JP4746095B2 - 露点温度測定に基づいてハイレベル廃棄物を乾燥させる方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般にハイレベル廃棄物（ＨＬＷ：high level waste）を貯蔵する分野に係り、特に、「乾燥状態」での貯蔵および／または輸送のためにＨＬＷを乾燥させる技術に関する。

使用済み核燃料のようなＨＬＷの貯蔵、処理および移送は、特別な注意と手順上の安全策を要する。原子炉の操作においては、燃料アセンブリとして知られる、濃縮ウランが充填された空洞のジルカロイ管が原子炉の炉心内部で燃やされる。これらの燃料アセンブリを、そのエネルギーが所定のレベルまで低下した後に炉から除去することが通例である。エネルギー低下とそれに続く除去の際、この使用済み核燃料（ＳＮＦ）は未だ高放射性であり相当の熱を生成しており、その後のパッケージ、輸送および貯蔵においては大変な注意を必要とする。具体的には、ＳＮＦは極度に危険な中性子とガンマフォトンを放出する。原子炉からの除去の後にかかる中性子とガンマフォトンが常時封じ込められることが必須である。

原子炉から燃料を抜く際には、ＳＮＦを炉から除去し、ＳＮＦを水中に、すなわち使用済み燃料プールまたは貯水池として一般に知られるものの中に配置させることが広く知られている。プールの水はＳＮＦの冷却を促進し、適切な放射能遮蔽を提供する。ＳＮＦがプール内に貯蔵されるのは、熱の低下と放射能の崩壊が十分に低いレベルになるような十分長い期間であり、それによってＳＮＦが安全に輸送されることが可能になる。しかしながら、安全上、空間上および経済上の虞のため、プールの使用のみでは、相当な期間の間ＳＮＦが貯蔵される必要があるときには十分ではない。そのため、ＳＮＦの長期間の貯蔵が必要なときに、原子力産業における標準的なやり方は、使用済み燃料プール内における短い貯蔵期間に続いてＳＮＦを乾燥状態で貯蔵すること、すなわち、適切な放射能遮蔽を提供する構造の内部の乾燥した不活性ガス雰囲気内でＳＮＦを貯蔵することである。ＳＮＦを長期間乾燥状態で貯蔵するのに使用される１つの代表的な構造が貯蔵キャスクである。

貯蔵キャスクは、ＳＮＦのキャニスタを受け入れるのに適切な大きさのキャビティ（空洞部）を有しており、鋼鉄、リード、コンクリート、および環境上適切な水素含有材料で生成された、大型で重量のある構造となるように設計される。代表的には、貯蔵キャスクの重量は１５０トンであり、高さは１５フィート以上である。貯蔵キャスクに関連付けられる共通の問題は、それらが原子力プラントの大多数のクレーンによって持ち上げるには重すぎることである。他の共通の問題は、貯蔵キャスクが使用済み燃料プール内に配置するには概して大きすぎることである。そのため、プール内で冷却されることに続いて貯蔵キャスク内でＳＮＦを貯蔵するためには、ＳＮＦがプールから除去され、集結領域に準備され、貯蔵キャスクに輸送されなければならない。適切な放射能遮蔽が、この移送手順のすべての段階を通して必要とされる。

ＳＮＦの使用済み燃料プールからの除去と追加的な貯蔵キャスクへの輸送に対する必要性の結果として、炉心からＳＮＦが除去される前に、典型的には開口キャニスタが使用済み燃料プール内に沈められる。そしてＳＮＦは、水中に沈められている間に開口キャニスタ内へ直接配置される。しかしながら、シール（密閉）後でさえもキャニスタ単独では、ＳＮＦの放射能の適切な封じ込めを提供できない。装填されたキャニスタは、放射能遮蔽の追加無しには使用済み燃料プールから除去または輸送することができない。そのため、ＳＮＦの輸送の間に追加の放射能遮蔽を提供する装置および方法が開発されてきた。追加の放射能遮蔽は典型的には、水中に沈められている間にキャニスタを、移送キャスクと呼ばれる円筒状のコンテナ内に配置することで達成される。貯蔵キャスクと同様に、移送キャスクは、内部にＳＮＦのキャニスタを受け入れるのに適切な大きさのキャビティを有し、内部のＳＮＦによって放出される放射能から環境を遮蔽するように設計されている。

装填されたキャニスタを輸送するために移送キャスクを利用する設備では、先ず空のキャニスタが開口した移送キャスクのキャビティ内へ配置される。そしてキャニスタと移送キャスクは、使用済み燃料プールに沈められる。それ以前に、炉から取り除かれて湿った貯蔵装置内に配置されたＳＮＦは、沈められたキャニスタ（移送キャスク内にあって水が充満している）へ移動させられる。装填されたキャニスタはその後、蓋が備え付けられ、その蓋がＳＮＦとプールからの水をキャニスタ内で囲い込む。そして、装填されたキャニスタと移送キャスクはクレーンによってプールから除去されるとともに、乾燥状態での貯蔵または輸送に際しＳＮＦが装填されたキャニスタを準備するため、集結領域に着地させられる。ＳＮＦが装填されたキャニスタを乾燥貯蔵または輸送のために適切に準備する目的で、米国原子力規制委員会（ＮＲＣ）は、キャニスタが密閉されて貯蔵キャスクへ輸送される前にＳＮＦとキャニスタ内部が適切に乾燥させられることを要求している。具体的には、ＮＲＣの規定は、キャニスタに不活性ガスが充填させられて密閉される前に、キャニスタ内の蒸気圧（ｖＰ）が３Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１ｍｍＨｇ）であるか、それよりも低いことを要求している。蒸気圧は平衡状態での液体に対する蒸気の圧力であり、ここで平衡状態とは、液相から気相へ変質する分子の数と気相から液相へ変質する分子の数が等しい状態として定義される。３Ｔｏｒｒまたはそれよりも低圧のｖＰ要求は、長期間のＳＮＦの貯蔵または輸送のために好適なキャニスタ内部における適切な乾燥空間を保証する。

