JP2007127500A - キャスク貯蔵施設 - Google Patents

Abstract

【課題】キャスク貯蔵施設内の保管場所で容積効率を上げるため、キャスクとキャスク間の間隔やキャスクとコンクリート内壁面の間隔を、キャスク直径の１．５倍程度以内となるよう比較的密にキャスクを配置した場合でも、前記コンクリート内壁面がキャスク表面からの熱放射により加熱されて、高温に至ることのないキャスク貯蔵施設を提供する。
【解決手段】 使用済み核燃料を収納したキャスク１を貯蔵するキャスク貯蔵施設２において、前記キャスク１を保管するキャスク保管室３の内壁面４ａに、略連続した多数の突起面を配列する。前記突起面は、横断面が台形形状であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用済み核燃料を収納したキャスクを貯蔵するキャスク貯蔵施設に関する。

原子力発電所において発生した使用済み核燃料は、再処理によりプルトニウムやウラン等の有用物質を抽出して再利用することができるため、通常、これを収納する容器であるキャスクに収納した後、取り出し可能な状態でキャスク貯蔵施設に貯蔵される。

この際、使用済み核燃料の崩壊熱によりキャスクが加熱されて高温になる。従って、貯蔵施設内のキャスクを比較的密になるように配置した場合、貯蔵施設内面のコンクリート壁等が、キャスク表面からの熱放射で加熱されて高温に至る。このような状態になると、キャスク自体や貯蔵施設が早期に劣化するため、長期に渡る貯蔵が困難になる。これを回避するため、キャスク貯蔵施設は、貯蔵時においてキャスクを除熱しかつ貯蔵施設内壁の昇温も抑制される構造であることが要求される。

そのため、従来のキャスク貯蔵施設は、使用済み核燃料から放出される放射線を遮蔽するため鉄筋コンクリートで作られた建屋で構成され、その建屋内床面上に多数のキャスクを竪置きに配置している。そして、これらのキャスクにより加熱された周囲の空気が浮力により上昇し、キャスク貯蔵施設に設けられた排気口より外部に排出され、その排気量に見合う外部の空気が吸気口より吸気されて、貯蔵施設内に空気の循環流を形成する。このような空気の流れによりキャスクが冷却される除熱設計がなされている。

即ち、従来のキャスク貯蔵施設は、キャスク保管場所に空気のよどみ領域（ホットスポット）ができないこと、キャスク周囲には十分に冷たい空気が供給されること、コンクリート内壁面が必要以上に昇温しないこと、等を考慮した除熱設計がなされている。

このような従来のキャスク貯蔵施設として、その概略構成図である図６に示すキャスク貯蔵施設がある（特許文献１参照）。
このキャスク貯蔵施設は、空気を自然循環させるように、吸気口１９ａおよび排気口１９ｂを一方端側および他方端側に夫々有している。そして、放射性物質を収納したキャスク２３を保管するキャスク保管室１８と、前記排気口１９ｂに設けられ、前記キャスク保管室１８内の空気を高い位置に排気する排気塔２１とを有する。

同時に、前記キャスク保管室１８の上方において前記排気塔２１を避けて移動可能に設けられ、前記キャスク保管室１８の任意の保管場所に対して前記キャスク２３の搬入出を行う搬送クレーン２０とを有するとともに、前記キャスク保管室１８の天井高さが、キャスクの高さの１．５〜２倍の範囲に設定されている。

このような従来のキャスク貯蔵施設によれば、排気塔の煙突効果によりキャスク保管室内の空気を高所に排気し、空気の循環量を増大させてキャスクの冷却を促進させるのである。また、キャスク保管室の天井高さを高くすることによって、高温の上昇空気による天井の劣化を防止する構成としている。しかしながら、このような構造を採用することによって、キャスク保管室の容積効率が悪くなるという欠点を有していた。

