JP2007108052A

JP2007108052A - コンクリートキャスク

Info

Publication number: JP2007108052A
Application number: JP2005300089A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Takeda; 浩文竹田
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】キャニスタの発熱量の減少や表面の温度分布を考慮して適切な冷却を行う。
【解決手段】コンクリート容器１内に収容されたキャニスタ２を冷却する冷却空気を、給気通路３から取り込んで給気通路３よりも高い位置に設けられた排気口４から排出するコンクリートキャスクであって、給気通路３を高さが異なる位置にそれぞれ設け、キャニスタ２の発熱量の減少に応じて、冷却空気を取り込む給気通路３をより高い位置のものに切り換え可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用済燃料等を貯蔵するコンクリートキャスクに関する。更に詳しくは、本発明は、コンクリートキャスクの冷却系の改良に関するものである。

原子力発電で発生した使用済原子燃料はコンクリートキャスクに収容され、適切な管理の下で貯蔵される。コンクリートキャスクは、使用済原子燃料を収容するキャニスタと、このキャニスタを収容するコンクリート容器より構成されている。原子炉から取り出した後も使用済原子燃料中の核分裂生成物（ＦＰ）の崩壊は続くので、貯蔵中もキャニスタは発熱する。このため、コンクリートキャスクには冷却空気を循環させる通路が設けられており、自然対流によって冷却空気を循環し、キャニスタを冷却している。

図９に、従来のコンクリートキャスクに設けられている冷却空気の循環通路を示す。冷却空気はコンクリート容器１０１の底部１０１ａに設けられた給気通路１０３から取り込まれ、コンクリート容器１０１とキャニスタ１０２との間の冷却通路１０４を上昇し、コンクリート容器１０１と蓋１０５との間の通路１０６を通ってコンクリート容器１０１の上部に設けられた排気口１０７から排出される。冷却空気は冷却通路１０４を流れながらキャニスタ１０２を冷却する。このときの加熱によって冷却空気には上昇力が作用するので、冷却空気は給気通路１０３→冷却通路１０４→通路１０６→排気口１０７へと自然対流によって循環する。

キャニスタ１０２の発熱は使用済原子燃料の崩壊熱に起因したものであり、キャニスタ１０２の発熱量は貯蔵初期が最も大きい。冷却空気の循環は、貯蔵初期におけるキャニスタ１０２の発熱量の除去が可能な冷却空気流量を確保するように設計されている。つまり、貯蔵初期のキャニスタ１０２の発熱量を考慮して冷却能力が決定されている。

なお、コンクリートキャスクに設けられた循環通路が記載されている特許文献として、例えば特開２００２−２２８７９３号公報等がある。

特開２００２−２２８７９３号

しかしながら、上述のコンクリートキャスクには、以下の問題があった。コンクリートキャスクの冷却能力は貯蔵初期のキャニスタ１０２の発熱量を考慮して決定されており、貯蔵末期では、使用済原子燃料の崩壊熱が低下し、低発熱となるが、この発熱量については、考慮されていない。また、冷却空気は、常に、コンクリート容器１０１の底部１０１ａに設けられた給気通路１０３から上部に設けられた排気口１０７へと流れるが、キャニスタ１０２の縦方向温度分布は不均一であり、一般に、キャニスタ１０２下部の温度が低くなる。これらのため、貯蔵の全期間にわたりキャニスタ１０２の全ての部分に対して最適な冷却を維持しているとはいえなかった。

図１０に、実物大コンクリートキャスクを使用したキャニスタ１０２の縦方向温度分布を調べる試験の結果を示す。（ａ）はキャニスタ１０２の高さと表面温度分布の関係を、（ｂ）はキャニスタ１０２の断面を（ａ）の縦軸（高さ）に対応して示している。（ａ）の発熱量２２．６ｋＷは貯蔵初期（貯蔵０年相当）、発熱量１６ｋＷは貯蔵中期（貯蔵２０年相当）、発熱量１０ｋＷは貯蔵末期（貯蔵４０年相当）のキャニスタ１０２の発熱量を想定している。

図１０からも明らかなように、キャニスタ１０２の表面温度は貯蔵期間が長くなるほど全体的に低下する。また、キャニスタ１０２の縦方向温度分布は、キャニスタ１０２の底部１０１ａが最も低くなっている。そして、図中Ｅ楕円で示すように、貯蔵末期にはキャニスタ１０２底部の表面温度が１００℃を下回っている。そして、表面温度が１００℃を下回る部分には結露による錆が発生することが懸念される。このように、貯蔵の全期間にわたって部分ごとに冷却が適切に行われているとは言い難い。

