(57)【要約】  使用済原子燃料貯蔵キャスク内で発生する崩壊熱から有意な量の有用な電力または機械力を取り出すための装置。この電力を、原子燃料貯蔵キャスク向けの能動的な強制空気除熱システムへの給電に利用して当該キャスクの熱容量を高めたり、全交流電源喪失事象時に原子力発電所に非常用電源を提供したりすることができる。熱電発電装置または他の熱機関が、使用済原子燃料容器表面と、当該原子燃料を収容するキャスクの構成要素の周囲環境との間の温度勾配を利用して、電力を発生させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済原子燃料貯蔵容器（８６）であって、
照射済原子燃料（８８）を貯蔵するためのキャニスタ（２２）と、
貯蔵された当該原子燃料（８８）の潜熱と周囲環境との間の熱差を電力または機械力に変換するために当該キャニスタ（８６）と熱伝達関係にある熱機関（８２）と
から成る使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項２】
請求項１の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）であって、
前記キャニスタ（２２）を取り囲み、前記キャニスタとの間に環状空間（９０）を有する外部キャスク（１０）と、
当該キャスク（１０）の下端部を、当該キャスクの外側から当該環状空間（９０）へ貫通する空気取入口（３２）と、
当該キャスク（１０）の上端部を、当該環状空間（９０）から当該キャスクの外側へ貫通する空気出口（３８）と
から成り、
前記熱機関（８２）が当該環状空間（９０）と熱伝達関係にある
ことを特徴とする使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項３】
前記熱伝達関係が熱伝達媒体を介して前記環状空間から前記外部キャスク（１０）の外側へ熱を伝えることにより実現される、請求項２の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項４】
前記熱伝達媒体がヒートパイプ（９６）である、請求項３の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項５】
前記熱機関が、ランキンサイクルエンジン（１００）、スターリングサイクルエンジン（９８）および熱電装置（８２）の中から選ばれたものである、請求項２の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項６】
前記熱電装置（８２）が前記環状空間（９０）内の前記キャニスタ（２２）の外部表面上に支持されている、請求項５の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項７】
前記熱機関（８２）からの電気出力が、冷却材を冷却するように動作可能な冷却材循環システムに接続されている、請求項１の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項８】
前記電力が原子力発電所（８４）向けの非常用補助電源を提供する、請求項１の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項９】
請求項１の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）であって、
前記キャニスタ（２２）の外周面の少なくとも一部にわたって冷却流体を循環させるための流体循環システムであって、前記キャニスタを取り囲む遮蔽キャスク（１０）を貫通する流体入口（３２）と流体出口（３８）とを有することを特徴とする流体循環システムと、
当該遮蔽キャスク（１０）に支持された、当該流体出口（３８）と流体連通関係にある流体バッフルシステム（１２２）であって、当該流体バッフルシステム内に少なくとも部分的に支持された前記熱機関（８２）が、当該流体出口から排出される流体と熱交換関係にあることを特徴とする流体バッフルシステムと
から成る使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項１０】
