JP2008122343A - 金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法およびその施工方法により製作された金属キャスク - Google Patents

Abstract

【課題】遮へい欠損の発生を防止しつつ、レジンの硬化に要する時間を短縮する。
【解決手段】液状のレジンＲを金属キャスクＣのセクタ４に充填する充填工程と、セクタ４に充填されたレジンＲを充填高さ方向の下部側から上部側へ硬化させる硬化工程と、を含み、硬化工程は、加熱手段によってセクタ４が下部側から上部側へ順次加熱されることでレジンＲが充填高さ方向の下部側から上部側へ硬化され、併せて、レジンＲの液面高さを経時的に測定することで、加熱手段によって加熱されている領域のレジンＲの、硬化収縮の収束を検知し、これをもって加熱手段によって加熱される領域をセクタ４の下部側から上部側へ移す。
【選択図】図２

Description

本発明は、金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法およびその施工方法により製作された金属キャスクに関するものである。

原子炉から取り出された使用済燃料集合体は、原子力発電所内の冷却プールにおいて一定期間冷却されて、放射線量や発熱量を減衰させた後、燃え残りのウランや核反応で生成したプルトニウムを回収するために燃料再処理工場に輸送される。また、近年では、使用済燃料集合体を集中貯蔵施設（乾式貯蔵施設）に輸送して、貯蔵することも検討されている。使用済燃料集合体を原子力発電所からこれらの施設まで輸送し、さらに貯蔵するために用いられる放射性物質貯蔵容器として、金属キャスクがある。

金属キャスクは、容器を構成する外筒内に内筒を設け、内筒の外面に熱伝導性が高い銅等の金属板で構成される伝熱フィンが周方向に間隔をおいて取り付けられ、内筒の内側に金属製バスケットが収容される。外筒と内筒との間には、中性子遮へい体であるレジンが存在する。内筒は、上方が開口した炭素鋼製の筒であり、γ線遮へい体である。金属製バスケットは、複数のセルを備え、それぞれのセル内に使用済燃料集合体が挿入されている。金属製バスケットは、沸騰水型軽水炉燃料の場合で最大約７０体の使用済燃料集合体を収納する。内筒の開口部には放射性物質の漏洩を防止する一次蓋が取り付けられ、さらにその外側に二次蓋が取り付けられる。

中性子遮へい材であるレジンは、水素原子を多数含む、すなわち水素数密度が高い物質であり、一般に高分子化合物が使用される。金属キャスクでは、耐熱性と水素数密度のバランスがよいという特徴を活かして、エポキシ系樹脂が多く用いられている。この場合には、液状のエポキシ主剤と硬化剤、これに難燃性を付与する水酸化アルミニウム等の金属水酸化物、および中性子吸収体である炭化ホウ素を均一になるように混合した後、混合の際に取り込まれた気泡を減圧環境下で脱泡する。このようにして得られた液状のレジンを、金属キャスクの内筒、外筒および伝熱フィンに囲まれるセクタにホース等によって充填する。
このようなエポキシ樹脂系レジンは、エポキシ主剤と硬化剤とが反応し、液状から固体へと硬化する。温度が高いほど反応速度は大きく、速やかに硬化する。また、硬化反応には発熱を伴う。そして、レジンの硬化は、常温において行われていた（例えば、特許文献１，２参照）。

特許第３１５０６７２号公報 特許第３６９２３１０号公報

ところで、レジンの硬化にあたっては、通常、ストリーミングの考慮が必要になるような隙間が生じないようにすることが必要である。そのためには、レジン内部で温度分布が生じないようにすることが最も有効であり、そのために、従来では、前記したように常温の環境温度でレジンを硬化させている。しかし、レジンの特性や硬化時の環境温度によっては硬化時間が長くなり、金属キャスクの製作日数への配慮が必要になる場合もあり得る。

そこで、レジンを加熱して硬化反応速度を大きくし、レジンの硬化時間を短縮することが考えられる。極めて概略的な評価をすると、レジン温度が１０℃高くなれば反応速度は２倍になり、硬化時間は半減する。ところで、レジンを加熱して硬化を促進することは一見容易であるが、金属キャスクのように大型でレジンを多量に必要とする場合には特有の難しさがある。その難しさは、レジンの硬化が発熱反応であること、レジン自体の熱伝導性が低いこと、およびレジンが硬化すると体積収縮を生じることに起因する。

金属キャスクの外部からレジンを加熱すると、前記のようにレジン自体の熱伝導性が低いことにより、レジン内部に温度分布が生じる。充填したレジン内部に一旦温度分布が生じると、温度の高い部分は先に硬化反応が進む。硬化は発熱反応であるため、その部分の温度はさらに高くなり、加えてレジンの熱伝導性が低いため、周囲に相対的に温度の低い部分があっても熱が伝わりにくい状況になる。こうして、レジン内部の温度差は広がっていく可能性がある。

このように、レジン内部に温度差が生じていることは、硬化反応の進み具合が場所によって異なっていることを意味する。つまり、先に硬化する領域は、体積収縮を起こし、その周辺にある硬化反応が十分に進んでいない、すなわち僅かながらも流動性があるレジンを引っ張る。後から硬化する領域のレジンは、先に硬化した領域に引っ張られて変形した状態となってから硬化が完了すると、極端な場合には、周囲部材の間に隙間を生じる可能性がある。

