JP2004125535A - 金属ガスケットおよびその製造方法、並びに放射性物質格納容器 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ガスケット内の水を抜き出しやすくすること。
【解決手段】この発明の金属ガスケット２０では、コイルスプリング３０を被覆する内被４０の径方向内側に水抜き穴１０１を複数設ける。内被４０は更に外被５０により保持され、フープ径の異なる二重リングを当該外被５０により一体化している。この水抜き穴１０１は、金属ガスケット２０の内部に溜まった水を抜き出しやすくする。また、この水抜き穴１０１は、シール厚さ方向の中央付近に位置するようにし、シール面９０との接近を避けるようにする。
【選択図】　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、リサイクル燃料集合体を収納するキャスク等の密封に用いる金属ガスケットおよびその製造方法、並びに放射性物質格納容器に関する。
【従来の技術】
【０００２】
核燃料サイクルの終期にあって燃焼を終えた核燃料集合体を、リサイクル燃料集合体という。リサイクル燃料集合体は、ＦＰなど高放射能物質を含むので熱的に冷却する必要があるから、原子力発電所の冷却ピットで長期間冷却される。その後、遮蔽容器であるキャスクに収納され、トラック等で再処理施設に搬送、貯蔵される。キャスク内には、高放射能物質が収容されているので、４０〜６０年が見込まれる貯蔵期間中における当該キャスクの密封には厳重なる注意が必要である。
【０００３】
図５は、従来のキャスクの構造を示す断面図である。図６は、図５に示したキャスクの一部拡大図である。このキャスク５００は、ステンレス製または炭素鋼製の胴本体５０１と、キャスク外面を構成する外筒５０２と、胴本体５０１と外筒５０２との間に充填される水素を含有した高分子材料のレジン５０３と、胴本体５０１の下部に溶接され、レジン５０４を封入した構造の底板５０５と、胴本体５０１に溶接一体化したフランジ部５０６に設けた一次蓋５０７及び二次蓋５０８とから構成される。リサイクル燃料集合体を収納するバスケット５１３は、胴本体５０１のキャビティ５０９内に配置される。前記一次蓋５０７と二次蓋５０８は、図７に示すように、ボルト５１０、５１１によってフランジ部５０６に固定され、二次蓋５０８にはレジン５１２が封入されている。
【０００４】
前記バスケット５１３は、ボロン（Ｂ）とアルミニウムとの複合材料によって形成した複数のセルから構成されている。また、このキャスク５００のキャビティ５０９内にはヘリウムガスが負圧状態で充填されている。その一方、一次蓋５０７と二次蓋５０８の間の空隙内は正圧となり、これによってキャスク５００内部と外部との間に圧力障壁を形成している。また、二次蓋５０８には、蓋間空間の圧力を測定するための孔５１４が設けられており、この孔５１４の出口には圧力センサー５１５が設けられている。
【０００５】
前記一次蓋５０７には、キャスク５００内のガスを置換するためのバルブ５１６が設けられており、当該バルブ５１６はバルブカバー５１７によって覆われている。一次蓋５０７と胴本体５０１との間、二次蓋５０８と胴本体５０１との間の密封には、長期間に渡って密封機能を維持する観点から耐熱性、耐食性を有し耐久性の高い金属ガスケット５１８、５１９を用いる。
【０００６】
図７は、キャスクのシールに使用する金属ガスケット及びキャスクのシール部を示す拡大図である。なお、一次蓋５０７と胴本体５０１との間及び二次蓋５０８と胴本体５０１との間のシール部は同様のシール構造となる。ガスケット溝５２５は機械加工により形成され、使用する金属ガスケット５１８、５１９は二連リング構造のものを用いる。この金属ガスケット５１８、５１９は、腐食や高温酸化に強いインコネル（商標名：ニッケル系合金）によって製作したコイルスプリング５２１に、同じくインコネル製の内被５２２で被覆し、さらに、アルミニウム製の外被５２３により内外輪をまとめて被覆した構成である。図７（ａ）に、金属ガスケット５１８（５１９）の使用前における状態を示す。金属ガスケット５１８（５１９）は、二次蓋５０８等と胴本体５０１等とが固定されると、その締付け力によって図７（ｂ）のように変形し、密封機能を発揮する。
【０００７】
ガスケット溝５２５に対しては、外被５２３部分に設けたボルト穴を用いて固定する。前記金属ガスケット５１８、５１９には、例えば原子力用キャスクに対する使用実績が多い、日本バルカー工業株式会社製「トライバック」やフランス国のＣＥＦＩＬＡＣ社製の「ヘリコフレックスシール」などを用いることができる。また、このような金属ガスケットにおいて密封性を確保する構造は、シングルリングタイプの金属ガスケットではあるが、外被５２３と内被５２２との間に固体潤滑材被覆を形成して、リークを抑える金属ガスケットが特許文献１に開示されている。
