JP6933593B2 - 使用済核燃料の支持構造物、支持構造物の製造方法及び使用済核燃料容器 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、使用済核燃料の支持構造物、支持構造物の製造方法及び使用済核燃料容器に関する。

原子力発電所で使用された使用済核燃料は、崩壊熱による発熱を低減させるため炉心より取り出された後、使用済燃料プール等に一時保管される。ここで所定の期間冷却された使用済核燃料は、再処理工場に搬出された後に再処理され、ウランとプルトニウムを再資源として取り出し、新たな燃料として再利用される。

近年、原子力発電所で発生する使用済核燃料は増加の一途をたどり、再処理工場が稼動しても国内で発生する使用済核燃料は再処理工場の処理容量を上回ることから、再処理されるまでの間、使用済核燃料を適切に貯蔵、管理する必要がある。

使用済核燃料を原子力発電所内あるいは発電所外にて貯蔵、管理する方法としては、金属キャスク貯蔵、ボールト貯蔵、サイロ貯蔵、コンクリートキャスク貯蔵、等の乾式貯蔵方式、および水プールの湿式貯蔵方式の各方式がある。この中でも、コストと長期に亘る安定貯蔵を考えた場合に乾式貯蔵が注目されている。

日本の商業炉には、主に、加圧水型軽水炉(ＰＷＲ)と、沸騰水型軽水炉(ＢＷＲ)がある。ＰＷＲ燃料は、ＢＷＲ燃料と比較して、燃料集合体１体あたりの燃料棒本数が多く、燃料集合体の寸法が大きいことから、反応度が高く臨界になりやすい。このため、ＰＷＲ燃料を支持収容する支持構造物（以下、「バスケット」ともいう。）では、未臨界維持機能を高めるために、燃料集合体間に所定厚さの水を充満させるギャップを確保する場合がある。

加圧水型軽水炉の使用済核燃料を収容する従来のバスケットの構成例を図１４により説明する。
このバスケット２は、中空の格子板３１に凹凸部を設け、この凹凸部で格子板３１を互いに交差させて嵌め合わせ、軸方向に格子状に積み上げてバスケット２を構成し、これを使用済核燃料容器（以下、「キャスク」ともいう。）内に収容する方式が提案されている。

このバスケット２には、使用済核燃料から作用する荷重に耐えうる強度性能と、使用済核燃料から発生する崩壊熱を容器外部に伝える除熱性能と、使用済核燃料から放出された中性子を吸収する性能と、バスケットの形状を保ち使用済核燃料が必要以上に近接して臨界を起こさないための未臨界性能が要求される。

これらのうち、特に強度性能は、バスケット形状を維持し、キャスクの落下等の万一の事故においても使用済核燃料が臨界を起こさないようにする上で重要である。このようなバスケット構造としては、上述したように組立てに特殊な技能を必要としない構造のバスケットが好ましい。

特開２０１４−１６３２３号公報

上述した従来のバスケット構造においては、格子板３１の長辺に凹凸部を設け、その凹部で互いに交差して嵌め合うようにしている。そのため、格子板３１の凹部に相当する板幅、すなわち、格子板３１の長辺端から１／２の板幅の部分は凹部によって分離されることから、その分、バスケット２の強度を補うことが望ましい。

そのため、従来のバスケット構造では、格子板３１に貫通孔３２を設け、連通部材３３を挿通することで、使用済核燃料の荷重を連通部材３３が負担し、バスケット２の構造強度を補う工夫がなされている。

しかしながら、連通部材３３は格子板３１の数だけ配置されることになり、管理する部品が多くなる。通常、原子力発電所で使用されるキャスク（使用済核燃料容器）の各部品は、各材料の材料成績書にトレースできるように管理されなければならない。部品点数が増えることは、材料の調達や管理にかかるコストの増加に繋がる懸念がある。
さらに、部品点数が多くなることで、組立工程の工程数が増えるとともに複雑化し、作業負担増とコスト増を招くという課題がある。

