JPH09510543A - 単一の隣接管束を備える核燃料集合体用の収納棚 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 相互に平行であって核燃料集合体を収納するための複数の長尺隣接ハニカムから成る核燃料集合体用の収納棚であって、前記ハニカムの隔壁が中性子吸収性要素を含む材質から成り、相互に平行であって並置され、束の長さ上に分布した単数または複数の円環によりこの構成内に維持される小型の束を形成するため長軸において相互に接触している複数の長尺の同一の直管を主に含むことを特徴とする棚。

Description

【発明の詳細な説明】 単一の隣接管束を備える核燃料集合体用の収納棚 技術分野 本発明は、各ハニカム内に燃料集合体、場合によっては圧密後の複数の燃料集 合体の棒を挿入することが可能な、複数の長尺隣接ハニカムから成る核燃料集合 体用の収納棚を対象とする。 これら格納棚（キャビネットまたはラックとも呼称する）は、場合によって遮 蔽梱包されたあるいはされない前記燃料集合体の貯蔵または運搬に用いるための ものである。格納棚は照射済燃料に特に適するが、新規燃料についても完全に使 用可能であり、例えば水槽内での燃料の貯蔵時、運搬または貯蔵棚への収納時、 さらにはコンクリート構造内での一時的な貯蔵時、地層処分による最終貯蔵時な ど、乾燥条件下でも湿潤条件下でも使用することができる。 現況技術 核燃料集合体用のハニカム構造棚として多くの種類が知られている。棚は、 ・ 棚内に収納される集合体全体の乾燥時あるいは液状または 気体水分（この水分は、例えばホウ素を主成分とする中性子吸収成分を含むこと がある）の存在下での臨界制御、 ・ 照射集合体の場合に発生する熱を排出するための熱伝達、 ・ （ｉ）集合体を載荷した棚の幾何形状を維持し、通常使用時（荷役作業、運 搬など）の燃料棒の破損を防止すること、および（ｉｉ）事故条件下（大きな衝 撃および落下）でも、現行の規定に従い棚の幾何形状を維持することにより臨界 制御を確保することの二つの目的を満たすのに充分な機械的強度 という三つの主要な機能を同時に果たさなければならない。 棚は、放射線に対し補完的遮蔽をもたらすようにも設計され、応用例によって は有用である。 軽水炉（ＰＷＲ、ＢＷＲ、ＶＶＥＲ．．．）、グラファイト炉（ＵＮＧＧ、Ｍ ＡＧＮＯＸ、ＡＧＲ、ＲＢＭＫ、．．．）、重水炉（ＣＡＮＤＵ．．．）、高速 中性子炉、研究炉等、種々の種類の原子炉において使用される集合体に適合する よう、種々の型の棚が開発された。 このようにして開発された棚のハニカムの仕切壁をつくるため、通常、各材質 が前記三つの機能の少なくとも一つを果たす複数の材質を組み合せたものを使用 する。 使用される主な材質は、通常機械的強度の機能についてはステンレスまたはア ルミニウム（またはその合金）であり、熱伝達の機能についてはアルミニウムま たは銅（またはその合金）であり、臨界の制御の機能についてはホウ素化合物（ Ｂ４Ｃを主成分とするフリット）、ホウ素を含む銅、アルミニウム、ステンレス 合金である。臨界の制御の機能は、棚のハニカムの仕切壁内に設けた充分な厚み の空間であって、燃料体を含むハニカムと同時に水を充填するか空にする空間に よっても果たすことができる。 このようにハニカムはしばしば ・ 前記材質をそれぞれ張り合わせた連続する層であって各層が機能のうちの少 なくとも一つを果たす層を含むサンドイッチ形の複合仕切壁、 ・ または、これらの材質でつくられる基本構成部品（通常は形鋼）を長手方向 に並置することによって構成される仕切壁を用いて構成され、従ってハニカム間 の仕切壁内には、前記長手方向に、機能のうちの少なくとも一つを果たす異なる 材質の一連の基本構成要素があるとすることができる。このような配置は、ＦＲ ２６２７６２２およびＦＲ２６５０１１３に記載され ている。 これらの特許においては、ハニカム間の仕切壁を構成する並置基礎構成部品は 、一様に並置され、前記ハニカムの軸に対し直角に交差し、相互に固設された標 準材質の形鋼であり、これら形鋼は、機械的強度および熱伝達の機能を果たすた め、ステンレス、アルミニウムの合金、銅などとすることができ、臨界の制御の 機能は、前記仕切壁内に挿入された中性子吸収性材質の棒および／または格子内 に挿入された中性子吸収性材質の同一形状の形鋼により果たすことができる。 