JP2013127459A - 軽水炉用の代替的な使用済燃料プール遠隔冷却システムのための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用済燃料プール用の代替的な使用済燃料プール遠隔冷却システムをもたらすための方法及び装置を提供する。
【解決手段】冷却システムは、従来の燃料プール冷却浄化システム用に通常のプラント電力が利用できないか、又は使用済燃料の完全性が損なわれたプラント事故の場合に、使用済燃料プールを冷却するように操作される。冷却システムは、プラントの緊急事態の間には最適な遠隔位置から操作及び制御される。
【選択図】図１

Description

例示的な実施形態は、概略的には、原子炉に関し、より具体的には、軽水炉（ＬＷＲ）型原子炉用の代替的遠隔式使用済燃料プール冷却システムのための方法及び装置に関する。冷却システムは、プラント電力を中断させ、又は他には使用済燃料プールの通常の冷却を阻害する、プラントの緊急事態が起こった場合に、特に効果的である可能性がある。冷却システムは、従来の燃料プール冷却浄化システムを介して燃料プールの冷却を補助するために使用することもできる。

図１は、軽水炉（ＬＷＲ）の１つの例である、従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）原子炉建屋５の断面図である。他のＬＷＲには、他の原子炉設計配置を使用することができるので、この図は、一例にすぎないことを理解されたい。使用済燃料プール１０は、ＢＷＲ原子炉１に動力を供給するための燃料の使用後に残る使用済燃料１２を貯蔵するために使用する貯蔵プールである。使用済燃料プール１０は、通常、原子炉１に隣接し、原子炉１の頂部に面する位置に配置される（図１に示すように、使用済燃料プール１０は、原子炉１を保護する鋼製格納容器３及びコンクリートシェル４の外側の２次格納施設内に配置される）。使用済燃料プールは、サプレッションプール２の位置よりも上のプラント高さに配置することができる。他の原子炉設計では、使用済燃料プールは、原子炉と同じプラント高さ、又は原子炉よりも低い高さに配置することができることに留意されたい。使用済燃料１２は、通常、再処理又は貯蔵キャスクに送る前に少なくとも５年間、使用済燃料プール１０内に貯蔵される。使用済燃料プール１０は、通常、４０フィート（１２．１９ｍ）以上の深さがあり、下側の１４フィート（４．２６７ｍ）は、原子炉から取り出された燃料集合体を保持する貯蔵ラックを備える。使用済燃料プール１０の放射線レベルを許容限度内に保つために、通常、約８フィート（２．４３８ｍ）の水（それ自体、使用済燃料の頂部よりも上）が必要である（使用済燃料１２よりも上の使用済燃料プールの水レベル１０ｂを参照のこと）。

従来の燃料プール冷却浄化システム（図示せず）により供給される冷却水流は、放射線から守り、使用済燃料プール１０を冷却水が確実に沸騰しない（したがって、使用済燃料が外気に曝されない）ようにする冷却温度に維持する。従来の使用済燃料冷却ポンプは、使用済燃料プールを冷却する。具体的には、従来の燃料プール冷却ポンプは、水を使用済燃料プールから燃料プール冷却浄化システムに送る。従来の燃料プール冷却浄化システムは、熱交換器及び純粋装置（いくつかの放射性同位体及び他の不純物を除去する）を使用して、水を冷却及び浄化する。次に、燃料プール冷却ポンプは、冷却浄化水を使用済燃料プール１０に送り返す。

重大なプラント事故の間、通常のプラント電力が中断する可能性がある。特に、プラントは、通常の電力がなければ、従来の燃料プール冷却ポンプを運転し、又は燃料プール冷却浄化システムを操作することができない。電力が長期にわたって中断すれば、燃料プール冷却浄化システムの使用中断により、使用済燃料プール内の水は、加熱され、最後に沸騰する可能性がある。十分な沸騰が起こるとき、プール内の水レベルは、使用済燃料により生じる可能性がある放射線を効果的に遮蔽するのに十分な冷却水をもはや供給しなくなるレベルまで降下する可能性がある。極めて重大な緊急事態では、使用済燃料プール内の水は、沸騰し、使用済燃料が外気に曝される可能性がある点まで蒸発する可能性がある。そうした緊急事態は、プラント作業員及び環境に重大な危険をもたらす可能性がある。

