JP2013145161A - Spent fuel storage facility - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原子炉で使用された使用済燃料を貯蔵する使用済燃料貯蔵設備に関する。 The present invention relates to a spent fuel storage facility for storing spent fuel used in a nuclear reactor.
原子炉で使用された使用済燃料は、通常、冷却水(以下プール水)で満たされた使用済燃料貯蔵プールに一旦保管される。例えば原子力発電所では、図6に示すように、原子炉建屋1内に設置された使用済燃料貯蔵プール2の内部に、使用済燃料3がプール水4に水没して設置されている。使用済燃料3から発生する崩壊熱は、使用済燃料貯蔵プール2内のプール水4に伝達され、このプール水4はスキマサージタンク5に流入し、プール水冷却浄化系6のポンプ7を介してろ過脱塩装置8で不純物が除去され、熱交換器9で使用済み燃料3の崩壊熱が除去された後、使用済燃料貯蔵プール2に再び戻される。尚、熱交換器9で熱交換された熱は、熱交換器9の2次系から原子炉機器冷却系(不図示)を経て海に放出される。
The spent fuel used in the nuclear reactor is usually temporarily stored in a spent fuel storage pool filled with cooling water (hereinafter referred to as pool water). For example, in a nuclear power plant, as shown in FIG. 6, the spent fuel 3 is submerged in the
このように使用済燃料貯蔵プール2への注水は、プール水4をポンプ7等の動的機器により循環させることによって行われている。なんらかの事象により全電源が喪失した場合には非常用ディーゼル発電機(不図示)が起動し動的機器を作動させるが、さらにそうした設備も動作しなくなった場合には、使用済燃料貯蔵プール2への注水が不可能になり、プール水4が崩壊熱により蒸発し、使用済燃料貯蔵プール2内の水位が低下してプール水4が喪失し、使用済燃料3が損傷する恐れがある。
In this way, water is injected into the spent fuel storage pool 2 by circulating the
こうした事象に対して、例えば原子力発電所の原子炉建屋1内では、原子炉によって蒸気も生成されているため、外部電源や非常用ディーゼル発電機に頼らず、生成される蒸気を利用して蒸気インジェクタ(不図示)を動作させて動力源を確保し、動的機器を稼動させるという技術が開示されている(特許文献1参照)。あるいは、蒸気インジェクタを直接利用して使用済燃料貯蔵プール2へ注水するという技術がある。また、原子炉建屋1の屋上に図示しないタンクを設け、非常時にそのタンクから原子炉建屋1の使用済燃料貯蔵プール2に注水する系統を設けるという技術がある。 For such an event, for example, in the reactor building 1 of the nuclear power plant, steam is also generated by the reactor. A technique of operating a dynamic device by operating an injector (not shown) to secure a power source is disclosed (see Patent Document 1). Alternatively, there is a technique in which water is poured into the spent fuel storage pool 2 by directly using a steam injector. Further, there is a technique in which a tank (not shown) is provided on the roof of the reactor building 1 and a system for injecting water from the tank to the spent fuel storage pool 2 of the reactor building 1 in an emergency is provided.
前述のように、なんらかの事象により使用済燃料貯蔵プール2に冷却水を循環させる系統(例えばプール水冷却浄化系6)が故障するような非常時の場合でも、使用済燃料の冷却が継続されるように、代替冷却設備を備えておく必要がある。尚、特許文献1で開示された技術は、蒸気が生成されている条件や場所では有効と成り得るが、系統が複雑になると共に、蒸気が生成されていない条件や場所では稼動が困難となる。 As described above, the cooling of the spent fuel is continued even in the case of an emergency in which a system (for example, the pool water cooling and purification system 6) that circulates the cooling water to the spent fuel storage pool 2 fails due to some event. Thus, it is necessary to provide an alternative cooling facility. The technique disclosed in Patent Document 1 can be effective in conditions and places where steam is generated, but the system becomes complicated and operation becomes difficult in conditions and places where steam is not generated. .
