特許 7479379 デブリフリーコンポーネント処理システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-25

(45)【発行日】2024-05-08

(54)【発明の名称】デブリフリーコンポーネント処理システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/322 20060101AFI20240426BHJP

   G21C 19/18 20060101ALI20240426BHJP

   G21C 15/18 20060101ALI20240426BHJP

   G21C 3/336 20060101ALI20240426BHJP

【ＦＩ】

G21C3/322

G21C19/18

G21C15/18 E

G21C3/336

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2021538366

(86)(22)【出願日】2019-12-31

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-02-21

(86)【国際出願番号】 US2019069074

(87)【国際公開番号】W WO2020142493

(87)【国際公開日】2020-07-09

【審査請求日】2022-12-02

(31)【優先権主張番号】16/237,628

(32)【優先日】2018-12-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】301068310

【氏名又は名称】グローバル・ニュークリア・フュエル・アメリカズ・エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】110002516

【氏名又は名称】弁理士法人白坂

(74)【代理人】

【識別番号】100186831

【弁理士】

【氏名又は名称】梅澤 崇

(72)【発明者】

【氏名】シュルツ，ブレット・エム

(72)【発明者】

【氏名】ウェバー，デビット・ダブリュー

【審査官】小林 幹

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－２１２０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－１１４７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１５００７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２１５１６４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５２－０５１４２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｃ ３／００－３／６４

Ｇ２１Ｃ １９／１８

Ｇ２１Ｃ １５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体により冷却又は減速される原子炉に設置されるコンポーネントを取り扱うシステムであって、
原子炉コンポーネントと、
前記原子炉コンポーネントに固定され、ポリウレタンおよびポリエステルのうちの少なくとも１つから製造され、前記液体に可溶であるパッケージコンポーネントと、
を備えるシステム。

【請求項2】

前記原子炉コンポーネントは、格子状に配置された複数の核燃料棒と、前記核燃料棒が通過する複数の開口を有するスペーサと、前記スペーサ及び前記核燃料棒を囲む流路とを有する核燃料アセンブリであり、前記パッケージコンポーネントは、前記核燃料アセンブリの流路を直接遮断することを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記パッケージコンポーネントは、前記核燃料アセンブリにおけるクッション及びキャップの少なくとも一方であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記パッケージコンポーネントは、前記核燃料アセンブリにおける前記スペーサと前記流路との間に固定されたクッションと、前記核燃料アセンブリにおけるウォーターロッドの端部に固定されたキャップであり、前記ウォーターロッドは、前記核燃料アセンブリを通過して、前記核燃料アセンブリを通して前記液体を流すことを特徴とする請求項３のシステム。

【請求項5】

前記パッケージコンポーネントは、前記液体に可溶な接着剤を介して前記原子炉コンポーネントに直接接合されていることを特徴とする請求項１のシステム。

【請求項6】

前記パッケージコンポーネントは、ポリカプロラクトンから製造されることを特徴とする請求項１のシステム。

【請求項7】

前記パッケージコンポーネントは、前記液体が１００℃になるまでは不溶であることを特徴とする請求項１のシステム。

【請求項8】

前記パッケージコンポーネントは、前記原子炉コンポーネント内の２つの構造物の間に位置するクッションと、前記原子炉コンポーネント内の開管路の端部を封止するキャップとを含むことを特徴とする請求項１のシステム。

【請求項9】

前記パッケージコンポーネントは、熱中性子断面積が１バーン（１０^－２８ｍ^２）を超えるハロゲン化物または元素を含まないものであることを特徴とする請求項１のシステム。

【請求項10】

前記液体は、脱イオン軽水であることを特徴とする請求項１のシステム。

【請求項11】

パッケージングされた核燃料アセンブリであって、格子状に配列された複数の核燃料棒と、前記核燃料棒が通過する複数の開口を有するスペーサと、前記スペーサ及び前記核燃料棒を囲む流路と、
前記スペーサと前記流路との間に固定されたクッションを含み、水に可溶であり、前記核燃料アセンブリの運搬用であるパッケージと、
を備えるアセンブリ。

