JP6826343B2 - 使用済み核燃料集合体収納容器及びその集合体 - Google Patents

Description

本発明は使用済み核燃料集合体を内蔵したキャスク(放射性物質収納容器)を貯蔵や保管等するための使用済み核燃料集合体収納容器とその集合体に関する。

従来、放射性汚染物質を収納して安全に保管する収納容器として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された収納容器では、収納空間内に放射性汚染物質を収納した略六角柱の容器の各外側面に凹部と凸部を交互に形成している。そして、複数の放射性汚染物質収納容器を配列した際、一の収納容器の凹部に他の収納容器の凸部を嵌合させて略六角柱の容器の各外側面を互いに当接させてハニカム構造に配列して貯蔵等していた。

これに対し、放射性汚染物質と違って、反応炉で使用した使用済み核燃料集合体は、使用直後は例えば３００℃以上と高温であるため、３〜５年程度プールの水中に保管され、周囲温度が例えば１００℃以下になった状態で乾式貯蔵容器内に保管するようにしている。
乾式貯蔵容器として、例えば複数の使用済み核燃料棒を連結した燃料集合体を収納した略円筒形状の金属キャスクが知られている。これら多数の金属キャスクは、内部に収納された核燃料集合体が水中保管後であっても反応しているために高温状態である。そのため、強固で耐震性があり放射線遮蔽能力のある建屋内に間隔を開けて並列に貯蔵していた。
また、別の乾式貯蔵手段として、遮蔽能力のある略円筒形のコンクリート製のキャスク内に核燃料集合体を収納したものを、屋外に間隔を開けて並べる手段が知られている。

わが国では、使用済み核燃料集合体を保管する場合、敷地境界における放射線の線量を年間１ミリシーベルト以下の許容値に抑える必要性がある。そこで、敷地の広さ等の制約を考慮して、多数の金属キャスクを放射線を遮蔽する建屋内に保管する貯蔵方法がとられている。
しかし、使用済み核燃料集合体であっても反応して金属キャスクが高温になるため、特許文献１に記載された放射性汚染物質のように密閉した貯蔵容器に収納して互いに密着させて保管することは困難であった。また、使用済み核燃料集合体を収納した金属キャスクを、耐震性と遮蔽能力のある建屋を設けて分散して貯蔵することはコスト高である上に、建屋を設ける敷地の取得に費用が掛かるという欠点があった。

そこで、本発明者らは金属キャスクを収納した略六角形筒状の使用済み核燃料集合体収納容器の外側面に凹部を形成して外部冷却通路とし、内部に形成した内部冷却通路と収納容器を貫通する給気路を介して連通して冷却する技術を、特願２０１５−０９２２３３号出願を以て提案した。この収納容器は外側面同士を互いに当接させたハニカム構造に配列し、外気（冷却空気）を外部冷却通路と内部冷却通路に通して金属キャスクを冷却している。

特許第５２０５５４０号公報

しかしながら、上述したハニカム構造の使用済み核燃料集合体収納容器を採用した場合、地震による津波や洪水等が発生した場合、冷却空気の通路である給気路を通して泥水等が収納容器内に侵入し、給気路や内部冷却通路が閉塞されてしまう欠点があった。しかも、閉塞された給気路や収納容器の内部に侵入した泥等を掻き出すことは困難であった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、容器本体の内部と外部を連通する給気路が泥等で詰まったとしても取り除いて冷却流路として使用できるようにした使用済み核燃料集合体収納容器とその集合体を提供することを目的とする。

本発明による使用済み核燃料集合体収納容器は、使用済み核燃料集合体が収納されたキャスクと、内部空間にキャスクを収納して底部に設置させた略六角筒形状の容器本体と、容器本体の外側面に形成されていて外部冷却通路を形成する凹部と、キャスク及び容器本体の内側面の間に形成された内部冷却通路と、外部冷却通路及び内部冷却通路を連通していて冷却空気を内部冷却通路に供給する給気路と、容器本体における底部の下側で外部に貫通して形成されていて底部を貫通する連通路を介して内部冷却通路に連通している、人が出入り可能な進入通路と、を備えたことを特徴とする。
本発明による使用済み核燃料集合体収納容器によれば、外部の冷却空気は外部冷却通路及び給気路を介して内部冷却通路に供給され、また進入通路を介して内部冷却通路に供給されるため、キャスクを効率よく冷却できる。しかも、津波や洪水等で泥等が給気路や進入通路を介して容器本体内に侵入して詰まったりしたとしても、進入通路に作業者が進入して排除機等で泥等を掻き出し、更に連通路を介して内部冷却通路や給気路に溜まった泥等を掻き出すことができる。