本実施形態は上記課題を解決するためになされたもので、バスケット（支持構造物）の構造強度特性を向上させるとともに、組立工程の簡素化及び製造コストの低減化を図ることができる使用済核燃料の支持構造物、支持構造物の製造方法及び使用済核燃料容器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、本実施形態に係る使用済核燃料の支持構造物は、上辺及び下辺に複数の凸部及び凹部が形成された格子板と、並列に配置された複数の前記格子板からなる複数の第１の格子板群と、前記第１の格子板群と直交するように並列に配置された複数の前記格子板からなる複数の第２の格子板群と、内部に格子状に配列された複数の孔を有する複数の板状の格子支持板と、を有し、前記第１の格子板群及び前記第２の格子板群並びに前記格子支持板によって形成される矩形状の区画に使用済核燃料を収容する使用済核燃料の支持構造物であって、前記支持構造物は、当該支持構造物の下から上に向かって前記格子支持板に配列された複数の孔に前記第１の格子板群及び前記第２の格子板群に形成された凸部を交互に嵌め合わせて積層した構成であることを特徴とする。

また、本実施形態に係る支持構造物の製造方法は、上辺及び下辺に複数の凸部及び凹部が形成された格子板と、並列に配置された複数の格子板からなる複数の第１の格子板群と、前記第１の格子板群と直交するように並列に配置された複数の格子板からなる複数の第２の格子板群と、内部に格子状に配列された複数の孔を有する複数の板状の格子支持板と、を有し、前記第１の格子板群及び前記第２の格子板群並びに前記格子支持板によって形成される矩形状の区画に使用済核燃料を収容する使用済核燃料の支持構造物の製造方法であって、当該支持構造物の下から上に向かって前記格子支持板に配列された複数の孔に前記第１の格子板群及び前記第２の格子板群に形成された凸部を交互に嵌め合わせて積層することを特徴とする。
また、本実施形態に係る使用済核燃料容器は、本実施形態の使用済核燃料の支持構造物を内部に有することを特徴とする。

本実施形態によれば、支持構造物の構造強度特性を向上させるとともに、組立工程の簡素化及び製造コストの低減化を図ることができる。

（ａ）は本実施形態に係る使用済核燃料容器の全体構成図、（ｂ）はその断面図。 （ａ）は格子板の構成図、（ｂ）は分解図。 格子支持板の構成図。 格子支持板（ベースプレート）の構成図。 位置決め部材の模式図。 １段目の格子板群の模式図。 （ａ）、（ｂ）は１段目の格子板群を１段目の格子支持板（ベースプレート）に組み付ける際の模式図。 （ａ）、（ｂ）は２段目の格子支持板を１段目の格子板群に組み付ける際の模式図。 （ａ）、（ｂ）は２段目の格子板群を２段目の格子支持板に組み付ける際の模式図。 （ａ）、（ｂ）は３段目の格子支持板を２段目の格子板群に組み付ける際の模式図。 （ａ）、（ｂ）は３段目の格子板群を３段目の格子支持板に組み付ける際の模式図。 従来の支持構造物（バスケット）の要部拡大図。 本実施形態に係る支持構造物の構成図で、図１１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図。 従来のバスケットの構成図。

以下、本発明に係る使用済核燃料の支持構造物、支持構造物の製造方法及び使用済核燃料容器の実施形態について、図面を参照して説明する。

（使用済核燃料容器の構成）
本実施形態に係る使用済核燃料容器（キャスク）１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、内側容器３と、内側容器３内に配置され複数の使用済核燃料が収容される支持構造物２（バスケット）と、内側容器３の外周に配設された複数の伝熱フィン５と、伝熱フィン５を取り囲むように設けられた外側容器６と、使用済核燃料容器１の上部を閉止する複数の蓋８〜１０とから構成される。

内側容器３はガンマ線等の放射線を遮蔽する機能を有する金属又は合金製の容器が用いられる。また、本実施形態では、内側容器３として円筒状の容器が用いられるが、これに限定されず、多角形状、矩形状、楕円形状等の容器を用いてもよい。

