JP4898744B2

JP4898744B2 - キャスクラック

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Publication number: JP4898744B2
Application number: JP2008155051A
Authority: JP
Inventors: 白川利久
Original assignee: 白川利久
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: JP2009300251A

Description

本発明は、燃料集合体を貯蔵するための原子炉建屋（１）における燃料プール（７）並びにECCS（非常用炉心冷却系）の水源に関する。

図１は、原子炉の炉心及びその周辺関連機器を収容せる原子炉建屋（１）の概観図である（非特許文献１）。制御された核分裂連鎖反応を持続することのできるように核燃料、冷却水その他を配置した装置である原子炉の炉心は、鋼鉄製の原子炉圧力容器（２）に収容されている。原子炉圧力容器（２）の頭部はシュラウドヘッド（３）と呼ばれる蓋が付いていて、この蓋を移動することにより燃料交換を開始する。原子炉圧力容器（２）は、ドライウエル壁（４）及びドライウエルヘッド（５）によって囲まれている。
原子炉圧力容器（２）の下側には圧力抑制室（６）と呼ばれる事故時対応の冷水プールがある。原子炉圧力容器（２）の上側には、使用済燃料集合体を一時保管する燃料プール（７）と、燃料交換時における原子炉圧力容器（２）のシュラウドヘッド（３）やその他機器の移動先である機器貯蔵ピット（８）がある。ドライウエルヘッド（５）の上は原子炉ウエル（５１）と呼ばれ、燃料交換の際にはここを水張りしてからシュラウドヘッド（３）を移動する。
図２は、原子炉停止時に実施される燃料交換に関わる燃料取扱施設の概略図である。一般に、原子炉は１年に一回60日程度定期点検と燃料交換のために停止する。原子炉ウエル（５１）には水が張られ、ドライウエルヘッド（５）やシュラウドヘッド（３）は取り外される。シュラウドヘッド（３）やその他機器は水が張られた機器貯蔵ピット（８）に移動される。多数体の使用済燃料集合体は、燃料交換機（１１）により水が張られている燃料プール（７）の使用済燃料貯蔵ラック（７１）に移動され保管される。原子炉運転中にも燃料プール（７）には使用済燃料集合体が保管されている。
使用済燃料集合体の再処理や外部保管のためには、燃料プール（７）に燃料輸送容器であるキャスク（９０）を持ち込み、キャスク（９０）に使用済燃料集合体を装荷して、使用済燃料集合体を内包せるキャスク（９０）を原子炉建屋（１）の外に移動する。１体のキャスク（９０）には数体の使用済燃料集合体を装荷することができる。
原子炉建屋（１）の外に移動したキャスク（９０）はトレーラに積まれ、岸壁に運ばれ、トレーラからクレーンで船に積み替えられ、再処理工場や外部保管庫に運ばれる。
図３は、非常用炉心冷却系（ECCS）の構成例の概観図である。原子炉施設は破損や故障等が万一生じても燃料の溶融や大量の放射性物質の放散を抑制もしくは防止する必要があるが、こうした抑制・防止機能を備えるよう設計された施設の一つがECCSである。
低圧注入系（LPCI）は破断面積の大きい冷却材喪失事故に備えたものであり、低圧で作動する。水源の一つは圧力抑制室（６）の冷水である。
高圧炉心スプレイ系（HPCS）は破断面積の小さい冷却材喪失事故に備えたものであり、高圧で注水できる。水源は復水貯蔵タンク（３１）及び圧力抑制室（６）の冷水である。
：オーム社、1989年、浅田他「原子力ハンドブック」。

近年、有り余ったプルトニウム（Pu）の蓄積を削減するために、Puを核燃料とする動きがある。Puは、Uと比べて中性子やガンマ線（γ線）の放出量や崩壊熱が多い。したがって、燃料プール（７）の除熱容量や遮蔽性能は従来のままにして原子炉建屋（１）内に大量の燃料を保管することは好ましくない。
その他、発電コスト低減のために、原子炉建屋（１）内を簡素化して建設コストを低減したい。

