(57)【要約】【課題】燃料キャスクの冷却能力を簡易な調節を可能にして向上させる燃料キャスク冷却装置、燃料キャスク、燃料キャスク輸送台、放射性物質貯蔵施設および燃料キャスク冷却方法を提供する。【解決手段】使用済核燃料が収納された燃料キャスク１２の外表面に接触して燃料キャスク１２の熱の伝導を受ける受熱部１３と、受熱部１３が受けた熱を大気中に放熱する放熱部１６と、受熱部１３および放熱部１６を接続する熱輸送部１７と、燃料キャスク１２および受熱部１３、受熱部１３および熱輸送部１７、もしくは熱輸送部１７および放熱部１６の少なくともいずれかを互いに取り外し可能に固定する固定機構１４と、を備える。【選択図】  図１
2017111094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済核燃料が収納された燃料キャスクの外表面に接触して前記燃料キャスクの熱の伝導を受ける受熱部と、
前記受熱部が受けた熱を大気中に放熱する放熱部と、
前記受熱部および前記放熱部を接続する熱輸送部と、
前記燃料キャスクおよび前記受熱部、前記受熱部および前記熱輸送部、もしくは前記熱輸送部および前記放熱部の少なくともいずれかを互いに取り外し可能に固定する固定機構と、を備える燃料キャスク冷却装置。
【請求項２】
前記放熱部が、縦置きされた前記燃料キャスクを包囲するように設置され、かつ、前記燃料キャスクの前記外表面から一定の間隔だけ離隔して前記外表面に沿って設けられる請求項１に記載の燃料キャスク冷却装置。
【請求項３】
前記放熱部が、縦置きされた複数の前記燃料キャスクを包囲するように設置された請求項１に記載の燃料キャスク冷却装置。
【請求項４】
前記放熱部は、その下端部に第１の開口部を有する請求項２または３に記載の燃料キャスク冷却装置。
【請求項５】
前記第１の開口部よりも高位置に設けられた第２の開口部が前記放熱部に設けられた請求項４に記載の燃料キャスク冷却装置。
【請求項６】
複数の前記放熱部は、それぞれ複数の前記燃料キャスクに熱的に接続され、
前記複数の燃料キャスクの少なくとも１つは、２以上の前記放熱部に熱的に接続される請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料キャスク冷却装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の前記燃料キャスク冷却装置を備える燃料キャスク輸送台。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料キャスク冷却装置を備える燃料キャスク。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料キャスクを備える放射性物質貯蔵施設。
【請求項１０】
使用済核燃料が収納された燃料キャスクに一定期間放熱部を熱的に接続して大気中に放熱し、
前記一定期間の後に前記放熱部を取り外すことを特徴とする燃料キャスク冷却方法。
【請求項１１】
前記一定期間の途中で前記放熱部を放熱面積の異なる他の放熱部に交換する請求項１０に記載の燃料キャスク冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用済核燃料の輸送または貯蔵に用いられる燃料キャスクの冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業的に利用される放射性物質の一つである原子力発電所から発生する使用済核燃料は、発電所内の冷却プールで所定期間冷却される。
冷却プールで冷却された後、使用済核燃料は、放射性物質の保管容器である燃料キャスクに収納される。
そして、燃料キャスクに収納された使用済核燃料は、燃料キャスクごと放射性物質貯蔵施設（以下、単に「貯蔵施設」という）へ輸送されて、所定期間貯蔵される。
【０００３】
従来の使用済核燃料貯蔵施設では、自然対流による除熱によって、使用済核燃料を収納した燃料キャスクは、その外筒表面が自然冷却されている。
自然対流による除熱性能を向上させるには、燃料キャスクの冷却面と外気との温度差の拡大、冷却面の熱伝達率の向上、または冷却面積の拡張などの工夫が必要である。
燃料キャスクの冷却面と外気との温度差を拡大するには、燃料キャスク表面温度の上昇、または周囲温度の低下が必要になる。