現在のところ、核施設は、ＮＲＣの３Ｔｏｒｒまたはそれよりも低圧のｖＰ要求をバキューム方式の乾燥プロセスを実行することで満足させている。このプロセスを実行する際に、キャニスタ内部にあるバルク水（大量の水分）が先ず、キャニスタから排出される。いったん液体のバルク水が排出されると、バキュームシステムがキャニスタに接続されて、キャニスタ内で大気圧より低い圧力を生成するように作動させられる。キャニスタ内の大気圧以下の状態が残留液体水の蒸発を促進させる一方、バキュームは水蒸気を取り除くのを補助する。キャニスタ内部のｖＰは、真空（バキューム）・保持手順を通して実験的に確かめられる。必要な場合、この真空・保持手順は、所定の試験期間（３０分）の間の圧力上昇が３Ｔｏｒｒまでに制限されるまで繰り返される。いったんバキューム式乾燥が許容試験を通過すると、キャニスタには不活性ガスが充填させられ、キャニスタは密閉される。移送キャスク（中にキャニスタを備える）はさらに、貯蔵キャスクの上部の位置まで輸送され、ＳＮＦが装填されたキャニスタは長期間の貯蔵のために貯蔵装置へ輸送される。

ＮＲＣの３Ｔｏｒｒまたはそれよりも低圧のｖＰ要求を満足させる現在の方法は、時間がかかり、手動に集約的となっており、ラインからの過ちおよびバルブの漏れが生ずる傾向がある。バキューム監視および乾燥試験のために物理的にキャニスタに接近しなければならない時はいつでも、作業員が高放射能を被爆する危険がある。さらに、キャニスタ内の大気圧より低い圧力の生成は、高価なバキューム装置を必要とし、複雑な装置上の問題をもたらし得る。

それゆえ、本発明の目的は、ＨＬＷが装填されたキャニスタを乾燥させる方法およびシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、キャニスタの中身に物理的に接近すること無しにＨＬＷが装填されたキャニスタを乾燥させ、キャニスタ内部で許容レベルの乾燥状態を保証する方法およびシステムを提供することである。

本発明のさらなる他の目的は、キャニスタの内部を大気圧以下の状態の下におくこと無しに、ＨＬＷが装填されたキャニスタを乾燥させる方法およびシステムを提供することである。

本発明のさらなる他の目的は、高価なバキューム装置を使用すること無しに、ＨＬＷが装填されたキャニスタを乾燥させる方法およびシステムを提供することである。

本発明のさらなる他の目的は、実装が容易であり、かつ／または、時間効率が高い乾燥貯蔵のためのＳＮＦ装填キャニスタを用意する方法およびシステムを提供することである。

本発明のさらなる他の目的は、より費用効果の高い方法による乾燥貯蔵のための、ＨＬＷを装填したキャニスタを用意する方法およびシステムを提供することである。

これらの目的および他の目的は本発明によって達成され、第１の観点における本発明は、「ＨＬＷ」が装填されたキャビティを乾燥させる方法であって、（ａ）非反応性ガスをキャビティを通して流すこと、（ｂ）キャビティを退出する非反応性ガスの露点温度を繰り返し測定すること、（ｃ）キャビティを退出する非反応性ガスの露点温度が所定期間の間、所定露点温度と同等か、またはそれよりも低いときに、非反応性ガスフローを停止して、キャビティを密閉すること、を含む。

キャビティから出てくる非反応性ガスの露点温度が、所定期間の間、所定露点温度と同等か、またはそれよりも低い露点温度を有していることを保証することで、キャビティが適切に乾燥状態にあること（すなわち、キャビティ内部のｖＰを物理的に測定する必要無く、キャビティ内の非反応性ガスのｖＰが所望のレベルより低いこと）が保証される。

いくつかの実施形態では、前記所定露点温度は、３Ｔｏｒｒまたはそれ以下のような、キャビティ内での所望の蒸気圧が得られるようにして選択される。

キャビティを通して流れる非反応性ガスのフローレートは、特定の乾燥状態のレベル（すなわち、所定露点温度）に対しての前記所定期間を決定する。いかなる大きさのキャビティ容積のキャニスタに対する前記所定露点温度および前記所定期間は、実験またはシミュレーションを通して決定可能である。

いくつかの実施形態では、本発明はさらに、ステップ（ｄ）露点温度が測定された後に、キャビティを退出する非反応性ガスを乾燥させること、ステップ（ｅ）その乾燥させられた非反応性ガスをキャビティを通り抜けて再循環させること、を備える。乾燥させるステップは、非反応性ガスを除湿剤に接触させるか、または非反応性ガスを冷却させることで達成可能である。

いくつかの実施形態では、非反応性ガスは所定のフローレートでキャビティを通して循環される。当該所定のフローレートは、キャビティの容積が前記所定期間の間に２５〜５０回回転させられるようにして選択可能である。

いくつかの実施形態では、前記所定露点温度は約−６．６７〜−３．３３℃の範囲内にあり、前記所定期間は約２５〜３５分の範囲内にある。一実施形態では、前記所定露点温度が約−５．０５℃であり、前記所定期間が約３０分であることが好ましい。

好適な非反応性ガスは、限定することなく、窒素、二酸化炭素、軽量の炭化水素ガス、または、ヘリウム、アルゴン、ネオン、ラドン、クリプトン及びキセノンからなる一群から選択される貴ガスである。

他の観点では、本発明は「ＨＬＷ」が装填されたキャビティを乾燥させるシステムであり得るが、当該システムは、注入口と排出口とを備えた前記キャビティ、を構成するキャニスタと、非反応性ガス源と、非反応性ガス源からの非反応性ガスをキャビティを通して流すフロー手段と、キャビティを退出する非反応性ガスの露点温度を繰り返し測定する露点温度測定手段と、を備える。露点温度測定手段は、湿度計のような、いかなる型の直接的な湿気検出装置、または、ガスクロマトグラフィ、大規模な分光器等の他の手段であり得る。

いくつかの実施形態では、システムはさらに、非反応性ガスを乾燥させる乾燥手段を備えることが可能である。好適な乾燥手段は、冷却装置、冷凍装置、および／もしくは液化装置の使用、または除湿剤の使用を含む。かかる実施形態では、乾燥手段は露点温度測定手段の下流に配置される。乾燥手段を備えたシステムの実施形態は、乾燥手段からの所望の非反応性ガスを再循環させて前記非反応性ガス源へ戻す再循環手段をさらに備えることも可能である。これは、再循環ラインの使用を通して達成可能である。