また、進入通路は、容器本体の複数または全ての外側面または角部を貫通して形成されていることが好ましい。
進入通路は容器本体の外側面や角部を貫通して形成されているため、他の容器本体の進入通路に連通させることができ、冷却空気の流入や内部空間に埋設された泥の排出を行える。

本発明による使用済み核燃料集合体収納容器の集合体は、上述したいずれかの使用済み核燃料集合体収納容器の容器本体の外側面同士を当接させてハニカム構造に複数配列されており、隣り合う容器本体は進入通路が互いに連通していることを特徴とする。
使用済み核燃料集合体収納容器をハニカム構造に複数配列させた集合体では、外側に配列された収納容器の進入通路から内側に配列された収納容器の進入通路まで進入通路が互いに連通しているので、外部の冷却空気の流通と洪水や津波等で侵入した泥等の進入通路を介した掻き出しを確実に行える。

本発明による使用済み核燃料集合体収納容器によれば、外部の冷却空気が容器本体の給気路や進入通路を介して容器本体の内部冷却通路に供給されてキャスクを効率的に冷却できる。また、津波や洪水等で容器本体の給気路や進入通路を介して泥水等が容器本体内に侵入して詰まったり堆積したりしたとしても、進入通路内や給気路や内部冷却通路内の泥等を進入通路を通して作業者が進入して掻き出すことができる。

また、本発明による使用済み核燃料集合体収納容器の集合体によれば、複数の使用済み核燃料集合体収納容器をハニカム構造に配列した状態で、外側の進入通路を通して冷却空気を内部の容器本体の進入通路に供給してキャスクを冷却できる。また、進入通路内や給気路や内部冷却通路内の泥等を進入通路を通して作業者が進入して掻き出すことができる。

本発明の実施形態による使用済み核燃料集合体収納容器の斜視図である。 図１に示す使用済み核燃料集合体収納容器の正面図である。 図１に示す使用済み核燃料集合体収納容器のＡ−Ａ線縦断面図である。 （ａ）は図２に示す使用済み核燃料集合体収納容器の平面図、（ｂ）は同じく使用済み核燃料集合体収納容器のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は同じく使用済み核燃料集合体収納容器のＣ−Ｃ線断面図である。 図２に示す使用済み核燃料集合体収納容器のＤ−Ｄ線断面図である。 ハニカム構造に配列した実施形態による使用済み核燃料集合体収納容器の集合体の一部を示す平面図である。 変形例による使用済み核燃料集合体収納容器の図５と同様な断面を示す図である。

以下、本発明の実施形態による使用済み核燃料集合体収納容器１と当該収納容器１の集合体２５について説明する。
図１乃至図３に示す使用済み核燃料集合体収納容器１は、原子炉での反応を終えた燃料棒を集合させた使用済み核燃料集合体を内部に収納したキャスク(放射性物質収納容器)として例えば金属製のキャスク２(以下、金属キャスク２という)を用い、容器本体３内に収納した。容器本体３は例えばコンクリート製で略六角形筒状を形成している。
使用済み核燃料集合体を収納した金属キャスク２は概略で例えば円筒形状を有している。本発明は、使用済み核燃料集合体収納容器１の集合体２５を建築物等に収納しなくても屋外であっても場所をとらずに効率的に保管できるようにしたものであるが、建築物等の屋内に設置してもよい。