また、冷却面の熱伝達率を向上するには、冷却面上の流速の増加調節、または流れの撹拌などが必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−４３５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術では、他と比較して設計などの制約が少ない冷却面積の増加によって冷却能力を増強すると、貯蔵施設が大型になるという課題があった。
一方、使用済核燃料から発生する熱は、年々低下するため、初期の発熱量で設計すると、貯蔵期間の後期では、必要以上の放熱容量となり、貯蔵施設の収納効率を低下させる。
収納効率を向上させるために貯蔵期間に合わせて小型の燃料キャスクへ交換する場合、交換時に被ばくする恐れもある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、燃料キャスクの冷却能力を簡易な調節を可能にして向上させる燃料キャスク冷却装置、燃料キャスク、燃料キャスク輸送台、放射性物質貯蔵施設および燃料キャスク冷却方法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】
【０００７】
本実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置は、使用済核燃料が収納された燃料キャスクの外表面に接触して燃料キャスクの熱の伝導を受ける受熱部と、受熱部が受けた熱を大気中に放熱する放熱部と、受熱部および放熱部を接続する熱輸送部と、燃料キャスクおよび受熱部、受熱部および熱輸送部、もしくは熱輸送部および放熱部の少なくともいずれかを互いに取り外し可能に固定する固定機構と、を備えるものである。
【０００８】
本実施形態にかかる燃料キャスク冷却方法は、使用済核燃料が収納された燃料キャスクに一定期間放熱部を熱的に接続して大気中に放熱し、一定期間の後に放熱部を取り外すものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、燃料キャスクの冷却能力を簡易な調節を可能にして向上させる燃料キャスク冷却装置、燃料キャスク、燃料キャスク輸送台、放射性物質貯蔵施設および燃料キャスク冷却方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置の概略構成図。
【図２】熱輸送部の一例であるヒートパイプの概略断面図。
【図３】第１実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置の変形例を示す図。
【図４】第２実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置の概略構成図。
【図５】第２実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置の変形例を示す図。
【図６】第２実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置の第２の変形例を示す図。
【図７】第３実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置の概略構成図。
【図８】第３実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置の変形例を示す図。
【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。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる燃料キャスク冷却装置１０Ａ（以下、単に「冷却装置１０Ａ」という）の概略構成図である。
【００１３】
第１実施形態にかかる冷却装置１０Ａは、図１に示されるように、使用済核燃料１１が収納された燃料キャスク１２の外表面に接触して燃料キャスク１２の熱の伝導を受ける受熱部１３と、受熱部１３を燃料キャスク１２に取り外し可能に密着させて固定する固定機構１４と、受熱部１３が受けた熱を大気中に放熱する放熱部１６と、受熱部１３および放熱部１６を接続する熱輸送部１７と、を備える。
