JP6896587B2

JP6896587B2 - 燃料貯蔵ラック

Info

Publication number: JP6896587B2
Application number: JP2017211965A
Authority: JP
Inventors: 和渡邉; 片山　洋; 洋片山; 亮伊東; 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: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-11-01
Also published as: JP2019086298A

Description

本発明の実施形態は、燃料プール内に設置されて、燃料集合体を収納し保管する燃料貯蔵ラックに関する。

原子力発電施設において、燃料集合体は、使用済燃料貯蔵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て保管される。使用済燃料貯蔵ラックは、使用済燃料が臨界に達しないように燃料集合体を冷却するほか、地震時に健全に保管する機能を担っている。このため、使用済燃料貯蔵ラックは、燃料集合体に対して地震荷重による破損や転倒を防止する必要があり、安全上重要な機器として地震時の健全性の維持が求められる。

使用済燃料貯蔵ラックの耐震性を向上させる対策として、使用済燃料貯蔵ラックを剛に設計しあるいは補強して、共振振動数を高く設定する構造や、使用済燃料貯蔵ラックに減衰を付加する装置を設置する制振構造が提案されている。

例えば、使用済燃料貯蔵ラックに使用済燃料貯蔵プールの壁面から延びる梁を渡し、この梁と使用済燃料貯蔵ラックの上部側面とを連結して使用済燃料貯蔵ラックの上部を支持することで、使用済燃料貯蔵ラックの共振振動数を上昇させて地震応答を低下させるよう構成している。また、連結部にダンパーを設置することで、使用済燃料貯蔵ラックに減衰を付加するよう構成したものが知られている。

特開昭５５−１３８６９３号公報

原子力発電施設における使用済燃料貯蔵プール内において、使用済燃料貯蔵ラックの耐震性を向上させることを目的とした上述の従来技術では、使用済燃料貯蔵ラックの外部に補強部材や減衰装置が設置されるため、スペースに制約のある使用済燃料貯蔵プール内で、燃料集合体を高い密度で収納することが困難になる。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、燃料貯蔵ラックの燃料プール内への配置設計に大きな影響を与えることなく、燃料貯蔵ラックに対する制振効果を向上できる燃料貯蔵ラックを提供することを目的とする。

本発明の実施形態による燃料貯蔵ラックは、液体で満たされた燃料プール内に設置され、燃料集合体を一体ずつ収納可能なセルが隣接して複数配置された燃料貯蔵ラックにおいて、前記セルを構成する枠材には前記セルに連通する貫通孔が設けられ、前記枠材の内側には、前記セル内の前記燃料集合体へ向かって突出し且つ前記燃料貯蔵ラックの鉛直方向に延びる突起部が、前記貫通孔の水平方向両側に設けられたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、燃料貯蔵ラックの燃料プール内への配置設計に大きな影響を与えることなく、燃料貯蔵ラックに対する制振効果を向上できる。

第１実施形態の使用済燃料貯蔵ラックを示す側面図。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。図２の一部を拡大し、セル内の水の流動状況を説明する説明図。図１の使用済燃料貯蔵ラックの第１変形形態を示す側面図。図１の使用済燃料貯蔵ラックの第２変形形態を示す側面図。第２実施形態の使用済燃料貯蔵ラックを示す側面図。図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図。図７の一部を拡大し、セル内の水の流動状況を説明する説明図。図６の使用済燃料貯蔵ラックの第１変形形態を示す図８に対応した説明図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図５）
図１は、第１実施形態の使用済燃料貯蔵ラックを示す側面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。これらの図１及び図２に示す燃料貯蔵ラックとしての使用済燃料貯蔵ラック１０は、液体としての水Ｗで満たされた燃料プールとしての使用済燃料貯蔵プール１１内に設置される。

原子力発電施設の原子炉で所定期間使用された燃料集合体は原子炉から取り出され、使用済燃料集合体１２として、使用済燃料貯蔵プール１１内の使用済燃料貯蔵ラック１０における複数の各セル１３に１体ずつ収納される。使用済燃料集合体１２は、使用済燃料貯蔵ラック１０のセル１３内に収納された状態で、使用済燃料貯蔵プール中の水Ｗにより冷却されて未臨界状態に維持されると共に、地震荷重に対してその健全性が確保されるよう支持されて保管される。

使用済燃料貯蔵ラック１０は、セル１３の側面を構成する枠材１４と、セル１３の底面を構成する燃料支持板１５と、燃料支持板１５に固定される脚部１６と、を有してなる。枠材１４は、格子状に組み付けられた角筒材や板材であり、複数のセル１３を水平方向に、例えば１０列×１０列に隣接配置して構成する。各図では５列×５列で図示している。