プラントの緊急事態では、使用済燃料プール内の使用済燃料が外気に曝されていなくとも（最悪の事故状況の場合には）、使用済燃料プールを出て、環境に流出する放射線漏れに対する懸念が依然としてある。特に、燃料プール冷却浄化システムは、使用済燃料プールの冷却及び放射線低減の必要性に対処する際、過負荷になる可能性がある。これは、特に、使用済燃料プール内で燃料損傷が起こった場合に、起こる可能性がある。使用済燃料プール内の燃料棒の完全性が損なわれれば、高放射性の水（許容設計限度を超える）が燃料プール冷却浄化システムに送られる可能性があるので、燃料プール冷却浄化システムの使用は、プラント作業員及び環境に危険をもたらす可能性がある。そうした状況では、燃料プール冷却浄化システムは、使用済燃料プールの水の放射線レベルを効果的に低減するのを助けることができない可能性がある。したがって、燃料プール冷却浄化システムへの高放射性の水の輸送により、それ自体、２次格納施設内に有害な放射性同位体を含む能力が増大する可能性がある。

米国法定発明登録第Ｈ０００６２７号明細書

例示的な実施形態は、使用済燃料プール用の代替的な使用済燃料プール遠隔冷却システムをもたらすための方法及び装置を提供する。冷却システムは、環境に危険をもたらさない単段貫流式熱交換器とすることができる。冷却システムは、従来の使用済燃料プール冷却浄化システム又は燃料プール冷却ポンプを運転するのに通常のプラント電力が利用できないプラント事故の場合でも、使用済燃料プールを冷却するように操作することができる。それに加えて、冷却システムは、燃料損傷が起こり、従来の使用済燃料プール冷却浄化システムがプラントの他の領域への放射線漏れを食い止めるのが無効になった場合に特に効果的である可能性がある。冷却システムは、プラントの緊急事態の間には最適な遠隔位置から操作及び制御することができる。

例示的な実施形態の上述及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して例示的な実施形態を詳細に説明することにより、より明らかになるであろう。添付の図面は、例示的な実施形態を表すものとし、特許請求の範囲の目的範囲を制限するものと解釈すべきでない。添付の図面は、はっきりと断らない限り、原寸に比例して描かれたものとみなすべきでない。

従来の軽水炉（ＬＷＲ）型原子炉建屋の１つの例示的な構造の断面図である。 例示的な実施形態による使用済燃料プールの俯瞰図である。 例示的な実施形態による使用済燃料プールの側面図である。 例示的な実施形態による、使用済燃料プールを冷却する方法のフローチャートである。

詳細な例示的実施形態を本明細書に開示する。しかし、本明細書に開示する特定の構造的及び機能的な詳細は、例示的な実施形態を説明するために表されているにすぎない。しかし、例示的な実施形態は、多くの代替形式において実施することができ、本明細書に説明する実施形態のみに限定されるものと解釈すべきでない。

したがって、例示的な実施形態には様々な変更及び代替形式があるが、その実施形態を図面に例として示し、それを本明細書に詳細に説明する。しかし、例示的な実施形態を開示する特定の形式に限定する意図はなく、それとは反対に、例示的な実施形態は、例示的な実施形態の範囲内に入る、全ての変更形態、均等物、及び変形形態を保護するものとすることを理解されたい。図の説明を通して、同様の番号は、同様の要素を指す。

用語第１、第２などは、様々な要素を説明するために本明細書に使用する可能性があるが、これらの要素を、これらの用語により限定すべきでないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するために使用するにすぎない。例えば、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書に使用するように、用語「及び／又は」は、１つ又は複数の関連する記載項目の任意の組合せ及び全ての組合せを含む。

