JP5463412B2 - 高レベルの廃棄物を輸送および／または貯蔵するためのキャスク装置。 - Google Patents

Description

本出願は２００９年４月２８に出願された米国特許仮出願第６１，１７３／３９２号の優先権を主張するものであり、その全体は参照により本出願に援用されている。

本発明は、一般に高レベルの廃棄物（「ＨＬＷ」）を輸送、支持および／または貯蔵するためのキャスク装置、システム、および方法に関し、詳細には使用済み核燃料などの高レベルの放射性材料を輸送、支持および／または貯蔵するための容器およびその部品に関する。

核反応器の運転において、燃料集合体はそのエネルギーが予め定められたレベルに消耗した後に除去することが慣例である。除去の際にこの使用済み核燃料（「ＳＮＦ」）はまだ放射能が高く、かなりの崩壊熱を生成し、その梱包、輸送、および貯蔵には十分な注意を払うことが必要とされる。詳細には、ＳＮＦは、適切に除去しなければ、一定量の熱を発生することに加えて極めて危険なニュートロン（すなわち、ニュートロン放射線）およびガンマフォトン（すなわち、ガンマ放射線）を放射し、それを貯蔵する容器の材料の少なくともいくつかに損傷を与えるのに十分であり、キャスクの完全さを損なわせる危険性を有する。

これらのニュートロンおよびガンマフォトンはＳＮＦの輸送および貯蔵の全ての間閉じ込めることが肝要である。また、ＳＮＦから発散する残留崩壊熱は、キャスクが危険な温度に達するのを回避するための逃げ道を有することが肝要である。したがって、ＳＮＦを輸送および／または貯蔵するのに用いられる容器は、ＳＮＦの放射能を安全に閉じ込めて遮蔽するだけではなく、それらはＳＮＦによって生成される熱を除去する効率的な方法を提供しなければならない。それらの輸送および／または貯蔵容器は当技術分野において通常キャスクと呼ばれる。

一般に、ＳＮＦの輸送および／または貯蔵のために用いられるキャスクには、換気された縦型オーバパック（「ＶＶＯ」）および熱伝導性キャスクの２つの種類がある。ＶＶＯは典型的にＳＮＦを装填しＶＶＯの空洞内に配置された封止可能な缶を用いる。それらの缶はしばしばＳＮＦを受容するためのバスケット組み立て体を収容する。ＶＶＯと一緒に用いられるように設計された缶およびバスケット組み立て体の例は、１９９９年４月２７日に発行された米国特許第５，８９８，７４７号（Ｓｉｎｇｈ）に開示され、その全体は参照により本出願に組み込まれている。ＶＶＯの本体はＳＮＦが装填された缶のために必要なガンマおよびニュートロン放射線遮蔽を提供するように設計および製作される。缶内のＳＮＦを冷却するために、ＶＶＯには換気通路が備えられ、より冷たい環境空気が缶の外側表面上および空洞の外へ温まった空気としてＶＶＯ本体の空洞中に流れることを可能にする。その結果、缶内のＳＮＦによって発散された熱は自然の対流力で除去される。ＶＶＯの一例は２００４年４月６日に発行された米国特許第６，７１８，０００号（Ｓｉｎｇｈら）に開示され、その全体は参照により本出願に組み込まれている。

キャスクの第２の種類は熱伝導性キャスクである。ＶＶＯと比較すれば、熱伝導性キャスクは換気されない。典型的な熱伝導性キャスクにおいて、ＳＮＦはキャスク本体によって形成された空洞中に直接装填される。典型的に、バスケット組み立て体がそれ自体の内部に提供されて矩形の燃料集合体を適切な位置に案内し、ＳＮＦをその場所に固定する。ＶＶＯのように、熱伝導性キャスクの本体はＳＮＦ用の必要なガンマおよびニュートロン放射線遮蔽を提供するように設計される。しかし、内部に貯蔵されたＳＮＦから発散される熱を除去するために自然の対流力を用いるＶＶＯとは対照的に、熱伝導性キャスクは熱伝導を用いてＳＮＦを冷却する。さらに詳細には、キャスク本体はそれ自体熱伝導によってＳＮＦから熱を導くように設計される。典型的な熱伝導性キャスクにおいて、キャスク本体は鋼または高い熱伝導性を有する他の金属から作られる。結果として、ＳＮＦから発散される熱はキャスク本体を通ってキャスク本体の外部表面に達するまで空洞から外方向へ導かれる。次いで、この熱は環境空気の対流力によってキャスク本体の外部表面から除去される。

いくつかの例において、ＶＶＯの使用は好ましくなく、かつ／または必要ではない。これは対象となるＳＮＦの熱負荷、ＳＮＦが貯蔵される貯蔵施設の既存の状況／設計、および／または貯蔵施設が所在する国の核規制によるものであろう。しかし、熱伝導性キャスクの既存の設計は、例えば、（１）最適熱除去よりも少ない、（２）放射線（すなわち光）の漏出に対する無防備さなどの、多くの欠点を有する。さらに、熱伝導性キャスクの製造および設計の既存の方法は、キャスク全体の再設計および／または製造施設の再設備なしにキャスクの寸法を変更できるような柔軟性は、皆無に等しい。

使用済み核燃料を貯蔵および／または輸送するために用いられる金属キャスクは、特に、燃料が比較的高い燃焼度または比較的短い冷却時間のとき、大量の熱を放散する能力をもたなければならない。キャスクからの熱の大部分はキャスクの側面の円筒状表面によって環境に放出される。これらの、または他の欠点は本発明によって改善される。