【００１４】
冷却プールで一定期間冷却された使用済核燃料１１は、燃料キャスク１２に中性子吸収板１８とともに収納されて中蓋１５および上蓋２６によって密閉される。
そして燃料キャスク１２は、放射性物質貯蔵施設３０（貯蔵施設３０）に接続される。
【００１５】
受熱部１３は、燃料キャスク１２の外表面に固定機構１４で密着して固定される。
受熱部１３には、熱伝導率の高い金属が好適に用いられる。特に、アルミニウム、銅またはチタンなどは、金属の中でも高い熱伝導率を有するとともに入手が容易で好適である。
ただし、受熱部１３は、燃料キャスク１２を構成するコンクリートなどと同程度以上の熱伝導率を有するものであれば、金属に限定されない。
燃料キャスク１２と密着することで、燃料キャスク１２との接触面から受熱部１３に使用済核燃料１１によって発生した熱が伝導する。
【００１６】
固定機構１４は、受熱部１３を燃料キャスク１２に取り外し可能に固定する。
固定機構１４は、例えば、受熱部１３に設けられて燃料キャスク１２に留められるボルトである。燃料キャスク１２の多くは、支持構造物とボルト止めで連結するための既存のボルト孔を有するので、これを転用することができる。
また、固定機構１４は、バネを介して受熱部１３に巻きつけられる金属チェーンやファスナなどであってもよい。
【００１７】
なお、固定機構１４は、受熱部１３と別個の部材ではなく、一体形成されるものであってもよい。
例えば、燃料キャスク１２に設けられている既存の鉤形状の凹凸などがある場合は、固定機構１４としてこの形状に嵌め込まれるように受熱部１３に凹凸形状を形成してもよい。
【００１８】
熱輸送部１７は、受熱部１３および放熱部１６を接続して、受熱部１３に伝導した熱を放熱部１６に移動させる。
ここで、図２は、熱輸送部１７の一例であるヒートパイプ１７ａの概略断面図である。
熱輸送部１７は、例えば、管内の液体の沸騰凝縮によって熱輸送をするヒートパイプ１７ａである。
図２に示されるように、配管２０で形成された動作液蒸気ＬＧの循環経路の一端が加熱され、他端が冷却される。
【００１９】
この循環経路を動作液蒸気ＬＧが循環する。高温部２１では、動作液Ｌが潜熱を吸収して蒸発する。
動作蒸気Ｇは、配管２０を通って低温部２２に移動して、低温部２２で冷却される。
冷却された動作蒸気Ｇは潜熱を放出して凝集して液体に戻り、再度高温部２１に戻る。
このように、動作蒸気Ｇが配管２０を循環しながら蒸発および凝縮を繰り返すことで、急速に高温部２１から低温部２２への熱が移動する。
【００２０】
動作液蒸気ＬＧの膨張および凝集による自動振動で伝熱するヒートパイプ１７ａの伝熱量は、熱伝導のみで熱輸送を行う場合と比較して格段に大きい。
よって、受熱部１３の熱を即時に効率的に放熱部１６へ輸送することができる。
熱輸送部１７は、管内の液体を加振することで熱輸送をするドリームパイプであってもよい。
なお、熱輸送部１７は、受熱部１３と同様に、熱伝導率の高い金属などであってもよい。
【００２１】
放熱部１６は、受熱部１３が受けた熱を大気中に放熱する。
放熱部１６は、例えば、図１に示されるように、多数のフィン２４によって放熱面積が大きくされた放熱板である。
放熱部１６は、例えば縦置きされた燃料キャスク１２の側壁３６を包囲する筒形状に設けられる。複数の冷却装置１０Ａが燃料キャスク１２の側壁３６に沿って包囲してもよい。
ここで、「包囲」には、側壁３６の全周を切り目なく囲むことに加えて、例えば半周のみ囲むことも含まれ、また、例えば円筒を特定の円弧ごとに分割した放熱板を３つ、互いに僅かに間隙を有して円状に配置する場合も含まれる。
また、燃料キャスク１２の側壁３６に完全に沿っていなくとも、例えば略多角形状に冷却装置１０Ａを配置して燃料キャスク１２を囲むようにしてもよい。
さらに、冷却装置１０Ａは、燃料キャスク１２の上蓋２６の外表面に設けられてもよい。
【００２２】
また、放熱部１６は、燃料キャスク１２が載置される基礎２７との間に空気が通過する間隙（以下、「下端開口部２８」という）を有してこの基礎２７に固定されるのが好ましい。この下端開口部２８は、例えば放熱部１６の周方向に周期的に開口領域を設ける、放熱部１６が燃料キャスク１２に支持されて床面に接しないように配置させる等して形成される。
