JP2010145111A

JP2010145111A - コンクリートキャスクの除熱装置およびコンクリートキャスク

Info

Publication number: JP2010145111A
Application number: JP2008319516A
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: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: JP5456304B2

Abstract

【課題】検査専用の孔を設けずにキャニスタの検査を容易にする。
【解決手段】コンクリート容器３内に収容されたキャニスタ４を冷却する一次側冷却空気５を、給気口６から取り込んで給気口６よりも高い位置に設けられた排気口７から排出するコンクリートキャスク２の除熱装置１であって、コンクリート容器３の外側に配置され、排気口７と給気口６とを連通して排気口７から排出された一次側冷却空気５を給気口６へと循環させると共に外壁で熱交換可能な一次側通路８を備え、一次側通路８はコンクリート容器３に対して着脱可能になっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリートキャスクの除熱装置及びこれを備えたコンクリートキャスクに関する。更に詳しくは、本発明は、空気の流れによってコンクリートキャスク内を冷却するコンクリートキャスクの除熱装置、及びこれを備えたコンクリートキャスク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を備えている。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、例えば特開平８−４３５９１号公報に記載されたコンクリートキャスクでは、図５に示すように、ＦＰを収容する金属製キャニスタ１０１とコンクリート層１０２との間の断熱層１０３に多数のヒートパイプ１０４を埋設し、キャニスタ１０１の熱をヒートパイプ１０４によって除去するようにしている。

特開平８−４３５９１号

しかしながら、上記のコンクリートキャスクでは、内部のキャニスタ１０１を検査するためにはコンクリートキャスクの蓋１０５を開けてキャニスタ１０１を露出させる必要がある。そのため、キャニスタ１０１の検査が大掛かりなものとなる。ここで、キャニスタ１０１の検査を容易なものにするために、蓋１０５等に検査用のボアホールカメラを挿入する貫通孔を設けることも考えられるが、その場合には検査専用の孔をわざわざ設けることになる。

本発明は、検査専用の孔が無くてもキャニスタの検査が容易なコンクリートキャスクと、当該コンクリートキャスクに使用される除熱装置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一次側冷却空気を、給気口から取り込んで給気口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の除熱装置において、コンクリート容器の外側に配置され、排気口と給気口とを連通して排気口から排出された一次側冷却空気を給気口へと循環させると共に外壁で熱交換可能な一次側通路を備え、一次側通路をコンクリート容器に対して着脱可能にしたものである。

したがって、一次側冷却空気は、コンクリートキャスク内でキャニスタを冷却した後、排気口から排出され、一次側通路を通りながら熱交換によって熱を放出して給気口へと循環される。一次側冷却空気には、コンクリートキャスク内では加熱による上昇力が作用し、コンクリートキャスクの外の一次側通路内では冷却による下降力が作用する。このため、一次側冷却空気は自然循環する。一次側通路はコンクリート容器に対して着脱可能となっているので、除熱装置がコンクリートキャスクに対して着脱可能になる。除熱装置をコンクリートキャスクから外すことで、コンクリート容器内へと通じる給気口と排気口を露出させることができる。

また、請求項２記載のコンクリートキャスクの除熱装置は、一次側通路の熱交換部分として外壁に設けられ且つ二次側冷却空気が流れる二次側通路を備えており、二次側冷却空気は二次側通路の下端に設けた二次側給気口から流入して一次側冷却空気を冷却することで加熱されて二次側通路内を上昇し、二次側通路の二次側給気口よりも高い位置に設けられた二次側排気口から放出されるものである。したがって、一次側冷却空気は二次側冷却空気によって冷却される。二次側冷却空気には一次側冷却空気との熱交換による加熱によって上昇力が作用するので、二次側冷却空気は二次側給気口→二次側通路→二次側排気口へと自然の力によって流れる。

また、請求項３記載のコンクリートキャスクの除熱装置は、蒸発し気化熱によって二次側冷却空気を冷却する三次側冷却液体を備えるものである。したがって、三次側冷却液体の気化熱で二次側通路を流れる二次側冷却空気が冷却される。三次側冷却液体は二次側通路に接する状態で貯留槽に貯えられても良いし、二次側通路の表面に噴霧され又は流されても良い。

