JPH0843591A - コンクリート製キャスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コンクリート層の局部温度の上昇を抑制する
ことのできるヒートパイプ型コンクリート製キャスクを
提供する。 【構成】 核燃料用収納部の外郭をなすコンクリート層
と、その内周の金属製ライナーとの間に断熱材層が介在
する。断熱材層内にヒートパイプが埋設され、このヒー
トパイプの受熱部は金属製ライナーに、また放熱部はキ
ャスク外の冷却部に接触されている。断熱材層は中性子
遮蔽能をもつ耐熱樹脂からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、原子力発電所の稼働
により生ずる使用済み核燃料を貯蔵管理するキャスクに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所の使用済み核燃料は、再処
理されるか又は適切な貯蔵管理が必要である。貯蔵方法
には貯蔵プール等による湿式法と、キャスク等による乾
式法とがある。貯蔵の規模が小さい場合にはキャスクを
利用するのが経済的に有利である。そのため、アメリカ
合衆国では原子力発電所内に使用済み核燃料を貯蔵する
のにキャスクを利用している。

【０００３】キャスクの構造はさまざまなものが提案さ
れているが、その中にコンクリート製キャスクがある。
コンクリートは中性子遮蔽材として優れ、他の遮蔽材よ
りも廉価で、構造体として必要な強度を得られるため、
コンクリート製キャスクは多くの長所をもつ。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】その一方で、コンクリ
ートは熱による影響を受け易い。キャスクに収納される
使用済み核燃料は高温であり、その熱がコンクリートに
伝わって局部温度が制限温度（約90℃）を超えると、コ
ンクリートの局部的な強度低下が生じ、クラック等の発
生原因となる。

【０００５】コンクリートは一般に伝熱特性が低く、し
たがって、コンクリート製キャスクには除熱システムが
必要であり、これには、図５のようなベンチレーション
型、及び図６のようなヒートパイプ型がある。前者は使
用済み核燃料を密封する複数の貯蔵孔を内部に有する密
封容器（ＭＳＢ）７１とその外周を被覆するコンクリー
トキャスク７２との間に空気流路を設け、下部に設けら
れた空気入口７３と上部に設けられた空気出口７４とに
より、空気を自然対流させて冷却するものである。

【０００６】後者は内周面にステンレス等の金属製ライ
ナーを有するコンクリートキャスク内に、使用済み核燃
料を収容するための密封バスケットを直接収納するよう
にしたもので、このライナーとコンクリート層との間で
複数のヒートパイプをライナーに接するようにコンクリ
ート層に埋設したものである。これによって、核燃料の
熱はライナーから主にヒートパイプを通してキャスク外
に放出される。

【０００７】しかし、ベンチレーション型は空気出入り
口を多数設けるため、多重密封構造とすることが困難で
ある。また、ヒートパイプ型は図４に示すようにライナ
ー周方向に沿って不均一な温度分布が生じ、ライナーに
接するコンクリートの局部温度がコンクリートの制限温
度である90℃をはるかに超え、場合によっては 140℃に
も達することがある。このような局部温度の上昇を抑制
するには、ヒートパイプを密に多数配置することも考え
られるが、その場合には、キャスクに要するコストの増
加が避けられない。

【０００８】この発明は、ヒートパイプによる除熱シス
テムを備えたコンクリート製キャスクにおいて、コンク
リート層の局部温度の上昇を抑えることのできる構造を
提供することを目的とする。

【０００９】更に、この発明は、ヒートパイプの配置数
を増加することなくコンクリート層の局部温度の上昇と
それによる強度低下を防止することのできるコンクリー
ト製キャスクを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、請求項１に記載された発明では、核燃料用収納部の
外郭をなすコンクリート層の内周に金属製ライナーを設
けたコンクリート製キャスクにおいて、前記金属製ライ
ナーと前記コンクリート層との間に介在配置された断熱
材層と、受熱部が前記ライナーに接し、放熱部がキャス
ク外の冷却部に接するように前記断熱材層内に埋設され
たヒートパイプとを有する構造を提供するものである。

【００１１】また、請求項２に記載された発明では、前
記構造において、断熱材層を中性子遮蔽能をもつ耐熱樹
脂によって構成するものである。

【００１２】

【作用】請求項１に記載された発明によるコンクリート
製キャスクは、内部から順に収納部空間を与える金属製
ライナー、断熱材層及びコンクリート層によって構成さ
れ、それぞれの構成部分は隣り合う面同士が面接触した
状態で積層構造となっている。