燃料キャスク１２および放熱部１６による放熱によって燃料キャスク１２と放熱部１６との対向面間の隙間空間２９に上昇気流が発生すると、下端開口部２８から隙間空間２９に空気が流入する。
この空気の流入によって、隙間空間２９の上昇気流を一層促進することができる。
【００２３】
隙間空間２９に発生する上昇気流によって、自然空冷による冷却能力を向上し、燃料キャスク１２の冷却が促進される。
また、同様に隙間空間２９に空気を流入させるために、下端開口部２８とは別個に、放熱部１６に中間開口部３１（第２の開口部３１）を設けてもよい。
なお、放熱を促進するために、中間開口部３１をできるだけ基礎２７に近い低位置に設けて、隙間空間２９における上昇気流の経路を長くするのが望ましい。
【００２４】
次に、図３の第１実施形態にかかる冷却装置１０Ｂの変形例を示す図を用いて、冷却装置１０Ｂの変形例について説明する。
図３に示されるように、放熱部１６は、燃料キャスク１２を包囲せずに、燃料キャスク１２からある程度の遠隔地に設けてもよい。
熱輸送部１７をヒートパイプ１７ａなど熱輸送の効率の高いものにするなどの工夫をするのが望ましい。
【００２５】
以上の構成を備える冷却装置１０Ａによって、収納される使用済核燃料１１の温度に合わせて、燃料キャスク１２の冷却効率を調整することができる。
つまり、使用済核燃料１１が冷却プールから取り出してから一定期間内である場合は、放熱面積が広く冷却効率の高い放熱部１６を備えた冷却装置１０Ａまたは多数の冷却装置１０Ａまたは燃料キャスク１２に接続する。
一方、一定期間の経過後で使用済核燃料１１の温度が低下した後は、適宜接続する冷却装置１０Ａの数量を削減し、または小型なものに交換して貯蔵施設３０における占有体積を縮小させる。
【００２６】
そして、使用済核燃料１１が十分に冷却された後は、冷却装置１０Ａを全て取り外す。
このように、使用済核燃料１１の貯蔵期間に合わせて冷却装置１０Ａの一部または全部を取り外すことで、貯蔵施設３０を高い収納効率で運用するとともに、各時期に十分な冷却をすることができる。
また、冷却性能を調整するに当たって燃料キャスク１２の開放等が伴わないので、被ばく量に影響しない。
【００２７】
なお、第１実施形態では、固定機構１４が受熱部１３に設けられて、受熱部１３が燃料キャスク１２から取り外し可能である例で説明した。
しかし、受熱部１３と熱輸送部１７とが、また、熱輸送部１７と放熱部１６とが取り外し可能に固定されてもよい。
【００２８】
以上のように、第１実施形態にかかる冷却装置１０（１０Ａ，１０Ｂ）および燃料キャスク冷却方法によれば、燃料キャスク１２の冷却能力を簡易な調節を可能にして向上させることができる。
【００２９】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態にかかる冷却装置１０Ｃの概略構成図である。
【００３０】
第２実施形態にかかる冷却装置１０Ｃは、図４に示されるように、１つの放熱部１６に複数の燃料キャスク１２が接続される。
前述したように、貯蔵施設３０に一定期間以上貯蔵されると、使用済核燃料１１による発熱量が減少して放熱部１６の放熱能力が余剰になる。
そこで、放熱部１６の複数個所に熱輸送部１７を接続することができるようにする。
【００３１】
そして、放熱部１６の放熱能力の余剰分が放熱部１６の１台分より高くなった場合に、この１台を撤去して、他の放熱部１６に接続を変更する。
このように、使用済核燃料１１の発熱量に応じて適宜接続を変更することで、貯蔵施設３０の収納効率を向上させることができる。
また、貯蔵開始時から１台の放熱部１６に複数の燃料キャスク１２を接続する場合もある。
【００３２】
放熱効率の低い放熱部１６を各燃料キャスク１２ごとに設けるよりも、放熱効率の高い１台の放熱部１６に数台を接続したほうが、収納効率の観点から好ましい場合もある。
【００３３】
また、図５は第２実施形態にかかる冷却装置１０Ｄの変形例を示す図である。
図５に示されるように、冷却装置１０Ｄは、複数の放熱部１６に複数の燃料キャスク１２を共有させて多対多で接続することもできる。
つまり、複数の放熱部１６がそれぞれ複数の燃料キャスク１２に熱的に接続され、反対に、複数の燃料キャスク１２の１つ以上がこれら複数の放熱部１６に熱的に接続される。
【００３４】
