JP7441708B2 - 使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケット - Google Patents

Description

本発明は使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットに関する。

原子力発電所などの原子力施設で発生した使用済核燃料を安全に輸送または貯蔵するために、キャスクと称される容器や、キャニスタと称される容器が用いられる。これらの容器内のキャビティに使用済核燃料を安全に格納するために、バスケットと称されるラック状の構造物が用いられる（特許文献１）。

バスケットには、使用済核燃料を収納するための容器に求められる４つの安全機能であるところの、除熱機能、密封機能、遮蔽機能、未臨界機能のうち、除熱機能および未臨界機能と、これらの機能を維持するための構造強度とが必要である。特に、９．０ｍの高さからの落下という条件下においても、安全機能が損なわれることなく、構造健全性を維持することが求められる。

日本国内においては、バスケット材料として、これまで、熱伝導性と比強度とに優れるアルミニウム合金を採用することが期待されていた。しかし、近年、安全性の観点から、バスケット用アルミニウム合金の規格が廃止された。このため、構造強度部材に炭素鋼またはステンレス鋼を用いたバスケットが検討されたが、使用済核燃料の温度を低下させることを目的として、鋼材に比べて熱伝導率の高いアルミニウム合金を用いたバスケットの開発が依然として望まれている。

特開平１１－２８７８９４号公報

そこで本発明は、バスケットの構造強度における材料強度への依存性を低減して、鋼材や従来のアルミニウム合金に比べてより強度の低い別のアルミニウム合金を用いても、構造健全性を維持できるバスケットを得ることを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットは、
容器内に収容されるバスケットの構造を呈し、
前記バスケットは、容器の内周面に沿って配置される周縁部と、周縁部よりも径方向に沿った内側の位置に配置される中央部とを有し、
周縁部は、周方向に沿って複数のピースに分割され、
各ピースは容器の内周面に面接触した状態で固定されるものであり、
前記周縁部と中央部とは、前記周縁部の内面と中央部の外面とが互いに隙間を保った状態と、前記隙間を保った状態からの中央部の変位により前記周縁部の内面と中央部の外面とが互いに面接触した状態との両方の状態をとることでできるように構成され、
前記周縁部と中央部とは、使用済核燃料を収容する収容孔がそれぞれ形成されていることを特徴とする。

この目的を達成するため、本発明の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットは、容器内に収容されるバスケットの構造を呈し、
前記バスケットは、複数の盤体が上下に積み重ねられた構成であるとともに、使用済核燃料を収容するための第１の空間が上下の盤体にわたって設けられ、かつ中性子吸収体を収容するための第２の空間が上下の盤体にわたって設けられ、
前記バスケットは、容器の内周面に沿って配置される周縁部と、周縁部よりも径方向に沿った内側の位置に配置される中央部とを有し、
周縁部は、周方向に沿って複数のピースに分割され、
各ピースは容器の内周面に面接触した状態で固定されるものであり、
前記周縁部と中央部とは、前記周縁部の内面と中央部の外面とが互いに隙間を保った状態と、前記隙間を保った状態からの中央部の変位により前記周縁部の内面と中央部の外面とが互いに面接触した状態との両方の状態をとることでできるように構成されていることを特徴とする。

本発明の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットによれば、
周縁部を容器の内周面に固定するための固定具を有し、
この固定具は、周方向に隣り合う一方のピースの端部と他方のピースの端部とを容器の内周面に共締めできるように構成されていることが好適である。

本発明の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットによれば、
固定具は、
容器に締結されるように構成されるとともに、
容器に締結されたときに一方のピースの端部を容器の内面に向けて押圧するための一方押圧面と、容器に締結されたときに他方のピースの端部を容器の内面に向けて一方のピースと一緒に押圧するための他方押圧面とを有することが好適である。

本発明の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットは、複数の盤体にわたって上下方向に配置される長尺体にて構成された中性子吸収体を通すことができるスリットを有して、この中性子吸収体の長さ方向に沿った一部分を保持するように構成された第１の盤体と、前記スリットを有さずに、中性子吸収体の長さ方向に沿った他の部分を保持せずに通すように構成された第２の盤体とを有することが好適である。