ある要素を他の要素に「接続」又は「結合」するというとき、ある要素を他の要素に直接、接続又は結合するか、又は、介在する要素が存在する可能性があることが理解されよう。それとは対照的に、ある要素を他の要素に「直接接続」又は「直接結合」するというとき、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するのに使用する他の語を、同様に（例えば、「間に」に対する「間に直接」、「隣接して」に対する「直接隣接して」など）、解釈すべきである。

本明細書に使用する専門用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、例示的な実施形態を限定するものではない。本明細書に使用するように、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別途はっきりと示さなければ、複数形も含むものとする。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び／又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書に使用する際、特定の特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は部品の存在を明確化するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、部品、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外しないことがさらに理解されよう。

いくつかの代替的な実施形態では、示した機能／動作は、図に示した順序通りに起こらない可能性があることにも留意されたい。例えば、連続的に示す２つの図は、実際は、ほぼ同時に実施される場合があり、又は、時として、含まれる機能／動作に応じて逆の順序で実施される場合がある。

図２は、例示的な実施形態による使用済燃料プール１０の俯瞰図である。冷却システム２０は、使用済燃料プール１０から水を除去することを必要とすることなくプール１０を冷却するために、（使用済燃料プール１０内に）現場用の熱交換器を提供することができる。冷却システム２０は、管２６を通して冷却水流を供給する冷却管２６を含むことができる。冷却管２６は、使用済燃料プール１０内、及びプール１０内の使用済燃料１２の領域の周りに配置することができる。冷却管２６は、使用済燃料プール１０内に単段貫流式熱交換器を提供するために、単一の冷水入口２２及び単一の温水出口２４を含むことができる。単段貫流式冷却システム２０の利点は、冷却管２６を通って流れる水の１ガロン（３．７８５リットル）当りに最大量の熱を交換することができるので、効率の上昇を含む。或いは、単段貫流式冷却システム２０（図２に示す）の代わりに、多段冷却システム２０（図示せず）を使用することができる。多段冷却システム２０は、それぞれを図２に示す単段冷却システム２０と同じにすることができる、冷却管２６の複数の単段通路を含むことができる。

使用済燃料プール１０から冷却管２６への放射線漏れの可能性を軽減するのを助けるために、冷却管２６を通って流れる冷却水の圧力は、使用済燃料プール１０内の水の圧力よりも高く維持することができる。使用済燃料プールが、プラント内の外気に曝されるので、使用済燃料プール１０上の外気圧は、約１気圧である。したがって、放射線漏れを軽減するために、冷却管２６を通って流れる流体の圧力は、１気圧以上の圧力と、冷却管２６が延びる最も低い深さにおける静水圧との和に維持することができる。控えめにみても、冷却管２６の圧力は、１気圧の圧力と、使用済燃料プール１０の最も深い深さにおける静水圧との和に維持することができる。

冷却管２６の圧力を使用済燃料プール１０内の水の圧力よりも高く維持する（放射線漏れの可能性を軽減するために）ことに加えて、放射線モニタ２８を温水出口２４の管上に配置することもできる。放射線モニタ２８は、プール１０からの放射線漏れが確実に起こらないようにするために、使用済燃料プール１０から流出する冷却水の放射線レベルを測定することができる。

冷却管２６を通して冷却水を送り出すために、専用の冷却システムポンプ３０を使用することができる。ポンプ３０は、重大なプラントの緊急事態の場合に利用できない可能性がある通常のプラント電力に確実に依存しないようにするために、バックアップ用のディーゼル発電機５６により動作し、又はディーゼルエンジン５６により直接駆動することができる。ポンプ３０のサイズは、使用済燃料プール１０のサイズに応じて変化する可能性がある。ポンプ３０のサイズは、事故状況の間の使用済燃料プール１０の最悪の熱出力に関する設計計算に基づいて変化する可能性もある。ほとんどのＬＷＲ構造におけるプラント事故を軽減するために、ポンプ３０は、約３００ガロン／分（１１３５．５リットル／分）の冷却水流量を供給することができる。冷却水流量がより増加することにより、冷却システム２０の効率の低下を代償として、熱交換量は増加することを理解されたい。