いずれも複数で共有することで、伝熱を分散することができるので、放熱量を各放熱部１６の放熱能力に合わせて分散させることができる。
なお、図６の第２実施形態にかかる冷却装置１０Ｅの第２の変形例のように、複数の燃料キャスク１２を１つの放熱部１６が包囲するものであってもよい。
【００３５】
なお、放熱部１６と燃料キャスク１２との接続関係を１対多または多対多にすること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００３６】
このように、第２実施形態にかかる冷却装置１０（１０Ｃ〜１０Ｅ）によれば、第１実施形態の効果に加え、１つの放熱部１６に複数の燃料キャスク１２の接続を集約することができるので、貯蔵施設３０における燃料キャスク１２の収納効率を向上することができる。
さらに、放熱部１６と燃料キャスク１２との接続関係を多対多にすることで、伝熱を分散することができるので、放熱量を各放熱部１６の放熱能力に合わせて分散させることができる。
【００３７】
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態にかかる冷却装置１０の概略構成図である。
第３実施形態にかかる冷却装置１０Ｆは、図７に示されるように、放熱部１６は、燃料キャスク１２を輸送する燃料キャスク輸送台３４（以下、単に「輸送台３４」という）に設けられる。
【００３８】
燃料キャスク１２は、冷却プールから貯蔵施設３０、または他の貯蔵施設３０に運搬されることがある。
他の場所へ運搬される場合、燃料キャスク１２は、輸送台３４に載置されて固定部材３７で固定されて運搬される。
運搬される際にも、燃料キャスク１２は常時発熱しているので、冷却することが必要である。
【００３９】
そこで、図７に示されるように、燃料キャスク１２を輸送する輸送台３４に冷却装置１０Ｆを設ける。
燃料キャスク１２は、運搬時の振動に対する安定性を確保するため、通常、輸送時には側壁３６が輸送台３４に支持されるように横たえられて載置される。
そして、側壁３６、上蓋２６および底部を被覆するように輸送台３４に固定され、一部のみが露出する。
【００４０】
そこで、露出する表面の一部に受熱部１３を接触させて、この受熱部１３と輸送台３４に載置された放熱部１６とを熱輸送部１７で接続する。
また、図８は第３実施形態にかかる冷却装置１０の変形例を示す図である。
図８に示されるように、輸送台３４に載置された放熱部１６は、第１実施形態と同様に中間開口部３１または下端開口部２８が設けられていることが望ましい。
【００４１】
このように、第３実施形態にかかる冷却装置１０Ｇによれば、第１実施形態の効果に加え、燃料キャスク１２の輸送時においても冷却能力を増強することができる。
【００４２】
以上述べた少なくとも一つの実施形態の冷却装置１０Ｇによれば、燃料キャスク１２の冷却能力を簡易な調節を可能にして向上させることが可能になる。
すなわち、貯蔵施設３０の冷却能力が向上し、貯蔵施設の信頼性が向上するとともに、冷却能力の調整ができることでロバスト性が向上する。
【００４３】
本発明のいくつか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】
【００４４】
１０（１０Ａ〜１０Ｇ）…燃料キャスク冷却装置（冷却装置）、１１…使用済核燃料、１２…燃料キャスク、１３…受熱部、１４…固定機構、１５…中蓋、１６…放熱部、１７（１７ａ）…熱輸送部（ヒートパイプ）、１８…中性子吸収板、２０…配管、２１…高温部、２２…低温部、２４…フィン、２６…上蓋、２７…基礎、２８…下端開口部（第１の開口部）、２９…隙間空間、３０…放射性物質貯蔵施設（貯蔵施設）、３１…中間開口部（第２の開口部）、３４…燃料キャスク輸送台（輸送台）、３６…側壁、Ｇ…動作蒸気、Ｌ…動作液、ＬＧ…動作液蒸気。
【図１】
2017111094.tif 000003
【図２】
2017111094.tif 000004
【図３】
2017111094.tif 000005
【図４】
2017111094.tif 000006
【図５】
2017111094.tif 000007
【図６】
2017111094.tif 000008
【図７】
2017111094.tif 000009
【図８】
2017111094.tif 000010