JPS61110092A - 使用済核燃料貯蔵キャスクの閉鎖装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉から取り出した使用済核燃料の長期貯
蔵技術に関し、特にキャスクの開発、試験及び公開実験
時には使用済核燃料貯蔵キャスクに着脱自在に取り付け
ることができ、開発、試験及び公開実験後においてはキ
ャスクを永久的に封止して長期貯蔵のために閉鎖できる
閉鎖装置に関する。

この種のキャスクに課せられる要求はかなり厳しい。キ
ャスクは長期にわたる貯蔵期間中、化学的攻撃を受けな
いものである必要がある。更に、長期間の貯蔵中及びキ
ャスクが手荒く取り扱われ落下環の事故に遭遇する可能
性がある運搬中においても僅かな破損をも生じないよう
、充分な機械的な頑丈さを持たなければならない。更に
、キャスクは、使用済の燃料から発生する熱を周囲環境
に伝え、しかも使用済燃料から発生する放射能を遮蔽し
なければならない。ジルコニウム製のハウジングの劣化
を避けるために、燃料棒の温度は、許容最高温度、たと
えば３７５°以下に保たねばならない。キャスク内部の
かごの配置は、考えられる様々な条件下で使用済燃料を
機械的に支持するとともに、使用済燃料から発生する熱
をキャスク壁部に伝える配置でなければならない。また
、水を抜き取る前にキャスクの内部で連鎖反応が持続し
ないよう、連鎖反応を確実に断ち切る手段を設けなけれ
ばならない。このような要求によりキャスクに厳しい条
件が課され、キャスクは完全に信頼性のある貯蔵機能を
発揮するものでなければならない。

上記の諸条件を考えると、キャスクの商業的生産ができ
るまでには、多様な開発・試験及び改善が必要なことは
驚くにあたらない。

たとえば、放射能レベルまたは温度についての計算を経
験的に確認し、あるいは新しいかご配置を実際に試験す
ることが望ましい。同様に、一定期間貯蔵した後にキャ
スクの内部状態を点検し、あるいは異なる貯蔵条件下（
即ち、そのままの状態の燃料集合体または固めた燃料の
形）でのキャスクの作動特性の試験を行なうことが望ま
れることもある。即ち、キャスクの開発、試験及び公開
実験中はキャスク内部へ接近できるようキャスクを着脱
自在の閉鎖状態で封止しておくのが望ましいことが明ら
かである。しかし、上記の種々の試験及び改善の目的は
、使用済燃料を長期間貯蔵するために永久的に密封する
ことができるキャスクを開発することである。更に、実
験に使用される閉鎖装置を用いてキャスクの試験を行な
うことが望ましい。

従って、本発明の目的は、キャスクの開発、試験及び公
開実験中は着脱自在に嵌合することができ、使用済核燃
料の長期貯蔵のためにキャスクを使用するときにはキャ
スクまたは閉鎖装置を設計し直すことなく永久的に嵌合
させることができる閉鎖装置を提供することである。

上記の目的に鑑み、本発明は第一の段及び第二の段を設
けた口部区域を持つキャスクの基体部材を一時的に密封
しかつ前記キャスクの基体部材を永久的に密封するため
の閉鎖装置であって、前記第一段の上に載置する形状の
第一周縁区域と第二周縁区域とを持つ第一カバーと、前
記第一周縁区域と前記第一段の中間部に配設されて前記
キャスクの基体部材を少なくとも一時的に密封する機械
的密封部を形成する第一密封リングと、第一エツジ及び
第二エツジを持つ全体として帯状の湾曲リングとを有し
、前記第一エツジは前記第一カバーの第二周縁区域に密
封固定され、前記第二エツジは前記キャスクの基体部材
を永久的に密封する場合にのみ前記キャスクの基体部材
に密封固定され、更に、前記第二段の上に載置される形
状の周縁区域を持つ第二カバーと、前記第二カバーの周
縁区域と前記第二段との中間部に配設されて前記キャス
クの基体部材を少なくとも一時的に密封するもう１つの
機械的密封部を形成する第二密封リングとを含むことを
特徴とする閉鎖装置を提供せんとするものである。