約60日間の原子炉の定期検査終了までには、使用済燃料集合体の放射線や崩壊熱はかなり減少する。そこで、燃料交換時における燃料集合体は、使用済燃料貯蔵ラック（７１）に貯蔵しないで炉心からキャスク（９０）に直接装荷し、当該定期検査期間中に原子炉建屋（１）の外に運び出す。使用済燃料集合体の放射線や崩壊熱が制限値以下に下がらない場合は、使用済燃料集合体をキャスク（９０）に詰めたまま原子炉建屋（１）に保管し、外への運び出しは次期定期検査期間中に実施する。
従来の燃料プール（７）に敷設されていた使用済燃料集合体を保管する使用済燃料貯蔵ラック（７１）を除去して、その代わりに燃料プール（７）にキャスクラック（７２）を敷設し、ここに定期検査毎に多数体の新燃料集合体の詰まったキャスク（９０）を持込み、新燃料集合体を炉心に装荷して空になったキャスク（９０）に炉心からの多数体の使用済燃料集合体を直接詰める。
本発明のキャスクラック（７２）は、柱（１０１）で支えられた格子板（１０３）及び上下動抑制棒（１０４）及び拘束枠（２０４）の中に敷設せるキャスク支持箱（２０１）を燃料プール（７）に敷設してなる。
原子炉建屋（１）の外に運び出された使用済燃料集合体が装荷されているキャスク（９０）は、冷房装置（１００４）及びキャスク（９０）を密封格納するステンレス製箱（１００５）及び移動が可能な車輪付き台車（１００６）及び牽引車（１００２）に連結するための連結器（１００７）とからなる台車付き冷房コンテナ（１００３）に格納される。台車付き冷房コンテナ（１００３）は牽引車（１００２）に引かれてカーフェリーボート（１００１）に搭載され再処理施設に運搬される。
原子炉を運転する際には、キャスクラック（７２）の中には使用済燃料集合体は存在しない。なお、燃料プール（７）の改造では、従来の燃料プール（７）から大量の冷水及び冷却装置を引き継いでいる。したがって、ECCSの水源として使える。
キャスクラック（７２）を敷設せる燃料プール（７）に着脱可能な着脱蓋（４１１）を敷設しECCS配管を接続して上部ECCS水源（４００）となす。

放射線や崩壊熱が高いMOXからなる未照射燃料集合体を装荷したキャスク（９０）を本発明のキャスクラック（７２）に持ち込み、そのキャスク（９０）から直接炉心に未照射燃料集合体を装荷できる。空になったキャスク（９０）に、放射線や崩壊熱が非常に高い使用済燃料集合体を炉心から直接キャスク（９０）に装荷できる。かくて、燃料集合体の移動が簡素化される。コストが下がるばかりでなく、作業員の放射線被爆低減及び燃料集合体の移動頻度低下による落下事故低減とができる。
空のキャスク（９０）を一体余分に仮置きしておけば燃料集合体の移動が円滑に実施できる。即ち、未照射燃料集合体を炉心に装荷し終わりキャスク（９０）が空になるまでは、使用済燃料集合体を余分に仮置きした空のキャスク（９０）に装荷していく。
不要となる新燃料貯蔵ラックは、冷却材喪失事故時における格納容器内圧力上昇を緩和するための乾式格納容器とすることができる。
台車付き冷房コンテナ（１００３）を導入した結果、作業効率が上がり輸送コストが低減できる。強いては、発電コストの低減になる。使用済燃料集合体が装荷されているキャスク（９０）は移動中でも除熱できるため輸送船は特別な船である必要がない。
台車付き冷房コンテナ（１００３）は、原子炉建屋（１）外における燃料集合体を装荷したキャスク（９０）の一時保管所になり得るから燃料集合体を安全に保管管理することもできる。原子炉建屋（１）外一時保管ができるなら、キャスクラック（７２）の容量は新燃料集合体を装荷せるキャスク（９０）２体及び使用済燃料集合体を装荷するキャスク（９０）１体及びキャスク（９０）の移動を円滑に進めるための空の予備のキャスク（９０）１体の合計４体分でよいことになる。
MOX燃料の組成は日数が経つと変化するため、新燃料集合体の炉心への装荷や使用済燃料集合体の再処理工場への輸送は迅速でなければならない。本発明のキャスクラック（７２）により燃料集合体の移動はキャスク（９０）での直接入れ替えで実施できるため輸送時間が短縮できる。
キャスクラック（７２）を敷設せる燃料プール（７）内には原子炉運転中では使用済燃料集合体は存在しないから、燃料プール（７）はECCS用の水源になることができる。その結果、圧力抑制室（６）や復水貯蔵タンク（３１）を削除することができて建設コストや維持管理コストが低減できる。強いては、発電コストの低減になる。また、炉心以外でのPuの管理は不要になり、原子炉安全への注意が行き届く。
キャスク（９０）は、使用済燃料集合体の輸送はもとより新燃料集合体の輸送にも使えるため経済的である。使用済燃料集合体の輸送では、新燃料集合体での輸送よりも少数の燃料集合体を装荷すれば除熱や遮蔽に問題がない。