使用済み核燃料集合体収納容器１の容器本体３は、金属キャスク２を載置する略六角形板状の基台５と、基台５の上部に設置されていて外側面６ａと内側面６ｂを有する略六角形筒状に形成されている側筒部６と、側筒部６の上部に設置された略六角形板状の蓋部７とを有している。なお、内側面６ｂは金属キャスク２の外形に沿った略円筒状に形成されているが、六角形筒状等に形成されてもよい。容器本体３において、基台５と側筒部６と蓋部７で仕切られた内部空間Ｋ内に金属キャスク２が設置されている。
容器本体３の側筒部６において、金属キャスク２を収納する略六角形筒状の上部は開口６ｃを形成している。この開口６ｃに蓋部７が載置されてボルトや凹凸嵌合部等によって側筒部６の上部に固定されている。蓋部７は必要に応じて側筒部６の上面から取り外し可能とされている。

容器本体３のこれら基台５と側筒部６と蓋部７はいずれも使用済み核燃料集合体から放出される中性子等の放射線を遮蔽する能力のあるコンクリートでできている。なお、容器本体３は放射線の遮蔽能力があればコンクリート以外の材質のものを用いてもよい。
容器本体３の側筒部６の内部において、基台５上に金属キャスク２を載置させる底部８が形成されている。これによって、金属キャスク２から放射される放射線を容器本体３によって遮蔽できる。

容器本体３の側筒部６は正六角筒に近い６面の外側面６ａを有しており、各外側面６ａはその幅方向の中央部に凹部１０が形成されている。この凹部１０は外側面６ａの上端から下方の基台５の近傍まで長手方向に形成されている。凹部１０は蓋部７の外側面７ａにも延長して形成されている。凹部１０は容器本体３の外側面６ａに形成した外部冷却通路１０Ａを構成しており、各外側面６ａにおいて外気が凹部１０に沿って上側と下側との間を流通することで容器本体３を通して金属キャスク２を冷却できる。

また、容器本体３の側筒部６の内部空間Ｋ内において、底部８に着座された金属キャスク２と側筒部６の内側面６ｂと蓋部７との間の間隙Ｋ１は略円筒状（または六角形筒状）を形成している。この間隙Ｋ１は内部冷却通路１２を形成する。
外側面６ａの凹部１０の下端部には内側面６ｂに連通する給気口からなる給気路１３が径方向に形成されている。給気路１３は外部冷却通路１０Ａと内部冷却通路１２の各下端部で連通している。各給気路１３は内部冷却通路１２から放射状に径方向外側に延びて各外側面６ａにおける凹部１０でそれぞれ開口する構成を有している。

略六角形板状の蓋部７において、上面７ｃの各角部に対向する位置に内部冷却通路１２と外気を連通する排気口からなる排気路１４が形成されている。給気路１３は側筒部６における各外側面６ａの下端部に形成され、排気路１４が蓋部７の各角部に対向する位置に形成されている。そのため、内部冷却通路１２を流れる冷却空気が斜めに捩じれて流れるため拡散され、金属キャスク２の外周面の冷却を促進できる。
蓋部７に設けた排気路１４は角部に対向する位置に設けたことで、蓋部７の強度を確保できる。しかし、排気路１４の排気口は蓋部７の外側面７ａに対向する位置、即ち給気路１３の真上に形成されていてもよく、蓋部７の任意の位置に形成できる。

図３、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、蓋部７には各外側面７ａに対向する内面７ｂから間隙Ｋ１内にアーム部１６が垂下している。このアーム部１６には例えばボルトからなるストッパ１７が進退可能に螺合されている。そのため、ストッパ１７は周方向に６０°間隔で配置されている。ストッパ１７の先端が金属キャスク２の外周面に近接していることで、金属キャスク２が地震等で振動したり内側面６ｂに衝突したりすることを防止できる。なお、ストッパ１７の先端を金属キャスク２の外周面に当接させて保持してもよい。
ストッパ１７は例えば高温に耐える金属を用いることが好ましい。常態において、ストッパ１７と金属キャスク２との間に例えば１０〜１５ｍｍ程度の微細な間隙が形成されていることが好ましい。なお、ストッパ１７は必ずしも蓋部７の内側面６ｂに約６０°間隔で６本設置しなくてもよく、少なくとも１２０°間隔で３本、または適宜間隔で４本以上設置していてもよい。図４（ａ）に示す蓋部７の平面図で、排気路１４とアーム部１６が例えば略３０°の等間隔で交互に設置されている。

