JP2005134173A

JP2005134173A - キャニスタ蓋部の残留応力除去方法及びキャニスタ

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Publication number: JP2005134173A
Application number: JP2003368441A
Authority: JP
Inventors: Taiichiro Ito; 大一郎伊藤; Koichi Fujinami; 幸一藤波
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】キャニスタ本体と蓋部の溶接部の応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生を抑制する。
【解決手段】鉄鋼製の有底筒状のキャニスタ本体４に放射性物質ａを収納後、キャニスタ本体４の開口部に鉄鋼製の１次蓋２及び２次蓋３の二枚の蓋を溶接してキャニスタ本体４の開口部を二重に密封させたキャニスタである。キャニスタ本体４の開口部に溶接した１次蓋２の昇温後、１次蓋２より線膨張係数の小さい２次蓋３をキャニスタ本体４の開口部に溶接する。所定期間経過後、放射性物質ａの崩壊熱の低下に伴って収縮する１次蓋２及び２次蓋３の収縮差を利用して２次蓋３の溶接部の残留応力を引張応力から圧縮応力に変換させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力発電所などの施設で発生する使用済燃料などの放射性物質を貯蔵する貯蔵容器と、その蓋部との溶接部の残留応力を除去するキャニスタ蓋部の残留応力除去方法及びキャニスタに関するものである。

原子力発電所等の施設で発生する使用済燃料等の高い放射線量を有するものを原子力発電所などの施設から搬出して再処理、或いは処分するまでの間にわたって貯蔵する場合には、放射性物質を貯蔵する貯蔵施設などで適切に管理することが必要とされている。

従来、放射性物質の貯蔵方法としては、湿式法と乾式法とに大別される。前者は、一般に、水プール貯蔵方式として知られており、使用済燃料の貯蔵に用いられており、水中に使用済燃料を貯蔵することにより、使用済燃料から発生する熱を除去すると同時に、使用済燃料から発せられる放射線を遮蔽する。

また、後者は、放射性物質の貯蔵容器として金属キャスクを用いる方法である金属キャスク貯蔵方式と、キャニスタを用いる方式であるコンクリートモジュール貯蔵方式（例えば、特許文献１参照。）とに分けることができる。

金属キャスク貯蔵方式の放射性物質の貯蔵施設としては、原子力発電所内での保管建屋を利用した使用済燃料の貯蔵施設が実用化されている。一方、コンクリートモジュール貯蔵方式の貯蔵施設は、米国などにて実用化されている。このコンクリートモジュール貯蔵方式は、湿式法や従来の乾式法である金属キャスク貯蔵方式よりも貯蔵に要する費用を低減することが可能であると見込まれており、その開発が進められている。
特開平７−２７８９７号公報（第２−３頁、図１）

しかしながら、従来のキャニスタを用いたコンクリートモジュール貯蔵方式においては、下記のような課題がある。すなわち、貯蔵容器であるキャニスタは、内部に放射性物質を収納し、蓋部を溶接することにより密封を確保するようになっているが、溶接のみによって密封障壁を形成するために、設計、製作及び検査のそれぞれにおいて高い要求が課せられている。

特に、このコンクリートモジュール貯蔵方式は、キャニスタの密封性を高めるために、使用済燃料を円筒容器内に装荷した後、蓋を二重に溶接する構造になっている。

しかし、長期間（最大６０年程度）貯蔵するために、腐食の懸念がある。特に、溶接部については、溶接による引張応力が残るため、応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生が懸念されている。

また、応力腐食割れ（ＳＣＣ）の防止には、残留応力除去が非常に有効であるが、キャニスタには、耐腐食性を考慮して二相ステンレス鋼などを採用するため、焼鈍のような応力除去は不適切であり、使用済燃料を円筒容器内に装荷した後では、放射線レベルが高く、ショットブラストや、レーザーピーニングのような応力除去法の適用も困難である。

本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであり、その目的とするところは、キャニスタ本体と蓋部との溶接部の応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生を抑制し得るキャニスタ蓋部の残留応力除去方法及びキャニスタを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明のキャニスタ蓋部の残留応力除去方法は、鉄鋼製の有底筒状のキャニスタ本体内に放射性物質を収納した後、キャニスタ本体の開口部に鉄鋼製の１次蓋及び２次蓋の二枚の蓋を溶接して前記キャニスタ本体の開口部を二重に密封させたキャニスタにおいて、前記キャニスタ本体の開口部に溶接した１次蓋が昇温後、前記１次蓋より線膨張係数の小さい２次蓋をキャニスタ本体の開口部に溶接し、所定期間経過後、放射性物質の崩壊熱の低下に伴って収縮する１次蓋及び２次蓋の収縮差を利用して２次蓋の溶接部の残留応力を引張応力から圧縮応力に変換させることを特徴とするものである。