第一カバーが放射能を充分に減衰させて、作業者が短時
間キャスクにアクセスできる程度にする。キャスクの口
部区域にあるみぞに複数の剪断キーが挿入され、第二カ
バーが取り付けられる前にキャスクがプールから持ち上
げられる際に第一カバーの位置がずれないように確保す
る。キャスクを永久的に封止するときには、剪断キーを
次々に取り外し、第一カバーの周縁部にひさし形の溶接
シールを施す。キャスクの据え付けが永久据え付けであ
るか、一時的な据え付けであるかを問わず、第一カバー
の上方に第二カバーをボルトで取り付ける。キャスクを
永久的に封止するときには、第二カバーの周縁部にひさ
し形の溶接シールを設ける。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を
説明する。以下の好ましい実施例は例示を目的とするも
のであり、本発明を限定するものではない。

第１図に核燃料を原子炉に供給する代表的な核燃料集合
体２０を示す。核燃料集合体２０は、下部ノズル２２と
上部ノズル２４とを有し、これらのノズルの間に複数の
細長い燃料棒２６が配設されている。各燃料棒は、市販
されている「ジルカロイ−４」、 （Ｚｉｒｃａｌｌｏｙ−４）等のジルコニウム合金製の
円筒形ハウジングを含み、Ｕ−２３５を濃縮した核分裂
可能な燃料ベレットが円筒形ハウジングに充填されてい
る。燃料棒２６の集合体の内部のノズル２２とノズル２
４との中間部には、移動自在に取り付けられた制ａｌｐ
Ｉ！（図示せず）及び測定機器（図示せず）を収納する
複数の管状ガイド（図示せず）が設けられている。管状
ガイドの両端部はノズル２２及び２４に取り付けられて
、燃料棒２６に対する骨組み状の支持部を形成している
が、燃料棒２６はノズル２２及び２４に永続的に取り付
けられてはいない。支持格子２°８は複数の孔部を持ち
、複数の燃料棒及び管状のガイドが上記複数の孔部を貫
通して、これらの要素が一体に束ねられる。加圧木型原
子炉用の商用燃料集合体は、設計に応じて、１７９本乃
至２６４木の燃料棒を含む。代表的な燃料集合体の長さ
は約４．１ｍ、幅は約１９．７ｃｍであり、重さは約５
８５ｇである。正確な寸法は燃料集合体の設計ごとに異
なるものであることは容易に理解できるものと思う。

加圧木型原子炉中で約３年間使用すると、燃料集合体２
０の濃縮Ｕ−２３５が破損する。更に、燃料棒２６の内
部には、半減期の異なる種々の核分裂生成物が存在する
。燃料集合体２０を原子炉から取り出したときには、上
記の核分裂生成物が強い放射能及び熱を発生するので、
燃料集合体を硼酸塩含有水溶液を入れたプールに移して
短時間貯蔵する。この目的に用いるプールを第２図に参
照符号３０で示す。

代表的なブール３０の深さは１２．２メートルである。

ブール３０の底部に位置する多数の使用済燃料ラック３
２には、燃料集合体２０を鉛直向きに収納する貯蔵スロ
ット３４が設けられている。ブール３０の底部にはキャ
スクパッド３６がある。

燃料集合体２０がブール３０の内部で貯蔵されている間
に、燃料棒２６の内部の使用済燃料の組成が変化する。

半減期の短い同位元素類は崩壊して、比較的半減期の長
い核分裂生成物の割合が増える。従って、燃料集合体２
ｏから発生する放射能レベル及び熱はある期間比較的迅
速に減少して、最終的には熱及び放射能が極めて緩慢に
減少する状態に達する。しかしながら、このように熱及
び放射能が低レベルになった状態でも、燃料棒２６は無
期限の将来期間中、確実に周囲環境から隔離されなけれ
ばならない。

