JP2011226789A - 金属キャスク腐食抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料プール水中での炭素鋼製の内筒の腐食を抑制するとともに、燃料プール水中で内筒底部に沈殿した放射化された酸化物を除去する。
【解決手段】金属キャスク腐食抑制装置１００は、吸引ポンプ１２と、吸引ポンプ１２にリング管２２とポンプ配管２４とを介して連通した吸引管２１，２３と、金属キャスク２の内筒３の上部のシール面３ａ近傍の流速および溶存酸素濃度をそれぞれ計測する流速計測装置１１ａおよび溶存酸素計測装置１１ｂと、酸素供給装置１３と、制御装置１０と、を備える。制御装置１０は、流速計測装置１１ａによって計測される流速を取得して、その流速が１ｍｍ／秒以上になるように吸引ポンプ１２の吸引強度を制御するとともに、溶存酸素計測装置１１ｂによって計測される溶存酸素濃度を取得して、その溶存酸素濃度が１ｐｐｍ以上になるように酸素供給装置１３からの酸素供給量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用済み核燃料の輸送・貯蔵用のキャスク、とくに内筒に炭素鋼を使用した金属キャスクの腐食を抑制する金属キャスク腐食抑制装置に関する。

わが国では、原子力発電所から発生する使用済み核燃料は、原則として再処理して利用されることになっている。その場合、発生する使用済み燃料の量は、再処理量を上回るために、再処理するまでの期間、リサイクル燃料資源として貯蔵しておく必要があり、その貯蔵のための中間貯蔵施設が必要とされている。そして、その中間貯蔵施設では、輸送貯蔵乾式金属キャスクによる貯蔵が検討されている。従って、その金属キャスクには十分な強度と耐食性と密閉性が求められている。

金属キャスクの耐食性を向上させるには、その内筒に、例えば、耐食性の高いステンレス鋼を用いればよい。しかしながら、ステンレス鋼は高価である。そこで、特許文献１などに示されているように、内筒に安価な炭素鋼を用いた金属キャスクが開発されている。

特開２００８−１２２３４３号公報

使用済みとなった核燃料は、発電所の燃料プールの水中において、その燃料プールに沈められたキャスク内に装荷される。すなわち、キャスクは、使用済み核燃料をその中に装荷するときに、必ず、その全体が水中に沈められる。ところが、水中での炭素鋼の耐食性は、ステンレス鋼に比べて低いので、炭素鋼を使用したキャスクは、燃料プール内で腐食してしまう。

炭素鋼の耐食性を向上させる方法として、各種方法により表面処理をするという方法がある。しかしながら、表面処理をすると、作業工程が増加するため、その分、製造コストが増加する。

また、使用済み核燃料被覆管の表面には、放射化された酸化物が多く付着している。この放射化された酸化物は、使用済み核燃料をキャスクに装荷するときに、その一部がはがれ、キャスクの底などに沈殿する可能性がある。そして、排水の際に、排水口のシール面に酸化物が付着し、排水作業を妨げる可能性がある。

以上のような従来技術の問題点に鑑み、本発明は、燃料プール水中での炭素鋼製の内筒の腐食を抑制することができ、さらには、燃料プール水中でその内筒底部に沈殿した放射化された酸化物を除去することが可能な金属キャスク腐食抑制装置を提供することを目的とする。

本発明は、内筒が炭素鋼で形成された金属キャスクを燃料プール水に浸漬する場合に使用され、前記金属キャスクの内筒の腐食を抑制する金属キャスク腐食抑制装置であって、前記金属キャスクの内筒の上部から前記内筒の内壁面に沿って底部近傍に達する位置まで挿入して設けられた第１の吸引管と、前記金属キャスクの上蓋が装着されたとき、その上蓋に密着する前記内筒上部のシール面近傍に設けられた第２の吸引管と、前記第１の吸引管および第２の吸引管に連通し、前記前記第１の吸引管および第２の吸引管を介して前記燃料プール水を吸引する吸引ポンプと、前記シール面近傍に設けられ、前記シール面近傍の燃料プール水の流速を計測する流速計測装置と、前記流速計測装置によって計測される流速を取得して、その流速が１ｍｍ／秒以上になるように前記吸引ポンプの吸引強度を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明の金属キャスク腐食抑制装置によれば、第１の吸引管からは、吸引ポンプによる吸引力により、金属キャスクの内筒底部の内壁面近傍の燃料プール水が吸引される。従って、金属キャスクの内筒内壁面近傍には、内筒の内壁面に沿って、上部から下部へ向かう水流が生じ、また、内筒の底部には、底部中央部から内壁面に向かう水流が生じる。さらに、第２の吸引管からは、金属キャスクの内筒上部の上蓋とのシール面近傍の燃料プール水が吸引される。従って、シール面近傍は、内筒の外側から内側へ向かう水流が生じる。