前記流体バッフルシステム（１２２）が、前記遮蔽キャスク（１０）の外周にまたはその上に取り付ける実質的に環状の流路（１２０）である、請求項９の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項１１】
前記流体バッフルシステム（１２２）が前記遮蔽キャスクの上部で支持される、請求項１０の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項１２】
前記流体循環システムが、前記遮蔽キャスクの外周面に周方向に離隔した複数の流体出口（３８）を有し、前記流体バッフルシステム（１２２）が、少なくともいくつかの当該流体出口と流体連通関係にあり、当該流体出口と流体連通関係にある多孔板（１１２）が前記流体バッフルシステム内に支持され、当該多孔板は前記バッフルシステム内の流路全体に流体を分配するために前記流体バッフルシステムの中を少なくとも部分的に延びていることを特徴とする、請求項９の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項１３】
前記熱機関（８２）が、前記流体バッフルシステムを通る流路内に支持された複数の熱電発電装置である、請求項９の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項１４】
前記流体バッフルシステム（１２２）の外側への熱伝達を促進するためのフィンが延びている、請求項１３の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項１５】
前記流体バッフルシステム（１２２）が、蛇行しながら垂直に延びる流路を有する、請求項９の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は一部継続出願であり、２０１３年３月１３日に出願された「ＡＳｏｕｒｃｅ Ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｆｒｏｍ Ａ Ｓｐｅｎｔ Ｆｕｅｌ Ｃａｓｋ」と題する米国特許出願第１３／７９８，２７１号に基づく優先権を主張する。
本発明は概して崩壊熱をエネルギー源とする電源に関し、詳細には、使用済原子燃料の入った使用済原子燃料貯蔵キャスクからエネルギーを取り出す電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉は、通常１８カ月のサイクルで燃料交換を行う。燃料交換プロセスの際に、炉心内の照射済燃料集合体の一部が取り出され、その代わりの新しい燃料集合体が炉心のここかしこの新しい場所へ装荷される。取り出された使用済原子燃料集合体は、典型的には水面下で、使用済燃料プールを収容する別の建屋に運ばれる。使用済燃料プールには、これらの放射性燃料集合体が貯蔵される。使用済燃料プールの水は放射線を遮蔽して許容可能なレベルに下げるに十分な深さを有するため、燃料集合体の燃料棒の温度は放射性燃料物質および核分裂生成物を密封収容する燃料棒の被覆を破損しかねない値には到達できない。冷却は、燃料集合体内の崩壊熱が、少なくとも当該集合体の温度が乾式貯蔵の実施に受入れ可能なレベルへ低下するまで継続される。使用済燃料集合体は通常、かかるプールに１５年間貯蔵されるが、その間、崩壊熱は時間と共に指数関数的に減衰するため当該集合体の温度が下がる。１５年が過ぎると崩壊熱は十分に減少し、当該集合体を使用済燃料プールから取り出し、長期貯蔵キャスク内へ移すことができる。各キャスクは、典型的には２１体以上の集合体を収納できる。これらのキャスクは一般的に、原子力発電所サイトの別の場所へ移動され、無期限に貯蔵される。
【０００３】
