配列される。ラック外枠２０は照射燃料貯蔵ラック１２の種類、タイプによっては不要なものがあるが、図３ではラック外枠２０を設けた例を示す。

多数の照射燃料収納セル１３は、図３において縦方向あるいは列方向に順次密着配置され、かつ、横方向あるいは行方向に所要の間隙ｄをおいて配置される。照射燃料収納セル１３の横方向（行方向）の間隙ｄには、細長い矩形状の保持スペーサ２１が鉛直方向の上下少なくとも２箇所に介装され、照射燃料照射セル１３同士の間に安定的に保持される。照射燃料照射セル１３のセル間に形成される間隙ｄは、水領域２２を構成している。

長尺の保持スペーサ２１には、照射燃料収納セル１３に対向して細長い挿通孔２４が形成され、この挿通孔２５に矩形プレート状の細長い中性子吸収体２５が通される。中性子吸収体２５は、照射燃料収納セル１３間の水領域２２に配置される。中性子吸収体２５は、成形性を考慮して曲面のない平板状に形成され、中性子吸収核種であるＢ−１０あるいはＨｆ等中性子吸収材で構成される。

照射燃料貯蔵ラック１２は照射燃料収納セル１３間に、図３に示すように、平面視において、縦方向（列方向）の水領域２２が形成され、一方向に形成される水領域２２に中性子吸収体２５が配置される。中性子吸収体２５は各照射燃料収納セル１３に対応する中性子吸収体設置位置にそれぞれ対向配置される。

照射燃料貯蔵ラック１２は、照射燃料収納セル１３間の一方向の水領域２２に中性子吸収体２５を配置することにより、照射燃料（照射燃料集合体）が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の熱中性子の吸収を増加させ、照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率を低下させている。

照射燃料収納セル１３間の水領域２２に中性子吸収体２５を設置することにより、照射燃料貯蔵ラック１２を構成するバスケットに高価なボロン中性子吸収材入りのバスケット材が不要となる。この照射燃料貯蔵ラック１２は、ボロン中性子吸収材入りのバスケット材を不要としたり、また、バスケット材の全部または一部をボロン中性子吸収材を含有しないバスケット材としたり、さらに、バスケット材中のボロン中性子吸収材の濃度を低下させることができる。さらにまた、中性子吸収体２５を水領域２２に設置することにより、照射燃料収納セル１３間の間隙ｄを狭め、稠密度を増大させることができる。

照射燃料貯蔵ラック１２は、多数配置した照射燃料収納セル１３間の一方向の水領域２２内の中性子吸収体設置位置に中性子吸収体２５を設置することで、特に、熱中性子を中性子吸収体２５に効率よく吸収させることができる。中性子吸収体２５は熱中性子に対する中性子吸収断面積の大きな中性子吸収物質を含むものである。

中性子吸収体２５の具体的な例としては、炭化硼素を収納した中性子吸収板であったり、炭化硼素を収納した中性子吸収枠を列状に配列して構成した中性子吸収材であったり、また、ボロン添加ステンレス鋼材で構成される中性子吸収材であったり、さらに、ガドリニウム等の希土類元素からなる中性子吸収材や、ボロン、ガドリニウム等の希土類元素を混合させた中性子吸収材を用いてもよい。

ボロンやガドリニウム等の希土類元素からなる中性子吸収材は、ボロンやガドリニウム等の希土類元素の核種組成が天然のものの他、中性子吸収断面積の大きな核種を濃縮したものの中性子吸収効果が大きく、熱中性子を吸収する中性子吸収体２５として有効である。

図５（Ａ）および（Ｂ）は、照射燃料貯蔵ラック１２の照射燃料収納セル１３間の水領域２２に配置される中性子吸収体２５を示し、この中性子吸収体２５は、曲げ加工を不要とした平板プレート状をなし、中性子吸収材を含む材料で形成される。具体的には、炭化硼素を収納した中性子吸収板、ボロン添加ステンレス鋼材からなる中性子吸収板、あるいすは、薄いＨｆ板からなる中性子吸収板等で構成される。

図６（Ａ）および（Ｂ）は、照射燃料貯蔵ラック１２の照射燃料収納セル１３間の水領域２２に配置される中性子吸収体２５Ａの第１変形例を示す。

この変形例に示された中性子吸収体２５Ａは、中性子吸収物質からなる中性子吸収材２７を矩形プレート状をなす本体２８内に収納し、板タイプの中性子吸収体２５Ａとした例である。