本発明は、キャニスタの発熱量の減少及び温度分布を考慮して、適切な冷却を行うことが可能なコンクリートキャスクを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、コンクリート容器内に収容されたキャニスタを冷却する冷却空気を、給気通路から取り込んで給気通路よりも高い位置に設けられた排気口から排出するコンクリートキャスクにおいて、給気通路を高さが異なる位置にそれぞれ設け、キャニスタの発熱量の減少に応じて、冷却空気を取り込む給気通路をより高い位置のものに切り換え可能にしたものである。

キャニスタはその内部に収納された使用済燃料から発生する崩壊熱によって発熱するものであり、給気通路から取り込まれた冷却空気によって常に冷却されている。キャニスタの発熱量は貯蔵初期には大きいが、時間の経過にともなって徐々に減少する。また、キャニスタの高さ方向の温度分布は不均一であり、キャニスタの下部の表面温度はその他の部分の表面温度に比べて低くなる。キャニスタの発熱量の減少に応じて冷却空気を取り込む給気通路をより高い位置のものに切り換えることで、キャニスタ下部に冷却空気が当たらないため、この部分を過度に冷やすことなく、冷却が必要な高温部分のみを良好に冷却することができる。

また、請求項２記載のコンクリートキャスクは、給気通路に閉塞部材を設け、閉塞部材の開閉によって冷却空気を取り込む給気通路を切り換え可能にしたものである。

閉塞部材を閉じた給気通路からは冷却空気は取り込まれず、閉塞部材を開いた給気通路から冷却空気が取り込まれる。したがって、開く閉塞部材を下に位置するものから上に位置するものへと順番に切り換えることで、冷却空気を取り込む位置を徐々に高くすることができる。閉塞部材の開閉は簡単である。

さらに、請求項３記載のコンクリートキャスクは、給気通路が湾曲部又は屈曲部を有している。したがって、キャニスタから放出した放射線（主に中性子線）が給気通路に侵入したとしても、給気通路を構成する周囲の壁に衝突するため、十分な遮蔽機能を持っている。

請求項１記載のコンクリートキャスクでは、給気通路を高さが異なる位置にそれぞれ設け、キャニスタの発熱量の減少に応じて、冷却空気を取り込む給気通路をより高い位置のものに切り換え可能にしたので、キャニスタの発熱量の減少に応じて冷却空気を取り込む位置を徐々に高くすることができ、温度が低くなったキャニスタの下部を除いて高温部分のみを冷却することができる。このため、キャニスタの下部の冷やし過ぎを防止することができ、結露の発生を防止して腐食しやすい環境になるのを防止することができる。

また、請求項２記載のコンクリートキャスクでは、給気通路に閉塞部材を設け、閉塞部材の開閉によって冷却空気を取り込む給気通路を切り換え可能にしたので、冷却空気を取り込む位置を簡単に切り換えることができる。

さらに、請求項３記載のコンクリートキャスクでは、給気通路が湾曲部又は屈曲部を有しているので、キャニスタから放出した放射線が給気通路を通って外部に直接放出されることを防止できる。このため、コンクリート容器のキャニスタ対向位置に給気通路を設けても、放射線の遮蔽能力の悪化を抑制することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に本発明のコンクリートキャスクの実施形態の一例を示す。コンクリートキャスクは、コンクリート容器１内に収容されたキャニスタ２を冷却する冷却空気を、給気通路３から取り込んで給気通路３よりも高い位置に設けられた排気口４から排出するものであって、給気通路３を高さが異なる位置にそれぞれ設け、キャニスタ２の発熱量の減少に応じて、冷却空気を取り込む給気通路３をより高い位置のものに切り換え可能にしたものである。使用済原子燃料を収容するキャニスタ２は支持脚５の上に載せられてコンクリート容器１内に収容されている。

本実施形態では、給気通路３を例えば３種類の高さ位置（３段）にそれぞれ設けている。なお、最も低い位置に設けた給気通路３、即ち下段の給気通路３に符号３Ｌを、２番目に高い位置に設けた給気通路３、即ち中段の給気通路３に符号３Ｍを、最も高い位置に設けた給気通路３、即ち上段の給気通路３に符号３Ｈをそれぞれ付して説明する。各段毎に例えば４本の給気通路３が設けられている。また、各段の給気通路３は、例えば上から見て重なる位置に設けられている。