【請求項12】

前記核燃料棒の間を延びるウォーターロッドを備え、前記ウォーターロッドは、前記核燃料アセンブリを通過して、前記核燃料アセンブリを通して前記水を流し、前記パッケージは、前記ウォーターロッドの端部に固定されて、溶解するまで前記ウォーターロッドへの流れを阻止するキャップを備える、請求項１１に記載のアセンブリ。

【請求項13】

前記パッケージは、前記水に可溶な接着剤を用いて前記核燃料アセンブリに直接接合されていることを特徴とする請求項１１に記載のアセンブリ。

【請求項14】

前記パッケージは、ポリウレタン、多糖類、成形可能なプラスチック、ポリエステル及びこれらの組み合わせのみからなることを特徴とする請求項１１のアセンブリ。

【請求項15】

前記パッケージは、前記水が１００℃になるまでは不溶であることを特徴とする請求項１１のアセンブリ。

【請求項16】

前記パッケージは、熱中性子断面積が１バーン（１０^－２８ｍ^２）を超えるハロゲン化物又は元素を含まないことを特徴とする請求項１１に記載のアセンブリ。

【請求項17】

液体により冷却又は減速される原子炉に設置するためのコンポーネントの処理方法であって、
ポリウレタンおよびポリエステルのうちの少なくとも１つから製造されるとともに前記液体に可溶であるパッケージコンポーネントを原子炉コンポーネントに固定する工程と、
前記パッケージコンポーネントが固定された前記原子炉コンポーネントを前記原子炉の現場に送る工程と、
を含む方法。

【請求項18】

前記原子炉コンポーネントを前記現場で前記液体中に浸漬することにより、前記パッケージコンポーネントを溶解させる工程と、を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記原子炉コンポーネントが格子状に配置された複数の核燃料棒と、前記核燃料棒が通過する複数の開口を有するスペーサと、前記スペーサ及び前記核燃料棒を囲む流路とを有する核燃料アセンブリであり、前記液体が脱イオン軽水であり、前記パッケージコンポーネントは溶解するまで核燃料アセンブリ内の流路を直接遮断し、前記固定する工程は、前記脱イオン軽水に可溶な接着剤で前記パッケージコンポーネントを前記核燃料アセンブリに直接接合することを含む、請求項１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

デブリフリーコンポーネント処理システム及び方法

【背景技術】

【0002】

図1は、従来の原子炉燃料アセンブリ10を世界中で発電に使用した例を示す図である。原子炉には、複数の燃料アセンブリ10が原子鎖反応を維持するように近接して配置されている。従来、流体減速材及び/又は冷却材は、燃料アセンブリ10を長さ方向（軸方向）に通過するため、アセンブリ10からの連鎖反応及び/又は熱の伝達が促進される。

【0003】

図1に示すように、燃料アセンブリ10は、アセンブリ10内において、軸方向に延びる複数の燃料棒14を備えている。燃料棒14は、下部タイプレート16に着座し、燃料アセンブリ10の端部の上部タイプレート17に上方に延びていることが多い。燃料棒14は、アセンブリ10の外部を構成する流路12によって囲まれており、アセンブリ10内の流体の流れを、アセンブリ10の軸方向の全長に亘って維持している。従来の燃料アセンブリ10は、種々の軸方向位置に1つ以上の燃料スペーサ18を備えていてもよい。燃料スペーサ18は、スペーサ18のグリッド開口を燃料棒14が通過することにより、燃料棒14の位置合わせ及び間隔を調整する。ウォーターロッド19は、アセンブリ10に所望の大きさの減速材または冷却材を流すために設けられていてもよい。