燃料支持板１５は、枠材１４の下端に固着され、１つのセル１３に対応して１つの嵌合孔１７が形成されている。セル１３に収納される使用済燃料集合体１２の下端が燃料支持板１５の嵌合孔１７に差し込まれて嵌合されることで、使用済燃料集合体１２はセル１３内で、下端支持の片持ち梁状態で収納される。また、脚部１６は、燃料支持板１５の少なくとも４隅部に固定され、側面に流通孔１８を備える。この脚部１６が使用済燃料貯蔵プール１１のプール底面１９に設置される。使用済燃料貯蔵プール１１内の水Ｗは、複数の脚部１６間や各脚部１６の流通孔１８を通って、使用済燃料集合体１２の下部から内部に流入して、この使用済燃料集合体１２を冷却する。

本第１実施形態では、セル１３を構成する枠材１４に、全てのセル１３に連通して貫通孔２０が形成される。つまり、枠材１４には、隣接した全てのセル１３同士を連通する貫通孔２０、更に、最外周位置のセル１３と使用済燃料貯蔵ラック１０の外部とを連数する貫通孔２０がそれぞれ形成される。この貫通孔２０は、各セル１３の互いに対向する４面のそれぞれを構成する枠材１４に、１個または複数個（本第１実施形態では、貫通孔２０は後述のスリット形状で１個、円形状で複数個）が形成される。使用済燃料貯蔵ラック１０及び使用済燃料集合体１２の振動時に、セル１３内の水Ｗが貫通孔２０を通って流出入する。この貫通孔２０は、図１に示すように、使用済燃料貯蔵ラック１０の鉛直方向に延びるスリット形状に形成される。あるいは、図４に示すように、貫通孔２０は、使用済燃料貯蔵ラック１０の鉛直方向に１列または複数列配列された複数の円形状に形成される。

また、使用済燃料集合体１２が、その下端を燃料支持板１５に片持ち梁状態で支持されて振動するため、貫通孔２０は、燃料集合体１２の振れが大きい上部に設けることが効果的である。図１または図４に示す例では、使用済燃料貯蔵ラック１０の鉛直方向中央位置よりも上方に貫通孔２０が設けられる。

また、例えば鉛直方向の貫通孔２０を設ける範囲において、下方よりも上方では貫通孔２０を増やすか大きくする等してもよい。例えば、図１に示す例において貫通孔２０の上端近傍で貫通孔２０の幅を大きくする、または貫通孔２０の数を増やす（すなわち、図示した貫通孔２０の上端付近に、鉛直方向が短尺な貫通孔２０をさらに設ける）といった構成でもよい。また、図４に示す例においては、貫通孔２０を設ける範囲において下方から上方にかけて漸次または段階的に貫通孔２０の数および／または大きさが増大する構成であってもよい。更に、貫通項２０を設ける範囲のうち下方は図４のように多数の貫通孔２０を設け、上方は図１のようにスリット状の貫通孔２０にした構成であってもよい。貫通孔２０の断面積を、燃料集合体１２の上端近傍では大きく、その下方では小さくとることで、燃料貯蔵ラック１０の剛性を確保しつつ本実施形態による効果を高めることができる。

上述のように構成された使用済燃料貯蔵ラック１０と、この使用済燃料貯蔵ラック１０に収納された使用済燃料集合体１２は、使用済燃料貯蔵プール１１の水Ｗ中に存在するため、地震動の作用で振動するときに水Ｗによる反力を受ける。この反力は、水Ｗの速度に依存する流動抵抗と、水Ｗの加速度に依存する流体付加質量として、使用済燃料貯蔵ラック１０及び使用済燃料集合体１２に作用する。

まず、流動抵抗について述べる。使用済燃料集合体１２は、下端が燃料支持板１５に支持された片持ち梁とみなせるため、固有振動数が低い。一方、使用済燃料貯蔵ラック１０は、使用済燃料集合体１２に比べて剛性が高く且つ重量が軽く構成されているので、固有振動数が高い。このように、使用済燃料貯蔵ラック１０と使用済燃料集合体１２とは固有振動数が離れていることから、水平方向に地震動が作用した場合に相対運動しながら振動する。

このとき、図３に示すように、使用済燃料貯蔵ラック１０と使用済燃料集合体１２との振動方向（水平方向）の距離は、片側が狭くなり、反対側が広くなる。このため、使用済燃料貯蔵ラック１０の枠材１４と使用済燃料集合体１２とのセル１３内における隙間Ｔにおいて、使用済燃料貯蔵ラック１０と使用済燃料集合体１２の振動方向の距離が狭くなる側から広くなる側へ、矢印Ａに示すように水Ｗが流動して、この使用済燃料集合体１２と使用燃料貯蔵ラック１０の枠材１４との隙間Ｔにおいて、振動を減衰する流動抵抗が発生する。