一方、本発明のキャニスタは、鉄鋼製の有底筒状のキャニスタ本体内に放射性物質を収納した後、キャニスタ本体の開口部に鉄鋼製の１次蓋及び２次蓋の二枚の蓋を溶接して前記キャニスタ本体の開口部を二重に密封させたキャニスタにおいて、前記２次蓋を、前記１次蓋より線膨張係数の小さい鉄鋼により形成し、所定期間経過後、放射性物質の崩壊熱の低下に伴って収縮する１次蓋及び２次蓋の収縮差を利用して２次蓋の溶接部の残留応力を引張応力から圧縮応力に変換させることを特徴とするものである。

ここで、本発明のキャニスタは、１次蓋の外端面に１次蓋カバーを設けると共に、該１次蓋カバーの周囲に２次蓋を設け、かつ、前記１次蓋カバー及び２次蓋を１次蓋より線膨張係数の小さい鉄鋼により形成している。

また、本発明のキャニスタは、２次蓋をキャニスタ本体の開口部と同形状に形成すると共に、前記２次蓋を１次蓋より線膨張係数の小さい鉄鋼により形成している。

上記のように、本発明のキャニスタ蓋部の残留応力除去方法は、鉄鋼製の有底筒状のキャニスタ本体内に放射性物質を収納した後、キャニスタ本体の開口部に鉄鋼製の１次蓋及び２次蓋の二枚の蓋を溶接して前記キャニスタ本体の開口部を二重に密封させたキャニスタにおいて、前記キャニスタ本体の開口部に溶接した１次蓋が昇温後、前記１次蓋より線膨張係数の小さい２次蓋をキャニスタ本体の開口部に溶接し、所定期間経過後、放射性物質の崩壊熱の低下に伴って収縮する１次蓋及び２次蓋の収縮差を利用して２次蓋の溶接部の残留応力を引張応力から圧縮応力に変換させることを特徴としている。

従って、１次蓋の昇温（Ｔ₀）後に２次蓋をキャニスタ本体の開口部に溶接すると、長期貯蔵中に蓋部（１次蓋及び２次蓋）の温度が徐々に低下した時（Ｔ₀→Ｔ₁）、線膨張係数の大きな１次蓋が大きく収縮して溶接部を介してキャニスタ本体が内側に引っ張られるが、１次蓋よりも線膨張係数の小さい２次蓋は１次蓋より収縮せずに突っ張るため、２次蓋とキャニスタ本体には直径方向の圧縮応力が生じ、溶接部の残留応力が圧縮応力状態となる。

この圧縮応力状態では、応力腐食割れが生じないため、腐食の懸念が大きくなる貯蔵末期程、溶接部の応力は、圧縮応力となり、応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生し難くなる。尚、熱応力によって発生する応力は、材料の許容強度に比べて十分小さく、構造強度に影響を及ぼすことがない。

一方、本発明に係るキャニスタは、鉄鋼製の有底筒状のキャニスタ本体内に放射性物質を収納した後、キャニスタ本体の開口部に鉄鋼製の１次蓋及び２次蓋の二枚の蓋を溶接して前記キャニスタ本体の開口部を二重に密封させたキャニスタにおいて、前記２次蓋を、前記１次蓋より線膨張係数の小さい鉄鋼により形成し、所定期間経過後、放射性物質の崩壊熱の低下に伴って収縮する１次蓋及び２次蓋の収縮差を利用して２次蓋の溶接部の残留応力を引張応力から圧縮応力に変換させているため、本発明の方法と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１及び図２において、１は、キャニスタである。このキャニスタ１は、使用済燃料ａを収納して長期間（例えば、最大６０年程度。）にわたって貯蔵する密封容器であり、放射性物質の漏洩を防ぐために、１次蓋２及び２次蓋３をそれぞれキャニスタ本体４の開口部に溶接した二重密封構造となっている。このキャニスタ本体４は、円筒状の胴部５と、円板状の底部６により形成されている。尚、符号７は、使用済燃料ａを支持するためのアルミニウム製バスケットを示している。