通常、ＬＷＲ原子力プラント内で利用できる、従来の緊急用携帯型ポンプ（図示せず）を冷却システムポンプ３０として使用することができることに留意されたい。単段貫流式冷却管２６を使用すれば、単一のポンプ３０で十分である可能性がある。多段冷却管２６を使用すれば、冷却管２６の各段に単一のポンプ３０を使用する可能性がある（すなわち、多段構成部は、図２に示すものと同様の複数の冷却システム２０を含むことができる）。

冷却システムポンプ３０を使用する代わりに、冷却管２６を通る冷却水の重力排水を実施することができる。冷却管２６を通る冷却水の重力排水は、システムを使用するのにポンプ電力を必要としないので、冷却システム２０の安全性レベルを向上させる。しかし、そうした構成は、冷却水源５０を使用済燃料プール１０の液体レベル１０ｂ（図１及び３を参照のこと）を超える高さに配置する必要がある。冷却水源５０は、海、川、大きい屋外の水域、又は水源を含む人工構造体とすることができる。その際、温水出口２４は、使用済燃料プール１０を貫通する冷却水管２６の最も低い高さよりも下の高さの排水部５２の位置に排出する必要がある。排水部５２は、排水を集めるために使用する、屋外の水域又は人工構造体とすることもできる。

冷却システム２０に、重力排水又は冷却システムポンプ３０のいずれを使用しても、システム２０に関する全ての制御装置（コントローラ５８を参照のこと）は、プラント作業員の安全性を考えて、使用済燃料プール１０から離れた遠隔位置６０に配置することができる。すなわち、ポンプ３０の位置、又は、ポンプ３０を運転するのに使用するコントローラ５８、入口／出口バルブ３２ａ／３２ｂ（バルブを手動で操作しないとき）、及び放射線モニタ２８の位置は、プール１０から離して配置することができる。同様に、冷却管２６を通る水流を制御するのに使用する入口バルブ３２ａ（冷水入口２２上）及び／又は出口バルブ３２ｂ（温水出口２４上）は、プール１０から離れた位置に配置することができる（特にバルブ３２ａ／３２ｂを手動で操作する場合）。これは、プラント作業員が、事故状況の間に使用済燃料プール１０に存在する可能性がある高レベルの可能性がある放射線に曝されることなく、システム２０を確実に安全に操作することができるようにするためである。

冷却管２６の構成部は、図２に示すように、使用済燃料プール１０の周りに単一のループを含むことができる。或いは、冷却管２６は、プールを通る追加のループ又は「蛇」状の構成部（図示せず）を含む可能性がある、他の構成部を含むことができる。冷却管２６は、管２６と使用済燃料プール１０内の水との間の熱交換容量を増大させるために、フィン付きとすることができ、又は別途、管２６の表面積を最大化するように構成することができる。それに加えて、冷却システム管２６は、使用済燃料プール１０内の冷却管２６と水との間で交換される熱を増加させることもできる、冷却水管の枝管２６ａ／２６ｂ／２６ｃ（図３を参照のこと）を含むことができる。分枝した冷却システム管２６は、使用済燃料プール１０以外のプラント領域に曝される冷却管２６の量を低減するために、単一の冷水入口２２及び単一の温水出口２４を依然として有することができる。単一の冷水入口２２及び単一の温水出口２４の構成は、プラントの他の領域への放射線漏れの可能性をさらに低減することができる。

図３は、例示的な実施形態による使用済燃料プール１０の側面図である。これまで、使用済燃料１２は、使用済燃料プール１０の深さ全体の約１／３の深さに配置された。したがって、冷却管２６（枝管２６ａ／２６ｂ／２６ｃを含む）は、通常、使用済燃料１２よりも上で、プール１０の水レベル１０ｂよりも下の位置に配置することができる。冷却管２６を使用済燃料１２よりも上に配置することにより、冷却管２６は、形成すべき自然対流をもたらす。具体的には、冷却管２６は、使用済燃料１２の位置よりも上に冷水をもたらし、この冷水は、自然に、プール１０の底部まで沈降する。同様に、使用済燃料１２は、使用済燃料プール１０の底部付近に温水をもたらし、この温水は、自然にプール１０内を上昇する。したがって、冷却管２６を使用済燃料１２の位置よりも上に配置することにより、冷却システムの熱交換プロセスは、より効率的になる。