乾式貯蔵キャスクは、使用済核燃料を長期間貯蔵するた
めの容器の一例である。おそらくはブール３０中に１０
年間程度貯蔵した後に核燃料集合体２０から発生する熱
が所定のレベル、たとえば各集合体から発生する熱が０
．５乃至１．０キロワツトに低下した後、開口したキャ
スクをバッド３６に降下させる。一般に、キャスクはバ
スケット構造体を持ち、使用済燃料を受容する鉛直向き
の貯蔵スロットのマトリックスが上記バスケット構造体
によって形成される。遠隔操作により、使用済燃料（燃
料集合体２０の形であってもよく、貯蔵密度を増すため
に燃料集合体から取り出した燃料棒２６を収納した統合
キャスクの形であってもよい）をキャスクのバスケット
構造体に穆し、キャスクを密封し、水抜きをし、ガスを
満たす。次いで、キャスクをブールから取り出し、地上
の貯蔵区域に移送して、長期間貯蔵する。

まず、第３図を参照して説明を始めると、キャスクの基
体部材３８は円筒形キャビティ４０を有し、円筒形キャ
ビティ４０は床４２から段つき口部区域４４に延びてい
る。使用時には、キャビティ４０には通常、バスケット
構造体（図示せず）が収納され、バスケット構造体によ
り、使用済燃料は貯蔵スロット内部に支持され、使用済
燃料から発生する熱は基体部材３８の壁部４６に伝えら
れる。バスケット構造体の貯蔵スロット軸は基体部材３
８の軸と平行であり、口部区域４４付近でスロットが開
口していて、燃料集合体２６または統合キャニスタに収
納された燃料を受は入れる。

第３図を参照して更に説明を続けると、キャスクの基体
部材３８は、厚さが約２５ｃｍあり周囲環境をガンマ線
から保護する炭素鋼部分４８を有する。たとえば部分４
８をターンテーブル上に載置して回転させ、ステンレス
鋼溶接棒を用いて部分４８の内面に沿って連続した螺線
状に溶接を行うことにより、部分４８の内面にステンレ
ス鋼被覆５０を付着させて、ステンレス鋼の表面で部分
４８の内面を完全に覆い、部分４８が化学的に腐食され
ないように保護する。部分４８は厚さ約７．０ｃｍの中
性子吸収物質層５２で囲繞されており、中性子吸収物質
として樹脂を用いることができる。中性子吸収物質５２
の周囲には、ステンレス鋼製の外層５４があり、キャス
クを周、囲環境から保護している。部分４８には複数の
鋳鉄製フィン５６が溶接されていて、これらの冷却フィ
ンは中性子吸収物［５２及び外層５４を貫通して延びて
いる。これらのフィンを除いた基体部材３８の高さは約
４．８メートル、外径は約２．５メ一トル程度にするの
が一般的である。使用済燃料を充填すると、基体の重さ
は１０万キログラムを越える。取り扱いを容易にするた
めに、基体３８にトラニオン（図示せず）を設けること
もできる。

次に、第４図に示すように、段つきの口部区域４４は、
基体部材３８がキャスクパッド３６の上に配置されたと
きに（第２図参照）水平に配向される第一環状段区域５
８と、部材３８がバッド３６の上に配置されたときに水
平に配向される第二環状段区域６２を提供する環状みぞ
６０と、段区域６２の間の環状みぞ６４とを有する。突
起部６０の周囲にはねじつき孔部６６が設けられている
。ステンレス鋼層５０は、みぞ６４に向けて上方に延び
、厚さが増した区域６８で終端している。

部分４８に凹部（符号はつけていない）を設けておき、
ステンレス棒を用いて上記の螺線状溶接を行なう際に凹
部に余分のステンレス鋼を充填することにより、厚さの
増した終端区域を設けることができる。区域５８及び６
２は機械加工を施して円滑で平らな面にしである。

第４図を参照して、続けて説明すると、閉鎖装置７０が
段つき孔部区域４４と共働して、一時的にまたは永久的
に基体部材３８を密封し、完成したキャスクを提供する
。閉鎖装置７０は、はぼ円形で厚さ約１０ｃｍのステン
レス鋼製の第一カバー７２を有する。第一カバー７２の
底面には環状みぞ７４があり、上面には環状凹部７６が
設けられている。みぞ７４に収納されカバー７２の自重
によって第一区域５８に押圧された０リング７８によっ
て第一の機械的密封がなされる。区域５８に切り込んだ
みぞに収納されたＯリングもしくは区域５８及びカバー
７２に互いに隣接させて設けた浅いみぞによって第一の
機械的密封を行なうこともでき、あるいは全くみぞを設
けることなく第一の機械的密封を行なうこともできるこ
とは明らかである。しかしながら１．みぞ７４の内部に
０リング７８を永久的に嵌め込んでおいて、第一カバー
７２を単一のユニットとして運搬し取り付けるのが好ま
しい。