【０００８】
【特許文献】
実公平５−７５１５４号公報　ｐ１、図１、図２
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、キャスク５００内にリサイクル燃料集合体を収納する場合、その作業はプール内で行われ、リサイクル燃料集合体を収納後、真空乾燥により内部の水を抜く必要がある。しかしながら、上記金属ガスケットは、二重構造となっており外被によりリング状のコイルスプリングを把持した構成であるため、内外のリング内に水が溜まって前記水抜き時に抜き難いという問題点がある。一方、この金属ガスケットは、コイルスプリングに板状の内被を巻きつけるようにしているので、製造上、開口部分を外側に向けて巻き付け作業を行う必要がある。このため、内部の水が抜けやすいように、両方の内被の開口を内側に向けることが困難である。
【００１０】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、金属ガスケット中の水分を除去して長期間にわたって十分な密封性能を発揮させることができる金属ガスケットおよびその製造方法、並びに放射性物質格納容器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による金属ガスケットは、リサイクル燃料集合体を収納する放射性物質格納容器の胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在してキャビティ内の密封を維持する金属ガスケットにおいて、この金属ガスケットが、環状のコイルスプリングと、当該コイルスプリングを被覆する内被と、この内被を被覆する外被とを有し、内被に水抜き穴を設けたことを特徴とする。好ましくは、内被は外被の径方向の側で露出しており、この露出した径方向側に水抜き穴を設けたことを特徴とする。
【００１２】
水抜き穴により、内被により閉じ込められた水を外部に放出する。なお、前記径方向は、少なくともその径方向に対して±４５°以内であるのが好ましい。これ以上大きくなると、シール面と外被との間に水が滞在して乾燥し難くなるからである。また、水抜き穴の形状は、丸または矩形のいずれでも良い。
【００１３】
つぎの発明による金属ガスケットは、リサイクル燃料集合体を収納する放射性物質格納容器の胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在してキャビティ内の密封を維持する金属ガスケットにおいて、金属ガスケットが、フープ径の異なる二個の環状のコイルスプリングを同心状に配置すると共に前記コイルスプリングを被覆して二重リングを構成し、更に、前記内被上に外被を被覆すると共にこの外被によりリング間を接続して一体化したものであり、金属ガスケットの内被の径方向側に水抜き穴を設けたことを特徴とする。このように、内被に水抜き穴を設ければ、内被の中の水を効果的に外部に出すことができる。
【００１４】
つぎの発明による金属ガスケットは、リサイクル燃料集合体を収納する放射性物質格納容器の胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在してキャビティ内の密封を維持する金属ガスケットにおいて、金属ガスケットが、板材をリング状かつ断面円環状に成形し且つその端部同士が重なりあうようにしてスプリングを形成すると共に、このスプリングに外被を設けた構造であり、更にこの金属ガスケットに水抜き穴を設けたことを特徴とする。
【００１５】
この発明では、板材を断面が円環状になるように成形し、これをリング状にしてスプリングとする。次に、このスプリングの外側に外被を設ける。このスプリングは断面円環状に形成されており、内部に水が入り易いため、この金属ガスケットに水抜き穴を穿孔することで、内部の水を出しやすいようにしている。
【００１６】
つぎの発明による金属ガスケットの製造方法は、板材に水抜き穴を穿孔し、この板材を環状に成形したコイルスプリングの表面に巻き付けることで当該板材により内被を構成し、その後、この内被に対して外被を巻き付けることを特徴とする。
【００１７】