容器本体３の側筒部６の下部に設けた基台５において、その上面に形成された底部８上に金属キャスク２が載置されている。基台５では、図５に示すように、略六角形筒状の各外側面５ａの例えば中央から基台５の中心を通って対向する他の外側面に連通する貫通孔からなる進入通路２０が形成されている。進入通路２０は内部に侵入した泥等を掻き出す作業ができるように作業者が例えば腹這い状態で進退できる程度の内部の大きさを有している。しかも、スクリューコンベア等の泥等の排除機も挿入可能とされている。
本実施形態では、図５に示すように進入通路２０は略六角形筒状をなす基台５の対向する外側面５ａの間を貫通して直線状に形成されており、等間隔で３本、互いに交差して形成されている。これら３本の進入通路２０の交差部に交差空間２０ａが形成されている。基台５の各外側面５ａに進入通路２０の出入口２０ｂが形成されている。進入通路２０は断面略四角形等の多角形でもよいし断面略円形でもよいし、その断面形状は適宜形成できる。

進入通路２０は出入口２０ｂ以外にその下面が地盤や床面に開口部２０ｃとして開口されていてもよいし、或いは閉塞されていてもよい。図３に示すように、進入通路２０の下面に開口部２０ｃが形成されていれば泥等の外部への掻き出しが容易になる。
図３において、進入通路２０の上部には底部８のコンクリート厚を貫通する貫通孔を介して内部冷却通路１２に連通する連通路２１が形成されている。この連通路２１は各進入通路２０毎に交差空間２０ａの両側に１つずつ形成してもよいが、本実施形態では図４（ｃ）に記載のように２本の進入通路２０に各２つずつ４個の連通路２１を形成している。この連通路２１の内部の大きさは作業者や排除機等が通過できる程度のものとする。

また、使用済み核燃料集合体収納容器１は容器本体３が略六角形筒状であるため、図６に示すように、これらの各外側面６ａ同士を当接させてハニカム構造に密着して配列させることで使用済み核燃料集合体収納容器１の集合体２５を構築できる。この場合、３つの容器本体３の外側面６ａ，５ａ同士がハニカム状に互いに密着しているため、作業者は外側に配設された容器本体３の進入通路２０の外側の出入口２０ｂから内部に進入すると基台５の外側面５ａを介して他の容器本体３の進入通路２０内に移動することができる。そのため、給気路１３や進入通路２０を通って容器本体３内に侵入した泥等を作業者が排除機等を使って、または手作業で排除できる。

また、図２及び図４（ａ）において、蓋部７の上面７ｃにおける１の排気路１４では排気路１４より内径の大きい点検孔２３を設置していてもよい。点検孔２３は作業者が通過できる程度の内径を有している。この点検孔２３に重ねて開閉可能なブロック２４を設置してもよい。このブロック２４は例えばコンクリート等で形成されており、排気路１４を形成する排気口が形成されている。
点検時には、揚重機等でブロック２４を除去して蓋部７の点検孔２３を通して中に点検者が梯子等を利用して入り、金属キャスク２や容器本体３の内部を点検することができる。或いは、蓋部７にブロック２４や点検孔２３を設けずに排気路１４を形成し、下部の進入通路２０から連通路２１を介して内部冷却通路１２内に点検者が進入してもよい。この場合も同様な点検を行うことができる。

本実施形態による使用済み核燃料集合体収納容器１は上述した構成を有しており、次に使用済み核燃料集合体収納容器１の組立方法の１例について、図１及び図３を参照して説明する。
本実施形態による使用済み核燃料集合体収納容器１は、例えば屋外の地盤上や屋内の床面上に基台５を設置する。基台５の上面の底部８の中央に金属キャスク２を載置する。次に、金属キャスク２の周囲に略六角形筒状の側筒部６を被せて基台５に設置し、ねじ止め等で基台５に固定する。側筒部６の上面に蓋部７を設置してねじ等で側筒部６に固定する。こうして、使用済み核燃料集合体収納容器１の組立が完了する。

