(57)【要約】【課題】全電源喪失時においても使用済燃料貯蔵プールのプール水を半永久的に冷却できること。【解決手段】使用済燃料１２をプール水１１に水没させて保管する使用済燃料貯蔵プール１０のプール水を冷却する使用済燃料貯蔵プール冷却システム１５であって、垂直部１９が使用済燃料貯蔵プールの外側に垂直方向に配設されると共に、この垂直部の上端と下端にそれぞれ接続された上側端部２０、下側端部２１が使用済燃料貯蔵プール１０の内部に連通して設けられた冷却用配管１６と、使用済燃料貯蔵プール１０の外側に垂直方向に延在して配置されると共に、内部に冷却用配管１６を収容し、上端開口２２及び下端開口２３が大気に開放されたがダクト１７とを有し、冷却用配管１６内に上側端部２０から流入するプール水１１が、ダクト１７内を上昇する空気と熱交換して冷却可能に構成されたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済燃料をプール水に水没させて保管する使用済燃料貯蔵プールの前記プール水を冷却する使用済燃料貯蔵プール冷却システムであって、
垂直部が前記使用済燃料貯蔵プールの外側に垂直方向に配設されると共に、この垂直部の上端と下端にそれぞれ接続された上側端部、下側端部が前記使用済燃料貯蔵プールの内部に連通して設けられた冷却用配管と、
前記使用済燃料貯蔵プールの外側に垂直方向に延在して配置されると共に、内部に前記冷却用配管を収容し、上端開口及び下端開口が大気に開放されたダクトとを有し、
前記冷却用配管内に前記上側端部から流入する前記プール水が、前記ダクト内を上昇する空気と熱交換して冷却可能に構成されたことを特徴とする使用済燃料貯蔵プール冷却システム。
【請求項２】
前記ダクト内には、その長手方向に所定間隔で複数枚の隔壁が配置され、これらの隣接する隔壁には、前記ダクトの軸に対し反対側の位置に空気流動用の開口が形成され、前記ダクト内の空気が前記空気流動用の開口を通り蛇行して上昇するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の使用済燃料貯蔵プール冷却システム。
【請求項３】
前記隔壁は、これらの隣接する隔壁間で形成される空気の流路面積が下流へ向かうほど漸次拡大するように水平に対し斜めに設置されたことを特徴とする請求項２に記載の使用済燃料貯蔵プール冷却システム。
【請求項４】
前記使用済燃料貯蔵プール内には、冷却用配管の上側端部の上方に、この上側端部及び使用済燃料を覆い、前記使用済燃料により加熱されたプール水を前記上側端部へ案内する第１案内板が設置されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の使用済燃料貯蔵プール冷却システム。
【請求項５】
前記使用済燃料貯蔵プール内には、冷却用配管の上側端部と下側端部との間に、前記下側端部から流出する冷却されたプール水を使用済燃料へ向かって案内する第２案内板が設置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の使用済燃料貯蔵プール冷却システム。
【請求項６】
前記ダクトには、複数枚の隔壁で仕切られた複数の区画のうち、上側に位置する区画を構成する前記ダクトの側面に、このダクトの外側の空気を前記ダクト内へ導入する空気導入用の開口が形成されたことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の使用済燃料貯蔵プール冷却システム。
【請求項７】
前記冷却用配管は、外側に放熱フィンが設けられフィンチューブ、または扁平形状のプレート状チューブにより構成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の使用済燃料貯蔵プール冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電プラント等の原子炉設備に設置された使用済燃料貯蔵プールのプール水を冷却する使用済燃料貯蔵プール冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地震や津波等の緊急事態が