給気通路３はコンクリート容器１の径方向に一直線状に伸びるものではなく、屈曲部６を有している。本実施形態では、給気通路３のほぼ中央が給気口１１側からみて上方向にクランク状に屈曲する屈曲部６となっている。したがって、キャニスタ２から放出した放射線（主に中性子線）が給気通路３に逆方向から侵入したとしても給気通路３を構成する周囲の壁に衝突させることができ、給気通路３を通って外部に直接放出されることを防止することができる。

給気通路３から取り込まれた冷却空気は、コンクリート容器１とキャニスタ２との間の冷却通路７を上昇し、コンクリート容器１と容器蓋８との間の通路９を通ってコンクリート容器１の上部に設けられた排気口４から排出される。冷却空気は冷却通路７を流れながらキャニスタ２を冷却する。このときの加熱によって冷却空気には上昇力が作用するので、冷却空気は給気通路３→冷却通路７→通路９→排気口４へと自然対流によって循環する。

給気通路３には閉塞部材１０が設けられており、閉塞部材１０の開閉によって冷却空気を取り込む給気通路３を高さの異なるものに切り換え可能にしている。本実施形態では、閉塞部材１０としての蓋を給気通路３の入口、即ち給気口１１に設けている。中段及び上段の給気通路３Ｍ，３Ｈの閉塞部材１０を閉じ、下段の給気通路３Ｌの閉塞部材１０を開けた状態では、冷却空気は下段の給気通路３Ｌから取り込まれる。このため、冷却空気はコンクリート容器１とキャニスタ２との間の冷却通路７を一番下の位置から流れ始め、下部２ａを含めてキャニスタ２全体を良好に冷却することができる。

また、下段及び上段の給気通路３Ｌ，３Ｈの閉塞部材１０を閉じ、中段の給気通路３Ｍの閉塞部材１０を開けた状態では、冷却空気は中段の給気通路３Ｍから取り込まれる。このため、冷却空気が冷却通路７内に進入する高さが１段分高くなり、キャニスタ２の下部２ａから上の部分を冷却空気によって直接冷却することができる。

さらに、下段及び中段の給気通路３Ｌ，３Ｍの閉塞部材１０を閉じ、上段の給気通路３Ｈの閉塞部材１０を開けた状態では、冷却空気は上段の給気通路３Ｈから取り込まれる。このため、冷却空気が冷却通路７内に進入する高さが更に１段分高くなり、キャニスタ２の下部２ａとその上の近傍部分２ｂから上の部分を冷却空気によって直接冷却することができる。なお、図１はこの状態を示している。

図１０に示すように、キャニスタ２の発熱量は使用済原子燃料の崩壊熱の減少、即ち時間の経過にともない発熱量が減少する。また、キャニスタ２の高さ方向の表面温度分布は不均一であり、上部２ｅの下の上部近傍部分２ｃが最も高く、下に移るのに従って徐々に低くなり、下部２ａが最も低くなる。キャニスタ２の発熱量が大きな貯蔵初期には、下段の給気通路３Ｌから冷却空気を取り込んで、キャニスタ２全体を良好に冷却する。

キャニスタ２の発熱量が減少し、キャニスタ２の下部２ａの表面温度が十分低くなった場合には、冷却空気の取り入れ経路を１段上げて中段の給気通路３Ｍから冷却空気を取り込むようにする。これにより、冷却空気を直接当てて冷却することが引き続き必要な部分（下部２ａよりも上の部分）の冷却を良好に行いながら、冷却空気を直接当てて冷却することが不要になった部分（下部２ａ）に冷却空気が直接当たらないようにして当該部分が過度に冷却されるのを防止することができる。

そして、キャニスタ２の発熱量が更に減少し、キャニスタ２の下部２ａとその上の近傍部分２ｂの温度が十分低くなった場合には、冷却空気の取り入れ経路を更に１段上げて上段の給気通路３Ｈから冷却空気を取り込むようにする（図１）。これにより、冷却空気を直接当てて冷却することが引き続き必要な部分（キャニスタ２の中央部２ｄ、上部近傍部分２ｃ、上部２ｅ）の冷却を良好に行いながら、冷却空気を直接当てて冷却することが不要になった部分（下部２ａとその上の近傍部分２ｂ）に冷却空気が直接当たらないようにして当該部分が過度に冷却されるのを防止することができる。