燃料集合体はキャスク内で崩壊熱を発生し続けるので、自然対流による空気の流れを利用して除熱を行う。これにより、キャスク内の温度は、使用材料に適したレベルに保たれる。各キャスクの内部には、使用済燃料集合体を封じ込めるステンレス鋼製の円筒形キャニスタがある。このキャニスタは、貯蔵キャスクの構造ハウジング内に置かれる。厚い鉄筋コンクリート製の円筒形シェルであるこの構造ハウジングの内面は、ステンレス鋼で裏張りされている。そのような設計の一例では、組み立てた状態で、内部キャニスタと外部キャスクのハウジングとの間には約３．５０（８．８９ｃｍ）インチの半径方向の隙間がある。この幾何学的構成を図１、２に示す。図１に示すのは、内部にキャニスタを設置していないキャスクシェル１０の切欠図である。キャスクシェル１０は、一般的に下部セグメント１２、中間部セグメント１４および上部セグメント１６の３つの環状コンクリートセクションから成り、これらセグメントはせん断キー１８によって側方に拘束され、タイロッド２０によって定位置に保持される。各セグメント１２、１４、１６の内面は鋼製ライナー２２で覆われ、当該ライナーは熱遮蔽体２４および環状の遮蔽リング２６によって蓋をされる。セグメント１２、１４、１６の内部に沿って垂直に延びる支持レール２８は、ステンレス鋼製キャニスタを定位置に案内して、当該キャニスタと鋼製ライナー２２の内壁との間に空間ができるようにする。外側のセグメント１２、１４、１６の中央孔４２の下端部に設けられた支持管３０が、ステンレス鋼の内部キャニスタ３６（図２に示す）を支持する。一般的にスクリーン３４が取り付けられた空気取入口３２は、コンクリートシェル１０の下部セグメント１２の下部から取り入れた空気を、コンクリートシェル内を経由して、外側のコンクリートシェル１０と、当該シェル１０の中央孔の中に収まる円筒形の内部キャニスタとの間の環状流路に流入させる。取入口３２から入った空気は、コンクリートシェル１０の上部セグメント１６の、スクリーン４０が取り付けられた空気出口流路３８から排出される。典型的には、外部キャスク１０の周面に周方向に離隔した複数の空気取入口３２および空気出口流路３８がある。上蓋４１は、当該上蓋を貫通して環状シールリング２６内へ延びるボルト４３によって密閉される。かかる構成により、燃料集合体が充填されコンクリートシェル１０の中央孔４２に装填された円筒形の内部キャニスタ３６と当該上蓋とが固定される。
【０００４】
図２に示すのは、外部コンクリートシェル１０内へ滑入される内部キャニスタ３６である。内部キャニスタ３６は、最下端の板４６によって下端部が閉じられた鋼製の外部シェル４４を有し、当該最下端の板は、下部閉鎖板５０を覆うように載置された最下端の栓４８を覆っている。内部キャニスタシェル４４内にはスペーサ板５２が離隔した縦列アレイ状に配置されており、当該スペーサ板には、個々の燃料集合体を配置するための実質的に整列した四角孔５６が設けられている。この整列した孔５６により、燃料集合体の間隔が設計通りに保たれる。スペーサ板５２は、当該スペーサ板の周縁部を貫通する支持棒５４の集合体によって保持される。キャニスタシェル４４の実質的に全長に亘って延びる排液口５８と排気口６０によって、キャニスタ内の水が排出される。キャニスタ３６の最上部は上部遮蔽栓６２によって閉じられるが、当該遮蔽栓は内側の上部閉鎖板６４に覆われる。内側の上部閉鎖板６４には、キャニスタ内の放射線モニタおよび温度モニタと交信して、対応する出力信号をキャニスタ３６の外部へ送るための計装口６６が設けられている。内部キャニスタ集合体は、外側の上部閉鎖板６８に覆われる。周縁部のボルトによって定位置に固定される当該外側の上部閉鎖板には、内部キャニスタの密封状態を確かめるための漏洩試験口７０が設けられている。
【０００５】
キャスクシェル１０の底部から半径方向に延びる入口流路３２を介して内部キャニスタ３６と外部コンクリートシェル１０の鋼製ライナー２２との間の環状部に流入する冷却空気は、加熱による自然通風作用により、キャスク最上部の半径方向に延びる出口流路３８から排出される。したがって、使用済燃料からの残留崩壊熱は、時間と共に周囲環境に放散される。
【０００６】
本発明の目的は、使用済原子燃料貯蔵キャスク内の使用済原子燃料からの廃熱を、有用な仕事に変換することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、そのような廃熱を、使用済燃料キャスクのさらなる冷却に利用できるエネルギー源に変換して、使用済燃料からの熱の放散を速めることである。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、そのような廃熱を力学的エネルギーまたは電気エネルギーに変換することにより、キャスクが貯蔵されている施設向けの補助電源として利用できるようにすることである。
