JP2018533000A - 核燃料集合体を貯蔵及び／又は輸送するための改善された貯蔵装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１及び第２の凹部（２）を画定する分離隔壁（９）によって画定された凹部（２）を有する、核燃料集合体を貯蔵しかつ／又は輸送するための貯蔵装置に関し、隔壁が、−第１及び第２の凹部を画定し、中性子吸収要素を含まないアルミニウム合金材料で作成され、間に第１の壁間空間（２８）を画定する２つの第１壁（２２）と、−第１の空間（２８）内に配置され、中性子吸収要素を含む物質から作成された２つの第２壁（３０）であって、各第２壁（３０）の内側面（３６）と外側面（３４）との間の距離が厚さ（ｅ２）を定義し、距離（Ｅ）が各第２壁の外側面（３４）と中央隔壁平面（２０）との間に定義され、前記値が、条件０．１≦ｅ２／Ｅ≦０．４３を満たす。

Description

本発明は、放射線を照射でき（ＵＯ２又はＭＯＸ燃料の場合）又はＭＯＸ燃料のときは放射線を照射できないＰＷＲ（加圧水型原子炉）型核燃料集合体の貯蔵及び／又は輸送の分野に関する。

そのような装置は、貯蔵「バスケット」又は「ラック」とも呼ばれ、核燃料集合体をそれぞれ収容可能な複数の隣接ハウジングを備える。

この貯蔵装置は、パッケージのキャビティ内に収容されるものであり、後で概説される３つの必須機能を同時に満たしうるように設計される。

これらは、第１に、燃料集合体によって放出される熱の熱伝達機能である。一般に、アルミニウム又はその合金が、その適切な熱伝導率のために使用される。

第２の機能は、中性子吸収と、燃料集合体が装架されたときの貯蔵装置の未臨界状態を維持する不安要素とに関する。これは、ホウ素などの中性子吸収物質を使用して行われる。更に、未臨界状態は、水が充填される可能性のある空間（例えば、貯蔵装置のハウジングを構成する隔壁のすぐ内側に）を提供することによっても保証されうる。

最後に、第３の必須機能は、装置の機械的強度に関し、これは、主に、最もよく鋼で作成される構造要素の存在によって保証される。装置全体の機械的強度が、核物質を輸送／一時的に貯蔵するための法的安全要件（詳細には、いわゆる「自由落下」試験に関する）に適合しなければならないことに注意されたい。

特許文献１及び２では、機能の幾つかが解離元素によって個々に保証される貯蔵バスケットが開示されている。これらの文献によって示唆された解決策では、隔壁ごとに、アルミニウムを主体とする外壁の厚さは、十分な熱伝導性を達成するように設定される。両方の外壁のこの厚さは、隔壁の全厚さに依存し、その全厚さは、このパッケージのキャビティの所定容積内にできるだけ多くの燃料集合体を収容するために、パッケージ稠密さを達成するように予め決定される。

次に、特許文献２に記載されたような設計の場合、アルミニウム壁間にある中性子吸収物質の壁の厚さと、これらの壁の中性子吸収要素の含有率とが決定される。目的は、バスケット及び燃料集合体が入れられるパッケージによって構成されたパックの未臨界状態を確認することである。調査基準は、通常、０．９５以下の臨界係数Ｋ_ｅｆｆ＋３σである。

これらの厚さを決定するため、計算は、パッケージが水中装架構成の場合を考慮する。バスケットのハウジング内に存在する水は、パック内の反応性を高める。しかし、隔壁に備えた中性子吸収物質の壁の間に水が導入されたとき、中性子吸収要素の効率を改善でき、したがって集合体間の中性子相互作用を低減できる。それにより、隔壁は、ハウジング間で中性子遮断の役割を果たす。