米国特許第５，８９８，７４７号 米国特許第６，７１８，０００号

本発明の目的は、高い熱負荷を有する高レベルの放射性廃棄物を輸送、貯蔵および／または支持するための装置を提供することである。

本発明の他の目的は、大量の崩壊熱を生成する使用済み核燃料を輸送、貯蔵および／または支持するための装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、本質的に環境への放射線放出の可能性を防止する、使用済み核燃料を貯蔵するための装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、使用済み核燃料を乾燥状態で輸送、貯蔵および／または支持するための装置を提供することである。

本発明の他の目的は、装置に貯蔵された消費核燃料全体の周りに、ガスおよび／または粒子などの放射性物質を収容する２つの独立した閉じ込め境界を備える、消費核燃料を貯蔵するシステムを作ることである。

本発明のさらに他の目的は、２つの放射線遮蔽を備え、その間のバイメタル結合による接触で熱の除去を促進する、消費核燃料を貯蔵するための装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、熱放散を改善するための強化トポロジーを有する乾燥貯蔵キャスクの外部表面を設計することである。

１つの好ましい実施形態において、本発明は、高レベルの放射性廃棄物を受容するための空洞を形成し縦軸を有する内部シェルを含むと；内部層および内部層にクラッドされた外部層を含む中間シェルであって、内部層は第１熱伝導性を有する材料から作られ、外部層は第１熱伝導性よりも大きな第２熱伝導性を有する材料から作られ、中間シェルと中間シェルの内部シェルとの間に第１の環状空隙を形成するように、内部シェル周縁を同心状に取り囲む中間シェルと；第１環状空隙内に配置され、内部シェルおよび中間シェルに接続された第１の放射状フィンの組と；第１環状空隙を充填するガンマ遮蔽材料と、中間シェルの外部層と外部シェルとの間に第２環状空隙を形成するように、同心状に中間シェルの周縁を取り囲み、第２材料から作られる外部シェルと；第２環状空隙内に配置され、中間シェルの外部層と外部シェルに接続され、外部シェルが第２材料から作られる第２の放射状フィンの組と；第２環状空隙内に配置されたニュートロン遮蔽材料、を含む円筒状本体；、円筒状本体の上端部に接続されて空洞の上端部を封入する蓋と、円筒状本体の下端部に接続されて空洞の下端部を封入する底部と、を含む熱伝導性キャスクとすることができる。

他の実施形態において、本発明は、高レベルの放射性廃棄物を受容するための空洞を形成し、第１伝導性を有する第１材料から形成された外部表面を有するガンマ遮蔽円筒状本体と；ガンマ遮蔽円筒状本体を取り囲み、第１熱伝導性よりも大きな第２熱伝導性を有する第２材料から形成された層を有するニュートロン遮蔽円筒状本体であって、層はニュートロン遮蔽円筒状本体の内部表面を形成するニュートロン遮蔽円筒状本体とを含み；層はガンマ遮蔽円筒状本体の外部表面にクラッドされる、熱伝導性キャスクとすることができる。

さらに他の実施形態において、本発明は、高レベルの放射性廃棄物を受容するための空洞を形成し、縦軸を有する鋼製内部シェルと；内部鋼層および内部鋼層にクラッドされた外部のアルミニウム層を含む中間シェルであって、中間シェルと内部鋼シェルとの間に第１環状空隙を形成するように、同心状に内部シェルの周縁を取り囲む中間シェルと；第１環状空隙内に配置され、内部シェルと中間シェルに接続された１組の鋼製フィンと；第１環状空隙を充填するガンマ遮蔽材料と、アルミニウム層と外部シェルとの間に第２環状空隙を形成するように中間シェルの周縁を取り囲むアルミニウム外部シェルと；第２環状空隙内に配置され、中間シェルの外部層と外部シェルに接続された１組のアルミニウム放射状フィンと；第２環状空隙内に配置されたニュートロン遮蔽材料と、を含む熱伝導性キャスクとすることができる。

さらに他の実施形態において、本発明は、高レベルの放射性廃棄物を収容するための空洞を形成し第１熱伝導性を有する第１材料から形成された外部表面を有するガンマ遮蔽円筒状本体と、ガンマ遮蔽円筒状本体を取り囲むニュートロン遮蔽円筒状本体を含む熱伝導性キャスクとすることができ、ここで、ニュートロン遮蔽円筒状本体は、ニュートロン遮蔽円筒状本体の内部表面を形成する第１シェルと、第１と第２シェルとの間に環状空隙が存在するように第１シェルを同心円状に取り囲む第２シェルと、環状空隙内に配置されて第１および第２シェルに接続された１組のコネクタと、環状空隙を充填するニュートロン吸収材料と、を含み、第１シェル、第２シェルおよびコネクタは第１熱伝導性よりも大きな第２熱伝導性を有する第２材料から作られ、第１シェルはガンマ遮蔽円筒状本体の外部表面にクラッドされる。

本発明による熱伝導性輸送キャスクの側面図である。 図１の熱伝導性輸送キャスクの平面図である。 図１のＡ−Ａに沿った熱伝導性輸送キャスクの横断面図である。 図１のＢ−Ｂに沿った熱伝導性輸送キャスクの縦断面図である。 図４のＢＴ領域の拡大図である。 図２のＣ−Ｃに沿った熱伝導性輸送キャスクの縦断面図である。 図１のＤ−Ｄに沿った熱伝導性輸送キャスクの横断面図である。 対応するいくつかの部品を有する図２のＥ−Ｅに沿った熱伝導性輸送キャスクの縦断面図である。 Ｂ＆Ｗの１５×１５燃料集合体の冷却時間対崩壊熱を示すグラフである。