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、使用済燃料貯蔵プールに貯蔵された使用済燃料の崩壊熱を、全電源の喪失時にも好適に除去できる使用済燃料貯蔵設備を提供することにある。 The object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and spent fuel storage that can suitably remove the decay heat of spent fuel stored in the spent fuel storage pool even when the entire power source is lost. To provide facilities.
本発明の実施形態は、使用済燃料をプール水中に水没させて前記使用済燃料の崩壊熱を除去する使用済燃料貯蔵プールと、ポンプ及び熱交換器を備え、前記ポンプの駆動により前記プール水を前記熱交換器へ導いて冷却させ、前記使用済燃料貯蔵プールへ戻すプール水冷却系と、を有する使用済燃料貯蔵設備において、前記使用済燃料貯蔵プールの前記プール水に蒸発部が浸漬され、凝縮部が前記プール水の水面上方に位置づけられたヒートパイプと、前記ヒートパイプの前記凝縮部を内包し、この凝縮部との間に空気を流動させる流路が形成される筒状体と、を有することを特徴とするものである。 An embodiment of the present invention includes a spent fuel storage pool that submerges spent fuel in pool water to remove decay heat of the spent fuel, a pump and a heat exchanger, and the pool water is driven by the pump. In a spent water storage system having a pool water cooling system that guides the heat to the heat exchanger and cools it back to the spent fuel storage pool, wherein an evaporation section is immersed in the pool water of the spent fuel storage pool A heat pipe in which a condensing part is positioned above the water surface of the pool water, and a cylindrical body that encloses the condensing part of the heat pipe and in which a flow path for flowing air is formed between the heat pipe and the condensing part. , Characterized by having.
本発明の実施形態によれば、使用済燃料貯蔵プールのプール水と空気との温度差を利用しヒートパイプを用いてプール水を冷却する際に、ヒートパイプの凝縮部と筒状体との間の流路に空気の密度差による上昇流が発生することで、ヒートパイプの凝縮部からの放熱量を増大させることができる。 According to the embodiment of the present invention, when the pool water is cooled using the heat pipe using the temperature difference between the pool water and the air of the spent fuel storage pool, the condensation portion and the cylindrical body of the heat pipe By generating an upward flow due to the difference in air density in the flow path between them, the amount of heat released from the condensing part of the heat pipe can be increased.
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2)
図1は、本発明に係る使用済燃料貯蔵設備の第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設備10は、使用済燃料貯蔵プール11、プール水冷却系としてのプール水冷却浄化系12、ヒートパイプ13及び筒状体14を有して構成される。
Embodiments for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[A] First embodiment (FIGS. 1 and 2)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of a spent fuel storage facility according to the present invention. A spent
使用済燃料貯蔵プール11は、原子力発電所の図示しない原子炉で使用された使用済燃料Aをプール水(冷却水)15中に水没させて、使用済燃料Aの崩壊熱を除去するものである。つまり、使用済燃料貯蔵プール11は、図示しない原子炉建屋に設けられており、プール水15で満たされている。このプール水15中に使用済燃料Aが水没された状態で一旦保管され、この間にプール水15とプール水冷却浄化系12との協働作用により使用済燃料Aの崩壊熱が除熱される。