図３に示すように、１次蓋２は、厚肉の円板状の１次蓋本体２１と、この１次蓋本体２１の上面（外側面）に設けた円形状の凹部８に取り付けた円板状の１次蓋カバー２２により形成されている。この１次蓋カバー２２は、１次蓋本体２１より小径で、かつ、１次蓋本体２１より薄肉であり、その外周部は、１次蓋本体に設けた凹部８の外周部に溶接されている。また、１次蓋本体２１の上面周縁部（外側面周縁部）は、キャニスタ本体４の開口部の内周面に溶接されている。符号９は、１次蓋カバー２２の溶接部、１０は、１次蓋本体２１の溶接部を示している。

また、リング状に形成されている２次蓋（密封リングとも言う。）３は、その内周部が１次蓋カバー２２の上面外周部（外側面外周部）に設けたリング状の溝１１に溶接され、その外周部は、キャニスタ本体４の上端部に設けたリング状の溝１２に溶接されている。符号１３及び１４は、これらの溶接部を示している。

上記１次蓋カバー２２の形状は、円板状に限らない。また、２次蓋３の形状は、１次蓋カバー２２によってカバーされない１次蓋本体２１の上面をカバーできる形状で、かつ、１次蓋本体２１の収縮に耐えられるものであれば良い。また、図１及び図２において、符号１６及び１７は、作業孔を示している。

このキャニスタ１は、耐腐食性を考慮してステンレス鋼により形成されているが、溶接部分の応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生を抑制するために、線膨張係数の異なる２種類のステンレス鋼を用いている。

具体的に説明すると、１次蓋本体２１には、線膨張係数の大きいステンレス鋼、例えば、ＳＵＳ３０４（線膨張係数：１．６５２×１０^-5ｍｍ／ｍｍ℃）を用い、１次蓋カバー２２及び２次蓋３には、１次蓋本体２１より線膨張係数の小さいステンレス鋼、例えば、ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ（線膨張係数：１．２５７×１０^-5ｍｍ／ｍｍ℃）を用いている。

次に、上記キャニスタ内に使用済燃料を収納する手順について説明する。

キャニスタ内に使用済燃料を収納する際は、使用済燃料ａの放射線レベルが高いため、図４に示すように、キャニスタ本体４を詰替え移送用キャスクなどの容器２６に収納した後、キャニスタ本体４と容器２６間に可撓性のシール部材２８を装着して水の浸入を防止してからキャニスタ本体４を容器２６と一緒に水プール３０内に沈める。続いて、水プール３０の水中においてキャニスタ本体４内に使用済燃料ａを収納する。キャニスタ本体４内に使用済燃料ａを収納した後、図５に示すように、水プール３０内においてキャニスタ本体４の開口部に１次蓋２を被せる。

しかる後に、図６に示すように、キャニスタ本体４を容器２６と一緒に水プール３０から引き揚げた後、水プール３０に隣接している作業場３２において１次蓋２の上に溜まっている水ｗを除去する。続いて、１次蓋２をキャニスタ本体４の胴部５に溶接する。１次蓋２の溶接後、キャニスタ本体４内の水を排水する。続いて、キャニスタ本体４内を真空乾燥してヘリウムガスを封入する。ヘリウムガスの封入後、図７に示すように、作業孔１７に被せた板状のカバー１８の周囲を溶接する。作業孔１６についても板状のカバー１８によって同様に密封する。

この間の作業は、通常、１０時間以上に及ぶため、キャニスタ本体４内に収納されている使用済燃料ａの崩壊熱によりキャニスタ本体４及び１次蓋２が２００℃程度に加熱され、直径方向に膨張する。

その後、図８に示すように、１次蓋本体２１上にリング状の２次蓋３を被せ、その内周部及び外周部をそれぞれ溶接する。このように、１次蓋２及び２次蓋３によって開口部が２重に密封されたキャニスタ１は、貯蔵施設に輸送された後、容器２６からコンクリートキャスク４０内に移し替え（図９参照。）、長期間、例えば、６０年間貯蔵される。