発生し、原子炉設備に冷却が必要となった場合には、例えば原子炉格納容器内の蒸気を低温の流体と熱交換して放熱する安全システムや、原子炉圧力容器内を冷却注水スプレーで注水することにより原子炉を冷却するシステム等が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、原子炉格納容器外に冷却水（プール水）を保有するプールが設置され、このプールに管式の熱交換器が設置され、この熱交換器内に原子炉格納容器内で発生した蒸気を導くことで、原子炉格納容器内の蒸気をプール水により凝縮して冷却し、これにより原子炉格納容器内の圧力を低下させるシステムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７０８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子炉設備に地震や津波等の緊急事態が発生し、特に原子炉設備が外部電源を喪失し、電動ポンプ等を用いて作動する非常用原子炉冷却システムや使用済燃料貯蔵プール冷却系が動作しないような場合に備え、動力を要しない冷却システムが嘱望される。
【０００６】
この場合、特許文献１に記載のシステムでは、原子炉格納容器内の蒸気を、有限の冷却水（プール水）を冷源とし熱交換器により自然循環させて凝縮し冷却しているが、プール水の温度が上昇するに従い熱交換の性能が徐々に低下し、半永久的には冷却効果を持続できない恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、全電源喪失時においても使用済燃料貯蔵プールのプール水を半永久的に冷却できる使用済燃料貯蔵プール冷却システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、使用済燃料をプール水に水没させて保管する使用済燃料貯蔵プールの前記プール水を冷却する使用済燃料貯蔵プール冷却システムであって、垂直部が前記使用済燃料貯蔵プールの外側に垂直方向に配設されると共に、この垂直部の上端と下端にそれぞれ接続された上側端部、下側端部が前記使用済燃料貯蔵プールの内部に連通して設けられた冷却用配管と、前記使用済燃料貯蔵プールの外側に垂直方向に延在して配置されると共に、内部に前記冷却用配管を収容し、上端開口及び下端開口が大気に開放されたダクトとを有し、前記冷却用配管内に前記上側端部から流入する前記プール水が、前記ダクト内を上昇する空気と熱交換して冷却可能に構成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、使用済燃料貯蔵プールの外側に配設された冷却用配管に、その上側端部からプール水が流入することで、冷却用配管を収容するダクト内で空気がその密度差により上昇する。この空気の上昇流によって冷却用配管内のプール水が冷却され、この冷却用配管内のプール水がその密度差により使用済燃料貯蔵プールとの間で循環することで、全電源喪失時においても使用済燃料貯蔵プールのプール水を半永久的に冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る使用済燃料貯蔵プール冷却システムの第１実施形態を示す構成図。
【図２】図１の冷却用配管及びダクトを拡大して示す拡大縦断面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。
【図４】図２のＩＶ矢視図。
【図５】（Ａ）は、図２の冷却用配管の変形形態を示す横断面図、（Ｂ）は、図２の冷却用配管の他の変形形態を示す横断面図。
【図６】本発明に係る使用済燃料貯蔵プール冷却システムの第２実施形態を示す構成図。
【図７】本発明に係る使用済燃料貯蔵プール冷却システムの第３実施形態を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図５）