しかしながら、既存の解決策では、全体的な質量及びコストの点で満足な妥協案を得る寸法を見つけるのは複雑であることが分かる。実際には、中性子吸収物質の壁の厚さを増大することは、それらの壁内の中性子吸収要素の含有率を減らし、したがってそのコストを削減するための解決策となる。しかしながら、これは、未臨界基準を満たすために必要な中性子吸収要素の含有率をあまり減少させず、バスケットの全質量にかなり有害である。中性子吸収要素の十分な含有率を達成するには、過大な寸法の壁厚を提供しなければならず、これはパッケージ運用要件に適合しない。

仏国特許第２ ８７２ ９５５号 仏国特許第２ ６５０ １１３号

したがって、本発明は、先行技術の実施形態に関連する前述の欠点を少なくとも部分的に克服する目的を有する。

これを行うため、本発明は、ＰＷＲ型核燃料集合体を一時的に貯蔵しかつ／又は輸送するための貯蔵装置を提供する目的を有し、前記装置は、パッケージのキャビティ内に収容されるように意図され、核燃料集合体をそれぞれ収容するように意図された複数の隣接ハウジングを備え、前記ハウジングは、分離隔壁によって区分され、分離隔壁の少なくとも１つは、その両側で燃料集合体の第１のハウジングと第２のハウジングを区切る。

本発明によれば、前記隔壁は、
−外側面によって、前記第１及び第２のハウジングをそれぞれ部分的に区切る２つの第１壁であって、両方の第１壁が中性子吸収要素を含まないアルミニウム合金の第１の物質で作成され、両方の第１壁がその間に第１の壁間空間を区切る第１壁と、
−第１の壁間空間内に配置され、中性子吸収要素を含みかつ第１の物質とは異なる第２の物質で作成された２つの第２壁であって、各第２壁が、両方の第１壁の一方に面する外側面と、両方の第２壁の両方の内側面が対向しその間に第２の壁間空間を区切るように配置された内側面とを有し、各第２壁の内側面と外側面の間の距離が厚さｅ２を定義し、距離Ｅが、各第２壁の外側面と第１及び第２壁に平行な中央隔壁平面との間に定義され、厚さｅ２と距離Ｅが以下の条件を満たす第２壁とを有する。
０．１≦ｅ２／Ｅ≦０．４３

驚いたことに、この特定の寸法は、満足できる未臨界機能を保証でき、同時に、
−動作要件を満たすのに有益であることが分かっている第２壁の体積／質量を制限し、
−第２の物質中の中性子吸収要素の体積含有率を制限し、従って、第２壁の購入コスト／生産コストを制限し、
−実質的な経済的節約のための中性子吸収要素の総量を制限し、
−やはり経済的節約をもたらす構成要素を認定する困難さを制限し、
−産業界で慣例的で共通の要素である第１壁のコストを制限し、
−中性子吸収要素を含まないことによる第１壁の適切な熱伝達特性の達し難さを制限する。

換言すると、本発明は、前述の利点を全て達成可能にする制限された隔壁寸法範囲の存在を示す。この点において、装架／非装架状態で第２の壁間空間内に導入されるように意図されたウォータギャップ内にある水素原子（この原子は中性子減速に直接寄与する）の量と、ウォータギャップによって緩和された後で中性子を吸収するための第２壁内の中性子吸収要素の量との間に強い相互作用があることが知られている。しかしながら、先行技術の要素は、課された全ての基準を十分に満たすそのような狭い寸法範囲の存在を予測できない。

他方、本発明は、単独又は組み合わせで使用される以下の省略可能な特徴のうちの少なくともいずれかを有する。

より効率的な妥協を得るために、厚さｅ２と距離Ｅは、以下の条件を満たす。
０．１５≦ｅ２／Ｅ≦０．３２

距離Ｅは、２０〜３０ｍｍである。

第２の物質は、他の中性子吸収要素を意図できる場合でも、本発明の範囲から逸脱することなしに、ホウ素とカドミウムから選択された中性子吸収要素を含む。

各第２壁は、例えば第１壁の内側面に付着された被覆の形をとる第１の関連壁に押し付けられる。

あるいは、各第２壁と第１の関連壁との間に間隙Ｊが存在し、間隙Ｊは１〜５ｍｍである。この値範囲は、パッケージが空にされた後で２つの壁の間を乾燥させるための効率を提供する。