さらに、請求項４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一次側冷却空気を、給気口から取り込んで給気口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、請求項１から３のいずれか一つに記載された除熱装置を備えるものである。したがって、上記除熱装置を備えるコンクリートキャスクが構成される。

請求項１記載のコンクリートキャスクの除熱装置では、一次側冷却空気を循環させてコンクリート容器内を冷却するので、コンクリート容器内を外部環境から遮断することができ、塩分等を含んだ外気がコンクリート容器内に流入するのを防止することができる。そのため、外気に含まれる塩分や水分に起因したキャニスタの腐食を防止することができる。

また、除熱装置をコンクリートキャスクに対して着脱できるので、除熱装置を外して給気口及び排気口を露出させることができ、給気口及び排気口を利用してキャニスタ等の検査を行うことができる。そのため、コンクリートキャスクに検査専用の孔をわざわざ設ける必要がなくなるとともに、蓋を開ける等の作業も無いため検査作業自体も容易になる。また、除熱装置をコンクリートキャスクから取り外すことで、除熱装置のメンテナンスが容易になる。また、既存のコンクリートキャスクへの除熱装置の後付けが可能になる。また、必要な時期だけ除熱装置を取り付けておくことが可能になる。例えば、応力腐食割れ等の腐食が問題になるのは主に貯蔵末期であり、外部の塩分環境からの遮断が必要な貯蔵末期にだけ除熱装置を装着することが可能になり、不要な時期には除熱装置を取り外しておくことができる。

また、請求項２記載のコンクリートキャスクの除熱装置では、外部の空気によって一次側冷却空気を冷却することができる。そのため、除熱装置の構造を簡単なものにすることができる。また、自然の力を利用して二次側冷却空気を循環させることができるので、専用の動力が不要になり維持管理が容易である。さらに、外部の空気を利用しているので、二次側冷却空気の喪失を防止することができ、より信頼性を高めることができる。

また、請求項３記載のコンクリートキャスクの除熱装置では、二次側冷却空気を冷却することができるので、一次側冷却空気の冷却性能をより一層向上させることができる。

さらに、請求項４記載の発明では、上記の除熱装置を備えるコンクリートキャスクが構成される。

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〜図３に本発明のコンクリートキャスクの除熱装置（以下、単に除熱装置と記す）の実施形態の一例を示す。除熱装置１は、コンクリートキャスク２のコンクリート容器３内に収容されたキャニスタ４を冷却する一次側冷却空気５を、給気口６から取り込んで給気口６よりも高い位置に設けられた排気口７から排出するコンクリートキャスク２に適用されるものであり、コンクリート容器３の外側に配置され、排気口７と給気口６とを連通して排気口７から排出された一次側冷却空気５を給気口６へと循環させると共に外壁１４で熱交換可能な一次側通路８を備え、一次側通路８はコンクリート容器３に対して着脱可能となっている。また、本発明は、上述の除熱装置１を備えるコンクリートキャスク２としても把握される。

使用済み原子燃料を収容するキャニスタ４は支持脚１１の上に載せられてコンクリート容器３内に収容されている。コンクリート容器３の上部開口は蓋１２によって塞がれている。キャニスタ４とコンクリート容器３との間には、一次側冷却空気５が流れる冷却通路１３が設けられている。コンクリート容器３の底部には冷却通路１３へと通じる給気口６が設けられている。また、コンクリート容器３と蓋１２との間には冷却通路１３へと通じる排気口７が設けられている。給気口６と排気口７は一次側通路８によって連通されるものであることから、例えば図２に示すように上から見て同じ位置に同じ数だけ設けられることが好ましい。ただし、一次側通路８によって一次側冷却空気５を排気口７から給気口６へと循環させることが可能であれば、給気口６と排気口７とを上から見て同じ位置に設ける必要はなく、また、給気口６と排気口７の設置数が異なっていても良い。また、給気口６と排気口７は一次側通路８によって連通されるものであることから、コンクリートキャスク２の周面に開口することが好ましい。ただし、給気口６と排気口７を一次側通路８によって連通させることが可能であれば、給気口６と排気口７をコンクリートキャスク２の周面に開口させる必要はなく、給気口６をコンクリートキャスク２の例えば底面に開口させても良く、排気口７をコンクリートキャスク２の例えば上面に開口させても良い。本実施形態では、コンクリートキャスク２の周面に例えば周方向に等間隔で４箇所に給気口６と排気口７が設けられている。