図１は、本発明に係る使用済燃料貯蔵プール冷却システムの第１実施形態を示す構成図である。この図１に示す使用済燃料貯蔵プール１０は、原子力発電プラントなどの原子炉設備における図示しない原子炉建屋内で、原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器（共に図示せず）の外側に設置されている。この使用済燃料貯蔵プール１０は矩形形状であって、プール水（冷却水）１１で満たされ、原子炉圧力容器内で使用された使用済燃料１２をプール水１１に水没させて冷却し、この状態で保管する。この使用済燃料１２は、使用済燃料貯蔵プール１０の底面１３に設置されている。
【００１２】
本実施形態の使用済燃料貯蔵プール冷却システム１５は、使用済燃料貯蔵プール１０のプール水１１を、電動モータなどの動的機器を用いることなく冷却するものであり、冷却用配管１６、ダクト１７、及び隔壁としての邪魔板１８を有して構成される。
【００１３】
冷却用配管１６は複数本設けられ、それぞれが、垂直方向に延びる垂直部１９と、この垂直部１９の上端に接続された上側端部２０と、垂直部１９の下端に接続された下側端部２１とを有してなる。各冷却用配管１６の垂直部１９は、使用済燃料貯蔵プール１０の側壁の外側に垂直方向に配設される。また、各冷却用配管１６の上側端部２０及び下側端部２１は使用済燃料貯蔵プール１０の内部に連通され、このうちの上側端部２０が使用済燃料貯蔵プール１０内のプール水１１の水面１１Ａ下付近に設けられ、下側端部２１が使用済燃料貯蔵プール１０の底面１３上付近に設けられる。
【００１４】
前記ダクト１７は、図２及び図３にも示すように、例えば四角筒形状であり、使用済燃料貯蔵プール１０の側壁の外側に垂直方向に延在して配置されると共に、内部に複数本の冷却用配管１６を収容する。このダクト１７は、上端開口２２及び下端開口２３が大気に開放されている。冷却用配管１６内にその上側端部２０から流入する温度の高いプール水１１がダクト１７内で放熱することで、このダクト１７内の空気が温度変化によって密度差を生じ、これによりダクト１７内に空気の上昇流が発生する。冷却用配管１６内に流入しその垂直部１９を下降するプール水１１は、ダクト１１内で上昇する空気と熱交換して冷却される。
【００１５】
このとき、ダクト１７の長さＬは、冷却用配管１６の垂直部１９の長さＮよりも約１．３倍以上長く、好ましくは約２倍以上長く設定される。これにより、ダクト１７内では、冷却用配管１６内に流入したプール水１１の放熱によって、上端開口２２付近と下端開口２３付近とで空気の密度差が大きくなり、下端開口２３からダクト１７内により多くの空気が吸入されて、このダクト１７内で上昇する空気の流量を増大させることが可能になる。
【００１６】
前記邪魔板１８は、ダクト１７内で、このダクト１７の長手方向に所定間隔で複数枚配置される。これらの隣接する邪魔板１８には、ダクト１７の軸Ｏに対し互いに反対側の位置に空気流動用の開口２４が形成されている。これにより、ダクト１７内で上昇する空気は、矢印Ａに示すように邪魔板１８の空気流動用の開口２４を通り蛇行して上昇し、冷却用配管１６の垂直部１９に垂直方向に衝突して、垂直部１９内を流れるプール水１１との熱交換効率が高められる。
【００１７】
次に、作用を説明する。
この使用済燃料貯蔵プール冷却システム１５では、使用済燃料１２により加熱された使用済燃料貯蔵プール１０内のプール水１１は、その温度変化により生ずる密度差によって上方へ流れ、使用済燃料貯蔵プール１０におけるプール水１１の水面１１Ａ付近を冷却用配管１６の上側端部２０の方向へ流れ、この上側端部２０に吸い込まれる。この吸い込まれた温度の高いプール水１１は、冷却用配管１６内でダクト１７内の空気と熱交換して温度が低下し、垂直部１９内を下方へ流れる。
【００１８】
一方、冷却用配管１６内のプール水１１の放熱により加熱されたダクト１７内の空気は、その温度変化による密度差によって上昇し、下端開口２３から空気（大気）を吸い込む。この吸い込まれた空気は、ダクト１７内で、矢印Ａに示すように邪魔板１８の空気流動用の開口２４を通って蛇行しながら上昇し、冷却用配管１６の垂直部１９に垂直方向に衝突して、冷却用配管１６内のプール水１１を冷却する。
【００１９】
この冷却されたプール水１１は、冷却用配管１６の下側端部２１から使用済燃料貯蔵プール１０内に戻って使用済燃料１２を冷却する。このように、プール水１１は、使用済燃料貯蔵プール１０と冷却用配管１６との間で、その温度変化による密度差によって自然循環する。