いくつかの実施形態では、システムはオートメーション化することが可能であり、露点温度測定手段に動作可能に接続された制御器をさらに備える。かかる実施形態では、露点温度測定手段は好ましくは、測定した非反応性ガスの露点温度を示す信号を生成し、制御器へ送信するように適合させられる。制御器は、上記信号を解析し、当該信号が、測定した露点温度が所定期間の間、所定露点温度と同等か、またはそれよりも低いことを示す、と決定したときにはさらに、（ｉ）キャビティを通した非反応性ガスフローを停止する、および／または、（ｉｉ）キャビティが乾燥状態にあることを示す手段を作動させるように適合させられる。

一実施形態では、システムはさらに使用済み燃料キャスクを備える。かかる実施形態では、キャニスタは当該キャスク内に配置されて乾燥させられる。

最後に、キャビティが上部および底部を有し、非反応性ガスをキャビティに供給するために注入口がキャビティの底部またはその近傍に配置され、湿った非反応性ガスをキャビティから除去するための排出口がキャビティの上部またはその近傍に配置されることが好ましい。

図１は、本発明での使用に好適なキャニスタ２０を示す。本発明は、特定のキャニスタ形状、構造または大きさに限定されず、放射性要素を輸送、貯蔵または保持するのに使用される、いかなる型の封入容器に適用可能である。本発明の例示される実施形態は、使用済み核燃料（ＳＮＦ）のキャニスタを乾燥させるための使用に関して記述されるが、ここで記述されるシステムおよび方法が、必要に応じて他の形式、および様々な異なる封じ込め構造で放射性廃棄物を乾燥させるのに使用され得ることは、当業者に正しく理解されるであろう。

キャニスタ２０は、キャビティ（空洞部）２１を形成する底板２２および円筒状壁２４を備える。ここで使用される際には、底板２２に最も近いキャニスタ２０の端２５はキャニスタ２０の底部として言及され、底板２２から最も遠いキャニスタ２０の端２６はキャニスタ２０の上部として言及される。キャビティ２１は内部に配置されるハニカム状格子２３を備える。ハニカム状格子２３は、使用済み核燃料（ＳＮＦ）を受け入れるのに適合させられた複数の長方形の箱を有する。本発明は、このハニカム状格子の存在によって限定されない。

キャニスタ２０はさらに、キャニスタ２０の底部またはその近傍に配置された、開口底部を備えたドレイン（排出）管（図示せず）を有しており、キャニスタ２０の外側からキャビティ２１の内部への密閉可能な通路を提供する。所望の場合には、そのドレイン開口は、底板２２またはキャニスタ壁の底部近傍に配置可能である。ドレイン管は、従来のプラグ、ドレインバルブまたは溶接の手順を使用して開口または密閉可能である。

図１に示すように、キャニスタ２０は空の状態（すなわち、キャビティ２１はハニカム状格子２３内に配置されるＳＮＦ棒を有していない）であり、キャニスタ２０の上部２６が開口している。キャニスタ２０を利用してＳＮＦ棒を輸送および貯蔵する際に、キャニスタ２０は移送キャスク１０内部に配置され（図２）、キャニスタ２０は開口して空の状態である。開口キャニスタ２０を保持する開口移送キャスク１０は次に、使用済み燃料プールに沈められ、これにより、キャビティ２１の容積が水で充填されるようになる。原子炉から取り除かれたＳＮＦ棒は次に、使用済み燃料プールから水中で移動させられ、キャニスタ２０のキャビティ２１内部に配置される。好ましくは、一束のＳＮＦ棒がハニカム状格子２３の各長方形の箱内に配置される。いったんキャビティ２１にＳＮＦ棒が完全に装填されると、キャニスタ蓋２７（図２）がキャニスタ２０の上部に配置される。キャニスタ蓋２７は複数の密閉可能な蓋孔２８を備え、この蓋孔２８が開口時にキャニスタ２０の外側からキャビティ２１への通路を形成する。移送キャスク１０（装填されたキャニスタ２０を中に備える）はさらに、クレーンによって使用済み燃料プールから持ち上げられて、直立して集結領域に配置され（図２に示す）、それによってキャニスタ２０が適切に乾燥貯蔵のために用意される。この乾燥貯蔵の用意は、キャニスタ２０の内部を乾燥させることと、そこにキャニスタ蓋２７を密閉することとを含む。

次に図２のみを参照すると、集結領域にあるときに、キャニスタ２０（ＳＮＦ棒とプールの水を含む）は移送キャスク１０内にある。キャニスタ２０と移送キャスク１０は直立した配置である。集結領域において一度、底部がキャニスタ２０の底部２５またはその近傍で開口し、キャニスタ蓋２７に接続されるドレイン管（図示せず）が、ブローダウンガス（通常、ヘリウムまたは窒素）を使用してキャニスタ２０のキャビティ２１に閉じ込められたバルク水を排出するのに使用される。キャビティ２１からのバルク水を排出するにもかかわらず、残留湿気がキャビティ２１内およびＳＮＦ棒上に残る。しかしながら、長期間の乾燥貯蔵または輸送のためにキャニスタ２０が永久に密閉され、貯蔵キャスクへ輸送され得る前に、中に含まれるキャビティ２１とＳＮＦ棒が適切に乾燥させられることが保証されねばならない。コンテナ内の低い蒸気圧（ｖＰ）は低レベルの湿気の存在を示すことになるので、米国原子力規制委員会（ＮＲＣ）は、キャスクを含むＨＬＷのキャビティ２１内において３Ｔｏｒｒまたはそれ以下の蒸気圧（ｖＰ）の仕様に対する順守を要求している。

図３は、閉ループの乾燥システム３００の一実施形態の回路図であって、当該システムは、結果として生ずるキャビティ２１内のｖＰを介入的に測定する必要無しに、キャビティ２１を許容可能なＮＲＣレベルまで乾燥させることが可能である。いったんキャニスタ２０を保持する移送キャスク１０が集結領域内に配置され、バルク水がキャビティ２１から排出されると、乾燥システム３００はキャニスタ２０の注入口２８および排出口２９に接続され、それによって閉ループシステムを形成する。より具体的には、ガス供給ライン３２５が流体的にキャニスタ２０の注入口２８に接続され、ガス排出ライン３２６が流体的にキャニスタ２０の排出口２９に接続される。キャニスタの注入口２８および排出口２９はキャニスタ２０内の単なる孔である。必要な場合には、適切なポート接続、シール（密閉）および／またはバルブ（弁）が注入および排出口２８、２９に組み込まれる。