公知のバスケットは、容器の収容空間よりも小サイズの構造体が容器の内部に収容されるだけの構造であるために、応力が加わった場合には特に外周部分の薄肉部に応力集中が発生する危険性があるが、本発明によると、バスケットは、容器の内周面に沿って配置される周縁部と、周縁部よりも径方向に沿った内側の位置に配置される中央部とを有し、周縁部は、周方向に沿って複数のピースに分割され、各ピースは容器の内周面に面接触した状態で固定されているため、各ピースに薄肉部が存在していても、各ピースは容器の内周面に面接触した状態で固定されているために容器と一体化された状態となっており、したがって応力が加わった場合であっても応力集中の発生を緩和することができる。しかも、周縁部の内面と中央部の外面とは、バスケットが横倒れ状態となったときに互いに面接触するように構成されているため、これによって構造部材を弾性域に保持することができる。したがって本発明の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットによれば、従来よりも構造強度が向上した状態で、熱伝導性の良好なアルミニウム合金を用いることができる。

本発明の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットによれば、従来よりも構造強度を向上させることができる。

本発明の実施の形態の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットの要部の平面図である。 図１における要部を拡大して示す図である。 同バスケットの全体構造を示す図である。 同バスケットにおける一部の盤体の平面図である。 同バスケットにおける要部の断面図である。 図５におけるＶＩ－ＶＩ線に沿った断面図である。 図５におけるＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿った断面図である。 同バスケットを含む容器の状態を示す図である。 本発明の他の実施の形態の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットを含む容器の状態を示す図である。 本発明のさらに他の実施の形態の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットを含む容器の状態を示す図である。

図１において、１１は使用済核燃料を輸送や貯蔵するために収容する容器であり、この容器１１の内部には収容空間１２が形成されている。図示の例では、収容空間１２は円柱状に形成されている。

１３は、使用済核燃料を容器１１の内部に収納するための、本発明の実施の形態のバスケットである。このバスケット１３は、図３に示すように、複数のブロック状の円形の盤体１４が上下に積み重ねられた構成である。盤体１４は、薄手の第１の盤体１５と、第１の盤体１５よりは厚手の第２の盤体１６とを有する。そして、バスケット１３の上端と下端とには、第２の盤体よりもさらに厚手の第３の盤体１７が設けられている。図示は省略するが、複数の盤体１４（１５、１６、１７）は、上下方向のタイロッドなどによって互いに締結されて一体化されている。また、上下に隣り合う盤体１４（１５、１６、１７）どうしは、リーマピンなどによって互いに位置合わせされている。

次に、盤体１４（１５、１６、１７）の詳しい構造について説明する。図１は上端の盤体１７を平面視したときの構造を示す。図示のように盤体１７は、容器１１の内周面１８に沿って配置される周縁部１９と、周縁部１９よりも径方向に沿った内側の位置に配置される中央部２０とを有する。

図示の例では、バスケット１３の周縁部１９は、周方向に沿って４つのピース２２に分割された構成となっている。各ピース２２は、平面視において弓形に形成されて、容器１１の内周面１８に接することができる外側の湾曲面２３と、内側の平面２４とを有する。周方向に沿った４つのピース２２、２２、・・・の平面２４によって、周縁部１９よりも径方向に沿った内側の部分には、平面視で矩形状の収容空間２５が形成される。

周縁部１９を構成する４つのピース２２、２２、・・・は、周方向に沿った各ピース２２、２２どうしの間の位置に設けられた固定具２７によって、それぞれ容器１１の内周面１８に固定されている。図２に詳しく示すように、固定具２７は、固定部材２８がボルト２９によって容器１１側のナット体３０に締結されることで、各ピース２２を容器１１の内周面１８に固定することができる。固定部材２８は、一方押圧面としての一方傾斜面３１と、他方押圧面としての他方傾斜面３２とを有し、周方向に隣り合う一方のピース２２における周方向の端部に形成された一方の被押圧面３３に固定部材２８の一方傾斜面３１が接するとともに、周方向に隣り合う他方のピース２２における周方向の端部に形成された他方の被押圧面３４に他方傾斜面３２が接する。これにより、一方のピース２２における周方向の端部と、他方のピース２２における周方向の端部とを、１つの固定具２７によって共締めできるように構成されている。被押圧面３３、３４はピース２２、２２の平面２４と平行な方向に形成されており、これによって、ピース２２を固定具２７によって容器１１の内周面１８に対し平面２４と垂直な方向に押圧できるように構成されている。すなわち、ピース２２を容器１１の収容空間１２の径方向に沿って収容空間１２の内面に効率よく押圧して固定できるように構成されている。固定部材２８には、固定具２７によってピース２２、２２を容器の収容空間２５の内周面１８に固定したときに一方および他方のピース２２の平面２４と面一になる空間形成面３５、３５がそれぞれ形成されている。各固定部材２８にそれぞれ一対の空間形成面３５、３５が形成されることで、収容空間２５をその隅角部を含めて厳密に矩形状に形成することができる。固定部材２８は、複数積み重ねられる各盤体１５、１６、１７ごとにそれぞれ個別に設けることもできるし、複数の盤体１５、１６、１７にわたって上下方向に連続した長尺体によって構成することもできる。ボルト２９は、その頭部３６が空間形成面３５よりも径方向の内周側に突出しないように、頭部３６が固定部材２８の内部に沈み込んだ状態で締結機能を発揮するように構成されている。

