(57)【要約】【課題】使用済み燃料の保管スペースを減少させることなく、既設プラントにも追設が容易である使用済み燃料プールの受動的な冷却技術を提供する。【解決手段】使用済み燃料プールの冷却装置１０は、使用済み燃料１１の崩壊熱を除去するプール水１２が通常設定温度である場合に液状を示しこの通常設定温度を超える温度で気化する冷媒と、この冷媒を保持するとともにプール水１２に浸漬される受熱部２０と、この受熱部２０において気化した冷媒２５を放熱部１３に移送する移送回路１４と、この放熱部１３において凝縮した液状の冷媒２６を受熱部２０に返送する返送回路１５と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済み燃料の崩壊熱を除去するプール水が通常設定温度である場合に液状を示しこの通常設定温度を超える温度で気化する冷媒と、
前記冷媒を保持するとともに前記プール水に浸漬される受熱部と、
前記受熱部において気化した冷媒を放熱部に移送する移送回路と、
前記放熱部において凝縮した液状の冷媒を前記受熱部に返送する返送回路と、を備えることを特徴とする使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項２】
前記受熱部に保持された冷媒にかかる気圧を減圧する減圧ポンプを含む減圧回路をさらに備えた請求項１に記載の使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項３】
前記減圧回路は、電源喪失に伴う減圧ポンプの停止に連動してこの減圧回路を開放状態から閉止状態にする開閉弁をさらに含む請求項２に記載の使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項４】
前記減圧回路は、前記減圧時において圧力値が設定範囲に含まれるように開度を調整する絞り弁をさらに含む請求項２又は請求項３に記載の使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項５】
前記受熱部は、前記プール水を貯蔵するプールの内壁と前記使用済み燃料との隙間に設けられる請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項６】
前記受熱部は、
上下に長手方向を揃えて配列する複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管の下端を連結するとともに前記返送回路に接続する凝縮液ヘッダと、
前記複数の伝熱管の上端を連結するとともに前記移送回路に接続する蒸気ヘッダと、を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項７】
前記伝熱管の外表面には、前記プール水との接触面積を拡大させるフィンが設けられている請求項６に記載の使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項８】
前記放熱部との熱交換により上昇気流を生じさせるカバーが配置されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項９】
前記移送回路及び前記返送回路は、前記受熱部に連結するパーツと、前記放熱部に連結するパーツとがフランジ接続したものである請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の使用済み燃料プールの冷却装置。
【請求項１０】
使用済み燃料の崩壊熱を除去するプール水が通常設定温度を超えるステップと、
前記プール水に浸漬された受熱部に保持されている液状の冷媒が気化するステップと、
前記気化した冷媒を放熱部に移送するステップと、
前記放熱部において凝縮した液状の冷媒を前記受熱部に返送するステップと、を含むことを特徴とする使用済み燃料プールの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、使用済み燃料の崩壊熱を除去したプール水を、外部動力を利用せず受動的に冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉で利用された使用済燃料は、発生する崩壊熱を除去するために、プール水が満たされた貯蔵プールに一時保管される。
そして、この崩壊熱を吸収して昇温したプール水は、既設の燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ：Fuel Pool Cooling and Filtering System）により、冷却と水質維持がなされる。
【０００３】
ところで、非常用を含む外部電源が喪失する事態が発生し、燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ）が使用不能となった場合は、プール水は昇温し続け蒸発により喪失し、使用済み燃料の崩壊熱の除去ができなくなる。
【０００４】
このように、燃料プール冷却浄化系が使用不能となった場合を想定して、外部動力が利用できない状況においても、プール水を冷却する技術が検討されている。
具体的には、伝熱パイプを設置して貯蔵プール内の熱を外部へ放出する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２９４８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前記した公知技術によれば、貯蔵プールの内部において、伝熱パイプの設置スペースとして多くが割かれ、使用済み燃料の保管スペースが減少してしまう。
また既設プラントに追設する場合の工事物量増加が懸念される。
さらに、使用済燃料貯蔵プールの上部空間が伝熱パイプの一部に占有される場合、燃料集合体を取り扱うクレーンとの干渉を避けるための設計上の制約が生じる。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、使用済み燃料の保管スペースを減少させることなく、既設プラントにも追設が容易である使用済み燃料プールの受動的な冷却技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