このような問題点を解決するための他の従来のキャスク貯蔵施設として、その水平断面図である図７に示す放射性物質貯蔵施設３４の貯蔵建屋３０がある（特許文献２参照）。
この従来の放射性物質貯蔵施設３４によれば、夫々の放射性物質貯蔵室３１に対応して設けられた空気供給通路３３を相互に連通して形成された空気供給側キャスク搬送通路３８、および夫々の放射性物質貯蔵室３１に対応して設けられた空気排出通路３２を相互に連通して形成された空気排出側キャスク搬送通路３５，３８の少なくとも一方を備えている。

上記従来のキャスク貯蔵施設によれば、空気通路とキャスク搬送通路とを連通することによりキャスク保管室の多少のコンパクト化は図られるが、キャスク保管室の冷却能力の向上が期待される訳ではない。
特開２０００−１８０５８６号公報 特開２００４−４５２３０号公報

キャスク貯蔵施設内の保管場所で容積効率を上げるため、キャスクを比較的密に配置すると、キャスクとキャスク間の間隔やキャスクとコンクリート内壁面の間隔が、キャスク直径の１．５倍程度以下となる。このように、比較的密にキャスクを配置した場合でも、コンクリート内壁面はキャスク表面からの熱放射で加熱されて高温に至り、キャスク貯蔵施設の熱劣化を促進するという問題を生じる。

従って、本発明の目的は、キャスク貯蔵施設内の保管場所で容積効率を上げるため、キャスクとキャスク間の間隔やキャスクとコンクリート内壁面の間隔を、キャスク直径の１．５倍程度以内となるよう比較的密にキャスクを配置した場合でも、コンクリート内壁面が前記キャスク表面からの熱放射により加熱されて、高温に至ることのないキャスク貯蔵施設を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るキャスク貯蔵施設が採用した手段は、使用済み核燃料を収納したキャスクを貯蔵するキャスク貯蔵施設において、前記キャスクを保管するキャスク保管室の内壁面に、略連続した多数の突起面が配列されたことを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係るキャスク貯蔵施設が採用した手段は、請求項１に記載のキャスク貯蔵施設において、前記突起面が前記内壁面の上下方向に沿って略連続して配列されたことを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係るキャスク貯蔵施設が採用した手段は、使用済み核燃料を収納したキャスクを貯蔵するキャスク貯蔵施設において、外部の空気を取り込む吸気口と内部の空気を排出する排気口とが設けられるとともに、前記キャスクを保管するキャスク保管室の床面に、略連続した多数の突起面が配列されたことを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係るキャスク貯蔵施設が採用した手段は、請求項３に記載のキャスク貯蔵施設において、前記突起面が、前記吸気口から排気口に沿った方向に略連続して配列されたことを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係るキャスク貯蔵施設が採用した手段は、請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載のキャスク貯蔵施設において、前記突起面の横断面が台形形状であることを特徴とするものである。

本発明の請求項６に係るキャスク貯蔵施設が採用した手段は、請求項５に記載のキャスク貯蔵施設において、前記台形形状の上底長さまたは下底長さ、あるいは上底長さおよび下底長さの両者とも、キャスク直径の１乃至１０％の範囲内であることを特徴とするものである。

本発明の請求項７に係るキャスク貯蔵施設が採用した手段は、請求項１乃至６のうちの何れか一つの項に記載のキャスク貯蔵施設において、前記突起面の配列ピッチがキャスク直径の１乃至１０％の範囲内であることを特徴とするものである。

本発明の請求項８に係るキャスク貯蔵施設が採用した手段は、請求項１乃至７のうちの何れか一つの項に記載のキャスク貯蔵施設において、前記突起面の高さが２５ｍｍ以上であることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係るキャスク貯蔵施設によれば、前記キャスクを保管するキャスク保管室の内壁面に略連続した多数の突起面が配列されて前記内壁面の表面積を増大させたので、放射伝熱および対流伝熱による放熱が促進されて、前記キャスクおよび壁面の温度上昇が抑制される。

また、本発明の請求項３に係るキャスク貯蔵施設によれば、前記キャスクを保管するキャスク保管室の床面に、略連続した多数の突起面を配列して前記床面の表面積が増大させたので、放射伝熱および対流伝熱による放熱が更に促進されて、前記キャスクおよび床面の温度上昇が抑制される。

