JP2006105741A - 放射性物質収納容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 放射性物質収納容器のバスケット構造の未臨界性を確保しながら熱伝導性を高めるとともに、寸法をコンパクトにして、収納する使用済み燃料集合体の本数を多くする構造の放射性物質収納容器を提供する。
【解決手段】 熱伝導性が高く炭化ホウ素Ｂ_４Ｃなどの中性子吸収材を含有するアルミニウム合金板２１〜２４を収納容器本体１の中央部に配置し、炭化ホウ素Ｂ_４Ｃなどの中性子吸収材を含有し高強度のステンレス鋼板３１〜３８を収納容器本体１の周辺部に配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子力発電所から発生する使用済み燃料を輸送しまたは貯蔵する放射性物質収納容器に係り、特に、放射性物質収納容器のバスケット構造およびサポートシリンダ構造に関する。

原子力発電施設の炉心で一定期間使用された燃料は、炉心から取り出され、使用済み燃料プールなどに一時保管される。所定期間冷却された燃料は、最終的に再処理工場に搬入されて再処理され、ウランとプルトニウムを取り出され、再資源として利用される。

現在、原子力発電所で発生する使用済み燃料は、電力需要の増加とともに増大しているので、国内で発生する使用済み燃料は、再処理工場が稼動しても、再処理工場での処理容量を上回り、再処理までの期間は適切に管理し貯蔵しなければならない。必要な貯蔵量は、２０１０年で４４００ｔＵ、２０２０年で７１００ｔＵと推定されている。

原子力発電所の敷地内または敷地外において使用済み燃料を管理し貯蔵する方式として、乾式キャスク貯蔵，ボールト貯蔵，サイロ貯蔵，コンクリートキャスク貯蔵などの乾式貯蔵方式と、水プールなどの湿式貯蔵方式とがある。

貯蔵コストおよび長期に亘る貯蔵安定度を考えた場合、乾式貯蔵方式が注目されている。乾式貯蔵方式のうち、現在国内で実用化されているキャスク貯蔵方式は、放射性物質収納容器である乾式キャスクの中に使用済み燃料を収納し貯蔵する方法である。

使用済み燃料を収納した乾式キャスクでは、格子状バスケット構造の熱伝導性が悪いと、収納した使用済み燃料集合体の被覆管温度が過度に上昇し、クリープ破壊を生じるおそれがあるので、構造強度の観点から十分な冷却性能が要求される。

また、臨界事象を起こさないように、燃料集合体から発生する中性子を十分に吸収し、未臨界性を確保しなければならない。

さらに、輸送中に万一落下した時に受ける高い衝撃荷重に対しても破損しないように、十分な構造強度が必要である。

これらの要求を満たす格子状バスケット構造として、中性子吸収材を含有するアルミニウム仕切り板を中央部の格子として配置し、強度および熱伝導性を両立させるために銅合金製仕切り板を周辺部の格子として配置した使用済み燃料保管容器が提案されている(例えば、特許文献１参照)。

中性子吸収能および高温下で剛性を有する格子状の第１単位バスケットと、中性子吸収能および良伝熱性を有する格子状の第２単位バスケットを軸方向に積み重ねて一体化したバスケット構造も提案されている(例えば、特許文献２参照)。

特開平１１−２６４８９３号公報 (第３頁 図１，図２) 特開２００２−９８７９１号公報 (第３〜４頁 図１〜図４)

放射性物質収納容器のバスケットのうち、内側のバスケットプレートの材質は、特に中心部を効率的に除熱する必要から、熱伝導性を重視して選択し、外側のバスケットプレートの材質は、未臨界性および構造強度を重視して選択すべきである。

特許文献１の使用済み燃料保管容器において、内側のバスケットプレートは、中心部の未臨界性を確保できるが、熱伝導性が不十分な場合もある。また、外側のバスケットプレートは、熱伝導性を重視しているものの、未臨界性が確保されているかは明らかでない。

特許文献２の第１単位バスケットと第２単位バスケットとを軸方向に積み重ねて一体化したバスケット構造においては、熱伝導性と未臨界性とが方向により異なるので、必要な性能を確保するには、直交するいずれの方向でもプレートを厚
くする必要があり、結果として使用済み燃料の収納本数を減らすことになる。

