JP6445392B2 - 使用済燃料輸送貯蔵キャスクのバスケットおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、押出材が複数組み合わされることで格子状に形成された、使用済燃料輸送貯蔵キャスクに使用されるバスケットおよびその製造方法に関する。

特許文献１には、使用済みのＰＷＲ燃料集合体の輸送貯蔵キャスクのバスケットとして、アルミニウム合金からなる断面が略Ｈ形状の押出材を縦横に複数組み合わせることで格子状に形成されたものが開示されている。断面視における各ブレードの長辺方向の長さａと、断面視における２本のブレード間の間隔ｂとが、ａ／ｂ≦４の関係を満足することで、断面の寸法精度に優れた押出材を押出加工することができるとともに、ブレード間の隙間を好適な水ギャップとすることができる。

特開２０１１−１１７７７４号公報

しかしながら、特許文献１のバスケットにおいては、使用済燃料を収納する格子内寸法の公差が押出材の断面寸法公差に支配されるため、格子内寸法の公差が大きくなり、未臨界維持設計を成立させるのが難しくなるという問題がある。

未臨界維持設計では、バスケットの格子内寸法の公差を考慮した臨界解析を行う。この臨界解析では、キャスク胴内が満水状態であって、バスケットの格子内寸法が公差を考慮して最大となる条件において、燃料集合体の燃料ピンの配列ピッチが仮想的に広がった状態が最も厳しい条件となる。よって、バスケットの格子内寸法の公差をできるだけ小さくすることは、未臨界維持設計を成立させる上で効果的である。

本発明の目的は、未臨界維持設計を好適に成立させることが可能な使用済燃料輸送貯蔵キャスクのバスケットおよびその製造方法を提供することである。

本発明は、押出材が複数組み合わされることで格子状に形成された、使用済燃料輸送貯蔵キャスクに使用されるバスケットにおいて、前記押出材の幅方向の両端面の各々には、前記押出材同士を嵌合させる凹部が複数形成されており、前記押出材同士が当接する部分の厚みが所定の寸法になるように、当該部分の外表面が切削されており、切削されている前記部分は、前記押出材の表面における、前記幅方向の両側から２つの前記凹部で挟まれた部分であることを特徴とする。

また、本発明は、押出材を複数組み合わせることで格子状に形成される、使用済燃料輸送貯蔵キャスクに使用されるバスケットの製造方法において、前記押出材の幅方向の両端面の各々に、前記押出材同士を嵌合させる凹部を複数形成する工程と、前記押出材同士が当接する部分の厚みが所定の寸法になるように、当該部分の外表面を切削する工程と、を有し、前記押出材の表面における、前記幅方向の両側から２つの前記凹部で挟まれた部分の外表面を切削することを特徴とする。

本発明によると、押出材同士が当接する部分を機械加工することで、組立公差を低減させることができるので、押出材同士を高い寸法精度で当接させることができる。これにより、バスケットを形成して使用済燃料を格納した際に、使用済燃料同士の相互干渉を防止し、中性子による反応度を低くすることができるので、未臨界維持設計を好適に成立させることができる。

使用済燃料輸送貯蔵キャスクの一部切欠斜視図である。 使用済燃料輸送貯蔵キャスクの断面図である。 押出材を組み合わせる様子を示す斜視図である。 押出材を組み合わせた様子を示す斜視図である。 押出材を組み合わせた様子を示す説明図である。 押出材を組み合わせた様子を示す説明図である。 押出材を組み合わせた様子を示す説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（使用済燃料輸送貯蔵キャスクの構成）
本実施形態による使用済燃料輸送貯蔵キャスク（キャスク）は、使用済燃料の輸送および貯蔵に用いられるものである。キャスク１０は、一部切欠斜視図である図１に示すように、有底無蓋筒状の容器本体４１と、その蓋４２とを有している。また、キャスク１０は、その内部にバスケット１を有している。