冷却管２６は、追加支持用に、固定装置５４（図２及び３を参照のこと）を使用して、使用済燃料プール１０のプール壁１０ａに固定することができる。冷却管２６は、プラント事故が起こる前に冷却システム２０を確実に適当な位置に配置するようにするために、ＬＷＲプラント運転の前に設置することができる。或いは、冷却システム２０は、改造システムとして設置することができる。冷却管２６は、使用済燃料プール１０内に長期にわたって設置することができ、その場合、冷却管２６は、プール内の使用済燃料１２の設置及び除去を妨げない、プール１０内の位置に配置することができる。或いは、冷却管２６は、ブラケットを介してプール１０内の適当な位置に一時的に保持することができ、その場合、冷却管２６は、使用済燃料１２の位置よりも上に直接配置することができる。

冷却システム２０は、プラント事故状況以外の期間に使用することができることを理解されたい。例えば、冷却システム２０は、従来の燃料プール冷却浄化システムを介して使用済燃料プールの通常の冷却を単に補助するために使用することができる。冷却システム２０用の冷却水供給温度は、システム性能に影響を及ぼすことも理解されたい。すなわち、冷却システム２０は、より冷たい供給冷却水を使用すれば、より効果的かつ効率的になる。

図４は、例示的な実施形態による、使用済燃料プールを冷却する方法のフローチャートである。方法ステップＳ４０に示すように、冷却管２６を使用済燃料プール１０に挿入することができる。ステップＳ４２に示すように、冷却水源からの冷却水は、冷却管２６を通って流れることができる。ステップＳ４４に示すように、冷却管２６内の冷却水は、使用済燃料プール１０内の水の圧力を超える圧力に維持することができる。冷却管内の冷却水は、使用済燃料プール１０内の水の温度未満の温度に維持することもできる。

上述のように、例示的な実施形態を説明してきたが、同じものを様々に変形できることは明らかである。そうした変形形態は、意図する技術的思想、及び例示的な実施形態の範囲から逸脱するものとみなすべきでなく、当業者には明らかな全ての変更は、以下の特許請求の範囲の範囲内に含まれるものとする。

１ 沸騰水型原子炉
２ サプレッションプール
３ 格納容器
４ コンクリートシェル
５ 原子炉建屋
１０ 使用済燃料プール
１０ａ プール壁
１０ｂ 使用済燃料プール水レベル
１２ 使用済燃料
２０ 冷却システム
２２ 冷水入口
２４ 温水出口
２６ 冷却管
２６ａ 枝管
２６ｂ 枝管
２６ｃ 枝管
２８ 放射線モニタ
３０ ポンプ
３２ａ 入口バルブ
３２ｂ 出口バルブ
５０ 冷却水源
５２ 排水部
５４ 固定装置
５６ ディーゼル発電機
５８ コントローラ
６０ 遠隔位置
Ｓ４０ 冷却管を使用済燃料プールに挿入する
Ｓ４２ 冷却管を通して冷却水を流す
Ｓ４４ 使用済燃料プールを超える圧力及び使用済燃料プール未満の温度に冷却水を維持する

Claims (20)