一例として、キャスクの外筒側から一様に加熱する場合を考える。この場合、セクタの平断面の中心からやや外筒寄りで、充填高さ方向に中央部となる部分において、レジンの硬化反応が最も速く進むと考えられる。一方、内筒側の上下端部においては、レジンの反応は最も遅くなると考えられる。その結果、内筒側の上下端部のレジンは、中央部に向かって引っ張られるかたちとなるので、レジンと、内筒あるいは内筒に近い方の伝熱フィンとの間に隙間が生じる可能性がある。このようにレジンと周囲の部材との間に隙間が生じる可能性がある場合には、そこからのストリーミングを考慮した遮へい設計を行う必要があり、例えば、遮へい厚さ自体を増やすことが考えられる。このことは、金属キャスクの重量増加に直結してしまう。

そこで、本発明の目的は、気泡や充填隙間等の遮へい欠損の発生を防止しつつ、充填したレジンの硬化に要する時間を短縮することができる金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法およびその施工方法により製作された金属キャスクを提供することにある。

すなわち、本発明では、レジンの充填高さ方向の下側から上側へ順に温度を変化（レジンを加熱）させてレジンを硬化させるようにしたので、温度を変化させない場合に比べてレジンの硬化に要する時間を短縮することができる。また、レジン中に気泡が生じていたり、レジンが硬化する際の温度差で、セクタ内に仮に充填隙間が形成されたりしても、レジンの温度が下側から上側へ順に変化されるので、硬化中の領域の上側には未硬化で流動性を有するレジンが存在し、硬化する過程でこれらの気泡や充填隙間にこの流動性を有するレジンが流れ込む。したがって、気泡や充填隙間が埋められる状態となる。しかも、検知工程によりレジンの液面高さが経時的に測定され、レジンの硬化収縮の終了が検知されるので、レジンの硬化収縮を確認しつつレジンの温度を下側から上側へ順に変化させることができ、気泡や充填間隙等の遮へい欠損が発生するのを好適に防止することができる。
ヒータを用いることによって、レジンの温度を簡単に変化させることができ、また、ヒータを断続的あるいは連続的に移動させることで、レジンの充填高さ方向の下側から上側へ順にレジンを加熱することができる。

また、硬化反応速度の速くされたレジンでは、冷却装置を用いて、硬化反応速度を調節し、冷却部による冷却をレジンが充填高さ方向の下側から上側へ順に解除することで、レジン充填方向の下側から上側へレジンを順に硬化させることができ、気泡や充填間隙等の遮へい欠損が発生するのを好適に防止しつつ、例えば、全体の硬化反応速度を遅らせて遮へい欠損の発生を防止したレジンの硬化を試みた場合に比べて、硬化に要する時間を大幅に短縮することができる。

また、このようにセクタに充填されたレジンが硬化されて製作された金属キャスクでは、遮へい欠損が生じず、製作日数も低減されて経済効果が高く、コスト低減を図れる。

本発明によれば、気泡や充填隙間等の遮へい欠損の発生を防止しつつ、充填したレジンの硬化に要する時間を短縮することができる金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法およびその施工方法により製作された金属キャスクが得られる。

次に、本発明の金属キャスクを適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態では、金属キャスクとして原子力発電所から発生する使用済燃料集合体を収納するための金属キャスクＣについて説明する。また、以下の説明において、「上」「下」は、金属キャスクＣが立てられた状態（図１（ｂ）の状態）を基準とする。
（第１実施形態）
図１（ａ）（ｂ）に示すように、金属キャスクＣは、使用済燃料集合体（不図示）を収納する内筒１と、この内筒１の外周に伝熱フィン２（図１（ａ）参照）を介して設けられた外筒３と、これらの内筒１、伝熱フィン２および外筒３で少なくとも囲まれて金属キャスクＣの軸線方向（後記するレジンＲの充填方向）に延設される状態に形成されたセクタ４と、このセクタ４に充填されて硬化される中性子遮へい材としてのレジンＲとを備えて構成される。
ここで、内筒１および外筒３は、放射線（主としてガンマ線等）を遮へいすることが可能な炭素鋼ないしステンレス鋼製である。
内筒１の上部開口には、図１（ｂ）に示すように、一次蓋１Ａおよび二次蓋１Ｂが取り付けられる。なお、外筒３の上部および下部には、金属キャスクＣの吊上げ吊下し等に使用される図示しないトラニオンが周方向に所定の間隔を置いて複数個設けられている。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、内筒１の内側には、使用済燃料集合体（不図示）を納めるバスケット５ａを収容するためのキャビティ５が設けられている。バスケット５ａは、中性子吸収材を含む平板状の金属板を平面視で格子状に組んでなる。金属板としては、ボロン含有ステンレス鋼の他、熱伝導率の大きいボロン含有アルミニウム合金等が用いられる。

セクタ４は、前記したように、内筒１、伝熱フィン２および外筒３で少なくとも囲まれて金属キャスクＣの周方向略全体に設けられており、それぞれが平面視で扇形（図１（ａ）参照）を呈している。伝熱フィン２は、熱伝導性に優れた材料、例えば、銅、炭素鋼と銅とのクラッド材等からなる。伝熱フィン２の一端が内筒１の外周面に溶接され、また、他端が外筒３の内周面に溶接されている。
セクタ４に充填されるレジンＲは、中性子線を遮へいすることが可能であり、例えば、耐熱性と水素数密度のバランスがよいという特徴を活かして、エポキシ系樹脂が利用される。この場合には、液状のエポキシ主剤と硬化剤、これに難燃性を付与する水酸化アルミニウム、および中性子吸収体である炭化ホウ素を均一になるように混合してなる。ここで、セクタ４の厚さ（大きさ）は、収納される使用済燃料集合体の特性等を考慮して適宜決定される。なお、本実施形態の金属キャスクＣでは、図１（ｂ）に示すように、一次蓋１Ａおよび内筒１の底部１Ｃにも、同様のレジンＲが充填されて硬化されている。