【発明の概要】
【０００９】
上記および他の目的は、原子燃料を貯蔵するためのキャニスタと、貯蔵された当該原子燃料の潜熱と周囲環境との間の熱差を電力または機械力に変換するための当該キャニスタと熱伝達関係にある熱機関とを有する使用済原子燃料貯蔵容器によって達成される。一実施態様において、当該使用済原子燃料貯蔵容器は当該キャニスタを取り囲む外部キャスクを有し、外部キャスクとキャニスタとの間には環状空間がある。空気取入口が、当該キャスクの下端部を、当該キャスクの外側から当該環状空間へ貫通している。空気出口が、当該キャスクの上端部を、当該環状空間から当該キャスクの外側へ貫通している。当該熱機関は、当該環状空間と熱伝達関係にあるのが好ましい。一実施態様において、この熱伝達関係は熱伝達媒体を介して当該環状空間から当該外部キャスクの外側へ熱を伝えることにより実現される。そのような一実施態様において、当該熱伝達媒体はヒートパイプであり、当該熱機関としてランキンサイクルエンジン、スターリングサイクルエンジンまたは熱電装置を選ぶことができる。
【００１０】
また別の実施態様において、熱機関は、環状空間内で、原子燃料を収納する内部キャニスタの外部表面上に支持された熱電装置である。当該熱電装置は、実質的に空気取入口と空気出口との間の或る高さに支持されているのが好ましい。当該熱電装置は、実質的に当該空気取入口と当該空気出口との間の中間の高さに支持されているのが望ましい。
【００１１】
さらに別の実施態様において、熱機関からの電気出力は、冷却材を冷却するように動作可能な冷却材循環システムに接続されている。当該冷却材循環システムは、外部キャスクと内部キャニスタとの間の環状空間から、当該キャスクをその外側へ貫通して延びることにより、当該環状空間の内部と当該キャスクの外部との間で冷却流体を循環させるのが好ましい。
【００１２】
さらに別の実施態様において、使用済原子燃料貯蔵容器は、原子力発電所の使用済燃料プール内の流体を冷却する冷却材循環システムを有する。電気出力は、原子力発電所向けの補助電源を提供するのが望ましい。
【００１３】
別の実施態様において、使用済原子燃料貯蔵容器は、キャニスタの外周の少なくとも一部にわたって冷却流体を循環させる流体循環システムであって、当該キャニスタを取り囲む遮蔽キャスクを貫通する流体入口と流体出口とを有することを特徴とする流体循環システムを含む。当該流体出口と流体連通関係にある流体バッフルシステムが当該遮蔽キャスクに支持され、当該流体バッフルシステム内に少なくとも部分的に支持された熱機関は、当該流体出口から排出される流体と熱交換関係にある。そのような一実施態様において、当該流体バッフルシステムは、当該遮蔽キャスクの外周にまたはその上に取り付けられた環状流路である。当該流体バッフルシステムは、当該遮蔽キャスクの上部で支持され、実質的に当該流体出口に気密封止された入口を有するのが好ましい。
【００１４】
さらに別の実施態様において、流体循環システムは、遮蔽キャスクの外周面に周方向に離隔した複数の流体出口を有し、流体バッフルシステムは、少なくともいくつかの当該流体出口と流体連通関係にある。後者の実施態様では、多孔管または多孔板が、当該流体バッフルシステム内において該流体出口と流体連通関係に支持され、当該流体バッフルシステム内の流路全体に流体を分配するために当該流体バッフルシステム内を少なくとも部分的に延びている。熱機関は、当該流体バッフルシステムの当該流路内に支持された複数の熱電発電装置であるのが好ましい。熱伝達を促進するためにバッフル支持構造物の外側にフィンが延び、当該流路は垂直方向において蛇行するのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。
【００１６】
【図１】使用済燃料キャスクの外部シェルの等角図であり、一部は上蓋を取り外した分解図として、また、一部は当該シェルの内部を描く断面図として示す。図１はまた、使用済原子燃料からの廃熱を利用して原子力施設の諸設備に電力を供給するいくつかの実施態様を略示している。
