JP5925647B2 - 燃料プール及びその改造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、原子力発電所における燃料プール及びその改造方法に関する。

原子力発電所には、原子炉内で燃焼された燃料集合体を使用済燃料ラック（以下、燃料ラックという。）に収納し、大量の水で冷却しながら貯蔵するための使用済燃料プールが設置されている。この使用済燃料プールの開口部は、燃料取替機などが設置された運転床（以下、オペレーションフロアという。）に位置している。

一般に、プールのような液体を保有する容器に地震の低振動数の外力が加えられると、容器内の液面にスロッシングと呼ばれる揺動が生じる。使用済燃料プールにおいて地震時にスロッシングが発生した場合、使用済燃料プールの液面がプール側壁を超えることがある。この場合、放射性物質を含むプール水がオペレーションフロアに溢水すると、このプール水が広範囲に渡って拡散し、使用済燃料プールの水位が低下する可能性がある。

また、地震時にスロッシングが発生した場合、オペレーションフロア及びオペレーションフロア上に設置された機器等がプール水で濡れる、あるいはプール水が下階へ流れ出すおそれがある。さらに、定期点検などの最中に地震が発生した場合、作業員がプール水に濡れるおそれもある。このため、スロッシングによる溢水対策を施して、原子力発電所の信頼性の向上を図る必要がある。

特許文献１に記載された技術は、スロッシングによるプール水の散逸を防止し、原子力発電所の信頼性の向上を図るため、スロッシング現象自体を抑制する技術である。

具体的に、特許文献１に記載された技術は、使用済燃料プールの上部に仕切板を設け、格子状に複数分割することで、スロッシング現象を抑制する技術である。

特開２００９−１１５６４９号公報

ところで、近年発生した大地震の影響により、原子力発電所内の使用済燃料プール周辺への溢水対策が注目されている。上述した特許文献１に記載された技術は、燃料を取扱う際に、その都度仕切板を開閉させなければならず、手間がかかり作業性が低くなるという課題がある。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、地震時に発生するスロッシングを抑制して溢水を低減可能な燃料プール及びその改造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る燃料プールは、上面から見た形状が長辺及び短辺を有する形状であって、プール水を収容可能なプール本体と、前記プール本体の底面上に、上端が前記プール本体の基準水位よりも低い位置に設置されて燃料を収納可能な複数の燃料ラックと、前記プール本体の長辺の中央を通り、かつ水平面上で前記長辺及び短辺の少なくとも一方と垂直な方向に複数隣接して配置され、前記プール本体の基準水位と同程度又は高く、かつ前記燃料ラックと同様の平断面の形状及び大きさの堰とを備え、前記プール本体の底面上に前記複数の燃料ラック及び前記堰が敷き詰められていることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る燃料プールの改造方法は、上面から見た形状が長辺及び短辺を有する形状の既設の燃料プールの底面に敷き詰められた燃料ラックのうち、前記燃料プールの長辺の中央を通り、かつ水平面上で前記長辺及び短辺の少なくとも一方と垂直な方向に複数隣接して配置された前記燃料ラックを撤去するステップと、前記燃料ラックの撤去された位置に、前記燃料プールの基準水位と同程度又は高く、かつ前記燃料ラックと同様の平断面の形状及び大きさの堰を設置するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、地震時に発生するスロッシングを抑制して溢水を低減することが可能となる。

本発明に係る燃料プールの第１実施形態を示す斜視図である。 図１の燃料プールを示す立断面図である。 図１の燃料プールを示す上面図である。 図１の燃料プールにおける堰の他の配置態様を示す上面図である。 図１の燃料プールにおける堰のさらに他の配置態様を示す上面図である。 第１実施形態において堰の配置を変えた実験例１を示す説明図である。 図１の燃料プールを模した水槽における堰の配置を示す概略上面図である。 実験例１による堰の配置例と溢水量との関係を示すグラフである。 実験例２による同じ加振条件における基準水位に対する堰の高さと溢水量との関係を示すグラフである。 本発明に係る燃料プールの第２実施形態を示す上面図である。 図１０の燃料プールにおける堰の他の配置態様を示す上面図である。 本発明に係る燃料プールの第３実施形態を示す立断面図である。 本発明に係る燃料プールの第４実施形態を示す立断面図である。