なお、固定具２７の特に断面形状は、ピース２２を適正に容器１１に固定できるものであれば、図示したもの以外の任意の形状とすることもできる。また、図示のような固定具２７を用いなくても、スタッドボルトやその他の締結要素などを用いてピース２２を容器１１に固定することも可能である。

図示のように４つのピース２２、２２、・・・を周方向にわたって設置することで、これらのピース２２、２２、・・・よりも径方向の内側には、前述のように平面視で矩形状の収容空間２５が形成される。この収容空間２５には、バスケット１３の中央部２０が収容される。中央部２０は、平面視で、収容空間２５よりもわずかに小さい矩形状に形成されており、したがって中央部２０は、収容空間２５に収容されたときに、周縁部１９の各ピース２２の平面２５との間にそれぞれ隙間３７を形成することができるように構成されている。

上述のように、複数の盤体１４（１５、１６、１７）は、上下方向のタイロッドなどによって互いに締結されて一体化され、上下に隣り合う盤体１４（１５、１６、１７）どうしは、リーマピンなどによって互いに位置合わせされている。詳細には、上下方向に複数の周縁部１９どうし、すなわち上下方向に複数のピース２２どうしと、上下方向に複数の中央部２０どうしとが、上記した構成によって、互いに固定され、かつ互いに位置合わせされている。なお、場合によっては、各ピース２２の上下方向の寸法と、各中央部２０の上下方向の寸法とを互いに異ならせた構成を採用することも可能である。

各盤体１４（１５、１６、１７）の中央部２０と周縁部１９のピース２２とには、使用済核燃料を収容するための複数の収容孔３８が、これら中央部２０と周縁部１９のピース２２とを上下方向に貫通した状態でそれぞれ形成されている。各収容孔３８は平面視で矩形状に形成されており、上下の盤体１４（１５、１６、１７）にそれぞれ設けられた収容孔３８によって、上下方向に連続した、使用済核燃料のための第１の空間としての収容空間が形成されている。

図４は、第２の盤体１６の部分を平面視した図である。この第２の盤体１６の主要構成は第３の盤体１７と同様であるが、この第２の盤体１６においては、それに加えて、中央部２０と周縁部１９のピース２２とにおいて、収容孔３８のほかに、多数の貯水用孔４０が、高さ方向に貫通した状態で形成されている。図示の例では貯水用孔４０は平面視で矩形状に形成され、図５に示すように上下の盤体１６にそれぞれ設けられた貯水用孔４０によって、上下方向に連続した、第２の空間としての水貯留空間４１が形成されている。貯水用孔４０に水が貯留されることで、水貯留空間４１は、発電所プール内での冠水時において、中性子の減速を目的とした水ギャップとして機能する。

貯水用孔４０には、中性子吸収材４２が配置されている。詳細には、中性子吸収材４２は、たとえばボロン添加アルミ合金材にて形成され、上下の盤体１６、１６にわたって配置される長尺の帯板材にて構成されている。

図５に示すように、第１の盤体１５にも、水貯留空間４１を形成するための貯水用孔４３が形成されている。図５～図７に示すように、中性子吸収材４２は、第２の盤体１６においては、貯水用孔４０を形成するための壁面４４に沿って配置されている。この第２の盤体１６においては、中性子吸収材４２を壁面４４に保持するための特別な手段は設けられていない。これに対し第１の盤体１５においては、横断面矩形状の中性子吸収材４２を上下方向に挿し通すことができるスリット４５が、盤体１６における貯水用孔４０よりも細く形成されかつ盤体１６における貯水用孔４０に連通された貯水用孔４３の近傍に設けられている。