乾燥システム３００は、非反応性ガス貯蔵部３１０と、供給ポンプ３２０と、フローレート弁３２１と、露点温湿度計３３０と、冷却装置３４０と、再循環ポンプ３６０と、制御システム３５０とを備え、当該システムは、適切にプログラムされたマイクロプレセッサ３５１と、コンピュータ記憶媒体３５２と、タイマ３５３と、アラーム３７０とを含む。乾燥システム３００の図示された実施形態は、制御システム３５０を介してオートメーション化されているが、本発明の方法、システムのいずれもそのように限定されない。必要な場合には、制御システム３５０によって実行される機能は、手動で実行可能であり、かつ／または、いくつかの実例を省略可能である。

ヘリウム貯蔵部３１０、キャニスタ２０および冷却装置３４０は流体的に接続され、それによって、ヘリウムのような非反応性ガスが、外部環境に逃げ出すこと無く閉ループの乾燥システム３００を流れることが可能である。より具体的には、ガス供給ライン３２５がヘリウム貯蔵部３１０をキャニスタ２０に流体的に接続し、ガス排出ライン３２６がキャニスタ２０を冷却装置３４０に流体的に接続し、再循環ライン３４５が冷却装置３４０をヘリウム貯蔵部３１０に流体的に接続し、それによって閉ループのガス再循環通路を形成する。すべてのガスライン３２５、３２６および３４５は適切な管または配管で形成可能である。その管または配管は、フレキシブルまたは非フレキシブル導管で組立可能である。当該導管は、金属、合金、プラスチック、ゴム等のいかなる好適な材料によっても形成可能である。すべての密閉接続は、ねじ接続、シール、環状クランプおよび／またはガスケットの使用を通して構成可能である。

ヘリウム貯蔵部３１０はヘリウムガスを貯蔵するために使用される。ヘリウムガスは本発明の使用に好適な非反応性ガスであるが、いかなる非反応性ガスもシステム３００およびその稼動のために使用され得る。例えば、他の好適な非反応性ガスは、限定することなく、窒素、二酸化炭素、メタンのような軽量の炭化水素ガス、または、貴ガス（ヘリウム、アルゴン、ネオン、ラドン、クリプトンおよびキセノン）を含むもののこれらには限定されない非活性ガス、を含む。

供給ポンプ３２０は、ガス供給ライン３２５に動作可能に接続される。作動時には、供給ポンプ３２０はヘリウム貯蔵部３１０からヘリウムガスを引き出し、そのヘリウムガスを、ガス供給ライン３２５を介してキャニスタ２０のキャビティ２１に押し込む。ヘリウムガスがキャニスタ２０を通り抜けて流れ続け、ガス排出ライン３２６を介して冷却装置３４０に入る。再循環ポンプ３６０は、再循環ライン３４５に動作可能に接続される。作動時には、再循環ポンプ３６０は、湿気が除去されたヘリウムガスを冷却装置３４０から引き出し、その乾燥したヘリウムガスを、キャニスタ２０を通したさらなる再循環のためにヘリウム貯蔵部３１０に押し戻す。２つのポンプ３２０、３６０が乾燥システム３００に組み込まれて図示されているが、本発明はそのように限定されず、いかなる数のポンプも使用可能である。ポンプの正確な数は、フローレートの要求、システム内の圧力低下、システムの大きさ、および／またはシステム内のコンポーネント数等の因子を考慮して、ケースバイケースの設計に基づいて決定される。乾燥システム３００を通したヘリウムガスフローの方向は、流体ライン上の矢で示される。

フローレート弁３２１は、供給ポンプ３２０の下流のガス供給ラインに動作可能に接続される。弁３２１は、キャニスタ２０のキャビティ２１の中へ、かつそれを通り抜けて流れ、乾燥システム３００の至る所に流れるヘリウムガスのフローレートを制御するのに使用される。弁３２１は調節可能なフローレート弁であり得る。本発明の他の実施形態では、乾燥システム３００を通して流れるヘリウムガスのフローレートは代替的に、大規模なフローレート制御器を組み込むことによって制御され得る。ポンプ同様、所望の場合にはいかなる数の弁も乾燥システム３００の至る所に組み込むことが可能である。さらに本発明は、弁またはポンプのいかなる特定の閉ループフロー回路に沿った配置にも限定されない。

露点温湿度計３３０は、ガス排出ライン３２６に動作可能に接続され、それによってキャニスタ２０のキャビティを退出するヘリウムガスの露点温度を測定可能である。露点温度測定のための適切な手段は、湿度計のような直接的な湿気検出装置と、ガスクロマトグラフィまたは大規模な分光器のような他の手段とを含む。湿度計３３０は好ましくは、いくつかの実施形態においてデジタル信号を含む。露点温湿度計３３０は、キャビティ２１を退出するヘリウムガスの露点温度を繰り返し測定する。繰り返し測定のためのサンプルリングレートに関する要求はない。例えば、露点温湿度計３３０は、１秒につき数回ヘリウムガスの露点温度を測定することが可能であるし、数分ごとに１回のみでも可能である。いくつかの実施形態では、繰り返し測定の間隔が小さく、実際のところ測定が本質的に連続的に見える。その間隔は、システムの機能特性およびヘリウムガスのフローレートのような因子を考慮して、ケースバイケースの設計に基づいて決定される。

冷却装置３４０の注入口３４２はガス排出ライン３２６に接続され、排出口３４３は流体的に再循環ライン３４５に接続される。冷却装置３４０は、キャニスタ２０のキャビティ２１を退出する湿ったヘリウムガスから適切に湿気を除去するために設けられ、それによって、キャビティ２１の乾燥の際のさらなる使用のためにヘリウムガスが再循環されてヘリウム貯蔵部３１０に戻ることが可能である。キャニスタ２０のキャビティ２１を退出する湿ったヘリウムガスを効率的に冷却することで、ヘリウムガス内の水蒸気は、冷却装置３４０内のヘリウムガスから液化されて、液体の形でドレイン３４１を介して除去される。湿ったヘリウムガスが冷却される正確な温度は、所望の乾燥レベル次第である。所望の乾燥レベルが大きいほど、その温度が低くなる。本発明の一実施形態では、湿ったヘリウムガスを−３．８８℃またはそれ以下まで冷却することが望ましい。いったん冷却装置３４０内で湿気が除去されると、乾燥したヘリウムガスは、さらなる使用のために再循環されて貯蔵部３１０に戻される。