【００１７】
【図２】使用済原子燃料キャスクの内部キャニスタの等角図であり、使用済原子燃料集合体を収納する当該キャニスタの内部を示すために一部を分解破断して示す。
【００１８】
【図３】図１、２に示す使用済原子燃料キャスクの一実施態様で使用される発電システムの一環として利用できる熱電モジュールの概略図である。
【００１９】
【図４】図１、２の使用済燃料キャスクの外部コンクリートシェルおよび内部キャニスタの表面温度プロファイルを示すグラフである。
【００２０】
【図５】外部コンクリートシェルから内部キャニスタの一部が取り出された使用済燃料キャスクを示す等角図である。
【００２１】
【図６】冷却空気流路が貫通する、本発明の別の実施態様の使用済燃料キャスクの外部コンクリートシェルの一部を示す概略断面図である。
【００２２】
【図７】本発明に適用できる熱電発電装置の一例の出力と両側温度差との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、使用済燃料キャスクからの廃熱を、多数の機能の支援に使用可能な電力または機械力に変換する手段を提供する。一実施態様としては、使用済燃料キャスクの内部キャニスタの外部表面に取り付けられる熱電発電装置がある。熱電発電装置は、原子燃料を収納する内部キャニスタの温度と、内部キャニスタと外部コンクリートシェルとの間の環状空間内を流れる空気の温度との差ΔＴを利用して発電する。市販の熱電装置は、典型的には、当該装置の両側間のΔＴが華氏３００度（１４９℃）以上になると有意な電力を発生する。熱電装置の一例を図３において参照符号７２で総括表示する。熱電装置７２は一般的に、Ｎ型およびＰ型の不純物ドープ半導体材料７４の２つ以上の素子を電気的には直列に、熱的には並列に接続したものである。Ｎ型材料は、電子が過剰になる（完全な分子格子構造の形成に必要な電子数を超える）ようにドープされており、Ｐ型材料は、電子が不足する（完全な分子格子構造の形成に必要な電子数を下回る）ようにドープされている。Ｎ型材料中の余剰電子と、Ｐ型材料中の電子の不足によって生じる「正孔」は、熱源７６から熱電材料を介してヒートシンク７８へ熱エネルギーを移動させる担体である。本実施態様では、当該ヒートシンクは、コンクリートシェル１０の内側のライナー２２と内部キャニスタシェル４４との間の環状部である。図３に示すような熱電モジュールが発生する電力は、モジュールの両側の温度差に比例する。本実施態様によると、熱電発電装置は、円筒形の内部キャニスタ３６の外周面上の、当該キャニスタの軸方向高さのほぼ中間付近、典型的にはキャニスタ底部から７５〜１２５インチ（１９０．５〜３１７．５ｃｍ）のキャニスタ表面積の約４分の１の範囲に帯状に取り付けられる。この表面領域を図２において参照符号８０で、また、かかる熱電発電装置の一例を参照符号８２で象徴的に示す。キャスク内の各種構成機器の温度プロファイルを図４に示す。図からわかるように、キャニスタ３６の中間的な高さ領域の表面温度は華氏約４７０度（２４３℃）である。空気温度は、コンクリートハウジングの内側よりも必然的に高く、このコンクリートハウジングのエネルギー収支から求めることができる。控えめな計算式として、外部キャスク表面から空気中に失われる対流および放射による総熱伝達量がコンクリートハウジング内への対流による熱伝達量に等しいとすることにより、環状部内の空気温度を推定できる。自然対流熱伝達係数を２．０Ｂ／ｈｒ−ｆｔ２−°Ｆとすると、この空気温度はハウジング表面より約１０度高く、最大で華氏１７０度（７７℃）となる。したがって、キャニスタシェル４４と外部コンクリートシェル１０の内壁との間の環状部の中央部には、キャニスタシェル４４と空気流との間に華氏３００度（１４９℃）の温度差が存在する。
【００２４】