本発明の目的は、バスケット構造の未臨界性を確保しながら熱伝導性を高めるとともに、寸法をコンパクトにして、収納する使用済み燃料集合体の本数を多くする構造の放射性物質収納容器を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、熱伝導性が高く中性子吸収材を含むアルミニウム合金板をバスケット構造の中央部付近のバスケットプレートとして配置し、高強度で中性子吸収材を含むステンレス鋼板をバスケット構造の周辺部のバスケットプレートとして配置した格子状バスケット構造を採用し、未臨界性，熱伝導性，強度を満足するコンパクトな放射性物質収納容器を提案する。

本発明によれば、コンパクトなバスケット構造で、未臨界性を確保しながら、収納容器本体中央部の温度を低下させるとともに、万一の落下事象の場合にも、その応力がアルミニウム合金板とステンレス鋼板の許容応力以下となるようにそれぞれの板厚を設定したので、構造強度の点でも安全な放射性物質収納容器を実現できる。

次に、図１〜図１０を参照して、本発明による放射性物質収納容器の実施例を説明する。

図１は、本発明による放射性物質収納容器の全体構造を示す斜視図である。

筒状の収納容器本体１は、放射性物質の外部への漏洩を防止するために、合金鋼製の底部を有し、上部には、図示しない多数のボルトにより、一次蓋２と二次蓋３とを取り付けられている。

原子力発電所の燃料プールで使用済み燃料を挿入して一次蓋２で封入した後、クレーンで吊り上げてオペレーションフロアに移動させる作業での被爆量を低減させるために、一次蓋２の内部には、中性子遮蔽材として中性子吸収能力の高いホウ素Ｂを多量に含むレジン４を封じ込めてある。

収納容器本体１の外周側には、熱伝導率の高いアルミニウム合金製のボート状構造体に中性子遮蔽材としてのホウ素Ｂを多量に含むレジンを鋳込んだレジンブロック５を放射状に多数配置してある。

それらのレジンブロック５を保持するために、溶接により、外筒６を周方向に取り付けてある。外筒６の両端には、放射性物質収納容器が万一落下した時の衝撃荷重を緩和する緩衝体を取り付けるための端板７も設けてある。

さらに、放射性物質収納容器をクレーンにより運搬する際に吊り具を懸けるためのトラニオン８が、放射性物質収納容器の上部に４個設けられ、下部に２個設けられている。

収納容器本体１の内側には、サポートシリンダ９が挿入され、その中にバスケット構造１０が組み込まれる。格子状に組まれたバスケット構造１０は、使用済み燃料集合体１１を収納する。

図２は、本発明による放射性物質収納容器の実施例１の構造を示す平面図である。

収納容器本体１の内側には、サポートシリンダ９が挿入されている。サポートシリンダ９の内側には、互いに直交する溝が形成されている。その溝にバスケットプレートを差し込んでバスケット構造１０を組み立てる。バスケット構造の組み立て方は、後述する。

バスケットプレートは、２種類の材料のバスケットプレートからなる。収納容器本体１の中央部付近のバスケットプレート２１，２２，２３，２４は、中性子吸収材として炭化ホウ素Ｂ_４Ｃを含むアルミニウム合金板である。

中性子吸収材としての炭化ホウ素Ｂ_４Ｃの量は、約５.２ｗｔ％以上であり、ホウ素Ｂの濃度は、約３.５ｗｔ％以上である。この量のホウ素Ｂは、収納された燃料集合体１１の未臨界を確保する。

このアルミニウム合金板の熱伝導率は、約２００Ｗ／ｍ・Ｋである。収納された使用済み燃料から発生する熱は、サポートシリンダ９，収納容器本体１，レジンブロック５，外筒６，一次蓋２，二次蓋３などを介して、効率良く外部に放熱される。

アルミニウム合金板の板厚は、放射性物質収納容器が輸送中に万一落下した時に発生する衝撃荷重が許容応力以下となるように設定する。

バスケット構造１０の外周側には、中性子吸収材として炭化ホウ素Ｂ_４Ｃを含むステンレス鋼板３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８を配置する。中性子吸収材としての炭化ホウ素Ｂ_４Ｃの量は、約１.５ｗｔ％以上であり、ホウ素Ｂの濃度は１.０ｗｔ％以上である。この量のホウ素Ｂは、収納された燃料集合体１１の未臨界を確保する。