除熱装置１は一つの給気口６と一つの排気口７から構成される組毎に１台ずつ設けられている。本実施形態のコンクリートキャスク２には４組の給気口６と排気口７とが設けられているので、コンクリートキャスク２には４台の除熱装置１が取り付けられている。

除熱装置１は、一次側通路８の熱交換部として外壁１４に設けられ且つ二次側冷却空気９が流れる二次側通路１０を備えている。即ち、一次側通路８と二次側通路１０は外壁１４を隔てて熱交換可能に設けられている。各通路８，１０は熱伝導性に優れ且つ通路としての剛性を確保できる材料、例えば銅，アルミニウム，ステンレス等の金属材料によって形成されている。本実施形態では、各空気５，９との接触面積を増加させて熱交換性能を向上させるため、外壁１４にはフィン１５が設けられている。フィン１５は各空気５，９の流れを妨げない形状を成している。ただし、熱交換性能を十分に確保できる場合等にはフィン１５を設けなくても良い。なお、図１ではフィン１５の記載を省略している。

一次側通路８の上端には冷却通路１３の排気口７に接続される一次側給気口１６が、下端には冷却通路１３の給気口６に接続される一次側排気口１７がそれぞれ設けられている。本実施形態では、一次側給気口１６及び一次側排気口１７を筒状に形成し、筒状部分の先端を冷却通路１３の排気口７又は給気口６内に挿入することで、接続部分からの一次側冷却空気５の漏出と外気の流入を防止している。また、二次側通路１０の下端には二次側給気口１８が、上端には二次側排気口１９がそれぞれ設けられている。二次側給気口１８及び二次側排気口１９は大気に開放されている。

本実施形態の除熱装置１は、蒸発し気化熱によって二次側冷却空気９を冷却する三次側冷却液体２０を備えている。三次側冷却液体２０は二次側通路１０を挟んで一次側通路８と反対側に設けられた貯留槽２１に貯えられている。三次側冷却液体２０は二次側通路１０と接しており、蒸発時の気化熱で二次側通路１０内を流れる二次側冷却空気９を冷却する。本実施形態では、二次側冷却空気９と三次側冷却液体２０との接触面積を増加させて熱交換性能を向上させるため、二次側通路１０と貯留槽２１との間の隔壁２２、即ち本実施形態では二次側通路１０の外壁にはフィン２３が設けられている。フィン２３は
二次側冷却空気９と三次側冷却液体２０の流れを妨げない形状を成している。ただし、熱交換性能を十分に確保できる場合にはフィン２３を設けなくても良い。三次側冷却液体２０は例えば水である。ただし、水以外の冷却液を使用しても良い。なお、図１ではフィン２３の記載を省略している。

除熱装置１は例えば台車２４に載置されており、移動可能になっている。除熱装置１を台車２４に載置することで給気口６と一次側排気口１７の高さ、排気口７と一次側給気口１６の高さがそれぞれ一致する。したがって、除熱装置１を台車２４に載せて移動させることで、一次側排気口１７を給気口６に、一次側給気口１６を排気口７にそのまま挿入させて接続することができる。これらを接続した後、台車２４を固定することで除熱装置１の設置が完了する。また、除熱装置１の接続を切り離す場合には、台車２４の固定を解いて移動させ、一次側給気口１６を排気口７から、一次側排気口１７を給気口６からそれぞれ引き抜けば良い。