この画定領域内に市販の熱電発電素子を設置すると、各キャスクから最大１０キロワットの電力が得られる。燃料集合体をキャスクに装荷するまでに少なくとも１５年にわたり崩壊熱が指数関数的に減衰しているので、残存する崩壊熱はかなり安定しており、この電力は必要な時にいつでも利用できる。使用済燃料プールが満杯になった後、燃料交換のために燃料を取り出すたびに３本の長期貯蔵キャスクが新たに必要になるので、燃料交換サイクルに相当する１８カ月ごとに合計約３０キロワットの電力が新たに利用可能になる。熱電発電素子７２は個別のバッテリーのように機能し、並列および直列を組み合わせた構成の電気接続により、具体的な用途に合った値の電圧および電流を提供することができる。この受動式発電による電力は、例えば所内および所外電力の喪失（全交流電源喪失）時に多くの重要なことに利用できる。そのような状況下で、プラントは一般的に、必須の負荷へ給電するために、予備バッテリー装置のみで対処しなければならない。ペンシルベニア州クランベリー郡区に所在のウェスチングハウス・エレクトリック・カンパニーＬＬＣが提供する受動式設計のＡＰ１０００（登録商標）型原子力発電所の場合、このような対処が可能な時間は７２時間以上であるのに対し、より古い既存のプラントではこの時間はずっと短い。各キャスクで発生する電力は、バッテリーの充電、制御室の照明、計装への使用および使用済燃料プール（図１の参照符号８４で略示）の冷却に利用可能であり、それによって全交流電源喪失の状況下でのプラントの対処可能な時間を引き延ばすことができる。
【００２５】
図５は、内部キャニスタ３６の中に燃料集合体８８が入っている部分的組み立て状態のキャスクを示している。各キャスク８６で発生する電力を利用して、環状部９０内の空気を強制通風することにより、キャスク８６の除熱能力を有意に高めることができる。この目的で、熱電発電素子８２は電線９２により送風機またはファン９４に接続される。当該送風機またはファンは、空気取入口３２から入った空気を環状部９０を通して上方に送り、コンクリートシェル１０の上部にある空気出口３８から排出させる。別の方法として、送風機またはファン９４をコンクリートシェル１０の外側に設置し、配管を介して取入口３２および出口３８に接続することができる。当該送風機またはファンは、環状部９０内の熱電素子によって駆動され、外部コンクリートシェル１０を貫通する電線によって給電される。環状部９０内で空気を強制通風するいずれの構成を用いても、燃料集合体を使用済燃料プールからより早く取り出すことが可能となり、使用済燃料プールにかかる崩壊熱の負荷が減る。これは、全交流電源喪失の状況下でのプールの冷却需要を減らすという非常に望ましい効果をもたらし、プラントの対処戦略が改善される。
【００２６】
別の方法として、環状部９０内を延びて外部コンクリートシェル１０を貫通するヒートパイプ９６を使用することにより、環状部９０内またはキャニスタ３６内で発生する熱を外部へ移動させることができる。この外部へ移動させた熱は、図１の参照符号９８および１００でそれぞれ略示するスターリングサイクルエンジンやランキンサイクルエンジンのような機械式熱機関の駆動に利用することができる。スターリングサイクルエンジンとランキンサイクルエンジンのいずれかにより、送風機９４を駆動して環状部内の空気を強制通風したり、ポンプ１０２を駆動して使用済燃料プール１０６内の水を循環させ、熱交換器１０４を通して冷却し、使用済燃料プール８４へ還流させたりすることができる。ランキンサイクルエンジンとスターリングサイクルエンジンの運転については、２０１２年７月２６日に出願された米国特許出願第１３／５５８，４４３号（代理人整理番号ＣＬＳ−ＵＦＳ−００１）に詳細に説明されている。
【００２７】
場合によっては、燃料集合体８８を装荷しキャスクを封止した後に、外部コンクリート製遮蔽キャスクシェル１０と内部キャニスタ４４との間の環状部にアクセスするのが実際的でないこともある。本発明は、キャスク内へ機材を設置しなくても使用済燃料からのエネルギーを利用できる、熱電発電装置のような熱機関の利用をも企図する。
【００２８】
前述のように、熱電発電素子は２つの異なる温度間で作動し、一般的にその性能またはエネルギー変換効率は温度差に依存する。内部キャニスタの胴部の表面を利用することにより、キャニスタ胴部と環状部内の冷却空気流との間で比較的大きな温度差ΔＴが得られる。一方、崩壊熱エネルギーの約９２％を吸収した排出後の冷却空気と周囲空気との間でも、小さいが十分なΔＴが得られる。エネルギー変換効率が低いことを容認すれば、内部キャスクに変更を加えなくても、熱電発電装置を用いて有意な量の有用な電力を発生できる。