貯蔵装置は、４〜２４個の間の幾つかのハウジングを有し、各ハウジングは、核燃料集合体を収容するように意図される。

ハウジングの少なくとも１つは、四辺形断面を有する。

前記隔壁のうちの少なくとも幾つかは、切欠付き構造組立体を使用して作成され、構造組立体は、ハウジングの軸に平行な積み重ね方向に沿って組み合わされ積み重ねられる。

あるいは、前記隔壁のうちの少なくとも幾つかが、前記ハウジングのうちの１つをそれぞれ内部に画定する管状要素を使用して部分的に作成され、これらの管状要素の壁が、隔壁の前記第１壁を構成する。この選択肢では、第２壁は、管状要素に外部から固定される。

本発明は、また、ＰＷＲ型核燃料集合体を一時的に貯蔵しかつ／又は輸送するためのパッケージを提供する目的を有し、このパッケージは、前述のような貯蔵装置が収容されるキャビティを有する。

最後に、本発明は、そのようなパッケージ並びにこのパッケージの貯蔵装置のハウジング内に配置された燃料集合体を含むパックを提供する目的を有する。

本発明の更に他の利点及び特徴は、以下の非限定的な詳細な説明で明らかになる。この説明は、添付図面に関して行われる。

本発明による核燃料集合体を一時的に貯蔵しかつ／又は輸送するための貯蔵装置の斜視図である。 図１の横断面Ｐに沿って得られた部分断面図である。 図２に示された貯蔵装置の隔壁の横断面図である。 隔壁の第２壁中の炭化ホウ素の含有率を、その第２壁と関連付けられた寸法比率の関数として示す３つの曲線を含むグラフである。 貯蔵装置の隔壁の第１の可能な設計を示す図である。 貯蔵装置の隔壁の第１の可能な設計を示す図である。 貯蔵装置の隔壁の第２の可能な設計を表す図である。

図１と図２を参照すると、ＰＷＲ型照射核燃料集合体（図示せず）を輸送及び／又は一時的に貯蔵するために、パッケージ（図示せず）のキャビティ内に入れられるように提供された貯蔵装置１が表わされる。従来、パッケージが貯蔵装置１を収容し、それに照射済み燃料集合体が装架されるとき、これらの要素の全てがパックを構成し、これも本発明の目的である。

図１と図２に見えるように、貯蔵装置１は、並列に配置された複数の隣接ハウジング２を備え、ハウジング２はそれぞれ縦軸４に沿って延在する。ハウジング２はそれぞれ、少なくとも１つの正方形断面の燃料集合体を、好ましくは１つ収容する。ハウジングは、４〜２４個の数（例えば、図１にあるように１２個）で提供される。

したがって、ハウジング２は、互いに並置されるように提供される。ハウジング２は、軸４と平行で、かつ底と蓋を通るパッケージの縦軸とも平行な複数の分離隔壁９，１１によって作成される。隔壁９，１１は、好ましくはハウジング２の縦軸４と平行な積み重ね方向８に沿って積み重ねられた、切欠付き構造組立体６ａ，６ｂを使用して構成される。慣例により、記述の以下の部分では、「高さ」の概念は積み重ね方向８と関連付けられると仮定される。

隔壁９，１１は、互いに平行及び垂直に配置され、その結果、組立体６ａは、互いと平行に配置され、組立体６ｂは、互いに平行であるが組立体６ａに対して垂直に配置される。

構造組立体６ａ，６ｂが、積み重ね方向８に沿って積み重ねられたとき、それにより得られた隔壁９，１１は一緒に、実質的に正方形の横断面を有するハウジング２をそれぞれ区切る。当然ながら、ハウジング２は、六角形などの様々な形状の燃料集合体を保持可能にする任意の他の形状を有しうる。

