JP2013533958A - 改良された熱伝導手段を有する、放射性物質の輸送や貯蔵のためのパッケージ - Google Patents

Abstract

本発明は、放射性物質を輸送や貯蔵するためのパッケージ（２）に関する。当該パッケージ（２）は、その長手軸（８）に沿って延び、放射性物質を収容するキャビティ（６）を区画形成する側体（１０）を備える。当該側体（１０）は、長手軸（８）の周りを延びる空間（１４）を間に区画形成する内壁（２０）と外壁（２２）を備える。当該空間（１４）は、熱伝導手段（１６）とともに放射線防護手段（１８）を収容している。当該放射線防護手段（１８）は、それぞれが内部に空隙（３２）を区画形成する複数の熱伝導エレメント（３１）を含む。空隙（３２）は、内壁（２０）から外壁（２２）へ向かう伝導方向（３６）に沿って長く延びており、熱伝導エレメント（３１）の少なくとも一部が有する前記空隙（３２）の少なくとも一部には、放射線防護材料が充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射性物質（好ましくは、使用済み核燃料集合体型のもの）の輸送や貯蔵のためのパッケージの分野に関する。

伝統的に、放射性物質の輸送や貯蔵には、「バスケット」または「ラック」としても知られる貯蔵装置が用いられる。一般に筒状を呈し、略円形または多角形の断面を有するこれらの貯蔵装置は、放射性物質の収容に適している。貯蔵装置は、パッケージのキャビティ内に収容され、放射性物質を輸送や貯蔵するためのコンテナをパッケージとともに形成するためのものである。放射性物質はコンテナ内に完全に封じ込められる。

一般にキャビティは、パッケージの長手軸に沿って延びる側体と、当該側体の前記長手軸方向の両端に配置されたベースおよびパッケージカバーによって形成されている。側体は、内壁と外壁を有している。内壁と外壁は同心円状の２つの金属殻の形態をとっており、それらの内側に環状の空間を形成している。環状空間には熱伝導手段が放射線防護手段とともに収容される。キャビティ内に収容された放射性物質から放射される中性子に対するバリアを形成するためである。

熱伝導手段は、放射性物質から放出される熱をコンテナの外側に伝導することを可能にしている。過熱に伴うリスクを防止するためである。リスクとは、材料の損傷、パッケージを構成する材料の機械的性質における障害、キャビティ内の圧力の異常上昇などを意味する。

熱伝導手段は、これまでに幾多の開発の対象とされ、様々な構成が実施されている。その中で最も広く利用されているものの一つは、２つの殻の間の環状空間にフィンまたはリブを配した構成である。これらのフィンは、パッケージの長手軸方向に長く延びており、もって内殻から外殻への熱伝導を可能としている。この構成においては、伝統的に放射線防護ブロックが各フィンの間に挿入される。

広く利用されているにもかかわらず、熱伝導フィンを用いるこの構成には問題がある。問題とは、パッケージの側体の外殻におけるフィンとの接合部においてホットスポットを生じうるというものである。

特に特許文献１により公知とされている別の構成においては、ハニカム構造を採用することによって、熱伝達の均一性の問題に部分的に対処している。しかしながら、当該文献において提案されているレイアウトにより得られる熱伝導能力は十分とは言えない。また熱伝導フィンとハニカム構造の併用は、パッケージのデザインを複雑にする。

欧州特許出願公開１３５５３２０号公報

よって本発明は、先行技術の構成に係る上述の欠点を、少なくとも部分的に改善することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明は、放射性物質を輸送や貯蔵するためのパッケージであって、当該パッケージの長手軸に沿って延び、放射性物質を収容するキャビティを区画形成する側体を備える。当該側体は、前記長手軸の周りを延びる空間を間に区画形成する内壁と外壁を備える。前記空間は、熱伝導手段とともに放射線防護手段）を収容している。本発明においては、当該放射線防護手段は、それぞれが内部に空隙を区画形成する複数の熱伝導エレメントを含む。前記空隙は、前記内壁から前記外壁へ向かう伝導方向に沿って長く延びている。前記熱伝導エレメントの少なくとも一部が有する前記空隙の少なくとも一部には、放射線防護材料が充填されている。好ましくは前記空隙の全てに当該材料が充填されている。