乾燥システム３００の図示された実施形態では冷却装置３４０を使用して、湿ったヘリウムガスの湿気を除去するが、所望の場合には、冷却装置３４０の代わりに、または、冷却装置３４０に追加して、他の湿気除去装置または方法を使用することも可能である。例えば、液化装置または冷凍装置を使用してもよい。他の実施形態では、湿ったヘリウムガスをシリカゲルのような好適な除湿剤に晒してもよく、かかる除湿剤は湿ったヘリウムガスフローから水蒸気を吸収する。除湿剤は必要なときには、加熱、ＵＶ露出または他の従来の乾燥プロセスを通して乾燥させて、その後に再利用することが可能である。

ヘリウムガスを再循環させない本発明の実施形態では、湿ったヘリウムガスの湿気を除去することは必要ない。かかる場合、冷却装置３４０または他の乾燥化モジュールは省略される。

乾燥システム３００はさらに、オートメーションシステム３５０を備える。オートメーションシステム３５０は、ＣＰＵ３５１と、コンピュータ記憶媒体３５２と、タイマ３５３と、アラーム３７０とを有する。ＣＰＵ３５１は、適切なマイクロコントローラを基礎としたプログラマブルロジックコントローラ、パーソナルコンピュータ等である。コンピュータ記憶媒体３５２は、必要なコンピュータコード、アルゴリズム、所定期間、所定露点温度、所望の冷却温度、フローレート等の乾燥システム３００の運転および機能に必要なデータのすべてを格納するのに十分なメモリを備えたハードドライブであり得る。タイマ３５３は標準的にデジタル化されているか、または内部のコンピュータタイミング機構である。アラーム３７０は、サイレン、光、ＬＥＤ，表示モジュール、スピーカー、または聴覚および／または視覚刺激を生成可能な他の装置であり得る。アラーム３７０が図示されて説明されるが、乾燥システム３００が乾燥プロセスを終えたことをオペレータに報知する、いかなる器具、装置、機器をも使用可能である。例えば、キャニスタが乾燥状態にあることをテキストまたは視覚効果を通してコンピュータ画面が単に表示することが可能である。

ＣＰＵ３５１は、制御または通信する必要がある、乾燥システム３００の様々なコンポーネント３２０、３２１、３３０、３４０、３６０、３７０、３５２、３５３に対する接続を提供するのに使用される多くの入力／出力ポートを含む。ＣＰＵ３５１はこれらのコンポーネントと、電線、光ファイバー線、同軸ケーブル、または他のデータ伝送線を介して動作可能に接続される。これらの接続は、図３では点線で示される。ＣＰＵ３５１は、乾燥システム３００を制御するために動作可能に接続される、乾燥システム３００の様々なコンポーネントのいずれとも、またはすべてと通信可能であり、その制御は（１）ポンプ３２０、３６０を作動させるか非作動にさせること；（２）フローレート弁３２１の開弁、閉弁および／または調節；（３）冷却装置３４０を作動させるか非作動にさせること；（４）アラーム３７０を作動させるか非作動にさせること、等である。

ＣＰＵ３５１（および／またはメモリ３５２）はまた、適切なアルゴリズムでプログラム化されており、それによって、露点湿度計３３０からの信号を受信し、入ってくるデータ信号を解析し、その入ってくるデータ信号によって表される値を格納された値および範囲と比較し、入ってくるデータ信号によって表される値が格納された値またはそれよりも下になる時間を探知する。使用されるＣＰＵの型は、それが組み込まれるシステムの正確な必要性次第である。

図４を参照すると、本発明の一実施形態に係る、ＳＮＦが装填されたキャビティを乾燥させる方法の一実施形態のフローチャートが示されている。この方法は、記述と理解の容易のため、図３の乾燥システム３００に関連して説明される。しかしながら、この方法は、いかなる特定の構造またはシステムに限定されず、他のシステムおよび／または装置により実行可能である。

ステップ４００では、ＳＮＦが装填されたキャニスタ２０を含むキャスク１０が、冷却用プール／池から取り除かれた後に集結領域に配置される。上述したように、この時点でキャニスタ２０のキャビティ２１はプールからの水で充填されている。バルク水は、キャニスタ２０のキャビティ２１から適切に配置されるドレインを介して排出され、それによってステップ４００が終了する。

バルク水がキャニスタ２０のキャビティ２１から排出されるにもかかわらず、キャビティ２１の内部とＳＮＦは湿気を帯びており、長期間の貯蔵のためにさらなる湿気除去を必要とする。キャビティ２１およびＳＮＦをさらに乾燥させるために、乾燥システム３００が利用される。乾燥作業の間、キャニスタ２０はキャスク１０内に残っている。ステップ４１０では、ガス供給ライン３２５がキャニスタ２０の注入口２８と流体的に接続されており、ガス排出ライン３２６がキャニスタ２０の排出口２９と流体的に接続されている。結果として、キャニスタ２０のキャビティ２１が流体回路の一部を構成するような、閉ループの流体回路が構成される。

いったん乾燥システム３００が適切にキャニスタ２０に接続されると、決定ブロック４２０に対する答えがＹＥＳとなり、オペレータが乾燥システム３００を作動させる。乾燥システム３００は、装置を手動でスイッチオンするか、またはＣＰＵ３５１によってオートメーション化された方法で作動させることが可能である。オートメーション化された方法で作動させられた場合には、オペレータはシステム作動コマンドを、キーボード、コンピュータ、スイッチ、釦等のような、ＣＰＵ３５１に動作可能に接続されるユーザ入力装置（図示せず）に入力することで、乾燥システム３００を作動させる。関連したシステム作動信号をユーザ入力装置から受信すると、ＣＰＵ３５１は、適切な作動信号をポンプ３２０、３６０、冷却装置３４０、湿度計３３０およびフローレート弁３２１に送信する。