また、内側容器３と外側容器６との間の空間には、使用済核燃料から放出される中性子等の放射線を遮蔽するために中性子遮蔽材４が充填されている。中性子遮蔽材４としては、中性子吸収能力の高いホウ素（ボロン）又はその化合物が用いられる。

バスケット２は、図１（ｂ）に示すように、高さ方向に配列される複数の格子支持板１９と格子板群３０から構成され、使用済核燃料７を収容する複数の矩形状の区画Ｓが形成されている。その詳細は後述する。

（バスケットの構成）
バスケット２は、複数の円板状の格子支持板１９と、格子支持板１９に組み付けられる複数の板状の格子板２１からなる格子板群３０と、から構成される。

格子板２１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、長方形の板状部材からなり、長手方向の上辺及び下辺に一定間隔で所定幅の凹部１３及び凸部１４が形成されている。凹部１３の切り込み深さＬ１は、格子板２１の短手方向の長さをＬとしたとき、約１／４となるように設定されている。

ただし、格子板２１のうち、バスケット２の上下端部では、図６に示すように、上辺又は下辺が平坦な格子板２１ａが用いられる。この格子板２１ａは、図２に示す格子板２１を高さ方向に半分にしたもので、バスケット２の下端部では格子板２１の上半分、上端部では下半分が用いられる。

格子板２１は３層構造で、図２（ｂ）に示すように、中性子吸収材を含む中性子遮蔽板１２ａと、その両側に配置された同一寸法の２枚の板状部材１２ｂとから構成されている。

板状部材１２ｂの材質としては強度と熱伝導性に優れた材料が好ましく、炭素鋼やステンレス鋼、アルミニウム合金等が好適である。また、中性子遮蔽板１２ａは中性子吸収能力を有する材料が好ましく、例えば、ホウ素（ボロン）を添加したステンレス鋼やアルミニウム合金等が好適である。

格子支持板１９のうち上下端部以外で用いられる格子支持板１９は、図３に示すように、格子状に配列された矩形状の複数の孔２０が形成されている。各孔２０の間の幅Ｇ、Ｈ、Ｊ、Ｋは、使用済核燃料７が臨界に達するのを防止するための水ギャップが形成されるような幅に設定されている。

一方、バスケット２の上下端部で用いられる格子支持板１９ａ（「ベースプレート」ともいう。）は、図４に示すように、格子板２１ａの平坦な辺部が嵌め込み固定されるための段部２２が設けられている。
格子支持板１９、１９ａの材質としては、強度と熱伝導性が高い材料が好ましく、例えば、炭素鋼やステンレス鋼、アルミニウム合金等が好適である。

また、格子支持板１９、１９ａの外周には、縦方向に積み重ねられる格子支持板１９、１９ａを水平方向に位置決めするための棒状の位置決め部材２３（図５参照）が挿通される位置決め孔２４が複数設けられている。なお、位置決め部材２３は中実の棒状部材を用いてもよいが、中空形状としてもよい。中空形状とした場合には、キャスク１の排水管として使用することができる。

上述した格子支持板１９、１９ａと格子板２１、２１ａは、内側容器３内で縦方向に交互に組み立てることにより、複数の矩形状の区画Ｓを有するバスケット２が形成されるが、その詳細は後述する。
なお、図３、図４に示す例では、格子支持板１９、１９ａを円板状としているが、これに限定されず、例えば、多角形状、矩形状等、任意の形状でよい。

（バスケットの組立方法）
上記のように構成された使用済核燃料容器１の組立方法について、図６〜図１１を用いて説明する。
図６は複数の格子板２１ａからなる１段目（最下部）の格子板群３０−１を示す図である。ここでは、便宜上、格子板２１ａの配列方向に平行な方向をＸ方向（第１の径方向）といい、直交する方向をＹ方向（第２の径方向）という。

本実施形態では、格子板群３０−１は互いに平行に配置された１０枚の格子板２１ａからなり、格子支持板１９ｂの形状に合わせて、各２枚の外側の格子板２１ａの長手方向の長さは、内側の６枚の長手方向の長さよりも短く設定されている。