【００１３】収納部空間は数十体の使用済み核燃料を収
納する空間であり、この収納部空間の外郭の壁は核燃料
の熱を外側に放出するために、熱伝導率の良い、しか
も、中性子による照射損傷のない材料で作られ、これは
ライナーで兼用しても良く、或いはライナーとは別の、
例えば、密封バスケット容器によって構成して、多重密
封構造としても良い。

【００１４】ライナーはコンクリート層の内面と対面す
るもので、これも熱伝導率の良い金属で製作される。こ
のライナーは、収納部から放射される熱を伝導によりラ
イナー全面に拡散させる機能をもつ。

【００１５】ヒートパイプはライナーの外周面に固定さ
れ、その固定方法は、ねじ止めのほか、ろう付け等の溶
接でも良い。ライナーによって全面に拡散された熱はヒ
ートパイプにより外部へ放出される。

【００１６】ライナーとコンクリート層との間は断熱材
層で埋められている。この断熱材層は、ライナーからコ
ンクリート層への熱の移動を遮断又は抑制するためのも
のであり、コンクリート層の局部温度が制限温度（約90
℃）に達しないようにするものである。したがって、断
熱材層の厚さはヒートパイプの取付寸法（径方向）より
大きく、ヒートパイプを埋設するに充分な厚さとし、ま
た、材質はライナーの熱をコンクリート層へ伝達させな
いように厚さとの関連で、以下に述べるように適宜選定
するが、いずれにせよ中性子照射によって材質劣化を生
じないものとする。

【００１７】使用済み核燃料の総発熱量又は断熱材層の
熱通過量とヒートパイプの熱移動能力との間には相関関
係があり、コンクリート層の局部温度が制限温度（約90
℃）を超えないようにこれらを決定する必要がある。核
燃料の総発熱量が大きくなるに従って、また、断熱材層
の熱通過量が小さくなるに従って、ヒートパイプは熱移
動能力の高いことが要求される。

【００１８】断熱材層の熱通過量は、その熱伝導率及び
層の厚さにより定まる。即ち、熱伝導率が高いほど又は
断熱材層の厚さが薄いほど、熱通過量は大きくなる。し
たがって、これらを適当に組み合わせて熱通過量を決め
ることができる。

【００１９】断熱材層は少なくともライナーの温度に対
する耐熱性が必要である。断熱材層は上記の条件を満た
せば、材質は問わない。

【００２０】コンクリート層は普通コンクリートで良
く、特殊な重コンクリートや蛇紋岩コンクリートでなく
ても良い。これは、キャスクの製造コストの面で有利と
なる。コンクリート層はキャスクの外郭をなし、キャス
クの強度を保持するとともに、核燃料からの中性子の漏
洩を遮蔽する。

【００２１】本発明によるコンクリート製キャスクで
は、断熱材層内にヒートパイプが埋め込まれている。ヒ
ートパイプは受熱部、放熱部及び断熱部からなり、熱を
受熱部から放熱部に高効率で伝達する。ヒートパイプの
内面には、受熱部における作動液の濡れ性を確保するた
めに、例えばメッシュ等を配置することが望ましい。ヒ
ートパイプの熱輸送量や使用環境は、管の寸法、材質、
作動液の種類等により決定される。従って、これらのヒ
ートパイプの仕様は、収納する核燃料の総発熱量を考慮
してヒートパイプの数及びその配置とともに、選定する
必要がある。

【００２２】ヒートパイプは核燃料からの熱及び中性子
に耐える材料で製作される必要があるが、受熱部での熱
伝導を良くするため、熱伝導率の高い材質とすることが
好ましい。この条件を満たすために、ヒートパイプの表
面を二重構造にすることも考えられる。即ち、表面の外
側をステンレス鋼やチタン等の耐食性材料にし、その内
側を銅や銅合金等の熱伝導率の高い材料にする。

【００２３】ヒートパイプはライナーとキャスク外に設
けられた冷却部とを結ぶ長さが必要であるが、断面形状
については特に制限はなく、円形のほか、楕円、多角形
でも良い。

【００２４】ヒートパイプの受熱部はライナーに接し、
放熱部は冷却部に接している。冷却部の構造は放熱量に
応じて決定され、例えば、放熱フィンにしてもよく、こ
の場合には、放熱量を大きくするために更に放熱フィン
周囲に強制対流を起こすファンを設けても良い。

