JP6077917B2 - 使用済燃料貯蔵キャスクおよびその転倒防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電所の燃料貯蔵プールに保管される使用済燃料貯蔵キャスクに係り、特に地震などの場合に転倒を防止できる使用済燃料貯蔵キャスクおよびその転倒防止方法に関する。

東北地方太平洋沖地震以降、原子力発電所の耐震性向上が求められている。特に、燃料貯蔵プールは原子炉建屋上階に位置し、多数の使用済燃料を保有することから、高い耐震性が要求されている。

燃料貯蔵プール内では、使用済燃料貯蔵ラック内に保存されている燃料集合体（使用済燃料及び新燃料）を、燃料交換機を用いて使用済燃料貯蔵キャスクに移動させ、その後燃料集合体を収納した使用済燃料貯蔵キャスクを他の施設に移動させる作業が実施されている。

然るに、使用済燃料貯蔵ラックは、基礎ボルトにより燃料貯蔵プール底面に固定されているが、使用済燃料貯蔵キャスクについては、使用済燃料貯蔵キャスク自体を運搬しているため燃料貯蔵プール底面に固定されていない。そのため、地震による使用済燃料貯蔵キャスクの転倒を防止する方法が必要とされている。

これに対し使用済燃料貯蔵キャスクの転倒を防止する方法として特許文献１には、「両端に固定手段を有する支持アームを介して、架台上に起立させた金属キャスクを長期間に渡って支持する金属キャスクの支持方法」が記載されている。つまり燃料貯蔵プール内に収納保管した使用済燃料貯蔵キャスク自身を、燃料貯蔵プール内に支持部材により固定支持し、運搬の都度固定支持を解除することを提案している。

特開２０１１−１１７６９号公報

通常、使用済燃料貯蔵キャスクに燃料集合体を収納した後、天井クレーンで燃料貯蔵プールから外に使用済燃料貯蔵キャスクを搬出する。そのため、前述の従来技術では、燃料貯蔵プール内で支持部材を使用済燃料貯蔵キャスクに取り付ける作業、及び支持部材を取り外す作業が発生する。この方法によれば、燃料貯蔵プールに使用済燃料貯蔵キャスクを収納した時の耐震性を確保できるが、実際問題としては、燃料貯蔵プール内で使用済燃料貯蔵キャスクを固定し、あるいは固定解除する作業を簡便に実現することには困難が伴う。

以上のことから本発明は、燃料貯蔵プール内に置かれた使用済燃料貯蔵キャスクに発生する転倒モーメントを低減させることで使用済燃料貯蔵キャスクの転倒を防止する装置及び方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明においては、燃料集合体を輸送するための容器として用いられる使用済燃料貯蔵キャスクであって、気体を封入し、排出するようにされた浮力発生装置を備え、浮力発生装置は使用済燃料貯蔵キャスクを燃料貯蔵プール内に設置したときに使用済燃料貯蔵キャスクに水中で浮力を発生させることを特徴とする。

使用済燃料貯蔵キャスクに対して上向きの力を発生させることで、地震時に使用済燃料貯蔵設備に加わる転倒モーメントに対抗するモーメントを発生させ、使用済燃料貯蔵キャスクの転倒の可能性を低減する。

実施例１の使用済燃料貯蔵キャスクの転倒防止方法および装置を示す図。 使用済燃料貯蔵キャスクに加わるモーメントのイメージ図。 回復力と傾き角度の関係を示した図。 使用済燃料貯蔵キャスクの上面図。 浮力発生装置の上面図。 図７の各手順において使用される機器と作業内容を示す図。 図７の各手順において使用される機器と作業内容を示す図。 図７の各手順において使用される機器と作業内容を示す図。 図７の各手順において使用される機器と作業内容を示す図。 燃料貯蔵プールに収納し、燃料を装荷し、搬出に至るまでの手順を示す図。 実施例２の使用済燃料貯蔵キャスクの側面図。 実施例２の図８のＡ−Ａ断面を示す図。 実施例２の使用済燃料貯蔵キャスクの上面図。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