本実施形態では、セクタ４に充填されるレジンＲを、温度変化手段としてのヒータＨで加熱して硬化させている。ヒータＨは、図２（ａ）に示すように、可撓性を備えた板状の絶縁体からなる基体２０Ａと、この基体２０Ａに内設された電気抵抗体からなる電熱線２０と、基体２０Ａの周縁部に設けられ、金属キャスクＣの外筒３に取り付けるための磁石２１とを主として備えて構成される。このようなヒータＨは、図２（ｂ）に示すように、金属キャスクＣの外筒３に巻き付けた状態で装着可能であり、外筒３を通じてセクタ４に充填されたレジンＲを加熱することが可能となっている。本実施形態では、ヒータＨの高さ寸法ｈに基づく加熱領域ＨＤ１，ＨＤ２等の高さ（図３（ａ）〜（ｃ）参照）を、レジンＲの充填高さ（液面ＲＦの高さ）ｈ１のおよそ１／６（１／５〜１／１０の範囲）となるように設定してある。なお、ヒータＨの一端部２２は、図２（ａ）に示すように、薄肉に形成されており、他端部２５に形成された段差に係合可能となっている。また、一端部２２に設けられたフック２３を他端部２５側に設けられた保持部２４に引っ掛けることで、端部同士が係止されるようになっている（図２（ｂ）参照）。

このようなヒータＨには、電力線Ｗを通じて電源７から電力が供給されるようになっている。電源７には、ヒータＨのオンオフを制御してヒータＨの加熱温度を制御する、図示しない制御装置を有している。なお、加熱温度の制御は、ヒータＨの所定箇所に設けられた図示しないサーモスタットからの信号等に基づいて行われる。

ヒータＨの加熱温度の制御（出力）は、次のような測定を踏まえて設定される。例えば、硬化反応に伴うレジンＲの単位量あたりの発熱量、熱伝導率および比熱を測定し、また、種々の温度におけるレジンＲの硬化反応速度を測定する。そして、これらの物性値を用いて、レジンＲの硬化反応の進み方を解析するシミュレータを作成する。そして、種々の出力のヒータＨによって外部から加熱したときのレジンＲの硬化反応がどのように進むかを計算し、全体がほぼ均一に硬化するような温度にレジンＲが加熱されるように、ヒータＨの出力を決定する。全体がほぼ均一に硬化するレジンＲの温度の目安としては、硬化中のレジンＲの最高温度が常に７０℃を超えないようにするか、硬化中のレジンＲの最高温度と最低温度の差が３０℃以下になるような条件である。
このような条件とすることによって、硬化中のレジンＲの反応がヒータＨにより加熱される領域内でほぼ均一になり、主として硬化収縮が局所に集中して生じる遮へい欠損を、好適に防止することができる。

次に、このようなヒータＨを用いて行われるレジンＲの施工方法について説明する。
はじめに、セクタ４に異物等が入っていないかを目視等によって確認する。このとき、内部に結露水があれば、必要に応じてブロアー等によって乾燥する。

レジンＲの充填に先立ってセクタ４に図示しない離型剤を塗布する。離型材は、シリコーン系化合物をトルエン等の溶剤に溶かしたものが適用できる。例えば、エポキシ用の公知の離型剤を使用することができる。離型剤の塗布には、スプレーにより噴霧する方法、あるいは離型材を含浸したウェスにより塗布する方法等が適用できる。その後、所定時間放置して、離型剤に含まれる溶剤を揮発させる。

次に、セクタ４にレジンＲを充填する。レジンＲは、図示しない配合装置内でエポキシ主剤、硬化剤、難燃剤および中性子吸収材を混練して、真空脱泡した後、加圧しながらホース等によってセクタ４に充填する。ホース等を用いる場合には、セクタ４の底まで吐出口（先端）を挿入してから充填を開始し、充填中は、上昇してくるレジンＲの液面高さにあわせてホースの吐出口を上昇させ、吐出口の高さ調節を行う操作をする。

その後、金属キャスクＣの外筒３の下部に、図２（ｂ），図３（ａ）に示すように、ヒータＨを装着する（第１の位置、図３（ａ）参照）。この場合、ヒータＨは、図３（ａ）に示すように、セクタ４の底部４ａに対応する位置に、ヒータＨの下部がかかる状態となるように装着する。つまり、セクタ４の底部４ａ付近にあるレジンＲもヒータＨによって確実に加熱されるようにヒータＨを装着する。

ヒータＨを装着したら、電源７（図２（ｂ）参照）のスイッチを投入して、ヒータＨに電力を供給する。これによって、ヒータＨの第１の位置に対応してセクタ４内のレジンＲが加熱される。このとき、ヒータＨによる加熱がセクタ４の上側にも伝わるので、ヒータＨによって加熱される加熱領域ＨＤ１は、ヒータＨの高さｈ以上にセクタ４の上側にも及ぶこととなる。