つぎの発明による放射性物質格納容器は、上記金属ガスケットを、リサイクル燃料集合体を収納するキャスクの胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在させたことを特長とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。なお、本発明に係る金属ガスケットの適用範囲は特に限定されるものではなく、例えばキャスクのシールや原子炉格納容器のシール部分等にも適用できる。また、この金属ガスケットは、特に比較的高温環境下で数十年の単位で密閉性能を維持するような用途に適しており、その中でもリサイクル燃料集合体を収納して運搬し、長期間貯蔵するキャスクに好適である。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係るキャスクにおけるシール構造を示す説明図である。図２は、この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットを示す断面図である。このキャスクのシール構造１０は、内被に水抜き穴１０１を設けた点に特徴がある。なお、次に説明する金属ガスケット２０は、フープ径Ｄｆの異なる二個のコイルスプリング３０ａ，３０ｂとを同心状に配置して、両者を外被５０によって被覆しながら結合する、いわゆるダブルリングタイプのものである。しかし、本発明に適用できる金属ガスケットはこのタイプには限られず、図２（ｂ）に示すように、外被５０の上部が面一になっている金属ガスケット２０’や（ｃ）のシングルタイプのガスケットも含まれる。
【００２０】
図１に示すように、このシール構造１０は、例えばキャスク５００の二次蓋５０８と胴本体５０１のフランジ部との間に設けられる。なお、キャスクの一次蓋と胴本体５０１との間にももちろんこの発明に係るシール構造及び金属ガスケットは適用できる（以下同様）。図２に示すように、金属ガスケット２０は、環状のコイルスプリング３０に内被４０を被覆し、さらに、外被５０により内外輪をまとめて被覆した構成である。外被５０から外部に露出している内被４０の径方向内側（外周のリングと内周のリングとの間を内側という）には、水抜き穴１０１が穿孔されている。また、この水抜き穴１０１は、外被５０と干渉しない位置に穿孔される。このようにすれば、内被４０のみに水抜き穴１０１を設ければ済むからである。また、内被４０は、内被４０に水抜き穴１０１を穿孔した後、コイルスプリング３０ａ，３０ｂに巻きつけるようにして円環状に成形すると共に当該コイルスプリング３０ａ，３０ｂの被覆を行う。
【００２１】
また、金属ガスケット２０のフープ径Ｄｆ（胴本体５０１の中心Ｃから金属ガスケット２０までの距離）は２ｍ程度、内輪７０及び外輪８０それぞれの断面直径Ｄは５．５ｍｍ程度、外被５０の厚さは０．４ｍｍ、内被４０の厚さは０．２ｍｍとなる。外被５０の材料には、アルミニウム、銀、銅、ニッケルなどの軟質金属が用いられており、密封性能を確保する。また、内被４０及びコイルスプリング３０には腐食や高温酸化に強いインコネル（登録商標）やステンレス等のニッケル系合金を用いて、高温環境下においても弾性を維持できるようにしてある。より高温の耐久性を向上させたいときには、Ｃｏ含有量の多いナイモニック（登録商標）等を使用することもできる。
【００２２】
二次蓋５０８や一次蓋、及び胴本体５０１には、放射線を遮蔽すると共に機械的強度を保つためステンレス鋼や炭素鋼が用いられる。その一方、金属ガスケット２０の外被５０には密封性能を発揮させるため、アルミニウムや銀等の軟質金属が用いられている。このため、異種金属の接触により両者間に電位差が発生して、金属ガスケット２０が電解腐食を起こし密封漏れの原因となる。このため、キャスクの二次蓋５０８や胴本体５０１の材料には、モリブデンを含むＳＵＳ３１７またはＳＵＳ６２５を使用して、電解腐食を防止するようにしている。
【００２３】
また、ＳＵＳ３１７またはＳＵＳ６２５は溶接性に優れているので、キャスクのように一般的に溶接部分が多いものに適している。さらに、ＳＵＳ３１７及びＳＵＳ６２５のほかに、ＳＵＳ３１４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３２６、ＳＵＳ３４５などを用いることもできる。また、二次蓋５０８及び胴本体５０１にＳＵＳ３１７などを用いなくても、同材による肉盛りを施すことでシール面９０を形成するようにしてもよい（図示省略）。
【００２４】
また、キャスクの二次蓋５０８や胴本体５０１の材料として使用するモリブデンを含むＳＵＳ３１７またはＳＵＳ６２５よりも腐食電位の高いアルミニウムを外被５０として使用してもよい。このようにすれば、二次蓋５０８や胴本体５０１よりも交換が容易な金属ガスケット２０の外被５０の方が腐食されやすくなるので、二次蓋５０８や胴本体５０１が電解腐食から守られる。
【００２５】
次に、金属ガスケット２０に使用される環状のコイルスプリング３０について説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットのコイルスプリングを示す説明図である。同図に示すように、このコイルスプリング３０はニッケル基の合金であるインコネル（登録商標）またはステンレスや、より高温に耐え得るナイモニック（登録商標）等の線材を、隙間を設けないで巻くことによって作られている。これは、隣の線との間に隙間が開いていると、密封のため金属ガスケット２０が押しつぶされたときに、均等な力で内被４０と外被５０（図２参照）とを押し返すことができなくなり、長期間の使用において所期の密封性能を発揮できなくなるからである。
