JP2014005515A - 接合構造および使用済み核燃料用保管具 - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく防錆層を形成することができる接合構造およびこの接合構造で接合された使用済み核燃料用保管具を提供する。
【解決手段】本体胴２のフランジ（接合面）３ｃを被覆し防錆するための第１防錆層５と、蓋４の接合面４ｃを被覆し防錆するための第３防錆層７と、第１防錆層５および第３防錆層７にそれぞれ気密に密着する金属ガスケット（シール体）９とを備え、第１防錆層５および第３防錆層７の少なくとも一部は、溶射によって形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの部材を気密に接合する接合構造、および、この接合構造で接合された使用済み核燃料を保管するための使用済み核燃料用保管具に関する。

従来より、使用済み核燃料を保管する方法として、不活性ガスが充填されたキャスクとよばれる保管具内で使用済み核燃料を乾式保管する方法がある。この場合、キャスク外部へ放射線が漏洩しないように長期間にわたる気密の確保が要求されている。
例えば、特許文献１および２に開示されたキャスクは、使用済み核燃料を収容する有底筒状の本体胴と、本体胴の開口を閉塞する蓋とを備え、本体胴および蓋の互いに対向する接合面の間にシール体が介装されていて、これにより気密を確保している。
このシール体には、ゴム製のものや金属製のものがあり、使用時に高温となるおそれがある場合は、金属製のシール体が使用されている。

シール体を介して接合される本体胴と蓋との接合構造では、高い気密性を要求されるため（例えば、ヘリウムリーク試験において、１×１０^−６Ｐａ・ｍ^３／ｓレベル）、本体胴および蓋においても、シール体が密着する接合面の高い防錆性や、この接合面にリークにつながる欠陥が存在しないことが要求されている。
このため、例えば鋼製の本体胴および蓋の場合、本体胴および蓋の接合面には、耐蝕性を有するステンレス鋼のオーバレイ溶接などによって防錆層が形成されている。そして、この防錆層の特にシール体が接する接合面の表面は精密な機械加工によって鏡面に近い状態に形成されている。

特開２００４−１１７００８号公報 特開２００８−０８９４８７号公報

しかしながら、従来の本体胴と蓋との接合構造では、防錆層の形成において溶接および精密な機械加工を行うため、溶接時の熱によって溶接歪が生じることから、その歪分を考慮した加工取代を設ける必要があり、また、気密性を保持するための精密な機械加工を行う必要があることから、多大な時間とコストがかかるという問題がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、効率よく防錆層を形成することができる接合構造およびこの接合構造で接合された使用済み核燃料用保管具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る接合構造は、２つの部材を気密に接合する接合構造であって、前記２つの部材の互いに対向する接合面をそれぞれ被覆し防錆するための防錆層と、前記２つの部材の防錆層にそれぞれ気密に密着するシール体とを備え、前記防錆層の少なくとも一部は、溶射によって形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る使用済み核燃料用保管具は、開口を有する容器状の本体胴と、該本体胴の開口を閉塞する蓋部とを備え、前記本体胴と前記蓋部の接合部が上記の接合構造で接合されていることを特徴とする。

本発明では、防錆層の少なくとも一部は、溶射によって形成されていることにより、オーバレイ溶接などの溶接と比べて容易に防錆層を形成することができる。
また、溶射は、溶接と比べて接合面への熱の影響が少ないため、材料の変形や歪みを抑制することができる。これにより、防錆層の表面が平滑に形成されるため、防錆層の表面に施す機械加工の作業を軽減または不要とすることができる。

また、本発明に係る接合構造では、溶射によって形成されている前記防錆層の少なくとも一部は、低温溶射により形成されていてもよい。
ここでは、低温溶射とは、溶射材を溶融させることなく、不活性ガスとともに超音速流で固相状態のまま接合面に衝突させて防錆層を形成する溶射のことを示し、溶射材を溶融させて行う溶射と比べて溶射温度を低く設定することができる。

そして、この低温溶射によって、防錆層の少なくとも一部が形成されているため、接合面への熱の影響をより少なくすることができるとともに、形成された防錆層の酸化を最小限とすることができる。
また、溶射温度が低く設定されることで、形成された防錆層のポーラスを少なくすることができる。
これらのことにより、防錆層の表面に施す機械加工の作業を軽減または不要とすることができるとともに、シール体と防錆層とが確実に密着するため、保管具の気密性を確保することができる。

また、本発明に係る接合構造では、前記防錆層は、前記シール体と密着する部分が溶接により形成され、前記シール体と密着しない部分の少なくとも一部が溶射により形成されていてもよい。
このようにすることにより、防錆層は、シール体と密着する部分がシール体と確実に密着するため、保管具の気密性を確保することができる。