図１、２、４を同時に参照すれば、本発明の一実施形態による熱伝導性キャスク１００が示される。熱伝導性キャスク１００は図１に示すように実質的に縦配向で用いるために設計される。しかし、熱伝導性キャスク１００は所望の場合水平または他の配向で用いることもできる。熱伝導性キャスク１００は、ある縦軸Ｘ−Ｘに沿って展延し、実質的に円形状の横断面プロファイルを有する実質的に円筒状の閉じ込めユニットである。しかし、本発明は、円形の横断断面形状を有する円筒に制限されず、例えば、矩形、卵形または他のプリズム状または多角形の断面プロファイルを有する円筒状容器を含むことに留意すべきである。熱伝導性キャスク１００は、使用済み核燃料（「ＳＮＦ」）燃料集合体を貯蔵および／または輸送するのに特に有用であるが、本発明はその中に貯蔵される放射性廃棄物または材料の種類に制限されない。熱伝導性キャスク１００は、任意の種類の放射性ＨＬＷを輸送および／または貯蔵するのに用いることができる。このように、熱伝導性キャスク１００は、高い残留熱負荷を有しＳＮＦなどのニュートロンおよびガンマ放射線を生成する放射性材料の輸送、貯蔵および／または冷却に特に適している。

熱伝導性キャスク１００は、熱伝導本体６０を含み、例示的実施形態において、３つの同心円状に配置された管状シェル、すなわち内部シェル３０、中間シェル２０、および外部シェル１０を含む。以下に詳細に考察されるように、熱伝導本体６０はガンマ放射線遮蔽円筒状本体およびガンマ放射線遮蔽円筒状本体を同心円状に取り囲むニュートロン放射線遮蔽円筒状本体を含む。したがって、熱伝導本体６０は必要なガンマおよびニュートロン放射線遮蔽特性を提供するが、同時に、効率的にＨＬＷから熱を伝導することによって空洞の内部に貯蔵されたＨＬＷの冷却を改善する。

熱伝導本体６０は、比較的大量の熱を放散するＳＮＦ燃料集合体を受容し貯蔵するための内部貯蔵空洞３１を形成する。熱伝導性キャスク１００は貯蔵空洞３１（したがって、貯蔵されたＳＮＦ燃料集合体）の周りに閉じ込め境界６０を形成する。閉じ込め境界６０は、制限なしに、ガス気密閉じ込め境界、圧力容器、密封閉じ込め境界、放射線閉じ込め境界、および流体および粒子物質の閉じ込め境界を含んで、多岐に解釈することができる。これらの用語は、この出願を通して同義語に用いられる。一例として、これらの用語は、一般に圧力、温度等、必要な運転条件に直面したとき、空間を取り囲み、全ての流体および粒子物質が空間から漏出し、および／または空間中に入るのを防止する境界の種類を指す。

内部貯蔵空洞３１は、その下端部が底部１２によって封止され、その上端部で一連の取り外し可能な蓋１３、１４（図４）によって封止される。底部１２は熱伝導本体６０の下端部に接続され、蓋１３、１４は上部の構造リング１１にボルト止めされる。底部１２および構造リング１１は両方とも厚い鋼鍛造物である。

外部シェル１０はアルミニウム（またはアルミニウム合金）から形成されるのが好ましく、底部１２および上部構造リング１１は、例えばＳＡ３５０ＬＦ３などの鋼合金から形成されるのが好ましい。熱伝導性キャスク１００の平面図はボルト５０で装着された二次蓋１３と共に図２に示される。この透視図から、外部シェル１０の上部部分１０ａが示される。

ここで、図３および４を同時に参照して、本発明の一実施形態による熱伝導性キャスク１００の熱伝導本体６０を造る内部部品が考察される。上述のように、熱伝導本体６０は内部シェル３０、中間シェル２０および外部シェル１０を含む。中間シェルは多層シェルであり、内部層２０ａと外部層２０ｂを含む。無論、中間シェル２０はそのように制限されず、いくつかの実施形態において、３層以上の層を含むことができる。

内部シェル３０は、本体６０の最も内部のシェルである。結果として、内部シェルの内部表面は空洞３１を形成し、その中にＳＮＦ燃料集合体が配置されて貯蔵および／または輸送のために保持される。内部シェル３０は、ＳＮＦを外部環境から分離する初期の境界を形成する。したがって、内部シェル３０は、例えば、ＳＡ２０３Ｅなどの高強度鋼から作られるのが好ましく、ニュートロンおよびガンマ線への長期暴露による分子構造の既知の劣化に対抗するために十分厚いことが好ましい。また、鋼はその良好な熱伝導性の故に内部シェル３０に用いる材料として好ましく、これは収容された放射性材料によって発生した崩壊熱が通過する（および最終的には環境に放散される）通路を提供するために重要である。また、最終的に、鋼はその高い溶融点の故に好ましく、内部シェル３０の完全さが高温でも損なわれないことを確実にする。

いずれのシェルも、矩形プレートを円筒状または他の形状に曲げて２つの出会い端部を互いに熔接すること、一連の伸長された矩形プレートを端部同士互いに熔接すること、または当業者にとって既知の所望の形状を製造する任意の他の方法によって造ることができる。また、機械プロセスを用いることもできる。

中間シェル２０は、内部シェル３０の外部表面３６の周縁を取り囲むように同心円状に配置される。中間シェル２０は内部シェル３０と同心円状および同軸状との両方である。中間シェル２０は内部シェル３０から間隔を置いて離れ、それによって、中間シェル２０と内部シェル３０との間に第１の環状空隙３２を形成する。同様に、外部シェル１０は中間シェル２０の外部表面３６の周縁を取り囲む。外部シェル１０は内部シェル３０と中間シェル２０と同心円状および同軸状との両方である。外部シェル２０は中間シェル２０から間隔を置いて離れ、それによって、中間シェル２０と外部シェル１０との間に第２の環状空隙３２を形成する。本明細書に用いられる用語「同心円状」は、シェル１０、２０、３０が同軸である配置に制限されず、シェル１０、２０、３０が偏る配置を含む。さらに、本明細書に用いられる用語「環状」は、円形状に制限されず、対象物または空間が一定の幅を有することを要求しない。例えば、内部シェル１０は円形の横断面を有することができるが、中間シェル２０は矩形の横断面を有することができる。