ヒータＨによる加熱の開始とともに、レジンＲの液面ＲＦの高さ測定（液面ＲＦの位置の測定）を開始する。これは、加熱領域ＨＤ１におけるレジンＲの硬化収縮の収束状況を確認して、ヒータＨの移動のタイミングを把握するためである。つまり、ヒータＨによる加熱によってレジンＲの硬化が進むと、硬化収縮によってレジンＲの液面ＲＦが下がってくる。そこで、液面ＲＦの位置を所定時間、例えば、１時間ごとに記録し、その位置の変化が十分小さくなった時点で加熱領域ＨＤ１のレジンＲの硬化が完了したことを判断することができる。
このことを、図４を参照して説明すると、加熱開始後に液面ＲＦの高さｈ１がしだいに低くなる方向へ変化し始め（時刻Ｔ１’）、その後、変化の傾きは大きくなる（時刻Ｔ１’’）。そして、加熱領域ＨＤ１におけるレジンＲの硬化収縮が収束に向かい始めると、液面ＲＦの高さｈ１の変化が十分小さくなり、その後、ほとんど変化しない状態となる（時刻Ｔ２）。この時点で、加熱領域ＨＤ１におけるレジンＲの硬化収縮が終了したことを確認することができる。

ところで、レジンＲ中に気泡が生じていたり、レジンＲが硬化する際の温度差で、加熱領域ＨＤ１に、図５に示すように、仮に充填隙間Ｂが形成されたりしたとしても、この上側には、図３（ａ）に示すように、未硬化で流動性を有するレジンＲ’が存在し、硬化する過程でこれらの気泡や充填隙間Ｂにこの流動性を有するレジンＲ’が流れ込む。したがって、気泡や充填隙間Ｂが埋められる状態となる。なお、液面ＲＦの位置を記録する時間は、任意に設定することができる。

前記のように加熱領域ＨＤ１の硬化収縮の終了が確認されたら、ヒータＨを第１の位置から取り外し、図３（ｂ）に示すように、第１の位置よりも上方位置となる第２の位置に移動させて取り付ける。本実施形態では、第２の位置にヒータＨを移動させて取り付けた状態で、ヒータＨの加熱領域ＨＤ２が、その下のレジンＲの硬化した領域ＲＨに及ぶ（重なる）ようにしてある。これによって、符号ＨＤ１’で示される部分の領域が、ヒータＨの移動前および移動後のいずれにおいてもオーバーラップして加熱される領域となり、ヒータＨの移動によって加熱されない領域が形成されないようにしてある。これによって、レジンＲの加熱による硬化が確実に行われる。

第２の位置におけるレジンＲの液面ＲＦの高さｈ１と時刻Ｔとの関係を再び図４を参照して説明すると、第２の位置においてヒータＨの加熱を開始すると、液面ＲＦの高さｈ１がしだいに低くなる方向へ変化してゆき（時刻Ｔ２’）、その後、高さｈ１の変化が十分小さくなり、ほとんど変化しなくなる状態となる（時刻Ｔ３）。したがって、この時点で、加熱領域ＨＤ２におけるレジンＲの硬化収縮が終了したと確認することができる。

このように加熱領域ＨＤ１の硬化収縮の終了が確認されたら、ヒータＨを第２の位置から取り外し、図３（ｃ）に示すように、第２の位置よりも上方位置となる第３の位置に移動させて取り付ける。この場合にも、第３の位置にヒータＨを移動させて取り付けた状態で、ヒータＨの加熱領域ＨＤ３が、その下のレジンＲの硬化した領域ＲＨに及ぶようにしてある。これによって、符号ＨＤ２’で示される部分の領域が、ヒータＨの移動前および移動後のいずれにおいても、加熱される領域となり、ヒータＨの移動によって加熱されない領域が形成されないようにしてある。これによって、レジンＲの加熱による硬化が確実に行われる。

その後、同様にして、硬化収縮の終了の確認（Ｔ４，Ｔ５）とともにヒータＨを上方へ移動させて取り付け、同様に、ヒータＨの加熱によるレジンＲの硬化を行う。そして、最上端位置（レジンＲの液面ＲＦにかかる位置）にヒータＨを移動した後、ヒータＨによる加熱でレジンＲの硬化収縮の終了が確認（Ｔ６）されたら、ヒータＨを金属キャスクＣの外筒３から取り外す。これによって、セクタ４に充填されたレジンＲの全体の硬化収縮が終了する。

なお、レジンＲの全体が硬化した後に、レジンＲの硬化収縮分の高さ調節を行うため少量のレジンＲを追加充填して硬化させてもよい。最終的には、レジンＲの熱膨張分を考慮して、セクタ４の上部に、空隙部が形成される状態にレジンＲが硬化されるように調節する。そして、硬化後にレジンＲの高さや表面状態を検査し、検査後、図１（ｂ）に示すように、蓋部６をセクタ４の開口縁に溶接して固定し、セクタ４を密閉する。これによって、レジンＲの充填に係る施工作業を終了する。
なお、レジンＲの充填よりも先にヒータＨを第１の位置に装着しておいてもよい。