供給ポンプ３２０と再循環ポンプ３６０を作動させることは、ヘリウムガスがヘリウム貯蔵部３１０から引き出され、閉ループの流体回路（ガス供給ライン３２５、キャニスタ２０、ガス排出ライン３２６、冷却装置３４０および再循環ライン３４５を含む）を通して流れる結果となる。乾燥システム３００を通して流れるヘリウムガスのフローレートはフローレート弁３２１によって制御されるが、当該弁は好ましくは調整弁である。本発明の一実施形態では、ＣＰＵ３５１はフローレート弁を開け、それによってヘリウムガスがキャニスタ２０を約４００ｌｂ／ｈｒで流れる。しかしながら、本発明はそのように限定されず、他のフローレートを使用可能である。特定の乾燥動作で使用されるべき正確なフローレートは、ケースバイケースの設計に基づいて決定され、キャニスタのキャビティの開口容積、キャニスタのキャビティ内の目標乾燥レベル、キャニスタのキャビティ内の初期の湿気含有量、貯蔵部内で維持されるヘリウムガスの湿気含有量、キャニスタの毎時の回転率に対する所望の数等の因子が考慮される。

冷却装置３４０はまた、ＣＰＵ３５１によって作動させられ、それによってキャニスタ２０を退出する湿ったヘリウムガスの湿気を、再循環されてヘリウム貯蔵部３１０に戻る前に除去可能である。一実施形態では、ＣＰＵ３５１は冷却装置３４０を作動させ、それによってヘリウムガスが−３．８８℃またはそれ以下の温度まで冷却される。しかしながら、冷却装置３４０は、ヘリウムガスの湿気を適切に除去するいかなる所望の温度にまでヘリウムガスを冷却させるのに使用され得る。上述したように、本発明のいくつかの実施形態では、除湿剤を利用するもの等の他の湿気除去装置が冷却装置３４０の代わりに湿ったヘリウムガスを乾燥させるのに使用され得る。

作動させられると、供給ポンプ３２０はヘリウム貯蔵部３１０から乾燥したヘリウムガスを引き出し、その乾燥したヘリウムガスを、注入口２８を介してキャニスタ２０のキャビティ２１へ流す。キャビティ２１に進入する際、ヘリウムガスは、水蒸気の形式でＳＮＦとキャビティ２１の内側の面から水分を吸収する。そして、湿気を含んだヘリウムガスは排出口２９を介してキャビティ２１を退出する。湿ったヘリウムガスがキャビティ２１を退出すると、湿度計３３０が繰り返しその露点温度を測定する。湿度計３３０は、湿ったヘリウムガスの露点温度を測定すると、測定された露点温度の値を示すデータ信号を生成して、このデータ信号を電気的接続を介してＣＰＵ３５１へ送り、それによってステップ４４０が終了する。

測定された露点温度の値を示すデータ信号を受信すると、ＣＰＵ３５１はその測定された値を、記憶媒体３５２に格納される所定露点温度の値と比較する。そして、ステップ４５０が終了する。所定露点温度は、キャビティ２１の内側とＳＮＦが長期間の貯蔵のために十分に乾燥していることを示すようにして選択される。一実施形態では、所定露点温度は、例えば３Ｔｏｒｒまたはそれ以下のような許容可能な乾燥レベルを示すキャビティ２１内蒸気圧に相当するようにして選択される。かかる実施形態では、所定露点温度は、実験またはシミュレーションのいずれかによる相関を用いて選択可能である。

次に図５を参照して、どのように所定露点温度を選択するかについての典型的な実施形態を説明する。図５で表される曲線から分かるように、ヘリウム等のガスの水蒸気圧は露点温度と相関関係がある。そのため、この曲線を使用して、いったん目標蒸気圧がわかれば前記所定露点温度を決定可能である。例えば、仮に目標蒸気圧が３Ｔｏｒｒの場合、これは約−５．０５℃に相当する。この位置は、曲線上では点Ａで示されている。目標蒸気圧は、政府または他の規制組織によって要求され、大きく変化する可能性がある。いくつかの実施形態では、所定露点温度は約−６．６７〜−３．３３℃の範囲内にあることが好ましく、最も好ましくは−５．０５℃である。しかしながら本発明は、いかなる特定の露点値に限定されない。キャビティ２１内における適切な乾燥状態に対応する、湿ったヘリウムガスの正確な露点温度は、ケースバイケースの設計に基づいて決定され、政府規制、要求される安全上の因子、貯蔵されるＨＬＷの型、貯蔵期間等の因子が考慮される。

戻って図４を参照すると、ＣＰＵ３５１が測定された露点温度を所定露点温度と比較した後、ＣＰＵ３５１は測定された露点温度が所定露点温度よりも低い、または同等であるかを決定して、決定ブロック４６０を実行する。この比較は、ＣＰＵ３５１で受信した各信号に対して実行される。

キャニスタを退出する湿ったヘリウムガスの測定された露点温度が所定露点温度よりも高いと決定される場合には、決定ブロック４６０の答えがＮＯであり、ＣＰＵ３５１は決定ブロック４９０へと続ける。決定ブロック４９０で、ＣＰＵ３５１はタイマ３５３が作動させられたか否か（ステップ４７０で作動が行われる）を決定する。タイマ３５３が作動させられていれば、決定ブロック４９０の答えはＹＥＳであり、ＣＰＵ３５１はタイマ３５３を非作動にしてステップ４４０に戻る。タイマ３５３が作動させられていなければ、決定ブロック４９０の答えはＮＯであり、ＣＰＵ３５１は直接ステップ４４０に戻る。いずれにしても、キャニスタを退出する湿ったヘリウムガスの測定された露点温度が所定露点温度よりも高いと決定される場合には、乾燥システム３００は、乾燥したヘリウムガスをキャニスタ２０のキャビティ２１の中へ、かつそれを通り抜けて循環させ続ける。

しかしながら、キャニスタを退出する湿ったヘリウムガスの測定された露点温度が所定露点温度と同等か、それよりも低いと決定される場合には、決定ブロック４６０の答えがＹＥＳであり、ＣＰＵ３５１はステップ４７０へと続ける。ステップ４７０で、ＣＰＵ３５１はタイマ３５３を作動／開始させる。タイマ３５３は所定期間だけ動くようにプログラムされている。その所定期間の選択および決定は以下で詳細に説明される。