空隙の特定の配向、およびこれに追随する熱伝導エレメントの配向が相俟って、特許文献１に記載のハニカム構造を用いる構成よりも改善された熱伝導能力が得られる。当該文献に記載のハニカム構造においては、ハニカムセルにより形成される空隙は、パッケージの長手軸および壁に平行に配向されている。すなわち本発明においては、上記特定の配向によって、熱伝導エレメントが側体の２つの壁をより直接的に接続するため、熱伝導路が特許文献１に記載のハニカム構造よりも短縮される。さらに２つの壁の間の熱伝導路は、特許文献１に記載のハニカム構造において見られるような、重ね合わせた金属シート同士がハニカムセルを形成することにより生じる複数の障害に見舞われることがない。

また本発明の構成によれば、適量の熱伝導エレメントを適当に分布させることにより、側体の外壁におけるホットスポットの出現を容易に防止しうる。

そして本発明によれば優れた熱輸送がもたらされるため、もはや従来技術において用いられるような熱伝導フィンを用いる必要がなく、デザインをシンプルにできる。

好ましくは、前記複数の熱伝導エレメントの少なくとも幾つかは、それぞれ前記側体の径方向と実質的に一致する向きに延びている。要するに側体の２つの壁を最も直接的に接続する向きである。ここで径方向とは、側体の２つの壁のそれぞれと局所的に直交する向きである。しかしながら本発明において伝導方向はそのように限定されるものではなく、例えば、径方向に沿う面と水平方向に沿う面の少なくとも一方に対して傾斜してもよい。

好ましくは、前記複数の熱伝導エレメントの少なくとも幾つかは、それぞれ実質的に筒状の形態を呈する。しかしながら、当該筒状の形態は、２つの壁の平均径の差に対応するために、内壁から外壁に向かってサイズが大きくなる形態で置き換えられうる。この場合、熱伝導エレメントの断面形状は維持されたまま、断面の大きさのみが変化することが好ましい。

現実的な例として、熱伝導エレメントの断面は、円形や多角形（正方形や六角形など）とされうる。

好ましくは、前記複数の熱伝導エレメントの少なくとも幾つかは、それぞれ前記伝導方向に一体的に延びており、その長さは前記内壁と前記外壁の間の距離と実質的に等しい。これにより、２つの壁の間に連続した熱伝導路が設けられる。そのような熱伝導路は熱除去性に優れている。しかしながら、複数の熱伝導エレメントの幾つかは、伝導方向に並んだ複数のセクションに分割されていてもよい。熱伝導エレメントが放射線防護材と密接している場合、例えば、本発明のようにブロックを形成している場合に特有の効果がもたらされる。要するに、熱伝導手段と放射線防護手段の少なくとも一方の一部のみを交換する必要がある場合、上述のセクション分割手段として、より小さな寸法の交換用ブロックを用いることができる。欠陥の大きさに適した対応が可能であるため、交換作業時に生じる交換用材料の損失を削減できる。

好ましくは、前記複数の熱伝導エレメントは、ともに前記空隙のネットワークを形成している。当該ネットワークは、空隙密度が１００個／ｍ^２以上となる少なくとも１つの領域を有している。当該空隙密度は、前記長手軸に平行で当該ネットワークを横断する面において定義される。好ましくは全ての熱伝導手段で示されるそのような高い最小密度値は、熱伝導の優れた均一性をもたらす。熱伝導手段内で密度は変化してもよい。

また空隙を区画する熱伝導エレメントの壁を薄くすることができ、放射線漏洩のリスク低減にとって好ましい。空隙を区画する熱伝導エレメントの壁の平均厚さは、好ましくは０．０２〜０．５ｍｍである。

好ましくは、各空隙の熱伝導方向に直交する向きの断面は、最大幅が２〜２５ｍｍとされる。ここで最大幅とは、特に円形の断面を有する場合においては直径を意味することは明らかである。