上述のように、中間シェル２０は２層以上の金属層から作られるのが好ましい。本明細書に用いられる用語の金属および金属製は両方とも純金属および金属合金を指す。好ましい実施形態において、内部層２０ａは第１の熱伝導係数を有する材料から形成され、外部層２０ｂは第１の熱伝導係数よりも大きい第２の熱伝導係数を有する材料から形成される。好ましい実施形態において、内部層２０ａは、それが熔接、さもなければ以下に説明するように第１の放射状フィン３３に接続することができるように、炭素鋼材料から形成されるのが好ましい。外部層２０ｂはアルミニウム材料から形成されるのが好ましく、さらに、その熱伝導および熱放散特性の利点の故に、軟アルミニウムであるのが好ましい。本明細書に用いられる用語のアルミニウムはその全てのグレードを含んで純アルミニウムおよびアルミニウム合金の両方を含む。さらに、２つの部品が同じ材料、特に同じ金属から作られることを指す場合、部品の各々はその純粋な形の金属から作ることができ、または全てのグレードを含むその金属の合金から作ることができる。言い換えれば、層またはフィンが両方ともアルミニウムから作られることを指す場合、層は純粋なアルミニウムから作ることができるが、フィンはアルミニウム合金から作られ、または層およびフィンは異なるグレードのアルミニウム合金から作ることができる。

中間シェル２０は両方とも異なる材料である２つの層２０ａ、２０ｂから形成されることが分かるであろう。当技術分野で既知のように、アルミニウムは鋼に熔接できない。言い換えれば、アルミニウムおよび鋼は、熔接の点では冶金学的に不適合な金属の例である。したがって、本発明の好ましい実施形態において、中間シェル２０の内部層および外部層２０ａ、２０ｂは熔接プロセスで互いに接続することはできない。したがって、外部層２０ｂは内部層２０ａにクラッドするのが好ましい。このクラッディングの結果、内部層２０ａの外部表面２５ａは外部層２０ｂの内部表面２４ｂと連続的に共形表面接触（ｃｏｍｆｏｒｍａｌ
ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｔａｃｔ）する。この共形表面接触は、空洞３１から外部環境へ熱を導くように層２０ａと２０ｂとの間に効率的な熱伝達が起きるために重要である。

内部および外部層２０ａ、２０ｂはクラッディングプロセスによって互いに堅固に接合される。内部層２０ａは内部表面２４ａと外部表面２５ａを有するが、外部層２０ｂは内部表面２４ｂと外部表面２５ｂを有する。内部層２０ａの内部表面２４ａは、中間シェル２０と内部シェル３０との間の環状空隙３２に隣接する。外部層２０ｂの外部表面２５ｂは中間シェル２０と外部シェル１０との間の環状空隙２２に隣接する。構造的に、クラッディングによって、内部および外部層２０ａ、２０ｂは中間シェル２０などの単一のシェル構造を形成する。したがって、鋼の構造特性を有し、同時にアルミニウムの熱伝導特性を１つの単一シェル内に有することから利益を実現することができる。さらに、アルミニウム層２０ｂの存在は、ニュートロン遮蔽材料（低い熱伝導体である）を通して熱を伝導する役割を有する放射状フィンをアルミニウムから作製することが可能になる。

１つの好ましい実施形態において、内部層２０ａは爆着などの冶金学的接合プロセスによって外部層２０ｂにクラッドされる。それらのプロセスは、例えば、グレード１１００の軟アルミニウムなどの軟アルミニウムを、例えば、ＳＡ５１６Ｇｒ．５５などの延性炭素鋼上に爆着することを含む。バイメタルの中間シェル２０の形成は、以下に説明するように、第１の材料（鋼など）から作られた第１組の放射状フィン３３を中間シェル２０の内部層２０ａに熔接可能にし、第２の材料（アルミニウムなど）から作られた第２組の放射状フィン２３を中間シェル２０の内部層２０ｂに熔接可能にする。さらに、内部および外部層２０ａ、２０ｂは実質的に互いに連続的に表面接触しているので、２つの層２０ａ、２０ｂの間には空気の間隙が存在せず、それによって、以下に説明するように、熱の外側への伝達を促進する。無論、爆着に加えて、冶金学的に適合しない金属の第１および第２層２０ａ、２０ｂをクラッドする他の方法が存在する。例えば、１つの代替の方法はローラー接合である。

内部シェル３０と中間シェル２０との間の環状空隙３２は、ガンマ線を含むさまざまな形の放射線の高い吸収率を有することで一般に知られている鉛などの放射線吸収材料を充填するのが好ましい。鉛などの良好な熱伝導性を有する材料を環状空隙３２に充填することは、内部シェル３０の空洞３１内に配置されたＨＬＷによって発生する熱を中間シェル２０の内部層２０ａの外側へ放散する良好な通路としても働く。鉛は多くの他の材料よりも良好なガンマ放射線遮蔽材料（ポンド当たり）であり、また、良好な熱導体であるので、好ましいガンマ遮蔽充填材料である。無論、所望の場合、内部のガンマ遮蔽円筒状本体全体（内部シェル３０、鉛、放射状フィン３３、および内部層２０ａからなる）を、完全に単一の厚い鋼シェルとして製作することが可能である。言い換えれば、本発明は中間シェルから分離された内部シェルを用い、それによってガンマ遮蔽材料で充填する実施形態に制限されない。

１つの代替の実施形態において、内部シェル３０は、空洞３１を形成する内部表面と、外部表面２５ａとして作用する外部表面を有し、その上にアルミニウム層がクラッドされる非常に厚い鋼シェルとすることができる。それらの設計は、キャスク１００にガンマ放射線遮蔽および熱伝導性を提供しながら、追加の構造的な剛性を提供する。