【００２５】使用済み核燃料は未だ高温を発生してお
り、その熱の伝達は次のようになっている。即ち、核燃
料からの熱は収納部空間から輻射及び伝導によってその
外周を囲む金属製ライナーに伝わる。断熱材層がライナ
ー外周を取り巻いているため、ライナーからコンクリー
ト層への熱の移動は少ない。したがって、コンクリート
層が高温にならず、かつ周方向に関して比較的平坦な温
度分布になる。

【００２６】ライナーにはヒートパイプの受熱部が接し
ているため、熱はライナーからヒートパイプを通ってキ
ャスクの外部に高効率で放出される。

【００２７】請求項２に記載された発明では、請求項１
の断熱材層の材質を特定しており、中性子遮蔽能をもつ
耐熱樹脂、例えば、エポキシ系樹脂を用いる。核燃料か
らの中性子は断熱材層の樹脂で遮蔽され、また、ライナ
ーからコンクリート層へ伝達されようとする熱も遮断さ
れる。

【００２８】

【実施例】図１は、本発明の実施例に係るコンクリート
製キャスクの構造を一部切り欠いて示した斜視図であ
る。尚、本実施例に係るキャスクの基本構造は、図６に
示した従来の除熱システムをもつヒートパイプ型コンク
リート製キャスクの構造に基づいている。

【００２９】キャスク１は円筒形であり、中心から順
に、収納部空間２、ライナー３、レジン層４及びコンク
リート層５によって構成される積層構造となっている。
また、レジン層４にはヒートパイプ６がキャスクの中心
軸と平行に埋め込まれている。なお、特許請求の範囲に
おける断熱材層は、本実施例ではレジン層４に対応して
いる。

【００３０】ライナー３によって与えられた収納部空間
２は内径がおよそ1.5 m 〜 1.8 mの円筒形をしており、
収納の際、使用済み核燃料１０が互いに接触しないよう
に貯蔵バスケット容器２１が多数設けられている。貯蔵
バスケット容器２１は熱伝導率が良く、使用済み核燃料
１０の熱を外側に放出する。なお、貯蔵バスケット容器
２１を更に図５の密封バスケット容器７１に入れる構造
にすれば、中性子を効果的に遮蔽することができる。

【００３１】ライナー３はステンレス製であり、良好な
熱伝導体である。ライナー３の外側にはヒートパイプ６
が取り付けられている。この状態を図２により説明す
る。図２（ａ）は、図１のコンクリート製キャスクの層
構造を横断面の４分の１部分について示しており、残り
の４分の３部分についても同様の層構造である。また、
図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ部拡大図である。

【００３２】ヒートパイプ６は全部で１６本用いられ、
ライナー３の外周面に等角度間隔で配置される。ヒート
パイプ６は１本ずつ取付具６１によってライナー３にね
じ止めされている。

【００３３】取付具６１はヒートパイプ６の外径よりも
わずかに大きい穴６２があり、左右にフランジ部６３が
ある。そのフランジ部６３には図示を省略した取付け穴
があけられている。取付具６１は熱伝導率が良い金属で
作られており、ライナー３及びヒートパイプ６に密着し
て取り付けられている。したがって、ライナー３の熱は
フランジ部６３からヒートパイプ６へ効率よく伝わる。

【００３４】ここで、図１の説明に戻る。ヒートパイプ
６は受熱部６２、断熱部６３及び放熱部６４からなり、
受熱部６２が取付具６１に取り付けられる。放熱部６４
はキャスク外にある冷却部６５に取り付けられる。ま
た、断熱部６３はヒートパイプ６がコンクリート層５を
貫通する部分になっている。

【００３５】このため、ヒートパイプ６は受熱部６２で
熱を受け、その作用により熱を放熱部６４へ運び、冷却
部６５に熱を移動させる。断熱部６３では外部との熱の
受け渡しがなく、コンクリート層５との熱の移動はな
い。したがって、ヒートパイプ６からコンクリート層５
へ熱が移動することはない。なお、コンクリート層５の
貫通部分がヒートパイプ６の放熱部６４となってしまう
場合には、両者の間に断熱材を挟む方法もある。

【００３６】冷却部は、図示を省略した放熱フィンとな
っている。放熱量が大きい場合には放熱フィン付近をフ
ァン等により強制対流させる方法もある。

【００３７】ヒートパイプ６の仕様はキャスクに収納す
る核燃料１の総発熱量によって決まる。例えば、使用済
み核燃料の総発電量が20kWの場合には、外径20〜30mmの
ヒートパイプ１０本程度で除熱能力は十分である。ま
た、ヒートパイプ６は二重構造になっており、外管にス
テンレス鋼、チタン等の耐食性材料を用い、内管に銅又
は銅合金を用いる。