このように、本発明ではキャニスタ２の発熱量の変化と表面の温度分布を考慮して冷却空気の循環経路を切り換えて冷却を適切に行うことができる。このため、キャニスタ２の部分的な過冷却を防止することができる。キャニスタ２が過冷却されると結露が発生して腐食されやすい環境になることが懸念される。本発明のコンクリートキャスクではキャニスタ２の過度な冷却を防止することができるので、結露の発生を防止することができ、腐食しやすい環境、例えば錆や、特に沿岸地方では飛来した海塩粒子の付着による応力腐食割れの発生しやすい環境等になるのを防止することができる。

なお、結露発生の温度は種々の条件によって変化するので一定ではないが、キャニスタ２の表面温度が、例えば１００℃未満になると結露の発生が懸念される。このため、キャニスタ２の表面温度が、例えば１００℃未満にならないように中段と上段の給気通路３Ｍ，３Ｈを設けると共に、冷却空気を取り込む給気通路３Ｌ，３Ｍ，３Ｈを切り換える。なお、図１０の例では、例えば高さ１５００ｍｍの位置に中段の給気通路３Ｍを、高さ２０００ｍｍの位置に上段の給気通路３Ｈをそれぞれ設けることが考えられる。

また、本発明では冷却空気を取り込む給気通路３の切り換えを閉塞部材１０の開閉によって行っているので、通路切り換え作業を簡単に行うことができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるが、遮蔽強化を考慮する際は、これに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、各段の給気通路３を上から見て重なる位置に設けていたが、例えば図３に示すように、各段の給気通路３を上から見てずれた位置に設けるようにしても良い。なお、図３の例では、各段の給気通路３を例えば３０度ずつずらしている。

また、上述の説明では、給気通路３の途中に上方向に屈曲する屈曲部６を設けていたが、上方向に屈曲する屈曲部６に代えて下方向に屈曲する屈曲部６を設けても良く、また、上下方向に屈曲する屈曲部６に代えて上下方向以外の方向例えば水平方向に屈曲する屈曲部６を設けても良い。これらの場合にも、コンクリート容器１のキャニスタ対向位置に給気通路３Ｍ，３Ｈを設けることによる放射線遮蔽能力の悪化を抑制することができる。

また、上述の説明では、給気通路３に屈曲部６を１箇所だけ設けていたが、屈曲部６を複数箇所に設けても良い。この場合には、コンクリート容器１の放射線遮蔽能力の悪化をさらに抑制することができる。

また、上述の説明では、給気通路３に屈曲部６を設けていたが、例えば図４に示すように、屈曲部６に代えて、湾曲部１２を設けても良い。また、湾曲部１２を設ける場合には、給気通路３を部分的に湾曲させて湾曲部１２を設けても良いし、給気通路３を全体的に湾曲させて湾曲部１２を設けて良い。これらの場合にも、コンクリート容器１のキャニスタ対向位置に給気通路３Ｍ，３Ｈを設けることによる放射線遮蔽能力の悪化を抑制することができる。

また、給気通路３をコンクリート容器１の高さ方向又は周方向に傾斜させても良く、あるいは高さ方向と周方向の両方向に傾斜させても良い。これらの場合にも、キャニスタ２から漏れた放射線が給気通路３を通って外部に直接漏れ出ることを防止することができ、コンクリート容器１のキャニスタ対向位置に給気通路３Ｍ，３Ｈを設けることによる放射線遮蔽能力の悪化を抑制することができる。

また、図５及び図６に示すように給気通路３を設けても良い。この例では、各段の給気通路３は、上からみて螺旋状に形成されている。また、中段の給気通路３Ｍと上段の給気通路３Ｈは給気口１１側からみて上方向に傾斜している。ただし、下方向に傾斜させても良い。キャニスタ対向位置に設けられている給気通路３Ｍ，３Ｈでは、コンクリート容器１の径方向に真っ直ぐ伸びる部分が存在せず、コンクリート容器１の放射線遮蔽体としての厚さが部分的に極端に減少するのを防止することができる。このため、コンクリート容器１の放射線遮蔽能力の悪化を抑制することができる。なお、図５ではコンクリート容器１の断面に各段の給気通路３をあらわしているが、これは便宜的なものであり、各段の給気通路３は上からみて例えば３０度ずつずれた位置に設けられている（図６）。