【0004】

プラント製造時や保守・給油時の停電時には、1つ以上のアセンブリ10が原子炉心内に設置・移動・除去される。典型的には、幾つかの新しい燃料アセンブリ10が、この間に追加投入される前にプラント内に収容される。なお、新燃料アセンブリ10は、燃料造形装置からレール、積荷、その他の移送手段によって出荷されてもよく、典型的には、植物から必ず離れた数箇所のみで出荷されてもよい。アセンブリ10を受け取ったアセンブリ10は、メンテナンス期間中に反応器内に移動する前に、未包装、検査済み、燃料プール等の一時保管庫内に移動する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態には、原子炉コンポーネントのパッケージ構造及びシステムが含まれる。パッケージは、輸送用のコンポーネントに固定化した後、コンポーネントを設置した際に原子炉の冷却材や減速材に溶解させることができる。コンポーネントは、液体冷媒に晒される反応器や燃料プールにおいて、どのような構造であってもよいし、いずれの構造であってもよい。パッケージは、必ずしも除去する必要がなく溶解するため、コンポーネント間で流路や遮断路に設置してもよいし、コンポーネント間の空間に侵入しにくいようにしてもよい。例えば、アセンブリの燃料アセンブリスペーサと流路との間にパッディング状にパッケージングしてもよいし、アセンブリの水ロッドに着座した流動規制部としてもよい。また、コンポーネントに対するパッケージを保持するために、摩擦材や可溶の接着剤を用いてもよく、パッケージやコンポーネントに直接接着剤を塗布してもよい。また、冷却材としてイオン交換水を用い、減速材、ポリウレタン、寒天等の多糖類、ゲル、PVA等のプラスチックを用いた軽水炉の場合は、水に溶解するものを用いることができる。あるいは、100℃以上の動作温度等の溶解性に必要な温度が高い材料を用いて、浸漬されたコンポーネントに代えて、操作を行うまでのパッケージングを行ってもよい。また、実施の形態は、添付図面を参照しながら詳細に説明されるが、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】従来の核燃料アセンブリの一例を示す図である。

【図2】核燃料アセンブリに用いられる可溶性クッションの一例を示す図である。

【図3】核燃料アセンブリに用いられる可溶性キャップの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

これは、特許文献であるため、一般的には、読み出し時に構築の広いルールを適用する必要がある。なお、この文献に記載されている説明は、特許請求の範囲に記載された事項の一例であって、以下の特許請求の範囲に記載の主題の一例である。なお、本明細書に開示される具体的な構成および機能の詳細は、あくまで例示であって、例示的なものに過ぎず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。ここに開示されていない幾つかの実施形態及び方法は、請求の範囲に記載された発明を限定するものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

【0008】

なお、順序は、「第1」、「第2」等である。本明細書では、種々の要素を説明する場合があるが、これらの要素は、これらの観点から何ら限定されるものではない。なお、これらの用語は、1つの要素を区別するために用いられるものであり、「第2」以上の規則が存在する場合には、その要素の数は、特に限定されるものではなく、多くの要素を必要とする。例えば、第1の素子を第2の素子と称し、同様に第2の素子を第1の素子と称することもできる。本明細書において、「AND」、「OR」及び「AND/OR」とは、1つの項目、又は、複数の項目、又は、全ての項目が存在することが明示されていない限り、対応する1つ以上の項目の全ての組み合わせを含む。「ETC」とは、「ET 1」と定義されており、「AND/OR」の組み合わせにおいて、同じグループに属する他の全ての要素が包含されていることを示す。

【0009】

なお、要素を「接続」、「嵌合」、「装着」、「固定」等という。他の元素には、他の元素と直接結合していてもよいし、介在元素が存在していてもよい。一方、要素を「直接接続」、「直結」等と呼ぶ。他の元素には介在元素が存在しない。また、要素間の関係を説明するために用いる他の用語は、同様に解釈されるべきものである（例えば、「間」-「直接間」、「隣接」-「直接隣接」等）。同様に、「通信可能に接続されている」等の用語には、無線で接続されている仲介装置やネットワーク等を含む、2つの電子機器間での情報交換やルーティングのバリエーションが全て含まれる。