以下に、本発明に係る燃料プール及びその改造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
（構 成）
図１は本発明に係る燃料プールの第１実施形態を示す斜視図である。図２は図１の燃料プールを示す立断面図である。図３は図１の燃料プールを示す上面図である。図４は図１の燃料プールにおける堰の他の配置態様を示す上面図である。図５は図１の燃料プールにおける堰のさらに他の配置態様を示す上面図である。

図１〜図３に示すように、プール本体としての使用済燃料プール１は、上面から見た形状が長辺８及び短辺７を有する矩形状に形成され、原子力発電所の原子炉建屋（図示せず）内に設置されている。この使用済燃料プール１の開口部は、オペレーションフロア２に設けられている。使用済燃料プール１は、プール水３が収容可能である。本実施形態では、プール水３が満たされている。また、使用済燃料プール１内には、使用済燃料を収納した複数の燃料ラック４が貯蔵されている。これらの燃料ラック４は、使用済燃料プール１内の底面上に縦横に格子状に規則正しく並んで敷き詰められている。

図１及び図２に示すように、堰５は、直方体状に形成され、図示しない固定ボルトにより使用済燃料プール１の底面上に固定される。堰５の上端は、燃料ラック４の頂部よりも高い位置にあり、基準水位６の略上方まで達している。堰５は、スロッシングによるプール水３の溢水を抑制するものである。堰５の平断面の形状及び大きさは、複数の燃料ラック４の平断面の形状及び大きさと同様である。

堰５は、図３に示すように使用済燃料プール１の短辺７の方向、あるいは長辺８の方向、又はその両方を遮るように直線状に配置される。堰５は、使用済燃料プール１の水平面中心又は水平面中心近傍に配置されている。図３では、堰５を短辺７の方向に直線状に配置している。

具体的には、堰５は、図３に示すように使用済燃料プール１内に３つ配置されている。これらの堰５は、使用済燃料プール１の長辺８の中央を通り、かつ水平面上において長辺８と垂直な方向（短辺７の方向）に位置する３体の燃料ラック４に換えて配置されている。

すなわち、既設の燃料ラック４において燃料集合体を収納していないものを撤去し、既設の燃料ラック４を使用済燃料プール１の底面に固定していた固定ボルトを用いて３つの堰５が固定されている。

このようにして使用済燃料プール１の底面上には、多数の燃料ラック４と、３つの堰５が縦横に規則正しく並んで敷き詰められている。

なお、堰５は、図４に示すように長辺８の方向に直線状に５つ設置してもよい。また、堰５は、図５に示すように短辺７の方向に３つ、長辺８の方向に直線状に５つ、互いに直交するように配置してもよい。図５に示す堰５も、図１〜図３に示す堰５と同様に、使用済燃料プール１の長辺８の中央を通り、かつ水平面上において長辺８と垂直な方向に位置する複数の燃料ラック４に換えて配置されている。さらに、堰５は、図１〜図５に示すように直方体状に形成したもの以外に、板状に形成したものでもよい。

（作 用）
次に、本実施形態の作用を説明する。

地震などの外力が働いて使用済燃料プール１にスロッシング現象が生じると、プール水３の液面の揺動は、堰５の周囲をプール水３が行き来する際に流動抵抗が生じ、減衰効果が大きくなるため、スロッシングによる水面の上昇が抑制される。

また、堰５によって使用済燃料プール１が部分的に分割されることにより、スロッシングの固有振動数の高い高次モードが生じやすくなる。このスロッシングの高次モードは、１次モードと比較して、同じ入力加速度に対し水面の上昇が小さくなる。

（効 果）
このように本実施形態によれば、堰５によって使用済燃料プール１が部分的に分割したことにより、堰５により減衰効果が大きくなり、スロッシングの１次モードの応答が抑制され、高次モードが励起されやすくなる。そのため、地震などの外力によってスロッシングが生じる際の水面の上昇が抑制され、使用済燃料プール1から溢れる水の量が低減される。

また、本実施形態によれば、既設の燃料ラック４の固定ボルトを利用して固定するため、既設の使用済燃料プール１の大規模な改造工事が不要となる。

本実施形態では、一部の燃料ラック４を撤去し、その空きスペースに堰５を設置するようにしている。そのため、燃料ラック４と堰５との最低限の交換作業で済むことから、作業性を向上させることができる。また、使用済燃料プール１は、貯蔵施設としての機能に影響を与えず、燃料の取扱い作業に干渉しないため、従来のようなスロッシング抑制装置を操作する手間がかからなくなる。