本発明によれば、防錆層の少なくとも一部が溶射によって形成されていて、防錆層を効率よく形成することができるため、防錆層の形成にかかるコストの削減や、時間の短縮を図ることができる。

本発明の第１実施形態による接合構造の一例を示す図である。 図１に示す接合構造の接合部分を説明する図である。 本発明の第２実施形態による接合構造の一例を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態による接合構造について、図１および図２に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態による接合構造１Ａは、使用済み核燃料を保管するためのキャスク２において、内部３ａ使用済み核燃料が収容される容器状の本体胴３と、本体胴３の開口３ｂを閉塞可能な蓋４とを接合する接合構造である。

本体胴３は、有底円筒状で、例えば、低合金鋼や炭素鋼などの材料で、肉厚が約３００ｍｍとなるように形成されている。そして、本体胴３には、開口３ｂ側端部に蓋４を取り付けるためのフランジ（接合面）３ｃが形成されている。
本体胴３は、フランジ３ｃおよび内部３ａに防錆処理が施されている。

フランジ３ｃは、ステンレス鋼を溶射することで形成された第１防錆層５によって被覆されている。
この第１防錆層５は、以下のように形成されている。
まず、フランジ３ｃの表面に、後に溶射される溶射材（ステンレス鋼）が確実に定着するようにブラスト処理などの前処理を行う。
続いて、溶射装置を点火して溶射材を所定の温度に昇温させて溶射を行う。このとき、溶射材を溶融させずに、不活性ガスとともに超音速流で固相状態のままフランジ３ｃに衝突させる低温溶射で第１防錆層５を形成することが好ましい。
このように、溶射材を溶融させずに溶射を行うことで、溶射材を溶融させて溶射を行う場合と比べて溶射温度を低くすることができるため、熱による材料の特性変化や、形成された第１防錆層５の酸化を最小限に抑えることができる。
なお、熱による材料の特性変化や、形成された第１防錆層５の酸化に問題がない場合は、溶射材を溶融させて溶射を行ってもよい。

続いて、溶射によって形成された第１防錆層５の粗度や膜厚などを確認する被膜検査を行い、研削、研磨などの機械加工による後処理を行う。また必要に応じて、封孔処理、加熱処理を施した後に研削、研磨などの機械加工による後処理を行う。
なお、第１防錆層５の形成は、１度の溶射で行ってもよいし、第１防錆層５を数層に分けて溶射を行ってもよい。
そして、この溶射によりフランジ３ｃが第１防錆層５によって被覆される。
本体胴３の内部３ａは、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶射することで形成された第２防錆層６（図１参照）によって被覆されている。

蓋４は、本体胴３の開口３ｂを覆うことができる大きさの円板状に、本体胴３と同じ材料で形成されている。蓋４は、本体胴３と接合されたときに本体胴３側となる面４ａの外縁部４ｂ近傍が、フランジ３ｃと対向するように構成されている。この本体胴３側の面４ａの外縁部４ｂ近傍を接合面４ｃとして以下説明する。
蓋４は、接合面４ｃおよび接合面４ｃの内側４ｄに防錆処理が施されている。

接合面４ｃは、フランジ３ｃと同様に、ステンレス鋼を溶射することで形成された第３防錆層７によって被覆されている。
また、接合面４ｃの内側４ｄは、本体胴３の内部３ａと同様に、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶射することで形成された第４防錆層８（図１参照）によって被覆されている。

このような本体胴３と蓋４とは、本体胴３の第１防錆層５と蓋４の第３防錆層７との間に、金属ガスケット（シール体）９が介装された状態で複数のボルト１０によって接合可能に構成されている。
金属ガスケット９は、リング状に形成されていて、第１防錆層５と第３防錆層７との間に介装されたときに、第１防錆層５および第３防錆層７に密着し、第１防錆層５と第３防錆層７との隙間を密封するように構成されている。
なお、図中では、金属ガスケット９を説明するために実際より大きい断面形状に記載している。実際には、第１防錆層５と第３防錆層７とが当接している。
このようなキャスク２は、本体胴３と蓋４とが接合された状態の気密性を、ヘリウムリーク試験によって検査されている。

次に、上述した第１実施形態による接合構造１Ａの効果について図面を用いて説明する。
上述した第１実施形態による接合構造１Ａでは、第１防錆層５および第３防錆層７が、溶射によって形成されていることにより、第１防錆層５および第３防錆層７をオーバレイ溶接などの溶接によって形成する場合と比べて、第１防錆層５および第３防錆層７を容易に形成することができる。また、溶射は、溶接と比べて、本体胴３や蓋４への熱の影響が少ないため、変形や歪みを抑制することができる。
これにより、第１防錆層５および第３防錆層７の表面が平滑に形成されるため、第１防錆層５および第３防錆層７の表面に施す機械加工の作業を軽減または不要とすることができる。

