JP2015123475A - フィンの取付け方法、放射性物質収納容器の製造方法、及び放射性物質収納容器 - Google Patents

Abstract

【課題】取付け部の信頼性の低下を抑制できる放射性物質収納容器のフィンの取付け方法を提供する。
【解決手段】銅製のフィン３と鋼製又はニッケル基合金製の部材７とを摩擦攪拌接合により接合する工程と、フィンが接合された部材７と放射性物質収納容器の鋼製の容器本体２とを溶接する工程とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、フィンの取付け方法、放射性物質収納容器の製造方法、及び放射性物質収納容器に関する。

原子力発電プラントの原子炉で使用された使用済み核燃料は、原子炉から取り出されて冷却ピットで所定期間冷却された後、キャスクと呼ばれる放射性物質収納容器に収納される。使用済み核燃料は放射性物質収納容器に収納された状態においても発熱する。そのため、使用済み核燃料の過度な温度上昇を抑制するためのフィンが放射性物質収納容器に設けられる。フィンは、放射性物質収納容器の容器本体に接触するように取付けられる。銅製の伝熱フィンと炭素鋼製の収納容器本体とをＭＩＧ溶接又はＭＩＧブレイジングにより接合する技術が特許文献１に開示されている。銅製の冷却フィンのフランジ部と低合金鋼製の胴本体とを摩擦攪拌接合により接合する技術が特許文献２に開示されている。

特開２００８−０８２９０６号公報 特開２００４−０２８９４０号公報

特許文献１及び特許文献２に開示されているように、放射性物質収納容器の容器本体（胴本体又は収納容器本体）は鋼製である場合が多い。フィン（冷却フィン又は伝熱フィン）は銅製である場合が多い。銅製のフィンと鋼製の容器本体とを溶接により接合すると、十分な接合強度が得られず、溶接部の信頼性が低下する可能性がある。例えば、溶接において銅及び鋼が溶融したときに銅が鋼の結晶粒界に侵入する可能性があり、その結果、十分な接合強度が得られない可能性がある。

本発明は、フィンを放射性物質収納容器の容器本体に取付ける場合において、取付け部（継手構造）の信頼性の低下を抑制できるフィンの取付け方法を提供することを目的とする。また、本発明は、製造される放射性物質収納容器の信頼性の低下を抑制できる放射性物質収納容器の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、性能の低下を抑制できる放射性物質収納容器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、銅製のフィンと鋼製又はニッケル基合金製の部材とを摩擦攪拌接合により接合する工程と、前記フィンが接合された前記部材と放射性物質収納容器の鋼製の容器本体とを溶接する工程と、を含むフィンの取付け方法を提供する。

本発明の第１の態様によれば、摩擦攪拌接合により、フィンと部材とは溶融することなく接合される。銅製のフィン及び鋼製又はニッケル基合金製の部材が溶融することなく接合されるので、銅が鋼（又はニッケル基合金）の結晶粒界に侵入することが抑制される。そのため、フィンと部材とは強固に接合される。部材と容器本体とは同種の材料又は良好に溶接可能な材料であり、溶接により強固に接合される。したがって、容器本体に対するフィンの取付け部の信頼性の低下を抑制できる。

本発明に係るフィンの取付け方法において、前記部材は板部材を含み、前記板部材の厚さをｔｓとしたとき、
ｔｓ ≧ ５ｍｍ、
の条件を満たしてもよい。

従って、板部材と容器本体とは強固に固定される。銅の熱伝導率は鋼（又はニッケル基合金）の熱伝導率よりも高い。板部材の厚さｔｓが５ｍｍよりも小さいと、溶接により発生する熱が板部材に十分に滞留せずにフィンに奪われ、フィンを介して逃げてしまう可能性がある。すみ肉溶接で板部材と容器本体とを接合する場合、熱が板部材に十分に滞留しないと、生成される溶接金属の脚長が小さくなる可能性がある。本発明によれば、厚さｔｓが５ｍｍ以上の板部材を使用することにより、溶接により発生する熱が板部材に十分に滞留する。そのため、十分な脚長が得られ、高い接合強度を有する溶接部を形成することができる。

本発明に係るフィンの取付け方法において、前記部材は板部材を含み、前記板部材と前記容器本体とがすみ肉溶接され、前記すみ肉溶接により生成されるビードが等脚長となるように前記板部材の厚さｔｓが定められてもよい。