なお伝導方向に沿う空隙の長さの上記最大幅に対する比率は、好ましくは３〜１００である。

前記複数の熱伝導エレメントの少なくとも幾つかは、少なくとも１つのハニカム構造から成り、当該ハニカム構造が有するハニカムセルは、それぞれ前記空隙を形成している構成とすることにより、上述の高い密度値が達成される。ここでセルは任意の形態をとりうる。例えば正方形や六角形のような多角形である。また上述のように、セルは筒状もしくは内壁から外壁に向かいサイズが大きくなる形状をとりうる。このような構成をとることの利点は、様々な態様のハニカム構造が広く入手可能である事実に基づいている。またハニカム構造によりもたらされる高いセル密度は、壁のそれぞれが複数のセルの区画形成に関与していることによるものである。さらにこの態様は、ハニカム構造の質量に対する熱伝導能の比率を優れたものとしうる。同等の質量を有する構造の場合、当該構造が断面の小さなセルを備えているほど、すなわち壁が薄くセル密度が高くなるほど、当該比率は大きくなる。

そのためハニカム構造は、セルを形成するシートあるいはストリップの積層体を用いた構造からなることを要する。ここで積層方向は、セルの長手方向に直交する向きである。

ハニカム構造を用いる構成の場合、前記空隙同士を繋ぐ孔が形成されていることが好ましい。これにより、放射線防護材がキャスティングによりセル内に導入される場合、とりわけキャスティングが側体の２つの壁の間になされる場合には、材料の導入を容易にすることができる。孔は、ハニカム構造におけるシートの積層方向に形成されることが好ましい。孔の数は、キャストされる材料の粘度などの各種パラメータに依存する。

ハニカム構造に加えてあるいは代えて、前記複数の熱伝導エレメントの少なくとも幾つかは、互いに離れた独立のエレメントからなる構成としてもよい。ここで各エレメントは、任意の断面形状を伴う筒状、または側体の外壁に向かって拡大する形状をとりうる。あるいは、先に述べた構成のように、独立した熱伝導エレメントを相互に接触させて強固に固定してもよい。これによりハニカム構造に近い構成を得ることができる。

前記複数の熱伝導エレメントの少なくとも１つは、好ましくは全てが、その外側が前記放射線防護材と密に接しており、その内側が前記空隙において前記放射線防護材と密に接している構成とされることが好ましい。すなわち同じ固体材料が、複数の熱伝導エレメントの少なくとも１つに対して、その内外から密に接していることになる。

一般に、各熱伝導エレメントにより区画形成される空隙は、伝導方向に直交する面内において閉じた断面を有することを要しない。しかしながら空隙が閉じていることにより、良好な特性を示す。また空隙は、対応する熱伝導エレメントに沿って伝導方向に連続的に延び、その伝導方向における両端は開放されていることが好ましい。

そして好ましくは、パッケージの側体は、例えば円形や多角形の断面形状を有する周知の筒形状を呈している。いずれにしても内壁と外壁は同じ形状をとることでシェル状とされ、側体の長手軸に中心を一致させた同心配置とされる。シェル内空間は、長手軸の周囲に配置される。

本発明は、上記パッケージを備える、放射性物質を輸送や貯蔵するためのコンテナにも関するものである。

本発明の他の利点や特性については、以下の非限定的かつ詳細な開示により明らかになるであろう。説明は添付の図面を参照して行なわれる。

本発明の好適な実施形態に係る、核燃料集合体を輸送や貯蔵するためのコンテナを示す横断面図である。 図１の線II−IIに沿う部分断面図である。 別実施形態に係る熱伝導手段を、図２と同様にして示す図である。 パッケージ側体の殻間空間に配置される、熱伝導手段および放射線防護手段の一部を形成するブロックを示す部分斜視図である。

核燃料集合体を輸送や貯蔵するためのコンテナ１を先ず図１に示す。

コンテナ１は、本発明に係るパッケージ２と、当該パッケージ２の内部に貯蔵装置４（貯蔵バスケットとも呼ばれる）とを備えている。貯蔵装置４は、図１に模式的に示すように、パッケージ２のレセプタクルキャビティ６内に配置されるべく構成されている。パッケージ２の長手軸８は、収容装置４の長手軸およびレセプタクルキャビティ６の長手軸と一致している。