【００２６】
一般に、金属ガスケット２０（図２参照）において密封圧力を得ようとすると、コイルスプリング３０の素線径ｄが太いものを使用して、コイルスプリング３０の曲げ剛性を高くする必要がある。コイルスプリング３０の素線径ｄが太くなればそれだけ素線を巻き難くなるので、コイルスプリング３０の巻き線径Ｄ_１も大きくなる。その結果、高いシール圧力が求められる金属ガスケット２０の断面直径Ｄは、シール圧力が低いものと比較して大きくなる。なお、コイルスプリング３０の曲げ剛性とは、コイルスプリング３０の径方向に力Ｐを加えた場合における、コイルスプリング３０の径方向に対する変形のし難さをいう（以下同様）。
【００２７】
次に、この水抜き穴１０１の作用について説明する。プール内においてキャスク５００内にリサイクル燃料集合体を収納し、プールから出して真空乾燥により水抜きを行う。その際、コイルスプリング３０内に水が浸入しており、特に金属ガスケット２０の内側に内被４０が開口４０ｓしている場合、内被３０ａの内部に水が浸入しやすくなる。また、内側に開口しないまでも、外被５０と内被４０との間の隙間から水が浸入して内被３０ｂの内部に水が溜まる。また、外皮５０と内被４０の合わせ面からも水が入り内部に溜まる。この金属ガスケット２０の内部の水は、キャスク５００内から水を抜くとき、前記水抜き穴１０１から外部に出る。また、内側に開口４０ｓを有する内被４０ａは、その開口４０ｓから内部の水が出るので、特に水抜き穴は必須ではない。例えば、開口４０ｓが比較的上方（外被５０の渡し部分５０ａの近傍）に位置しており、水が溜まり易い形状となっている場合に必要となる（図示省略）。また、外皮５０と内被４０の合わせ面に溜まる水を抜くには穴１０１’が必要である。
【００２８】
次に、この金属ガスケット２０を製造するにあたり、まず、内被４０によりコイルスプリング３０を巻いた状態で水抜き穴１０１，１０１’を穿孔する場合、当該コイルスプリング３０を加工しないように注意する必要がある。このため、まず内被４０をコイルスプリング３０に巻きつける前に水抜き穴１０１，１０１’を穿孔しておき、その後、コイルスプリング３０に対して巻きつける。このようにすれば、コイルスプリング３０を傷つけることなく、容易に穿孔作業を行える。
【００２９】
なお、上記実施の形態において、内被４０の穴の位置が径方向内側（二個のリングの中心を繋いだ線Ｌ）に向かって穿孔されているのは、仮に斜め下方に向いている場合、シール面に合わさると開口が役に立たなくなるからである。具体的に好ましい水抜き穴１０１の位置は、内側方向の線Ｌを中心に±４５°以内である。
【００３０】
（実施の形態２）
図４は、この発明の実施の形態２に係る金属ガスケットを示す断面図である。この金属ガスケットは、図４（ａ）に示すように、内被２００が円環状に成形され、フープ径の異なる二個の内被２１０が同心状に配置されている。また、両者は外被５０によって被覆され互いに結合し、全体としてダブルリング形状になっている。また、本発明に適用できる金属ガスケット２００はこのタイプには限られず、図４（ｂ）に示すような、１個の内被２１０と外被２２０とで被覆する、いわゆるシングルリングタイプの金属ガスケット２５０にも適用できる。
【００３１】
外被２２０の材料には、アルミニウム、銀、銅、ニッケルなどの軟質金属が用いられており、密封性能を確保する。また、内被２１０には腐食や高温酸化に強いインコネル（登録商標）等のニッケル系合金を用いて、高温環境下においても弾性を維持できるようにしてある。より高温の耐久性を向上させたいときには、Ｃｏ含有量の多いナイモニック（登録商標）等を使用することもできる。内被２１０は、一部が重なるように円環状に成形され、シール時の圧縮により重なり部分２１０ｓが摺動して全体的に内被２１０の径が小さくなる。即ち、内被２１０の径が小さくなるだけであるから、内被２１０による接触面が大きくならないので、確実なシールが可能になる。
【００３２】
両方の内被２１０の内側には、周方向に多数の水抜き穴２３０，２３０’が穿孔されている。この水抜き穴２３０，２３０’は、内部に侵入した水を外部に出すためのものであり、その位置は、径方向内側で且つ厚さ方向（図中高さ方向）の略中央となる。例えば、下方に設けた場合は、外被５０と干渉するので当該外被５０にも穿孔加工を行う必要が生じるためである。また、シール面の近くに設けると、外被５０とシール面との間に水が浸入し易くなり、水を抜き難い状態になるからである。具体的に好ましい水抜き穴２１０の位置は、径方向内側の線Ｌを中心に±４５°以内である。一方、小径側の内被２１０ａは、金属ガスケットの内側に重なり部分２１０ｓが位置するため、シール時の圧縮により重なり部分２１０ｓが摺動し、隠れないような位置に水抜き穴２３０を穿孔する必要がある。