以下では、本実施形態において得られる効果を説明する。
（１）レジンＲを下側から上側へ順に加熱して硬化させるようにしたので、加熱によってレジンＲの硬化に要する時間を短縮することができる。
（２）レジンＲ中に気泡が生じていたり、レジンＲが硬化する際の温度差で、セクタ４内に仮に充填隙間Ｂが形成されたりしても、レジンＲが充填方向の下部側から上部側へ順次加熱されるので、加熱領域（図３（ａ）では、加熱領域ＨＤ１）の上側には未硬化で流動性を有するレジンＲ’が存在し、硬化する過程でこれらの気泡や充填隙間Ｂに流動性を有するレジンＲ’が流れ込む。したがって、気泡や充填隙間Ｂが埋められる状態となり、遮へい欠損が発生するのを好適に防止することができる。
また、以下の理由により、レジンＲ中に気泡が生じていなことを確認できる。硬化前のレジンＲの液面ＲＦの高さｈ１と硬化後のレジンＲの液面ＲＦの高さｈ１との差は、基本的には硬化収縮率から予測できるはずである。しかし、実際には、レジンＲの配合誤差やレジンＲ自体の温度によりレジンＲの比重のばらつきが生じるので、その影響も受ける。すなわち、そのばらつき分があるため、レジンＲの内部に気泡が発生していても、それがばらつきにより生じているのか、気泡によって生じているのかを検知することができない。
これに対して、本実施形態では、下側から上側へレジンＲが順に硬化されることによって気泡の発生リスクを極小化しているので、レジンＲの高さの変化が予測ばらつきの範囲内に入っていれば、レジンＲの内部に気泡が生じている可能性が極めて低いと考えられ、遮へい欠損が発生することが好適に防止された金属キャスクＣのレジンＲの施工方法が得られる。
（３）レジンＲの液面高さｈ１を経時的に測定して、加熱されている領域のレジンＲの硬化収縮の終了を検知し、この検知によってヒータＨをレジンＲの充填方向上側へ移動させて、順に加熱するようにしたので、加熱されている領域が硬化されないまま次の領域が加熱されるということがなくなり、これによって、セクタ４内に気泡や充填隙間Ｂ等の遮へい欠損が発生するのを好適に防止することができる。
（４）液面高さｈ１を経時的に測定してその変化する速度から、加熱されている領域のレジンＲの温度が適正に維持されていることを確認することができる。液面高さｈ１が変化する速度は、加熱されている領域の反応速度に依存し、反応速度はレジンＲの温度に依存する。すなわち、液面高さｈ１が変化する速度から加熱されている領域のレジンＲの温度が推定される。したがって、液面高さｈ１の変化が所期の範囲内であれば、レジンＲの温度は適正範囲に入っており、過度な温度上昇による硬化反応のムラがないことが確認できる。
（５）ヒータＨは、断続的にレジンＲの充填方向の下側から上側へ移動されて取り付けられ、ヒータＨによる加熱領域ＨＤ１，ＨＤ２等の高さは、液面高さｈ１の１／６（１／５〜１／１０の範囲）に設定されるので、一回に加熱されるレジンＲの体積を小さくすることができ、これによって、硬化中のレジンＲの温度が均一になり易い。なお、硬化収縮が局所に集中したとしても、収縮量自体が小さいので、遮へい欠損としての影響がない。
（６）ヒータＨの移動にともなって、図３（ｂ）（ｃ）に符号ＨＤ１’，ＨＤ２’で示される部分の領域が、ヒータＨの移動前および移動後のいずれにおいてもオーバーラップして加熱される領域となるので、これによって、移動の前後にわたってレジンＲの加熱による硬化が確実に行われる。したがって、遮へい欠損が発生することがより一層好適に防止される。
（７）ヒータＨの出力は、硬化中のレジンＲの温度が常に７０℃を超えないように設定されるか、加熱されている領域のレジンＲの最高温度と最低温度との差が３０℃以下になるように設定されるので、加熱されている領域内での反応が均一になり、硬化収縮が局所に集中して遮へい欠損が生じる不具合を好適に防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態である金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法を説明する。本実施形態では、セクタ４の下側から上側へヒータＨを連続的に移動させて、レジンＲを下側から上側へ硬化させるようにした点が異なっている。
図６に示すように、金属キャスクＣの上部には、ヒータＨを吊上げて移動させるための吊上げ装置１０が取り付けられる。吊上げ装置１０は、制御部１１と、この制御部１１によって駆動が制御されるモータ１２と、このモータ１２の回転によって作動される巻上げ機構１３と、この巻上げ機構１３に巻き付けられた吊下部材Ｙ１，Ｙ２とを有して構成される。

制御部１１は、ヒータＨが移動しつつ加熱する間に、対応する領域のレジンＲが完全に硬化する状態となるように、ヒータＨの上昇速度を所定の速度に制御すべく、モータ１２の駆動を制御するようになっている。そのために、本実施形態では、モータ１２を図示しないインバータ回路等の制御によって所定の低速度で安定した状態に回転させるようになっている。例えば、ヒータＨの上昇速度は、金属キャスクＣの全体の熱容量およびレジンＲの硬化反応速度との関係から導き出される所定の速度として設定される。
なお、本実施形態においても、前記のように、硬化中のレジンＲの最高温度が常に７０℃を超えないように、また、硬化中のレジンＲの最高温度と最低温度の差が３０℃以下になるような条件で、ヒータＨの加熱温度の制御が行われる。

本実施形態におけるヒータＨによる加熱を、再び図３（ａ）を参照しつつ説明すると、はじめに、図３（ａ）に示した第１の位置にヒータＨを停滞させて、加熱領域ＨＤ１のレジンＲを硬化させる。そして、この加熱領域ＨＤ１のレジンＲが十分に硬化した時点で、吊上げ装置１０を作動させる。すると、制御部１１の駆動制御によってモータ１２が駆動制御され、巻上げ機構１３に吊下部材Ｙ１，Ｙ２が巻き付けられてヒータＨが連続的に移動（上方向の移動）する。そして、移動に伴って、レジンＲが下側から上側に加熱されて硬化される。ヒータＨが最上端位置まで移動した後は、上端部のレジンＲが硬化するのに必要な時間、ヒータＨによる加熱が行われ、ヒータＨによるレジンＲの硬化収縮が終了する。そして、その後、ヒータＨおよび吊下げ装置１０が金属キャスクＣから取り外される。