本明細書において「長手方向」とは、パッケージ２の長手軸８と平行な、パッケージ２の長手方向を意味する。

核燃料集合体のレセプタクルを形成するコンテナ１および貯蔵装置４は、ここでは水平方向に横たえられた位置が示されている。当該位置は、一般に核燃料集合体の輸送中にとられる位置であり、核燃料集合体の装荷や取外し時にとられる垂直位置とは異なる。

一般にパッケージ２は、ベースとカバー（ともに図示せず）、および側体１０を必須的に有している。貯蔵装置４は、ベース上に直立配置されるべく構成されている。カバーは、パッケージ２の長手方向他端部に配置される。側体１０は、長手軸８の周囲に沿って延びている。すなわち側体１０は、コンテナ１の長手方向に沿って延びている。

側体１０は、略筒状であり円形断面を有する内側面１２により、レセプタクルキャビティ６を区画形成している。側体１０は、長手軸８と一致する軸を有している。

パッケージ２のベースは、カバーにおいて開口するレセプタクルキャビティ６のベースを兼ねている。パッケージ２のベースは、本発明の範囲を超えることなく、側体の一部と単一部品を成すように製造することができる。

図１には、側体１０のデザインが詳細に示されている。側体１０は、同心円状の２つの金属壁あるいは殻を備えている。これらはパッケージ２の長手軸８と中心を共にする環状空間１４を形成している。すなわち内殻２０と外殻２２の中心軸は、長手軸８に一致している。

環状空間１４には、熱導電手段１６と放射線防護手段１８が充填されている。放射線防護手段１８は、貯蔵装置４内に収容された燃料集合体により放射される中性子に対するバリアを形成すべく構成されている。すなわちこれらの要素は、内殻２０と外殻２２の間に収容されている。内殻２０の内面は、レセプタクルキャビティ６の内側面１２に対応している。

放射線防護手段１８は、それ自体は公知の固体材料からなる。例えばポリマーマトリクス複合材料からなる。より具体的には、例えばビニールエステル樹脂タイプのように、マトリクスが樹脂、好ましくは高水素化された樹脂である材料からなる。この中性子防護材料は、「樹脂コンクリート」の名称でも知られている。

複合材料を自消性にすべく構成された添加物を加えてもよい。

熱伝導手段１６は、例えばアルミニウム合金や銅合金のような、優れた熱伝導性をもたらす合金からなる。炭化珪素のようなセラミックまたは炭素ベースの材料としてもよい。

なお放射線防護手段１８や熱伝導手段１６には、中性子防護機能を強化するために、ホウ素が含有されうる。

図１および図２に示す実施形態においては、放射線防護手段１８は、２つの殻２０、２２の間に挿入される単一ブロック材料の形態をとり、熱伝導手段１６の内部を貫通して延びる。この点については後に詳述する。

ここで熱伝導手段１６には、幾つかのハニカム構造３０が用いられている。これらは殻間の環状空間１４内を周方向に並ぶように配置される。各ハニカム構造３０は、例えば、好ましくは５から６０度の角度範囲で延びる円弧状の形態をとる。また各ハニカム構造３０は、環状空間１４の径方向および長手軸８の方向に、それぞれ全長にわたって延びている。各ハニカム構造３０は、これら２方向の少なくとも一方において複数のセクションに分割されていてもよい。

各ハニカム構造３０は、複数の熱伝導エレメント３１を形成している。各熱伝導エレメント３１は、空隙３２を内部に区画形成している。空隙３２は、当該構造におけるセルまたはコンパートメントに対応する。ハニカムを形成するために、熱伝導エレメント３１を形成するセル３４の壁は、それぞれ幾つかの空隙３２を区画形成している。

本発明固有の特徴の一つは、空隙３２がそれぞれ伝導方向３６に長く延びているという事実にある。伝導方向３６は、内殻２０から外殻２２へ向かう向きである。当該方向は、ハニカムセルの長手軸に対応している。図１に示すように当該方向は、概ね径方向あるいは実質的に径方向である。

図１の最も左側に位置するハニカム構造３０において、熱伝導エレメント３１は、筒状かつ相互に平行であり、それらが形成する空隙３２とまさに同様である。ここで伝導方向３６は、上記径方向から数度傾斜しうるとは言え、当該径方向に非常に近いと言える。しかしながらこの構成において幾つかの空隙３２は、伝導方向３６に沿って延びる。伝導方向３６は、側体１０の径方向すなわち長手軸８と直交する向きに正確に対応する。