更に、本発明の請求項２あるいは４に係るキャスク貯蔵施設によれば、前記突起面の配列方向を適切にしたので、前記キャスクや内壁面の熱伝達率が向上して放熱効果が更に促進される。

更にまた、本発明の請求項５に係るキャスク貯蔵施設によれば、前記突起面の形状を台形形状に特定することによって、前記キャスクや内壁面の表面積を効果的に増大させ得る単純な横断面形状をより具体化した。

また、本発明の請求項６乃至８に係るキャスク貯蔵施設によれば、前記台形形状の寸法や突起面の配列ピッチを特定することによって、効果的に冷却効果の得られる条件をより具体化した。

本発明の実施の形態に係るキャスク貯蔵施設を、図１乃至図３を用いて以下説明する。図１は本発明の実施の形態に係るキャスク貯蔵施設のキャスク保管室の一部縦断面を模式的に示した部分縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視の一部を示す部分矢視図、図３は図２のＸ部詳細図を夫々示している。

図１において、符号２はキャスク貯蔵施設を示す。このキャスク貯蔵施設内のキャスク保管室３に、使用済み核燃料を収納した直径２５００ｍｍ，高さ５５００ｍｍのキャスク１が保管されている。前記キャスク貯蔵施設２およびキャスク保管室３を形成する壁面は、厚さ１０００ｍｍのコンクリート壁４により構成され、これによって前記核燃料から放射される放射線を遮蔽して、前記キャスク貯蔵施設２外に漏洩させない構造としている。

そして、前記キャスク１は、キャスク貯蔵施設２内に設置された図示しない走行クレーン等によってキャスク保管室３に搬送され、例えば図１のように、キャスク１間ピッチ４０００ｍｍ，コンクリート内壁面４ａからのキャスク１中心位置３０００ｍｍに配列して保管される。

また、前記キャスク保管室３を形成するコンクリート壁４の内壁面４ａには、図２に示すような略連続した多数の突起面５が配列されている。この多数の突起面５によって、内壁面４ａの外表面積を増大させ、キャスク１外表面からの放射熱量を増加させて除熱効率を向上させるのである。

前記突起面５の詳細は、その突起面５が自然対流による空気の流れ方向、即ち、図１に示した内壁面４ａの上下方向（図２および３においては、紙面に垂直方向）に沿って略連続して配列されるのが、冷却効率上好ましい。前記突起面５を内壁面４ａの上下方向に沿って略連続して配列することによって、自然対流による上昇気流がスムースに上方に導かれ流速が増加する結果、熱伝達率が向上して対流による冷却効果が向上するからである。

ここで、前記内壁面とは、図１に示したように前記キャスク保管室３を構成する建屋の内壁面４ａに限定するものではなく、前記キャスク保管室３を区画するための隔壁面も含まれる。また、前述の略連続とは、突起面５が、必ずしも内壁面４ａの最上端から最下端まで連続して配列されていなくとも、途中で何回か不連続になる構成も含むことを示す。

更に、前記突起面５の横断面は、キャスク１からの放射熱を受けて熱放散する効率から、図３に示すような台形形状が最も好ましい。前記突起面５の横断面を台形形状とするのが、壁面の外表面積を最も増大できる単純形状であるからである。前記台形形状には、長方形や正方形も含まれる。

また、前記キャスク貯蔵施設２は、使用済み核燃料の崩壊熱を空気を自然循環させて施設外へ放熱させるように、図示しない吸気口および排気口を、その一方端側および他方端側に夫々設けられている。そして、図には示さないが、前記キャスク保管室３内の床面７にも、内壁面４ａと同様に、略連続した多数の突起面を配列したのである。この突起面は、前記吸気口から排気口に沿った空気の流れ方向に略連続して床面上に配列されるのが、内壁面４ａにおける冷却メカニズムと同様に熱伝達率が向上する点で好ましい。