また、１段目の格子板群３０−１では、各格子板２１ａの上辺に所定深さＬ１の凹部１３が所定間隔で設けられている。一方、下辺は平坦で、格子支持板１９ａの孔２０に沿って設けられた段部２２（図４参照）に嵌め込み固定される。

バスケット２を組み立てる際は、まず、複数の格子板２１ａからなる１段目の格子板群３０−１を格子支持板１９ａに組み付ける。図７（ａ）、（ｂ）は格子板群３０−１を第１の格子支持板１９ａに組み付ける際の模式図で、各格子板２１ａの平坦な下辺が第１の格子支持板１９ａに設けられた段部２２に嵌め込み固定される。

次に、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｙ方向に並べられた１段目の格子板群３０−１に対して、２段目の格子支持板１９を組み付ける。その際、各格子板２１ａの上辺の凸部１４が２段目の格子支持板１９の矩形状の孔２０に嵌め込まれるように取り付ける。

このとき１段目の格子支持板１９ａに形成された位置決め孔２４と２段目の格子支持板１９に形成された位置決め孔２４は棒状の位置決め部材２３が上下方向に貫通できる位置に位置決めされる。

次に、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、２段目の格子支持板１９が組み付けられＹ方向に並べられた１段目の格子板群３０−１に対して、Ｘ方向に沿って配置された２段目の格子板群３０−２を組み付ける。その際、格子板群３０−２の各格子板２１は、１段目の格子板２１ａの上側の凹部１３に２段目の格子板２１の下側の凹部１３が差し込まれるように組み付けられる。

同時に２段目の格子板２１の下側の凸部１４は、２段目の格子支持板１９の孔２０に嵌め込まれるように組み付けられる。その結果、１段目の格子板群３０−１と２段目の格子板群３０−２とは、各凹部１３の部分で直角に交差した格子状に組み合わされる。

次に、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｘ方向に沿って複数配置された２段目の格子板群３０−２に対して、３段目の格子支持板１９を組み付ける。その際、２段目の格子板２１の上側の凸部１４が、３段目の格子支持板１９の孔２０に嵌め込まれるように取り付けられる。

このとき１段目および２段目の格子支持板１９、１９ａに形成された位置決め孔２４と３段目の格子支持板１９ａに形成された位置決め孔２４は位置決め部材２３が上下方向に貫通できる位置に位置決めされる。

次に、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、３段目の格子支持板１９が組み付けられＸ方向に配置された２段目の格子板群３０−２に対して、Ｙ方向に沿って複数配置された３段目の格子板群３０−３を組み付ける。その際、３段目の各格子板２１の下辺の凹部１３は、２段目の格子板２１の上辺の凹部１３に差し込まれるように組み付けられる。
同時に３段目の格子板２１の下辺の凸部１４は、３段目の格子支持板１９の孔２０に嵌め込まれるように組み付けられる。

この結果、１段目の格子板群３０−１と２段目の格子板群３０−２の関係と同様に、２段目の格子板群３０−２と３段目の格子板群３０−３とは、凹部１３の部分で直角に交差した格子状に組み合わされる。

以後、同様にして、Ｘ方向に複数配置された格子板群３０と、格子支持板１９と、Ｙ方向に複数配置された格子板群３０とを交互に嵌め合わせて積層することにより、Ｘ方向及びＹ方向に直交するＺ方向に延在させ、矩形状の複数の区画Ｓを有するバスケット２が形成される。

この格子板群を称する用語として、１つの方向（例えば、Ｘ方向）に配列された格子板群を第１の格子板群、それに直交する方向（例えば、Ｙ方向）に配列された格子板群を第２の格子板群と称してもよい。

なお、バスケット２の上端部では、下端部と同様に、格子支持板１９ａ及び上辺が平坦な格子板２１ａが用いられる。その組立方法は、上述した下端部における格子支持板１９ａと格子板群３０−１の組立方法と同様なので、説明は省略する。

（効果）
まず、Ｘ方向に複数配置された格子板群３０とＹ方向に複数配置された格子板群３０は、収納する使用済核燃料７の断面形状に合わせて、交差角度を固定する必要があるが、本実施形態では、格子支持板１９、１９ａの孔２０に、各格子板２１、２１ａの凸部１４を嵌め込むだけで、Ｘ方向の格子板群３０とＹ方向の格子板群３０の交差角度を簡便に固定することができる。