次に、流体付加質量について述べる。使用済燃料貯蔵ラック１０と使用済燃料集合体１２との固有振動数は離れているが、これらの使用済燃料貯蔵ラック１０と使用済燃料集合体１２には、水Ｗ（流体）内の圧力伝播により連成して振動しようとする力が作用する。更に、使用済燃料貯蔵ラック１０の枠材１４に貫通孔２０が形成されていないと仮定した場合、使用済燃料貯蔵ラック１０の枠材１４と使用済燃料集合体１２とのセル１３における隙間Ｔが小さいほど、この隙間Ｔにおいて水Ｗが加速されて流体付加質量が増大し、使用済燃料貯蔵ラック１０と使用済燃料集合体１２は一体となって振動し、相対運動が生じ難くなる。これに対し、本第１実施形態のように、使用済燃料貯蔵ラック１０の枠材１４に貫通孔２０が形成されている場合には、この貫通孔２０を通って隣接するセル１３間で、矢印Ｂに示すように水Ｗが流出入するため、水Ｗが加速され難くなり、流体付加質量が減少する。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）〜（３）を奏する。
（１）図１〜図３に示すように、使用済燃料貯蔵ラック１０のセル１３を構成する枠材１４に、セル１３に連通する貫通孔２０が設けられたので、地震動によって使用済燃料貯蔵ラック１０及び使用済燃料集合体１２が振動すると、セル１３内の水Ｗ（流体）が貫通孔２０を通って流出入する。これにより、使用済燃料貯蔵ラック１０の枠材１４と使用済燃料集合体１２との間の隙間Ｔを流れる水Ｗが加速され難くなって流体付加質量が減少し、使用済燃料貯蔵ラック１０と使用済燃料集合体１２とは相対運動する。この結果、使用済燃料貯蔵ラック１０の枠材１４と使用済燃料集合体１２との間の隙間Ｔを流れる水Ｗに流動抵抗が生じ、この流動抵抗により振動応答が抑制されて、使用済燃料貯蔵ラック１０に対して制振効果を向上できる。

（２）使用済燃料貯蔵ラック１０に対して制振効果を発揮させる構成（セル１３を構成する枠材１４の貫通孔２０）が使用済燃料貯蔵ラック１０の内部に存在し、外部には存在しないので、使用済燃料貯蔵プール１１内における使用済燃料貯蔵ラック１０の配置設計に影響を与えることがない。

（３）使用済燃料集合体１２は、使用済燃料貯蔵ラック１０のセル１３に収納されたときに、その下端部が燃料支持板１５の嵌合孔１７に嵌合されて片持ち梁の状態で支持される。このため、水平方向に地震動が作用したとき、使用済燃料集合体１２は、使用済燃料貯蔵ラック１０に対して水平方向に振動し、使用済燃料集合体１２の上方の領域の方が振幅は大きい。従って、使用済燃料貯蔵ラック１０の枠材１４には、使用済燃料貯蔵ラック１０の鉛直方向中央位置よりも上方の領域（つまり、使用済燃料集合体１２の振幅が大きくなる領域）のみに貫通孔２０が設けられている。この結果、貫通孔２０の形成によっても使用済燃料貯蔵ラック１０の剛性を確保できる。

なお、図５に示すように、使用済燃料貯蔵ラック１０の外周の貫通孔２０が設けられた範囲に、水平方向に延びる帯状の補強板２２を固着して、使用済燃料貯蔵ラック１０の剛性を高めてもよい。

［Ｂ］第２実施形態（図６〜図９）
図６は、第２実施形態の使用済燃料貯蔵ラックを示す側面図である。また、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

この第２実施形態の燃料貯蔵ラックとしての使用済燃料貯蔵ラック３０が第１実施形態と異なる点は、セル１３を構成する枠材１４の内側に、セル１３内の使用済燃料集合体１２へ向かって突出し且つ使用済燃料貯蔵ラック１０の鉛直方向に延びる突起部３１が、貫通孔２０の水平方向両側に設けられた点である。

つまり、突起部３１は、図８に示すように断面矩形状、または図９に示すように断面三角形状に形成され、貫通孔２０と同様に、各セル１３の互いに対向する４面のそれぞれを構成する枠材１４に一体成形、または例えば溶接等により固着される。更に、突起部３１は、図６に示すように、貫通孔２０に対応して、使用済燃料貯蔵ラック１０の鉛直方向中央位置よりも上方に設けられる。なお、図８、図９では、突起部３１のうち拡大したセル１３内に設けられたもののみを図示している。