なお本発明においては使用済燃料貯蔵キャスクを燃料貯蔵プール内に固定することで耐震性を向上させるのではなく、逆に使用済燃料貯蔵キャスクに浮力を与えることで転倒させない方向で対策するものである。

図１に本発明による使用済燃料貯蔵キャスクの転倒を防止する方法および装置の実施例１を示す。図１において、燃料貯蔵プール１はプール水２を保持し、プール底面３に使用済燃料貯蔵キャスク４が設置されている。使用済燃料貯蔵キャスク４は、底面を有する円筒状の容器構造のものである。その内部には格子が切ってあり、数十本の燃料集合体１０を高さ方向に収納することができる。その大きさは例えば高さ５ｍ、直径３ｍ程度のものである。一例ではプールの深さは、使用済燃料貯蔵キャスク４の高さに比して十分な深さの２０ｍ程度とされる。

使用済燃料貯蔵キャスク４の上部には、複数のワイヤ固定部５が備え付けられており、ワイヤ固定部５にワイヤ６が固定されている。本発明の使用済燃料貯蔵キャスク４においては、転倒防止のために、ワイヤ６の上端に浮力発生装置７が設置されている。図１では浮力発生装置７を使用済燃料貯蔵キャスク４の上部２か所に設置した例を示している。

浮力発生装置７は、鉛直方向に長い形状をしており、中は気体が封入できるよう空洞になっている。浮力発生装置７の頭頂部には弁機構８が設置されており、ここから内部の空気が出し入れされる。後述するが、燃料貯蔵プール１に使用済燃料貯蔵キャスク４を入れる前の段階において、使用済燃料貯蔵キャスク４上部のワイヤ固定部５にワイヤ６を固定して萎ませた状態の浮力発生装置７を取り付ける。浮力発生装置７を取り付けた使用済燃料貯蔵キャスク４を燃料貯蔵プール１に設置した後、浮力発生装置７頭頂部の弁機構８から気体を封入して膨らませる。なお燃料貯蔵プール１から使用済燃料貯蔵キャスク４を取り出す前の段階では、浮力発生装置７頭頂部の弁機構８から気体を排出して浮力発生装置７を萎ませた状態にしておく。

このように使用済燃料貯蔵キャスク４は、水中では膨張させた浮力発生装置７を取り付けた状態とされている。なお浮力発生装置７の１個当たりの体積は、使用済燃料貯蔵キャスク４が排斥した水の重量と同程度とされるのがよい。これにより、燃料貯蔵プール１内の使用済燃料貯蔵キャスクに対して常に上向きの力が発生する。このため、地震時に使用済燃料貯蔵キャスク４に対して転倒モーメントが発生した際、浮力発生装置７による上向きの力から転倒モーメントに対抗するモーメントが発生し、使用済燃料貯蔵キャスク４の転倒を防ぐことが可能となる。

次に、使用済燃料貯蔵キャスク４に対する転倒モーメントと、浮力発生装置７による対抗モーメントの関係について説明する。図２には、水平地震力によって発生する転倒モーメントＭ_Ｈが使用済燃料貯蔵キャスク４に加わる際のイメージを示す。この図では、使用済燃料貯蔵キャスク４が地震により角度θ傾いた状態を示しており、使用済燃料貯蔵キャスク４の点Ｐ１のみでプール底面３に接している状態を示している。このときに使用済燃料貯蔵キャスク４の重心位置Ｐ２は、点Ｐ１の鉛直方向から距離Ｌ０の位置にある。また浮力発生装置７Ａを使用済燃料貯蔵キャスク４に固定するためのワイヤ固定部５Ａの位置Ｐ３は、点Ｐ１の鉛直方向から距離Ｌ１の位置にある。さらに浮力発生装置７Ｂを使用済燃料貯蔵キャスク４に固定するためのワイヤ固定部５Ｂの位置Ｐ４は、点Ｐ１の鉛直方向から距離Ｌ２の位置にある。