従って、十分な脚長が得られ、高い接合強度を有する溶接部を形成することができる。銅の熱伝導率は鋼（又はニッケル基合金）の熱伝導率よりも高い。板部材の厚さｔｓが薄いと、すみ肉溶接により発生する熱が板部材に十分に滞留せずにフィンに奪われ、フィンを介して逃げてしまう可能性がある。その結果、生成される溶接金属の脚長が小さくなる可能性がある。本発明によれば、ビードが等脚長になるように板部材の厚さｔｓが定められることにより、すみ肉溶接により発生する熱が板部材に十分に滞留する。そのため、十分な脚長が得られ、高い接合強度を有する溶接部を形成することができる。

本発明に係るフィンの取付け方法において、前記フィンは、第１面と、前記第１面の反対方向を向く第２面と、を有し、前記部材は、前記第１面に接合される第１部材と、前記第２面に接合される第２部材と、を含み、前記フィン、前記第１部材、及び前記第２部材のそれぞれの端面と、前記容器本体の表面とが突合わされた状態で、前記溶接が行われてもよい。

従って、フィンは第１部材及び第２部材を介して容器本体に強固に接合される。また、本発明によれば、摩擦攪拌接合によりフィンと第１部材及び第２部材のそれぞれとを接合した後、フィン、第１部材、及び第２部材のそれぞれの端面と、容器本体の表面とを突合わせた状態で、第１部材と容器本体との溶接、及び第２部材と容器本体との溶接を行うので、作業性良くフィンを容器本体に取り付けることができる。

本発明に係るフィンの取付け方法において、前記第１部材と前記第１面とが接触し、前記第２部材と前記第２面とが接触した状態で、前記第１部材と前記第２部材との間において前記フィンと接触した工具を回転させることにより前記フィンの少なくとも一部を塑性流動させて前記フィンと前記第１部材及び前記第２部材のそれぞれとを接合することを含み、前記工具の直径をＤ、前記フィンの厚さをｔｃとしたとき、
ｔｃ ≧ Ｄ、
の条件を満たしてもよい。

従って、工具の劣化を抑制することができる。部材はフィンよりも硬いため、工具と部材とが接触すると、工具が劣化する可能性がある。工具の直径Ｄをフィンの厚さｔｃ以下にして、工具と部材との接触を抑制しつつフィンを塑性流動させることで、工具の劣化を抑制することができる。

本発明に係るフィンの取付け方法において、前記第１部材及び前記第２部材のそれぞれと前記容器本体とがすみ肉溶接され、前記すみ肉溶接により生成される溶接金属の脚長をＳ、前記フィンの厚さをｔｃとしたとき、
Ｓ ≧ ｔｃ／２、
の条件を満たしてもよい。

従って、フィンの厚さｔｃに対して十分な脚長Ｓが得られるので、フィンと容器本体との接合は安定する。

本発明に係るフィンの取付け方法において、前記フィンは、第１面と、前記第１面の反対方向を向く第２面と、を有し、前記部材は、前記第１面に接合され、前記第２面に接合されず、前記フィン及び前記部材のそれぞれの端面と、前記容器本体の表面とが突合わされた状態で、前記溶接が行われてもよい。

従って、部材の低減化が図られ、重量の増大及びコストの増大が抑制される。また、本発明によれば、摩擦攪拌接合によりフィンと部材とを接合した後、フィン及び部材のそれぞれの端面と、容器本体の表面とを突合わせた状態で、部材と容器本体との溶接を行うので、作業性良くフィンを容器本体に取り付けることができる。

本発明に係るフィンの取付け方法において、前記部材と前記第１面とが接触した状態で、前記第２面側に配置され、前記フィンと接触した工具を回転させることにより前記フィンを塑性流動させて前記フィンと前記部材とを接合することを含み、前記工具と前記部材とが接触しないように、前記工具と前記部材との相対位置が調整されてもよい。

従って、工具の劣化を抑制することができる。部材はフィンよりも硬いため、工具と部材とが接触すると、工具が劣化する可能性がある。部材が存在しないフィンの第２面側に工具を配置し、工具と部材とが接触しないように工具を回転させてフィンを塑性流動させることで、工具の劣化を抑制することができる。

本発明に係るフィンの取付け方法において、前記部材と前記容器本体とがすみ肉溶接され、前記すみ肉溶接により生成される溶接金属の脚長をＳ、前記フィンの厚さをｔｃとしたとき、
Ｓ ≧ ｔｃ、
の条件を満たしてもよい。