The spent
プール水冷却浄化系12は、系統配管16にポンプ17、ろ過脱塩装置18及び熱交換器19が順次配設されて構成される。系統配管16は、ポンプ17側の端部がスキマサージタンク20に接続され、熱交換器19側の端部が使用済燃料貯蔵プール11に接続される。
The pool water cooling and
使用済燃料貯蔵プール11内のプール水15は、スキマサージタンク20内に流入した後に、ポンプ17の駆動によりろ過脱塩装置18に導かれて不純物が除去され、次に熱交換器19に導かれて冷却され、その後使用済燃料貯蔵プール11に戻される。熱交換器19の2次系が原子炉機器冷却系(不図示)を経て海水に熱を放熱することで、熱交換器19によりプール水15を介して使用済燃料Aの崩壊熱が除去される。
After the
ヒートパイプ13は、蒸発部21と凝縮部22を有し、使用済燃料貯蔵プール11のプール水15に蒸発部21が浸漬され、凝縮部22がプール水15の水面上方に位置づけられる。ヒートパイプ13は、一般的に、密閉容器内に少量の作動液を真空状態で密閉し、密閉容器の内壁に毛細管構造を備えて構成される。ヒートパイプ13の蒸発部21が加熱されると、作動液は蒸発部21で蒸発し、低温の凝縮部22へ移動して凝縮することにより放熱する。凝縮した作動液は、毛細管現象で蒸発部21へ還流する。このような相変化が連続的に生ずることで熱が移動する。
The
何らかの事情によりプール水冷却浄化系12が故障した場合、使用済燃料貯蔵プール11内のプール水15は、使用済燃料Aの崩壊熱により温度が上昇する。すると、ヒートパイプ13の蒸発部21の内部で作動液が蒸発し、発生した蒸気は、凝縮部22に移動して空気(大気)との温度差により凝縮して液体になり、蒸発部21へ還流する。このように、ヒートパイプ13を用いることによって、使用済燃料貯蔵プール11のプール水15と空気との温度差によって生ずる自然循環により、使用済燃料貯蔵プール11内のプール水15の熱(つまり使用済燃料Aの崩壊熱)が空気へ放熱される。
When the pool water cooling and
しかしながら、使用済燃料貯蔵プール11内のプール水15と空気(大気)との温度差は約30℃と小さいため、プール水15を冷却して使用済燃料Aの崩壊熱を除熱し、プール水15の温度を一定に維持するためには、ヒートパイプ13の凝縮部22と空気(大気)との接触面積が膨大になる。そこで、本実施形態では、ヒートパイプ13の凝縮部22を内包する前記筒状体14が設けられている。
However, since the temperature difference between the
この筒状体14は円筒形状に形成され、その下端部がヒートパイプ13の凝縮部22の周囲を囲むことで凝縮部22を内包し、この凝縮部22との間に空気を流動させる流路23を形成する。この流路23内の空気がヒートパイプ13の凝縮部22からの熱により加熱されることで、流路23の上部領域と下部領域とで空気の密度差が生じ、流路23内に空気の上昇が発生して、ヒートパイプ13の凝縮部22からの放熱量が増大する。
The
ここで、筒状体14の上下方向の長さLは、ヒートパイプ13における凝縮部22の上下方向の長さNの約2倍以上(筒状体14の大型化を避けるために好ましくは約2倍)に設定される。これにより、筒状体14の内側の流路23における上部領域と下部領域とで空気の温度差が大きくなり、この温度差に基づく空気の密度差も大きくなって、流路23内を流れる空気上昇流の流速を増大させることができ、ヒートパイプ13の凝縮部22からの放熱量が増大する。
Here, the length L in the vertical direction of the
また、筒状体14の内面には、図2に示すように、多数の微細突起24が略均一に形成されている。これは、筒状体14の内面で空気の境界層の発達を抑制し、筒状体14の内面による摩擦損失を低減するためである。つまり、筒状体14内の流路23を流れる空気上昇流の流速は、流路23の上部領域と下部領域とで空気の温度差による密度差と、筒状体14内面での摩擦損失とによって決定される。このため、筒状体14の内面に上述の微細突起24を設けることで、上記摩擦損失が低減し、筒状体14の流路23を流れる空気の上昇流速を増大させることが可能になるからである。
Further, as shown in FIG. 2, a large number of
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11のプール水15にヒートパイプ13の蒸発部21が浸漬され、このヒートパイプ13の凝縮部22が筒状体14に内包され、この筒状体14と凝縮部22との間に空気の流路23が形成されている。このため、使用済燃料貯蔵プール11のプール水15と空気との温度差を利用しヒートパイプ13を用いてプール水15を冷却する際に、ヒートパイプ13の凝縮部22と筒状体14との間の流路23に空気の密度差による空気上昇流が発生することで、ヒートパイプ13の凝縮部22からの放熱量を増大させることができる。この結果、ヒートパイプ13を用いたプール水15の冷却効果が向上し、プール水15中に水没した使用済燃料Aの崩壊熱を、全電源が喪失してプール水冷却浄化系12が作動しなくなった場合にも、好適に除去することができる。
With the configuration as described above, the following effects (1) to (3) are achieved according to the present embodiment.