係る図２の状態において、使用済燃料貯蔵キャスク４のワイヤ固定部５Ａ、５Ｂには、それぞれ浮力発生装置７Ａ、７Ｂによって上向きの力Ｆ_１及びＦ_２が生じる。Ｆ_１及びＦ_２が作用する点Ｐ３，Ｐ４と、使用済燃料貯蔵キャスク４がプール底面３と接している点Ｐ１（以下、支点）との距離がそれぞれＬ_１及びＬ_２であり、使用済燃料貯蔵キャスク４の重心Ｐ２と支点Ｐ１の間の距離がＬ_０である。このとき使用済燃料貯蔵キャスク４に働く転倒モーメントＭは、次の（１）式で表される。ただし、Ｗは使用済燃料貯蔵キャスク４の重量を示す。
［数１］
Ｍ＝Ｍ_Ｈ−Ｌ_１Ｆ_１−Ｌ_２Ｆ_２＋Ｌ_０Ｗ （１）
この式によれば、使用済燃料貯蔵キャスク４のプール底面３からの傾きθが大きくなると、Ｌ_１及びＬ_２が大きくなり、水平地震力によって発生する転倒モーメントＭ_Ｈに対抗するモーメントＬ_１Ｆ_１及びＬ_２Ｆ_２が大きくなるため、使用済燃料貯蔵キャスク４の転倒を防止する効果が得られる。

図３は、回復力と傾き角度の関係を示した図である。この図３において横軸はプール底面３に対する使用済燃料貯蔵キャスク４の傾き角度θであり、縦軸は使用済燃料貯蔵キャスク４に働く回転モーメントの和である。縦軸の値がゼロであるラインは、転倒モーメントＭと抵抗モーメント（モーメントＬ_１Ｆ_１及びＬ_２Ｆ_２）が等しい値になることを表しており、このラインの上部が転倒モーメントＭ＞抵抗モーメントの領域であり、ラインの下部が転倒モーメントＭ＜抵抗モーメントの領域である。

この特性によれば、傾きの当初（角度がゼロからθ１の範囲）は転倒モーメントＭ＞抵抗モーメントの領域にあり転倒方向であるが、以後最大安定傾斜角度θｍまでの範囲では転倒モーメントＭ＜抵抗モーメントの領域に入り、転倒を阻止する力が上回ることになる。なお最大安定傾斜角度θｍ以上になると、転倒モーメントＭが抵抗モーメントを上回り、以後回復することができない。

試算によれば、θ１は１０度程度、抵抗モーメントが最も大きく作用する角度θ２は４０度程度、最大安定傾斜角度θｍは７０度程度である。従って、地震の規模にもよるが傾斜角度が７０度を超す規模のものでなければ、回復可能であることが分かる。

図４に使用済燃料貯蔵キャスク４の上面図を示す。使用済燃料貯蔵キャスク４をその上部からみると、燃料集合体１０を収納するための格子１１が形成されている。使用済燃料貯蔵キャスク４に形成された格子１１内に燃料集合体１０を収納するためには、燃料集合体１０をクレーンなどで吊り下げ、図４の矢印Ｙに沿って移動させ、所定の格子の位置吊り下ろすことになる。このため、図４の領域Ｙ２は燃料集合体の移動経路にあたる。

このため、使用済燃料貯蔵キャスク４に浮力発生装置７を取り付けるときには、以下の点を考慮する必要がある。まず、ワイヤ固定部５Ａ、５Ｂは、キャスク４の側面に位置させる。そのうえで、円筒形の浮力発生装置７は、燃料集合体１０の移動経路の領域Ｙ２外に位置させる。これにより、燃料交換器を用いて燃料集合体１０を使用済燃料貯蔵キャスク４内へ移動させる際、浮力発生装置７及びワイヤ固定部５が燃料集合体１０の移動に対して障害とならないようにすることが可能となる。

図５に、浮力発生装置７の上面図を示す。浮力発生装置７の上端には、気体を封入するための弁８が取り付けられている。弁８は、常に燃料貯蔵プール１の水面上に浮き上がるよう、浮きが付属されている。このため、燃料貯蔵プール１の水面上から浮力発生装置７に容易に気体を封入することが可能となる。