一方、図１の最も右側に位置するハニカム構造３０において、熱伝導エレメント３１は、もはや筒状を呈することなく、内殻２０から外殻２２へ向かいサイズが大きくなる形状を呈する。これら２つの殻の直径の違いに対応するためである。各熱伝導エレメント３１の断面形状は、概ね同一のままである。断面形状のサイズのみが外殻２２へ向かい増大していく。

ここで各熱伝導エレメント３１の伝導方向３６は、長手軸８と直交する側体１０の径方向に対応する。

熱伝導エレメント３１および空隙３２は、導電方向３６に２つの殻を隔てる距離と完全に一致する長さにわたって延びている。好ましくは、ハニカム構造３０を殻間の環状空間１４に導入できるようにするために、組立てギャップのみが残される。

図１および図２に示される好適な実施形態においては、ハニカム構造３０は、六角形の断面を有する複数の熱伝導エレメント３１を区画形成している。しかしながら、本発明の範囲を超えない限りにおいて、他の形状をとることも可能である。この六角形状は、エンボスされたシートまたはストリップ４０のスタックを用い、周知の方法により得ることができる。ここで当該シートのスタック方向は、セルの長手方向すなわち伝導方向３６と直交する向きである。

各空隙３２は、図２のように伝導方向３６に直交する断面において、最大の幅「ｌ」を有する。当該幅は２〜２５ｍｍである。また空隙３２を区画する熱伝導エレメント３１の壁は薄く、平均厚さは例えば０．０２〜０．５ｍｍである。ここで壁のある部分は単一のシート４０から形成されているのに対し、別の部分は２枚のシートを重ね合わせて形成されている。よって上記の平均厚さは、ハニカム構造３０を構成するために重ね合わされるシート４０の厚みの１．５倍に等しいものとして定義される。

各空隙３２の伝導方向３６に沿う長さ「Ｌ」の上記最大幅「ｌ」に対する比率は、概ね３〜１００である。ここで長さ「Ｌ」は、概ね７５〜２００ｍｍである。

ハニカム構造３０を用いる利点は、熱伝導エレメント３１および空隙３２を高密度に得ることができるためである。すなわち複数の熱伝導エレメント３１が共同で空隙３２のネットワークを形成する。当該ネットワークは、空隙３２の密度が１００個／ｍ^２以上となる少なくとも１つの領域を有する。当該密度は、長手軸８に平行で当該ネットワークを横断する面において定義される。図２はそのような断面を示し、図１の線II−IIに沿うものである。もちろん熱伝導手段１６のある領域においては、当該密度値が観測される断面が複数存在しうる。また同じ熱伝導手段１６内の全ての領域において密度値が最小となるようにすることが好ましいが、値が変化してもよい。

上記好適な実施形態においては、放射線防護手段１８は、ハニカム構造３０の空隙３２全てに充填されることが好ましい。この材料のキャスティングは、垂直位置にあるパッケージ２の環状空間１４に既に配置されているハニカム構造３０に対して直接行なわれるため、空隙３２同士が繋がるようにシート４０に孔４６を穿つこととしてもよい。放射線防護手段１８を重力キャスティングしている間、ハニカム構造３０の各空隙３２へ当該材料がより円滑に広がるように孔４６が用いられる。ここで図２に示すように、シート４０のスタック方向４２に沿って孔４６が形成される。孔４６の数は、キャストされる材料の粘度のような様々なパラメータに応じて選択される。

図３に示す別実施形態においては、熱伝導エレメント３１は、ハニカム構造によってではなく、相互に離間して独立している複数のエレメントとされている。先の実施形態とは異なり、各エレメントは自前の壁を有している。すなわち他のエレメントと壁を共有していない。図３に示すように、熱伝導エレメント３１は、例えば円形の断面を有する筒状体とされうる。あるいは、内殻２０から外殻２２へ向かって拡径する円錐台形状をとりうる。ここで断面形状は維持したまま、大きさのみが変化していくことが好ましい。