(1) The evaporating
(2)筒状体14の上下方向の長さLがヒートパイプ13における凝縮部22の上下方向の長さNの2倍以上に設定されたので、筒状体14内の流路23における上部領域と下部領域とで空気の温度差による密度差が大きくなり、この流路23を流れる空気の上昇流の流速を増大させることができる。この結果、ヒートパイプ13の凝縮部22からの放熱量が増大して、使用済燃料貯蔵プール11内のプール水15の熱、ひいては使用済燃料Aの崩壊熱の除熱量を増大させることができ、併せてヒートパイプ13の凝縮部22や筒状体14を小型化できる。
(2) Since the vertical length L of the
(3)筒状体14の内面に多数の微細突起24が略均一に形成されたので、この微細突起24により筒状体14の内面に生ずる空気の境界層の発達を抑制でき、筒状体14の内面における摩擦損失を低減できる。これによっても、筒状体14内の流路23を流れる空気の上昇流の流速を増大させることができ、使用済燃料貯蔵プール11のプール水15の熱、ひいては使用済燃料Aの崩壊熱の除熱量を増大でき、併せてヒートパイプ13の凝縮部22や筒状体14の小型化を実現できる。
(3) Since a large number of
[B]第2実施形態(図3)
図3(A)は、本発明に係る使用済燃料貯蔵設備の第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。
[B] Second Embodiment (FIG. 3)
FIG. 3A is a configuration diagram showing a second embodiment of the spent fuel storage facility according to the present invention. In the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified or omitted.
本第2実施形態の使用済燃料貯蔵設備30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11、プール水冷却浄化系12、ヒートパイプ13及び筒状体14のほかに、熱電変換手段としての熱電素子31、送風手段としての送風機32が追加して設けられた点である。
The spent fuel storage facility 30 of the second embodiment differs from the first embodiment in that, in addition to the spent
熱電素子31は、使用済燃料貯蔵プール11内のプール水15中に水没した使用済燃料Aの表面に設置され、この使用済燃料Aの表面とプール水15との温度差によって発電する。また、送風機32は、筒状体14の外側下方に配置され、熱電素子31からの電力により駆動されて筒状体14内の流路23へ空気を強制的に送風し、流路23を流れる空気の上昇流の流量を増大させる。
熱電素子31は使用済燃料Aの上面または側面に接触するように設置されていればよい。例えば、図3(B)に示すカバー33を用いて設置する。カバー33は、一端が閉塞され、軸方向に垂直な断面が四角形の筒状に形成されており、内面に熱電素子31が取り付けられている。熱電素子31は複数であってもよい。このカバーを使用済燃料Aの上端に被せるようにして設置する。なお、閉塞側の面(図3(B)においては上面)には、使用済燃料Aのハンドルと干渉しないように穴33aが設けられている。このような構成により、熱電素子31付きのカバーを、燃料交換機等を用いて使用済燃料A上に吊り降ろすだけで熱電素子31を設置することができる。また、カバー33が使用済燃料Aのハンドルを覆うこともないので、その後のオペレーションを阻害することもない。
さらに、このカバー33が地震による浮き上がりで離脱するのを防止するため、蓋33bを設けてもよい。蓋33bは穴33aをわたるように設けられ、例えばヒンジを用いて上方向には自由に回動するように構成されている。この構成によると、カバー33の設置時は、蓋33bは使用済燃料Aのハンドルによって上に持ち上げられて開き、ハンドルが通過すると重力で閉じる。地震時は、カバー33が浮き上がっても、蓋33bとハンドルが干渉するため、カバー33の離脱には至らない。
また、カバー33に、燃料交換機等で吊り下ろせるよう吊り耳を設けてもよいし、専用の治具を用いて設置するものとしてもよい。
また、上記カバー33を用いることなく、使用済燃料Aのハンドルまたはチャンネルボックス側面の上端から熱電素子31を単に吊り下げて使用済燃料Aの表面に接触させる構成としてもよい。
The
The
Further, a
Further, the
Further, without using the
以上のように構成されたことから、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。 With the configuration as described above, according to the second embodiment, in addition to the same effects as the effects (1) to (3) of the first embodiment, the following effect (4) is achieved.