【００２９】
したがって、本発明はまた、キャスクの頂部上で堅牢な外部遮蔽コンクリート胴部によって支持されるバッフル支持構造物の設置をも企図する。こうした配置の一実施態様の一般的な構成を図６に示す。いくつかの図面の中で使用している同じ参照符号は、対応する構成要素を指している。円形のキャスク胴部１０の場合、バッフル支持構造物は、キャスクを取り囲み、キャスクの頂部に着座するフランジ１１６によって支持され、コンクリート製遮蔽キャスク胴部１０を貫通する空気出口３８のところまで下方に延びる環状シリンダ１１０の形態をとることがある。支持フランジ１１６の下にガスケット１１８を設置し、支持構造物１１０の底部の支持構造物とコンクリート製胴部１０との間にエラストマーシール１１４を設置することにより、排気流がバッフル領域に入る前の漏洩を防止できる。一連のバッフル板１２２は、空気出口３８からの排気流を大気へ放出する前に蛇行させる。支持構造物の壁の内面には、加熱された排気流に直接曝される熱電発電装置８２が裏張りされている。支持構造物の壁の外面は、より低い温度の周囲空気に曝される。支持構造材は、アルミニウムのような熱伝導率が比較的高い合金製である。必要であれば、壁の外面にフィン１０８を追加することにより、周囲環境と支持構造物との間の熱伝達を促進させる。バッフル支持構造物の壁全体に空気流を分配するために、該構造物の入口に多孔板１１２を設けることができる。空気出口３８は、典型的にはコンクリートキャスクの外周面の周方向に離隔した位置にあるので、多孔板１１２は、円筒形のバッフル支持構造物内の環状部全体へ空気流を分配する働きをする。
【００３０】
このようにしてキャスクから得られる電気エネルギー量は、使用する熱電発電装置の種類によって異なるが、代表例（ＴｅｌｌｕｒｅｘモデルＧ２−５６−０３７５）の性能を図７に示す。キャスクから流出する空気の温度は、キャスク環状部内の局所的な熱伝達特性および空気流量に依存する。ＢＮＦＬ  Ｗ２１  Ｃａｎｉｓｔｅｒ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ＦＳＡＲで与えられた熱データを使用すると、キャスクから流出する排気の温度は計算上約１０３℃となる。周囲温度を２５〜３０℃とすると、単一の熱電発電素子が発生する電力は約２．５ワットとなる。図６に示す円筒形領域を熱電発電素子の取り付けに利用することにより、高さ１０インチにつき約３ｋＷの直流電力を得ることができる。空気からエネルギーを抽出するので、空気の温度が低下し、下流側の素子の出力が下がる。計算上、熱電発電装置の出力３ｋＷごとに約１０℃空気流の温度が下がるため、実用限界は１つのキャスクにつき２つの円筒形領域の熱電発電素子、総出力約６ｋＷであると考えられる。所内に例えば２０個のキャスクがある年数を経た発電所では、１２０ｋＷの安定な直流電力が常時得られる可能性があり、これは、全交流電源喪失シナリオの際に、計装、換気ファン、小型ポンプ、またはプラントの安全性の確保に必要なその他の機器に給電する上で非常に有意な電力となる。比較までに、サイト内で補助ディーゼル発電機を使用するＡＰ１０００（登録商標）型発電所の全交流電源喪失時の７２時間後の負荷は約３５ｋＷである。
【００３１】
したがって、本発明は、使用済燃料キャスクが貯蔵されている任意のサイトで直流電力を受動的に発生させる非常に実際的な方法を提供する。本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
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【図２】
2017524912.tif 000004
【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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【国際調査報告】
2017524912.tif 000010
2017524912.tif 000011