次に第４図及び第５図を参照して説明すると、第一カバ
ー７２は、ステンレス鋼製の環状ひさし部材８０を有す
る。部材８０は、たとえばステンレス鋼チューブから成
る輪の外側部分を切り落とすことにより、製造できる。

ひさし部材８０の底部エツジ８２は、溶接部がカバ一部
材７２の周縁部を取囲んで延びるよう第一カバー７２の
区域８４に溶接され、ひさし部材８０の中間部分８６が
凹部７６の内部に入り込む。このようにすれば、ひさし
部材８０をカバー７２と別にして輸送し取り付ける必要
がなくなる。

キャスクの基体部材３８をキャスクパッド３６まで下降
させて基体部材に使用済燃料を充填した後に、水面下で
第一カバー７２を取り付ける。充填作業終了後に、遠隔
操作により、第一カバー７２の周縁部が基体部材３８の
区域５８上に乗る位置まで、第一カバー７２を下降させ
る。０リング７８にかかる重量によって機械的に密封さ
れるけれども、キャスクの基体部材３８を動かす前に、
落下事故その他の遇発事故時に第一カバー７２の位置ず
れが起こらないように、遠隔操作により剪断キー８８及
び９０（第６Ａ図及び第６Ｂ図参照）をみぞ６４に挿入
する。キー８８及び９０を取り付けた後、水抜き部（図
示せず）を介してキャスクの基体部材７８の内部の水を
除去し、ガスを注入する。注入するガスはヘリウム等の
不活性ガスが好ましいが、他のガス類や空気等を用いる
こともできる。第一カバー７８を取り付け、キャスクの
基体部材３８の内部の水をガスで置換した後、部材３８
をブール３０（第２図参照）から持ち上げる。第一カバ
ー７２により放射能は充分に減少し、作業員は制限時間
内であれば口部区域４４にアクセスできる。

次に′ｆＳ６Ａ図及び第６Ｂ図に示すように、剪断キー
８８は、挿入部分９２と隆起部分９４とを含み、平行な
側部９６及び９８でく区切られている。剪断キー９０は
、挿入部分１００と隆起部分１０２とから成り、角度の
ついた側部１０４及び１０６の境界を持つ。

剪断キーを製造するには、ステンレス鋼を機械的加工し
て隆起部分９４及び１０２の厚さと同じ厚さの円板をつ
くり、円板の周縁内側の厚さを減少させて挿入部分９２
及び１００の厚さと同じにした後、円板中央の円形領域
を切り落として大きなワッシャーに似た環状の構造体を
つくる。次いで、この環状構造体を複数の区画に切り分
けて、個々の剪断キー８８及び９０をつくる。

第一カバー７２を取り付は剪断キー８８及び９０によっ
て固定した後の基体部分３８を第７図に示す、キー８８
とキー９ｏとが交互にカバー７２の周縁部に挿入されて
いることに注意されたい。キー８８の両側部とキー９０
の両側部の形状が異なる理由は、これらのキーをみぞ６
４に挿入しみぞ６４から取り出すことを可能にするため
である。上記の環状構造体を半径方向に沿フて切断して
複数の剪断キーをつくり、全部のキーを同じ形にすると
、キーをみぞ６４に挿入して完全な３６０度のリングを
形成できないことは明らかである。しかしながら、剪断
キー８８の両側部が平行であるから、これらのキー８８
をみぞ６４の所定位置に滑り込ませあるいはみぞ６４か
ら取り出して隣りの剪断キー９ｏを操作することは容易
にできる。しかしながら、側部９６が側部９８と平行で
あることは必須要件ではな（、側部９６と側部９８とが
隆起部分９４よりも端部１０８に近い位置にある頂点に
向かうよう傾斜した形であってもキー８８を取り出すこ
とができる。これに対して、剪断キー９０の両側部１０
４及び１０６には、端部１１０よりも隆起部分１０２に
近い位置にある頂部に向かう傾斜がつけられている。