ステップ４７０でいったんタイマが作動させられると、ＣＰＵ３５１は決定ブロック４８０へ進み、タイマ３５３が終了したか否か（すなわち、所定期間が経過したか否か）を決定する。決定ブロック４８０の答えがＮＯである場合には、ＣＰＵ３５１はステップ４４０に戻り、乾燥システム３００は、キャニスタ２０のキャビティ２１にヘリウムガスを循環させ、ステップ４４０〜４７０の動作を所定期間が終わるまで繰り返す。換言すると、キャニスタを退出する湿ったヘリウムガスの測定された露点温度が所定露点温度を下回り（または、それと同等になり）、（その後に所定露点温度を越えること無く）所定期間の間そのような状態のままになっているまで、乾燥プロセスは継続する。

キャニスタを退出する湿ったヘリウムガスの測定された露点温度が所定露点温度に達しないことを要求するだけでなく、所定期間の間所定露点温度に留まるか、またはそれよりも低いままであることを要求することで、キャビティ２１とその中のＳＮＦが許容可能な安全上の因子（ファクタ）内で十分に乾燥させられることが保証される。これについては、所定期間の選択手段とともに図６に関連して説明する。

図６を参照すると、キャニスタ２０を通り抜けるヘリウムガスフローが時間上継続することの露点温度に対する影響が例示されている。グラフ内のデータは、乾燥したヘリウムのフローレートが４００ｌｂ／ｈｒであり、圧力が５０ｐｓｉａであり、乾燥したヘリウムガス内の湿度レベルが１ｍｍＨｇであり、キャニスタ容積の収容能力が１０ｌｂのヘリウム滞留量（ホールドアップ量）であり、初期のキャニスタの湿度レベルが１００ｍｍＨｇであることを想定して、シミュレーションされている。グラフから分かるように、時刻（ｔ）＝０．１時間（すなわち６分）のときに、キャビティ２１内の露点温度は約−５．０５℃（図５から約３Ｔｏｒｒの蒸気圧に相当する）であることが推定可能であり、図上で点Ｂとして示されている。キャビティ２１と通り抜けるヘリウムガスフローが時間上継続するにつれて、露点温度は減少し続けて最終的には平衡状態の蒸気圧に達し、それはグラフで示された例では約ｔ＝０．３６時間（すなわち２２分）であり、グラフ上では点Ｃとして示されている。所望の場合には、キャビティを通り抜けるヘリウムガスフローはさらに継続するが、キャビティ２１内の露点温度がさらに大きく減少する結果とはならない。

点Ｂと点Ｃを参照点としてとる場合、この例の前記所定期間は約１６分（すなわち、６分から２２分まで）である。しかしながら、所望の場合には、所定期間は例えば１６分より小さいこともあり得るし、それよりも大きいこともあり得る。いかなる状況に対する正確な所定期間もケースバイケースの設計に基づいて決定され、キャニスタの開口容積、フローレート、キャビティ内の所望の乾燥状態、所望の、または要求された安全上の因子等の因子が考慮される。本発明のいくつかの実施形態では、所定期間は好ましくは２０〜４０分の範囲内であり、より好ましくは２５〜３５分の範囲内であり、最も好ましくは３０分である。

図４に戻って参照すると、いったん所定期間が終了し、その所定期間のすべての間、測定された露点温度が所定露点温度と同等か、それよりも低いままである場合には、ＣＰＵ３５１は再度決定ブロック４８０に達する。しかしながら、そのときの答えがＹＥＳであり、ＣＰＵ３５１はステップ５１０へと続ける。ステップ５１０ではＣＰＵ３５１は停止信号を生成し、この信号がポンプ３２０、３６０へ伝達される。停止信号を受信すると、ポンプ３２０、３６０は非作動にさせられ、乾燥システムを通したヘリウムガスフローが停止する。代替的に、ＣＰＵ３５１はフローレート弁３２１を閉じることでヘリウムフローを停止することが可能である。

いったんポンプ３２０、３６０が非作動にさせられると、ＣＰＵ３５１は作動信号を生成してアラーム３７０へ送り、それによってステップ５２０を終了する。作動信号を受信するとアラーム３７０が動作させられる。アラーム３７０として使用される装置の型に応じて、作動信号に対するアラーム３７０の応答は大きく変化し得る。しかしながら、アラーム３７０の応答は、キャニスタ２０が乾燥状態にあることをオペレータに報知する、聴覚および／または視覚刺激の何らかの型であることが好ましい。例えばアラーム３７０の作動は、音を生成すること、コンピュータ画面上に視覚的表現を表示すること、ＬＥＤもしくは他の光源を点灯させること等が可能である。

キャニスタ２０のキャビティ２１とＳＮＦが十分に乾燥状態にあることをアラーム３７０によって報知されると、オペレータは乾燥システムをキャニスタ２０と非接続にして、貯蔵のためにキャニスタ２０を密閉し、それによってステップ５３０を終了する。

上記の説明は、単に本発明の典型的な実施形態を開示し説明するものである。この技術分野の当業者に理解されるように、本発明は、その主旨、またはその本質的な性質から外れることなく、他の特定の形式で具体化することが可能である。

特にいくつかの実施形態では、本発明の乾燥方法は手動で実施可能である。かかる実施形態では、ポンプおよび他の装置は手動で作動させられて制御される。湿度計による表示度数は視覚的にオペレータによって観測され、タイミングシーケンスの動作を手動で実行可能である。

図１は、本発明と関連して使用可能な開口キャニスタの一実施形態の斜視図であり、部分的に断面が示され、空の状態となっている。 図２は、部分断面での移送キャスクの斜視図であり、図１のキャニスタが密閉されて移送キャスク内に配置されている。 図３は、本発明に係る閉ループシステムの回路図である。 図４は、本発明に係り、図３のシステムを使用している、ＳＮＦが装填されたキャニスタを乾燥させる方法の第１の実施形態のフローチャートである。 図５は、本発明の一実施形態に係る、目標露点温度を決定するのに使用可能な、ヘリウムガスの露点と蒸気圧の関係を示すグラフである。 図６は、本発明の一実施形態に係る、キャニスタ内部の露点温度とヘリウムガスフローに晒されている時間の関係を示すグラフである。