殻間の環状空間１４の形状、寸法、および配置は、ハニカム構造を用いた実施形態と同一または同様である。これら筒状の熱伝導エレメント３１も、内部に空隙３２を区画形成する。また放射線防護手段１８をより容易に充填しうるように、孔が形成されうる。

図４には、殻間の環状空間１４に挿入されるべく断面形状が扇形の一部とされたブロック１００が示されている。やはり本発明の一実施形態である本例においては、先の実施形態とは対照的に、環状空間１４の外側で扇状のブロック１００を複数形成しておき、これらが周方向に並ぶように環状空間１４に導入される。

各ブロック１００は、その周面のほぼ全体にわたって複数の熱伝導エレメント３１を備えている。各熱伝導エレメント３１には放射線防護手段１８が充填されている。各熱伝導エレメント３１の両端は、それぞれ環状空間１４を区画形成する内殻２０と外殻２２の表面に対向あるいは当接すべく、ブロック１００が備える２つの同心状の面１１０、１１２において露出している。ブロック１００が備える熱伝導エレメント３１は、図３に示したものと同種のものであるが、例えば図１や図２に示したもののように、本発明の趣旨に沿う限りにおいて任意の形態をとりうる。

本発明について上述した実施形態は非限定的な例示に過ぎず、当業者による様々な修正がなされうることは当然である。

Claims (10)

1. 放射性物質を輸送や貯蔵するためのパッケージ（２）であって、
   当該パッケージ（２）の長手軸（８）に沿って延び、放射性物質を収容するキャビティ（６）を区画形成する側体（１０）を備え、
   当該側体（１０）は、前記長手軸（８）の周りを延びる空間（１４）を間に区画形成する内壁（２０）と外壁（２２）を備え、
   前記空間（１４）は、熱伝導手段（１６）とともに放射線防護手段（１８）を収容しており、
   当該放射線防護手段（１８）は、それぞれが内部に空隙（３２）を区画形成する複数の熱伝導エレメント（３１）を含み、
   前記空隙（３２）は、前記内壁（２０）から前記外壁（２２）へ向かう伝導方向（３６）に沿って長く延びており、
   前記熱伝導エレメント（３１）の少なくとも一部が有する前記空隙（３２）の少なくとも一部には、放射線防護材料が充填されていることを特徴とする、パッケージ。
2. 前記複数の熱伝導エレメント（３１）の少なくとも幾つかは、それぞれ前記側体（１０）の径方向と実質的に一致する向きに延びていることを特徴とする、請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記複数の熱伝導エレメント（３１）の少なくとも幾つかは、それぞれ実質的に筒状の形態を呈することを特徴とする、請求項１または２に記載のパッケージ。
4. 前記複数の熱伝導エレメント（３１）の少なくとも幾つかは、それぞれ前記伝導方向（３６）に一体的に延び、その長さは前記内壁（２０）と前記外壁（２２）の間の距離と実質的に等しいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のパッケージ。
5. 前記複数の熱伝導エレメント（３１）は、ともに前記空隙（３２）のネットワークを形成しており、
   当該ネットワークは、空隙密度が１００個／ｍ^２以上となる少なくとも１つの領域を有し、当該空隙密度は、前記長手軸（８）に平行で当該ネットワークを横断する面において定義されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のパッケージ。
6. 前記複数の熱伝導エレメント（３１）の少なくとも幾つかは、少なくとも１つのハニカム構造（３０）から成り、当該ハニカム構造が有するハニカムセルは、それぞれ前記空隙（３２）を形成していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のパッケージ。
7. 前記ハニカム構造（３０）には、前記空隙（３２）同士を繋ぐ孔（４６）が形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のパッケージ。
8. 前記複数の熱伝導エレメント（３１）の少なくとも幾つかは、互いに離れた独立のエレメントからなることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のパッケージ。
9. 前記複数の熱伝導エレメント（３１）の少なくとも１つは、その外側が前記放射線防護材と密に接しており、その内側が前記空隙（３２）において前記放射線防護材と密に接していることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のパッケージ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のパッケージ（２）を備える、放射性物質を輸送や貯蔵するためのコンテナ（１）。

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