さらに、熱伝導性キャスク１００はガンマ遮蔽円筒状本体およびニュートロン遮蔽円筒状本体を含む２つの円筒状本体から構成することができる。それらの一実施形態において、ガンマ遮蔽円筒状本体は高レベルの放射線廃棄物を受容するための空洞３１を形成する。また、ガンマ遮蔽円筒状本体は第１熱伝導性を有する第１材料から形成された外部表面を有する。ニュートロン遮蔽円筒状本体はガンマ遮蔽円筒状本体を取り囲み、第１熱伝導性よりも大きな熱伝導性を有する第２材料から形成された内部表面を有する。上で考察したように、ニュートロン遮蔽円筒状材料の内部表面はガンマ遮蔽円筒状本体の外部表面とは異なる材料から形成されるのでこれらの２つの表面は熔接によって接続することはできない。したがって、ニュートロン遮蔽円筒状本体の内部表面は、それらが堅固に接合され整合表面接触するようにガンマ遮蔽円筒状本体の外部表面にクラッドされるのが好ましい。

概念的には、熱伝導本体６０はガンマ遮蔽円筒状本体と、ガンマ遮蔽円筒状本体を同心状に取り囲むニュートロン遮蔽円筒状本体に分離することができる。それらの実施形態において、ガンマ遮蔽円筒状本体は剛性構造（鋼など）、または上で考察したような複数シェル燃料集合体とすることができる。さらに、ニュートロン遮蔽円筒状本体は、２つの層（シェル）を接続する放射状フィンを備え、適切なニュートロン遮蔽材料で充填された環状空隙で分離される２層の材料（またはシェル）を有するであろう。

ここで、単独に図３を参照すれば、第１組の放射状フィン３３が内部シェル３０の外部表面３６から中間シェル２０の内部層２０ａへ放射状に展延する。本明細書に用いられる用語「放射状に」および「放射状」は、中心の長手軸Ａ−Ａから展延する、または収束する構造に制限されるものではない。むしろ、用語「放射状に」および「放射状」は、実際に中心点に接触することなく中心点から離れる方向に展延する構造を含む。放射状フィン３３は、環状空隙３２内を内部シェル３０の高さ全体に展延する長手方向のリブであるのが好ましい。放射状フィン３３は、環状空隙３２を円周部分に分離する。しかし、本発明はそのように制限されず、放射状フィン３３は、内部シェル３０の高さを部分的に展延するリブとすることができ、または境界として働くことなく、内部シェル３０から中間シェル２０へ外方向に展延する柱状部材とすることができる。放射状フィン３３の端部および中間シェル２０への内部シェル３０の間の接続は熔接によって達成されるのが好ましい。

放射状フィン３３は中間シェル２０の内部層２０ａと同様に炭素鋼から作られるのが好ましい。しかし、中間シェル２０の内部層２０ａが炭素鋼以外の他の材料から作られる場合、放射状フィン３３の材料は内部層２０ａに適合するように変更することができる。放射状フィン３３は、主として中間シェル２０の内部および外部層２０ａ、２０ｂを内部シェル２０に固定して内部シェル３０から熱を外方向に導く働きをする。図３において、放射状フィン３３は中間シェル２０の内部および外部層２０ａ、２０ｂの両方を貫通して示されるが、他の好ましい実施形態において、放射状フィン３３は内部層２０ａの内部表面２４ａへ、または部分的に内部層２０ａを通って展延する。次いで、放射状フィン３３は以下に説明するように内部および中間シェル３０、２０に熔接あるいは接続される。

上述のように、放射状フィン３３は内部シェル３０および中間シェル２０の内部層２０ａと同様に炭素鋼から作られる。このように、放射状フィン３３は第１端部３３ａで内部シェル３０に、および第２端部３３ｂで中間シェル２０の内部層２０ａに熔接することが可能である。本明細書に用いられる熔接の用語は、固体熔接、摩擦熔接、拡散熔接、爆発熔接、融合熔接、低エネルギー入力熔接またはアーク溶接を含むが、制限されない。さらに、放射状フィン３３は、例えば、リベット、接着剤、またはネジ付きネジとボルトを含む機械的手段など、代替の手段で内部シェル３０および中間シェル２０の内部層２０ａに接続することができる。無論、上述のように、内部シェル３０が空洞３１を形成する内部表面から外部表面２５ａへ展延する厚い鋼シェルである場合、放射状フィン３３は省略することができる。

なお、図３および４を参照すれば、上述のように、外部シェル１０は中間シェル２０の外部層２０ｂから同心円状に間隔を置いて離れ、それによって、外部シェル１０の内部表面１９と中間シェル２０の外部層２０ｂの外部表面２５ｂとの間に第２環状空隙２２を作る。ニュートロン放射線遮蔽部分とも呼ばれる環状空隙２２は、例えば、ホルト石（ｈｏｌｔｉｔｅ）、水または水素富裕の任意の材料およびホウ素１０同位元素などの水素富裕な材料で充填されるのが好ましい。環状空隙２２をニュートロン遮蔽材料で充填することはニュートロン放射線がキャスク１００を通って外部環境に通過するのを防止する。

放射状フィン２３の第２組は中間シェル２０の外部層２０ｂから外部シェル１０へ放射状に展延する。放射状フィン２３は、放射状フィン２３の第１端部２３ａが中間シェル２０の外部層２０ｂの外部表面２５ｂに接続され、放射状フィン２３の第２端部２３ｂが外部シェル１０に接続されるように環状空隙２２を横断して配置されたプレート状の熱伝導要素である。再び、放射状フィン２３の第２組は外部シェル１０を貫通または突き出るように示されるが、それらはそこに熔接されるように外部シェルの内部表面１９にのみ展延することができる。さらに好ましい実施形態において、放射状フィン２３のいくつかまたは全ては外部シェル１０の一部または全体を貫通して外部シェル１０の対部表面を超えて展延し、それによって外部環境に露出する表面領域を増加させ、熱伝導性キャスク１００の熱放散能力を高めることができる。