使用済み燃料プールの冷却装置において、使用済み燃料の崩壊熱を除去するプール水が通常設定温度である場合に液状を示しこの通常設定温度を超える温度で気化する冷媒と、前記冷媒を保持するとともに前記プール水に浸漬される受熱部と、前記受熱部において気化した冷媒を放熱部に移送する移送回路と、前記放熱部において凝縮した液状の冷媒を前記受熱部に返送する返送回路と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態により、使用済み燃料の保管スペースを減少させることなく、既設プラントにも追設が容易である使用済み燃料プールの受動的な冷却技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る使用済み燃料プールの冷却装置の実施形態を示す構成図。
【図２】（Ａ）使用済み燃料プールの冷却装置に適用される受熱部の実施形態を示す構成図、（Ｂ）受熱部を構成する伝熱管の断面図。
【図３】実施形態に係る使用済み燃料プールの冷却装置の動作を説明するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、使用済み燃料プールの冷却装置１０は、使用済み燃料１１の崩壊熱を除去するプール水１２が通常設定温度である場合に液状を示しこの通常設定温度を超える温度で気化する冷媒と、この冷媒を保持するとともにプール水１２に浸漬される受熱部２０と、この受熱部２０において気化した冷媒２５を放熱部１３に移送する移送回路１４と、この放熱部１３において凝縮した液状の冷媒２６を受熱部２０に返送する返送回路１５と、を備えている。
【００１２】
原子炉から排出される使用済み核燃料は、複数の角管が格子状に配列してなる燃料ラックに、燃料集合体を単位として収容される。そして、放射線及び崩壊熱が減衰するまで貯蔵プール１８において一定期間冷却される。
図１に示される使用済み燃料１１は、燃料ラックに複数の使用済み燃料集合体（図示略）が収納されて、貯蔵プール１８の底に配置された状態を示している。
【００１３】
なお、燃料集合体は、貯蔵プール１８の上部に備え付けられたクレーン（図示略）で吊って、燃料ラックから出し入れされる。
また、この貯蔵プール１８には、使用済み燃料１１の崩壊熱を吸収して昇温するプール水１２を冷却するための、燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ：図示略）が設けられている。
この燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ）は、通常で、プール水１２の温度が、約５０℃、異常時でも約６５℃以下になるように設定する。
【００１４】
ところで、天災等の被害によって電源が喪失し、燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ）の機能が失われると、崩壊熱によりプール水１２が蒸発し、気中に露出した使用済み燃料１１がさらに高温化して損傷するおそれがある。
本実施形態に係る冷却装置１０は、このように電源が喪失した場合であっても、外部動力を必要とせずに、昇温したプール水１２の冷却を実行するものである。
【００１５】
受熱部２０の内部に保持されている冷媒は、本実施形態において水が用いられている。
この受熱部２０は、保持されている冷媒水がプール水１２の沸点温度よりも低温で気化するように、減圧回路３０によりその内部気圧が減圧されている。
なお、受熱部２０の内部保持される冷媒は、水に限定されるものではなく、プール水１２が通常設定温度である場合に液状を示しこの通常設定温度を超える温度で気化するものであれば、適宜採用される。
また、大気圧において、プール水１２の沸点（１００℃）よりも十分に低い温度で沸騰する冷媒を採用する場合は、減圧回路３０を省略することができる。
【００１６】
受熱部２０は、貯蔵プール１８の内壁と使用済み燃料１１との隙間に、プール水１２に浸漬するように設けられている。
そして、受熱部２０と貯蔵プール１８とは、その底部において固定部材２７により固定されている。
【００１７】
これにより、既設の原子力プラントにおいて使用済み燃料１１を抜き取ることなく、受熱部２０を追設することができ、貯蔵プール１８の上部におけるクレーンの動作が妨げられることもなくなる。
さらに、貯蔵プール１８の内壁と使用済み燃料１１との隙間が無くなるために、水平方向の耐震性も向上する。
【００１８】
受熱部２０は、図２（Ａ）に示すように、上下に長手方向を揃えて配列する複数の伝熱管２１と、これら複数の伝熱管２１の下端を連結するとともに返送回路１５に接続する凝縮液ヘッダ２２と、複数の伝熱管２１の上端を連結するとともに移送回路１４に接続する蒸気ヘッダ２３と、を有している。
【００１９】
伝熱管２１の内側には、液状の冷媒が満たされており、この冷媒はプール水１２から熱を吸収して沸騰する。そして、沸騰した蒸気は、上下に長手方向を揃えて配列する複数の伝熱管２１の内側を上昇する。
また伝熱管２１には、図２（Ｂ）の断面図に示すように、その外表面に、プール水１２との接触面積を拡大させるフィン２４が設けられている。
【００２０】
これにより、プール水１２から伝熱管２１への伝熱量が増加するために、高温になったプール水１２の除熱を効率よく実施することができる。
なお、このフィン２４は、伝熱管２１の周囲のプール水１２の循環が阻害されないように、縦型に設けられることが望ましい。
【００２１】
凝縮液ヘッダ２２は、返送回路１５を経由して放熱部１３から返送された液状の冷媒２６を受容し、連結接続する複数の伝熱管２１にこの冷媒を分配して供給する。
蒸気ヘッダ２３は、連結した複数の伝熱管２１の内側で沸騰し気化した冷媒２５（蒸気）を合流させ、移送回路１４を経由して放熱部１３にこの蒸気を移送する。