容器本体４１は、炭素鋼製の胴４７と、胴４７を取り巻く複数の側部中性子遮蔽材４６と、側部中性子遮蔽材４６を覆う炭素鋼製の外筒４５と、を有している。胴４７の底部分には、炭素鋼で覆われた底部中性子遮蔽材（図示せず）が設けられている。容器本体４１の側面には、複数のトラニオン５５が設けられている。また、側部中性子遮蔽材４６同士の間には、伝熱フィン５１がそれぞれ設けられている。

蓋４２は、炭素鋼製の一次蓋４３と二次蓋５２との二重蓋構造にされている。二次蓋５２は、中性子遮蔽材からなる蓋部中性子遮蔽材５３を炭素鋼で覆った構成にされている。蓋４２には、密封監視装置５４が設けられている。

キャスク１０の断面図である図２に示すように、バスケット１は、容器本体４１の胴４７内に収容されている。バスケット１は、多数のバスケット格子３を備えている。このバスケット格子３には、使用済燃料が収納される。本実施形態において、バスケット格子３は５列×６列で並べられているが、これに限定されない。

ここで、キャスク１０の未臨界維持設計においては、通常安全側に新燃料であるＵ−２３５の濃縮度を想定した評価が行われる。特にＰＷＲ燃料集合体は、ＢＷＲ燃料集合体よりも燃料ピンの配列が多く臨界反応度が高い。そこで、後述するように、バスケット１の部材にホウ素（Ｂ−１０）等の中性子吸収材が添加されている。また、使用済燃料間に距離を設けることで隣接する使用済燃料同士の反応度が抑制されている。ここで、臨界解析では、キャスク１０の内部を満水にした状態が、使用済燃料の反応度が最も高い状態であることから、使用済燃料間の空間を水ギャップという。この水ギャップにより、隣り合う使用済燃料同士の相互干渉が防止され、中性子による反応度が低くなりキャスク体系が臨界になることが防止される。

（バスケットの構成）
バスケット１は、斜視図である図３Ａおよび図３Ｂに示すように、押出材５が格子状に縦横に組まれることで形成されている。押出材５は、アルミニウム合金などを押出加工したものである。なお、押出材の代わりに圧延材を用いてもよい。

押出材５は、面同士が対向する２枚の平板６と、２枚の平板６の間に設けられた複数のリブ７と、を有している。２枚の平板６同士の隙間は、水ギャップとなっている。本実施形態において、リブ７の数は「２」であるが、これに限定されず、「１」であってもよいし、「３」以上であってもよい。

平板６の幅方向の両端面６ｂの各々には、押出材５同士を嵌合させる凹部６ａが複数形成されている。凹部６ａの深さは、押出材５の短手方向の長さの１／４相当である。

ここで、バスケット１には未臨界維持機能が要求される。そこで、押出材５の材料には、未臨界維持のために中性子吸収性能に優れるホウ素（ボロン）が添加されている。ホウ素には、Ｂ−１０とＢ−１１の同位体があり、Ｂ−１０の方が中性子吸収性能に優れている。押出材５の材料として、ホウ素添加アルミニウム合金やホウ素添加ステンレス鋼が好適に用いられる。バスケット１の軽量化を考慮すると、ホウ素添加アルミニウム合金が望ましい。ホウ素添加アルミニウム合金としては、濃縮ホウ素を添加したアルミニウム材料であってもよいし、天然ホウ素からなる炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）を添加したアルミニウム材であってもよい。濃縮ホウ素とは、中性子吸収性能の高いＢ−１０の比率を天然の比率（約２０％）よりも人工的に高めたものである。

また、押出材５の断面形状を立体形状とし、リブ７で離隔された２枚の平板６同士の隙間を水ギャップとすることにより、特にＰＷＲ燃料集合体用のバスケット１の未臨界維持設計で重要な「水ギャップ」を容易に確保することができる。

また、図２に示すように、バスケット１の中央部に位置する押出材５における２枚の平板６同士の間隔Ｙ１は、バスケット１の周辺部に位置する押出材５における２枚の平板６同士の間隔Ｙ２よりも大きくされている。つまり、バスケット１の中央部に位置する押出材５におけるリブ７の長さは、バスケット１の周辺部に位置する押出材５におけるリブ７の長さよりも長くされている。なお、図中横方向の間隔Ｙ１，Ｙ２について説明しているが、図中縦方向についても同様である。