例えばＦＲ２６２７６２２の第６図では、ハニカム間の仕切璧は、瓶の段ボー ル製仕切に似せたハニカムを得るためバンドを交差させ相互に固設させた状態に 維持するよう、相互に協動する切り欠きを具備するバンドを並置することから成 る。この並置部分は、（臨界の機能のための）中性子吸収性材質のバンドと（機 械的強度および熱伝達の機能のための）標準材質のバンドとを交互に含む。この ような棚は、放射性物質の運搬に関するＩＡＥＡ（国際原子力機関）の規定に定 めるような重大な事故条件下であっても変形しないように設計される。 ところで出願人は、ハニカム間の仕切壁を形成するのに異な る材質の組み合せを使用する代りに、前記の第６図のように交差させたバンドで あって、一つの中性子吸収性要素を含む一種類のみの多機能材質による全て同一 のバンドから成る棚を既につくった。 このような解決方法により、通常条件における燃料集合体の荷役作業および運 搬に必要な強度を限度とする機械的強度を有する棚を設計することが可能である 。この棚は特に、規定に定める重大な事故による衝撃および落下に対する機械的 強度を必要としない。事実、作用部分に対し直角な位置にある仕切璧が専ら中性 子吸収材でつくられるこのような棚により、著しく変形した場合でも臨界以下の 状態が保証される。このような棚の認証にあたってはもはや重大な衝撃または落 下時の機械的強度を試験する必要がない。このことは長所である。 通常、ホウ素アルミニウム製であるこの棚は、通常の荷役作業および運搬条件 における臨界制御、熱伝達、機械的強度の機能を全うできるような設計に基くも のであり、重大な事故時の機械的強度の機能は必要としないため、ハニカム間の 仕切璧の厚みに制限を加えることができ、したがって燃料集合体の容量を増やす ことができる。 しかしながら、バンドをこのように並置するにあたっては、棚の組み立て時に 手動で協動する切り欠きの切削加工が必要であり、棚に剛性を与える。そのため ・ バンドが完璧に一列に並べられ、かつ燃料集合体の載荷時に引っ掛かりが生 じないようハニカムの仕切壁が完璧に平滑であるようにするため、切削加工はき わめて高い精度で行い取り付けの遊びを小さくしなければならない。この高精度 切削加工は難しくコストも無視できない、 ・ 取り付けの遊びが小さいため、切り欠きにおけるバンドの組み立てが多少難 しくなる、 ・ 最後に、予定される機能（機械的強度および熱伝達）を、必要とされる水準 で確保するには、バンドの厚みを増加することで切り欠きの存在を補完しなけれ ばならない というように幾つもの欠点がある。 出願人はこれら欠点を勘案の上、燃料集合体の貯蔵能力を維持または向上させ ながらも、特に切り欠きの切削加工およびバンドの微妙な組み立てを行わないよ うにして棚の構造をさらに簡単にしようと試みた。 発明の説明 本発明は、相互に平行であって核燃料集合体を収納するための複数の長尺隣接 ハニカムから成る核燃料集合体用の収納棚であって、前記ハニカムの隔壁が中性 子吸収性要素を含む材質から成り、相互に平行であって並置され、束の長さ上に 分布した単数または複数の円環によりこの構成内に維持される小型の束を形成す るため長軸において相互に接触しているハニカムを形成する複数の長尺の同一の 直管を主に含むことを特徴とする棚を対象とする。従って棚は、焼結された同一 の管から成り各管が燃料集合体を収納するようになっている束の外観を呈する。 管は多角形または円管形であって、断面は通常、管に挿入する集合体の断面に 対応する。この断面は正三角形、正方形、長方形、六角形とすることができるの で、熱伝達にとって有利な、管の面対面の接触が可能である。 しかしながら断面が円形の管を使用することも可能であり、その場合接触は母 線に沿ってなされるが、棚内に充填されている流体内で対流により熱伝達が効果 的に行われ得る特に湿潤条件下ではそれで充分なこともある。 