従って、フィンの厚さｔｃに対して十分な脚長Ｓが得られるので、フィンと容器本体との接合は安定する。

本発明の第２の態様は、第１の態様のフィンの取付け方法により前記フィンを前記放射性物質収納容器の前記容器本体に取り付けることを含む放射性物質収納容器の製造方法を提供する。

本発明の第２の態様によれば、容器本体に対するフィンの取付け部の信頼性の低下が抑制されるので、製造される放射性物質収納容器の信頼性の低下も抑制できる。

本発明の第３の態様は、放射性物質が収納される鋼製の容器本体と、前記容器本体の表面に接触するように配置される銅製のフィンと、摩擦攪拌接合により前記フィンの少なくとも一部と接合される鋼製又はニッケル基合金製の部材と、を備え、前記部材と前記容器本体の少なくとも一部とが溶接されている放射性物質収納容器を提供する。

本発明の第３の態様によれば、摩擦攪拌接合により、フィンと部材とは溶融することなく接合される。銅製のフィン及び鋼製又はニッケル基合金製の部材が溶融することなく接合されるので、銅が鋼（又はニッケル基合金）の結晶粒界に侵入することが抑制される。これにより、フィンと部材とは強固に接合される。部材と容器本体とは同種の材料又は良好に溶接可能な材料であり、溶接により強固に接合される。そのため、容器本体に対するフィンの取付け部の信頼性の低下を抑制できる。したがって、放射性物質収納容器の性能の低下が抑制される。

本発明に係るフィンの取付け方法によれば、取付け部の信頼性の低下を抑制できる。本発明に係る放射性物質収納容器の製造方法によれば、製造される放射性物質収納容器の信頼性の低下を抑制することができる。本発明に係る放射性物質収納容器によれば、性能の低下を抑制することができる。

図１は、第１実施形態に係る放射性物質収納容器の一例を示す縦断面図である。 図２は、第１実施形態に係る放射性物質収納容器の一例を示す平断面図である。 図３は、第１実施形態に係る取付け部の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態に係るフィンの取付け方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、第１実施形態に係るフィンの取付け方法の一例を説明するための斜視図である。 図６は、第１実施形態に係るフィンの取付け方法の一例を説明するための斜視図である。 図７は、第１実施形態に係るフィンの取付け方法の一例を説明するための断面図である。 図８は、比較例の一例を示す図である。 図９は、第２実施形態に係る取付け部の一例を示す図である。 図１０は、第２実施形態に係るフィンの取付け方法の一例を説明するための斜視図である。 図１１は、第２実施形態に係るフィンの取付け方法の一例を説明するための斜視図である。 図１２は、第２実施形態に係るフィンの取付け方法の一例を説明するための断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

＜第１実施形態＞
第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る放射性物質収納容器１の一例を示す縦断面図である。図２は、本実施形態に係る放射性物質収納容器１の一例を示す平断面図である。放射性物質収納容器１はキャスク１とも呼ばれる。以下の説明においては、放射性物質収納容器１を適宜、キャスク１、と称する。

図１及び図２に示すように、キャスク１は、容器本体２と、容器本体２の表面に接触するように配置されるフィン３とを備えている。容器本体２は、円筒状の胴部２１と底部２２とを有する。胴部２１と底部２２とは一体である。容器本体２は、胴部２１及び底部２２により規定される内部空間（キャビティ）２３と、胴部２１の一端部に設けられた開口部２４とを有する。また、キャスク１は、容器本体２の開口部２４を塞ぐように配置される蓋４と、キャビティ２３に配置されるバスケット５と、胴部２１の周囲に配置される外筒６とを備えている。

容器本体２は、使用済み核燃料のような放射性物質を収納する。使用済み核燃料は、キャビティ２３に配置される。容器本体２は、鋼製である。本実施形態において、容器本体２は、炭素鋼製である。炭素鋼は、γ線遮蔽機能を有するため、容器本体２の材料として好適である。

フィン３は、容器本体２の熱を放散する。フィン３は、容器本体２の少なくとも一部に接触するように容器本体２に取付けられる。本実施形態において、フィン３は、胴部２１の表面（外周面）２６に接触するように配置される。フィン３は、胴部２１の周囲に複数配置される。フィン３は、銅製である。フィン３の熱伝導率は、容器本体２の熱伝導率よりも高い。銅は、高い熱伝導率を有するため、フィン３の材料として好適である。フィン３により容器本体２の熱が放散されることにより、容器本体２のキャビティ２３に配置されている使用済み核燃料の過度の温度上昇が抑制される。