除熱装置１はコンクリートキャスク２の使用開始時（放射性廃棄物の貯蔵初期）からコンクリートキャスク２に取り付けておき、キャニスタ４の検査時等に取り外すようにしても良いし、コンクリートキャスク２の使用開始時には除熱装置１を取り付けておかずに、使用開始後ある程度の期間が経過してから除熱装置１をコンクリートキャスク２に取り付けるようにしても良い。例えば、応力腐食割れ（ＳＣＣ：Stress Corrosion Cracking）等の腐食が問題になるのはキャニスタ４がある程度低温になって結露が生じる虞のある貯蔵末期であることが多い。したがって、コンクリート容器３内を外部の塩分環境から遮断することが必要な貯蔵末期にだけ除熱装置１をコンクリートキャスク２に取り付けるようにし、不要な時期には除熱装置１をコンクリートキャスク２から取り外しておいても良い。除熱装置１は着脱可能であることから上述のような種々の使い方が可能である。

次に、除熱装置１の作動について説明する。

コンクリートキャスク２に除熱装置１が取り付けられて一次側給気口１６が排気口７に、一次側排気口１７が給気口６にそれぞれ接続されると、冷却通路１３と一次側通路８は一次側冷却空気５を循環させるループを形成する。コンクリート容器３内では一次側冷却空気５はキャニスタ４を冷却することで加熱されるので、一次側冷却空気５には上昇力が作用する。一方、除熱装置１の外、即ち一次側通路８内では、一次側冷却空気５は二次側冷却空気９によって冷却されるので、一次側冷却空気５には下降力が作用する。そのため、一次側冷却空気５は冷却通路１３→排気口７→一次側通路８→給気口６→冷却通路１３へと自然循環し、キャニスタ４の熱をコンクリート容器３の外に運搬する。

また、二次側冷却空気９は二次側通路１０内で一次側冷却空気５を冷却することで加熱されるので、二次側冷却空気９には上昇力が作用する。そのため、二次側冷却空気９は二次側通路１０の下端に設けた二次側給気口１８から流入して二次側通路１０内を上昇し、二次側通路１０の二次側給気口１８よりも高い位置に設けられた二次側排気口１９から放出される。即ち、二次側冷却空気９は外部→二次側給気口１８→二次側通路１０→二次側排気口１９→外部へと自然循環し、一次側冷却空気５によってコンクリート容器３の外に運搬された熱を環境に放出する。このとき、二次側冷却空気９は三次側冷却液体２０の気化熱によってより良好に冷却されるので、その分だけ二次側冷却空気９の温度が下がり、一次側冷却空気５をより良好に冷却することができる。

キャニスタ４の検査は、除熱装置１をコンクリートキャスク２から外した状態で行なわれる。除熱装置１を外すとコンクリート容器３内へと通じる給気口６と排気口７が露出するので、給気口６又は排気口７から例えばボアホールカメラを挿入し、キャニスタ４を検査することができる。このため、キャニスタ４の検査を容易に行なうことができる。また、検査に給気口６又は排気口７を利用することができるので、検査専用の孔をわざわざ設ける必要がなくなる。

本発明では一次側冷却空気５を循環させてキャニスタ４を冷却するので、コンクリート容器３内を外部環境から遮断することができ、塩分等を含んだ外気がコンクリート容器３内に流入するのを防止することができる。そのため、外気に含まれる塩分や水分に起因したキャニスタ４の腐食を防止することができる。特に、放射性廃棄物の貯蔵施設は海辺に建てられることが多く、外気には多くの塩分が含まれている。本発明では、このような状態の外気がコンクリート容器３内に導入されることがないので、キャニスタ４の溶接部分等に外気中の塩分が付着することがなく、外気に含まれる塩分によって応力腐食割れ等が発生・進行するのを確実に防止することができる。

また、キャニスタ４の熱を利用して一次側冷却空気５及び二次側冷却空気９を自然循環させることができるので、これらを駆動する動力が不要になり、装置１の維持管理が容易になるとともに、装置１の信頼性・耐久性を向上させることができる。