バスケット１の中央部における使用済燃料の反応度は、バスケット１の周辺部における使用済燃料の反応度よりも高い。そこで、バスケット１の中央部に位置する押出材５における２枚の平板６同士の間隔Ｙ１を、バスケット１の周辺部に位置する押出材５における２枚の平板６同士の間隔Ｙ２よりも大きくすることで、バスケット１の中央部における水ギャップがバスケット１の周辺部における水ギャップよりも大きくなる。これにより、未臨界制御を好適に維持することができる。また、バスケット１の周辺部における水ギャップをバスケット１の中央部における水ギャップよりも小さくすることにより、バスケット１をコンパクト化することができる。

また、キャスク１０が９ｍの高さから落下する事象における強度を確保するために、バスケット１には構造強度が要求される。特に、キャスク１０が水平落下する事象において、使用済燃料による曲げ荷重に対する強度を維持する必要がある。ここで、キャスク１０の水平落下とは、キャスク１０の中心軸が水平になる姿勢で落下することを指す。そこで、押出材５の断面形状を立体的にして断面係数を大きくすることにより、肉厚の薄い部材で重量を最低限に抑えながらバスケット１に必要な強度を得ることができる。

ここで、図３Ａに示すように、押出材５同士が当接する部分は機械加工されている。具体的には、図中ハッチングで示すように、平板６の表面における、幅方向の両側から２つの凹部６ａで挟まれた部分（嵌合部分）６ｃが機械加工されている。ここで、機械加工とは、外表面を切削することによって部材厚を所定の寸法に調整することを指す。

ＪＩＳ Ｈ４１００ ２００６（アルミニウム及びアルミニウム合金の押出形材）によると、アルミニウム合金の押出材の場合、断面形状の幅公差は、断面寸法の外接円の直径が２５０ｍｍ以下のＪＩＳ特殊級の場合でも±１〜２ｍｍ程度である。そこで、押出材５同士を好適に組み合わせるためには、押出材５の幅の公差を許容するように、凹部６ａの幅の公差を大きく設定する必要がある。ここで、押出材５の幅とは、２枚の平板６間の距離である。また、凹部６ａの幅とは、押出材５の長手方向に沿った凹部６ａの長さである。

押出材５同士を組み合わせた様子を示す説明図である図４Ａに示すように、押出材５の幅をｔ、凹部６ａの幅をＷ、使用済燃料を収納する格子内寸法をＬ、凹部６ａ同士の間隔をＰとする。同様の説明図である図４Ｂに示すように、凹部６ａ同士の間隔Ｐが最大値Ｐ_maxで、押出材５の幅ｔが最小値ｔ_minで、凹部６ａの幅Ｗが最大値Ｗ_maxであるとき、格子内寸法Ｌの最大値Ｌ_maxは、以下のようにして算出される。
Ｌ_max＝Ｐ_max−２（ｔ_min−Ｗ_max／２）
＝Ｐ_max−２ｔ_min＋Ｗ_max

一方、同様の説明図である図４Ｃに示すように、凹部６ａ同士の間隔Ｐが最大値Ｐ_maxで、押出材５の幅ｔが最小値ｔ_minで、凹部６ａの幅Ｗが最大値Ｗ_maxであるとき、格子内寸法Ｌの最小値Ｌ_minは、以下のようにして算出される。
Ｌ_min＝Ｐ_max−Ｗ_max

押出材５の幅の公差を許容するように、凹部６ａの幅の公差を大きく設定した場合、凹部６ａの幅の最大公差と押出材５の幅の最小公差とを組み合わせると、使用済燃料を収納する格子内寸法の公差が大きくなり、未臨界維持設計を成立させるのが難しくなる。アルミニウム合金の押出材の場合、格子内寸法の最大公差は±３〜６ｍｍ程度となる。