また、図７（Ａ）から（Ｃ）は、中性子吸収体２５Ｂの第２変形例を示すものである。

この変形例に示された中性子吸収体２５Ｂは、中性子吸収物質からなる複数の中性子吸収棒２９を、矩形プレート状の本体２８内に形成される収納空間に列状に配列し、内部に中性子吸収棒２９を列状に収納した中性子吸収体２５Ｂとした例である。中性子吸収棒２９の代りに細長いプレート状の平板状中性子吸収棒を複数本列状に配設してもよい。

ところで、照射燃料貯蔵ラック１２に収納される多数の照射燃料収納セル１３は図示しない仕切板を組み立てて構成したり、また、角筒状あるいは角管状のセル管をマトリックス状あるいは格子状に配列してバスケットを構成している。

照射燃料収納セル１３を構成する仕切板またはセル管１４のバスケットには、バスケット材中のボロン中性子吸収材濃度がゼロである材料とする場合、バスケット材自体のボロン中性子吸収材濃度を所定の重量パンセート以下、例えば１ｗｔ％以下の材料とする場合がある。

照射燃料収納セル１３のバスケット材にボロン中性子吸収材濃度がゼロの材料を用いた場合には、照射燃料収納セル１３間の水領域２２中の熱中性子束が極めて高くなる。

このため、照射燃料収納セル１３間に形成される一方向の水領域２２に、中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）を配置することにより、照射燃料貯蔵ラック体系の熱中性子の吸収を増加させて、照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率を低下させることができる。また、照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率を低下させることで、照射燃料収納セル１３間の間隔を減少させ、稠密度をさらに増大させることができる。

照射燃料収納セル１３を構成するバスケット材の厚みは、数ｍｍ〜１０数ｍｍ、通常８ｍｍ程度以下であり、バスケット材中のボロン中性子吸収材濃度が１ｗｔ％以下で、照射燃料収納セル１３間の水領域２２に配置される熱中性子の中性子吸収効果が増加する。

中性子吸収効果の増加は、バスケット材の厚みが８ｍｍ程度以下となるように、厚みを減少させる都度、また、バスケット材中の中性子吸収材ボロン濃度が１ｗｔ％以下と、ボロン濃度が減少する程、照射燃料収納セル１３間の熱中性子が大きくなり、中性子吸収体配置位置に配置される中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）の中性子吸収効果が大きくなる。

使用済みの照射燃料（照射燃料集合体）は、水が張られたＢＷＲ１０あるいはＰＷＲの燃料貯蔵プール１１あるいは核燃料再処理工場の照射燃料燃料受入貯蔵施設のプール（燃料貯蔵プール）内に配設された照射燃料貯蔵ラック１２に収納されて貯蔵される。

使用済み照射燃料が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率は、例えば、ＳＣＡＬＥ（ORNL-RSIC,’SCALE 4: A Modular Code System for Performing Standardized Computer Analysis for Licensing Evaluation,’ CCC-545,1990）システム等の臨界解析コードと核定数ライブラリーを用いて評価される。このＳＣＡＬＥシステム等により、照射燃料収納セル１３間の水領域２２に中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）を配置した条件で実行増倍率の計算を行なう。

中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）を照射燃料収納セル１３間の水領域２２に配置した条件では、中性子吸収体２５を水領域２２に配置しない従来の条件に較べ、照射燃料が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍系が低下する。照射燃料貯蔵ラック体系が、例えば未臨界制限値０．９５を下廻る制限条件の下で、バスケット材として高価なボロン中性子吸収材入りバスケット材を不要としたり、バスケット材の全部あるいは一部をボロン中性子吸収材を含有しないバスケット材としたり、バスケット材中のボロン中性子吸収材の濃度を低下させたり、あるいは照射燃料間の間隔を狭くし、更に稠密度を増大させる設計を行うことができる。

この照射燃料貯蔵ラック１２は、燃料貯蔵プール１１の水中に設置され、使用済みの照射燃料を照射燃料貯蔵ラック１２の照射燃料収納セル１３内に収納して貯蔵させると、照射燃料収納セル１３間に存在する水領域２２と、この水領域２２に配置される中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）により、照射燃料貯蔵ラック体系の熱中性子の中性子吸収が増加し、照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率が低下する。