また、除熱装置１をコンクリートキャスク２から取り外すことができるので、除熱装置１のメンテナンスを容易に行なうことができる。また、既存のコンクリートキャスク２への後付けが可能になる。

また、二次側冷却空気９として空気を使用しているので、二次側冷却空気９を喪失することがなく、一次側冷却空気５の冷却を確実に行なうことができて信頼性に優れている。

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、一つの給気口６と一つの排気口７に対して１台の除熱装置１を設けるようにしていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、複数の給気口６と複数の排気口７に対して１台の除熱装置１を設けるようにしても良い。例えば図４に示すように、全ての給気口６と全ての排気口７に対して一つの除熱装置１を設けるようにしても良い。この場合には、除熱装置１を複数のユニットに分割してコンクリートキャスク２に対する着脱を可能にすることが好ましい。

また、上述の除熱装置１は三次側冷却液体２０を備えていたが、三次側冷却液体２０を省略しても良い。この場合には、二次側冷却空気９は周囲の空気によって冷却される。

また、上述の説明では、三次側冷却液体２０を貯留槽２１に貯えるようにしていたが、必ずしもこの構成に限るものではなく、例えば三次側冷却液体２０を二次側通路１０の表面に噴霧したり流したりするようにしても良い。

また、上述の説明では、三次側冷却液体２０として水を使用していたが、必ずしも水に限るものではなく、水以外の冷却流体を使用しても良い。

また、上述の説明では、二次側の冷却用の流体として空気９を使用していたが、必ずしも空気に限るものでなく、その他の気体を使用しても使用しても良い。

また、上述の説明では、除熱装置１を台車２４に載置することで移動可能にしていたが、除熱装置１を移動させる手段としては必ずしも台車２４に限るものではなく、例えばフォークリフトやクレーン等の搬送手段を使用して移動させるようにしても良く、又は除熱装置１に車輪を設けて移動させるようにしても良い。

また、上述の説明では一次側給気口１６及び一次側排気口１７を筒状に形成し、これらを冷却通路１３の排気口７又は給気口６に挿入することで各通路８，１３を接続するようにしていたが、接続する手段はこれに限るものではなく、接続部分からの一次側冷却空気５の漏出と外気の流入を防止することができれば他の手段でも良い。

本発明の除熱装置の実施形態の一例を示す断面図である。同除熱装置をコンクリートキャスクに取り付けた様子を示す平面図である。図１のIII−III線に沿う断面図である。本発明の除熱装置の他の実施形態を示し、コンクリートキャスクに取り付けた様子を示す平面図である。従来のコンクリートキャスクを一部切り欠いて示す斜視図である。

符号の説明

１除熱装置
２コンクリートキャスク
３コンクリート容器
４キャニスタ
５一次側冷却空気
６給気口
７排気口
８一次側通路
９二次側冷却空気
１０二次側通路
１８二次側給気口
１９二次側排気口
２０三次側冷却液体

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一次側冷却空気を、給気口から取り込んで前記給気口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の除熱装置において、前記コンクリート容器の外側に配置され、前記排気口と前記給気口とを連通して前記排気口から排出された前記一次側冷却空気を前記給気口へと循環させると共に外壁で熱交換可能な一次側通路を備え、前記一次側通路は前記コンクリート容器に対して着脱可能であることを特徴とするコンクリートキャスクの除熱装置。
前記一次側通路の熱交換部として前記外壁に設けられ且つ二次側冷却空気が流れる二次側通路を備えており、前記二次側冷却空気は前記二次側通路の下端に設けた二次側給気口から流入して前記一次側冷却空気を冷却することで加熱されて前記二次側通路内を上昇し、前記二次側通路の前記二次側給気口よりも高い位置に設けられた二次側排気口から放出される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の除熱装置。
蒸発し気化熱によって前記二次側冷却空気を冷却する三次側冷却液体を備える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の除熱装置。
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一次側冷却空気を、給気口から取り込んで前記給気口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、請求項１から３のいずれか一つに記載された除熱装置を備えることを特徴とするコンクリートキャスク。