ところで、後記する通り、大気暴露した純水中における炭素鋼が、静止水中では著しく腐食するのに対し、一定速度の水流がある場合には、ほとんど腐食しない。このことは、従来からよく知られていたが、われわれは、実験により、その水流の流速の下限がおよそ１ｍｍ／秒であることを確認した。

本発明によれば、制御装置により、炭素鋼製の内筒近傍の水流の流速１ｍｍ／秒以上に制御することができるので、炭素鋼製の内筒の腐食を抑制することができる。

また、第１の吸引管により金属キャスクの内筒底部の内壁面近傍の燃料プール水を吸引することで、内筒底部に生じる水流により、内筒底部に沈殿している放射化された酸化物を併せて吸引することができる。

本発明によれば、燃料プール水中での炭素鋼製の内筒の腐食を抑制することができ、さらには、燃料プール水中で内筒底部に沈殿した放射化された酸化物を除去することが可能になる。

本発明の実施形態に係る金属キャスク腐食抑制装置の構成の例を示した図である。 本発明の実施形態に係る金属キャスク腐食抑制装置のうち、リング管および吸引管の配置の構成の例を示した図で、（ａ）は、上面図の例、（ｂ）は、側面図の例である。 大気暴露した純水中における炭素鋼の腐食速度と溶存酸素濃度との関係を示した図である。 大気暴露した純水中における炭素鋼の腐食速度と流速との関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１に示すように、本発明の実施形態に係る金属キャスク腐食抑制装置１００は、炭素鋼製の内筒３を有する金属キャスク２が発電所の燃料プール６の燃料プール水６ａの中に浸漬されたとき、その内筒３の腐食を抑制するために用いられる。

ここで、金属キャスク２は、円筒形状をした使用済み核燃料の搬送容器であり、炭素鋼製の内筒３、レジン４、外筒５および図示しない上蓋によって構成され、内筒３の内部には、使用済み核燃料を装荷するバスケット１が設けられている。なお、使用済み核燃料は、燃料プール水６ａに浸漬されたまま、燃料プール水６ａに浸漬された状態の金属キャスク２内のバスケット１に装荷される。このとき、燃料プール水６ａの電気伝導度は、１μＳ／ｃｍ以下に管理され、また、ｐＨは、約６〜８に管理されている。

次に、図１および図２を参照して、金属キャスク腐食抑制装置１００の構成について、詳細に説明するが、その構成は、図３および図４に示す知見に基づく。

図３に示されているように、炭素鋼は、大気暴露した純水中において、その純水が静止している場合には、腐食するが、一定速度の水流がある場合には、ほとんど腐食しない。また、その場合、溶存酸素濃度が高いほうが腐食しにくく、１ｐｐｍ以上になると、ほとんど腐食しなくなる。ちなみに、燃料プール水は純度の高い純水であり、その溶存酸素濃度は８ｐｐｍ程度であるので、一定速度の水流があれば、炭素鋼製の内筒はほとんど腐食しないことになる。

また、図４の知見は、われわれの実験によるものであるが、図４には、大気暴露した電気伝導率１μＳ／ｃｍの常温純水中における炭素鋼の腐食速度は、流速が高くなるほど低下し、流速１ｍｍ／秒以上でほとんど腐食しなくなることが示されている。なお、電気伝導率１μＳ／ｃｍは、燃料プール水程度の純度の高い純水の通常の電気伝導率である。

以上、図３および図４の知見によれば、炭素鋼が流速１ｍｍ／秒以上の水流に接した場合には、ほとんど腐食しなくなる。そこで、本実施形態に係る金属キャスク腐食抑制装置１００では、燃料プール水６ａの中に浸漬された金属キャスク２の内筒３の近傍に水流を発生させる手段を設ける。