（実験例１）
発明者らは、前記第１実施形態のように堰５を使用済燃料プール１の長辺８の方向の中間位置に設けると、溢水抑制効果が高いことを実験的に見出した。これを図６〜図８に基づいて説明する。

図６は第１実施形態において堰の配置を変えた実験例１を示す説明図である。図７は図１の燃料プールを模した水槽１ａにおける堰の配置を示す概略上面図である。図８は実験例１による堰の配置例と溢水量との関係を示すグラフである。

図６及び図７に示すように、水槽１ａの長辺８の方向の長さを９００ｍｍ、短辺７の方向の長さを７００ｍｍ、堰５の長さＢを３００ｍｍ、堰５の幅Ｗを１００ｍｍとし、堰５の長辺方向位置ＬをＮｏ．１では４５０ｍｍ、Ｎｏ．２では５５０ｍｍ、及びＮｏ．３では６５０ｍｍとした場合に、同じ条件で加振試験を行ったところ、溢水量は図８に示すようになった。なお、プール水３は、基準水位６まであるものとする。

図８によれば、堰５などの抑制設備を設けていない場合の溢水量は、０．０６２ｍ^３、堰５の長辺方向位置Ｌが４５０ｍｍ（Ｎｏ．１）の場合は、０．０２１ｍ^３、５５０ｍｍ（Ｎｏ．２）の場合は、０．０２４ｍ^３、６５０ｍｍ（Ｎｏ．３）の場合は、０．０３０ｍ^３である。

したがって、この実験例１によれば、使用済燃料プール１の長辺８の方向の中央を通り、かつ水平面上で使用済燃料プール１の長辺８の方向と垂直な方向（つまり、水槽１ａを長辺８の中心で分断する方向）を含むように堰５を設けることで、効果的に溢水抑制効果を発揮できることが判明した。

また、実験例１によれば、使用済燃料プール１の長辺８の方向の中央を通り、かつ水平面上で使用済燃料プール１の長辺８の方向と垂直な方向に位置する燃料ラック４のみを堰５に交換することで、簡単な交換作業で高い溢水抑制効果が得られる。

（実験例２）
さらに、発明者らは、堰５の高さが使用済燃料プール１の基準水位６と同程度の場合と、基準水位６より高い場合とで溢水抑制効果が大きく変わらないことを実験的に見出した。

図９は実験例２による同じ加振条件における基準水位に対する堰の高さと溢水量との関係を示すグラフである。図９によれば、堰５などの抑制設備を設けていない場合の溢水量は、０．０６２ｍ^３、堰５の高さが使用済燃料プール１の基準水位６に対して７６％の場合は、０．０４０ｍ^３、同様に９９％の場合は、０．０２３ｍ^３、１１８％の場合は、０．０２１ｍ^３である。

したがって、この実験例２によれば、堰５の高さを基準水位６と同程度又は高くすることで、高い溢水抑制効果を維持しつつ、物量を抑えることが可能になることが判明した。

なお、通常の使用済燃料プール１の水平断面は、矩形であるが、一部がキャスクの一時的な配置用の領域として確保された構造などと、完全な矩形でないこともある。この場合は、最も長い辺の中央を分断するように堰５を配置することで、高い溢水抑制効果が得られる。また、もし正方形であれば、その中心が堰５を配置するのに最も効果的な位置となる。

（第２実施形態）
図１０は本発明に係る燃料プールの第２実施形態を示す上面図である。図１１は図１０の燃料プールにおける堰の他の配置態様を示す上面図である。なお、前記第１実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。その他の実施形態も同様とする。

図１０に示すように、使用済燃料プール１の一辺の内壁には、常設構造物９が設置されている。この常設構造物９とは、例えば、燃料をキャスク内に格納する作業を行う際に、キャスクが配置される領域であるキャスクピットである。本実施形態では、使用済燃料プール１の一辺に常設構造物９を設置したことで、使用済燃料プール１の横断面が一部を切り欠いた凹んだ形状となる。

また、本実施形態では、堰５を常設構造物９が設置されている反対側の辺の対称となる位置に配置している。

さらに、既設の燃料ラック４を撤去して堰５を設置する場合には、図１１に示すように既設の燃料ラック４を固定する固定ボルトの強度を担保するため、隣り合う燃料ラック４を撤去し、堰５の設置幅を広くとるようにしてもよい。