蓋４は、容器本体２に対して着脱可能であり、開口部２４を閉塞可能である。蓋４は、一次蓋４１と二次蓋４２とを含む。一次蓋４１及び二次蓋４２のそれぞれは、炭素鋼製である。なお、一次蓋４１及び二次蓋４２の一方又は両方がステンレス鋼製でもよい。二次蓋４２の内部にレジン（中性子遮蔽体）４３が配置される。

バスケット５は、複数のセル５１を有する。使用済み核燃料は、セル５１に配置される。使用済み核燃料を収納したバスケット５が容器本体２のキャビティ２３に収納される。

外筒６は、円筒状であり、胴部２１の周囲に配置される。胴部２１の外周面２６と外筒６の内周面６１との間に間隙が形成される。外筒６は、鋼製である。本実施形態において、外筒６は、γ線遮蔽機能を有する炭素鋼製である。

フィン３は、胴部２１と外筒６との間の空間に配置される。フィン３は、容器本体２及び外筒６のそれぞれに接続される。本実施形態においては、フィン３の一部（内端部）が容器本体２に取付けられ、フィン３の別の一部（外端部）が外筒６に取付けられる。また、胴部２１と外筒６との間の空間にレジン（中性子遮蔽体）２５が配置される。

なお、本実施形態において、キャスク１は、底部２２と間隙を介して対向するように配置されるカバー部材１１と、底部２２とカバー部材１１との間に配置されるレジン（中性子遮蔽体）１２とを備えている。また、キャスク１は、胴部２１の外周面２６に固定されたトラニオン１３を備えている。

本実施形態において、フィン３は、部材７を介して、容器本体２に取付けられる。また、フィン３は、部材７を介して、外筒６に取付けられる。

次に、容器本体２に対するフィン３の取付け部（継手構造）８について説明する。図３は、本実施形態に係る取付け部８の一例を模式的に示す図である。図３に示すように、フィン３は、プレート状の部材である。フィン３は第１面３１と、第１面３１の反対方向を向く第２面３２と、第１面３１と第２面３２とをつなぐように配置される端面３３とを有する。フィン３は、端面３３と容器本体２の表面（外周面）２６とが接触するように配置される。

部材７は、フィン３と容器本体２との間に配置される中間部材である。部材７は、フィン３と容器本体２とを接合するための接合部材である。本実施形態において、部材７は、プレート状の部材である。以下の説明においては、部材７を適宜、板部材７、と称する。なお、部材７は、板状の部材に限られない。部材７は、ブロック状（例えば直方体状）の部材でもよいし、ロッド状（例えば角柱状）の部材でもよい。

板部材７は、鋼製である。板部材７は、ニッケル基合金製でもよい。板部材７は、フィン３と対向する第３面７１と、第３面７１の反対方向を向く第４面７２と、第３面７１と第４面７２とをつなぐように配置される端面７３とを有する。板部材７は、端面７３と容器本体２の表面（外周面）２６とが接触するように配置される。

板部材７は、摩擦攪拌接合により、フィン３の少なくとも一部を接合されている。摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）とは、金属の接合部に高速回転する円筒状の工具を挿入して摩擦熱を発生させ、熱により軟化した部分を攪拌し、金属を塑性流動させて接合する接合方法をいう。摩擦攪拌接合は、金属を溶融させない固相接合であり、金属組織が微細化され強化されるため、熱で金属を溶融させて接合する溶接に比べて、熱による金属のゆがみの発生及び強度劣化を抑制することができる。

本実施形態において、板部材７は、フィン３の第１面３１に接合される第１板部材７０１と、フィン３の第２面３２に接合される第２板部材７０２とを含む。

板部材７と容器本体２の少なくとも一部とが溶接されている。本実施形態において、板部材７と容器本体２とは、マグ溶接により接合される。マグ溶接とは、二酸化炭素、二酸化炭素とアルゴンガスとの混合ガスなど、酸化性のシールドガスを用い、溶接ワイヤを電極とするアーク溶接の総称をいう。