そこで、押出材５同士が当接する部分である、嵌合部分６ｃを機械加工すると、機械加工された部分の公差を、押出材５の幅の公差の約１／１０程度にすることができる。これにより、機械加工された嵌合部分６ｃに嵌合される凹部６ａの幅の公差を小さくすることができるので、格子内寸法の最大公差を、押出材５の幅の公差程度に抑えることができる。よって、未臨界維持設計を好適に成立させることができる。アルミニウム合金の押出材の場合、機械加工された部分の公差を±０．１〜０．２ｍｍ程度にできるので、格子内寸法の最大公差を、押出材５の幅の公差である±１〜２ｍｍ程度に抑えることができる。

また、図３Ａに示すように、平板６の長手方向に沿った２つの端面６ｂが機械加工されている。押出材５に長手方向に曲がりやねじれが生じている場合、押出材５を組み合わせた際に、端面６ｂ同士の間に隙間が生じる場合がある。そこで、２つの端面６ｂを機械加工することで、端面６ｂ同士の間に隙間が生じるのを抑制することができる。これにより、端面６ｂ同士の間から中性子が漏れるのを抑制することができるので、未臨界維持設計を好適に維持することができる。

なお、嵌合部分６ｃおよび端面６ｂのどちらか一方のみ、または両方のみを機械加工するといったように、機械加工する部分を最小限に留めることで、材料の歩留まりの向上、および、コストの低減を図ることができる。

また、図２に示すように、バスケット１は、外縁側に位置する押出材５にボルト等で取り付けられたサポート部材９を更に有している。サポート部材９は、アルミニウム合金などを押出加工したものであって、バスケット１の中心軸に沿ってバスケット１の上端から下端にわたって配置されている。

サポート部材９は、図中、バスケット１の四隅にそれぞれ取り付けられた第１部材９ａと、図中上端および下端に取り付けられた第２部材９ｂと、図中右端および左端に取り付けられた第３部材９ｃと、からなる。これらサポート部材９は、バスケット１がキャスク１０内に挿入された際に、キャスク１０との隙間に配置される。

外縁側に位置する押出材５にサポート部材９を取り付けることで、バスケット１をキャスク１０内に挿入した際に、キャスク１０との隙間に配置されたサポート部材９によって、格子寸法がずれるのが抑制される。これにより、使用済燃料同士の間隔が好適に維持されるので、未臨界維持設計を好適に維持することができる。また、サポート部材９によってバスケット１の剛性が向上するので、キャスク１０が水平落下する事象における強度を好適に確保することができる。

また、バスケット１には、除熱機能が要求される。図１に示すように、使用済燃料の崩壊熱は伝熱フィン５１を介して外筒４５に伝わり、外部に放熱される。また、除熱機能においては、バスケット１からキャスク１０の胴に効率よく熱を伝えることが重要である。図２に示すように、キャスク１０とバスケット１との隙間にサポート部材９を配置することで、使用済燃料の崩壊熱はサポート部材９を介して容器本体４１に伝わり、外部に放熱される。これにより、キャスク１０の除熱機能を向上させることができる。

なお、サポート部材９がバスケット１の中心軸に沿って長尺に形成された構成であってもよいし、複数（例えば３個）に分割されたサポート部材９がバスケット１の中心軸に沿って並んで配置された構成であってもよい。サポート部材９が長尺に形成されている場合には、バスケット１の剛性を好適に向上させることができるが、長手方向に曲がったりねじれたりするため、外径寸法公差が大きくなるという問題がある。この点、分割されたサポート部材９を並べて配置することで、外径寸法公差を小さくすることができる。

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る使用済燃料輸送貯蔵キャスクのバスケット１によると、押出材５同士が当接する部分を機械加工することで、組立公差を低減させることができるので、押出材５同士を高い寸法精度で当接させることができる。これにより、バスケット１を形成して使用済燃料を格納した際に、使用済燃料同士の相互干渉を防止し、中性子による反応度を低くすることができるので、未臨界維持設計を好適に成立させることができる。