図１に示すように、その水流を発生させる手段は、吸引ポンプ１２と、吸引ポンプ１２の吸引力により燃料プール水６ａを吸引する吸引管２１，２３と、吸引管２１，２３を吸引ポンプ１２に連通させるリング管２２およびポンプ配管２４と、によって構成される。すなわち、吸引ポンプ１２が回転すると、その吸引力により、吸引管２１，２３の吸引口から燃料プール水６ａが吸引され、その吸引により、燃料プール水６ａ中に水流が発生する。

ここで、リング管２２は、図１および図２に示すように、金属キャスク２の内筒３上部の開口部に沿うように設けられ、位置固定ステー２６を介して内筒３の周縁部の上面に固定される。このとき、リング管２２は、使用済み核燃料のバスケット１への装荷に際し、互いに干渉しない位置（邪魔にならない位置）に設けられるものとする。

そして、リング管２２の下面部の互いにほぼ等間隔の位置からは、内筒３の内壁に沿うように下垂した複数の（図２（ａ）の例では、８本の）吸引管２１が設けられ、その先端部は、内筒３の底部近傍に達している。このとき、吸引管２１の先端部は、内筒３の底面に接しないものとする。

この吸引管２１の先端部は、吸引口となっており、また、吸引管２１の内部は、リング管２２およびポンプ配管２４を介して吸引ポンプ１２と連通している。従って、吸引ポンプ１２が駆動されると、吸引管２１の吸引口（先端部）からは、内筒３の底部の内壁部近傍の燃料プール水６ａが吸引される。その結果、内筒３の内壁面近傍には、その内壁面に沿って、上部から下部へ向かう水流が生じる。また、内筒３の底部には、底部中央部から内壁面に向かう水流が生じる。

なお、図２（ａ）の例では、リング管２２の下面部から下垂している吸引管２１の数は、８本であるが、８本に限定されるわけではない。実際には、その吸引管２１の数は、バスケット１と内筒３との間のスペースの状況などによって定められ、その数が大きいほど、内筒３の内壁面近傍での流速は、安定化し、均一化する。

さらに、図２に示すように、リング管２２の外側側面部の互いにほぼ等間隔の位置からは、外側方向でやや下方を向いた複数の（図２（ａ）の例では、１２本の）吸引管２３が延出している。吸引管２３の内部は、リング管２２およびポンプ配管２４を介して吸引ポンプ１２と連通しているので、吸引ポンプ１２が駆動されると、吸引管２３の先端部の吸引口からは、内筒３の周縁部の上面、つまり、図示しない上蓋が密着するシール面３ａの近傍の燃料プール水６ａが吸引される。従って、シール面３ａ近傍の燃料プール水６ａ内には、内筒３の外側から内側へ向かう水流が生じる。

以上のような吸引管２１，２３およびリング管２２は、燃料プール水６ａに浸漬されるので、その材質は、燃料プール水６ａにより腐食されないものであればどのような材質であってもよい。材質が金属であれば、例えば、１８Ｃｒ８Ｎｉなどのオーステナイト系ステンレス鋼を用いることができる。また、その材質として樹脂を用いることも可能であるが、その場合には、強度が十分に耐え得るものに限定される。

同様に、ポンプ配管２４の材質としては、ステンレス鋼を用いることが可能であるが、この場合には、取り扱いの観点から、十分に耐圧製があり、自在に変形することが可能な樹脂を用いることが好ましい。

さらに、図１に示すように、金属キャスク腐食抑制装置１００は、前記した吸引ポンプ１２および吸引管２１，２３などを含む配管系に加え、流速計測装置１１ａ、溶存酸素計測装置１１ｂ、酸素供給装置１３、制御装置１０、酸化物処理装置１４などを含んで構成される。

流速計測装置１１ａおよび溶存酸素計測装置１１ｂは、燃料プール水６ａ内のシール面３ａの上方近傍に設けられ、それぞれ、燃料プール水６ａの流速および溶存酸素濃度を計測する。そして、それぞれ計測した流速および溶存酸素濃度を、所定の通信回路を介して制御装置１０へ送信する。