第４図及び第５図に戻）て説明すると、キャスクの基体
部分３８を一時的に密封するときには、ひさし部材８０
の上部エツジ１１２を区域６８に溶接しないで、第一カ
バー７２を取り付けておく。即ち、一時的密封のために
は、エツジ１１２は第４図に示したように基体部材３８
には溶接されておらず、永久的に接続されてはいない状
態で車に凹部７６の上部に位置させである。しかしなが
らキャスクの密封を永久的なもとにするときには、剪断
キー８８及び９０を次々に取除き、ひさし部材８０の各
区画を露出させて、作業可能になったエツジ１１２の部
分を区域６８と溶接する。露出された一区画の溶接終了
後、剪断キーを再び挿入し、次の区画の剪断キーを取り
出して溶接を行う。エツジ１１２が連続的にキャスクの
基体部材３８に溶接されるまで、上記の操作を続ける。

部材８０が第一カバー７０に溶接されるから、上記のよ
うにしてエツジ１１２を溶接すれば永久的な密封部がで
きることは明らかである。更に、部材８０のエツジ８２
とエツジ１１２の間には、ある程度の可撓性があるので
、温度変化に応じて一次カバー７２はキャスクの基体部
材３８に対して膨張自在であることは明らかである。

即ち、部材８０は溶接密封部に過度のひずみを与えるこ
となく、カバー７２の口部区域４４に対する僅かな変位
に適応できる。

第４図を参照して説明を続けると、閉鎖装置７０は、厚
さ約１５ｃｍの炭素鋼製でほぼ円板形の第二カバー１１
４を有する。カバー１１４は、周縁部に間隔をあけて設
けた複数の孔部１１５と、環状みぞ１１６及び１１８と
、中央突起部１２０とを有する。第二カバー１１４は、
ひさし部材８０が溶接されて永久的に密封されている状
態または溶接による永久的な密封のない状態の何れの場
合にも、複数のボルト１２２により基体部分３８に固定
される。突起部１２０は、小さな間隙１２４によフて第
一カバー７２から隔てられており、このため膨張に差異
があっても問題はないが、落下事故により第一カバーが
急激に揺れた場合にはもう一つの機械的な支持部となる
。突起部１２０は、また、剪断キー８８及び９０が位置
ずれを起こさないよう確保する役割りを果たす。

みぞ１１８の内部に配設された０リング１２６により、
第二の機械的密封がなされる。

キャスクを永久的に密封するときには、ポルト１２２を
挿入する前に下部エツジ１３０及び上部エツジ１３２を
持つひさし部材１２８をみぞ１１６の内部に入れ、エツ
ジ１３０及び１３２をそれぞれ基体部材３８及び第二カ
バー１１４に溶接する。ひさし部材８０の場合と同様に
、ひさし部材１２８の溶接は全周について行なう。ひさ
し部材１２８は、温度の変化に起因する膨張の差異を許
容するばかりでなく、複数のボルト１２２を取り付ける
際に孔部１１５とねじつき孔部６６の位置合わせのため
に、第二カバー１１４の位置を少々調節できるようにす
るものである。

閉鎖装置が一時的または永久的に取り付けられた後に、
ステンレス鋼製の層１３８に包まれた中性子吸収物質の
コア１３６を持つキャップ１３４を基体部材３８に取り
付ける。