1. 軽水炉（ＬＷＲ）の使用済燃料プールを代替的に冷却する方法であって、
   前記使用済燃料プール内の水よりも低い温度を有する冷却水を冷却管を通して流すことにより、前記使用済燃料プールから熱を除去するステップを含む、方法。
2. 前記冷却管に単一の入口管及び単一の出口管を取り付けるステップであって、前記入口及び出口管は前記使用済燃料プールの範囲を超えて延びる、ステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記冷却管内の前記冷却水の圧力を前記使用済燃料プールの水の圧力よりも高く維持するステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記冷却管の一部分を前記使用済燃料プール内の使用済燃料の位置よりも上で、前記使用済燃料プールの液体レベルよりも下に配置することにより、前記使用済燃料プール内に自然対流をもたらすステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
5. 前記入口管を水源に流体的に接続するステップと、
   ポンプを前記入口管に接続するステップと、
   バックアップ用のディーゼルエンジンを前記ポンプに接続するステップとをさらに含む、請求項２記載の方法。
6. 前記ポンプ及び前記ポンプ用の全ての制御装置を、前記使用済燃料プールから離れた位置に配置するステップをさらに含む、請求項５記載の方法。
7. 前記使用済燃料プールの液体レベルよりも上の高さに配置された水源に前記入口管を流体的に接続するステップと、
   前記使用済燃料プールよりも下の高さに配置された排水位置に前記出口管を流体的に接続するステップとをさらに含む方法であって、
   前記冷却管を通る前記冷却水の流れは、重力排水により起こる、請求項２記載の方法。
8. 冷却管の一部分に枝管及びフィンを設けるステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
9. 前記冷却管の一部分を前記使用済燃料プールの壁に固定するステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
10. 第２の冷却管を前記使用済燃料プールに挿入するステップと、
    前記第２の冷却管を通して冷却水を流すことにより、前記使用済燃料プールからさらに熱を除去するステップであって、前記冷却水は前記使用済燃料プールの水よりも低い温度を有する、ステップとをさらに含む、請求項２記載の方法。
11. 軽水炉（ＬＷＲ）の使用済燃料プールを冷却するシステムであって、
    その一部分が前記使用済燃料プールの予想液体レベルよりも下に配置された冷却管を含むシステムにおいて、
    前記冷却管は、前記使用済燃料プールの水よりも圧力が高く、温度が低い、前記冷却管を通る冷却水流を供給するように構成される、システム。
12. 前記冷却管に取り付けられた単一の入口管と、
    前記冷却管に取り付けられた単一の出口管とをさらに含むシステムであって、
    前記入口及び出口管は前記使用済燃料プールの範囲を超えて延びる、請求項１１記載のシステム。
13. 前記冷却管の一部分は、前記使用済燃料プール内の使用済燃料の位置よりも上に配置される、請求項１２記載のシステム。
14. 前記入口管に接続されたポンプと、
    前記ポンプに接続されたバックアップ用のディーゼルエンジンとをさらに含む、請求項１２記載のシステム。
15. 前記ポンプに電気的に接続された制御装置をさらに含む、システムであって、
    前記ポンプ及び前記ポンプ用の前記制御装置は、前記使用済燃料プールから離れた位置に配置される、請求項１４記載のシステム。
16. 前記入口管に流体的に結合し、前記使用済燃料プールの予想液体レベルよりも上の高さに配置された水源と、
    前記使用済燃料プールよりも下の高さに配置された排水点とをさらに含む、請求項１２記載のシステム。
17. 前記冷却管は、枝管及びフィンを含む、請求項１２記載のシステム。
18. 前記冷却管を支持するために、前記使用済燃料プールの壁に接続された１つ又は複数の固定装置をさらに含む、請求項１２記載のシステム。
19. その一部分が前記使用済燃料プールの前記液体レベルよりも下に配置された第２の冷却管をさらに含む、システムであって、
    前記第２の冷却管は、前記使用済燃料プールの水よりも圧力が高く、温度が低い、前記冷却管を通る冷却水流を供給するように構成される、請求項１２記載のシステム。
20. 軽水炉（ＬＷＲ）の使用済燃料プールを冷却するシステムであって、
    原子炉建屋内に配置された前記使用済燃料プールと、
    前記原子炉建屋内に配置されたサプレッションプールと、
    その一部分が前記使用済燃料プールの予想液体レベルよりも下に配置された冷却管とを含むシステムにおいて、
    前記冷却管は、前記使用済燃料プールの水よりも圧力が高く、温度が低い、前記冷却管を通る冷却水流を供給するように構成される、システム。