(4)使用済燃料貯蔵プール11に水没した使用済燃料Aに熱電素子31が設置され、この熱電素子31が発電した電力を用いて送風機32が作動し、筒状体14の流路23へ筒状体14の下方から空気を強制的に送風するので、流路23を上昇する空気上昇流の流量を増大させることができる。この結果、ヒートパイプ13の凝縮部22による放熱効果が促進されて、使用済燃料Aの崩壊熱をより効果的に除熱でき、併せてヒートパイプ13の凝縮部22や筒状体14を小型化できる。
(4) The
[C]第3実施形態(図4)
図4は、本発明に係る使用済燃料貯蔵設備の第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及び第2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。
[C] Third embodiment (FIG. 4)
FIG. 4 is a configuration diagram showing a third embodiment of the spent fuel storage facility according to the present invention. In the third embodiment, the same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified or omitted.
本第3実施形態の使用済燃料貯蔵設備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11、プール水冷却浄化系12、ヒートパイプ13及び筒状体14のほかに、熱電素子31、送風機32及びダクト41が追加して設けられた点である。このうち、熱電素子31は前記第2実施形態と同様である。
The spent
ダクト41は、筒状体14の外側からこの筒状体14の下端部外側を通って筒状体14の内側へ延び、先端に吹出口42が、基端に導入口43がそれぞれ形成されて構成される。吹出口42は、筒状体14の内側で上方に開口して形成され、また、導入口43は、筒状体14の外側に開口される。
The
このダクト41の内部で導入口43付近に送風機32が配置される。この送風機32は、熱電素子31にて発電された電力により駆動し、筒状体14外の空気を導入口43からダクト41内へ導入し、この導入された空気を筒状体14内の流路23へ吹出口42から上方へ向かって噴出させる。
Inside the
ここで、ダクト41の吹出口42は、導入口43よりも開口面積が小さく形成され、吹出口42から噴出する空気の流速が約10m/秒以上の高速になるように吹出口42の開口面積が設定される。このような高速空気が吹出口42から筒状体14の流路23に噴出されることで、流路23の圧力が低下するため、筒状体14の外側下部の空気が筒状体14内に吸引されることになる。この吸引された空気は、ダクト41の吹出口42から噴出する空気流量の数倍の流量となるため、筒状体14の流路23を流れる空気流量を極めて増大させることが可能になる。
Here, the
以上のように構成されたことから、本第4実施形態においても、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。 With the configuration as described above, the fourth embodiment also provides the following effect (5) in addition to the same effects as the effects (1) to (3) of the first embodiment.