【００２０】
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば次の効果（１）〜（３）を奏する。
（１）使用済燃料貯蔵プール１０の外側に配設された複数本の冷却用配管１６に、その上側端部２０からプール水１１が流入することで、冷却用配管１６を収容するダクト１７内の空気は、冷却用配管１６内の温度の高いプール水１１により加熱され、密度差によってダクト１７内を上昇する。このダクト１７内での空気の上昇流によって冷却用配管１６内のプール水１１が冷却され、この冷却用配管１６内のプール水１１はその密度差により使用済燃料貯蔵プール１０との間で循環する。この結果、全電源喪失時においても使用済燃料貯蔵プール１０のプール水１１を半永久的に冷却でき、使用済燃料貯蔵プール１０内の使用済燃料１２の崩壊熱を除去できる。
【００２１】
（２）ダクト１７の長さＬが冷却用配管１６の垂直部１９の長さＮよりも約１．３倍以上長く設定されたので、ダクト１７内では、冷却用配管１６内のプール水１１の放熱により上端開口２２付近と下端開口２３付近とで空気の密度差が大きくなり、ダクト１７内に発生する空気の上昇流によって、下端開口２３からダクト１７内により多くの空気（大気）を吸い込むことができる。このため、ダクト１７内で上昇する空気流量が増大し、冷却用配管１６内のプール水１１とダクト１７内の空気との熱交換効率を向上させることができる。
【００２２】
（３）ダクト１７内には、このダクト１７の長手方向に所定間隔で複数枚の邪魔板１８が配置され、隣接する邪魔板１８は、ダクト１７の軸Ｏに対し互いに反対側の位置に空気流動用の開口２４が形成されている。このため、ダクト１７内を上昇する空気は、邪魔板１８の空気流動用の開口２４を通り蛇行して上昇することになるので、この間に冷却用配管１６の垂直部１９と垂直方向に衝突する。従って、この構成からも、冷却用配管１６内を流れるプール水１１とダクト１７内を流れる空気との熱交換効率を向上させることができる。
【００２３】
尚、この第１実施形態におけるダクト１７では、図２及び図４に示すように、複数枚の邪魔板１８で仕切られた複数の区画のうち、上側に位置する区画（例えば図２の区画２５）を構成するダクト１７の側面に、ダクト１７の外側の空気（大気）をダクト１７内に直接導入するための空気導入用の開口２６が形成されてもよい。冷却用配管１６内を流れるプール水１１は、垂直部１９の上側端部２０に近い側で温度が高いので、空気導入用の開口２６からダクト１７内に導入される空気によってより効率的にプール水１１を冷却することができる。
【００２４】
また、第１実施形態における冷却用配管１６の垂直部１９には、図５（Ａ）に示すように外側に放熱フィン２７が固着されて、垂直部１９内のプール水１１とダクト１７内の空気との伝熱効率を向上させてもよい。あるいは、図５（Ｂ）に示すように、冷却用配管１６の垂直部２８は、扁平形状のプレート状チューブにより構成され、ダクト１７内を矢印Ａ方向に流れる空気との接触面積を増加させて、垂直部１９内のプール水１１とダクト１７内の空気との伝熱効率を向上させてもよい。
【００２５】
［Ｂ］第２実施形態（図６）
図６は、本発明に係る使用済燃料貯蔵プール冷却システムの第２実施形態を示す構成図である。この第２実施形態において、前記第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００２６】
本第２実施形態の使用済燃料貯蔵プール冷却システム３０が前記第１実施形態と異なる点は、隔壁としての複数枚の邪魔板３１の構成である。つまり、複数枚の邪魔板３１は、隣接する邪魔板３１間で形成される空気の流路面積が下流側へ向かうほど漸次拡大するように、水平に対し角度θだけ斜めに配置されている。
【００２７】
従って、本第２実施形態によれば、前記第１実施形態の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。
【００２８】