ホウ素Ｂを添加したステンレス鋼板の熱伝導率は、約２０Ｗ／ｍ・Ｋである。バスケット構造の中央部に配置したアルミニウム合金板と比べると、熱伝導率が１桁低い。しかし、燃料集合体１１からの熱を収納容器本体１の外部に伝導する役目も果たす。

バスケット構造１０は、未臨界性，十分な熱伝導性，構造強度を要求される。

これらの要求を全て満足するために、バスケットプレートに用いるアルミニウム合金板およびステンレス鋼板に所定量以上の中性子吸収材を含有させ、燃料集合体１１の未臨界を確保する。

次に、収納容器本体１において外部からの距離が遠いバスケット構造１０の中央部付近からの発熱を逃がして最高温度を所定値以下に下げるには、中央部付近に熱伝導率の高いアルミニウム合金板２１，２２，２３，２４を配置し、熱伝導率が低くても許容できる収納容器本体外周部に熱伝導率の低いステンレス鋼板３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８を配置する。

さらに、放射性物質収納容器の輸送中における落下事象を想定した安全設計が要求されている。水平落下の場合にバスケットプレートに最も高い曲げ応力が発生する。その応力がアルミニウム合金板とステンレス鋼板の許容応力以下となるように、それぞれの板厚を設定する。

図３は、本発明によるバスケット構造を垂直方向に組み立てる手順を示す図であり、図４は、組み立てたバスケットの全体構造を示す図である。

本実施例のバスケット構造１０には、３種類のバスケットプレートを用いる。それぞれのバスケットプレートは、図４のように組み立てた時に、最上段バスケットプレート４１、多数の中間段バスケットプレート４２，４３、最下段バスケットプレート４４となる。これらのバスケットプレートには、所定間隔でスリットが形成されている。

最上段バスケットプレート４１には、下側にその高さの半分のスリットを形成してあり、最下段バスケットプレート４４には、上側にその高さの半分のスリットを形成してある。したがって、最上段バスケットプレート４１と最下段バスケットプレート４４とは、上下反転させれば、形状は同じである。

中間段バスケットプレート４２，４３には、上側と下側の両側にその高さの１／４のスリットを形成してある。

まず、最下段バスケットプレート４４のスリットに中間段バスケットプレート４３のスリットが合致するように直交させて差し込み、１段目と２段目とを組み合わせる。

次に、中間段バスケットプレート４３のスリットに中間段バスケットプレート４２のスリットが合致するように直交させて差し込み、２段目と３段目とを組み合わせる。その結果、中間段バスケットプレート４２の方向は、最下段バスケットプレート４４と同じ方向になる。

このように中間段バスケットプレート同士を組み立て、最後に最上段バスケットプレート４１のスリットをその下の中間段バスケットプレート４２のスリットに差し込み、全体を組み立てる。

図４の組み立てたバスケットの全体構造において、アルミニウム合金板２１，２２および、ステンレス鋼板３１，３２，３３，３４は、最下段バスケットプレート４４と、３段の中間段バスケットプレート４３と、最上段バスケットプレート４１との５段重ねである。

それに直交するアルミニウム合金板２３，２４およびステンレス鋼板３５，３６，３７，３８は、中間段バスケットプレート４２の４段重ねである。

図４は、サポートシリンダ９の中で組み立てた後のバスケット構造１０だけを示してある。実際には、サポートシリンダ９の内面側に加工してある溝に、バスケットプレートを差し込んで組み立てる。

本実施例１においては、バスケットプレートに用いるアルミニウム合金板およびステンレス鋼板に所定量以上の中性子吸収材を含有させたので、燃料集合体の未臨界を確保できる。

また、中央部付近に熱伝導率の高いアルミニウム合金板２１〜２４を配置したことにより、十分な熱伝導性が得られる。

さらに、万一の落下事象の場合にも、その応力がアルミニウム合金板とステンレス鋼板の許容応力以下となるようにそれぞれの板厚を設定したので、構造強度の点でも安全である。