また、使用済燃料貯蔵キャスク４を燃料貯蔵プール１から取り出す際の浮力発生装置７の取り外し方法について説明する。浮力発生装置７に備えられた弁８を開け、浮力発生装置７に封入されている気体を放出することで、浮力発生装置７の体積を縮小させる。その後、使用済燃料貯蔵キャスク４を天井クレーンより吊り上げ、燃料貯蔵プール１から外に搬出した際に、浮力発生装置７を使用済燃料貯蔵キャスク４から取り外す。この方法により、浮力発生装置７が、使用済燃料貯蔵キャスク４の燃料貯蔵プール１の取り出しの妨げにならないようにすることが可能となる。

次に、使用済燃料貯蔵キャスク４を原子力発電設備などの燃料貯蔵プール１に収納し、燃料を装荷し、最終的に搬出に至るまでの手順と、これらの手順において浮力発生装置７がどのように使用されていくのかについて説明する。図６は各手順において使用される機器と作業内容を示しており、図７は一連の処理手順を示している。なお図６は、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）に分けて順次説明する。

図７の一連の処理手順の最初の処理ステップＳ１では、図６（ａ）Ｓ１に図示しているように原子力発電設備などのトレーラエリア１１１にトレーラ１０９により積載されてきた空の使用済燃料貯蔵キャスク４を搬入し、天井クレーン１１０により吊りあげる。図７の次の処理ステップＳ２では、図６（ａ）Ｓ２に図示しているように使用済燃料貯蔵キャスク４をオペレーティングフロア１１２に置き、使用済燃料貯蔵キャスク４に水を注入する。次いで処理ステップＳ３では、使用済燃料貯蔵キャスク４に萎んだ状態の浮力発生装置７を取り付ける。

図７の処理ステップＳ４では、図６（ｂ）Ｓ４に図示しているように萎んだ状態の浮力発生装置７を取り付けた使用済燃料貯蔵キャスク４を天井クレーン１１０により吊りあげ、処理ステップＳ５では燃料貯蔵プール１のキャスクピット１１３まで搬送し、水中に設置する。処理ステップＳ６では、燃料貯蔵プール１内の萎んだ状態の浮力発生装置７の弁８を利用して気体を封入し、浮力発生装置７を膨張させる。これにより使用済燃料貯蔵キャスク４には回復力が作用できる状態となった。

図７の処理ステップＳ７では、図６（ｃ）Ｓ７に図示しているように、燃料貯蔵プール１内に別途設置されている燃料貯蔵ラック１５から燃料集合体１６を、燃料移動用クレーン１８を用いて取り出し、キャスクピット１１３内の使用済燃料貯蔵キャスク４に収納する。なお、燃料集合体を移動して使用済燃料貯蔵キャスク４に収納するに際し、図４で説明したように浮力発生装置７の位置を避けてＹ１方向から進入するようにされることは言うまでもない。次いで処理ステップＳ８では、燃料集合体を装荷した使用済燃料貯蔵キャスク４の搬出のために、浮力発生装置７の弁８を開いて内部気体を放出させ、萎んだ状態にする。

図７の処理ステップＳ９では、図６（ｄ）Ｓ９に図示しているように、天井クレーン１１０を用いて使用済燃料貯蔵キャスク４の一次蓋を閉め、使用済燃料貯蔵キャスク４を上に持ち上げ水中から出す。処理ステップＳ１０では、使用済燃料貯蔵キャスク４をオペレーティングフロア１１２に置き、内部の水を排水し、使用済燃料貯蔵キャスク４の二次蓋を閉める。処理ステップＳ１１では、使用済燃料貯蔵キャスク４から萎んだ状態の浮力発生装置７を取り外す。処理ステップＳ１２では、使用済燃料貯蔵キャスク４を天井クレーン１１０により吊り上げ、処理ステップＳ１２では使用済燃料貯蔵キャスク４をトレーラ１０９に積載して搬出する。

図８に本発明による耐震性向上方法の実施例２を示す。浮力発生装置７は、使用済燃料貯蔵キャスク４の上部に備えられている。図９は図８のＡ−Ａ断面を表している。図１０は、使用済燃料貯蔵キャスク４の上面図を示す。これにより、浮力発生装置７は円筒形状をしており、かつ使用済燃料貯蔵キャスク４の上部外周側に設けられることで、燃料集合体を上部より装荷することが可能であることがわかる。