キャニスタ１に収納された使用済燃料ａは、崩壊熱が徐々に小さくなり、貯蔵末期には、キャニスタ表面が１００℃以下になると考えられる。その結果、図１０に示すように、線膨張係数の大きい１次蓋本体２１は、徐々に収縮して溶接部１０を介してキャニスタの胴部５を内側（矢印Ａの方向）に引っ張るが、２次蓋３及び１次蓋カバー２２は、１次蓋本体２１より線膨張係数が小さいため、キャニスタの胴部５を外側（矢印Ｂの方向）に突っ張ることになる。従って、２次蓋３とキャニスタ胴部５との間には直径方向の圧縮応力が生じ、溶接部１４の残留応力が圧縮応力状態となる。

すなわち、図１２に示すように、１次蓋（１次蓋本体）をＴ₀（℃）に昇温して２次蓋をキャニスタ胴部に溶接すると、その後、長期間貯蔵中に蓋部（１次及び２次蓋）の温度がＴ₁（℃）に徐々に低下していった場合、１次蓋（ＳＵＳ３０４）は、収縮して溶接部を介してキャニスタの胴部を内側に引っ張るが、２次蓋（ＳＵＳ３２９Ｊ４Ｌ）は、１次蓋より収縮せずに突っ張るため、２次蓋とキャニスタ胴部には直径方向の圧縮応力が生じ、溶接部の残留応力は、圧縮応力状態となる。

この圧縮応力状態では、応力腐食割れが生じないため、腐食の懸念が大きくなる貯蔵末期程、溶接部の応力は、圧縮応力となり、腐食し難くなる。尚、熱応力によって発生する応力は、材料の許容強度に比べて十分小さく、構造強度に影響を及ぼすことがない。

また、１次蓋及び２次蓋は、上記の構造に限るものではなく、例えば、図１１に示すように、より簡素化された蓋体、すなわち、１次蓋２には、線膨張係数の大きい厚肉の円板状の蓋体を用い、２次蓋３には、１次蓋より線膨張係数の小さい薄肉の円板状の蓋体を用いることができる。

キャニスタの平面図である。キャニスタの断面図である。キャニスタの要部拡大断面図である。水プール内でキャニスタ本体に使用済燃料を収納する説明図である。キャニスタ本体の開口部に１次蓋を被せて水プール外に移送する説明図である。１次蓋をキャニスタ本体の胴部に溶接する説明図である。作業孔を密封する説明図である。２次蓋を溶接する説明図である。キャニスタをコンクリートキャスクに収容した説明図である。貯蔵末期の１次及び２次蓋の作用説明図である。キャニスタの他の例を示す断面図である。温度と残留応力の関係を示す線図である。

符号の説明

ａ放射性物質
１キャニスタ
２１次蓋
３２次蓋
４キャニスタ本体

Claims

鉄鋼製の有底筒状のキャニスタ本体内に放射性物質を収納した後、キャニスタ本体の開口部に鉄鋼製の１次蓋及び２次蓋の二枚の蓋を溶接して前記キャニスタ本体の開口部を二重に密封させたキャニスタにおいて、前記キャニスタ本体の開口部に溶接した１次蓋が昇温後、前記１次蓋より線膨張係数の小さい２次蓋をキャニスタ本体の開口部に溶接し、所定期間経過後、放射性物質の崩壊熱の低下に伴って収縮する１次蓋及び２次蓋の収縮差を利用して２次蓋の溶接部の残留応力を引張応力から圧縮応力に変換させることを特徴とするキャニスタ蓋部の残留応力除去方法。
鉄鋼製の有底筒状のキャニスタ本体内に放射性物質を収納した後、キャニスタ本体の開口部に鉄鋼製の１次蓋及び２次蓋の二枚の蓋を溶接して前記キャニスタ本体の開口部を二重に密封させたキャニスタにおいて、前記２次蓋を、前記１次蓋より線膨張係数の小さい鉄鋼により形成し、所定期間経過後、放射性物質の崩壊熱の低下に伴って収縮する１次蓋及び２次蓋の収縮差を利用して２次蓋の溶接部の残留応力を引張応力から圧縮応力に変換させることを特徴とするキャニスタ。
１次蓋の外端面に１次蓋カバーを設けると共に、該１次蓋カバーの周囲に２次蓋を設け、かつ、前記１次蓋カバー及び２次蓋を１次蓋より線膨張係数の小さい鉄鋼により形成することを特徴とする請求項２記載のキャニスタ。
２次蓋をキャニスタ本体の開口部と同形状に形成すると共に、前記２次蓋を１次蓋より線膨張係数の小さい鉄鋼により形成することを特徴とする請求項２記載のキャニスタ。