(57)【要約】  使用済原子燃料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。この電力を利用して、原子燃料キャスク向けの能動的な強制空気除熱システムに給電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、使用済原子燃料と、当該原子燃料を収容するキャスクの構成機器を取り巻く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１
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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、
原子燃料（８８）を貯蔵するためのキャニスタ（３６）および
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の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（３６）と熱伝達関係にある熱機関（８２）
から成る使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項２】
前記キャニスタ（３６）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）、
当該キャスクの下端部を貫通し、当該キャスクの外側から当該環状空間まで延びる空気取入口（３２）、および
当該キャスク（１０）の上端部を貫通し、当該環状空間（９０）から当該キャスクの外側まで延びる空気出口（３８）
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、
請求項１の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（９０）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（８２）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（３６）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】
前記熱電装置（８２）が実質的に前記空気取入口（３２）と前記空気出口（３８）との間の或る高さに支持されている、請求項６の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項８】
前記熱電装置（８２）が実質的に前記空気取入口（３２）と前記空気出口（３８）との間の中間の高さに支持されている、請求項７の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項９】
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（９４）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１０】
環状空間（９０）を間に挟んで前記キャニスタ（３６）を取り囲む外部キャスク（１０）と、前記キャニスタと当該キャスクとの間を通り、当該キャスクを貫通して当該キャスクの外側へ通り抜ける冷却材流路とを含み、前記冷却材循環システムが、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１１】
前記冷却材循環システムが、原子力発電所の使用済燃料プール（１０６）内の流体を冷却する、請求項９の使用済原子燃料貯蔵容器（８６）。
【請求項１２】
前記電力が原子力発電所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）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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得る電源に関する。
【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、炉心内で照射された燃料集合体の一部が取り出され、炉心の周りに再配置される新しい燃料集合体と交換される。取り出された使用済原子燃料集合体は、典型的には水中のまま、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、これらの放射性の燃料集合体が貯蔵される。使用済燃料プール内の水は、許容可能なレベルにまで放射線を遮蔽するのに十分な深さを有し、燃料集合体内の燃料棒が、放射性燃料物質および核分裂生成物を密封して収容する燃料棒の被覆を破損しかねない温度に達するのを防止する。少なくとも、燃料集合体内の崩壊熱が下がり、当該集合体の温度が乾燥貯蔵を許容するレベルになるまで、冷却は継続される。典型的には、使用済燃料集合体はかかるプール内に１５年間貯蔵され、その間に当該集合体は、時間と共に指数関数的に減衰する崩壊熱を発生しつつ、冷却される。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て、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体の集合体を保持することができる。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、キャスク内部の温度は、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。厚壁の円筒形鉄筋コンクリート製シェルであるこの構造ハウジングの内面は、ステンレス鋼で裏打ちされている。組み立てた状態で、内部キャニスタと外部キャスクハウジングとの間に約３．５０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状態のキャスクシェル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グメントから成り、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が、ステンレス鋼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当該キャニスタを定位置に案内する。外部セグメント１２、１４、１６の中央孔４２の下端部に設けられた支持管３０が、内部ステンレス鋼キャニスタ３６（図２に示す）を支持する。一般的にスクリーン３４によって蓋をされる空気取入口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部を介して、外部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内部円筒形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に設けられた、スクリーン４０によって蓋をされた空気出口流路３８から排出される。上蓋４１は、当該上蓋を貫通して環状シールリング２６内に達するボルト４３によって密閉される。その結果、当該上蓋と、燃料集合体が装荷されてコンクリートシェル１０の中央孔４２内に装着された内部円筒形キャニスタ３６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内に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、最下端板４６によって下端部が閉じられた外部鋼製シェル４４を有し、当該最下端板は、底部閉鎖板５０を覆うように載置された最下端栓４８を覆っている。内部キャニスタシェル４４の中に、縦列アレイ状に離隔配置されたスペーサ板５２があり、当該スペーサ板には、個々の燃料集合体を挿入・配置するための実質的に整列した四角孔５６が開けられている。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で当該スペーサ板を貫通する支持棒５４の集合体によって定位置に保持される。キャニスタシェル４４の全長を実質的にカバーする排液口５８と排気口６０によって、キャニスタ内の水を排出する。キャニスタ３６の最上部は頂部遮蔽栓６２によって閉じられ、当該遮蔽栓は頂部内部閉鎖板６４に覆われる。頂部内部閉鎖板６４には、キャニスタ内の放射線および温度モニタと交信し、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が開けられている。内部のキャニスタ集合体は、周縁部のボルトによって定位置に固定された頂部外部閉鎖板６８に覆われ、内部キャニスタの密封性を確実にするための漏洩試験口７０が開けられている。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を介して冷却空気が環状部に流入し、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との間の環状部内で空気が加熱されることにより自然通風が引き起こされ、キャスク最上部の半径方向に延びる出口流路３８を介して空気が排出される。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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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】
【０００８】