放射状フィン２３の第２組はアルミニウムから作られるのが好ましい。そのようにして、放射状フィン２３の第２組は中間シェル２０および外部シェル１０の外部層２０ｂと同じ材料から構成される。アルミニウムから作られた放射状フィン２３を有することは、放射状フィン２３が中間シェル２０の外部層２０ｂおよび外部シェル１０に熔接することを可能にする。

放射状フィン２３の第２組の主目的は、中間シェル２０の外部層２０ｂから外部シェル１０へ熱を伝導することであり、そこで環境に放出することができる。重要なことは、ニュートロン遮蔽材料はむしろ熱的に非伝導性材料であり、それによって消費核燃料棒からの熱が環境に到達するのを妨げる。したがって、放射状フィン２３の第２組は多数であり、アルミニウムまたは特に高い熱伝導性を有する他の材料から作られるのが好ましい。それらは厚く、一実施形態において、熱伝導性を改善するために厚さが少なくとも１インチであるのが好ましい。放射状フィン２３の第２組をアルミニウムで作ることによって、熱は空洞３１から外方向に移動することが可能であり、次いで外部シェル１０に到達すると環境中に放出される。

放射状フィン２３の第２組は、中間シェル２０の外部層２０ｂおよび外部シェル１０に対して斜め角度に配置される。言い換えれば、放射状フィン２３の各々は中間シェル２０の外部層２０ｂまたは外部シェル１０のいずれにも直角を形成しないように配置される。これにより、これらのフィン２３を通り、したがってキャスク１００の外へ流れることのできる放射線の量がさらに最小化される。

放射状フィン３３の第１組は放射状フィン２３の第２組から円周方向に偏るのが好ましい。言い換えれば、内部シェル１０から、放射状フィン３３の第１組を通って中間シェル２０へ、次いで放射状フィン２３の第２組へ通る直接のラインは存在しない。むしろ、放射状フィン３３の各々が放射状フィン２３に隣接するいくつかの位置に配置されるか、その逆となるであろう。それらの円周方向に偏った配置はニュートロン放射線が放射状フィン２３、３３を通って流れ、キャスク１００の外部の環境へ到達するのを防止する。

上述のように、外部シェル１０は完全なアルミニウム、または高い熱伝導性を有する他の材料から作られるのが好ましく、熱伝導を最大化するために各放射状フィン２３に熔接するのが好ましい。また、外部シェル１０は、矩形プレートを円筒に折り曲げて接触する端部を互いに熔接し、一連の伸ばされた矩形プレートの端部同士を互いに熔接、または所望の形状を形成する他の任意の方法によって形成することができる。また、外部シェル１０は、表面積を増加させ、外部シェル１０の表面に沿って空気の乱流を増すことができるように、ディンプルまたは円筒状またはネジ付きスピンドルの形の螺旋状うねりなどの強化された表面特徴を有するのが好ましいことを記述することは重要である。

１つの代替の実施形態において、所望の場合、外部シェル１０を鋼または他の金属の追加の層で実質的に取り囲むことができる。しかし、外部シェル１０の少なくとも内部層がフィン２３に接続するためにアルミニウムから作られるとすれば、外部シェル１０を通って熱を伝導させるために、鋼の追加の層はアルミニウム層で互いにクラッドされるべきである。使用される場合には、鋼の追加の層は熱伝導性キャスク１００に構造的な剛性を加えるであろう。無論、外部シェル１０の外部表面に鋼の追加の層を接続することは必要ではない。

ここで、単独に図４を参照すれば、図１の線Ｂ−Ｂに沿う熱伝導性輸送キャスク１００の横断面図が本発明の一実施形態によって示される。この透視図から、外部シェル１０、中間シェル２０の内部および外部層２０ａ、２０ｂおよび閉じ込めシェル３０が軸Ｘ−Ｘに沿って配列されて、底部１２から熱伝導性キャスク１００の上部構造リング１１へ展延するのが確認される。上部構造リング１１および底部１２は炭素鋼から作られて、各々内部シェル３０のそれぞれの端部に熔接されるのが好ましい。内部シェル３０の空洞３１が頂部から装填されると、一次蓋１４を最初に構造リング１１の開口部上に装着することができる。構造リング１１は、少なくとも２つのトレッド表面１７、１８を備える多段の内部表面を有する。内部トレッド１７は一次蓋１４を受け取るためであり、外部トレッド１８は二次蓋１３を受け取るためである。

図５を参照すれば、図４の拡大領域ＢＴが示される。一次蓋１４の内部および外部シール１４ａ、１４ｂは、一次蓋１４と構造リング１１の内部トレッド表面１７との間の嵌合表面を封止するのが確認される。二次蓋１３の内部および外部シール１３ａ、１３ｂは二次蓋１３と構造リング１１の上部トレッド表面１８との間の嵌合表面を封止するのが追加で示される。一次および二次蓋１３、１４は、図４および５に示されるように、一次および二次蓋１４、１３中の孔を通って展延し、構造リング１１中にネジによって嵌合する複数のボルト５０によって熱伝導性キャスクに固定されるのが好ましい。作業者への放射線の暴露を制限するようにホウ酸水の下でキャスクを充填し封止するため、使用されるボルトの種類は、延長腕を有する工具で遠隔装着するのが可能なように設計または選択されるのが好ましい。図２は、二次蓋１３上に使用するための好ましいボルトのパターンを示し、これは一次蓋１４に用いることもできる。