燃料交換時における燃料集合体の置き場所であった、燃料プール（７）に敷設されていた使用済燃料貯蔵ラック（７１）を除去する。その代わりに燃料プール（７）に、キャスク（９０）を仮置きするためのキャスクラック（７２）を敷設し、ここに定期検査毎に新燃料集合体の詰まったキャスク（９０）を持込み、新燃料集合体を炉心に装荷して空になったキャスク（９０）に炉心からの使用済燃料集合体を直接詰める。
燃料集合体を効率良く燃料プール（７）に出し入れすることができ、燃料集合体の輸送コストが低減できた。
BWRの燃料プール（７）が簡素化され建設コスト、維持管理費が低減できた。
作業員の被爆低減ができた。

図４は、本発明のキャスクラック（７２）の上部概観断面図である。キャスクラック（７２）に１体のキャスク（９０）が置かれた状態である。キャスク（９０）が正常位置から地震で横方向に動くと、格子板（１０３）に付帯せる格子パッド（１０２）と接し、格子パッド（１０２）は柱（１０１）と接することによりキャスク（９０）の横方向移動は拘束される。したがって、キャスク（９０）は正常位置から横方向に大きくずれることがない。燃料集合体はキャスク（９０）の中の燃料集合体装荷枠（９１）の中に装荷されるので健全性は十分保たれる。
キャスク（９０）が正常位置から地震で縦方向に動こうとすると、格子板（１０３）に付帯せる上下動抑制棒（１０４）でキャスク（９０）の縦方向移動は拘束される。
図５は、キャスクラック（７２）に１体のキャスク（９０）が置かれた状態の下部概観断面図である。キャスク（９０）の支持は、次の図６に示すようにキャスク（９０）の下端に仮接合したキャスク台座（８０）をキャスク支持箱（２０１）のキャスク台座挿入口（２０２）に差し込む。キャスク支持箱（２０１）は、従来の燃料プール（７０）の壁であるプール壁（３００）で横方向を拘束されている拘束枠（２０４）の中に拘束されている。キャスク支持箱（２０１）に付帯せる緩衝パッド（２０３）同士が接触しあうことにより、キャスク支持箱（２０１）の横ずれを防いでいる。
キャスクラック（７２）が小さくてすむ場合は、プール壁（３００）と拘束枠（２０４）との間に突っ張り板を敷設すればよい。
キャスク支持箱（２０１）多数、例えば4箱を一体化することも考えられる。
図６は、キャスクラック（７２）に１体のキャスク（９０）が置かれた状態の縦断面概観図である。キャスク（９０）の上部は、格子パッド（１０２）で拘束されている。格子パッド（１０２）は格子板（１０３）で支持されている。両端の格子パッド（１０２）は、柱（１０１）で拘束されている。柱（１０１）に固着せる格子支持突起（１０５）が格子板（１０３）の落下を防止している。柱（１０１）はプール壁（３００）で拘束されている。図の奥にある格子板（１０３）に付帯せる上下動抑制棒（１０４）がキャスク（９０）の上下動を抑制する。キャスク（９０）の下部は、キャスク（９０）に仮接続したキャスク台座（８０）をキャスク支持箱（２０１）の上部に空いているキャスク台座挿入口（２０２）に差し込むことにより拘束される。キャスク支持箱（２０１）同士はキャスク支持箱（２０１）に付帯せる緩衝パッド（２０３）で拘束される。全キャスク支持箱（２０１）の境界は拘束枠（２０４）で拘束される。拘束枠（２０４）はプール壁（３００）で拘束される。拘束枠（２０４）の上に柱（１０１）が固着されている。キャスクラック（７２）の水は、従来の燃料プール（７）に敷設されていた冷却装置で冷却される。
本発明のキャスクラック（７２）は、柱（１０１）で支えられた格子板（１０３）及び上下動抑制棒（１０４）及び拘束枠（２０４）の中に敷設せるキャスク支持箱（２０１）を燃料プール（７）に敷設してなる。なお、キャスク支持箱（２０１）の代わりに格子板（１０３）を下側にもつけてもよい。この場合の欠点は、キャスク（９０）の形状が変わった場合対処しにくい。キャスク支持箱（２０１）であればキャスク（９０）の形状にあわせたキャスク支持箱（２０１）に代えればよい。
図７は、原子炉建屋（１）内におけるキャスクラック（７２）に１体のキャスク（９０）が置かれた状態の概観図である。むき出しの燃料集合体は無く、燃料集合体が装荷されたキャスク（９０）が置かれている。