また、格子支持板１９、１９ａの外周部に形成された位置決め孔２４には、位置決め部材２３がバスケット２の上下方向全長に亘って（Ｚ方向）挿入されるため、Ｚ方向に複数設置されている格子支持板１９、１９ａ同士の水平方向の位置ずれを抑制することができる。この結果、Ｘ方向に複数配置された格子板群３０とＹ方向に複数配置された格子板群３０の交差角度の管理が容易になる。

また、位置決め部材２３を中空形状とした場合には、キャスク１の排水管として使用することができる。すなわち、燃料プール内でキャスク１に使用済核燃料７を収容する際に、キャスク１は多量の水を内部に保持することとなる。使用済核燃料７を収容後、燃料プールからキャスク１を引き上げた後には、キャスク１の内部で保持している水を排水する必要がある。したがって、位置決め部材２３を中空形状にしておくことで、キャスク１内部の水の排水経路として利用することができる。

さらに、本実施形態に係るバスケット２は、格子板２１、２１ａの凸部１４を格子支持板１９、１９ａの孔２０に嵌め込むように格子状に積層させるだけで組み上がる。これにより、バスケット２の組立に際して、ボルト等の締結治具を用いたり溶接を用いたりしていないので、構造が簡単で組立て作業が容易になるとともに、コスト低減を図ることができる。

また、従来のバスケット構造に比べ、本実施形態に係る格子支持板１９、１９ａは部品点数が少なく済むため、材料や部品の調達、管理コスト及びバスケット２の組立て手順の簡略化、組立て工程数の削減による製造コストの低減化を図ることができる。

（付記）
ところで、ＰＷＲ用の使用済核燃料を収納するバスケット２には、（ａ）使用済核燃料を安全に保持するための構造強度、（ｂ）使用済核燃料で発生する熱を内側容器３へ伝達するための伝熱特性、（ｃ）未臨界状態に維持できるための特性（未臨界特性）が要求される。

そのうち、（ｃ）の未臨界特性に関しては、格子支持板１９の格子幅Ｇ、Ｈ、Ｊ、Ｋで寸法が管理される間隙１５（図３参照）を形成したことで、要求に応えるようにしている。しかしながら、差込み用の凹部１３を有する格子板２１、２１ａを格子状に積層する構造の場合、上述した（ａ）構造強度及び（ｂ）伝熱特性に関して構造面で課題があった。

そこで、本実施形態では、格子支持板１９、１９ａを用いることで強度特性の向上と伝熱性能の若干の向上を図り、格子状組立構造が有する課題を解決したものである。
具体的に説明すると、図１２は、格子支持板１９を設けない従来のバスケット２の課題を説明する図であり、軸方向に積層された１段目の格子板群３０−１と３段目の格子板群３０−３とを示したものである。差込み用の凹部１３が形成された部分においては、直交する格子板２１が交差している。

このような従来のバスケット構造において、例えば、キャスク１が横倒しの姿勢となって、使用済核燃料７に矢印Ｆ方向（Ｘ方向）の重力が作用した場合を考える。この場合、使用済核燃料７の荷重は、隣接する凹部１３の間の格子板３１に負荷される。しかし、帯状領域Ｂには差込み用の凹部１３が形成されているため、格子板３１において使用済核燃料７の荷重を負担できる部分は、実質的に帯状領域Ａの部分だけとなってしまう。すなわち、差込み用の凹部１３を有する格子板３１を格子状に積層する構造の場合、帯状領域Ｂの部分は荷重負担に対して有効に利用されず、構造強度の面で向上が望まれていた。そのため、従来のバスケット構造では、構造強度を大きくするため格子板３１の板厚を大きくすることで、使用済核燃料７の荷重を負担させていた。

しかしながら、間隙１５（図１１（ｂ）参照）を維持しつつ、格子板３１の板厚を大きくすると、キャスク１の質量及び断面積が増加する。一般的に、キャスク１はクレーン等の施設設備に基づいて、質量や径が制限されることから、キャスクの質量や径の増加を抑制することが課題であった。