ハウジング２が正方形断面のものである図１と図２に表わされた貯蔵装置１では、構造組立体６ａは、方向１０に平行な分離隔壁９を構成し、構造組立体６ｂは、方向１２に平行な分離隔壁１１を構成し、方向８、１０及び１２は互いに垂直である。

好ましくは、組立体６ａ，６ｂはそれぞれ、固定された２つの周囲隔壁１４の間に延在し、これらの周囲隔壁１４は、貯蔵装置１を横で閉じることを可能にする。示された例によって表されたように、これらの周囲隔壁１４は、４個提供されてもよく、それぞれ装置１の全高さに延在し、この装置１の周辺ハウジング２を部分的に区切る。

他方、上記から明らかなように、隔壁９，１１は、隔壁の両側に幾つかのハウジング２を区切ることに関係する。これに関して、図３は、分離隔壁９のうちの１つの一部分を示し、分離隔壁９はその両側で第１のハウジング２と第２のハウジング２を区切り、その２つの軸４は、隔壁９の平面に直交する疑似平面内にある。図３に２つのハウジング２だけが表わされているが、前述されたように、この隔壁９が、好ましくは、その両側に１つ以上の他のハウジング２を区切るために提供されることを理解されたい。次に、図３の隔壁９について詳細に述べ、他の隔壁９及び前述の隔壁１１が、同一又は類似の設計を有すると見なされる。

隔壁９は、図１の横断面Ｐに直交する正中面２０に沿って対称性を有する。この平面２０の各側で、隔壁９は、正中面２０に平行な第１壁２２を有し、外側面２４及び内側面２６を備える。外側面２４は、関連ハウジング２を部分的に区切り、両方の壁２２の２つの内側面２６は、その間に第１の壁間空間２８を区切る。

第１壁２２は、中性子吸収要素を含まないアルミニウム合金で作成される。中性子吸収要素は、熱中性子に対して１００バーンを超える有効断面積を有する要素を意味する。例を示すと、これは、ホウ素、ガドリニウム、ハフニウム、カドミウム、インジウムなどを含まないアルミニウム合金である。

したがって、切欠付き組立体が積み重ねられ組み合わされた設計の場合、各第１壁２２は、装置１の高さ方向に沿って細分される。

各第１壁２２の厚さｅ１は、例えば５〜２５ｍｍであり、両方の外側面２４を隔てる距離「ａ」は約４０〜１００ｍｍであり、両方の内側面２６を隔てる距離「ｄ」は約３０〜６０ｍｍである。

第１の壁間空間２８では、各第１壁２２と、正中面２０と平行な第２壁３０とが関連付けられる。各壁３０は、外側面３４及び内側面３６を有する。外側面３４は、その第１の関連壁の内側面２６に面し、両方の内側面３６は、向かい合い、その間に第２の壁間空間３８を区切る。

第２壁３０は、中性子吸収要素（例えば、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）を含む合金、好ましくはアルミニウムを主体とした合金）を含む第２の物質で作成される。

切欠き組立体が積み重ねられ組み合わされた設計の場合、第２壁２２はそれぞれ、装置１の高さ方向に沿って細分される。

図３に示された実施形態では、内側面２６とそれに面する外側面３４の間に間隙Ｊが提供される。この間隙Ｊは、パッケージが空にされた後で、両方の壁２２，３０の間に適切な乾燥効率を提供するように、例えば１〜５ｍｍである。あるいは、第２壁３０は、水浸潤を制限するために、その第１の関連壁の内側面２６に押し付けられてもよい。これを行うために、例えば、第２壁３０が内側面２６に付着させる被覆の形をとるように、第２壁３０を第１壁２２に付着させる技術が実施されてもよい。例えば、これは、中性子吸収要素を含む粒子充填金属マトリクスを含む複合物でよい。