【００３８】ライナー３の外側は、レジン層４で囲まれ
ている。レジン層４には、ヒートパイプ６が埋設され、
ヒートパイプ６の外側にもレジン層４が形成されてい
る。このため、レジン層４の外側にあるコンクリート層
５とヒートパイプ６とが接触することはない。レジン層
４の厚さはキャスク全体の温度分布等により定まるが、
およそ数十mm〜200 mm程度となる。

【００３９】この実施例では、レジン層４としてエポキ
シ系樹脂をコーティングしている。この樹脂は熱伝導率
が低いため、ライナー３まで伝わった核燃料１０の熱の
ほとんどはヒートパイプ６の受熱部から外部に放出さ
れ、レジン層４からコンクリート層５に伝わる熱量は減
少する。なお、レジン層４はライナー３の温度への耐熱
性が必要となり、エポキシ系樹脂はこの条件を満たす。

【００４０】この状態の温度分布を図３に示す。図３で
は、レジン層４は100 mmの厚さになっているため、コン
クリート層５に接するレジン層４の中間付近は 100℃程
度に均一に保たれており、レジン層４の外面は90℃以下
になっている。レジン層４を含まない場合の温度分布を
示す図４では、ライナー外表面温度が局部的に 140℃に
なっており、両者を比較すればレジン層４による熱移動
の変化がわかる。即ち図３におけるコンクリート層のい
かなる部分でも局部温度を許容温度（約90℃）以下に抑
えることができる。

【００４１】レジン層４であるエポキシ系樹脂は更に中
性子吸収能をもつ。使用済み核燃料１０の発する中性子
は貯蔵バスケット容器２１やライナー３およびコンクリ
ート層５によりその漏洩を遮蔽するが、レジン層４によ
ってコンクリート層５への中性子の漏洩を更に少なくす
ることができ、コンクリート層５の中性子遮蔽の負担を
軽減できる。このため、中性子照射によるコンクリート
層５の温度上昇や照射損傷をなくすことができる。な
お、コンクリート層５は普通コンクリートが用いられて
いる。

【００４２】

【発明の効果】以上に述べたように、請求項１に記載さ
れた発明によれば、コンクリート層の内側にある断熱材
層によりコンクリート層の局部温度上昇を抑えることが
できるので、コンクリートの強度低下を防止することが
でき、キャスクの寿命を延ばすことができる。

【００４３】また、請求項２に記載された発明によれ
ば、断熱材層により中性子が吸収されるので、コンクリ
ートが中性子による照射損傷を受けることがなくなり、
コンクリートの強度低下を防止することができる点で、
キャスクの寿命を更に延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るヒートパイプ型コンクリ
ート製キャスクの構造を一部切り欠いて示した斜視図で
ある。

【図２】ａ図は図１の実施例に係るキャスクの層構造を
４分の１部分について示す横断面図、ｂ図はａ図のＡ部
拡大断面図である。

【図３】図１の実施例に係るキャスクの層構造における
周方向の温度分布の一例を示す説明図である。

【図４】従来技術に係るキャスクの層構造における周方
向の温度分布の一例を示す説明図である。

【図５】従来技術に係るベンチレーション型コンクリー
ト製キャスクの構造を示す一部切欠き斜視図である。

【図６】従来技術に係るヒートパイプ型コンクリート製
キャスクの構造を示す一部切欠き斜視図である。

【符号の説明】

１・・・・・・キャスク ２・・・・・・収納部 ３・・・・・・ライナー ４・・・・・・レジン層 ５・・・・・・コンクリート層 ６・・・・・・ヒートパイプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核燃料用収納部の外郭をなすコンクリート
   層の内周に金属製ライナーを設けたコンクリート製キャ
   スクにおいて、前記金属製ライナーと前記コンクリート
   層との間に介在配置された断熱材層と、受熱部が前記金
   属製ライナーに接し、放熱部がキャスク外の冷却部に接
   するように前記断熱材層内に埋設されたヒートパイプと
   を有することを特徴とするコンクリート製キャスク。
2. 【請求項２】断熱材層が中性子遮蔽能をもつ耐熱樹脂か
   らなることを特徴とする請求項１に記載したコンクリー
   ト製キャスク。