得られた複数の使用済み核燃料集合体収納容器１における各容器本体３の外側面６ａ，５ａ同士を互いに当接させて密接配列することで、図６に示すように、ハニカム構造の集合体２５を形成することができる。
使用済み核燃料集合体収納容器１の集合体２５は、図６に示すように、使用済み核燃料集合体収納容器１の容器本体３同士を外側面６ａ，５ａ同士で当接することで、各外側面６ａに設けた一対の凹部１０によって外部に開放する外部冷却通路１０Ａが形成される。しかも、各外側面６ａにおける凹部１０には内部冷却通路１２に連通する給気路１３が開口している。

そして、使用済み核燃料集合体収納容器１の集合体２５において、隣り合う容器本体３同士の外側面６ａの凹部１０で形成した外部冷却通路１０Ａを通過する冷気は冷却空気としてそれぞれの給気路１３を通して容器本体３内の内部冷却通路１２に供給される。この冷気が内部冷却通路１２を上昇することで金属キャスク２の外周面を冷却し、加温された冷却空気は蓋部７に形成した排気路１４を通って外気に排出される。
しかも、容器本体３の基台５に形成した進入通路２０からも外気が冷却空気として進入する。進入通路２０は集合体２５の複数の容器本体３をハニカム構造に配列した各基台５内の進入通路２０に互いに連通している。そのため、容器本体３の密接配列に関わらず、外側の進入通路２０を通して複数の容器本体３全体に冷却空気を行き渡らせる。各進入通路２０を流れる冷却空気は各容器本体３内で連通路２１を介して内部冷却通路１２内に流れるため、金属キャスク２を一層効率よく冷却できる。

ここで、地盤や床面上に設置された実施形態による使用済み核燃料集合体収納容器１の集合体２５が津波や洪水等に襲われると、泥等が各容器本体３の外側面６ａの凹部１０に形成された給気路１３を通って内部空間Ｋ内に流れて内部冷却通路１２を埋める。また、容器本体３の基台５内の進入通路２０も出入口２０ｂを通して泥等が侵入して内部を埋める。すると、外部冷却通路１０Ａ、給気路１３、容器本体３内の内部冷却通路１２や進入通路２０は泥で埋まり、外気による金属キャスク２の冷却ができなくなる。

この場合、作業者がスクリューコンベア等の排除機と共に出入口２０ｂから進入通路２０内に進入して埋設された泥等を掻き出すことができる。進入通路２０は他の容器本体３内にも連通しているため、洪水や津波等による泥等がハニカム構造の中央付近の容器本体３にまで到達して堆積したとしても作業者が各容器本体３の進入通路２０内を進んで排除機等で外部に排出できる。
しかも、進入通路２０内に進入した作業者は基台５の天井に設けた底部８の各連通路２１を介して内部冷却通路１２内に進入できるため、給気路１３や内部冷却通路１２内に溜まった汚泥等も排除機等を使って排出することができる。或いはスコップ等を使用して手作業で泥等を排出してもよい。

上述のように本実施形態による使用済み核燃料集合体収納容器１とその集合体２５によれば、容器本体３内の底部８に載置した金属キャスク２を給気路１３から内部冷却通路１２に侵入する冷却空気で冷却すると共に、その下の基台５の進入通路２０に供給される冷却空気を、底部８を貫通する連通路２１を介して内部冷却通路１２に供給して金属キャスク２を冷却できる。しかも、進入通路２０は集合体２５の各容器本体３内に連通して冷却空気を送風できるため、一層、金属キャスク２の冷却効率が高いという利点がある。
また、津波や洪水等で給気路１３や進入通路２０から侵入した泥等が容器本体３内で詰まったり堆積したりしたとしても、進入通路２０は集合体２５の各容器本体３内で互いに連通し且つ連通路２１を介して各内部冷却通路１２や給気路１３等にも連通しているため、詰まった泥等を作業者が掻き出すことができる。

なお、本発明による使用済み核燃料集合体収納容器１とその集合体２５は、上述した実施形態に記載されたものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形や置換等が可能である。以下に本発明の変形例等について説明するが、上述した実施形態による各部品や部材と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明する。