Claims (21)

1. ハイレベル廃棄物（ＨＬＷ）が装填されたキャビティを乾燥させる方法であって、
   （ａ）非反応性ガスを前記キャビティを通して流すこと、
   （ｂ）前記キャビティを退出する前記非反応性ガスの露点温度を繰り返し測定すること、
   （ｃ）前記キャビティを退出する前記非反応性ガスの露点温度が所定期間の間、所定露点温度と同等か、またはそれよりも低いときに、非反応性ガスフローを停止して、キャビティを密閉すること、を含む方法。
2. 前記ステップ（ａ）は、前記非反応性ガスを所定のフローレートで前記キャビティを通して流すことを含む、
   請求項１に記載された方法。
3. 前記キャビティは所定の容積を有し、前記キャビティの容積が毎時２５回〜５０回交換されるように、前記所定のフローレートが選択される、
   請求項２に記載された方法。
4. 前記所定露点温度が、前記キャビティ内の所望の蒸気圧に相当するようにして選択される、
   請求項１に記載された方法。
5. 前記所定露点温度は−６．６７〜−３．３３℃の範囲内にあり、前記所定期間は２５〜３５分の範囲内にある、
   請求項１に記載された方法。
6. 前記所定露点温度が−５．０５℃であり、前記所定期間が３０分である、
   請求項５に記載された方法。
7. （ｄ）露点温度が測定された後に、前記キャビティを退出する前記非反応性ガスを乾燥させること、
   （ｅ）その乾燥させられた非反応性ガスを前記キャビティを通り抜けて再循環させること、をさらに含む、
   請求項１に記載された方法。
8. 前記ステップ（ｄ）は、前記非反応性ガスを除湿剤で乾燥させることを含む、
   請求項７に記載された方法。
9. 前記ステップ（ｄ）は、前記非反応性ガスを冷却することで非反応性ガスを乾燥させることを含む、
   請求項７に記載された方法。
10. 前記非反応性ガスは、窒素、二酸化炭素、軽量の炭化水素ガス、または、ヘリウム、アルゴン、ネオン、ラドン、クリプトン及びキセノンからなる一群から選択される貴ガスである、
    請求項１に記載された方法。
11. 前記所定露点温度は、前記キャビティ内の蒸気圧が３Ｔｏｒｒまたはそれ以下に相当するようにして選択される、
    請求項１に記載された方法。
12. （ｄ）露点温度が測定された後に、前記キャビティを退出する前記非反応性ガスを乾燥させること、
    （ｅ）その乾燥させられた非反応性ガスを前記キャビティを通り抜けて再循環させること、をさらに含み、
    前記所定露点温度は、前記キャビティ内の蒸気圧が３Ｔｏｒｒまたはそれ以下に相当するようにして選択され、
    前記ステップ（ａ）は、前記非反応性ガスを所定のフローレートで前記キャビティを通して流し、その結果、キャビティの容積が毎時２５〜５０回回転させられ、
    前記非反応性ガスはヘリウムであって、
    前記キャビティはキャニスタによって構成され、使用済み核燃料が装填されており、当該キャニスタがキャスク内に配置される、
    請求項１に記載された方法。
13. ハイレベル廃棄物（ＨＬＷ）が装填されたキャビティを乾燥させるシステムであって、
    注入口と排出口とを備えた前記キャビティ、を構成するキャニスタと、
    非反応性ガス源と、
    前記非反応性ガス源からの非反応性ガスを前記キャビティを通して流すフロー手段と、
    前記キャビティを退出する前記非反応性ガスの露点温度を繰り返し測定する露点温度測定手段と、
    前記露点温度測定手段に動作可能に接続された制御器と、を備え、
    前記露点温度測定手段は、測定した前記非反応性ガスの露点温度を示す信号を生成し、前記制御器へ送信するように適合させられており、
    前記制御器は、前記信号を解析し、当該信号が、測定した前記露点温度が所定期間の間、所定露点温度と同等か、またはそれよりも低いことを示す、と決定したときにはさらに、（ｉ）前記キャビティを通した非反応性ガスフローを停止する、および／または、（ｉｉ）キャビティが乾燥状態にあることを示す手段を作動させるように適合させられていることを特徴とするシステム。
14. 前記非反応性ガスを乾燥させる乾燥手段をさらに備え、当該乾燥手段が前記露点温度測定手段の下流に配置されている、
    請求項１３に記載されたシステム。
15. 前記乾燥手段が冷却装置を含む、
    請求項１４に記載されたシステム。
16. 前記乾燥手段が除湿剤を含む、
    請求項１４に記載されたシステム。
17. 前記乾燥手段からの非反応性ガスを再循環させて前記非反応性ガス源へ戻す再循環手段をさらに備えた、
    請求項１４に記載されたシステム。
18. 前記所定露点温度は−６．６７〜−３．３３℃の範囲内にあり、前記所定期間は２５〜３５分の範囲内にあり、前記フロー手段は、前記非反応性ガスを所定のフローレートで前記キャビティを通して流し、その結果、前記所定期間の間に、キャビティの容積が毎時２５〜５０回交換させられる、
    請求項１３に記載されたシステム。
19. 前記露点温度測定手段は湿度計を含む、
    請求項１３に記載されたシステム。
20. キャスクをさらに備え、前記キャニスタが当該キャスク内に配置される、
    請求項１３に記載されたシステム。
21. 前記キャニスタが内部に配置されるキャスクと、
    前記非反応性ガスを乾燥させる手段であって、前記露点温度測定手段の下流に配置されている乾燥手段と、
    前記乾燥手段からの非反応性ガスを再循環させて前記非反応性ガス源へ戻し、それによって閉ループシステムを形成する再循環手段と、
    を備え、
    前記所定露点温度は−６．６７〜−３．３３℃の範囲内にあり、前記所定期間は２５〜３５分の範囲内にあり、前記フロー手段は、前記非反応性ガスを所定のフローレートで前記キャビティを通して流し、その結果、前記所定期間の間に、キャビティの容積が毎時２５〜５０回交換させられ、
    前記露点温度測定手段は湿度計を含む、
    請求項１３に記載されたシステム。