また、酸素供給装置１３は、燃料プール水６ａ中に挿入された酸素噴出管２５を備え、酸素供給装置１３が供給する酸素を、酸素噴出管２５の先端部から燃料プール水６ａ中へ噴出させる。このようにして酸素を噴出させることにより、燃料プール水６ａの溶存酸素濃度は増加する。なお、酸素供給装置１３は、必ずしも純粋な酸素気体を供給する装置である必要はなく、通常の空気を供給する空気供給装置であってもよい。

なお、大気暴露した純水の場合、その溶存酸素濃度は、８ｐｐｍと１ｐｐｍより十分に大きいので、金属キャスク腐食抑制装置１００の構成は、酸素供給装置１３含まないものであっても構わない。

また、制御装置１０は、吸引ポンプ１２の吸引強度、つまり、回転速度を制御する制御回路、および、酸素供給装置１３が供給する酸素量を制御する制御回路を有している。そして、そのそれぞれの制御回路を介して、そのそれぞれの制御信号が吸引ポンプ１２および酸素供給装置１３へ送信される。

このとき、制御装置１０は、流速計測装置１１ａから送信されるシール面３ａ上方近傍の流速を取得し、その流速が１ｍｍ／秒以上になるように、吸引ポンプ１２の吸引強度（回転速度）を増大させる制御信号を、吸引ポンプ１２へ送信する。すなわち、制御装置１０は、流速計測装置１１ａから得られる流速を監視し、その流速が１ｍｍ／秒以下になる前に、吸引ポンプ１２の吸引強度を増大させて、流速の増大を図る。

同様に、制御装置１０は、溶存酸素計測装置１１ｂから送信されるシール面３ａ上方近傍の溶存酸素濃度を取得し、その溶存酸素濃度が１ｐｐｍ以下になる前に、酸素供給装置１３が供給する酸素量を増大させる制御信号を、酸素供給装置１３へ送信する。すなわち、制御装置１０は、溶存酸素計測装置１１ｂから得られる溶存酸素濃度を監視し、その溶存酸素濃度が１ｐｐｍ以下になる前に、酸素供給装置１３からの酸素供給量を増加させ、溶存酸素濃度の増大を図る。

以上のようにして、金属キャスク腐食抑制装置１００は、内筒３に接する燃料プール水６ａの水流の速度を１ｍｍ／秒以上に保ち、かつ、溶存酸素濃度を１ｐｐｍ以上に保つことができる。その場合には、図３および図４に示されている知見から判断して、炭素鋼製の内筒３の腐食が抑制されることが分かる。

なお、図１に示した金属キャスク腐食抑制装置１００の構成では、流速計測装置１１ａを内筒３のシール面３ａ近傍に配置しているが、これは、シール面３ａの腐食を、より確実に抑制することを意図したものである。シール面３ａが腐食すると、放射線漏れにつながる可能性が出てくる。

なお、当然ながら、内筒３の側壁近傍の流速をより正確に計測しようとする場合には、流速計測装置１１ａを内筒３の側壁近傍にも設けておけばよい。しかしながら、内筒３には、バスケット１が設けられているため、内筒３の側壁近傍に流速計測装置１１ａを設置できない場合もある。その場合には、例えば、吸引管２１からの吸引量が吸引管２３からの吸引量よりも十分に大きくなるようにしておき、内筒３近傍の流速がシール面３ａ近傍の流速と同じ程度か、または、大きくなるようにしておくとよい。

また、以上に説明した実施形態においては、吸引管２１，２３から燃料プール水６ａをいつも吸引することに加え、内筒３の底部にも水流が形成されるため、使用済み核燃料をキャスクに装荷するときに剥がれ落ちた放射化された酸化物も併せて吸引されることになる。この吸引された燃料プール水６ａは、酸化物処理装置１４に排出され、その酸化物処理装置１４によって放射化された酸化物などが除去され、多くの場合、図示しない配管を経由して、元の燃料プール６へ戻される。

なお、酸化物処理装置１４は、例えば、ろ過装置によって構成され、そのろ過装置によって、酸化物に限らず、非水溶性の固形物や固形粒子が除去される。

従って、本実施形態では、燃料プール水６ａ内に浮遊、または、内筒３の底部などに沈殿する放射化された酸化物の量を低減することができる。その結果、金属キャスク２の図示しない上蓋を閉める際には、舞い上がる放射化された酸化物の量を低減させることができるので、金属キャスク２、とくに、内筒３と上蓋とのシール面３ａの密着性を高めることができ、さらには、その放射化された酸化物によるシール面３ａの腐食のリスクを軽減させることができる。