燃料交換機（１１）により炉心から引き上げられた使用済燃料集合体は、原子炉ウエル（５１）を通り、燃料プール（７）に敷設されたるキャスクラック（７２）の中に仮置きされているキャスク（９０）の中に直接装荷する。
図８に台車付き冷房コンテナ（１００３）利用による数体の使用済燃料集合体を装荷したキャスク（９０）の搬出例を示す。キャスク（９０）は、定期検査終了までに原子炉建屋（１）の機器搬入出口（２１）から原子炉建屋（１）の外に運び出され台車付き冷房コンテナ（１００３）に格納する。キャスク（９０）を格納した台車付き冷房コンテナ（１００３）は、牽引車（１００２）に引かれてカーフェリーボート（１００１）に搭載され再処理施設に運搬される。使用済燃料集合体が装荷されているキャスク（９０）は移動中でも除熱の調節ができる。
台車付き冷房コンテナ（１００３）は、燃料集合体が装荷されているキャスク（９０）を冷却する冷房装置（１００４）及び、当該キャスク（９０）を密封格納するステンレス製箱（１００５）及び、移動が可能な車輪付き台車（１００６）及び、牽引車（１００２）に連結するための連結器（１００７）とからなる。
この結果、作業効率が上がり輸送コストが低減できる。強いては、発電コストの低減になる。
台車付き冷房コンテナ（１００３）は、燃料集合体を装荷したキャスク（９０）の一時保管所になり得るから燃料集合体を原子炉建屋（１）外で安全に保管管理することもできる。キャスクラック（７２）の容量は新燃料集合体を装荷せるキャスク（９０）２体と使用済燃料集合体を装荷するキャスク（９０）１体とキャスク（９０）の移動を円滑に進めるための空の予備のキャスク（９０）１体の合計４体分でよいことになる。

