JP6591310B2

JP6591310B2 - 使用済燃料貯蔵ラック

Info

Publication number: JP6591310B2
Application number: JP2016031997A
Authority: JP
Inventors: 和渡邉; 片山　洋; 洋片山; 直長坂
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2036-02-23
Also published as: JP2017150880A

Description

本発明の実施形態は原子力発電所の使用済燃料プールに設置される使用済燃料貯蔵ラックに関する。

原子力発電所では、原子炉の炉心において所定期間使用した使用済燃料集合体を炉心から取り出した後、原子炉建屋内の使用済燃料プール内に設置された使用済燃料貯蔵ラックに収納される。使用済燃料貯蔵ラックは、発熱体である使用済燃料集合体が臨界に達しないように冷却して保管する機能を有するとともに、地震荷重に対して破損又は転倒を防止する手段が施されている。

従来の使用済燃料貯蔵ラックの設置方式には、使用済燃料プールのプール底面にアンカーボルトで固定する固定式と、アンカーボルトで固定しない自立式とがある。

固定式の使用済燃料貯蔵ラックでは、地震時の転倒モーメントによりアンカーボルトに大きな引張荷重が作用するため、この引張荷重を低減させてプール底面のコンクリート強度に十分な裕度を持たせる必要がある。

一方、自立式の使用済燃料貯蔵ラックにおいては、アンカーボルトの引張荷重による損傷の可能性が無く、据付け・取外しが簡便になるという利点があるが、プール底面に固定されないために、滑り、浮き上がり又はロッキング等が生じ、使用済燃料貯蔵ラックが互いに、又は使用済燃料プール内の機器や使用済燃料プールの壁に接触衝突し破損する可能性がある。

特開２００３−３５７９４号公報

上述した従来の自立式の使用済燃料貯蔵ラックは、アンカーボルトの引張荷重によるプール底面のコンクリートの損傷が起こらないため、使用済燃料プールの底面に強度上の裕度を確保できる。

しかしながら、地震時には、使用済燃料貯蔵ラックの滑り、浮き上がり、ロッキング、鉛直軸周りの回転及び／又は衝突などの複雑な挙動が生じるため、耐震評価が困難になるという課題があった。

また、従来の使用済燃料貯蔵ラックでは、地震等による変位量を考慮し、隣接する使用済燃料貯蔵ラックの間隔を広くする必要があるため、使用済燃料貯蔵ラックの設置スペースが大きくなるという課題があった。

本発明に係る実施形態は、上述課題を解決するためになされたもので、地震時において使用済燃料貯蔵ラックによるプール底面のコンクリート及び使用済燃料貯蔵ラック自体の損傷を防止することができる使用済燃料貯蔵ラックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックは、燃料集合体が収容される格子状の複数のセルと、前記セルの下部に設けられ燃料プールのプール底面に載置される筐体状のベース部材と、を備える使用済燃料貯蔵ラックであって、前記プール内壁又は前記プール内壁に固定された構造物と前記ベース部材の側板との間に介在し、前記ベース部材に予荷重を負荷する弾性部材と、前記予荷重を調整する予荷重調整部材と、を有することを特徴とする。
また、本発明の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックは、燃料集合体が収容される格子状の複数のセルと、前記セルの下部に設けられ燃料プールのプール底面に載置される筐体状のベース部材と、を備える使用済燃料貯蔵ラックであって、前記プール内壁又は前記プール内壁に固定された構造物と前記ベース部材の底板との間に介在し、前記ベース部材に予荷重を負荷する弾性部材と、前記予荷重を調整する予荷重調整部材と、を有し、前記予荷重調整部材は、前記ベース部材の底板に設けられた貫通孔に遊嵌し前記プール底面に固定されたアンカーボルトと、前記アンカーボルトに螺合し上下動可能なナットと、前記ナットの下面に設けられ前記ナットとともに上下動可能な荷重受け具と、前記荷重受け具の下面と前記底板の間に設けられた弾性部材と、からなり、前記弾性部材の下端部に座金を設け、前記座金と前記底板の間、及び／又は前記底板とプール底面との間に摩擦材を配置したことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、地震時において使用済燃料貯蔵ラックによるプール底面のコンクリートの損傷及び使用済燃料貯蔵ラック自体の損傷を防止することができる。