(5)筒状体14には、この筒状体14の外側から筒状体14の下端部外側を通って筒状体14の内側へ延びるダクト41が設置される。このダクト41には、筒状体14の内側上方へ開口する吹出口42がダクト41の先端に形成されると共に、ダクト41の基端の導入口43側の内部に送風機32が配置される。この送風機32は、使用済燃料貯蔵プール11内のプール水15中に水没した使用済燃料Aの表面に設置された熱電素子31が発生する電力によって駆動される。
(5) A
このように構成されたことから、送風機32の駆動により、筒状体14の外側の空気がダクト41の吹出口42から筒状体14の流路23へ上方へ向かって噴出することで、この流路23内へ筒状体14の外側下方の空気が、ジェットポンプ作用で大量に吸引される。これにより、流路23を下方から上方へ向かって流れる空気上昇流の流量が極めて大きくなるので、ヒートパイプ13の凝縮部22の放熱効果が著しく向上し、使用済燃料貯蔵プール11内のプール水15の熱、ひいては使用済燃料Aの崩壊熱をより一層好適に除熱でき、併せてヒートパイプ13の凝縮部22や筒状体14の小型化を実現できる。
Since the
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。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the said embodiment, this invention is not limited to this, A component may be variously deformed in the range which does not deviate from the summary, and it covers different embodiment. You may combine a component suitably.
例えば図5に示すように、第3実施形態の使用済燃料貯蔵設備40におけるダクト41の吹出口42内には、この吹出口42の周方向に沿って旋回羽根45が複数枚配列されて、吹出口42から噴出する空気を旋回流にするよう構成されてもよい。これにより、筒状体14の流路23を流れる空気が撹拌されて、ヒートパイプ13の凝縮部22における放熱効果が更に向上する。従って、使用済燃料貯蔵プール11のプール水15の熱、ひいては使用済燃料Aの崩壊熱の除熱をより一層促進でき、併せてヒートパイプ13の凝縮部22や筒状体14を小型化できる。
For example, as shown in FIG. 5, a plurality of
また、第3実施形態の使用済燃料貯蔵設備40において、送風機32はダクト41内ではなく、ダクト41の外側で導入口43付近に配置されてもよい。
Further, in the spent
10 使用済燃料貯蔵設備
11 使用済燃料貯蔵プール
12 プール水冷却浄化系(プール水冷却系)
13 ヒートパイプ
14 筒状体
15 プール水
17 ポンプ
19 熱交換器
21 蒸発部
22 凝縮部
23 流路
24 微細突起
30 使用済燃料貯蔵設備
31 熱電素子(熱電変換手段)
32 送風機(送風手段)
33 カバー
33a 穴
33b 蓋
40 使用済燃料貯蔵設備
41 ダクト
42 吹出口
43 導入口
45 旋回羽根
A 使用済燃料
L、N 長さ
10 Spent
13
32 Blower (Blower means)
33
Claims (8)
ポンプ及び熱交換器を備え、前記ポンプの駆動により前記プール水を前記熱交換器へ導いて冷却させ、前記使用済燃料貯蔵プールへ戻すプール水冷却系と、を有する使用済燃料貯蔵設備において、
前記使用済燃料貯蔵プールの前記プール水に蒸発部が浸漬され、凝縮部が前記プール水の水面上方に位置づけられたヒートパイプと、
前記ヒートパイプの前記凝縮部を内包し、この凝縮部との間に空気を流動させる流路が形成される筒状体と、を有することを特徴とする使用済燃料貯蔵設備。 A spent fuel storage pool that submerges spent fuel in pool water to remove decay heat of the spent fuel;
A spent fuel storage facility comprising: a pump and a heat exchanger; and a pool water cooling system for returning the pool water to the spent fuel storage pool by cooling the pool water by guiding the pool water to the heat exchanger by driving the pump;
A heat pipe in which an evaporating part is immersed in the pool water of the spent fuel storage pool, and a condensing part is positioned above the surface of the pool water;
A spent fuel storage facility comprising: a cylindrical body that encloses the condensing part of the heat pipe and in which a flow path for allowing air to flow is formed between the condensing part.
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