本実施形態において、フィン３の厚さをｔｃとしたとき、以下の（１）式の条件が満たされる。
１０ｍｍ ≦ ｔｃ ≦ １５ｍｍ …（１）

本実施形態において、板部材７の厚さをｔｓとしたとき、以下の（２）式の条件が満たされる。
ｔｓ ≧ ５ｍｍ …（２）

なお、フィン３の厚さｔｃは、第１面３１と第２面３２との距離である。板部材７の厚さｔｓは、第３面７１と第４面７２との距離である。

板部材７の端面７３と容器本体２の表面２６とが突合わされた状態で、板部材７と容器本体２とは、すみ肉溶接される。本実施形態において、板部材７の第４面７２と容器本体２の表面２６とがほぼ直交するように配置された状態で、第４面７２の一部と表面２６の一部とがすみ肉溶接される。本実施形態においては、第１板部材７０１及び第２板部材７０２のそれぞれと容器本体２とがすみ肉溶接される。

すみ肉溶接により生成される溶接金属８１の脚長をＳとしたとき、以下の（３）式の条件が満たされる。
Ｓ ≧ ｔｃ／２ …（３）

溶接金属８１とは、溶接部の一部で、溶接中に溶融凝固した金属をいう。溶接部とは、溶接金属及び熱影響部を含んだ部分の総称である。脚長Ｓとは、溶接金属（すみ肉継手）８１のルートから溶接金属８１の止端までの距離をいう。ルートとは、溶接金属８１の根元の部分をいう。止端とは、溶接母材の面と溶接金属（溶接ビード）８１の表面とが交わる点をいう。溶接ビード（ビード）とは、１回のパス（溶接操作）によって生成される溶接金属をいう。

本実施形態において、溶接母材は、板部材７及び容器本体２を含む。溶接母材の面は、第４面７２及び表面２６を含む。脚長Ｓは、板部材７側の脚長Ｓ１及び容器本体２側の脚長Ｓ２を含む。板部材７側の脚長Ｓ１とは、溶接金属８１のルートから板部材７の第４面７２と溶接金属８１の表面とが交わる点までの距離をいう。容器本体２側の脚長Ｓ２とは、溶接金属８１のルートから容器本体２の表面２６と溶接金属８１の表面とが交わる点までの距離をいう。

本実施形態においては、すみ肉溶接により生成される溶接ビード８１が等脚長になるように、板部材７の厚さｔｓが定められている。すなわち、板部材７側の脚長Ｓ１と容器本体２側の脚長Ｓ２とが等しくなるようにすみ肉溶接が行われる。

次に、フィン３を容器本体２に取付ける方法の一例について説明する。図４は、本実施形態に係るフィン３の取付け方法の一例を示すフローチャートである。図５及び図６は、本実施形態に係るフィン３の取付け方法の一例を模式的に示す斜視図である。図７は、本実施形態に係るフィン３の取付け方法の一例を模式的に示す断面図である。

図４に示すように、本実施形態に係るフィン３の取付け方法は、銅製のフィン３と鋼製の板部材７とを摩擦攪拌接合により接合する工程（ステップＳ１）と、フィン３と板部材７とを接合した後、フィン３が接合された板部材７と鋼製の容器本体２とを溶接する工程（ステップＳ２）とを含む。

厚さｔｃの銅製のフィン３と、厚さｔｓの鋼製の板部材７（第１板部材７０１及び第２板部材７０２）とが用意される。図５に示すように、第１板部材７０１とフィン３の第１面３１とが接触し、第２板部材７０２とフィン３の第２面３２とが接触するように、フィン３が第１板部材７０１と第２板部材７０２とで挟まれる。

摩擦攪拌接合装置が作動し、摩擦攪拌接合装置の工具９０が回転する。工具９０は、円筒状（又は円柱状）である。図６及び図７に示すように、第１板部材７０１とフィン３の第１面３１とが接触し、第２板部材７０２とフィン３の第２面３２とが接触した状態で、第１板部材７０１と第２板部材７０２との間においてフィン３と接触した工具９０を回転させる。工具９０は、フィン３の端面３３から、第１板部材７０１と第２板部７０２との間に挿入される。これにより、フィン３の少なくとも一部が塑性流動し、フィン３と第１板部材７０１とが接合され、フィン３と第２板部材７０２とが接合される（ステップＳ１）。

本実施形態においては、工具９０の直径をＤとしたとき、以下の（４）式の条件が満たされる。
ｔｃ ≧ Ｄ …（４）

図７に示す例では、工具９０の直径Ｄは、フィン３の厚さｔｃよりも小さい。回転する工具９０と第１板部材７０１及び第２板部材７０２のそれぞれとが接触しないように、フィン３の少なくとも一部が工具９０によって攪拌される。すなわち、本実施形態においては、工具９０と板部材７との間に間隙Ｇが形成される。工具９０は、板部材７と接触せず、フィン３と接触した状態で回転する。