このような構成であることで、中性子吸収材４２は、第１の盤体１５においてはスリット４５に通されることによってこの第１の盤体１５に保持され、第２の盤体１６においては壁面４４に沿って配置されるだけであって、特別な手段を用いて第２の盤体１６に保持されるというものではない。そして、図示のように第２の盤体１６は上下方向に一対の第１の盤体１５、１５どうしの間に３つが設けられているため、結局、中性子吸収材４２は、４つの盤体ごとに設けられた１つのスリット４５だけによって保持されることになる。すると、中性子吸収材４２を保持するためには第１の盤体１５のみにスリットを形成すれば足り、第２の盤体１６にはそのためのスリットを形成する必要がないため、その分だけ、中性子吸収体４２を保持するための構造に掛かるコストを低減することができる。

本発明に係る、使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットは、このような構成であるために、たとえば各盤体１５、１６、１７を構成する周縁部１９のピース２２を固定具２７を用いて容器１１の収容空間１２の内周面１８に固定したうえで、それにより形成される収容空間２５に中央部２０を挿入し、上下の盤体１５、１６、１７どうしを図外のリーマピンにより互いに位置合わせしたうえで図外のタイロッドで締結することで、バスケット１３を構築するとともに。構築されたバスケット１３を容器１１の収容空間２５に収容することができる。

そして、本発明に係る、使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットによれば、周縁部１９のピース２２はその湾曲面２３が容器１１の収容空間１２の内周面に接した状態で容器１１に固定されているため、容器１１にたとえば衝撃的な外力が加わった場合においても、その特に外周部の薄肉部分に応力集中が生じるような事態の発生を効果的に緩和することができる。

使用済核燃料を収容したバスケット１３を保持した容器１１が何らかの原因によってたとえば横向きの姿勢になったときには、収容空間１２の内部のバスケット１３は、図８（ａ）に示す横向きになる前の状態から、すなわちバスケット１３の中央部２０の周囲と周縁部１９の内周との間に全周にわたって隙間３７が形成されていた状態から変位して、図８（ｂ）に示す横向きになった後の状態、すなわち中央部２０における下側となってしまった面が周縁部１９におけるピース２２の平面２４によって形成される内面に全面で一様に面接触する状態に変化する。この全面で一様に面接触した場合においては、使用済核燃料を収容したバスケット１３を保持した容器１１が落下（水平落下、傾斜落下、コーナー落下など）や転倒することによって容器１１の横向きに衝撃荷重などが加わったときであっても、バスケット１３には局所的な応力集中が発生しにくいようにすることができ、バスケット１３の構成材料を概ね弾性域に保持することができる。なお、上記のように一様に面接触してから衝撃を受ける場合に限らず、別の場合として、たとえば衝撃を受ける前に隙間がある状態であったとしても、衝撃を受けた後に面接触する状態に変化することで応力集中の発生を抑制することもできる。

このため本発明によれば、バスケット１３を鋼材などによって構成せずに、それよりも強度の低いアルミニウム合金を用いた場合であっても、バスケット１３に十分な強度を付与することができる。

また使用済核燃料の貯蔵に用いる乾式キャニスタやキャスクのバスケットにアルミニウム合金を用いると、このアルミニウム合金は、設計供用期間である６０年の間、１００～２００℃の温度条件下に曝されることになる。このとき、アルミニウム合金は時効性を持つものが多く、過時効を超過すると機械的強度が低下するおそれがある。このため、貯蔵期間を満了したキャニスタを再処理施設などへ輸送する貯蔵後輸送において過時効を考慮した機械的強度によりバスケットの構造強度およびそれに係る安全機能を評価しなければならない。

本発明の、使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケットによれば、上述のように最適配置により材料強度への依存性を低減させていることから、過時効を超過して機械的強度が低下したアルミニウム合金にてバスケットが構成されていた場合であっても、設計において所要の構造強度を成立させることができる。

上記の実施の形態では、バスケット１３の周縁部１９によって形成される収容空間２５の横断面形状と、バスケット１３の中央部２０の横断面形状とが矩形状であるものについて説明した。しかし、これらの横断面形状は、矩形状に限られるものではなく、容器１１のバスケット１３の中央部２０と周縁部１９とが面接触することで応力集中が発生しにくい構造であれば、任意の形態とすることができる。