突起部３１の突出量Ｌは、この突起部３１と使用済燃料集合体１２との隙間Ｕを水Ｗが矢印Ｃのように流れる際の圧力損失によって、枠材１４と使用済燃料集合体１２との隙間Ｔを水Ｗが矢印Ａのように流れる際の流動抵抗よりも大きな流動抵抗が生ずるように設定される。従って、この突起部３１は流動抵抗体として機能する。更に、突起部３１の突出量Ｌは、セル１３内への使用済燃料集合体１２の挿脱時に、この使用済燃料集合体１２が干渉しない値に設定される。また、突起部３１の幅Ｍは、この突起部３１と使用済燃料集合体１２との隙間Ｕを水Ｗが流れる際に、幅Ｍが広いほど流体付加質量が増加するため、突起部３１が水Ｗから受ける反力に対して強度が確保できる範囲で、できるだけ幅Ｍが狭くなるように設定される。

以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、第１実施形態と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

（４）図６〜図９に示すように、使用済燃料貯蔵ラック３０のセル１３を構成する枠材１４に、セル１３に連通する貫通孔２０が設けられ、更に、枠材１４の内側には、セル１３内の使用済燃料集合体１２へ向かって突出し且つ使用済燃料貯蔵ラック３０の鉛直方向に延びる突起部３１が、貫通孔２０の水平方向両側に設けられている。このため、地震動によって使用済燃料貯蔵ラック３０及び使用燃料集合体１２が水平方向に振動すると、セル１３内の水Ｗが突起部３１と使用済燃料集合体１２との隙間Ｕを通って貫通孔２０から流出入する。このように、セル１３内の水Ｗが貫通孔２０を通って流出入することで、使用済燃料貯蔵ラック３０の枠材１４と使用済燃料集合体１２との隙間Ｔを流れる水Ｗが加速され難くなり、更に、使用済燃料貯蔵ラック３０の突起部３１と使用済燃料集合体１２との隙間Ｕを流れる水Ｗも加速され難いことで、流体付加質量が減少する。

上述のように流体付加質量が減少することで、使用済燃料貯蔵ラック３０と使用済燃料集合体１２は相対運動する。これにより、使用済燃料貯蔵ラック３０の枠材１４と使用済燃料集合体１２との隙間Ｔを流れる水Ｗによって、振動を減衰する流動抵抗が生じ、また、使用済燃料貯蔵ラック３０の突起部３１と使用済燃料集合体１２との隙間Ｕを流れる水Ｗによって、上記流動抵抗よりも大きな流動抵抗が生ずる。この結果、これらの流動抵抗により振動応答が、第１実施形態の場合よりも一層抑制されて、使用済燃料貯蔵ラック３０に対して高い制振効果を発揮できる。

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。これらの実施形態は、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、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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、燃料貯蔵ラックは、未使用の燃料集合体を収納する燃料貯蔵ラックであってもよい。

１０…使用済燃料貯蔵ラック（燃料貯蔵ラック）、１１…使用済燃料貯蔵プール（燃料プール）、１２…使用済燃料集合体（燃料集合体）、１３…セル、１４…枠材、２０…貫通孔、２２…補強板、３０…使用済燃料貯蔵ラック（燃料貯蔵ラック）、３１…突起部、Ｔ…隙間、Ｗ…水（液体）。

Claims

液体で満たされた燃料プール内に設置され、燃料集合体を一体ずつ収納可能なセルが隣接して複数配置された燃料貯蔵ラックにおいて、
前記セルを構成する枠材には前記セルに連通する貫通孔が設けられ、
前記枠材の内側には、前記セル内の前記燃料集合体へ向かって突出し且つ前記燃料貯蔵ラックの鉛直方向に延びる突起部が、前記貫通孔の水平方向両側に設けられたことを特徴とする燃料貯蔵ラック。
前記貫通孔は、燃料貯蔵ラックの全てのセルに連通して、これらのセルを構成する枠材に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料貯蔵ラック。
前記貫通孔は、燃料貯蔵ラックの鉛直方向中央位置よりも上方に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料貯蔵ラック。
前記貫通孔は、燃料貯蔵ラックの鉛直方向に長手方向を有する形状、または、前記燃料貯蔵ラックの鉛直方向に複数配列されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料貯蔵ラック。
前記燃料貯蔵ラックの外周には、貫通孔が設けられた範囲に、水平方向に延びる補強板が固着されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料貯蔵ラック。