【0010】

本明細書において、「A」、「AN」、「THE」は、特にそうでない旨明示した場合を除き、単数又は複数の態様を含むものとする。「A」、「AN」のような不定冠詞は、いずれも先に導入されたものであり、「THE」のような定冠詞は先のものと同一のものを意味する。このように、「A」又は「AN」は、以前に導入したものと同じものを改変し、定冠詞は、直前に提示したものと同じものを改変したものであることが理解される。また、本明細書において、「含む」等とは、記載された構成、特徴、工程、構成要素、及び/又は、構成要素の存在を特定するものであり、1つ以上の他の特徴、工程、動作、構成要素、及び/又は、それらのグループの存在の有無を意味するものとする。

【0011】

なお、以下に説明する構成及び動作は、図面に記載された順序に沿って行われてもよいし、異なる順序で行われてもよい。例えば、連続して示される2つの動作および/または図形は、その機能・機能に応じて、同時に実行されてもよいし、逆の順序で実行されてもよい。同様に、以下に説明する実施例の各動作は、以下に説明する1つの動作とは別に、ループ等の一連の動作を行うために、繰り返し実行されてもよいし、逐次的に実行されてもよい。なお、以下で説明する特徴や機能を有する実施形態や方法は、いずれの実施形態も本発明の範囲に含まれるものとする。

【0012】

本明細書において、「軸方向」及び「垂直」方向は、原子炉の長軸に沿った上下方向が同一であり、重力方向を向いている場合が多い。「横」方向は、「軸方向」と直交し、特定の軸方向高さで1つの平面内を向く第1の方向である。

【0013】

本発明者らは、アセンブリに広い配列の力プロファイルをカバーする梱包、輸送、設置、及び取扱時に、様々な衝撃や歪を燃料アセンブリに与えることを見出した。このように、燃料アセンブリ内の特定の位置に振動や燃料棒を維持し、損傷のリスクを最小限に抑えることが望まれている。また、出荷時や処理時に異物や破損した異物が増加するのを防止することが望まれている。また、本発明者らは、さらに、セパレータ、閉塞装置、ラップ、クッション、バスタブ、クレア等の支持及びシール構造物を使用する前に除去しなければならない、セパレータ、閉塞装置、ラップ、クッション、バスタブ、クランプ、その他の支持及びシール構造を含む、これらの衝撃や異物をガードするために、広汎なパッケージや燃料アセンブリの改造が必要であることを確認した。このパッケージを除去すると、時間がかかり、それ自体が破損したり、使用時にアセンブリの上に1つの異物が脱落して放置される危険性が高くなったり、反応器内に異物が混入したりするおそれがある。以下に説明する実施の形態および方法、ならびに、発明者らが実施の形態により有効とする課題を解決するために、本発明者らが認識した他の課題について説明する。

【0014】

本発明は、原子炉コンポーネントを取り扱うシステム、それを備えたコンポーネント、及びその使用方法及びその製造方法を提供することを目的とする。なお、以下に説明する幾つかの実施形態及び実施例は、本発明に係る種々の異なる構成の部分集合を例示したものである。

【0015】

例えば、クッション、セパレータ、キャップ、容器等の反応性流体可溶性パッケージが挙げられる。すなわち、原子炉コンポーネントに取り付け、取り付け、及び/又は、周囲の原子炉コンポーネントを配置することができる。これらの構成を包括的または個別に包括的または個別に包括する。パッケージはクッション材として作用し、原子炉の出荷時や反応器外での使用時など、乾燥や大気開放環境下での圧縮性やレジスト変形を吸収し、衝撃を吸収することができる。パッケージは、乾燥や外気環境下での異物からの領域を追加または代替的にシールしてもよい。一般的な各種の方法の液水である原子炉冷却材及び/又は減速材に浸漬すると、全体的な反応化学やノイドロンとの干渉を最小限に抑えて、水に溶解する。このような溶解により、他の構造物を損傷させることができた原子炉冷却材中の異物や構造物が衝撃や割れなどから除去される可能性が除去される。