板部材７が塑性流動しなくても、板部材７と接触するフィン３の少なくとも一部が塑性流動することにより、板部材７の最表面（第３面）７１とフィン３とは接合する。フィン３（銅）と板部材７（鋼）の最表面との金属結合が達成されていれば、板部材７とフィン３とは強固に接合される。

なお、間隙Ｇの寸法は、工具９０の回転により板部材７の最表面（第３面）７１と接触するフィン３の少なくとも一部が工具９０の回転により塑性流動して板部材７とフィン３とが接合可能な寸法に定められる。

なお、工具９０と板部材７の第３面７１とが僅かに接触してもよい。例えば、フィン３の厚さｔｃ（第１板部材７０１の第３面７１と第２板部材７０２の第３面７１との距離）と、工具９０の直径Ｄとが等しくてもよい。

図６に示すように、端面３３と平行な面内において、工具９０とフィン３及び板部材７とが相対移動する。これにより、フィン３と板部材７との接合部（接合面）が拡大する。

フィン３と板部材７とが摩擦攪拌接合により接合された後、板部材７と容器本体２との溶接が行われる（ステップＳ２）。

フィン３の端面３３、第１板部材７０１の端面７３、及び第２板部材７０２の端面７３それぞれの端面と、容器本体２の表面２６とが突合わされた状態で、第１板部材７０１と容器本体２との溶接、及び第２板部材７０２と容器本体２との溶接が行われる。上述したように、本実施形態においては、マグ溶接によって、容器本体２と板部材７（第１板部材７０１及び第２板部材７０２）との溶接が行われる。板部材７の第４面７２と容器本体２の表面２６とがすみ肉溶接される。本実施形態においては、１回のパスで溶接金属（溶接ビード）８１が等脚長となるように溶接が行われる。以上により、図３に示したように、フィン３が容器本体２に取付けられる。

本実施形態においては、フィン３は、板部材７を介して外筒６の内周面６１に取付けられる。外筒６に対するフィン３の取付け部（継手構造）、及びフィン３を外筒６に取付ける方法は、上述した取付け部８及び取付け方法と同様である。

フィン３を容器本体２及び外筒６のそれぞれに取付ける工程、バスケット５を製造する工程、蓋４を製造する工程、及び容器本体２とバスケット５と蓋４とを組み立てる工程などを経て、キャスク１が製造される。

以上説明したように、本実施形態によれば、摩擦攪拌接合により、異種材料であるフィン３と板部材７とを強固に接合することができる。摩擦攪拌接合は、フィン３及び板部材７の溶融を伴わないので、銅が鋼の結晶粒界に侵入することが抑制され、銅と鋼との接合欠陥の発生が抑制される。これにより、フィン３と板部材７との接合部は高い信頼性を得ることができる。また、摩擦攪拌接合によれば、必要最小限の部分を攪拌してフィン３と板部材７とを接合することができる。板部材３と容器本体２とは同種材料であるため、溶接により強固に接合される。したがって、容器本体２に対するフィン３の取付け部（継手構造）８の信頼性の低下を抑制できる。また、取付け部８の信頼性の低下が抑制されるので、製造されるキャスク１の信頼性の低下も抑制でき、キャスク１の性能の低下が抑制される。

異種材料を接合する方法として、圧延接合が考えられる。圧延は大きな部材どうしを接合するのに適した方法である。そのため、不要な部分まで接合してしまう可能性が高い。その結果、コストの上昇をもたらす可能性がある。本実施形態においては、異種材料を接合する方法として、摩擦攪拌接合を採用したので、必要最小限の部分を効率良く接合することができる。

また、本実施形態において、板部材７の厚さｔｓは、５ｍｍ以上に定められる。例えば、図８の模式図に示すように、厚さｔｓが薄い板部材７Ｊを採用すると、溶接により発生する熱が板部材７Ｊに十分に滞留せずにフィン３に奪われ、フィン３を介して逃げてしまう可能性がある。すみ肉溶接で板部材７Ｊと容器本体２とを接合する場合、熱が板部材７Ｊに十分に滞留しないと、生成される溶接金属８１の脚長Ｓ（特に板部材７Ｊ側の脚長Ｓ１）が小さくなる可能性がある。一方、十分な脚長Ｓを得ようとすると、何回も溶接を繰り返さなければならず作業性が低下する。本実施形態によれば、厚さｔｓが５ｍｍ以上の板部材７を採用することにより、溶接により発生する熱が板部材７に十分に滞留する。したがって、十分な脚長Ｓが得られ、高い接合強度を有する溶接部を形成することができる。