上記の如き構成をなし、受熱面でありかつ放熱面である前記内壁面４ａや床面７の表面積を増大することによって、キャスク１外表面からの放射熱量は増大するが、多数の突起面に沿う上昇気流の自然対流伝熱による除熱効果により総伝熱量は減少し、結果として前記内壁面４ａや床面７の表面温度を低減させる効果がある。

更にまた、図３に示す前記突起面５の台形形状は、上底長さａがキャスク直径の１乃至１０％の範囲内にあるのが好ましい。即ち、キャスク直径が２５００ｍｍであれば、２５ｍｍ≦ａ≦２５０ｍｍであるのが冷却効率上好ましい。同様に、前記突起面５の台形形状は、下底長さｂについても、キャスク直径の１乃至１０％の範囲内にあるのが好ましい。即ち、キャスク直径が２５００ｍｍであれば、２５ｍｍ≦ｂ≦２５０ｍｍであるのが冷却効率上好ましい。

前記台形形状の上底長さａ、下底長さｂの何れかまたは両者がキャスク直径の１％未満であれば、コンクリート壁の製作が困難になる。または冷却効率が悪くなる。一方、前記上底長さａ、下底長さｂの何れかまたは両者がキャスク直径の１０％を越えれば、突起形状が相対的に大きくなり、局所的には平面状のコンクリート壁の表面積と大差がなくなって冷却効率が悪くなるからである。

また、このような突起面５の配列ピッチｐの寸法は、突起面形状に関係なく、キャスク直径の１乃至１０％の範囲内にあるのが好ましい。即ち、キャスク直径が２５００ｍｍであれば、２５ｍｍ≦ｐ≦２５０ｍｍであるのが冷却効率上好ましい。また、この突起面５の高さｈの寸法は、突起面形状に関係なく、２５ｍｍ以上であるのが冷却効率上好ましいのである。

前記突起面５の配列ピッチｐの寸法がキャスク直径の１％未満であれば、コンクリート壁の製作が困難になる一方、キャスク直径の１０％を越えれば突起形状が相対的に大きくなり、局所的には平面状のコンクリート壁の表面積と大差がなくなって冷却効率が悪くなるからである。また、前記突起面５の高さｈが２５ｍｍ未満の場合は、十分な冷却に必要なコンクリート壁面積が確保できないからである。

〔実施例１〕
先ず、図１に示したキャスク保管室の配置例をもとに、数値シミュレーションを実施するための計算モデルについて、以下図４および図５を用いて説明する。図４は、本発明の実施例に係る計算モデルを平面断面で示した計算モデル平面図、図５は、前記計算モデルを縦断面方向から見た計算モデル縦断面図である。

そして、二点鎖線で囲み斜線で示した図４中の幅方向計算領域１０ａと、図５中の高さ方向計算領域１０ｂとによって囲まれた領域を計算領域１０とした。即ち、図４の平面図上の、キャスク保管室３内に保管された直径２５００ｍｍのキャスク１表面からコンクリート内壁面４ａ、外壁面４ｂに至る幅１００ｍｍの幅方向計算領域１０ａと、図５の縦断面図上の、前記キャスク１表面からコンクリート内壁面４ａ、外壁面４ｂに至る高さ５００ｍｍの高さ方向計算領域１０ｂとによって囲まれた三次元的な領域が計算領域１０である。

そして、前記計算領域１０内において、使用済み核燃料の崩壊熱によるキャスク１表面からの放射熱および対流熱が、その間に介在する空間領域を経てコンクリート内壁面４ａに至り、熱伝導によりコンクリート壁４内部を伝熱し、このコンクリート外壁面４ｂより対流伝熱によってキャスク貯蔵施設外部に熱放散される計算がなされるのである。

同時に、前記キャスク１表面とコンクリート内壁面４ａとの間に介在する空間の計算領域では、図５に示すように、両者により加熱された空気の浮力により上昇気流１１の入出があり、この自然対流によってもキャスク１表面やコンクリート内壁面４ａから除熱されることも、計算上当然考慮されなくてはならない。