照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率が低下する原理は、次の通りである。

図８は、燃料貯蔵プール１１等の水プール中の照射燃料貯蔵ラック１２に照射燃料を収納した典型的な照射燃料貯蔵ラック体系において、中性子束の計算を行い、照射燃料収納セル１３中に収納された照射燃料の端を原点とし、照射燃料収納セル１３中の水領域２２、照射燃料収納セル１３のバスケットおよび隣の照射燃料収納セル１３との間の水領域２２を隣の照射燃料収納セル１３との間の中央までの距離ｄを横軸とし、得られた中性子束を所謂、高速中性子束、熱外中性子束および熱中性子束の３群スキームＡ，Ｂ，Ｃで示したものである。

図８は、照射燃料収納セル１３間の水領域２２に中性子吸収体を配置しない場合についての結果を示したものである。この中性子束の計算は、例えば、前記ＳＣＡＬＥシステムの他、ＳＲＡＣ計算コードシステム（奥村他、ＳＲＡＣ９５；汎用核計算コードシステム、ＪＡＥＲＩ−Ｄａｔａ／Ｃｏｄｅ９６−０１５、１９９６年３月）等を用い、燃料、構造材および水等の核定数を算出後、算出値を用いて照射燃料貯蔵ラック体系の燃料拡散計算等を行い、各水領域２２の中性子束を求めたものである。

図８から明らかなように、熱中性子束は照射燃料収納セル１３を構成する仕切板または角管（セル管）１４のバスケット材、あるいはバスケット材にボロン中性子吸収材が含まれる場合はそれら熱中性子の吸収により、照射燃料収納セル１３中や仕切板または角管１４のバスケット材では熱中性子は小さく抑えられているが、照射燃料収納セル１３中の照射燃料間の中性子の相互干渉を減少させ、未臨界性を保持させるために設置されている水領域２２での熱中性子束レベルは高いことが分る。

本発明に係る照射燃料貯蔵ラック１２は、未臨界性を保持する水領域２２での熱中性子束レベルの特性に着目して行ったものであって、水領域２２の熱中性子を吸収するため、水領域２２に中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）を配置することにより、水プール中の照射燃料貯蔵ラック１２に照射燃料を収納した照射燃料貯蔵ラック体系における熱中性子の吸収を多くすることやそれによって照射燃料収納セル１３中の照射燃料間の中性子の相互干渉を減少させ、照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率を低下させることにより、未臨界性に対する余裕が大きくなる。

未臨界性に対する余裕を生かし、照射燃料収納セル１３の集合であるバスケットを構成する仕切板または角管１４の材料であるバスケット材として高価なボロン中性子吸収材入りバスケット材を不要としてボロン中性子吸収材を含有しないバスケット材としたり、バスケット材中のボロン中性子吸収材の濃度を低下させたり、あるいは照射燃料収納セル１３の間隔となる水領域２２を減少させ、さらに稠密度を増大させた照射燃料貯蔵ラックが可能となる。

図８の計算結果は照射燃料収納セル１３を構成する仕切板または角管１４のバスケット材中のボロン中性子吸収材の濃度をゼロとした場合のものである。この場合、照射燃料収納セル１３間の水領域２２での熱中性子束が極めて増大することから、照射燃料収納セル１３間の水領域２２に中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）を配置し、照射燃料貯蔵ラック体系の熱中性子の吸収を増加させることにより、照射燃料集合体（照射燃料）が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率を低下させる効果は極めて大きい。

また、照射燃料貯蔵ラック１２は、図３および図４に示すように、照射燃料収納セル１３間の水領域２２に、水（冷却材）の減速効果により高速中性子より既に高密度で存在している熱中性子を、照射燃料収納セル１３間の水領域２２中に設置した中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）により吸収することにより中性子吸収量を増加させようとするものである。

さらに、照射燃料貯蔵ラック１２は、中性子吸収量の増加による照射燃料集合体が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率の低化を、照射燃料収納セル１３間の水領域２２に、水の減速効果により高速中性子より高密度で存在している熱中性子を対象として実現するものである。この照射燃料貯蔵ラック１２は高速中性子より既に高密度で存在している熱中性子を水領域２２に設けた中性子吸収体２５で吸収するため、簡単な構造に構成することができる。