本実施形態において、すみ肉溶接により生成される溶接金属（溶接ビード）８１が等脚長となるように板部材７の厚さｔｓが定められてもよい。上述のように、脚長Ｓ（Ｓ１）を大きくするには、板部材７の厚さｔｓは厚いほうがよい。一方、板部材７の厚さｔｓを厚くしすぎると、キャスク１全体の重量の増大及び大型化を招く。したがって、生成される溶接ビード８１が等脚長となるように、板部材７の厚さｔｓが定められてもよい。異なる厚さｔｓの板部材７のそれぞれについて一定の溶接条件ですみ肉溶接（予備実験、条件出し）を行うことによって、溶接ビード８１を等脚長にすることができる板部材７の必要最小限の厚さｔｓを決定することができる。

また、本実施形態においては、それぞれがプレート状のフィン３と板部材７とを摩擦攪拌接合により接合した後、フィン３の端面３３及び板部材７の端面７３と容器本体２の表面２６とを突合わせた状態で、板部材７と容器本体２とを溶接する。フィン３の端面３３と容器本体２の表面２６とを突合わせた状態でフィン３と容器本体２とを摩擦攪拌接合により接合する作業は、良好な作業性を得られない可能性がある。フィン３にフランジ部を設け、フィン３のフランジ部と容器本体２の表面２６と接触させた状態で摩擦攪拌接合する方法が考えられる。しかし、その方法では、フィン３にフランジ部を設けるための加工（例えば曲げ加工）が必要となる。また、その加工によりフィン３の強度が低下する可能性がある。本実施形態によれば、フィン３に曲げ加工を施すことなく、プレート状のフィン３と板部材７（第１板部材７０１及び第２板部材７０２）とを摩擦攪拌接合により作業性良く接合することができる。摩擦攪拌接合によりフィン３と板部材７とを接合した後、フィン３の端面３３及び板部材７の端面７３と、容器本体２の表面２６とを突合わせた状態で、板部材７と容器本体２との溶接を行うので、作業性良くフィン３を容器本体２に取り付けることができる。

また、本実施形態においては、第１板部材７０１と第２板部材７０２との間においてフィン３と接触した工具９０を回転させることによりフィン３の少なくとも一部を塑性流動させてフィン３と第１板部材７０１及び第２板部材７０２のそれぞれとを接合する。工具９０の直径Ｄがフィン３の厚さｔｃ以下に定められているため、工具９０と板部材７との接触を抑制しつつフィン３を塑性流動させることができる。板部材７はフィン３よりも硬いため、工具９０と板部材７とが接触すると、工具９０が劣化する可能性がある。本実施形態によれば、工具９０と板部材７との接触が抑制されるので、工具９０の劣化（摩耗又は破損）を抑制することができる。

また、本実施形態においては、すみ肉溶接により生成される溶接金属８１の脚長Ｓは、フィン３の厚さｔｃの半分の値以上である。フィン３の厚さｔｃに対して十分な脚長Ｓが得られるので、フィン３は容器本体２に安定して取付けられる。

なお、本実施形態において、フィン３と板部材７とを接合する場合、フィン３と板部材７とをろう付けした後、摩擦攪拌接合により接合してもよい。これにより、例えばフィン３と板部材７とをろう付けした後に溶接する方法に比べて、フィン３と板部材７との接合部の品質の低下が抑制される。ろう付けにおいては接合される２つの部材の融点よりも低い融点のろう材が使用される。そのため、２つの部材をろう付けしてから溶接すると、ろう材が溶融し、その結果、接合部の品質が低下する可能性がある。２つの部材をろう付けしてから摩擦攪拌接合することにより、接合部の品質の低下を抑制できる。

なお、本実施形態においては、板部材７が鋼製であることとした。上述のように、板部材７は、ニッケル基合金製でもよい。板部材７がニッケル基合金製である場合においても、摩擦攪拌接合により、フィン３と板部材７とを強固に接合することができる。板部材７と容器本体２とは同種材料でないものの、溶接により強固に固定される。以下の実施形態においても同様である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図９は、本実施形態に係る取付け部（継手構造）８Ｂの一例を模式的に示す図である。フィン３は、第１面３１と、第１面３１の反対方向を向く第２面３２と、第１面３１と第２面３２とをつなぐように配置される端面３３とを有する。フィン３は、端面３３と容器本体２の表面（外周面）２６とが接触するように配置される。