また、図７及び図８に示すように給気通路３を設けても良い。この例では、各段の給気通路３は上からみて放射状に形成されている。また、各段の給気通路３は上から見て例えば３０度ずつずれた位置に設けられている。また、各段の給気通路３の給気口１１はコンクリート容器１の底部１ａに設けられている。即ち、中段の給気通路３Ｍと上段の給気通路３Ｈの途中に上下方向に伸びる立ち上がり部１３を設けることで、コンクリート容器１の径方向に真っ直ぐに伸びる部分１４をコンクリート容器１の底部１ａに配置している。これにより、中段の給気通路３Ｍと上段の給気通路３Ｈを設けることによる放射線遮蔽能力の悪化を抑制することができる。

また、上述の説明では、給気通路３の高さを３段階に切り換え可能にしているが、段数は３段階に限るものではなく、例えば２段階でも良く、４段階以上でも良い。

また、上述の説明では、各段毎に４本の給気通路３を設けていたが、各段毎に設ける給気通路３の数は４本に限るものではなく、３本以下でも良く、５本以上でも良い。

また、上述の説明では、給気通路３の入口を外側から塞ぐ蓋によって閉塞部材１０を構成していたが、給気通路３を開閉できるものであれば閉塞部材１０はこのような蓋に限るものではない。例えば、閉塞部材１０をブロック体によって構成し、給気通路３の入口に挿入したり引き抜いたりすることで給気通路３を開閉するようにしても良い。

また、上述の説明では、自然対流のみによって冷却空気を循環させていたが、ファン等を設けて強制的に冷却空気を循環させるようにしても良い。

さらに、上述の説明では、３段設けている給気通路３のうちの１段を選択して冷却空気を取り込むようにしていたが、複数段の給気通路３から同時に冷却空気を取り込むようにしても良い。特に、給気通路３の段数を多くした場合等には有効である。

本発明のコンクリートキャスクの概略構成を示す縦断面図である。図１のII−II線に沿うコンクリート容器の横断面図である。本発明のコンクリートキャスクの他の実施形態を示し、図２に対応するコンクリート容器の横断面図である。本発明のコンクリートキャスクの更に他の実施形態を示し、図２に対応するコンクリート容器の横断面図である。本発明のコンクリートキャスクの更に他の実施形態を示し、その概略構成を示す縦断面図である。図５のVI−VI線に沿うコンクリート容器の横断面図である。本発明のコンクリートキャスクの更に他の実施形態を示し、（ａ）は下段の給気通路が設けられている位置（図８のａ−ａ線に沿う位置）での縦断面図、（ｂ）は中段の給気通路が設けられている位置（図８のｂ−ｂ線に沿う位置）での縦断面図、（ｃ）は上段の給気通路が設けられている位置（図８のｃ−ｃ線に沿う位置）での縦断面図である。図７のVIII−VIII線に沿うコンクリート容器の横断面図である。従来のコンクリートキャスクの縦断面図である。キャニスタの縦方向温度分布を調べる試験の結果を示し、（ａ）はキャニスタの高さと表面温度の関係を示すグラフ、（ｂ）はキャニスタを（ａ）のグラフに対応させて示す図である。

符号の説明

１コンクリート容器
２キャニスタ
３給気通路
３Ｈ上段の給気通路
３Ｍ中段の給気通路
３Ｌ下段の給気通路
４排気口
６屈曲部
１０閉塞部材
１２湾曲部

Claims

コンクリート容器内に収容されたキャニスタを冷却する冷却空気を、給気通路から取り込んで前記給気通路よりも高い位置に設けられた排気口から排出するコンクリートキャスクにおいて、前記給気通路を高さが異なる位置にそれぞれ設け、前記キャニスタの発熱量の減少に応じて、前記冷却空気を取り込む給気通路をより高い位置のものに切り換え可能にしたことを特徴とするコンクリートキャスク。
前記給気通路に閉塞部材を設け、前記閉塞部材の開閉によって前記冷却空気を取り込む給気通路を切り換え可能にしたことを特徴とする請求項１記載のコンクリートキャスク。
前記給気通路は湾曲部又は屈曲部を有していることを特徴とする請求項１又は２記載のコンクリートキャスク。