たとえば図９に示す他の実施の形態では、中央部２０の外周面５０は複雑な凹凸構造を呈している。収容空間２５の内面もそれに対応した形状である。ただし、凹凸を構成する面は、第１の方向５１を向いた面５２、５２、・・・と、この第１の方向５１とは直角な第２の方向５３を向いた第２の面５４、５４、・・・との２種類の方向の面５２、５４だけて構成されている。このような構成によっても、図９（ａ）に示す通常の起立状態から図９（ｂ）に示す中央部２０の一部分と周縁部１９の一部分とが面接触した状態へ変わることができ、これによって、バスケット１３に応力集中が発生しにくいようにすることができる。図９（ｂ）に示す面接触状態になったときに、中央部２０における一つの面５２、５４のうちに、周縁部１９に接触した部分５６を必要に応じた位置および面積で形成することができる。このように周縁部１９に接触した部分５６を形成することで、発生する応力集中を緩和できるという利点がある。

図１０は、本発明のさらに他の実施の形態を示す。ここでは、中央部２０は八角柱状に形成されている。収容空間２５の内面もそれに対応した形状である。この場合も、図１０（ａ）に示す通常の起立状態から図１０（ｂ）に示す面接触状態になったときには、中央部２０の一部分と周縁部１９の一部分とが必要に応じた面積で面接触することで、バスケット１３に応力集中が発生しにくいようにすることができる。

上述のように、バスケット１３の周縁部１９によって形成される収容空間２５の横断面形状と、バスケット１３の中央部２０の横断面形状とは、図示されたものに限られず、図示されたもののほかに、たとえば横断面三角形状やその他の任意の形状とすることもできる。

１１ 容器
１３ バスケット
１８ 内周面
１９ 周縁部
２０ 中央部
２２ ピース
２５ 収容空間
２７ 固定具
３１ 一方傾斜面（一方押圧面）
３２ 他方傾斜面（他方押圧面）
３８ 収容孔（第１の空間）
４１ 冷却水貯留空間（第２の空間）

Claims (5)

1. 容器内に収容されるバスケットの構造を呈し、
   前記バスケットは、容器の内周面に沿って配置される周縁部と、周縁部よりも径方向に沿った内側の位置に配置される中央部とを有し、
   周縁部は、周方向に沿って複数のピースに分割され、
   各ピースは容器の内周面に面接触した状態で固定されるものであり、
   前記周縁部と中央部とは、前記周縁部の内面と中央部の外面とが互いに隙間を保った状態と、前記隙間を保った状態からの中央部の変位により前記周縁部の内面と中央部の外面とが互いに面接触した状態との両方の状態をとることでできるように構成され、
   前記周縁部と中央部とは、使用済核燃料を収容する収容孔がそれぞれ形成されていることを特徴とする使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケット。
2. 容器内に収容されるバスケットの構造を呈し、
   前記バスケットは、複数の盤体が上下に積み重ねられた構成であるとともに、使用済核燃料を収容するための第１の空間が上下の盤体にわたって設けられ、かつ中性子吸収体を収容するための第２の空間が上下の盤体にわたって設けられ、
   前記バスケットは、容器の内周面に沿って配置される周縁部と、周縁部よりも径方向に沿った内側の位置に配置される中央部とを有し、
   周縁部は、周方向に沿って複数のピースに分割され、
   各ピースは容器の内周面に面接触した状態で固定されるものであり、
   前記周縁部と中央部とは、前記周縁部の内面と中央部の外面とが互いに隙間を保った状態と、前記隙間を保った状態からの中央部の変位により前記周縁部の内面と中央部の外面とが互いに面接触した状態との両方の状態をとることでできるように構成されていることを特徴とする使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケット。
3. 周縁部を容器の内周面に固定するための固定具を有し、
   この固定具は、周方向に隣り合う一方のピースの端部と他方のピースの端部とを容器の内周面に共締めできるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケット。
4. 固定具は、
   容器に締結されるように構成されるとともに、
   容器に締結されたときに一方のピースの端部を容器の内面に向けて押圧するための一方押圧面と、容器に締結されたときに他方のピースの端部を容器の内面に向けて一方のピースと一緒に押圧するための他方押圧面とを有することを特徴とする請求項３記載の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケット。
5. バスケットは、複数の盤体にわたって上下方向に配置される長尺体にて構成された中性子吸収体を通すことができるスリットを有して、この中性子吸収体の長さ方向に沿った一部分を保持するように構成された第１の盤体と、前記スリットを有さずに、中性子吸収体の長さ方向に沿った他の部分を保持せずに通すように構成された第２の盤体とを有することを特徴とする請求項２記載の使用済核燃料を容器内に収納するためのバスケット。

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