図５は、本発明による放射性物質収納容器の実施例２の構造を示す平面図である。

収納容器本体１に収納された使用済み燃料集合体１１の発熱量が大きい場合には、図１のように熱伝導率の高いアルミニウム合金板２１，２２，２３，２４を４枚だけ入れても、収納容器本体の中央部の温度が十分に下がらない場合があり得る。

その場合には、アルミニウム合金板を増やす必要がある。図５の実施例２では、熱伝導率の高いアルミニウム合金板５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８を８枚配置し、外周部にステンレス鋼板５９，６０，６１，６２を配置した。

本実施例２においては、未臨界性，十分な熱伝導性，構造強度を確保できる。

図６は、本発明による放射性物質収納容器の実施例３の構造を示す平面図である。

図５の実施例２では、熱伝導率の高いアルミニウム合金板を８枚も入れた。収納容器本体１に収納された使用済み燃料集合体１１の発熱量が大きい場合には、使用済み燃料集合体の収納本数と発熱量との組み合わせに応じて、アルミニウム合金板を増減すればよい。

図６の実施例３では、使用済み燃料集合体１１の発熱量が図５の実施例２ほどには大きくないので、アルミニウム合金板７１，７２，７３，７４，７５，７６は６枚とした。

本実施例３においても、使用済み燃料集合体の収納本数と発熱量との組み合わせに応じて、未臨界性，十分な熱伝導性，構造強度を確保できる。

図７は、本発明による放射性物質収納容器内に設置されるサポートシリンダの構造を示す縦断面図である。

サポートシリンダ９には、バスケットプレートを差し込むための多数の縦溝を形成する。図７は、図２に示したバスケット構造１０に対応するサポートシリンダの溝構造を示している。幅の広いバスケットプレート挿入用縦溝９１，９２は、アルミニウム合金板２１，２２を差し込む溝であり、バスケットプレート挿入用縦溝９３，９３Ａは、アルミニウム合金板２３に対応する溝である。

幅の狭いバスケットプレート挿入用縦溝１０１，１０２，１０３，１０４は、ステンレス鋼板３１，３２，３３，３４を差し込む溝である。

バスケットプレート挿入用縦溝１０５，１０５Ａ，１０６，１０６Ａは、それぞれステンレス鋼板３５，３６を差し込む溝である。

いずれの溝も、サポートシリンダ９の下端を貫通しておらず、最下段部分には台座が残されている。

図８は、図７の放射性物質収納容器のバスケット構造に組み込むバスケットプレートの最下段の構造を示す斜視図である。

最下段バスケットプレート４４の下側端部には切り込み１５１，１５２を形成してある。これらの切り込み１５１，１５２がサポートシリンダ９のバスケットプレート挿入用縦溝の下端部台座と噛み合い、バスケット構造１０の重量を支える。

このような構造を採用したのは、サポートシリンダ９にバスケット構造１０を組み込んだ後に、サポートシリンダ９およびバケット構造１０を一緒にクレーンで吊り、収納容器本体１の中に挿入するためである。

図９は、本発明による放射性物質収納容器内に設置されるサポートシリンダの別の構造を示す縦断面図であり、図１０は、図９のサポートシリンダの下端部分の構造を示す縦断面図である。

最下段バスケットプレート４４の下側端部に形成された切り込み１５１，１５２によりバスケット構造１０を支えるには、サポートシリンダ９のバスケットプレート挿入用縦溝の下端部にバスケット構造１０の重量を受ける部分を作る必要がある。

しかし、図７に示すように、サポートシリンダ９の下端を貫通させないで、台座を形成すると、加工に時間がかかるとともに、加工工数が多くなる。

そこで、本実施例では、バスケットプレート挿入用縦溝をサポートシリンダ９の下端まで単純に貫通させ、図１０に示すように、バスケットプレート挿入用縦溝１１１などの下端部には、バスケット構造１０の重量を受ける止め金具１３１をボルト１３２で固定する。

