JP2009168775A - 使用済燃料の熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】通常のキャスクやキャニスタ等の密封容器から簡易かつ安全に熱回収を行う。
【解決手段】密封容器（たとえばキャスク１）に装着される熱回収装置２と、熱回収媒体を強制循環させるための循環管路網と、熱回収媒体との熱交換により熱回収する熱交換器を具備する。熱回収装置は、密封容器の周囲を覆う筒状の伝熱容器５と、伝熱容器の上部に設けられた熱回収ヘッダー６と、吸熱部７ａが伝熱容器の周面に一体に設けられ放熱部７ｂが熱回収ヘッダー内に配置されたヒートパイプ７を具備する。あるいは、密封容器の周囲および上部を覆う有蓋筒状の伝熱容器と、伝熱容器の周面に螺旋状をなすように一体に設けられた熱回収管を具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、使用済燃料を収納した密封容器を冷却するとともに使用済燃料が発生する崩壊熱を有効利用するべく熱回収するための熱回収システムに関する。

この種の熱回収システムとして特許文献１により「使用済燃料の高密度貯蔵システム」が提案されている。
これは、使用済燃料の密封容器であるキャスクやキャニスタの内部に冷却管を設置するとともに伝熱媒体としての固体粒子群を充填するものであって、冷却管内に冷却流体を強制流動させて崩壊熱を除去（すなわち冷却）するとともに、それにより加熱された冷却流体の有する熱エネルギを回収してたとえばタービン発電用の熱源として有効利用するというものである。
特開２００６−１０３３０号公報

上記システムは密封容器内に冷却管を設置しかつ固体粒子群を充填するものであることから、当然にその密封容器としては通常のキャスクやキャニスタをそのまま使用できるものではなく、それに代わる特殊構造の新たな密封容器の開発を前提としている。しかし、そのような特殊構造の密封容器には冷却流体を通しての放射線の万一の漏洩を確実に防止するための安全対策が不可欠であり、安全性の検証を始めとして実際に適用するためには解決すべき課題も多い。

上記事情に鑑み、本発明は従来までに安全性が確立されている通常のキャスクやキャニスタ等の密封容器をそのまま使用することを前提として、その密封容器に収納されている使用済燃料が発する崩壊熱を簡易にかつ安全に回収し得て有効に利用可能な熱回収システムを提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、密封容器に収納した使用済燃料が発生する崩壊熱を熱回収するための熱回収システムであって、前記密封容器に装着されて熱回収媒体が供給されることにより該密封容器を外側から冷却するとともに該密封容器から熱回収を行う熱回収装置と、熱回収媒体を前記熱回収装置に供給してそこから返送するように強制循環させるための循環管路網と、熱回収媒体との熱交換により熱回収するとともに熱回収媒体を冷却する熱交換器とを具備し、前記熱回収装置は、前記密封容器の周囲を覆う筒状の伝熱容器と、該伝熱容器の上部に設けられて前記循環管路網により熱回収媒体が供給され返送される熱回収ヘッダーと、吸熱部が前記伝熱容器の周面に一体に設けられ放熱部が前記熱回収ヘッダー内に配置されたヒートパイプを具備してなることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、密封容器に収納した使用済燃料が発生する崩壊熱を熱回収するための熱回収システムであって、前記密封容器に装着されて熱回収媒体が供給されることにより該密封容器を外側から冷却するとともに該密封容器から熱回収を行う熱回収装置と、熱回収媒体を前記熱回収装置に供給してそこから返送するように強制循環させるための循環管路網と、熱回収媒体との熱交換により熱回収するとともに熱回収媒体を冷却する熱交換器とを具備し、前記熱回収装置は、前記密封容器の周囲および上部を覆う有蓋筒状の伝熱容器と、該伝熱容器の周面に螺旋状をなすように巻き付けられた状態で一体に設けられて前記循環管路網により熱回収媒体が供給され返送される熱回収管を具備してなることを特徴とするものである。

本発明の熱回収システムは、使用済燃料を収納している密封容器の外側に熱回収装置を装着し、熱回収媒体を循環管路網を通して熱交換器との間で循環させることにより、密封容器を効率的に冷却し得て効率的な熱回収が可能であることはもとより、安全性の確立されている通常の密封容器を対象としてそれを外側から冷却して熱回収するものであるので、特殊な密封容器を必要とせずに自ずと安全性を確保することができるし、既設の貯蔵施設に対して適用することも可能であり、使用済燃料からの熱回収システムとしてのみならず冷却システムとしても極めて合理的であり有効である。