（４）ダクト１７内に配置される複数枚の邪魔板３１は、隣接する邪魔板３１間で形成される空気の流路面積が下流側へ向かうほど漸次拡大するように、水平に対し角度θだけ斜めに設置されている。このため、ダクト１７内を蛇行して上昇する空気の流れがスムーズになる。このように、ダクト１７内で空気が流れ易くなるので、冷却用配管１６内のプール水１１とダクト１７内の空気との熱交換効率をより一層向上させることができる。
【００２９】
［Ｃ］第３実施形態（図７）
図７は、本発明に係る使用済燃料貯蔵プール冷却システムの第３実施形態を示す構成図である。この第３実施形態において、前記第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００３０】
本第３実施形態の使用済燃料貯蔵プール冷却システム４０が前記第１実施形態と異なる点は、使用済燃料貯蔵プール１０内の上方に第１案内板４１が、使用済燃料貯蔵プール１０内の上下方向略中央位置に第２案内板４２が、それぞれ設置された点である。
【００３１】
第１案内板４１は、使用済燃料貯蔵プール１０の内部における冷却用配管１６の上側端部２０の上方に配置され、使用済燃料貯蔵プール１０に設置された使用済み燃料１２と冷却用配管１６の上側端部２０とを覆うように湾曲形状に形成されている。使用済燃料貯蔵プール１０内で使用済燃料１２にて加熱されたプール水１１は、その温度変化による密度差によって上方へ流れ、矢印Ｂに示すように、第１案内板４１に沿って冷却用配管１６の上側端部２０へスムーズに案内される。
【００３２】
また、第２案内板４２は、使用済燃料貯蔵プール１０の内部において冷却用配管１６の上側端部２０と下側端部２１との間に配置され、使用済燃料貯蔵プール１０内の使用済燃料１２よりも少し上方において水平状態に位置づけられる。冷却用配管１６内を流れてダクト１７内の空気により冷却されたプール水１１は、冷却用配管１６の下側端部２１から使用済燃料貯蔵プール１０内に流出するが、このとき第２案内板４２に案内されて、矢印Ｃに示すように、下側端部２１から使用済燃料貯蔵プール１０内の使用済燃料１２へ向かって流れ、この使用済燃料１２を効率的に冷却する。
【００３３】
従って、本実施形態によれば、前記第１実施形態の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。
【００３４】
（５）使用済燃料貯蔵プール１０内では、冷却用配管１６の上側端部２０と使用済燃料１２とを覆うようにして湾曲形状の第１案内板４１が設置され、また、使用済燃料１２の少し上方に水平状態で第２案内板４２が設置されている。このため、使用済燃料貯蔵プール１０内で加熱されたプール水１１を第１案内板４１により冷却用配管１６の上側端部２０へ案内でき、且つ冷却用配管１６内で冷却されたプール水１１を、冷却用配管１６の下側端部２１から第２案内板４２によって、使用済燃料貯蔵プール１０内の使用済燃料１２へ案内できる。この結果、使用済燃料貯蔵プール１０内でのプール水１１の流れをスムーズに実施でき、使用済燃料貯蔵プール１０と冷却用配管１６との間でプール水１１の循環を円滑に実施できる。
【００３５】
以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を種々変形してもよく、また、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０  使用済燃料貯蔵プール
１１  プール水
１２  使用済燃料
１５  使用済燃料貯蔵プール冷却システム
１６  冷却用配管
１７  ダクト
１８  邪魔板（隔壁）
１９  垂直部
２０  上側端部
２１  下側端部
２２  上端開口
２３  下端開口
２４  空気流動用の開口
２５  区画
２６  空気導入用の開口
２７  放熱フィン
２８  垂直部
３０  使用済燃料貯蔵プール冷却システム
３１  邪魔板
４０  使用済燃料貯蔵プール冷却システム
４１  第１案内板
４２  第２案内板
Ｌ、Ｎ  長さ
Ｏ  軸
θ  角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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