以上のような計算モデルにおいて、下記のような計算条件にて、コンクリート内壁面４ａが上下方向に沿って連続して配列された図３に示す台形状の突起面５を有する実施例１と突起面の存在しない比較例１とについて、数値シミュレーションを実施した。実施例１における台形等の寸法は、図３において、上底長さａ＝３０ｍｍ，下底長さｂ＝５０ｍｍ，高さｈ＝５０ｍｍ，非突起面長さｃ＝５０ｍｍ，ピッチｐ＝１００ｍｍである。

比較例１は、コンクリート内壁面４ａがフラットな壁面であること以外は、上述した本発明の実施例に係る計算モデルと全く同一条件とした。尚、本実施例の数値シミュレーションに用いたプログラムは、ｆｌｕｅｎｔ ｖｅｒｓｉｏｎ６．２（フルーエント・ジャパン株式会社製）である。
＜計算条件＞
（１）キャスク
発熱量：２４．４ｋＷ
表面熱流束：５６５Ｗ／ｍ^２
輻射率：０．９
（２）コンクリート壁、床面
輻射率：０．９
熱伝導率：１．２Ｗ／ｍＫ
外壁面熱伝達率：５Ｗ／ｍ^２Ｋ
外気温度：３０℃

上昇気流１１による空気流速が０．５ｍ／ｓの場合と０．１ｍ／ｓの場合の内壁面４ａ温度、およびキャスク１表面温度のシミュレーション結果を表１および表２に示す。何れの空気流速の場合も、本発明に係る実施例１−１および１−２の場合の方が、比較例１−１および１−２より、内壁面４ａ温度およびキャスク１表面温度とも低減することが認められる。尚、空気流速が高い方が表面温度は低下し、また、キャスク１表面より内壁面４ａの方が降温効果が大きい。

また、空気流速が０．５ｍ／ｓの場合と０．１ｍ／ｓの場合における、計算領域で内壁面４ａが受熱する受熱量を分析した計算結果を、表３および表４に示す。空気流速が０．５ｍ／ｓの場合、比較例１−３ではキャスク１から内壁面４ａへ放射熱量７．９１Ｗの受熱があるが、対流によって６．８４Ｗ除熱されて、差し引き１．０６Ｗの受熱量となる。

一方、本実施例１−３においては、内壁面４ａの表面積が増大したため放射熱による受熱量は８．５７Ｗに増加するが、対流による除熱量も７．８６Ｗに増加する結果、総受熱量は０．７１Ｗとなり、比較例１−３の約２／３まで低減される。その結果、表１に示したように、実施例１−１の内壁面温度が比較例１−１より、６．９℃も低下するのである。空気流速が０．１ｍ／ｓの場合についても、表２の比較例１−２と実施例１−２とを比較すれば、上記と全く同様な傾向が認められる。

〔実施例２〕
次に、台形形状の突起面寸法およびその配列ピッチｐを変化させた場合、内壁面４ａ温度がどのように変化するか数値シミュレーションした実施例２の結果について、表５−１〜３を参照しながら以下説明する。本数値シミュレーション上の空気流速は０．５ｍ／ｓとした。その他の計算条件は実施例１と全く同一であるので説明を省略する。

先ず、台形形状の上底長さａ＝２５ｍｍ、下底長さｂ＝５０ｍｍ、配列ピッチｐ＝１００ｍｍとして、高さｈのみ２５〜２００ｍｍに変化させて数値シミュレーションした結果を表５−１の実施例２−１〜５に示す。台形高さｈを高くするほど受熱および放熱面積が広がり、内壁面温度を低減させる効果があることが認められる。

次に、台形形状の上底長さａ、下底長さｂを上記と同一値、高さｈを５０ｍｍの一定値とし、配列ピッチｐのみを１００〜５００ｍｍに変化させて数値シミュレーションした。結果は、表５−２の実施例２−６〜８に示す如く、配列ピッチｐを大きくするに従って内壁面温度が上昇する。配列ピッチｐが大きくなるに従い、内壁面の形状が限りなく平面に近づく傾向にあるからである。