特に、請求項１記載の発明は、熱回収装置を伝熱容器と熱回収ヘッダーとヒートパイプにより構成したので、ヒートパイプによる効率的な熱回収効果が得られる。
また、請求項２記載の発明は、熱回収装置を伝熱容器と螺旋状の熱回収管により構成したので、熱回収媒体による直接的な熱回収効果が得られるし、構成の簡略化とコスト軽減を図ることができる。

「第１実施形態」
本発明の第１実施形態である熱回収システムを図１〜図３に示す。
これは、使用済燃料を収納するための密封容器として通常のキャスク１を対象として、そのキャスク１を外側から冷却するとともに使用済燃料が発生する崩壊熱を熱回収して有効利用するためのもので、図１に示すように、多数のキャスク１のそれぞれに装着される熱回収装置２と、各熱回収装置２に熱回収媒体としての冷却水を強制循環させるための循環管路網３と、冷却水を冷却するとともに冷却水から熱回収を行うための熱交換器４を具備してなるものである。

本実施形態における熱回収装置２は、図２〜図３に示すようにキャスク１の周囲を覆うように装着される筒状の伝熱容器５と、その上部に設けられた熱回収ヘッダー６と、伝熱容器５の周面に取り付けられた多数（図示例では１６本）のヒートパイプ７からなる。
伝熱容器５は良伝熱性の金属薄板を素材として円筒状に加工成形してなるものであり、キャスク１の外周面に密着ないし必要最小限の隙間を確保した状態でその外周面全体を覆い得るような大きさとされている。
熱回収ヘッダー６は伝熱容器５よりもやや大径の扁平な円筒状をなすもので、伝熱容器５の上部に一体に取り付けられており、伝熱容器５をキャスク１の周囲に装着した状態では熱回収ヘッダー６がキャスク１の上部に被せられた状態で装着されるものである。
ヒートパイプ７は真空な管体内に作動液を封入した周知の伝熱装置であって、その下端部の吸熱部７ａが上下方向に沿うように等間隔で並べられて伝熱容器５の外周面に一体に取り付けられ、上端部の放熱部７ｂは熱回収ヘッダー６内に挿入されて内側に曲げられて放射状に配列されたものとなっている。

上記の熱回収ヘッダー６の両側には循環管路網３を構成している供給分岐管８ａと返送分岐管８ｂが接続され、それら供給分岐管８ａと返送分岐管８ｂにはそれぞれ供給主管９ａと返送主管９ｂが接続されていて、それらにより熱回収ヘッダー６には熱回収媒体としての冷却水が供給されるとともにその内部を通過して返送されるようになっており、その間に冷却水はヒートパイプ７により効率的に加熱されるようになっている。
すなわち、キャスク１の表面温度は使用済燃料の崩壊熱によりたとえば150℃程度の高温になるので、その外側に装着されている伝熱容器５も同等程度の高温となるが、伝熱容器５にはヒートパイプ７の吸熱部７ａが一体に設けられているとともにヒートパイプ７の放熱部７ｂは熱回収ヘッダー６内に設けられているので、高温の伝熱容器５からヒートパイプ７の吸熱部７ａによって吸熱がなされて速やかに放熱部７ｂに伝達され、熱回収ヘッダー６内において放熱部７ｂから冷却水への放熱がなされる。
つまり、キャスク１は伝熱容器５を介してヒートパイプ７により吸熱されて効率的に冷却されることになり、同時にヒートパイプ７は熱回収ヘッダー６内において冷却水に対して放熱してそれを加熱することになる。