【００３３】
図４（ｂ）に示す金属ガスケット２５０は、板状の内被２１０と外被２２０とを積層した後、円環状に成形する。そして、厚さ方向の略中央に水抜き穴２３０を穿孔する。その場合、内被２１０が外部に露出していないため、内被２１０および外被２２０の両方を貫通するように水抜き穴２３０を穿孔する。内被と外被とが独立した板の場合は、重なり面２１０ｓの反対面に水抜き穴２３０’を穿孔する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、金属ガスケット内の水分を除去して長期間にわたって十分な密封性能を発揮させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るキャスクにおけるシール構造を示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットを示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る金属ガスケットのコイルスプリングを示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る金属ガスケットを示す断面図である。
【図５】従来のキャスクの構造を示す断面図である。
【図６】図５に示したキャスクの一部拡大図である。
【図７】キャスクのシールに使用する金属ガスケット及びキャスクのシール部を示す拡大図である。
【符号の説明】
１０　　　シール構造
２０　　　金属ガスケット
３０　　　コイルスプリング
４０　　　内被
５０　　　外被
９０　　　シール面
１０１　水抜き穴

Claims (7)

1. リサイクル燃料集合体を収納する放射性物質格納容器の胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在してキャビティ内の密封を維持する金属ガスケットにおいて、
   この金属ガスケットが、環状のコイルスプリングと、当該コイルスプリングを被覆する内被と、この内被を被覆する外被とを有し、
   内被に水抜き穴を設けたことを特徴とする金属ガスケット。
2. リサイクル燃料集合体を収納する放射性物質格納容器の胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在してキャビティ内の密封を維持する金属ガスケットにおいて、
   この金属ガスケットが、環状のコイルスプリングと、当該コイルスプリングを被覆する内被と、この内被を被覆する外被とを有し、
   内被は外被の径方向の側で露出しており、この露出した径方向側に水抜き穴を設けたことを特徴とする金属ガスケット。
3. リサイクル燃料集合体を収納する放射性物質格納容器の胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在してキャビティ内の密封を維持する金属ガスケットにおいて、
   金属ガスケットが、フープ径の異なる二個の環状のコイルスプリングを同心状に配置すると共に前記コイルスプリングを被覆して二重リングを構成し、更に、前記内被上に外被を被覆すると共にこの外被によりリング間を接続して一体化したものであり、
   前記外被は、金属ガスケットの内側の内被は外被から露出し、この露出した内被の径方向側に水抜き穴を設けたことを特徴とする金属ガスケット。
4. リサイクル燃料集合体を収納する放射性物質格納容器の胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在してキャビティ内の密封を維持する金属ガスケットにおいて、
   金属ガスケットが、板材をリング状かつ断面円環状に成形し且つその端部同士が重なりあうようにしてスプリングを形成すると共に、このスプリングに外被を設けた構造であり、更にこの金属ガスケットに水抜き穴を設けたことを特徴とする金属ガスケット。
5. 板材に水抜き穴を穿孔し、この板材を環状に成形したコイルスプリングの表面に巻き付けることで当該板材により内被を構成し、その後、この内被に対して外被を巻き付けることを特徴とする金属ガスケットの製造方法。
6. 板材に水抜き穴を穿孔し、この板材を環状に成形したコイルスプリングの表面に巻き付けることで当該板材により内被を構成し、その後、この内被に対して前記水抜き穴を避けて外被を巻き付けることを特徴とする金属ガスケットの製造方法。
7. 上記請求項１〜４のうちいずれか一つの金属ガスケットを、リサイクル燃料集合体を収納するキャスクの胴本体、およびその胴本体のキャビティ開口に取り付ける蓋、の間に介在させたことを特長とする放射性物質格納容器。

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