また、押出材５の表面における、幅方向の両側から２つの凹部６ａで挟まれた部分（嵌合部分）６ｃを機械加工する。押出材５同士を好適に組み合わせるためには、押出材５の幅の公差を許容するように、凹部６ａの幅の公差を大きく設定する必要がある。しかし、凹部６ａの幅の最大公差と押出材５の幅の最小公差とを組み合わせると、使用済燃料を収納する格子内寸法の公差が大きくなり、未臨界維持設計を成立させるのが難しくなる。そこで、押出材５同士が当接する部分である、嵌合部分６ｃを機械加工すると、機械加工された部分の公差を、押出材５の幅の公差の約１／１０程度にすることができる。これにより、機械加工された部分に嵌合される凹部６ａの幅の公差を小さくすることができるので、格子内寸法の最大公差を、押出材５の幅の公差程度に抑えることができる。よって、未臨界維持設計を好適に成立させることができる。

また、押出材５の幅方向の両端面６ｂを機械加工することで、押出材５の端面６ｂ同士を当接させた際に、端面６ｂ同士の間に隙間が生じるのを抑制することができる。これにより、端面６ｂ同士の間から中性子が漏れるのを抑制することができるので、未臨界維持設計を好適に維持することができる。

また、外縁側に位置する押出材５にサポート部材９を取り付けることで、バスケット１をキャスク１０内に挿入した際に、キャスク１０との隙間に配置されたサポート部材９によって、格子寸法がずれるのが抑制される。これにより、使用済燃料同士の間隔が好適に維持されるので、未臨界維持設計を好適に維持することができる。また、サポート部材９によってバスケット１の剛性が向上するので、キャスク１０が水平落下する事象における強度を好適に確保することができる。また、使用済燃料の崩壊熱を、サポート部材９を介して容器本体４１に伝えて、外部に放熱することができるので、キャスク１０の除熱機能を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ バスケット
３ バスケット格子
５ 押出材
６ 平板
６ａ 凹部
６ｂ 端面
６ｃ 嵌合部分
７ リブ
９ サポート部材
１０ キャスク
４１ 容器本体
４２ 蓋
４３ 一次蓋
４５ 外筒
４６ 側部中性子遮蔽材
４７ 胴
５１ 伝熱フィン
５２ 二次蓋
５３ 蓋部中性子遮蔽材
５４ 密封監視装置
５５ トラニオン

Claims (4)

1. 押出材が複数組み合わされることで格子状に形成された、使用済燃料輸送貯蔵キャスクに使用されるバスケットにおいて、
   前記押出材の幅方向の両端面の各々には、前記押出材同士を嵌合させる凹部が複数形成されており、
   前記押出材同士が当接する部分の厚みが所定の寸法になるように、当該部分の外表面が切削されており、
   切削されている前記部分は、前記押出材の表面における、前記幅方向の両側から２つの前記凹部で挟まれた部分であることを特徴とする使用済燃料輸送貯蔵キャスクのバスケット。
2. 切削されている前記部分は、前記押出材の前記両端面であることを特徴とする請求項１に記載の使用済燃料輸送貯蔵キャスクのバスケット。
3. 外縁側に位置する前記押出材に取り付けられ、前記使用済燃料輸送貯蔵キャスク内に挿入された際に前記使用済燃料輸送貯蔵キャスクとの隙間に配置されるサポート部材を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の使用済燃料輸送貯蔵キャスクのバスケット。
4. 押出材を複数組み合わせることで格子状に形成される、使用済燃料輸送貯蔵キャスクに使用されるバスケットの製造方法において、
   前記押出材の幅方向の両端面の各々に、前記押出材同士を嵌合させる凹部を複数形成する工程と、
   前記押出材同士が当接する部分の厚みが所定の寸法になるように、当該部分の外表面を切削する工程と、
   を有し、
   前記押出材の表面における、前記幅方向の両側から２つの前記凹部で挟まれた部分の外表面を切削することを特徴とする使用済燃料輸送貯蔵キャスクのバスケットの製造方法。

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