一実施形態に示された照射燃料貯蔵ラックでは、中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）を照射燃料収納セル１３間の水領域２２内に設置し、照射燃料ラック体系の熱中性子の吸収を増加させることにより、照射燃料集合体が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率を低下させ、バスケット材として高価なボロン中性子吸収材入りバスケット材を不要とし、その全部または一部をボロン中性子吸収材を含有しないバスケット材としたり、バスケット材中のボロン中性子吸収材の濃度を低下させたり、あるいは照射燃料収納セル１３間の間隔を狭め、さらに稠密度を増大させた照射燃料貯蔵ラック１２を提供するものである。

この照射燃料貯蔵ラック１２は、照射燃料収納セル１３間に水領域２２が存在する場合、照射燃料収納セル１３間の水領域２２に中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）を設置することにより、照射燃料貯蔵ラック体系の熱中性子の吸収を増加させることができる。

照射燃料（照射燃料集合体）が収納された照射燃料収納体系の実効増倍率を低下させる効果は水中に置かれる角柱形状の照射燃料集合体を仕切板または角管格子状に形成した多数の照射燃料収納セルで構成される照射燃料収納装置において一般的に得られる効果である。

原子力発電ブラントにおいて、原子炉を一定期間運転後、原子炉炉心に装荷された原子炉燃料は、使用済となって炉心から取り出される。原子炉炉心から取り出された照射燃料を燃料貯蔵プール１１に移送し、燃料貯蔵プール１１内に貯蔵された照射燃料貯蔵ラック１２で一定期間貯蔵し、冷却した後、再処理工場または中間貯蔵施設への搬出のため、照射燃料が照射燃料輸送または輸送貯蔵容器のバスケットに収容されて輸送または輸送貯蔵される。

多数の照射燃料収納セルで構成される照射燃料輸送または輸送・貯蔵容器のバスケットは、照射燃料収納セル１３間に水領域２２が存在する場合、中性子吸収体２５（２５Ａ，２５Ｂ）を照射燃料収納セル間の水領域２２中に設置し、照射燃料貯蔵ラック体系の熱中性子の吸収を増加させることにより、照射燃料集合体が収納された照射燃料バスケット体系の実効増倍率を低下させ、バスケット材として高価なボロン中性子吸収材入りバスケット材を不要とし、その全部または一部をボロン中性子吸収材を含有しないバスケット材としたり、バスケット材中のボロン中性子吸収材の濃度を低下させることができる。水領域２２に中性子吸収体２５を設置することにより、あるいは照射燃料収納セル１３間の間隙ｄを狭め、稠密度を増大させた照射燃料輸送または輸送貯蔵容器のバスケットが提供できる。

図９および図１０は、本発明に係る照射燃料貯蔵ラックの第２実施形態を示す平断面図および側断面図である。

この実施形態に示された照射燃料貯蔵ラック１２Ａは、ＢＷＲやＰＷＲの燃料貯蔵プール１１や核燃料再処理施設のプールに敷設されるものである。図９は図１０のＩＸ−ＩＸ線に沿う平断面図、図１０は図９のＸ−Ｘ線に沿う側断面図である。

第２実施形態に示された照射燃料貯蔵ラック１２Ａは、第１実施形態に示された照射燃料貯蔵ラック１２と、照射燃料収納セル１３間に形成される水領域２２の配置構造を除いて異なるところがないので、同じ構成には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

照射燃料貯蔵ラック１２Ａは、ラック外枠２０内に多数の角筒状あるいは角管状の照射燃料収納セル１３がマトリックス状あるいは格子状に配列される。各照射燃料収納セル１３は、図９において、縦方向あるいは列方向に間隙ｄ_１をおいて配置され、かつ、横方向あるいは行方向に間隙ｄ_２をおいて配置される。この照射燃料貯蔵ラック１２Ａは、多数の照射燃料収納セル１３が照射燃料収納セル１３間の縦方向および横方向の２方向に間隙をおいてマトリックス状あるいは格子状に配置される。