【0016】

本実施形態に係る溶解性物品は、作業中に母材が浸漬される原子炉冷却材及び/又は減速材に溶解する衝撃吸収又は吸蔵材の固体特性を有する材料であれば、任意の材料を用いることができる。この材料は、例えば輻射量が上昇し、この液体が100℃以上の温度となって高圧状態になる等の運転条件に達するまでは、冷却材及び/又は減速材に対して相対的に不溶性であってもよい。ここで、「可溶」とは、材料の一部を溶解させるために、30質量部以下の溶剤を必要とする材料を意味する。また、「可溶」とは、反応器の作動温度や圧力で2時間以内に原子炉冷却材に十分に溶解させるための表面積などの物理的な構成を有するものである。このように「可溶」のパッケージには、液中や反応器の作動条件において、難溶性であっても難溶性であってもよいし、溶解性を有する材料と相溶して溶解する母材も含まれる。このように、核コンポーネント用可溶性パッケージは、原子炉に設置することで、輸送、分離、衝撃吸収、閉塞、及び/又は原子炉格納機能を提供し、必要に応じて作業中に溶解することができる。

【0017】

また、化学的に安定かつ低核の断面材料であってもよいし、有機であっても無機であってもよい。例えば、軽量化及び/又は架橋性ポリウレタン、ポリカプロラクトンのような分解性ポリエステル、寒天等の多糖類、ゼラチン等の混合ゲル、可溶性ケイ酸塩、及び/又はポリビニルアルコール等の成形可能な数種の成形可能なプラスチックを含む重合体は、原子炉化学又はノイマンに影響を与えることなく、原子炉冷却液に無負荷で溶解しながら、良好な物理的分離及び大気中での衝撃吸収を提供することができる。燃料を透過する原子炉減速材に直接に溶解するものについては、ホウ素含有化合物やハロゲン化物のような中性子の被毒、腐食性物質、その他の操作性劣化物を避けることができる。

【0018】

可溶性パッケージは、いずれの位置であっても、使用前の項目を除去するのに手で届かないものであればよく、不必要に溶解するため、使用前の項目を除去することは困難である。例えば、分離された燃料構造体間の肉盛りやクッション、全アセンブリの周囲のパッケージング、シール又は原子炉構造の周囲や周囲に配置されたシール材等が挙げられる。実施形態としては、原子炉冷却材及び/又は減速材に可溶であってもよいし、使用可能であってもよい。ポリペプチド系糊などの可溶な接着剤は、移動を制限する機械的形状に加えて、各項目を固定してもよい。これらの項目は、コンポーネント製造時や出荷時や処理時に配置されてもよいし、リアクトルに設置される際に必要に応じて除去されてもよいし、残されてもよい。

【0019】

図2は、核燃料アセンブリの内部コンポーネント、ここではスペーサ18を分離する可溶性クッション100の一例を示す図である。スペーサ18の外帯には、図2に示すように、スペーサ18の外部の流路（図示せず）からスペーサ18を支持するバスタブ8が幾つか形成されている。バスタブ8は、スペーサ18を含むアセンブリに急激な横荷重等の衝撃に応じて、特に圧縮や損傷を受けやすい。可溶性クッション100は、バスタブ8よりも厚いバスタブ8の周囲に配置され、バスタブ8よりも大きな厚みを有するバスタブ8の周囲に配置され、バスタブ8よりも前の流路に接触して衝撃から保護するO形状のクッションである。本実施形態のクッション100は、選択または全てのバスタブ8に配置されていてもよいし、可溶性の接着剤やスペーサ18と周囲の流路との摩擦接触により保持されていてもよい。