このような構造を採用すると、バスケットプレート挿入用縦溝の加工が容易になる。

本発明による放射性物質収納容器の全体構造を示す斜視図である。 本発明による放射性物質収納容器の実施例１の構造を示す平面図である。 本発明によるバスケット構造を垂直方向に組み立てる手順を示す図である。 組み立てたバスケットの全体構造を示す図である。 本発明による放射性物質収納容器の実施例２の構造を示す平面図である。 本発明による放射性物質収納容器の実施例３の構造を示す平面図である。 本発明による放射性物質収納容器内に設置されるサポートシリンダの構造を示す縦断面図である。 図７の放射性物質収納容器のバスケット構造に組み込むバスケットプレートの最下段の構造を示す斜視図である。 本発明による放射性物質収納容器内に設置されるサポートシリンダの別の構造を示す縦断面図である。 図９のサポートシリンダの下端部分の構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 収納容器本体
２ 一次蓋
３ 二次蓋
４ レジン
５ レジンブロック
６ 外筒
７ 上部端板
８ トラニオン
９ サポートシリンダ
１０ バスケット構造
１１ 使用済み燃料集合体
２１〜２４ ホウ素Ｂ入りアルミニウム合金板
３１〜３８ ホウ素Ｂ入りステンレス鋼板
４１ 最上段バスケットプレート
４２，４３ 中間段バスケットプレート
４４ 最下段バスケットプレート
５１〜５８ ホウ素Ｂ入りアルミニウム合金板
５９〜６２ ホウ素Ｂ入りステンレス鋼板
７１〜７６ ホウ素Ｂ入りアルミニウム合金板
７７〜８４ ホウ素Ｂ入りステンレス鋼板
９１〜１０６ バスケットプレート挿入用縦溝
１３１ ストッパ
１５１，１５２ 切り込み

Claims (6)

1. 放射性物質を収容する収納容器本体と、前記収納容器本体の軸方向にスリットを有するバスケットプレートを直交させて差し込み複数の収納区画を形成するように格子状に配列され前記収納容器本体内に組み込まれるバスケット構造とを含む放射性物質収納容器において、
   熱伝導性が高く中性子吸収材を含むアルミニウム合金板を前記バスケット構造の中央部付近のバスケットプレートとして配置し、
   高強度で中性子吸収材を含むステンレス鋼板を前記バスケット構造の周辺部のバスケットプレートとして配置した
   ことを特徴とする放射性物質収納容器。
2. 請求項１に記載の放射性物質収納容器において、
   前記放射性物質収納容器が落下した時に、前記アルミニウム合金板および前記ステンレス鋼板を格子状に組み立てた交差部に発生する応力が、アルミニウム合金板およびステンレス鋼板のそれぞれの許容応力以下となる板厚にした
   ことを特徴とする放射性物質収納容器。
3. 請求項１または２に記載の放射性物質収納容器において、
   前記アルミニウム合金板に含まれるホウ素Ｂ濃度が、３.５ｗｔ％以上であり、
   前記ステンレス鋼板に含まれるホウ素Ｂ濃度が、１ｗｔ％以上である
   ことを特徴とする放射性物質収納容器。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の放射性物質収納容器において、
   前記バスケット構造が、サポートシリンダの内側に形成され互いに中心線が直交する縦溝に前記アルミニウム合金板のバスケットプレートまたは前記ステンレス鋼板のバスケットプレートを最下段から順次差し込んで格子状に組み立てられている
   ことを特徴とする放射性物質収納容器。
5. 請求項４に記載の放射性物質収納容器において、
   前記サポートシリンダの内側に形成された縦溝の最下端に台座を形成し、最下段バスケットプレートの両下端コーナー部に切り込みを形成し、
   前記最下段バスケットプレートの切り込みを前記縦溝最下端の台座で支え、前記バスケット構造全体の荷重を前記サポートシリンダで支える
   ことを特徴とする放射性物質収納容器。
6. 請求項４に記載の放射性物質収納容器において、
   サポートシリンダの内側に上下貫通して形成された縦溝の最下端に止め金具を固定し、最下段バスケットプレートの両下端コーナー部に切り込みを形成し、
   前記最下段バスケットプレートの切り込みを前記縦溝最下端の留め具で支え、前記バスケット構造全体の荷重を前記サポートシリンダで支える
   ことを特徴とする放射性物質収納容器。
   

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