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の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、環状空間を間に挟んでキャニスタを取り囲む外部キャスクを含む。空気取入口が当該キャスクの下端部を貫通し、当該キャスクの外側から当該環状空間まで延びている。空気出口が当該キャスクの上端部を貫通し、当該環状空間から当該キャスクの外側まで延びている。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から選ぶことができる。
【０００９】
また別の実施態様において、前記熱機関は、前記環状空間内で、前記原子燃料を収容する前記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。前記熱電装置は、実質的に前記空気取入口と前記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。前記熱電装置は、実質的に前記空気取入口と前記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。
【００１０】
さらに別の実施態様において、前記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、前記外部キャスクと前記内部キャニスタとの間の前記環状空間を通って延び、前記キャスクを貫通して前記キャスクの外側へ通り抜け、前記環状空間の内部と前記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。
【００１１】
さらに別の実施態様において、前記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含む。前記電力は、原子力発電所向けの補助電源を提供するのが望ましい。
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】使用済燃料キャスクの外部シェルの等角図であり、一部を分解して上蓋を取り外した状態にし、一部を断面にして当該シェルの内部を示している。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提供するいくつかの実施態様を略示している。
【００１４】
【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容する当該キャニスタの内部を示すために一部を分解・破断してある。
【００１５】
【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。
【００１６】
【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。
【００１７】
【図５】外部コンクリートシェルと部分的に取り出された内部キャニスタとを示す使用済燃料キャスクの等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、使用済燃料キャスクからの廃熱を、多数の機能を支援する用途で電力または機械力に変換する手段を提供する。一実施態様では、使用済燃料キャスクの内部キャニスタの外部表面に熱電発電装置が取り付けられている。熱電発電装置は、原子燃料を収容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領域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度以上の時に有意な電力を発生する。典型的な熱電装置を図３に示し、これを参照符号７２で総括表示する。熱電装置７２は一般的に、電気的に直列接続、熱的に並列接続されたＮ型およびＰ型不純物ドープ半導体材料７４の２つ以上の素子から成る。Ｎ型材料は、電子が過剰になる（完全な分子格子構造を形成するの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を形成するの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。本実施態様の場合、当該ヒートシンクは、コンクリートシェル１０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。本実施態様に基づいて、熱電発電装置は、内部円筒形キャニスタ３６の軸方向高さの中間付近で、当該キャニスタの外周沿いに帯状に取り付けられる。この帯は、典型的にはキャニスタ底部から７５〜１２５インチ（１９０．５〜３１７．５ｃｍ）の範囲にわたり、キャニスタ表面積の約４分の１に相当する。この表面域を図２に参照符号８０で表し、そのような熱電発電装置の一例を図２に参照符号８２で表す。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、中間的な高さにおけるキャニスタ３６の表面温度は華氏約４７０度である。気温は、コンクリートハウジングの内側よりも必然的に高くなり、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。保守的に、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を採用し、これがコンクリートハウジング内への対流熱伝達に等しいとすることにより、環状部内の気温を推定できる。自然対流熱伝達係数を２．０Ｂ／ｈｒ−ｆｔ２−°Ｆとすると、気温はハウジング表面より約１０度高く、最大で華氏１７０度となる。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、当該キャニスタシェル４４と空気流との間に３００度の温度差が存在する。
【００１９】
この規定された領域内で市販の熱電発電素子を用いることにより、各キャスクから１０キロワット余りの電力が得られる。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、それに伴う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３０キロワットを超える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を、例えば所内および所外電力の喪失（全交流電源喪失）時など、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、必須の負荷に対して給電するために、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の場合、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、制御室照明、計装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）の冷却のために利用でき、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。
【００２０】
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、部分的に組み立てられた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内の空気を強制的に通風させることにより、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を介して送風機またはファン９４に接続して図示される。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の中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の中で空気を強制移送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して、使用済燃料プールにかかる崩壊熱の負荷を減らすことができる。これは、全交流電源喪失の状況下でプール冷却の必要性を減らすという非常に望ましい効果があり、プラントの対処戦略の改善につながる。
【００２１】
別の方法として、環状部９０内またはキャニスタ３６内で発生する熱を外部に伝えるために、環状部９０および外部コンクリートシェル１０を貫通するヒートパイプ９６を使用することができる。この外部に伝えられた熱を利用して、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を駆動することができる。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を用いて、送風機９４を駆動して環状部の中で空気を強制移送させたり、ポンプ１０２を駆動して使用済燃料プール水１０６を循環させ、水を熱交換器１０４の中を通して冷却させ、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双方の動作については、２０１２年７月２６日に提出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。
【００２２】
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】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【国際調査報告】
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