図６に示される詳細は、二次蓋の内部シール１３ａと外部シール１３ｂとの間の容積へのアクセスを提供する中間シール試験ポート１３ｃを示す。中間シール試験ポート１３ｃは、一次蓋の内部および外部シール１４ａおよび１４ｂに加えて二次内部シール１３ａの完全さを試験するために用いられる。これは閉じ込めシェル中に配置された不活性ガスが、例えば圧力ゲージを備えるシールを抜け出たかどうかを決定することによって行うことができる。

ここで図７に変わって、内部シェル３０の外部から外部シェル１０の外部近くに展延するトラニオンスリーブ４５が示される。トラニオンスリーブ４５は炭素鋼から作られ、内部シェル３０の外部表面３６に直接熔接されて最大強度を提供するのが好ましい。また、図７はトラニオンスリーブ４５がどのようにして放射状フィン３３、２３の第１および第２組から角度的に偏り、したがって内部シェル３０上に不規則な加熱または熱点が発生するのを防止するかを示す。

図４に戻って参照すれば、４つの上昇トラニオン４４を収容する４つの鋼トラニオンスリーブ４５が示される。上昇トラニオン４４は垂直または水平に配列されるとき、熱伝導性キャスク１００を動かし固定するための外部ハンドルを提供する。加えて、アルミニウム製トラニオンスリーブ４６はトラニオンスリーブ４５を超えて展延するように示され、そこでそれらは鋼製トラニオンスリーブ４５と外部シェル１０との両方に接合されるのが好ましい。

好ましい実施形態による、図２の線Ｅ−Ｅに沿う熱伝導性キャスク１００の他の横断面図が図８に示される。この図は、一次蓋１４および二次蓋１３上に配置された、いくつかの追加の部品を示す。また、一次蓋１４上には１つ以上の一次蓋換気／換気を収容するドレンブロック８３が配置される。これらの換気はシール８７ａを備える排出ライン８７に導く二重閉鎖迅速切断カップリング８４を有することが好ましい。ポートカバー８５は二次蓋１３が装着される前に一次蓋換気／排出ブロック８３の上部フランジにボルト固定される。また、二次蓋も換気ブロック８６を有する。ポートカバー８５は二次蓋換気ブロック８６の上部フランジにボルト５１で固定される。詳細Ａは二重Ｏリングシール８５ａ（内部）および８５ｂ（外部）を有するポートカバーの好ましい実施形態を示す。

ここで図５および８を同時に参照すれば、構造部材１１が外部シェル１０の上部部分１０ａに接触する場所に上部遷移リング８０が配置される。上部遷移リング８０は炭素鋼の内部周縁部８０ａとアルミニウムをクラッドした外部周縁部８０ｂから構成され、鋼製構造リング１１と外部シェル１０のアルミニウム製下部部分１０ｂとの両方に熔接を可能にする。同様に、下部遷移リング８１は底部１２の外部が外部シェル１０の下部部分１０ｂに接触する場所に配置される。下部遷移リング８１は炭素鋼の内部周縁部８１ａとアルミニウムをクラッドした外部周縁部８１ｂから構成され、鋼製構造リング１２と外部シェル１０のアルミニウム製下部部分１０ｂとの両方への熔接を可能にする。

図９を参照すれば、７００００ＭＷＤ／ＭＴＵ燃料集合体および４００００ＭＷＤ／ＭＴＵ燃料集合体について、年間冷却時間対崩壊熱（キロワット）を示すグラフが示される。図から分かるように、燃料集合体は最初の５年間で顕著な冷却を達成し、５年から１０年の間は冷却が少なく、１０年後以降の崩壊熱はわずかである。

好ましい実施形態において、本発明は次の部品リストに開示される材料から作られた部品を備える熱伝導性キャスクとすることができる。

本発明は本発明を実施する現在の好ましいモードを含む特定の実施例に関して説明したが、当業者であれば、上述のシステムおよび技術には多くの変形および変更が存在することを理解するであろう。他の実施形態を用いることができ、本発明の範囲から逸脱することなく、構造および機能の修正が実施できることを理解すべきである。したがって、本発明の精神および範囲は添付請求項に記載されたように広く解釈されるべきである。

Claims (24)