管の長さは通常、収納する集合体の長さあるいは少なくとも その作用部分の長さに対応する。 先行技術による棚においては、棚の中心から周囲への熱伝達を促進するため、 一般的に棚を構成する材質の半径方向における連続性を追求している一方、本発 明による棚では、思いがけず半径方向の連続性はなく長手方向の連続性があるの みであるが、それにも関わらず、相互に面対面で接触する並置管を締め付ける単 純な円環によって補強締め付けによりすぐれた半径方向の熱伝達が得られること に留意すべきである。 有利には、管は通常の押し出し技術によって得られる。このことは、棚の他の 特徴を損なわずに棚の製造を簡単にしそのコストを低減するための決定的要素で ある。しかしながら管は、例えば折り曲げ加工および／または溶接、成形加工等 、当業者にとって既知のあらゆる方法によっても得られる。 管は通常均質であり、通常の荷役作業および運搬条件における燃料集合体の負 荷に耐えるのに足る機械的特性、および／または半径方向において効果的な熱伝 達を必要とする応用例については良好な熱伝導率を有する中性子吸収性要素また は化合物を含む金属または金属合金といった単一材質でつくられる。 応用例に応じて、鋼（通常、ステンレス、または特殊）、マ グネシウム、銅、チタン、これらの合金、アルミニウムまたはその合金等の中か ら、金属または合金を選択することができる。また、中性子吸収性化合物は、Ｃ ｄ、Ｇｄ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｂ等を主成分とすることができる。ただし、湿潤 環境下での長期間滞留が予定されている場合にはホウ素ステンレスの使用が特に 好適であり、長期間の乾燥下貯蔵の場合にはアルミニウムまたはホウ素アルミニ ウム合金を選択するのが好ましいが、それはその熱伝導率が鋼の熱伝導率よりも はるかに高いことによる。 棚は、通常の荷役作業および運搬条件における燃料集合体の質量維持に限定さ れた機械的特性を確保するだけでよいことから、例えば、熱的性能において劣る アルミニウムの高合金を使用しなくてもよいことに留意すべきである。反対に、 すぐれた熱伝導率を有する純アルミニウム地を使用することができる。例えば鋳 造部品に使用するＡＳ１３型合金の熱伝導率は約１６０Ｗ／ｍ．℃であり、高い 機械的強度の形鋼用のＡｌ−Ｍｇ合金の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍ．℃程度である が、Ａ５型のＡｌ（純度９９．５％以上）の場合、熱伝導率は２３０Ｗ／ｍ．℃ 程度である。 従って、集合体を充填した棚が臨界以下であるようにするため、管は前記のよ うに中性子吸収物質を含む。当然のことながら、管における中性子吸収物質の含 有量は収納する燃料集合体の種類に合わせるが、特に、燃料集合体はその内部の 燃料棒間に分布する中性子毒作用物質の棒を含むことがあることを勘案すべきで ある（ＰＷＥＲ、ＶＶＥＲ１０００の集合体の場合）。 中性子吸収物質の主成分がホウ酸であるときには、例えば金属物質がアルミニ ウムまたはその合金である場合のホウ酸アルミナ化合物など、この物質は種々の 化合物の形態で金属物質内に入れ込むことができる。有利には、エネルギースペ クトルの全範囲における中性子吸収剤として有効な同位体であるＢ１０でホウ素 をあらかじめ富化することができる。それにより、前記金属物質内の含有量を減 らし（冶金、力学、物理上の）特性が変化するのを防ぐことができる。ホウ酸を 主成分とする化合物は通常、金属（例えばＡｌ）内で分散質の形態であることか ら、熱特性にはほとんど変化を及ぼさない。 臨界の危険性に比べ、本発明による棚は本来安全であるという長所を有する。 事実、原子炉の安全性に関連する理由から、通常、Ｕ₂₃₅の濃縮率が５％未満の ＵＯ₂燃料または場合によ ってはＵＯ₂−ＰｕＯ₂混合燃料を使用する核燃料集合体は原則として減速不足格 子の核分裂物質の構成を形成するよう設計される。その結果、管の金属が十分な 伸びをもっていれば、本発明による棚を変形させる可能性のあるあらゆる事故的 衝撃は、燃料棒間の横方向の間隔を減少させるだけであり、したがって減速不足 はさらに向上し、結果としてあらゆる臨界の危険性が回避される。