原子炉を運転する際には、本発明のキャスクラック（７２）の中には使用済燃料集合体は存在しない。燃料プール（７）の中を改造したが、従来の燃料プール（７）に備わっていた大量の冷水と冷却装置は引き継いでいる。したがって、ECCSの水源として使える。
図９は、本発明の上部ECCS水源（４００）の概観図である。燃料交換を終えてシュラウドヘッド（３）を原子炉圧力容器（２）に装着する直前の状態である。実施例１のキャスクラック（７２）を敷設したる燃料プール（７）に着脱可能な着脱蓋（４１１）を付けてECCS用水源に改造する。図３の圧力抑制室（６）や復水貯蔵タンク（３１）と繋がっていたHPCS配管（４０２）といった配管群を当該燃料プール（７）に接続した。
原子炉停止中の燃料交換時には、着脱蓋（４１１）は外され機器貯蔵ピット（８）に移動させる。原子炉運転中には、着脱蓋（４１１）は燃料プール（７）に固定した蓋固定具（４１２）に蓋固定ボルト（４１３）で固定されている。
水源である燃料プール（７）にHPCS配管（４０２）を接続し、冷却材喪失事故時にはHPCSポンプ（４０１）を起動し電動開閉弁（４０３）を開いて原子炉圧力容器（２）内の炉心に水を供給する。燃料プール（７）の水頭圧力を利用して電動開閉弁（４０３）の開閉のみでも炉心に水を供給することもできる。
機器貯蔵ピット（８）にも着脱蓋（４１１）と蓋固定具（４１２）と蓋固定ボルト（４１３）を敷設すれば原子炉圧力容器（２）内の圧力を低下させるために、主蒸気管（４１０）には自動減圧弁（４０５）を設け、原子炉圧力容器（２）内の蒸気を減圧管（４０６）を通して機器貯蔵ピット（８）内に放出することもできる。
圧力抑制室（６）や復水貯蔵タンク（３１）を削除することができて建設コストや維持管理こすとが低減できる。強いては、発電コストの低減になる。
原則的に原子力発電所には炉心以外には燃料集合体は存在しないからPuの余分な管理が不必要になり原子力発電所の維持管理が簡素化され発電コストが削減できる。
キャスクラック（７２）を敷設せる燃料プール（７）に着脱可能な着脱蓋（４１１）を敷設しECCS配管を接続して上部ECCS水源（４００）となす。

Pu組成が経時変化するMOX燃料は、謂わば生ものであるから物流チェインが大事である。燃料集合体の迅速なる移動が可能な本発明によりMOX燃料の本格的利用ができる。

従来の原子炉の炉心及びその周辺関連機器を収容せる原子炉建屋（１）の概観図。従来の原子炉停止時に実施される燃料交換に関わる燃料取扱施設の概略図。非常用炉心冷却系（ECCS）の構成例の概観図。本発明のキャスクラック（７２）の上部概観断面図。キャスクラック（７２）に１体のキャスク（９０）が置かれた状態の下部概観断面図。キャスクラック（７２）に１体のキャスク（９０）が置かれた状態の縦断面概観図。原子炉建屋（１）内におけるキャスクラック（７２）に１体のキャスク（９０）が置かれた状態の概観図。台車付き冷房コンテナ（１００３）利用によるキャスク（９０）の搬出例。本発明の上部ECCS水源（４００）の概観図。

符号の説明

１は原子炉建屋。
２は原子炉圧力容器。
３はシュラウドヘッド。
４はドライウエル壁。
５はドライウエルヘッド。
６は圧力抑制室。
７は燃料プール。
８は機器貯蔵ピット。
１１は燃料交換機。
２１は機器搬入出口。
３１は復水貯蔵タンク。
５１は原子炉ウエル。
７１は使用済燃料貯蔵ラック。
７２はキャスクラック。
８０はキャスク台座。
９０はキャスク。
９１は燃料集合体装荷枠。
１０１は柱。
１０２は格子パッド。
１０３は格子板。
１０４は上下動抑制棒。
１０５は格子支持突起。
２０１はキャスク支持箱。
２０２はキャスク台座挿入口。
２０３は緩衝パッド。
２０４は拘束枠。
３００はプール壁。
３１０はプール床。
４００は上部ECCS水源。
４０１はHPCSポンプ。
４０２はHPCS配管。
４０３は電動開閉弁。
４０５は自動減圧弁。
４０６は減圧管。
４１０は主蒸気管。
４１１は着脱蓋。
４１２は蓋固定具。
４１３は蓋固定ボルト。
１００１はカーフェリーボート。
１００２は牽引車。
１００３は台車付き冷房コンテナ。
１００４は冷房装置。
１００５はステンレス製箱。
１００６は車輪付き台車。
１００７は連結器。

Claims

柱（１０１）で支えられた格子板（１０３）及び上下動抑制棒（１０４）及び拘束枠（２０４）の中に敷設せるキャスク支持箱（２０１）を燃料プール（７）に敷設してなることを特徴とするキャスクラック（７２）。