JP2013156044A

JP2013156044A - 使用済燃料貯蔵ラック

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Publication number: JP2013156044A
Application number: JP2012014778A
Authority: JP
Inventors: Tomohito Nakamori; 友仁中森; Katsuhiko Taniguchi; 勝彦谷口; Yoshitsugu Nekomoto; 善続猫本; Daisaku Okuno; 大作奥野; Akihisa Iwasaki; 晃久岩崎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-08-15
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: JP6004386B2

Abstract

【課題】地震時にロッキングが生じることを抑制して挙動を安定化させることを可能とした使用済燃料貯蔵ラックを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料集合体２０が収納されるラックセル１４を多数格納するベースプレート１１及びセル格納部１２からなるラック本体部と、ラック本体部を支持する複数のラック脚部１３とを備えて貯蔵ピット内に整列配置される使用済燃料貯蔵ラックにおいて、ラック脚部１３が貯蔵ピットの床面に対して摺動可能にラック本体部を支持するとともに、少なくとも一つの燃料集合体２０が、上下方向に弾性を有する下部弾性部材４０及び上部弾性部材５０を介してラック本体部に支持され、下部弾性部材４０及び上部弾性部材５０の剛性が、燃料集合体２０の固有振動数が、ラック本体のロッキングによる固有振動数と一致するように調整されるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料集合体を収納して貯蔵ピット内に整列配置される使用済燃料貯蔵ラックに関する。

核燃料サイクルの終期にあって、燃焼を終えて使用できなくなった燃料集合体は、熱的に冷却する必要があることから、使用済燃料貯蔵ラックに収納され、貯蔵ピット（使用済燃料プール）に一定期間冷却状態で貯蔵される。

現在の原子力プラントにおいて、使用済燃料貯蔵ラックとしては、主に貯蔵ピットの床に固定される床支持型、又は貯蔵ピットの壁に固定される壁支持型のものが用いられている。

ところで、このような床支持型、壁支持型の使用済燃料貯蔵ラックは、使用済燃料貯蔵量の増加に対応することが難しく、また、地震発生時に水の流体付加減衰効果によってある程度免震効果を得ることが可能であるものの、大地震発生時には支持部に作用する荷重が大きくなり耐震裕度が小さくなる傾向にあった。

そこで現在、使用済燃料貯蔵ラックとして高い耐震性を有するフリースタンディングラック（自立型貯蔵ラック）の採用が検討されており、地震時における挙動把握のための試験が実施されている。

特開２０１１−１４９９０４号公報

しかしながら、上述したような自立型の使用済燃料貯蔵ラックは、地震時等において滑動やロッキング等といった複雑な挙動を示す。自立型の使用済燃料貯蔵ラックは貯蔵ピット内に複数体並べて設置されるため、滑動やロッキングが生じると、隣接する使用済燃料貯蔵ラック同士が衝突して、さらに使用済燃料貯蔵ラックの挙動に影響を及ぼし、全体の挙動評価が複雑になるという問題が考えられた。

特にロッキングは滑動を助長する傾向があり、ロッキングが大きくなるほど滑動量が大きくなり、滑り挙動も大きくなる。また、ロッキングが生じるとラック脚部に大きな荷重がかかるため、構造の健全性を維持するためにも地震時の応答挙動を安定化させることが求められている。

このようなことから本発明は、地震時にロッキングが生じることを抑制して挙動を安定化させることを可能とした使用済燃料貯蔵ラックを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る使用済燃料貯蔵ラックは、燃料集合体が収納されるラックセルを多数格納してなるラック本体部と、前記ラック本体部を支持する複数のラック脚部とを備えて貯蔵ピット内に整列配置される使用済燃料貯蔵ラックにおいて、前記ラック脚部が前記貯蔵ピットの床面に対して摺動可能に前記ラック本体部を支持するとともに、少なくとも一つの前記燃料集合体が、上下方向に弾性を有する弾性手段を介して前記ラック本体部に支持され、前記弾性手段は、該弾性手段を備えた前記燃料集合体の固有振動数が、前記ラック本体のロッキングによる固有振動数と一致するようにその剛性を調整されたことを特徴とする。これにより、燃料集合体によりラック本体のロッキング応答が低減され、ラック本体の挙動を安定させる効果を有する。