1. 高レベルの放射性廃棄物を受容するための空洞を形成し、長手軸を有する内部シェルと、
   内部層および前記内部層にクラッドされた外部層を含む中間シェルであって、前記内部層が第１熱伝導性を有する第１材料から作られ、前記外部層が前記第１熱伝導性よりも大きな第２熱伝導性を有する第２材料から作られ、前記中間シェルの内部層と前記内部シェルとの間に第１環状空隙を形成するように、前記中間シェルが前記内部シェルの周縁を同心円状に取り囲む中間シェルと、
   前記第１環状空隙内に配置され、前記内部シェルと前記中間シェルに接続された放射状フィンの第１組と、
   前記第１環状空隙を充填するガンマ遮蔽材料と、
   前記中間シェルの前記外部層と外部シェルとの間の第２環状空隙を形成するように、前記中間シェルの周縁を同心円状に取り囲む外部シェルであって、前記第２材料から作られる外部シェルと、
   前記第２環状空隙内に配置され、前記中間シェルの前記外部層と前記外部シェルに接続された放射状フィンの第２組と、
   前記第２環状空隙内に配置されたニュートロン遮蔽材料と
   を含む円筒状本体、
   前記円筒状本体の上端部に接続され、前記空洞の上端部を封入する蓋、および
   前記円筒状本体の下端部に接続され、前記空洞の下端部を封入する底部
   を含む熱伝導性キャスク。
2. 前記放射状フィンの第１組および前記内部シェルが前記第１材料から作られ、前記第１材料が鋼であり、前記第２材料がアルミニウムである請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
3. 前記第１材料が炭素鋼であり、前記第２材料が軟質アルミニウムである請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
4. 前記外部層が爆着によって前記内部層にクラッドされる請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
5. 前記外部層および前記内部層が互いに堅固に接合され、共形接触する請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
6. 前記放射状フィンの第１組における各放射状フィンが、前記放射状フィンの第２組における隣接する放射状フィンの中間に位置し、及び前記放射状フィンの第２組における各放射状フィンが、前記放射状フィンの第１組における隣接する放射状フィンの中間に位置する、請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
7. 前記放射状フィンの第２組が前記中間シェルの前記外部層および前記外部シェルに熔接される請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
8. 前記外部シェルの外部表面が、平滑な表面ではなく、表面積全体が増加するトポロジーを有する請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
9. 前記トポロジーがディンプル、隆起および／またはうねりを含む請求項８に記載の熱伝導性キャスク。
10. 前記本体が、前記内部シェルの上端部および前記中間シェルの上端部に接続された上部環状鍛造物を含み、前記蓋が前記上部環状鍛造物に接続され、前記底部が前記内部シェルの下端部および前記中間シェルの下端部に接続され、前記内部シェル、前記上部環状鍛造物および前記底部が前記第１材料から作られる請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
11. 前記本体が上部環状プレートおよび下部環状プレートを含み、前記上部および下部環状プレートが前記第２材料から作られ、前記上部環状プレートが前記外部シェルの上端部および前記上部環状鍛造物の上部遷移リングに接続され、前記底部環状プレートが前記外部シェルの下端部および前記底部の下部遷移リングに接続される請求項１０に記載の熱伝導性キャスク。
12. 前記第１および第２材料が互いに熔接され得ない請求項１に記載の熱伝導性キャスク。
13. 高レベルの放射性廃棄物を受容するための空洞を形成し、第１の熱伝導性を有する第１材料から形成された外部表面を有するガンマ遮蔽円筒状本体と、
    前記ガンマ遮蔽円筒状本体を取り囲み、前記第１熱伝導性よりも大きな第２熱伝導性を有する第２材料から形成された層を有するニュートロン遮蔽円筒状本体であって、前記層が前記ニュートロン遮蔽円筒状本体の内部表面を形成するニュートロン遮蔽円筒状本体と、を含み、
    前記層が前記ガンマ遮蔽円筒状本体の表面にクラッドされる
    熱伝導性キャスク。
14. 前記ニュートロン遮蔽円筒状本体が、前記第１材料から形成された外部シェルと、前記層および前記外部シェルに接続する前記第１材料から作られた放射状フィンの第１組、および前記外部シェルと前記層との間に環状空隙を充填するニュートロン放射線遮蔽材料を含む請求項１３に記載の熱伝導性キャスク。
15. 前記第１材料が鋼であり、前記第２材料がアルミニウムである請求項１３に記載の熱伝導性キャスク。
16. 前記外部ニュートロン遮蔽円筒状本体の前記層が爆着によって前記ガンマ遮蔽円筒状本体の前記外部表面にクラッドされる請求項１３に記載の熱伝導性キャスク。
17. 前記外部ニュートロン遮蔽円筒状本体の前記層が、前記ガンマ遮蔽円筒状本体の前記外部表面に堅固に接合され、共形接触する請求項１３に記載の熱伝導性キャスク。
18. 前記空洞の上端部を封入する蓋および前記空洞の下端部を封入する底部をさらに含む請求項１３に記載の熱伝導性キャスク。
19. 前記空洞内に配置された燃料バスケットをさらに含む請求項１３に記載の熱伝導性キャスク。
20. 高レベルの放射性廃棄物を収容するための空洞を形成し、長手軸を有する鋼製内部シェルと、
    内部鋼層および前記内部鋼層にクラッドされた外部アルミニウム層を含む中間シェルであって、前記中間シェルと前記内部鋼製シェルとの間に第１環状空隙を形成するように、前記内部シェルの周縁を同心円状に取り囲む中間シェルと、
    前記第１環状空隙内に配置され、前記内部シェルおよび前記中間シェルに接続された１組の鋼製フィンと、
    前記第１環状空隙を充填するガンマ遮蔽材料と、
    前記アルミニウム層と前記外部シェルとの間に第２環状空隙を形成するように、前記中間シェルの周縁を同心円状に取り囲むアルミニウム製外部シェルと、
    前記第２環状空隙内に配置され、前記中間シェルの前記外部層と前記外部シェルに接続された１組のアルミニウム製放射状フィンと、
    前記第２環状空隙内に配置されたニュートロン遮蔽材料と
    を含む熱伝導性キャスク。
21. 前記外部層が爆着によって前記内部層にクラッドされる請求項２０に記載の熱伝導性キャスク。
22. 前記外部層が前記内部層に堅固に接合され、共形接触する請求項２０に記載の熱伝導性キャスク。
23. 高レベルの放射性廃棄物を収容するための空洞を形成し、第１熱伝導性を有する第１材料から形成された外部表面を有するガンマ遮蔽円筒状本体と、
    前記ガンマ遮蔽円筒状本体を取り囲むニュートロン遮蔽円筒状本体と、
    を含む熱伝導性キャスクであって、
    前記ニュートロン遮蔽円筒状本体が、
    前記ニュートロン遮蔽円筒状本体の内部表面を形成する第１シェルと、
    前記第１および第２シェルの間に環状空隙が存在するように前記第１シェルを同心円状に取り囲む第２シェルと、
    前記環状空隙内に配置され、前記第１および第２シェルに接続された１組のコネクタと、
    前記環状空隙を充填するニュートロン吸収材料と、
    を含み、
    ここで、前記第１シェル、第２シェル、およびコネクタが前記第１熱伝導性よりも大きな熱伝導性を有する第２熱伝導性を有する第２材料から作られ、
    前記第１シェルが前記ガンマ遮蔽円筒状本体の外部表面にクラッドされる
    
    熱伝導性キャスク。
24. 前記第１材料および第２材料が冶金学的に熔接に適合しない請求項２３に記載の熱伝導性キャスク。

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