【００２２】
なお、伝熱管２１、凝縮液ヘッダ２２及び蒸気ヘッダ２３のそれぞれは、ラック（図示略）の内部に格納され固定されている。
このように受熱部２０は、主要構成品が一体化しているため、既設の原子力プラントにおいて使用済み燃料１１を抜き取ることなく、貯蔵プール１８の内壁と使用済み燃料１１との隙間に容易に設置することができる。
【００２３】
放熱部１３は、その上端が移送回路１４に接続し、受熱部２０から移送されてきた気化した冷媒２５（蒸気）を入力し空冷する。
空冷された蒸気は、放熱部１３によってその潜熱が外部に放出され、凝縮して液状の冷媒２６となって重力によって下方に移動する。
凝縮した液状の冷媒２６は、放熱部１３の下端に接続する返送回路１５を経由して、受熱部２０に返送される。
【００２４】
カバー１６は、放熱部１３を覆うように設けられ、下部開口３４と上部開口３５とを有している。
このカバー１６の内側では、放熱部１３との熱交換に基づくチムニー効果により、下部開口３４から上部開口３５に抜ける上昇気流１９が生じる。
この上昇気流１９により、放熱部１３が効率的に冷却され、導入した蒸気の全てが凝縮して液状の冷媒２６になりさらに冷却される。
【００２５】
移送回路１４及び返送回路１５は、固定部材２８により貯蔵プール１８の周辺部に固定されており、受熱部２０に連結するパーツと、放熱部１３に連結するパーツとに分れ、それぞれの先端がフランジ１７で接続されている。
このような接続構造を有することにより、受熱部２０は、移送回路１４及び返送回路１５を含めて一体構造にすることができる。
これにより、既設の原子力プラントにおいても使用済み燃料１１を抜き取ることなく、容易に冷却装置１０を設置することができる。
【００２６】
減圧回路３０には、受熱部２０に保持された冷媒にかかる気圧を減圧する減圧ポンプ３１と、電源喪失に伴う減圧ポンプ３１の停止に連動してこの減圧回路３０を開放状態から閉止状態にする開閉弁３２と、減圧時において圧力値が設定範囲に含まれるように開度を調整する絞り弁３３とが設けられている。
【００２７】
減圧ポンプ３１は、開閉弁３２が開放状態で動作すると、放熱部１３、移送回路１４及び受熱部２０における系内を、大気圧よりも低圧力に減圧する。これにより、受熱部２０に保持された冷媒の沸点が、低下する。
なお、この系内における冷媒の沸点を設定するために、減圧の圧力値が設定範囲に含まれるよう、絞り弁３３の開度が調整される。
【００２８】
そして、電源喪失となる事態が発生した場合、給電が停止するのに伴い、減圧ポンプ３１が停止し、開閉弁３２も閉止状態になる。
すると、放熱部１３、移送回路１４、返送回路１５及び受熱部２０の系内は、設定された減圧状態を維持したまま密閉状態になる。
そして、使用済み燃料１１の崩壊熱により、プール水１２の温度が上昇し、冷媒の設定沸点に到達したところで、受熱部２０において冷媒が沸騰・気化することによりこのプール水１２が除熱される。
【００２９】
図３（適宜、図１参照）を参照し、実施形態に係る使用済み燃料プールの冷却装置の動作を説明する。
まず、原子炉プラントが正常運転されている通常状態においては（Ｓ１１〜Ｓ１４：Ｎｏ）、開閉弁３２が開放状態に設定され（Ｓ１１）、減圧ポンプ３１が作動している（Ｓ１２）。
そして、系内の圧力値が設定範囲に含まれるように絞り弁３３の開度が調整され（Ｓ１３）、受熱部２０内の冷媒の沸騰温度が設定される。
【００３０】
そして、緊急事態が発生し（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、電源喪失により燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ）が停止したとする（Ｓ１５：Ｙｅｓ）。
すると、この電源喪失に伴って、減圧ポンプ３１が停止し（Ｓ１６）、開閉弁３２も閉止状態になる（Ｓ１７）。
使用済み燃料１１の崩壊熱によりプール水１２の水温が上昇して（Ｓ１８：Ｎｏ）、通常設定温度を超えたところで（Ｓ１８：Ｙｅｓ）、受熱部２０に保持されている液状の冷媒の気化が開始する（Ｓ１９）。
【００３１】
この冷媒の気化により、プール水１２が除熱されるとともに（Ｓ２０）、この気化した冷媒が移送回路１４を経由して放熱部１３に移送され（Ｓ２１）、凝縮して液状の冷媒となって（Ｓ２２）、受熱部２０に返送される（Ｓ２３）。
そして、この（Ｓ１９）〜（Ｓ２３）のフローが、燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ）の作動が回復するまで繰り返される（Ｓ１５：Ｎｏ）。
【００３２】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の使用済み燃料プールの冷却装置によれば、プール水に浸漬される受熱部と空冷方式の放熱部とを閉ループ回路で結ぶことにより、動力を必要とせずに受動的にプール水を冷却することが可能となる。
【００３３】
本発明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、組み合わせ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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００３４】
１０…冷却装置、１１…使用済み燃料、１２…プール水、１３…放熱部、１４…移送回路、１５…返送回路、１６…カバー、１７…フランジ、１８…貯蔵プール、１９…上昇気流、２０…受熱部、２１…伝熱管、２２…凝縮液ヘッダ、２３…蒸気ヘッダ、２４…フィン、２５…気化した冷媒、２６…液状の冷媒、２７，２８…固定部材、３０…減圧回路、３１…減圧ポンプ、３２…開閉弁、３３…絞り弁、３４…下部開口、３５…上部開口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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