本実施形態では、ヒータＨが充填方向の下側から上側へ連続的に移動されてレジンＲが同方向へ連続的に加熱されるので、レジンＲ中に気泡が存在したり硬化する過程で充填隙間Ｂが形成されたりしても、これらに対して流動性を有するレジンＲ’（図３（ｂ）参照）が流れ込み易くなり、これらがより一層好適に埋められる状態となる。したがって、遮へい欠損が発生するのをより一層好適に防止することができる。

なお、ヒータＨの磁石（不図示）には、外筒３との接触面に、滑りをよくするためのコーティング処理等を施してもよい。このようにすることで、吊下げ装置１０によるヒータＨの上昇動作がスムーズに行われるようになる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態である金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法を説明する。本実施形態では、金属キャスクＣの仕様により、硬化反応速度の速いレジンＲがセクタ４に充填される場合を想定したものであり、温度変化手段としての冷却装置３０を用いて、硬化反応速度を調節し、レジンＲの充填方向の下側から上側へレジンＲを順に硬化させるようにした点が異なっている。
図７に示すように、冷却装置３０は、冷却器３０Ａ〜３０Ｄと、これらの冷却器３０Ａ〜３０Ｄに冷却配管３１，３２を介してそれぞれ接続され、冷却器３０Ａ〜３０Ｄからの冷却水が供給される冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４とを備えて構成される。

冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４は、内部に冷却水が循環する金属製のパイプが設けられており、金属キャスクＣの外筒３に図示しない取付手段（磁石やベルト等）によってそれぞれ取り付けられる。本実施形態では、冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４によってレジンＲの充填方向に、冷却される領域を分割しており、各領域が金属キャスクＣの周囲の温度よりも５℃ないし１０℃低い温度に冷却されて維持されるように、各冷却器３０Ａ〜３０Ｄ、各冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４の冷却能力が設定されている。

次に、このような冷却装置３０を用いて行われるレジンＲの施工方法について説明する。
ここで、レジンＲの充填は、前記第１実施形態と基本的に同様である。ただし、本実施形態で想定しているような比較的反応速度の速いレジンＲの場合では、レジンＲの温度の管理に十分な配慮が必要である。つまり、レジンＲが所定温度よりも高いと、硬化反応時にムラを生じやすく、また、逆にレジンＲが所定温度よりも低い場合には、レジンＲの粘度が高くなるため充填が行い難く、気泡を巻き込む確率も高くなるからである。

レジンＲの充填後、図７に示すように、各冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４を金属キャスクＣの外筒３に取り付け、冷却器３０Ａ〜３０Ｄを作動させる。そうすると、冷却器３０Ａ〜３０Ｄから冷却配管３１を通じて各冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４に冷却水が供給され、冷却配管３２を通じて再び冷却器３０Ａ〜３０Ｄに戻されるという循環が繰り返され、各冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４を通じて各領域が所定温度に冷却される。

本実施形態では、外筒３の下部に冷却ジャケットＪ１が取り付けられておらず、図８（ａ）に示すように、この部分が非冷却領域Ｄ１となる。つまり、非冷却領域Ｄ１では、金属キャスクＣの周囲の温度条件に対応してレジンＲの硬化反応が進む。一方、冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４が取り付けられた領域では、所定温度に冷却されていることで、レジンＲの硬化反応速度が遅くなる。なお、冷却ジャケットＪ１によって冷却される冷却領域ＣＤ１は、冷却ジャケットＪ１の高さ寸法以上にセクタ４の上下方向に及ぶこととなる。このことは、他の冷却ジャケットＪ２〜Ｊ４についても同様である。

そして、非冷却領域Ｄ１におけるレジンＲの硬化収縮の終了を確認するために、前記第１実施形態と同様に、液面ＲＦの高さｈ１の測定を開始する。この場合にも、非冷却領域Ｄ１のレジンＲの硬化が進むと、硬化収縮によってレジンＲの液面ＲＦが下がってくる。そこで、液面ＲＦの位置を所定時間、例えば、１時間ごとに記録し、その位置の変化が十分小さくなった時点で非冷却領域Ｄ１のレジンＲの硬化が終了したことを判断する。

ところで、レジンＲ中に気泡が生じていたり、レジンＲが硬化する際の温度差で、非冷却領域Ｄ１に、前記図５に示すように、仮に充填隙間Ｂが形成されたりしても、この上側には、図８（ａ）に示すように、未硬化で流動性を有するレジンＲ’が存在し、硬化する過程でこれらの気泡や充填隙間Ｂに流動性を有するレジンＲ’が流れ込む。したがって、気泡や充填隙間Ｂが埋められる状態となる。

前記のように非冷却領域Ｄ１の硬化収縮の終了が確認されたら、冷却器３０Ａを停止し、冷却ジャケットＪ１による冷却を終了する。冷却ジャケットＪ１の冷却が終了されると、図８（ｂ）に示すように、これに対応する領域が非冷却領域Ｄ２となって、金属キャスクＣの周囲の温度条件に対応して温度が上昇し、この非冷却領域Ｄ２におけるレジンＲの硬化反応が進む。

その後、同様に、非冷却領域Ｄ２におけるレジンＲの硬化収縮の終了を、液面ＲＦの高さｈ１の測定から確認したら、次の領域に対応した冷却器３０Ｂを停止して、冷却ジャケットＪ２による冷却を終了する。冷却ジャケットＪ２の冷却が終了されると、図８（ｃ）に示すように、これに対応する領域が非冷却領域Ｄ３となり、金属キャスクＣの周囲の温度条件に対応して温度が上昇し、この非冷却領域Ｄ３におけるレジンＲの硬化反応が進むこととなる。