各照射燃料収納セル１３のセル間に形成される縦方向あるいは列方向の間隙ｄ_１には、間隔を保持する長尺の細長い矩形状の保持スペーサ３０が設けられ、また、左右の横方向あるいは行方向の間隙ｄ_２には、間隔を保持する細長い矩形状の保持スペーサ３１が設けられる。縦横の保持スペーサ３０，３１は立体交差するように各照射燃料収納セル１３のセル同士の間隙ｄ_１，ｄ_２の少なくとも上下２箇所ずつに配置され、照射燃料収納セル１３同士の間隔は、保持スペーサ３０，３１により安定的に保持される。

矩形形状の保持スペーサ３０，３１には、照射燃料収納セル１３に対向して細長い挿通孔３２，３３が長手方向に形成され、各挿通孔３２，３３に矩形プレート状の中性子吸収体２５が通される。中性子吸収体２５は、照射燃料収納セル１３間の水領域２２ａ，２２ｂに配置される。中性子吸収体２５は平板状に形成され、中性子吸収核種であるＢ−１０あるいはＨｆ等の中性子吸収材で構成される。

照射燃料貯蔵ラック１２Ａは、多数の照射燃料収納セル１３間に図９に示すように、縦方向（列方向）および横方向（行方向）の双方向に延びる水領域２２ａ，２２ｂが形成され、この水領域２２ａ，２２ｂに中性子吸収体２５が配置される。中性子吸収体２５は、各照射燃料収納セル１３に対応する中性子吸収体設置位置にそれぞれ対向配置される。各中性子吸収体２５は、照射燃料収納セル１３の４側面を囲むように設けられる。

また、照射燃料貯蔵ラック１２Ａは、図９ではラック外枠２０を備えたものを例示したが、ラック外枠は、照射燃料貯蔵ラックのタイプによっては不要なものもある。

この照射燃料貯蔵ラック１２Ａは、図３および図４に示す照射燃料貯蔵ラック１２と同様な作用効果を示す。照射燃料貯蔵ラック１２Ａは、照射燃料収納セル１３の周囲に水領域２２ａ，２２ｂを形成し、この水領域２２ａ，２２ｂに中性子吸収体２５を照射燃料収納セル１３の４側面に対向設置したので、照射燃料貯蔵ラック体系の熱中性子の吸収を増加させることができ、照射燃料集合体が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率を低下させることができる。

この照射燃料貯蔵ラック１２Ａでは、照射燃料収納セル１３のバスケット材として高価なボロン中性子吸収材入りのバスケット材を不要とすることができ、照射燃料収納セル１３の全部または一部をボロン中性子吸収材を含有しないバスケット材としたり、バスケット材中のボロン中性子吸収材の濃度を低下させたり、あるいは照射燃料収納セル１３間の間隔を狭め、稠密度を増大させた照射燃料貯蔵ラック１２を提供する。

図１１および図１２は、本発明に係る照射燃料貯蔵ラックの第３実施形態を示す部分的な側断面図および平断面図である。

この実施形態に示された照射燃料貯蔵ラック１２Ｂは、中性子吸収体２５の設置構造に特徴を有し、他の構成は第１実施形態に示された照射燃料貯蔵ラック１２と異ならないので同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図１１に示された照射燃料貯蔵ラック１２Ｂは、その台座１５に中性子吸収体２５を載置したものである。この照射燃料貯蔵ラック１２Ｂは、少なくとも上下に一対の矩形形状の平板プレート状の保持スペーサ３５を設け、上下対の保持スペーサ３５にセル挿通孔３６と長尺の細長い矩形状の中性子吸収体２５の挿通孔３７とを対向して形成し、セル挿通孔３６および中性子吸収体２５の挿通孔３７に照射燃料収納セル１３および中性子吸収体２５をそれぞれ挿通させ、設けたものである。

中性子吸収体２５は、図１２に示すように、照射燃料収納セル１３のセル同士間に配置される。中性子吸収体２５を保持スペーサ３５の挿通孔３６に挿通させた例を示したが、中性子吸収体２５の挿通孔を必ずしも形成する必要がなく、保持スペーサ３５は照射燃料収納セル１３のセル間を開口とし、この開口に中性子吸収体２５を案内させてもよい。