第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックの断面構成図。第１の実施形態に係る予荷重調整部材の断面構成図。第１の実施形態の変形例に係る予荷重調整部材の配置例を示す図。第２の実施形態に係る予荷重調整部材の断面構成図。（ａ）〜（ｄ）は第３の実施形態に係るベース部材の配置例を示す図。

以下、本発明に係る使用済燃料貯蔵ラックの実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックについて、図１〜図３及び図５を参照して説明する。

（全体構成）
第１の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラック２は、図１及び図５に示すように、格子状に区画された複数のセル４から構成され、使用済燃料プール３内に配置される。使用済燃料貯蔵ラック２の各セル４には使用済燃料集合体１が収容され、使用済燃料集合体１を冷却して未臨界状態に維持する。

使用済燃料貯蔵ラック２を構成する複数のセルのうち、所定数のセル４ａの下端には筐体状のベース部材６が設けられて、使用済燃料貯蔵ラック２はこのベース部材６を介してプール底面５上に設置される。また、ベース部材６の内部には予荷重調整部材８が設けられている。なお、ベース部材６が設けられたセル４ａの配置構成については後述する。

（ベース部材６の構成）
ベース部材６は、図２に示すように、側板６Ａと底板６Ｂを溶接により接続した筐体構造で、上部が使用済燃料貯蔵ラック２の下面に溶接等により固定され、下部はプール底面５上に載置されている。また、底板６Ｂには、使用済燃料プール３の底部コンクリートに埋め込まれたアンカーボルト７が遊嵌される貫通孔６Ｃが設けられている。

（予荷重調整部材８の構成）
予荷重調整部材８は、図２に示すように、アンカーボルト７に螺合結合する逆錐状の荷重受け具９と、荷重受け具９と側板６Ａの間に配置された複数の弾性部材１０と、から構成される。
弾性部材１０は、一端に錐状の内周面を有する嵌合部材１０ａが取り付けられ、他端は側板６Ａに固定される。

荷重受け具９は、その形状が逆円錐状であり、その中心にはアンカーボルト７に螺合するねじ穴が設けられ、荷重受け具９を公知の回転治具（図示せず）により回転させることで荷重受け具９が上下動する。荷重受け具９の外周面は嵌合部材１０ａと摺動可能に接触し、荷重受け具９が上下動すると、嵌合部材１０ａが左右に移動することで弾性部材１０のバネ定数を変更することができる。これにより、ベース部材６（側板６Ａ）に対する水平方向の予荷重を所望の大きさに適宜調整することが可能となる。

具体的には、この予荷重は、設計上想定する最大の地震力により使用済燃料貯蔵ラック２が共振した際にベース部材６から弾性部材１０へ伝わる水平方向の荷重よりもやや大きい値に設定することが望ましい。

（作用）
このように構成された本実施形態において、設計上想定する地震力の範囲では、使用済燃料貯蔵ラック２が共振した際にベース部材６から弾性部材１０へ伝わる水平方向の荷重が予荷重を超えないため、ベース部材６の底板６Ｂがプール底面５に対して滑ることがない。一方、過大な地震力が加わった場合には、使用済燃料貯蔵ラック２が共振した際にベース部材６から弾性部材１０へ伝わる水平方向の荷重が予荷重を超えるため、底板６Ｂがプール底面５上を滑る。

なお、一般に使用済燃料貯蔵ラック２の１次固有振動数は十数Ｈｚで、滑りによる使用済燃料貯蔵ラック２の下端部の変位量は数ミリ程度である。

（効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、ベース部材６の内部に予荷重調整部材８を配置したことにより、設計上想定する地震力の範囲では使用済燃料貯蔵ラック２が共振した際にベース部材６の底板６Ｂが滑ることがなく、設計上想定する地震力の範囲を超えた場合には使用済燃料貯蔵ラック２がプール底面５上を滑る。これにより、プール底面５のコンクリートや使用済燃料貯蔵ラック２に過大な負荷がかかることを抑制できる。また、自立式に比較して使用済燃料貯蔵ラック２が滑りにくくなり、また滑りによる移動量が抑制されるため、使用済燃料貯蔵ラック２同士の衝突、又は使用済燃料プール３のプール側壁１１との衝突等の発生を抑制することができる。