１ バスケット
２ 金属キャスク
３ 内筒
３ａ シール面
４ レジン
５ 外筒
６ 燃料プール
６ａ 燃料プール水
１０ 制御装置
１１ａ 流速計測装置
１１ｂ 溶存酸素計測装置
１２ 吸引ポンプ
１３ 酸素供給装置
１４ 酸化物処理装置
２１ 吸引管（第１の吸引管）
２２ リング管
２３ 吸引管（第２の吸引管）
２４ ポンプ配管
２５ 酸素噴出管
２６ 位置固定ステー
１００ 金属キャスク腐食抑制装置

Claims (4)

1. 内筒が炭素鋼で形成された金属キャスクを燃料プール水に浸漬する場合に使用され、前記金属キャスクの内筒の腐食を抑制する金属キャスク腐食抑制装置であって、
   前記金属キャスクの内筒の上部から前記内筒の内壁面に沿って底部近傍に達する位置まで挿入して設けられた第１の吸引管と、
   前記金属キャスクの上蓋が装着されたとき、その上蓋に密着する前記内筒上部のシール面近傍に設けられた第２の吸引管と、
   前記第１の吸引管および第２の吸引管に連通し、前記前記第１の吸引管および第２の吸引管を介して前記燃料プール水を吸引する吸引ポンプと、
   前記シール面近傍に設けられ、前記シール面近傍の燃料プール水の流速を計測する流速計測装置と、
   前記流速計測装置によって計測される流速を取得して、その流速が１ｍｍ／秒以上になるように前記吸引ポンプの吸引強度を制御する制御装置と、
   を備えたこと
   を特徴とする金属キャスク腐食抑制装置。
2. 前記燃料プール水中に挿入された酸素噴出管を備え、前記酸素噴出管から前記燃料プール中へ酸素を供給する酸素供給装置と、
   前記シール面近傍に設けられ、前記シール面近傍の燃料プール水の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素計測装置と、
   を、さらに、備え、
   前記制御装置は、さらに、
   前記溶存酸素計測装置によって計測される溶存酸素濃度を取得して、前記溶存酸素濃度が１ｐｐｍ以上になるように前記酸素供給装置からの酸素供給量を制御すること
   を特徴とする請求項１に記載の金属キャスク腐食抑制装置。
3. 内筒が炭素鋼で形成された金属キャスクを燃料プール水に浸漬する場合において、
   前記金属キャスクの内筒の上部から前記内筒の内壁面に沿って底部近傍に達する位置まで挿入して設けられた第１の吸引管と、
   前記金属キャスクの上蓋が装着されたとき、その上蓋に密着する前記内筒上部のシール面近傍に設けられた第２の吸引管と、
   前記第１の吸引管および第２の吸引管に連通し、前記前記第１の吸引管および第２の吸引管を介して前記燃料プール水を吸引する吸引ポンプと、
   前記シール面近傍に設けられ、前記シール面近傍の燃料プール水の流速を計測する流速計測装置と、
   前記吸引ポンプの吸引強度を制御する制御装置と、
   を用いて前記金属キャスクの内筒の腐食を抑制する金属キャスク腐食抑制方法であって、
   前記制御装置は、
   前記流速計測装置によって計測される流速を取得し、前記取得した流速が１ｍｍ／秒以上になるように前記吸引ポンプの吸引強度を制御すること
   を特徴とする金属キャスク腐食抑制方法。
4. 前記燃料プール水中に挿入された酸素噴出管を備え、前記酸素噴出管から前記燃料プール中へ酸素を供給する酸素供給装置と、
   前記シール面近傍に設けられ、前記シール面近傍の燃料プール水の溶存酸素濃度を計測する溶存酸素計測装置と、
   前記前記酸素供給装置が供給する酸素供給量を制御する第２の制御装置と、
   を、さらに、用いて前記金属キャスクの内筒の腐食を抑制する請求項３に記載の金属キャスク腐食抑制方法であって、
   前記第２の制御装置は、前記溶存酸素計測装置によって計測される溶存酸素濃度を取得して、前記溶存酸素濃度が１ｐｐｍ以上になるように前記酸素供給装置からの酸素供給量を制御すること
   を特徴とする金属キャスク腐食抑制方法。

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