上述の説明から明らかなように、本発明による閉鎖装置
は、キャスクが再び開かれる場合に短時間使用するため
の機械的密封部を各々が有する冗長性を備えたカバーを
提供するものである。特にキャスクがヘリウムで満たさ
れている場合には、機械的密封部は長期間にわたって有
効なことが証明されていないので、各機械的密封部は長
期貯蔵時に使用するための溶接バック・アップ密封部を
持つ。溶接密封部には、各カバーの少々の動きを許容す
るひさし部材が使用されている。第一カバーは水面下で
取り付けられて固定され、キャスクの基体部材が水中か
ら持ち上げられた後に、第二遮蔽部材を取り付ける前に
溶接封止される。閉鎖状態の機械的密封はキャスクの開
発・試験及び改良時には充分なものであり、閉鎖装置ま
たはキャスクの基体部材の口部区域の何れも再加工を施
すことなく溶接封止を行なフてキャスクを長期貯蔵に適
したものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、代表的な燃料集合体の斜視図である。 第２図は、使用済燃料集合体を短期間貯蔵するためのプ
ールの上面図である。 第３図は、段つき口部区域を、持つキャスク基体部材の
断面図である。 第４図は、本発明に係る閉鎖装置を取り付けた口部区域
の一部分の断面図である。 第５図は、本発明の閉鎖装置の第一カバー及び第二カバ
ーの永久的な封止のために使用するひさし部材の一部分
の断面図である。 第６Ａ図及び第６Ｂ図は、第二カバーを取り付ける前に
第一カバーの位置ずれを起こさないよう確保するために
、キャスク基体部材の口部領域のみぞに挿入されている
剪断キーの斜視図である。 第７図は、第一カバーが取り付けられて剪断キーによっ
て所定位置に係止され後におけるキャスク基体部材の上
面図である。 ３８・・・・基体部材 ４４・・・・口部区域 ５８・・・・第一環状段区域（第一段）６２・・・・第
二環状段区域（第二段）７２・・・・第一カバー ７８・・・・０リング ８０・・・・ひさし部材（帯状湾曲リング）８２・・・
・底部エツジ（第一エツジ）１１２・・上部エツジ（第
二エッジ） １１４・・第二カバー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第一の段及び第二の段を設けた口部区域を持つキャ
   スクの基体部材を一時的に密封しかつ前記キャスクの基
   体部材を永久的に密封するための閉鎖装置であって、前
   記第一段の上に載置する形状の第一周縁区域と第二周縁
   区域とを持つ第一カバーと、前記第一周縁区域と前記第
   一段の中間部に配設されて前記キャスクの基体部材を少
   なくとも一時的に密封する機械的密封部を形成する第一
   密封リングと、第一エッジ及び第二エッジを持つ全体と
   して帯状の湾曲リングとを有し、前記第一エッジは前記
   第一カバーの第二周縁区域に密封固定され、前記第二エ
   ッジは前記キャスクの基体部材を永久的に密封する場合
   にのみ前記キャスクの基体部材に密封固定され、更に、
   前記第二段の上に載置される形状の周縁区域を持つ第二
   カバーと、前記第二カバーの周縁区域と前記第二段との
   中間部に配設されて前記キャスクの基体部材を少なくと
   も一時的に密封するもう１つの機械的密封部を形成する
   第二密封リングとを含むことを特徴とする閉鎖装置。 ２、前記カバーと前記キャスクの基体部材との間で永久
   的な溶接密封部を形成するためのみぞを前記キャスクの
   基体部材とともに形成する凹部が前記第二カバーに設け
   られていることをと特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の閉鎖装置。 ３、第一エッジ及び第二エッジを持つ全体として帯状の
   もう１つの部材が前記みぞの内部に配設されていて、全
   体として帯状のもう一つの部材の第一エッジ及び第二エ
   ッジがそれぞれ前記キャスクの基体部材及び第二カバー
   に密封固定されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載の閉鎖装置。 ４、前記口部区域の前記第一段と前記第二段の中間部に
   みぞが設けられており、前記第一カバーを固定する手段
   が前記みぞに挿入できる形状の複数の第一剪断キー及び
   第二剪断キーから成り、前記第一剪断キーは平行な両側
   部を持ち、前記第二剪断キーは角度のついた両側部を持
   つことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項また
   は第３項に記載の閉鎖装置。 ５、前記第二カバーが中央突起部を有し、 前記中央突起部は小さな間隙により前記第一カバーから
   離れており、前記中央突起部によって前記剪断キーは前
   記第一段と前記第二段の中間部にあるみぞから抜け出さ
   ないように防止されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第２４項の何れかに記載の閉鎖装置。 ６、内部に中性子吸収物質のあるキャップが前記口部区
   域並びに前記第一カバー、及び前記第二カバーを覆うよ
   うに配設されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項乃至第５項の何れかに記載の閉鎖装置。