この場合、前記第１実施形態と同様に、使用済燃料プール１の長辺８の方向の中央を通り、かつ水平面上で使用済燃料プール１の長辺８の方向と垂直な方向に位置する燃料ラック４のみを堰５に交換するようにしている。

したがって、本実施形態では、堰５と常設構造物９によって、前記第１実施形態と同様に、使用済燃料プール１が部分的に分割され、水面の上昇が抑えられる。

このように本実施形態によれば、堰５により減衰効果が大きくなり、スロッシングの１次モードの応答が抑制され高次モードが励起されやすくなるため、地震などの外力によってスロッシングが生じる際の水面の上昇が抑制され、使用済燃料プール1から溢れる水の量が低減される。

（第３実施形態）
図１２は本発明に係る燃料プールの第３実施形態を示す立断面図である。

図１２に示すように、本実施形態では、堰５の外表面に突起状の抵抗体１１が全面に亘って設けられている。

本実施形態では、堰５の表面に突起状の抵抗体１１を設けたことにより、堰５の表面を水流が迂回する際に、流動抵抗が増し、減衰効果が大きくなる。

このように本実施形態によれば、堰５の表面に突起状の抵抗体１１を設けたので、堰５による減衰効果を大きくし、スロッシングによる水面上昇を抑制することができる。

（第４実施形態）
図１３は本発明に係る燃料プールの第４実施形態を示す立断面図である。

図１３に示すように、本実施形態では、堰５に幅方向に貫通する貫通孔１２が複数全体に設けられている。

本実施形態では、堰５近傍の水の一部は、貫通孔１２を通過し、その他は堰５の表面を迂回して流れる。貫通孔１２を設けていない場合に比べて、堰５に加わるスロッシング荷重は小さくなる。

このように本実施形態によれば、堰５に複数の貫通孔１２を設けたことにより、堰５によって使用済燃料プール１の一部を分断してスロッシングによる水面上昇を抑制する効果を保持したまま、堰５に加わるスロッシング荷重を低減し、使用済燃料プール１の側面、又は底面に設けられた堰５の固定ボルトや、堰５自体の強度を担保することができる。

（その他の実施形態）
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上記第１実施形態又は第２実施形態の構成に、第３実施形態及び第４実施形態の少なくとも一方の構成を組み合わせるようにしてもよい。

上記第３実施形態では、抵抗体１１を突起状に形成したが、堰５による減衰効果が大きければ、他の形状であってもよい。

上記第４実施形態において、貫通孔１２は、堰５に加わるスロッシング荷重を低減する効果に基づいて、その数、大きさ及び形状が適宜選択される。

１…使用済燃料プール（プール本体）、２…オペレーションフロア、３…プール水、４…燃料ラック、５…堰、６…基準水位、７…短辺、８…長辺、９…常設構造物、１１…抵抗体、１２…貫通孔

Claims (5)

1. 上面から見た形状が長辺及び短辺を有する形状であって、プール水を収容可能なプール本体と、
   前記プール本体の底面上に、上端が前記プール本体の基準水位よりも低い位置に設置されて燃料を収納可能な複数の燃料ラックと、
   前記プール本体の長辺の中央を通り、かつ水平面上で前記長辺及び短辺の少なくとも一方と垂直な方向に複数隣接して配置され、前記プール本体の基準水位と同程度又は高く、かつ前記燃料ラックと同様の平断面の形状及び大きさの堰とを備え、
   前記プール本体の底面上に前記複数の燃料ラック及び前記堰が敷き詰められていることを特徴とする燃料プール。
2. 前記プール本体の一辺の内壁に設けられ、前記プール本体の長辺の中央を通り、かつ水平面上で前記長辺及び短辺の少なくとも一方と垂直な方向以外に設置された常設構造物をさらに有することを特徴とする請求項１記載の燃料プール。
3. 前記堰は、表面に突起状の抵抗体を有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料プール。
4. 前記堰は、幅方向に貫通する貫通孔を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料プール。
5. 上面から見た形状が長辺及び短辺を有する形状の既設の燃料プールの底面に敷き詰められた燃料ラックのうち、前記燃料プールの長辺の中央を通り、かつ水平面上で前記長辺及び短辺の少なくとも一方と垂直な方向に複数隣接して配置された前記燃料ラックを撤去するステップと、
   前記燃料ラックの撤去された位置に、前記燃料プールの基準水位と同程度又は高く、かつ前記燃料ラックと同様の平断面の形状及び大きさの堰を設置するステップと、
   を有することを特徴とする燃料プールの改造方法。

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