また、上記の課題を解決するための第２の発明に係る使用済燃料貯蔵ラックは、第１の発明に係る使用済燃料貯蔵ラックにおいて、少なくとも他の一つの前記燃料集合体が、上下方向に弾性を有し前記弾性手段とは異なる剛性を有する他の弾性手段を介して前記ラック本体に支持されたことを特徴とする。これにより、ロッキング時における燃料集合体の落下時刻にずれが生じ、ラック脚部に作用する荷重を低減する効果を有する。

また、上記の課題を解決するための第３の発明に係る使用済燃料貯蔵ラックは、第１又は第２の発明に係る使用済燃料貯蔵ラックにおいて、前記弾性手段として、前記ラックセル内に該ラックセルの内周面とは離間して設けられる下部筒状体、前記下部筒状体の内周面に摺動自在に設けられ前記燃料集合体の下部ノズルを支持する下部可動板、並びに前記下部可動板と前記ラック本体の底部との間に介在する下部弾性体からなる下部弾性部材、及び、前記ラックセル内に該ラックセルの内周面とは離間して設けられる上部筒状体、前記上部筒状体の内周面に固定された固定板、前記上部筒状体の内周面に摺動自在に設けられ前記燃料集合体の上部ノズルに当接する上部可動板、並びに前記固定板と前記上部可動板との間に介在する上部弾性体からなり前記ラックセルに固定された上部弾性部材を備えたことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための第４の発明に係る使用済燃料貯蔵ラックは、第３の発明に係る使用済燃料貯蔵ラックにおいて、前記下部弾性部材及び前記下部弾性部材が、上下方向に貫通する中空部を備えたことを特徴とする。

本発明に係る使用済燃料貯蔵ラックによれば、地震時等におけるロッキングを抑制することができ、滑り量が小さくなり、ラックブロックの挙動の安定化を図ることができる。また、ロッキング後にラック脚部と床面とが衝突した際の燃料集合体への入力荷重を抑制し、燃料の保護性を向上させることができる。

本発明に係る使用済燃料貯蔵ラックを示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックを示す説明図である。図３（ａ）は図２のＡ部拡大図、図３（ｂ）は図２のＢ部拡大図である。図４（ａ）は図２のＣ部拡大図、図４（ｂ）は図２のＤ部拡大図である。図５（ａ）は本発明の第２の実施形態おける一部の下部弾性部材の拡大図、図５（ｂ）は本発明の第２の実施形態における一部の上部弾性部材の拡大図である。図６（ａ）は本発明の第３の実施形態における一部の下部弾性部材の拡大図、図６（ｂ）は本発明の第３の実施形態における一部の上部弾性部材の拡大図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る使用済燃料貯蔵ラックについて詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１ないし図４を用いて本発明の第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックについて説明する。

図１に示すように、本実施形態において使用済燃料貯蔵ラック１０は、ベースプレート１１と、ベースプレート１１上に形成された概ね方形状のセル格納部１２と、ベースプレート１１の下部に固定されてベースプレート１１及びセル格納部１２を支持する複数（図１では四つ）のラック脚部１３とを備えて構成された自立型のラックとなっている。
本実施形態においては、ベースプレート１１及びセル格納部１２によりラック本体部が構成されており、ラック脚部１３は貯蔵ピットの床面に対して摺動可能にラック本体部を支持している。このような使用済燃料貯蔵ラック１０は貯蔵ピット内に複数体並べて整列配置される。

セル格納部１２には、Ｎ個（図１ではＮ＝７０）の角管からなるラックセル（鉛直セル）１４が複数列（図１では７×１０列）に整列した状態で格納されている。

図２に示すように、それぞれのラックセル１４には、原子炉から取り出された使用済燃料である燃料集合体２０(20_M，20_L)が収納されている。燃料集合体２０は、長手状に形成された多数の燃料棒２１を複数のグリッド２２で束ねた構成となっている。この燃料集合体２０の下端及び上端にはそれぞれ下部ノズル２３、上部ノズル２４が配設されている。

このような本実施形態の使用済燃料貯蔵ラック１０において、Ｍ個（Ｍ＝１〜Ｎ）の燃料集合体２０_Mはそれぞれ上下方向に弾性を有する下部弾性部材４０、上部弾性部材５０を介してベースプレート１１及びラックセル１４に支持されている一方、Ｌ個（Ｌ＝Ｎ−Ｍ）の燃料集合体２０_Lがベースプレート１１に直接支持されている。