各第１壁２２の厚さｅ２は、例えば２〜１０ｍｍであり、外側面３４と正中面２０を隔てる距離「Ｅ」は、例えば１５〜４０ｍｍであり、更に好ましくは２０〜３０ｍｍである。

本発明の１つ特徴は、条件０．１≦ｅ２／Ｅ≦０．４３、より好ましくは０．１５≦ｅ２／Ｅ≦０．３２を満たすような厚さｅ２と距離Ｅの寸法の選択にあり、これは、Ｅが２３．５ｍｍであり、Ｋｅｆｆ＋３σのｅ２値が、２５％の炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）の最大含有率で満たされる場合に対応する。

実際に、これらの範囲の寸法比率によって、コスト、質量及び未臨界基準を満足させる隔壁が有利に得られることが分かった。

次に図４を参照すると、曲線（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）が、比率ｅ２／Ｅの関数として、値０．９５の臨界係数Ｋｅｆｆ＋３σを達成するのに必要なアルミニウム合金中の炭化ホウ素の体積含有率を表すグラフが示される。

曲線（ａ）では、距離Ｅが２３．５ｍｍに設定され、曲線（ｂ）では、距離Ｅが２０ｍｍに設定され、曲線（ｃ）では、距離Ｅが３０ｍｍに設定される。

驚いたことに、これらの曲線は、ｅ２／Ｅ比率が０．１〜０．４３の場合に、未臨界基準を満たすのに十分な炭化ホウ素の体積含有率が２６％を超えないことを示し、これにより、第２壁３０を適切なコストで製造できる。

更に、驚いたことに、これらの曲線は、未臨界基準を満たす最小含有率が、Ｅ値に関係なく同一のｅ２／Ｅ比率に対応することを示し、この最適比Ｒｏｐは実質的に０．２３である。したがって、３つの曲線は、炭化ホウ素の含有率に対応する縦座標軸に沿って軸方向にずらされる。Ｅ値が高いほど炭化ホウ素の必要体積含有率が低くなり、その逆もそうである。

この含有率は、ｅ２／Ｅ比率が０．２３でかつＥ値が２０を超えるときに約２５％に減少する。

Ｅ値が２３．５ｍｍ以上の場合、この含有率は、ｅ２／Ｅ比率が０．２〜０．２５に設定されたときに２３％未満に減少される。

次に図５ａと図５ｂを参照すると、隔壁９，１１を構成するための組立体６ａ，６ｂが、組み立て時の２つの別個の構成で示される。これら組立体６ａ，６ｂはそれぞれ、２つの第２壁３０を隔てるスペーサ４０を有する。組立体は、ＦＲ ２ ８７２ ９２２に記載されたように積み重ねと組み合わせによる組み立てを可能にするために、第１壁２２に作成された切欠き４２を備える。更に、第２壁３０が、各組立体６ａ，６ｂに沿って中断されるように組み合わせ部分で延在しないことが示される。これにより、組み合わされた領域に低い臨界係数しかないときに未臨界基準を危うくすることなく、経済的節約を行える。

図６に示された別の実施形態によれば、正方形横断面の管状要素５０が提供され、各管状要素５０が、ハウジング２の１つを画定する。管状要素５０の４つの壁の全て又は幾つかだけが、第１壁２２を構成し、第１壁２２は、外側が第２壁３０で被覆される。それにより、隔壁９は、２つの隣接管５０の対向部分によって構成される。

当然ながら、単に非限定的な例として前述された貯蔵装置１に対して、当業者によって様々な修正が提供されうる。

１ 貯蔵装置
２ ハウジング
９ 分離隔壁
２０ 正中面、中央隔壁平面
２２ 第１壁
２８ 壁間空間
３０ 第２壁
３４ 外側面
３６ 内側面

Claims (13)