また、本第１実施形態における循環管路網３においては、図１に示すように供給主管９ａの基部に設置された循環ポンプ１０によって冷却水が図中の矢印のように循環管路網３全体にわたってリバースリターン方式で強制循環されるようになっている。
すなわち、熱交換器４により所定水温の冷水として調整された冷却水は、循環ポンプ１０により圧送されてサプライヘッダー１１ａを介して各供給主管９ａに分配され、各供給主管９ａから供給分岐管８ａを通して各熱回収装置２に供給されて熱回収ヘッダー６内を通過し、その間に冷却水はヒートパイプ７からの放熱を受けて水温が上昇して温水となり、温水となった冷却水は返送分岐管８ｂ、返送主管９ｂ、リターンヘッダー１１ｂを介して熱交換器４に戻るように循環するようになっている。
そして、熱交換器４において温水となっている冷却水と熱回収水との熱交換が行われてここで熱回収がなされ、水温の上昇した熱回収水はたとえば給湯や冷暖房等の熱源として有効に利用可能である。勿論、温水となって返送されてきた冷却水は熱交換器４において熱回収水によって冷却されることになって所定水温の冷水として再調整され、さらに循環する。

このように、本実施形態の熱回収システムは、使用済燃料を収納しているキャスク１の外側に熱回収装置２を装着して、熱回収媒体としての冷却水を循環管路網３を通して熱交換器４との間で循環させることのみで、各キャスク１を効率的に冷却し得るとともに効率的な熱回収が可能である。したがって、従来においては特に利用されることなく廃熱として大気中に放熱されていた使用済燃料の崩壊熱を有用な熱エネルギーとして有効に活用でき、省エネルギーや温室効果ガス削減の観点からも有効である。
特に本実施形態では、安全性の確立されている通常のキャスク１を対象としてそれを外側から冷却し熱回収するものであるので、特許文献１に示されるシステムのように特殊な密封容器を必要とせず、したがって自ずと安全性を確保することができるし、既設の貯蔵施設に対して適用することも可能であり、使用済燃料からの熱回収システムとして極めて合理的であり有効である。

しかも、本実施形態の熱回収システムは、冷却水の強制循環により使用済燃料を冷却するものであるので、使用済燃料の冷却システムとしても極めて有効なものである。
すなわち、通常の冷却システムは貯蔵施設内に外気を取り入れて自然通風力による換気によりキャスクを冷却する通風式のものが一般的であるが、そのような従来の冷却システムでは全てのキャスクを均等に冷却して高度の温度管理を行うことは必ずしも容易ではないし、特に臨海域に立地する施設においては取り入れ外気中に含まれる海塩粒子によるキャスクの腐食に対する対策も必要である。それに対し、本実施形態の熱回収システムでは、冷却水の強制循環により全ての使用済燃料を確実かつ効率的に冷却することが可能であって、温度管理の信頼性も確保し易く、取り入れ外気による腐食の問題もなく、したがって使用済燃料の冷却システムとしても従来一般の通風式の冷却システムに比べて充分に有効なものである。

なお、図１に模式的に示した系統図では、３台のキャスク１ごとに１系統の供給主管９ａと返送主管９ｂを設けるとともに、各系統をサプライヘッダー１１ａおよびリターンヘッダー１１ｂ間に並列的に設け、かつ全体としてリバースリターン方式により冷却水を循環させるような循環管路網３としているが、循環管路網３の具体的な構成はキャスク１の台数や施設全体の規模、その他の諸条件を考慮して最適設定すれば良いことはいうまでもない。勿論、必要に応じてヘッダーや管路網を増設あるいは延長することで将来的な施設増築や収納台数の増加にも容易に対応可能である。

「第２実施形態」
本発明の第２実施形態を図４〜図６に示す。これは、第１実施形態と同様に通常のキャスク１を対象とするものであるが、熱回収装置の構成が第１実施形態と相違するものである。
すなわち、本第２実施形態における熱回収装置２１は、図５〜図６に示すようにキャスク１の周囲および上部を覆う有蓋筒状の伝熱容器２２と、その伝熱容器２２の外周面に螺旋状をなすように巻き付けられた状態で一体に設けられた熱回収管２３とにより構成されている。

そして、熱回収媒体としての冷却水が供給主管９ａから供給分岐管８ａを介して螺旋状の熱回収管２３に直接供給されて、冷却水が熱回収管２３内を周回しつつ上方に向かって通水される間にその冷却水によって伝熱容器２２を介してキャスク１が冷却されるとともに、冷却水は加熱されて温水となって返送分岐管８ｂ、返送主管９ｂを介して熱交換器４に返送され、これにより第１実施形態の場合と同様に熱交換器４において熱回収がなされるようになっている。