上述した実施形態では、使用済み核燃料集合体収納容器１における六角形筒状の基台５の対向する角部を貫通する進入通路２０を３本ずつ形成したが、外部に貫通する進入通路２０は各収納容器１の基台５に少なくとも１本形成すればよい。この場合、図６において、３つの容器本体３における角部同士が１点に集合し且つ各進入通路２０の一方の出入口２０ｂを有する外側面５ａ同士が互いに当接すればよい。これによって、集合体２５をなす複数の容器本体３同士の進入通路２０が全て連通し、冷却空気を供給したり作業者が移動しながら泥を掻き出したりすることができる。

また、図７に示すように、容器本体３における進入通路２０の形成位置は外側面５ａの中央付近に代えて角部でもよい。この場合でも、集合体２５を形成する複数の容器本体３同士で進入通路２０を互いに連通させることができる。しかも、進入通路２０は容器本体３に少なくとも１本設置すればよく、この場合でも、集合体２５を形成する複数の容器本体３同士で進入通路２０同士を互いに連通させることができる。
また、本発明における進入通路２０は両端の出入口２０ｂを容器本体３の角部と外側面５ａとに形成してもよく、その際、進入通路２０は直線状に限らず曲線状や折れ線状に形成されていてもよい。また、進入通路２０は１の外側面５ａまたは角部の出入口２０ｂから基台５内で枝分かれして複数の他の角部または外側面５ａに開口するように貫通して形成してもよい。
要するに進入通路２０は、集合体２５における最も外側に設置された容器本体３の外側面５ａまたは角部に形成した出入口２０ｂから内側の他の容器本体３に形成した進入通路２０に互いに連通するように構成されていればよい。

また、本発明において、使用済み核燃料集合体収納容器１は凹部１０による外部冷却通路１０Ａを省略して、容器本体３の内側面６ｂと金属キャスク２との間に形成した内部冷却通路１２のみを設けてもよい。容器本体３の側筒部６と基台５は一体でもよく、外側面５ａと外側面６ａは一体でもよい。この場合、側筒部６の上部の開口６ｃから金属キャスク２をクレーン等で吊り下げて底部８に設置してもよい。
内部冷却通路１２のみを設けた場合には、進入通路２０から連通路２１を介して冷却空気を内部冷却通路１２に流通させて金属キャスク２を冷却できる。

１ 使用済み核燃料集合体収納容器
２ 金属キャスク
３ 容器本体
５ 基台
５ａ 外側面
６ 側筒部
６ａ 外側面
６ｂ 内側面
７ 蓋部
８ 底部
１０ 凹部（外部冷却通路）
１０Ａ 外部冷却通路
１２ 内部冷却通路
１３ 給気路
１４ 排気路
１６ アーム部
１７ ストッパ
２０ 進入通路
２０ｂ 出入口
２１ 連通路
２５ 集合体

Claims (3)

1. 使用済み核燃料集合体が収納されたキャスクと、
   内部空間に前記キャスクを収納して底部に設置させた略六角筒形状の容器本体と、
   前記容器本体の外側面に形成されていて外部冷却通路を形成する凹部と、
   前記キャスク及び前記容器本体の内側面の間に形成された内部冷却通路と、
   前記外部冷却通路及び内部冷却通路を連通していて冷却空気を前記内部冷却通路に供給する給気路と、
   前記容器本体における前記底部の下側で外部に貫通して形成されていて前記底部を貫通する連通路を介して前記内部冷却通路に連通している、人が出入り可能な進入通路と、
   を備えたことを特徴とする使用済み核燃料集合体収納容器。
2. 前記進入通路は、前記容器本体の複数または全ての外側面または角部を貫通して形成されている請求項１に記載された使用済み核燃料集合体収納容器。
3. 請求項１または２に記載された使用済み核燃料集合体収納容器は前記容器本体の外側面同士を当接させてハニカム構造に複数配列されており、
   隣り合う前記容器本体は前記進入通路が互いに連通していることを特徴とする使用済み核燃料集合体収納容器の集合体。

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