すなわち、Ｍ個の燃料集合体２０_Mにおいては、図３（ａ）に示すように、下部ノズル２３とベースプレート１１との間に下部弾性手段としての下部弾性部材４０が介挿されるとともに、図３（ｂ）に示すように、固定具（図示省略）によりラックセル１４に固定された上部弾性手段としての上部弾性部材５０が上部ノズル２４に当接した状態となっている。

また、Ｌ個の燃料集合体２０_Lにおいては、図４（ａ）に示すように、下部ノズル２３は直接ベースプレート１１に支持され、図４（ｂ）に示すように、上部ノズル２４はラックセル１４に対して非固定の状態となっている。

下部弾性部材４０は例えば角管からなる下部筒状体４１と、該下部筒状体４１の内周面に上下方向に摺動可能に設けられて下部ノズル２３を支持する下部可動板４２と、下部可動板４２とベースプレート１１との間に介在し上下方向に弾性を有する下部弾性体４３とから構成されている。

また、上部弾性部材５０は角管からなる上部筒状体５１と、該上部筒状体５１の内周面に固定された固定板５２と、上部筒状体５１の内周面に上下方向に摺動可能に設けられて上部ノズル２４に当接される上部可動板５３と、固定板５２と上部可動板５３との間に介在し上下方向に弾性を有する上部弾性体５４とから構成されている。

なお、燃料集合体２０の冷却用の流路を確保するため、下部筒状体４１とラックセル１４の内周面との間、上部筒状体５１とラックセル１４の内周面との間はそれぞれ離間した状態となっている。

ここで、下部弾性体４３及び上部弾性体５４は、例えばコイルばねや空気ばね等によって構成され、燃料集合体２０の固有振動数が使用済燃料貯蔵ラック１０のロッキング固有振動数と一致するようにその剛性を調整されているものとする。

このように構成される本実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックによれば、下部弾性部材４０及び上部弾性部材５０を設けたことにより、Ｍ個の燃料集合体２０_Mをダイナミックダンパとして利用することができ、地震時等の揺れに対して使用済燃料貯蔵ラックのロッキングを抑制することが可能となる。

例えば、使用済燃料貯蔵ラック１０の総重量を７００００ｋｇ、燃料集合体２０の総数をＮ＝７０、一つの燃料集合体２０の重量を６８０ｋｇとした場合、全ての燃料集合体２０に下部弾性部材４０及び上部弾性部材５０を設けると、使用済燃料貯蔵ラック１０の総重量７００００ｋｇに対し、燃料集合体２０の総重量である４７６００ｋｇ（＝６８０ｋｇ×７０）をダイナミックダンパとして利用することができることになる。

これにより、地震時等に、使用済燃料貯蔵ラック１０のロッキングを抑制して水平方向に対する滑動量を小さくすることができ、使用済燃料貯蔵ラック１０の挙動の安定性を向上させることが可能となる。

また、ロッキング後の使用済燃料貯蔵ラック１０と床面との衝突時における燃料集合体２０への入力荷重を抑制することができるため、燃料集合体２０の保護性が向上する。

なお、使用済燃料貯蔵ラック１０は短軸（図１に示すｙ軸）周りに比較して長軸（図１に示すｘ軸）周りのロッキングが大きく、また滑り量も大きいため、制御対象は長軸回りとすることが好ましい。そのため、Ｍ個の燃料集合体２０_Mは、ｙ軸方向について対称となるように配置することが好ましい。また、下部弾性部材４０及び上部弾性部材５０を設ける燃料集合体２０_Mの数Ｍとしては、一つ（Ｍ＝１）であっても効果を奏するが、総数Ｎの半数（本実施形態ではＭ＝３５個）程度に下部弾性部材４０及び上部弾性部材５０を設けるようにするとより好適である。

〔第２の実施形態〕
図５を用いて本発明の第２の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックについて説明する。本実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックは、上述した第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックにおいて、Ｌ個の燃料集合体２０_Lが図５に示す他の弾性手段としての下部弾性部材６０及び上部弾性部材７０を介してベースプレート１１及びラックセル１４に支持される例である。その他の構成については第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックと概ね同様であり、以下、同一の部材には同一の符号を付して重複する説明は適宜省略し、異なる点を中心に説明する。

図５に示すように、本実施形態において、Ｌ個の燃料集合体２０_Lは上下方向に弾性を有する下部弾性部材６０及び上部弾性部材７０を介してベースプレート１１及びラックセル１４に支持されている。