また次に、上底長さａ、配列ピッチｐ、高さｈを上記と同一値とし、下底長さｂを２５〜２５０ｍｍに変えた場合について数値シミュレーションを行った。内壁面温度の計算結果は、表５−３の実施例２−９〜１１に示す通り、下底長さｂの増加に伴って高くなる。この場合、下底長さｂの増加とともに配列ピッチｐの増加も伴う条件のため、上記実施例２−６〜８の場合より更に限りなく平面に近づく傾向にあるからである。

以上、本発明に係るキャスク貯蔵施設の実施例１および実施例２によれば、前記キャスク保管室の内壁面に略連続した多数の突起面を配列したことによって、キャスク保管室内壁面の表面積を増大させ、収納された使用済み核燃料の崩壊熱により加熱された前記キャスクの放射冷却と、このキャスク表面からの放射熱を受けて昇温したキャスク保管室内壁面の周囲空気の上昇気流による対流冷却とを促進することが、数値シミュレーションによって確認された。

上記実施例１および実施例２においては、全てコンクリート内壁面に配列された実施例について述べてきたが、この突起面を床面に配列された場合についても、その効果は前記内壁面に配列された場合と同一である。

以上、本発明に係るキャスク貯蔵施設によれば、前記キャスクを保管するキャスク保管室の内壁面や床面に略連続した多数の突起面を配列して内壁面や床面の表面積を増大させたので、放射伝熱および対流伝熱による放熱が促進されて、前記内壁面や床面の温度上昇が抑制される。

また、本発明に係るキャスク貯蔵施設によれば、前記突起面の配列方向や形状、寸法を最適化することによって、前記内壁面や床面の放熱が更に促進されて、これらの温度上昇を効果的に低減する効果をなす。

本発明の実施の形態に係るキャスク貯蔵施設のキャスク保管室の一部縦断面を模式的に示した部分縦断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視の一部を示す部分矢視図である。 図２のＸ部詳細図である。 計算モデルを平面断面視した計算モデル平面図である。 計算モデルを縦断面視した計算モデル縦断面図である。 従来のキャスク貯蔵施設を正面視した概略構成図である。 他の従来の放射線物質貯蔵施設の貯蔵建屋の水平断面図である。

符号の説明

１…キャスク， ２…キャスク貯蔵施設， ３…キャスク保管室，
４…コンクリート壁，４ａ…内壁面，４ｂ…外壁面，
５…突起面， ６…非突起面， ７…床面，
１０…計算領域，１０ａ…幅方向計算領域，１０ｂ…高さ方向計算領域，
１１…上昇気流

Claims (8)

1. 使用済み核燃料を収納したキャスクを貯蔵するキャスク貯蔵施設において、前記キャスクを保管するキャスク保管室の内壁面に、略連続した多数の突起面が配列されたことを特徴とするキャスク貯蔵施設。
2. 前記突起面が、前記内壁面の上下方向に沿って略連続して配列されたことを特徴とする請求項１に記載のキャスク貯蔵施設。
3. 使用済み核燃料を収納したキャスクを貯蔵するキャスク貯蔵施設において、外部の空気を取り込む吸気口と内部の空気を排出する排気口とが設けられるとともに、前記キャスクを保管するキャスク保管室の床面に、略連続した多数の突起面が配列されたことを特徴とするキャスク貯蔵施設。
4. 前記突起面が、前記吸気口から排気口に沿う方向に略連続して配列されたことを特徴とする請求項３に記載のキャスク貯蔵施設。
5. 前記突起面の横断面が、台形形状であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載のキャスク貯蔵施設。
6. 前記台形形状の上底長さおよび／または下底長さが、キャスク直径の１乃至１０％の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載のキャスク貯蔵施設。
7. 前記突起面の配列ピッチが、キャスク直径の１乃至１０％の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至６のうちの何れか一つの項に記載のキャスク貯蔵施設。
8. 前記突起面の高さが、２５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至７のうちの何れか一つの項に記載のキャスク貯蔵施設。

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