その後、同様にして、液面ＲＦの高さｈ１の測定から硬化収縮の終了を確認して、冷却器３０Ｃ，３０Ｄを順に停止させ、対応する冷却ジャケットＪ３，Ｊ４への冷却水の供給をそれぞれ終了し、対応する部分のレジンＲの硬化を順に行う。そして、最終的に、最上端の冷却ジャケットＪ４に対応する部分で、レジンＲの硬化収縮の終了が確認されたら、レジンＲの液面ＲＦの高さｈ１やその表面状態を検査する。そして、検査後、図１（ｂ）に示すように、蓋部６をセクタ４の開口縁に溶接して固定し、セクタ４を密閉する。これによって、レジンＲの充填に係る施工を終了する。

本実施形態では、比較的硬化反応速度の速いレジンＲを用いた金属キャスクＣにおいて、セクタ４内に気泡や充填隙間Ｂ等の遮へい欠損が発生するのを好適に防止しつつ、例えば、全体の硬化反応速度を遅らせて遮へい欠損の発生を防止したレジンＲの硬化を試みた場合に比べて、硬化に要する時間を大幅に短縮することができる。

前記した第１，第２実施形態では、外筒３の周りにヒータＨを取り付けて、レジンＲを外筒３側から加熱するようにして硬化収縮させるようにしたが、これに限られることはなく、内筒１の内周面にヒータＨを取り付け、これをレジンＲの充填方向の下側から上側へ段階的にあるいは連続的に移動させることで、レジンＲを内筒１側から加熱して硬化収縮させるように構成してもよい。
また、外筒３側と内筒１側との両方にヒータＨを取り付けて、両側からレジンＲを加熱するように構成してもよい。このように構成することで、レジンＲの加熱を効率よく行うことができ、気泡や充填隙間Ｂ等の遮へい欠損の発生を防止しつつ、充填したレジンＲの硬化に要する時間をさらに短縮することができる。

また、前記した第３実施形態では、外筒３の周りに冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４を取り付けて冷却するように構成したが、これに限られることはなく、内筒１の内周面にこれらの冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４を取り付け、これを制御するように構成してもよい。

さらに、図９（ａ）（ｂ）に示すように、内筒１のキャビティ５の底面にヒータＨ１を設置して、内筒１の内側底面から主として内筒１を加熱し、内筒１側から伝わる熱でセクタ４に充填されたレジンＲを硬化収縮させるように構成してもよい。なお、ヒータＨ１には、電力線Ｗ１を通じて電源７から電力が供給される（図９（ｂ）参照）。
この場合にも、セクタ４に充填されたレジンＲは、充填方向の下側から上側に向けて徐々に加熱されるようになり、下側から硬化収縮するようになる。このように、レジンＲが下側から徐々に硬化収縮されるので、充填隙間Ｂ（図５参照）がより形成されにくくなり、また、仮にこれが形成されたとしても、未硬化で流動性を有するレジンＲ’が流れ込んで、気泡や充填隙間Ｂが好適に埋められることとなる。したがって、遮へい欠損が発生するのを好適に防止することができる。

なお、図９（ａ）（ｂ）に示すように、ヒータＨ１からの熱が内筒１および外筒３の上側へ良好に伝わるように、内筒１および外筒３に断熱材３５，３６を装着するように構成してもよい。断熱材３５，３６としては、無機繊維系断熱材や硬質ウレタンフォーム等、種々のものを採用することができる。

また、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、円環状のヒータＨ２を底部１Ｃに予め埋設して、底部１Ｃ側から内筒１および外筒３に伝わる熱でセクタ４に充填されたレジンＲを加熱して硬化させるように構成してもよい。

なお、前記第１〜第３実施形態では、金属キャスクＣの外筒３の全周をカバーするヒータＨや冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４を示したが、これに限られることはなく、外筒３の一部をカバーする寸法に形成してもよい。例えば、レジンＲが充填されているのが全てのセクタ４ではなくて一部のセクタ４だけであるような場合には、その領域だけの加熱や冷却を行うことができるように、寸法を設定してヒータＨや冷却ジャケットＪ１〜Ｊ４を形成してもよい。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る金属キャスクの中性子遮へい部材の施工方法により製作される金属キャスクを示す模式横断面図、（ｂ）は同じく模式縦断面図である。 （ａ）は使用されるヒータの模式斜視図、（ｂ）はヒータの装着状態を示す要部の部分拡大図である。 （ａ）〜（ｃ）は施工手順の説明図である。 レジンの液面の高さと時刻との関係を示す図である。（ａ）は本発明の一実施形態に係る金属キャスクのその他の例を示す模式横断面図、（ｂ）は同じく模式縦断面図である。 充填隙間の様子を示す模式横断面図である。 本発明の第２実施形態に係る金属キャスクの中性子遮へい部材の施工方法を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係る金属キャスクの中性子遮へい部材の施工方法を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は施工手順の説明図である。 （ａ）はヒータの取付位置のその他の例に係る金属キャスクを示す模式横断面図、（ｂ）は同じく模式縦断面図である。 （ａ）はヒータの取付位置のその他の例に係る金属キャスクを示す模式横断面図、（ｂ）は同じく模式縦断面図である。