すなわち、Ｌ個の燃料集合体２０_Lにおいては、図５（ａ）に示すように、下部ノズル２３とベースプレート１１との間に下部弾性部材６０が介挿されるとともに、図５（ｂ）に示すように、固定具（図示省略）によりラックセル１４に固定された上部弾性部材７０が上部ノズル２４に当接された状態となっている。

弾性部材６０は例えば角管からなる下部筒状体６１と、該下部筒状体６１の内周面に摺動可能に設けられて下部ノズル２３を支持する下部可動板６２と、下部可動板６２とラックセル１４との間に介在し上下方向に弾性を有する下部弾性体６３とから構成されている。

また、上部弾性部材７０は角管からなる上部筒状体７１と、該上部筒状体７１の内周面に固定された固定板７２と、上部筒状体７１の内周面に摺動可能に設けられて上部ノズル２４に当接される上部可動板７３と、固定板７２と上部可動板７３との間に介在し上下方向に弾性を有する上部弾性体７４とから構成されている。

なお、下部筒状体６１とラックセル１４の内周面との間、上部筒状体７１とラックセル１４の内周面との間は、それぞれ燃料集合体２０の冷却用の流路を確保するために離間した状態となっている。

ここで、下部弾性体６３及び上部弾性体７４は、例えばコイルばねや空気ばね等によって構成され、その剛性が、下部弾性体４３及び上部弾性体５４の固有振動数と相違するように、且つ、Ｌ個それぞれの燃料集合体２０_L−ｉ（ｉ＝１，２，３，…，Ｌ）について各々異なるように調整されているものとする。

このように構成される本実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックによれば、上述した第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックによる作用効果に加えて、地震時等における燃料集合体２０の跳び上がりに対し、Ｌ個の燃料集合体２０_Lについて着地のタイミングを相違させることができるため、ロッキング後の着地時にラック脚部１３に作用する荷重を低減することができる。

さらに、Ｌ個の燃料集合体２０_Lを支持する複数の下部弾性部材６０及び上部弾性部材７０の剛性を個々に変化させることにより、下部弾性体６０及び上部弾性体７０が配設されたＬ個の燃料集合体２０_Lの跳び上がり及び着地のタイミングがそれぞれ異なることとなる。これにより、燃料集合体２０がロッキング後に着地するときのラック脚部１３に作用する荷重をより低減することができる。すなわち、従来ロッキングにより一つのラック脚部１３に作用していた、例えば最大約１００ｔの荷重を分散させることが可能となり、構造上の安全性が向上する。

なお、本実施形態では、Ｌ個の燃料集合体２０_Lに設けられる下部弾性体６３及び上部弾性体７４の剛性を個々に異なるように調整する例を示したが、下部弾性体６３及び上部弾性体７４の剛性は上述した例に限定されるものではなく、少なくとも下部弾性体４３及び上部弾性体５４と異なる剛性とすればラック脚部１３に作用する荷重を低減することができる。

例えば、Ｌ個の燃料集合体２０_Lの下部弾性体６３及び上部弾性体７４の全てを同一の剛性とする、又は、Ｌ個の燃料集合体２０_Lを複数のグループに分けて各々のグループごとに下部弾性体６３及び上部弾性体７４の剛性を一致させる等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。

〔第３の実施形態〕
図６を用いて本発明の第３の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックについて説明する。本実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックは、上述した第１の実施形態において説明した下部弾性部材４０及び上部弾性部材５０に代えて、図７に示す下部弾性部材８０及び上部弾性部材９０を用いる例である。その他の構成については第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックと概ね同様であり、以下、同一の部材には同一の符号を付して重複する説明は適宜省略し、異なる点を中心に説明する。

図６に示すように、本実施形態において、Ｍ個（例えば、Ｍ＝１〜Ｎ）の燃料集合体２０_Mは上下方向に弾性を有する下部弾性部材８０及び上部弾性部材９０を介してベースプレート１１及びラックセル１４に支持されている。

すなわち、Ｍ個の燃料集合体２０_Mにおいては、図６（ａ）に示すように、下部ノズル２３とベースプレート１１との間に下部弾性部材８０が介挿されるとともに、図６（ｂ）に示すように、固定具（図示省略）によりラックセル１４に固定された上部弾性部材９０が上部ノズル２４にそれぞれ当接された状態となっている。