この場合には、水領域２２に設置した中性子吸収体２５が、一方の照射燃料収納セル１３側に倒れかかることがあるが、その場合でも、水領域２２に設置した中性子吸収体２５が照射燃料貯蔵ラック体系の熱中性子の吸収を増加させることができ、照射燃料集合体が収納された照射燃料貯蔵ラック体系の実効増倍率を低下させる効果は失われない。

図１１および図１２では、照射燃料貯蔵ラック１２に収納されるバスケットの照射燃料収納セル１３において、照射燃料収納セル１３を構成する仕切板または角管１４が角管形状のセル管の場合についてのみ説明したが、仕切板を用いる場合は、照射燃料収納セル１３の角管形状のセル管１４が、単に仕切板を組み合わせて構成される照射燃料収納セル１３に替わるだけで、照射燃料貯蔵ラック１２の作用効果上の内容に何ら変わることはない。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）使用済燃料プールに設置される本発明の照射燃料貯蔵ラックを示す一部破断斜視図。使用済照射燃料（照射燃料集合体）を収納する代表的な照射燃料貯蔵ラックを示す斜視図。本発明に係る照射燃料貯蔵ラックの第１実施形態を示すもので、図４のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う部分的な平断面図。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う照射燃料貯蔵ラックの部分的な側断面図。（Ａ）および（Ｂ）は照射燃料収納セル間の水領域に配置される中性子吸収体の平面図および側面図。（Ａ）および（Ｂ）は図５の中性子吸収体の第１変形例を示す平面図および側面図。（Ａ）および（Ｂ）は図５の中性子吸収体の第２変形例を示す平面図および側面図、（Ｃ）は中性子吸収体に収容される中性子吸収棒の側面図。典型的な照射燃料貯蔵ラック体系での中性子束の変化を示す図。本発明に係る照射燃料貯蔵ラックの第２実施形態を示すもので、図１０のＩＸ−ＩＸ線に沿う平断面図。図９のＸ−Ｘ線に沿う照射燃料貯蔵ラックの側断面図。本発明に係る照射燃料貯蔵ラックの第３実施形態を示すもので、図１２のＸＩ−ＸＩ線に沿う側断面図。図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う照射燃料貯蔵ラックの平断面図。

符号の説明

１０原子炉建屋
１１燃料貯蔵プール
１２照射燃料貯蔵ラック
１３照射燃料収納セル
１４角管（セル管）
１５台座
１６固定ボルト
２０ラック外枠
２１保持スペーサ
２２水領域
２４挿通孔
２５，２５Ａ，２５Ｂ中性子吸収体
２７中性子吸収板
２８本体
２９中性子吸収棒

Claims

仕切板または角管で構成した照射燃料収納セルを多数配置し、原子力発電所で発生する照射燃料を収納して貯蔵、保管する前記照射燃料収納セルが水プールの水中に設置される照射燃料貯蔵ラックにおいて、
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に中性子吸収体を配置したことを特徴とする照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セルはボロン中性子吸収材濃度がゼロである材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セルはボロン中性子吸収材濃度が１ｗｔ％以下である材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セルは、ボロン中性子吸収材濃度が１ｗｔ％以下である材料とボロン中性子吸収材濃度がゼロである材料とを組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に配置される中性子吸収体は、ボロンを含有する中性子吸収材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に配置される中性子吸収体は、炭化硼素を収納した中性子吸収板で構成されたことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に配置される中性子吸収体は、炭化硼素を収納した中性子吸収棒の配列して構成されたことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に配置される中性子吸収体はボロン添加のステンレス鋼で構成されたことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に配置される中性子吸収体は、Ｂ−１０を濃縮したボロンを含む構成としたこと特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に配置する中性子吸収体は、希土類を含有する中性子吸収材料とし、その中性子吸収核種の組成を天然または中性子吸収断面積の大きい核種を濃縮して構成したことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に配置する中性子吸収体は、希土類を含有する材料とし、その中性子吸収核種の組成を天然または中性子吸収断面積の大きい核種を濃縮して構成したことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。
前記照射燃料収納セル間に存在する水領域に配置する中性子吸収体は、ボロンとガドリニウム等の希土類を混合させた材料とし、その中性子吸収核種の組成を天然または中性子吸収断面積の大きい核種を濃縮して構成したことを特徴とする請求項１記載の照射燃料貯蔵ラック。