【0020】

本実施形態のクッション100は可溶性材料で作製されているため、必ずしも原子炉内に含有核燃料アセンブリを設置する前に除去する必要はない。これは、図1に示すように、流路12が燃料棒14およびスペーサ18を剛に囲んだ状態で、バスタブ8の内部に配置されるクッション100を流路12およびアセンブリの中点にアクセスすることが困難となるため、特に有用である。これに代えて、クッション100は、バスタブ8を乾燥や大気開放の衝撃からブレースして保護するものであってもよく、内蔵アセンブリの設置時に反応器内の水中に配置する場合には、アセンブリや反応器にデブリ(debris)や詰まりを発生させることなく単に溶解させるものであってもよい。このように、スペーサ18及びその内部の組付体は、輸送時、取り扱い時、その他の非浸漬時の衝撃衝撃による損傷から保護されており、液中動作時の液減速材及び/又は冷却材の貫通流が許容されている。もちろん、クッション100は、スペーサ18上にバスタブ8を取り囲むように図示されているが、他の場所に配置されていてもよいし、周辺の面からの衝撃保護や衝撃保護が必要な他のコンポーネントに配置されていてもよい。

【0021】

図3は、燃料アセンブリの構成コンポーネント、ここでは、ウォーターロッド19を閉塞する水溶性の水棒キャップ200の一例を示す図である。また、図3に示すように、ウォーターロッド19の端部が開放されていてもよい。組み立て時、出荷時、処理時には、ゴミやルースなどのゴミがウォーターロッド19内に侵入するおそれがある。水溶性水ロッドキャップ200は、例えば、ウォーターロッド19の端部に着座することにより、ウォーターロッド19をその破片から閉塞する。本実施例のキャップ200は、1本以上のウォーターロッド19の一端部に配置されていてもよいし、水溶性接着剤によって保持されていてもよいし、ウォーターロッド19とウォーターロッド19の円筒端部に取り付けられたキャップ200との間の摩擦接触により保持されていてもよい。

【0022】

水棒キャップ200は可溶な材料で作製されているため、必ずしも原子炉内に含有核燃料アセンブリを設置する前に除去する必要はない。このことは、特に新たなデブリが水ロッド19に進入して反応器に移行できなかった場合に、水棒19内への土砂の浸入を輸送中に防止するために特に有用である。また、アセンブリの設置時に、反応器内の水やその他の溶媒に設置する場合には、例えば、アセンブリや反応器にデブリや詰まりを発生させることなく、簡単に水棒キャップ200を溶解させることができる。このようにして、ウォーターロッド19およびその内部の組付体は、輸送時、処理時、その他の非浸漬時の破片による損傷から保護され、浸漬時のフル・常通常の液状の減速材および/または冷却材の貫通流が許容される。勿論、本実施の形態では、ウォーターロッド19の端部の周囲にキャップ200を示したが、他の場所に配置してもよいし、近接する面からの衝撃保護や衝撃保護を必要とする他のコンポーネントに配置してもよい。

【0023】

本実施形態では、クッション100と水ロッド用キャップ200とを同じアセンブリに組み合わせて使用することができる。また、クッション100やキャップ200は、適当な大きさの他の原子炉コンポーネントに用いられてもよい。同様に、他の燃料位置及び/又はその他の構成要素において、他の実施形態に可溶パッケージ、閉塞及び/又は固定物を併用してもよい。

【0024】

当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または置換例に想到し得ることは明らかである。例えば、幾つかの異なる原子炉コンポーネントを、実施例に係る数種の反応器コンポーネントや設計に用いることが可能な、実施例の可溶性パッケージを用いてクッション性、閉塞、ろう付け、パッケージ化及び/又は固定化することができる。このような変形は、特許請求の範囲から逸脱するとは限らない。

【図1】

【図2】

【図3】