また、第１防錆層５および第３防錆層７は、低温溶射により形成されていることにより、本体胴３や蓋４への熱の影響をより少なくすることができるとともに、形成された第１防錆層５および第３防錆層７の酸化をより抑えることができる。
さらに、溶射温度を低温とすることで、形成された第１防錆層５および第３防錆層７のポーラスを少なくすることができる。
これにより、第１防錆層５および第３防錆層７を効率よく形成することができるとともに、金属ガスケット９が第１防錆層５および第３防錆層７と確実に密着するため、キャスク２の気密性を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と異なる構成について説明する。
図３に示すように、第２実施形態による接合構造１Ｂでは、フランジ３ｃを被覆する第１防錆層２１および蓋４の接合面４ｃを被覆する第３防錆層２２のうち、金属ガスケット９が密着する金属ガスケット密着部２１ａ，２２ａは溶接で形成され、金属ガスケット密着部２１ａ，２２ａ以外（以下、金属ガスケット非密着部２１ｂ，２２ｂとする）は、溶射で形成されている。

この第１防錆層２１および第３防錆層２２は、以下のように形成されている。
まず、金属ガスケット９が密着する金属ガスケット密着部２１ａ，２２ａの溶接を行い、この溶接の後に、金属ガスケット非密着部２１ｂ，２２ｂの溶射を行う。
この金属ガスケット非密着部２１ｂ，２２ｂの溶射は、第１実施形態と同様に行う。また、金属ガスケット非密着部２１ｂ，２２ｂの溶射を行うときに、金属ガスケット密着部２１ａ，２２ａの溶接部分にマスキングをしてもよい。
そして、第１実施形態と同様に、第１防錆層２１および第３防錆層２２の粗度や膜厚などを確認する被膜検査を行い、研削、研磨などの機械加工による後処理を行う。また、必要に応じて、封孔処理、加熱処理を施した後に研削、研磨などの機械加工による後処理を行う。

第２実施形態による接合構造１Ｂでは、金属ガスケット密着部２１ａ，２２ａが溶接によって形成されていることにより、第１実施形態のように溶射により第１防錆層５および第３防錆層７（図１参照）を形成する場合と比べポーラスが殆どないことから、金属ガスケット９が第１防錆層２１および第３防錆層２２により密着するため、キャスク２の気密性をさらに高めることができる。
なお、溶接により形成される金属ガスケット密着部２１ａ，２２ａの範囲を限定することにより、第１防錆層および第３防錆層全面を溶接により形成する場合と比べ、第１防錆層および第３防錆層の熱による歪が低減されるため、第１防錆層および第３防錆層の表面に施す機械加工の作業を軽減または不要とすることができる。

以上、本発明による接合構造の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した第１実施形態では、第１防錆層５および第３防錆層７が溶射によって形成されているが、第１防錆層５および第３防錆層７の一部が溶射によって形成されていればよい。
また、上述した第２実施形態では、金属ガスケット密着部２１ａ，２２ａは溶接で形成され、金属ガスケット非密着部２１ｂ，２２ｂは溶射で形成されているが、金属ガスケット非密着部２１ｂ，２２ｂの一部が溶射によって形成されていればよい。
また、上述した第２実施形態における金属ガスケット密着部２１ａ，２２ａを低温溶射で形成し、、金属ガスケット非密着部２１ｂ，２２ｂを低温溶射よりも高温の溶射で形成してもよい。
また、上述した実施形態では、第１防錆層５と第３防錆層７との間に金属ガスケット９が介装されているが、金属ガスケット９以外のシール体を介装してもよい。

１Ａ，１Ｂ 接合構造
２ キャスク（保管具）
３ 本体胴
３ａ 開口
３ｃ フランジ（接合面）
４ 蓋
４ｃ 接合面
５，２１ 第１防錆層（防錆層）
７，２２ 第３防錆層（防錆層）
９ 金属ガスケット（シール体）
１０ ボルト
２１ａ，２２ａ 金属ガスケット密着部
２１ｂ，２２ｂ 金属ガスケット非密着部

Claims (4)

1. ２つの部材を気密に接合する接合構造であって、
   前記２つの部材の互いに対向する接合面をそれぞれ被覆し防錆するための防錆層と、
   前記２つの部材の防錆層にそれぞれ気密に密着するシール体とを備え、
   前記防錆層の少なくとも一部は、溶射によって形成されていることを特徴とする接合構造。
2. 溶射によって形成されている前記防錆層の少なくとも一部は、低温溶射により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
3. 前記防錆層は、前記シール体と密着する部分が溶接により形成され、前記シール体と密着しない部分の少なくとも一部が溶射により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合構造。
4. 開口を有する容器状の本体胴と、該本体胴の開口を閉塞する蓋部とを備え、
   前記本体胴と前記蓋部の接合部が請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接合構造で接合されている使用済み核燃料用保管具。
   
   

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