反対に、ハニ カムの隔壁間において間隔または空隙を保つことにより臨界以下の状態が維持さ れる棚またはラックについては、棚の変形をきたす規格外の事故の場合、臨界脱 線に至ることがあることに留意する必要がある。 並置された管を固定するための円環は、管束の全長にわたり等間隔で分布させ る。円環は通常、束の周囲を締め付ける金属バンドを用いて行い、あらゆる既知 の装置を使用してバンドの端部により、規定の締め付け力を加えることが可能で ある。 通常、バンドは管の金属とは異なる金属でつくられ、その金属は、管の膨張率 との差異により、棚が加熱された時、並置された管の粘着力および剛性、ならび に管間の良好な熱接触が維持されるか向上するような膨張率を有する。 実際には、予定される最大熱負荷時の差動膨張の作用によっ て棚の種々の構成要素内に過度の応力が発生しないようにして、円環の金属を選 択し、取り付け時の張力を設定するよう気を付ける必要がある。 棚はその下面により、通常金属製で棚の荷役作業に使用する適当な装置を具備 する剛板上に据え付けることができる。 本発明による棚の適用範囲は非常に広範である。棚は、前記のように圧密した またはしていない各種燃料集合体に適するだけでなく、乾燥または湿潤条件下で の新規燃料または照射済燃料集合体の貯蔵または運搬にも使用可能である。従っ て、原子炉の種類によっては、本発明による棚を、原子炉から付属する冷却槽ま での前記集合体の運搬に使用することができ、また水槽から回収して現行規定に 適合した遮蔽運搬梱包物内に収納することも可能である。さらに、本発明による 棚は最終的な地層処分にも使用可能であるので、棚そのものの寿命に等しい期間 臨界以下の状態が保たれるという保証を提供する。 原子炉の外にある各燃料集合体が、製造後の入庫から再処理前の冷却槽まであ るいは一時貯蔵、さらには地層処分までのその寿命の間、いかなる状況下におい ても本発明による棚内に維持される限り、人的過失による臨界の危険性は完全に 回避され るであろうことに留意すべきである。 本発明を図示するものとして、第１図〜第４図は本発明による棚の種々の可能 性を示す。 これら図間の違いは、並置された管（１）の断面のみである。すなわち第１図 は、正三角形の断面の管に対応し、第２図は、正方形の断面の管に対応し、第３ 図は、六角形の断面の管に対応し、第４図は、円形の断面の管に対応する。 第１図から第４図の各図の管の束は三つの円環（２ａ、２ｂ、２ｃ）によって 固定されるが、その引っ張りシステムは図示しない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年１月３０日 【補正内容】 請求の範囲 １．相互に平行であって核燃料集合体を収納するための複数の長尺隣接ハニカム から成る核燃料集合体用の乾燥状態で使用可能な収納棚であって、前記ハニカム の隔壁が中性子吸収性要素を含む材質から成り、相互に平行であって並置され、 束の長さ上に分布した単数または複数の円環によりこの構成内に維持される小型 の束を形成するため長軸において相互に接触しているハニカムを形成する複数の 長尺の同一の直管を主に含むことを特徴とする棚。 ２．管が正多角形または円形の断面を有することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の棚。 ３．多角形の断面が、正三角形、正方形、四角形、または六角形であることを特 徴とする請求の範囲第２項に記載の棚。 ４．管の材質が、機械的に高い強度を有しおよび／または良好な熱伝導率を有す る材質、好ましくは、鋼（通常、ステンレス、または特殊）、銅、マグネシウム 、チタン、アルミニウム、あるいはこれらの合金の中から選択されることを特徴 とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の棚。 ５．中性子吸収性要素がホウ素を主成分とすることを特徴とする請求の範囲第１ 項から第４項のいずれか一項に記載の棚。 ６．