したがって本第２実施形態においても第１実施形態と同様に冷却水によりキャスク１を効率的に冷却できるとともにキャスク１からの熱回収が効率的になされ、しかも第１実施形態のようにヒートパイプ７を使用するものではないのでそれに比べてさらなる構成の簡略化とコスト軽減が実現しており、使用済燃料からの熱回収システムとしても、また使用済燃料に対する冷却システムとしても極めて有効なものである。

なお、本第２実施形態においては、図４に模式的に示した系統図のように全３２台のキャスク群を対象としてその全体を１系統のリバースリターン方式の循環管路網３として構成したが、各キャスク１に冷却水を均等に分配して効果的に循環させるようにする限りにおいて循環管路網の具体的な構成は任意であって、図１に示した第１実施形態と同様の循環管路網３とすることを始めとして適宜の変更が可能であることはいうまでもない。

以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態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内で様々な設計的変更や応用が可能である。
たとえば、上記実施形態では使用済燃料を収納する密封容器としてキャスクを例示したが、キャニスタ等の他の密封容器に対しても同様に適用可能であり、その密封容器に装着する熱回収装置２，２１の具体的な構成や形状・寸法、特に第１実施形態におけるヒートパイプ７の本数や熱回収ヘッダー６の容量、第２実施形態における螺旋状の熱回収管２３の周回数、その他の諸元も要求される性能に応じて最適設計すれば良い。
また、上記実施形態では熱回収媒体として単なる冷却水を使用したが、循環管路網を強制循環させることができ、かつ効率的な熱回収と冷却を行い得る熱特性と物性を有する液体であれば他の熱媒体も採用可能である。

本発明の第１実施形態である熱回収システムを示す概略系統図である。 同、熱回収装置の概略構成を示す斜視図である。 同、断面図である。 本発明の第１実施形態である熱回収システムを示す概略系統図である。 同、熱回収装置の概略構成を示す斜視図である。 同、断面図である。

符号の説明

１ キャスク（密封容器）
２ 熱回収装置
３ 循環管路網
４ 熱交換器
５ 伝熱容器
６ 熱回収ヘッダー
７ ヒートパイプ
７ａ 吸熱部
７ｂ 放熱部
８ａ 供給分岐管
８ｂ 返送分岐管
９ａ 供給主管
９ｂ 返送主管
１０ 循環ポンプ
１１ａ サプライヘッダー
１１ｂ リターンヘッダー
２１ 熱回収装置
２２ 伝熱容器
２３ 熱回収管

Claims (2)

1. 密封容器に収納した使用済燃料が発生する崩壊熱を熱回収するための熱回収システムであって、
   前記密封容器に装着されて熱回収媒体が供給されることにより該密封容器を外側から冷却するとともに該密封容器から熱回収を行う熱回収装置と、熱回収媒体を前記熱回収装置に供給してそこから返送するように強制循環させるための循環管路網と、熱回収媒体との熱交換により熱回収するとともに熱回収媒体を冷却する熱交換器とを具備し、
   前記熱回収装置は、前記密封容器の周囲を覆う筒状の伝熱容器と、該伝熱容器の上部に設けられて前記循環管路網により熱回収媒体が供給され返送される熱回収ヘッダーと、吸熱部が前記伝熱容器の周面に一体に設けられ放熱部が前記熱回収ヘッダー内に配置されたヒートパイプを具備してなることを特徴とする使用済燃料の熱回収システム。
2. 密封容器に収納した使用済燃料が発生する崩壊熱を熱回収するための熱回収システムであって、
   前記密封容器に装着されて熱回収媒体が供給されることにより該密封容器を外側から冷却するとともに該密封容器から熱回収を行う熱回収装置と、熱回収媒体を前記熱回収装置に供給してそこから返送するように強制循環させるための循環管路網と、熱回収媒体との熱交換により熱回収するとともに熱回収媒体を冷却する熱交換器とを具備し、
   前記熱回収装置は、前記密封容器の周囲および上部を覆う有蓋筒状の伝熱容器と、該伝熱容器の周面に螺旋状をなすように巻き付けられた状態で一体に設けられて前記循環管路網により熱回収媒体が供給され返送される熱回収管を具備してなることを特徴とする使用済燃料の熱回収システム。

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