（変形例）
上述した実施形態では、所定のセル４ａの下部に設けられたベース部材６の内部に予荷重調整部材８を配置するものであるが、図３に示すように、隣接する使用済燃料貯蔵ラック２の間、及び使用済燃料プール３のプール側壁１１との間に本実施形態に係る予荷重調整部材８を配置してもよい。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックについて、図４を参照して説明する。
上記第１の実施形態では、予荷重調整部材８は側板６Ａに水平方向の予荷重を負荷しているが、本第２実施形態では、予荷重調整部材１２は底板６Ｂに垂直方向の予荷重を負荷する構成としている。

（構成）
本第２の実施形態の予荷重調整部材１２は、アンカーボルト７に螺合するナット１３と、ナット１３の下面に取り付けられた座金状の荷重受け具１５と、上端が荷重受け具１５の下面に取り付けられ、下端が円環状の座金１４ａに取り付けられた弾性部材１４と、から構成される。このうち、座金１４ａは底板６Ｂ上に載置される。

荷重受け具１５は、ナット１３を公知の回転治具（図示せず）により回転させることで上下動し、弾性部材１４のバネ定数を変更することができる。これにより、ベース部材６に対する垂直方向の予荷重を所望の大きさに適宜調整することで、ベース部材６の底板６Ｂの滑りを抑制することが可能となる。

具体的には、この予荷重は、設計上想定する最大の地震力によって、使用済燃料貯蔵ラック２が共振した際にベース部材６が滑るのを抑制できる値よりもやや大きい値に設定することが望ましい。

（変形例）
本変形例では、底板６Ｂとプール底面５の間に摩擦係数の大きい摩擦材を介在させる（例えば、底板６Ｂとプール底面５の何れかまたは両方に摩擦材を貼り付ける）、底板６Ｂとプール底面５の何れかまたは両方を粗面加工する、底板６Ｂに摩擦係数が高い材料を用いる等して、使用済燃料貯蔵ラック２を滑りにくくする。これにより、設計上の想定以下の地震力に対し底板６Ｂが滑るのを防止することができる。また、座金１４ａと底板６Ｂを、同様に摩擦材を介在させる、粗面加工、摩擦係数が高い材料の採用等の同様の措置を行って滑りにくくしてもよい。

（作用）
このように構成された本実施形態において、設計上想定する地震力の範囲では、使用済燃料貯蔵ラック２が共振した際にベース部材６の底板６Ｂは、垂直方向の予荷重により滑ることがない。
過大な地震力が加わった場合には、使用済燃料貯蔵ラック２が共振した際に底板６Ｂがプール底面５を数ミリ程度滑る。

（効果）
本第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様に、過大な地震力がかかった場合は使用済燃料貯蔵ラック２がプール底面５上を滑ることで大きい負荷がかかることがなく、また使用済燃料貯蔵ラック２の滑りを最小限に抑制することで、プール底面５のコンクリートの損傷、使用済燃料貯蔵ラック２同士の衝突、又は使用済燃料プール３のプール側壁１１との衝突等を防止することができる。

また、変形例で示したように座金１４ａとプール底面５の摩擦係数を高めることで設計上の自由度を高めることができ、また座金１４ａと底板６Ｂとの接触面積や、弾性部材１４による付勢力を小さくしても所望の摩擦力を得えられるため、座金１４ａと弾性部材１４の小型化が可能となる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る使用済燃料貯蔵ラックについて、図５を参照して説明する。
本実施形態では、上記第１及び第２の実施形態で説明したベース部材６の配置構成について説明する。

使用済燃料貯蔵ラック２は格子状に区画された複数のセル４から構成されるが、そのうち、各実施形態に係るベース部材６が取り付けられるセル４ａの配置例を図５（ａ）〜（ｄ）に示す。

図５（ａ）では、各実施形態に係るベース部材６は使用済燃料貯蔵ラック２の４隅に配列された複数のセル４ａ（☆印）に設けられる。
図５（ｂ）では、各実施形態に係るベース部材６は使用済燃料貯蔵ラック２の対角線上の２隅に配列された複数のセル４ａ（☆印）に設けられ、他の２隅の複数のセル４ａ（○印）には従来のアンカーボルトによる固定手段が用いられている。