これに対して、本実施形態では、このような課題を解決するために、格子支持板１９、１９ａを用いたものである。図１３は、１段目〜３段目の格子支持板１９ａ、１９、１９と１段目〜３段目の格子板群３０−１〜３０−３を示したものである。

図１３において、図１２と同様に使用済核燃料７に対して紙面奥行き方向に、荷重が作用した場合を考える。格子板群３０−１〜３０−３の斜線部Ｅに接する格子支持板１９が荷重を負担することとなり、荷重による変形が抑制される。すなわち、格子板群３０の断面二次モーメントが増加し、バスケット２の構造強度が向上する。

また、伝熱特性に優れた材料（アルミニウムやアルミニウム合金等）で形成された格子支持板１９、１９ａは、各格子板２１、２１ａに接触するように組み付けられる。そのため、各格子板２１、２１ａの凸部１４の熱は、格子支持板１９、１９ａを介して隣接する凸部１４に伝達されるとともに、格子支持板１９が接している他の格子板２１、２１ａへも伝達される。これにより、課題であった格子板２１の長手方向の伝熱特性を向上させることができる。

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、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。

１…使用済核燃料容器（キャスク）、２…支持構造物（バスケット）、３…内側容器、４…中性子遮蔽材、５…伝熱フィン、６…外側容器、７…使用済核燃料、８〜１０…蓋、１２ａ…中性子遮蔽板、１２ｂ…板状部材、１３…凹部、１４…凸部、１５…間隙、１９…格子支持板、１９ａ…格子支持板（ベースプレート）、２０…孔、２１、２１ａ…格子板、２２…段部、２３…位置決め部材、２４…位置決め孔、３０、３０−１〜３０−ｎ…格子板群、３１…格子板、３２…貫通孔、３３…連通部材。

Claims (6)

1. 上辺及び下辺に複数の凸部及び凹部が形成された格子板と、並列に配置された複数の前記格子板からなる複数の第１の格子板群と、前記第１の格子板群と直交するように並列に配置された複数の前記格子板からなる複数の第２の格子板群と、内部に格子状に配列された複数の孔を有する複数の板状の格子支持板と、を有し、前記第１の格子板群及び前記第２の格子板群並びに前記格子支持板によって形成される矩形状の区画に使用済核燃料を収容する使用済核燃料の支持構造物であって、
   前記支持構造物は、当該支持構造物の下から上に向かって前記格子支持板に配列された複数の孔に前記第１の格子板群及び前記第２の格子板群に形成された凸部を交互に嵌め合わせて積層した構成であることを特徴とする使用済核燃料の支持構造物。
2. 前記格子支持板の外周に位置決め部材が挿通される複数の位置決め孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の使用済核燃料の支持構造物。
3. 前記支持構造物の上下端部に配置される格子支持板には段部が設けられているとともに、当該格子支持板の段部に嵌め込まれる格子板の上辺又は下片は平坦状に構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の使用済核燃料の支持構造物。
4. 前記格子板は、中性子吸収材を有する金属又は合金の板材と高熱伝導性の板材からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の使用済核燃料の支持構造物。
5. 上辺及び下辺に複数の凸部及び凹部が形成された格子板と、並列に配置された複数の格子板からなる複数の第１の格子板群と、前記第１の格子板群と直交するように並列に配置された複数の格子板からなる複数の第２の格子板群と、内部に格子状に配列された複数の孔を有する複数の板状の格子支持板と、を有し、前記第１の格子板群及び前記第２の格子板群並びに前記格子支持板によって形成される矩形状の区画に使用済核燃料を収容する使用済核燃料の支持構造物の製造方法であって、
   当該支持構造物の下から上に向かって前記格子支持板に配列された複数の孔に前記第１の格子板群及び前記第２の格子板群に形成された凸部を交互に嵌め合わせて積層することを特徴とする支持構造物の製造方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の使用済核燃料の支持構造物を内部に有することを特徴とする使用済核燃料容器。

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