ホウ素がＢ１０で富化されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の棚 。 ７．管の材質がホウ素アルミニウムまたはホウ素ステンレスであることを特徴と する請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載の棚。 ８．前記棚内に収納された燃料集合体が、燃料棒間に分布された案内管内に挿入 した中性子吸収性材質のロッドまたは棒を含むことを特徴とする請求の範囲第１ 項から第７項のいすれか一項に記載の棚。 ９．円環が、棚が加熱されたとき、管の束の粘着力および剛性、ならびに管間の 良好な熱接触が維持されるか向上するよう、管の材質の膨張率とは異なる膨張率 を有する金属製であることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項のいずれか 一項に記載の棚。 １０．棚がその下面により、棚の荷役作業に使用する控えを具備する剛板上に据 え付けられることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記 載の棚。 １１．乾燥または湿潤条件下において新規燃料または照射済燃料集合体の貯蔵ま たは運搬に使用されることを特徴とする請求の範囲第１項から第１０項のいずれ か一項に記載の棚。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．相互に平行であって核燃料集合体を収納するための複数の長尺隣接ハニカム から成る核燃料集合体用の収納棚であって、前記ハニカムの隔壁が中性子吸収性 要素を含む材質から成り、相互に平行であって並置され、束の長さ上に分布した 単数または複数の円環によりこの構成内に維持される小型の束を形成するため長 軸において相互に接触しているハニカムを形成する複数の長尺の同一の直管を主 に含むことを特徴とする棚。 ２．管が正多角形または円形の断面を有することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の棚。 ３．多角形の断面が、正三角形、正方形、四角形、または六角形であることを特 徴とする請求の範囲第２項に記載の棚。 ４．管の材質が、機械的に高い強度を有しおよび／または良好な熱伝導率を有す る材質、好ましくは、鋼（通常、ステンレス、または特殊）、銅、マグネシウム 、チタン、アルミニウム、あるいはこれらの合金の中から選択されることを特徴 とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の棚。 ５．中性子吸収性要素がホウ素を主成分とすることを特徴とす る請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の棚。 ６．ホウ素がＢ１０で富化されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の棚 。 ７．管の材質がホウ素アルミニウムまたはホウ素ステンレスであることを特徴と する請求の範囲第１項から第６項のいすれか一項に記載の棚。 ８．前記棚内に収納された燃料集合体が、燃料棒間に分布された案内管内に挿入 した中性子吸収性材質のロッドまたは棒を含むことを特徴とする請求の範囲第１ 項から第７項のいずれか一項に記載の棚。 ９．円環が、棚が加熱されたとき、管の束の粘着力および剛性、ならびに管間の 良好な熱接触が維持されるか向上するよう、管の材質の膨張率とは異なる膨張率 を有する金属製であることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項のいずれか 一項に記載の棚。 １０．棚がその下面により、棚の荷役作業に使用する控えを具備する剛板上に据 え付けられることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記 載の棚。 １１．乾燥または湿潤条件下において新規燃料または照射済燃 料集合体の貯蔵または運搬に使用されることを特徴とする請求の範囲第１項から 第１０項のいずれか一項に記載の棚。