図５（ｃ）では、各実施形態に係るベース部材６は使用済燃料貯蔵ラック２の１隅に配列された複数のセル４ａ（☆印）に設けられ、他の３隅の複数のセル４ａ（○印）には従来のアンカーボルトによる固定手段が用いられている。

図５（ｄ）では、各実施形態に係るベース部材６は使用済燃料貯蔵ラック２の４隅に配列された複数のセル４ａのうち、中心に近い複数のセル４ａ（☆印）に設けられ、外側の複数のセル４ａ（○印）には従来のアンカーボルトによる固定手段が用いられている。

このように、本実施形態に係るベース部材６は、種々の形態で配置することが可能であり、また、アンカーボルトによる固定手段と併用することで、それぞれの制震機能及び免震機能を組み合わせた使用済燃料貯蔵ラック２を構成することができる。

特に、図５（ｄ）に示す例では、転倒モーメントの影響が小さくせん断力の影響が大きい中心側に各実施形態に係るベース部材６を配置することで使用済燃料貯蔵ラック２が滑り始める荷重を精度良く調整することができる。

以上、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。これら新規な実施形態は、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、組み合わせ、置き換え、変更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ともに、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。例えば、第１の実施形態と第２の実施形態のベース部材両方を有する使用済燃料貯蔵ラックであってもよい。

１…使用済燃料集合体、２…使用済燃料貯蔵ラック、３…使用済燃料プール、４…セル、５…プール底面、６…ベース部材、６Ａ…側板、６Ｂ…底板、６Ｃ…貫通孔、７…アンカーボルト、８…予荷重調整部材、９…荷重受け具、１０…弾性部材、１０ａ…嵌合部材、１１…プール側壁、１２…予荷重調整部材、１３…ナット、１４…弾性部材、１４ａ…座金、１５…荷重受け具

Claims

燃料集合体が収容される格子状の複数のセルと、前記セルの下部に設けられ燃料プールのプール底面に載置される筐体状のベース部材と、を備える使用済燃料貯蔵ラックであって、
前記プール内壁又は前記プール内壁に固定された構造物と前記ベース部材の側板との間に介在し、前記ベース部材に予荷重を負荷する弾性部材と、
前記予荷重を調整する予荷重調整部材と、を有することを特徴とする使用済燃料貯蔵ラック。
前記予荷重調整部材は、前記ベース部材の底板に設けられた貫通孔に遊嵌し前記プール底面に固定されたアンカーボルトと、前記アンカーボルトに螺合し上下動可能な逆錐状の荷重受け具と、前記荷重受け具と前記側板の間に設けられた弾性部材と、からなることを特徴とする請求項１記載の使用済燃料貯蔵ラック。
前記燃料貯蔵ラックの４隅にある複数のセルのうち、少なくとも１隅にある複数のセルに前記ベース部材を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の使用済燃料貯蔵ラック。
燃料集合体が収容される格子状の複数のセルと、前記セルの下部に設けられ燃料プールのプール底面に載置される筐体状のベース部材と、を備える使用済燃料貯蔵ラックであって、
前記プール内壁又は前記プール内壁に固定された構造物と前記ベース部材の底板との間に介在し、前記ベース部材に予荷重を負荷する弾性部材と、
前記予荷重を調整する予荷重調整部材と、を有し、
前記予荷重調整部材は、前記ベース部材の底板に設けられた貫通孔に遊嵌し前記プール底面に固定されたアンカーボルトと、前記アンカーボルトに螺合し上下動可能なナットと、前記ナットの下面に設けられ前記ナットとともに上下動可能な荷重受け具と、前記荷重受け具の下面と前記底板の間に設けられた弾性部材と、からなり、
前記弾性部材の下端部に座金を設け、前記座金と前記底板の間、及び／又は前記底板とプール底面との間に摩擦材を配置したことを特徴とする使用済燃料貯蔵ラック。
前記燃料プールに複数の使用済燃料貯蔵ラックを配置し、当該複数の使用済燃料貯蔵ラックの間、及び／又は前記使用済燃料貯蔵ラックと前記使用済燃料プールのプール側壁との間に前記ベース部材を配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の使用済燃料貯蔵ラック。