符号の説明

１ 内筒
２ 伝熱フィン
３ 外筒
４ セクタ
５ キャビティ
５ａ バスケット
６ 蓋部
７ 電源
１０ 吊上げ装置
２１ 磁石
３０ 冷却装置（温度変化手段）
３０Ａ〜３０Ｃ 冷却器
３５ 断熱材
Ｂ 充填隙間
Ｃ 金属キャスク
Ｈ ヒータ（温度変化手段）
Ｈ１ ヒータ（温度変化手段）
Ｈ２ ヒータ（温度変化手段）
ＨＤ１〜ＨＤ３ 加熱領域
ｈ ヒータの高さ
ｈ１ 充填高さ
Ｊ１〜Ｊ４ 冷却ジャケット
Ｒ レジン（中性子遮へい材）
Ｒ’ レジン（中性子遮へい材）
ＲＦ 液面
ＲＨ 硬化領域

Claims (13)

1. 使用済原子燃料を納めるバスケットを収容するためのキャビティが設けられた内筒と、この内筒の外周に伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記内筒、前記伝熱フィンおよび前記外筒で囲まれて形成されたセクタと、を備え、前記セクタに中性子遮へい材としてのエポキシ樹脂系レジンが充填されて硬化される金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法であって、
   液状の前記レジンを前記セクタに充填する充填工程と、
   前記レジンの充填高さ方向の下側から上側へ前記レジンの温度を変化させる温度変化手段によって前記レジンを下側から上側へ順に硬化させる硬化工程と、を含み、
   前記硬化工程は、前記レジンの液面の位置を経時的に測定することで前記レジンの硬化収縮の終了を検知する検知工程を含むことを特徴とする金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
2. 前記温度変化手段が前記外筒および前記内筒の少なくとも一方に装着されるヒータであり、前記硬化工程は、前記ヒータによる加熱領域を、前記レジンの充填高さ方向の下側から上側へ順次移動させるものであることを特徴とする請求項１に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
3. 前記加熱領域は、前記レジンの充填高さ方向に断続的に移動されるようになっており、前記検知工程によって前記レジンの硬化収縮の終了を検知した後に、上側へ所定量移動されることを特徴とする請求項２に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
4. 前記加熱領域は、前記レジンの充填高さ方向に連続的に移動されるようになっており、その移動速度が、前記金属キャスクの所定の熱容量と前記レジンの硬化反応速度との関係で決まる速度とされていることを特徴とする請求項２に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
5. 前記ヒータは、前記レジンの充填高さよりも低い高さを備えて形成されており、前記加熱領域の移動が当該ヒータ自体を充填高さ方向上側へ移動させることによって行われることを特徴とする請求項２から請求孔４のいずれか１項に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
6. 前記ヒータの出力は、硬化中の前記レジンの温度上昇分を含めて前記レジンの温度が７０℃を下回る温度に抑えられて加熱される仕様であることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
7. 前記ヒータの出力は、前記ヒータにより加熱されている領域の前記レジンの最高温度と最低温度との差が３０℃以下に設定される仕様であることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
8. 前記ヒータにより一度に加熱される加熱領域の高さは、前記セクタにおける前記レジンの充填高さの１／５ないし１／１０の高さに設定されることを特徴とする請求項２から請求７のいずれか１項に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
9. 使用済原子燃料を納めるバスケットを収容するためのキャビティが設けられた内筒と、この内筒の外周に伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記内筒、前記伝熱フィンおよび前記外筒で囲まれて形成されたセクタと、を備え、前記セクタに中性子遮へい材としてのエポキシ樹脂系レジンが充填されて硬化される金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法であって、
   液状の前記レジンを前記セクタに充填する充填工程と、
   前記レジンの充填高さ方向の下側から上側へ前記レジンの温度を変化させる温度変化手段によって前記レジンを下側から上側へ順に硬化させる硬化工程と、を含み、
   前記温度変化手段が、前記外筒および前記内筒の少なくとも一方に装着される冷却部を備えて、前記レジンを前記金属キャスクの周囲の温度よりも低い温度に冷却することが可能な冷却装置であり、
   前記硬化工程は、前記冷却部によって前記レジンを冷却して前記レジンの硬化反応を遅らせつつ、前記レジンの充填高さ方向の下側から上側へ前記冷却部による冷却を順に解除することで前記レジンが充填高さ方向の下側から上側へ順に硬化されるものであり、
   前記レジンの液面の位置を経時的に測定することで、前記冷却部による冷却が解除された領域での前記レジンの硬化収縮の終了を検知する検知工程を含むことを特徴とする金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
10. 使用済原子燃料を納めるバスケットを収容するためのキャビティが設けられた内筒と、この内筒の外周に伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記内筒、前記伝熱フィンおよび前記外筒で囲まれて形成されたセクタと、を備え、前記セクタに中性子遮へい材としてのエポキシ樹脂系レジンが充填されて硬化される金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法であって、
    液状の前記レジンを前記セクタに充填する充填工程と、
    前記レジンの充填高さ方向の下側から上側へ前記レジンの温度を変化させる温度変化手段によって前記レジンを下側から上側へ順に硬化させる硬化工程と、を含み、
    前記温度変化手段が、前記金属キャスクの底部に設置した底部ヒータであり、
    前記硬化工程は、前記底部ヒータによって前記レジンを充填高さ方向の下側から上側へ加熱して硬化させるものであることを特徴とした金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
11. 前記底部ヒータによって前記レジンを加熱する際に、前記外筒の外周面および前記内筒の内周面のうち、少なくともいずれかの一部に断熱材が設置されることを特徴とする請求項１０に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
12. 前記底部ヒータは、硬化中の前記レジンの温度上昇分を含めて前記レジンの温度が常に７０℃を下回る温度に抑えられて加熱される仕様であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の金属キャスクの中性子遮へい材の施工方法によって前記セクタに充填された前記レジンが硬化されて製作されたことを特徴とする金属キャスク。

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