弾性部材８０は例えば角管からなる下部筒状体８１と、該下部筒状体８１の内周面に摺動可能に設けられて下部ノズル２３を支持する下部可動板８２と、下部可動板８２とベースプレート１１との間に介在し上下方向に弾性を有する下部弾性体８３とから構成されている。さらに、本実施形態において、下部弾性部材８０には下部ノズル２３の凹部２３ａに対向する部分に下部中空部８４が形成されている。

また、弾性部材９０は角管からなる上部筒状体９１と、該上部筒状体９１の内周面に固定された固定板９２と、上部筒状体９１の内周面に摺動可能に設けられて上部ノズル２４に当接される上部可動板９３と、固定板９２と上部可動板９３との間に介在し上下方向に弾性を有する上部弾性体９４とから構成され、さらに、上部弾性部材９０には上部ノズル２４の凹部２４ａに対向する部分に上部中空部９５が形成されている。

なお、下部筒状体８１とラックセル１４の内周面との間、上部筒状体９１とラックセル１４の内周面との間は、それぞれ燃料集合体２０の冷却用の流路を確保するために離間した状態となっている。

ここで、下部弾性体８３及び上部弾性体９４は、例えばコイルばねや空気ばね等によって構成され、燃料集合体２０の固有振動数が使用済燃料貯蔵ラック１０のロッキング固有振動数と一致するようにその剛性を調整されているものとする。

上述した本実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックによれば、下部弾性部材８０、上部弾性部材９０がそれぞれ下部中空部８４、上部中空部９５を備えていることにより、上述した第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックによる作用効果に加えて、燃料集合体２０を冷却するための冷却水の流路をより多く確保することができるため、燃料集合体２０の冷却性能を向上させることができる。

なお、本実施形態では、上述した第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックの下部弾性部材４０、上部弾性部材５０に代えて図６に示す下部弾性部材８０、上部弾性部材９０を用いる例を示したが、本実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックは、燃料集合体２０を冷却するための冷却水の流路をより多く確保することを目的としており、例えば、第２の実施形態において説明した下部弾性部材６０、上部弾性部材７０に中空部を形成するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明は、使用済燃料貯蔵ラックに適用して好適なものである。

１０使用済燃料貯蔵ラック
１１セル格納部
１２ラック脚部
２０_M，２０_L ラックセル
３０燃料集合体
３３下部ノズル
３４上部ノズル
４０，６０，８０下部弾性部材
４１，６１，８１筒状体
４２，６２，８２可動板
４３，６３，８３弾性体
５０，７０，９０上部弾性部材
５１，７１，９１筒状体
５２，７２，９２固定板
５３，７３，９３可動板
５４，７４，９４弾性体

Claims

燃料集合体が収納されるラックセルを多数格納してなるラック本体部と、前記ラック本体部を支持する複数のラック脚部とを備えて貯蔵ピット内に整列配置される使用済燃料貯蔵ラックにおいて、
前記ラック脚部が前記貯蔵ピットの床面に対して摺動可能に前記ラック本体部を支持するとともに、
少なくとも一つの前記燃料集合体が、上下方向に弾性を有する弾性手段を介して前記ラック本体部に支持され、
前記弾性手段は、該弾性手段を備えた前記燃料集合体の固有振動数が、前記ラック本体のロッキングによる固有振動数と一致するようにその剛性を調整された
ことを特徴とする使用済燃料貯蔵ラック。
少なくとも他の一つの前記燃料集合体が、上下方向に弾性を有し前記弾性手段とは異なる剛性を有する他の弾性手段を介して前記ラック本体に支持された
ことを特徴とする請求項１記載の使用済燃料貯蔵ラック。
前記弾性手段として、
前記ラックセル内に該ラックセルの内周面とは離間して設けられる下部筒状体、前記下部筒状体の内周面に摺動自在に設けられ前記燃料集合体の下部ノズルを支持する下部可動板、並びに前記下部可動板と前記ラック本体の底部との間に介在する下部弾性体からなる下部弾性部材、及び、
前記ラックセル内に該ラックセルの内周面とは離間して設けられる上部筒状体、前記上部筒状体の内周面に固定された固定板、前記上部筒状体の内周面に摺動自在に設けられ前記燃料集合体の上部ノズルに当接する上部可動板、並びに前記固定板と前記上部可動板との間に介在する上部弾性体からなり前記ラックセルに固定された上部弾性部材を備えた
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の使用済燃料貯蔵ラック。
前記下部弾性部材及び前記下部弾性部材が、上下方向に貫通する中空部を備えた
ことを特徴とする請求項３記載の使用済燃料貯蔵ラック。