1. ＰＷＲ型核燃料集合体を一時的に貯蔵しかつ／又は輸送するための貯蔵装置（１）であって、前記装置が、パッケージのキャビティ内に収容されるように意図され、核燃料集合体を収容するようにそれぞれ意図された複数の隣接ハウジング（２）を有し、前記ハウジング（２）が、分離隔壁（９，１１）によって区切られ、前記分離隔壁（９，１１）のうちの少なくとも１つがその両側で、第１及び第２のハウジング（２）を区切る貯蔵装置（１）であって、
   前記隔壁（９，１１）が、
   −外側面（２４）によって、前記第１及び第２のハウジング（２，２）をそれぞれ部分的に区切る２つの第１壁（２２）であって、両方の第１壁（２２）が、中性子吸収要素を含まないアルミニウム合金の第１の物質で作成され、両方の第１壁が、その間に第１の壁間空間（２８）を区切る第１壁と、
   −前記第１の壁間空間（２８）内に配置され、中性子吸収要素を含みかつ前記第１の物質とは異なる第２の物質で作成された２つの第２壁（３０）であって、各第２壁が、両方の第１壁（２２）のうちの１つに面する外側面（３４）と、両方の第２壁の内側面（３６）が対向しその間に第２の壁間空間（３８）を区切るように配置された内側面（３６）とを有し、各第２壁（３０）の前記内側面（３６）と前記外側面（３４）の間の距離が、厚さ（ｅ２）を定義し、距離（Ｅ）が、各第２壁の前記外側面（３４）と、前記第１及び第２壁（２２，３０）に平行な中央隔壁平面（２０）との間に定義された第２壁とを備え、
   また、前記厚さ（ｅ２）と前記距離（Ｅ）が、以下の条件を満たすことを特徴とする貯蔵装置（１）。
   ０．１≦ｅ２／Ｅ≦０．４３
2. 前記厚さ（ｅ２）と前記距離（Ｅ）が、以下の条件を満たす、請求項１に記載の貯蔵装置。
   ０．１５≦ｅ２／Ｅ≦０．３２
3. 前記距離（Ｅ）が、２０〜３０ｍｍである、請求項１又は請求項２に記載の貯蔵装置。
4. 前記第２の物質が、ホウ素とカドミウムから選択された中性子吸収要素を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の貯蔵装置。
5. 各第２壁（３０）が、前記第１の関連壁（２２）に押し付けられ、例えば前記第１壁（２２）の前記内側面（２６）に付着された被覆の形を取る、請求項１〜４のいずれかに記載の貯蔵装置。
6. 各第２壁（３０）と前記第１の関連壁（２２）との間に間隙（Ｊ）が存在し、前記間隙（Ｊ）が１〜５ｍｍである、請求項１〜４のいずれかに記載の貯蔵装置。
7. ４〜２４個の間の幾つかのハウジング（２）を有し、各ハウジングが、核燃料集合体を収容するように意図された、請求項１〜６のいずれかに記載の貯蔵装置。
8. 前記ハウジング（２）の少なくとも１つが、四辺形断面を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の貯蔵装置。
9. 前記隔壁（９，１１）のうちの少なくとも幾つかが、切欠付き構造組立体（６ａ，６ｂ）を使用して作成され、前記構造組立体が、前記ハウジング（２）の軸（４）に平行な積み重ね方向（８）に沿って組み合わされ積み重ねられた、請求項１〜８のいずれかに記載の貯蔵装置。
10. 前記隔壁（９，１１）のうちの少なくとも幾つかが、前記ハウジング（２）のうちの１つをそれぞれ内部で画定する管状要素（５０）を使用して部分的に作成され、これらの管状要素の壁が、前記隔壁（９，１１）の前記第１壁（２２）を構成する、請求項１〜８のいずれかに記載の貯蔵装置。
11. 前記第２壁（３０）が、前記管状要素（５０）に外部から固定された、請求項１０に記載の貯蔵装置。
12. ＰＷＲ型核燃料集合体を一時的に貯蔵しかつ／又は輸送するためのパッケージであって、請求項１〜１１のいずれかに記載の貯蔵装置が収容されるキャビティを含むパッケージ。
13. 請求項１２に記載のパッケージ並びにこのパッケージの前記貯蔵装置の前記ハウジング内に配置された燃料集合体とを含むパック。

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