実施例２によれば、実施例１と同様に、使用済燃料貯蔵キャスク４のプール底面３からの傾きが大きくなる場合、水平地震力によって発生する転倒モーメントに対抗するモーメントが大きくなり、使用済燃料貯蔵キャスク４の転倒を防止する効果が得られる。

また、本実施例の場合、使用済燃料貯蔵設備４自体が浮力を備えていることにより、浮力発生装置７を固定するための構造物が存在しない簡易な構造とすることができる。なお、この場合であっても浮力発生装置７への気体導入、排出の考え方は実施例１と同じに扱うことができる。

１：燃料貯蔵プール
２：プール水
３：プール底面
４：使用済燃料貯蔵キャスク
５：ワイヤ固定部
６：ワイヤ
７：浮力発生装置
８：弁
１０：燃料集合体
１１：格子
１１０：天井クレーン
１１１：トレーラエリア
１１２：オペレーティングフロア
１１３：キャスクピット
１１５：燃料貯蔵ラック
１１６；燃料集合体

Claims (7)

1. 燃料集合体を輸送するための容器として用いられる使用済燃料貯蔵キャスクであって、気体を封入し、排出するようにされた浮力発生装置を備え、前記浮力発生装置は使用済燃料貯蔵キャスクを燃料貯蔵プール内に設置したときに、水中で発生する浮力により、水平地震力によって発生する前記使用済燃料貯蔵キャスクの転倒モーメントよりも大きな抵抗モーメントが発生することを特徴とする使用済燃料貯蔵キャスク。
2. 請求項１に記載の使用済燃料貯蔵キャスクであって、
   使用済燃料貯蔵キャスクに対する前記浮力発生装置の取り付け位置は、使用済燃料貯蔵キャスクに燃料集合体を装荷するときの燃料集合体移動領域を避けて設定されていることを特徴とする使用済燃料貯蔵キャスク。
3. 請求項１または請求項２に記載の使用済燃料貯蔵キャスクであって、
   前記浮力発生装置は使用済燃料貯蔵キャスクの上部側面にその一端が接続され、かつ前記浮力発生装置の他端側に気体を封入し、排出するための弁機構を備えていることを特徴とする使用済燃料貯蔵キャスク。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の使用済燃料貯蔵キャスクであって、
   前記浮力発生装置は、気体封入により膨張し、気体排出により萎むようにされたことを特徴とする使用済燃料貯蔵キャスク。
5. 燃料集合体を輸送するための容器として用いられる使用済燃料貯蔵キャスクの転倒防止方法であって、
   気体を封入し、排出するようにされた浮力発生装置を使用済燃料貯蔵キャスクに備え、前記使用済燃料貯蔵キャスクを燃料貯蔵プール内に設置した状態においては、前記浮力発生装置に気体を封入し使用済燃料貯蔵キャスクに水中で浮力を発生させるとともに、水中で発生する浮力により、水平地震力によって発生する前記使用済燃料貯蔵キャスクの転倒モーメントよりも大きな抵抗モーメントが発生することを特徴とする使用済燃料貯蔵キャスクの転倒防止方法。
6. 請求項５に記載の使用済燃料貯蔵キャスクの転倒防止方法であって、
   前記燃料貯蔵プール外で使用済燃料貯蔵キャスクに前記浮力発生装置を取り付け、前記燃料貯蔵プール内で前記浮力発生装置に気体を封入し使用済燃料貯蔵キャスクに水中で浮力を発生させることを特徴とする使用済燃料貯蔵キャスクの転倒防止方法。
7. 請求項６に記載の使用済燃料貯蔵キャスクの転倒防止方法であって、
   前記燃料貯蔵プール内で前記使用済燃料貯蔵キャスクに燃料集合体を装荷した後、前記燃料貯蔵プール内で前記浮力発生装置から気体を排出し、前記燃料貯蔵プール外で使用済燃料貯蔵キャスクから前記浮力発生装置を取り外すことを特徴とする使用済燃料貯蔵キャスクの転倒防止方法。

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