板部材７は、フィン３と対向する第３面７１と、第３面７１の反対方向を向く第４面７２と、第３面７１と第４面７２とをつなぐように配置される端面７３とを有する。板部材７は、端面７３と容器本体２の表面（外周面）２６とが接触するように配置される。

本実施形態において、板部材７は、第１面３１に接続され、第２面３２に接合されない。板部材７は、摩擦攪拌接合により、フィン３の少なくとも一部を接合されている。板部材７と容器本体２とは、溶接（例えばマグ溶接）により接合される。

上述の実施形態と同様、フィン３の厚さｔｃは、上述の（１）式の条件を満たす。板部材７の厚さｔｓは、上述の（２）式の条件を満たす。

板部材７の端面７３と容器本体２の表面２６とが突合わされた状態で、板部材７と容器本体２とは、すみ肉溶接される。本実施形態において、板部材７の第４面７２と容器本体２の表面２６とがほぼ直交するように配置された状態で、第４面７２の一部と表面２６の一部とがすみ肉溶接される。

すみ肉溶接により生成される溶接金属８１の脚長をＳとしたとき、以下の（５）式の条件が満たされる。
Ｓ ≧ ｔｃ …（５）

すみ肉溶接により生成される溶接ビード８１が等脚長になるように、板部材７の厚さｔｓが定められている。すなわち、板部材７側の脚長Ｓ１と容器本体２側の脚長Ｓ２とが等しくなるようにすみ肉溶接が行われる。

次に、フィン３を容器本体２に取付ける方法の一例について説明する。図１０及び図１１は、本実施形態に係るフィン３の取付け方法の一例を模式的に示す斜視図である。図１２は、本実施形態に係るフィン３の取付け方法の一例を模式的に示す断面図である。

上述の実施形態と同様、本実施形態に係るフィン３の取付け方法は、銅製のフィン３と鋼製の板部材７とを摩擦攪拌接合により接合する工程（ステップＳ１）と、フィン３と板部材７とを接合した後、フィン３が接合された板部材７と鋼製の容器本体２とを溶接する工程（ステップＳ２）とを含む。

厚さｔｃの銅製のフィン３と、厚さｔｓの鋼製の板部材７とが用意される。図１０に示すように、板部材７とフィン３の第１面３１とが接触するように、板部材７とフィン３とが重ねて配置される。摩擦攪拌接合装置の工具９０は、フィン３の第２面３２側に配置される。

摩擦攪拌接合装置が作動し、工具９０が回転する。図１１及び図１２に示すように、板部材７とフィン３の第１面３１とが接触した状態で、工具９０がフィン３の第２面３２に接触する。フィン３と接触した工具９０が回転することにより、フィン３の少なくとも一部が塑性流動し、フィン３と板部材７とが接合される（ステップＳ１）。

図１２に示すように、本実施形態においては、回転する工具９０とフィン３とが接触し、工具９０と板部材７とが接触しないように、工具９０と板部材７との相対位置が調整される。

板部材７が塑性流動しなくても、板部材７と接触するフィン３の少なくとも一部が塑性流動することにより、板部材７の最表面（第３面）７１とフィン３とは接合する。フィン３（銅）と板部材７（鋼）の最表面との金属結合が達成されていれば、板部材７とフィン３とは強固に接合される。

なお、工具９０と板部材７との間の間隙Ｇの寸法は、工具９０の回転により板部材７の最表面（第３面）７１と接触するフィン３の少なくとも一部が工具９０の回転により塑性流動して板部材７とフィン３とが接合可能な寸法に定められる。なお、工具９０と板部材７の第３面７１とが僅かに接触してもよい。

図１１に示すように、第２面３２と平行な面内において、工具９０とフィン３及び板部材７とが相対移動する。これにより、フィン３と板部材７との接合部（接合面）が拡大する。

フィン３と板部材７とが摩擦攪拌接合により接合された後、板部材７と容器本体２との溶接が行われる（ステップＳ２）。

フィン３の端面３３及び板部材７の端面７３と、容器本体２の表面２６とが突合わされた状態で、板部材７と容器本体２との溶接が行われる。本実施形態においては、マグ溶接によって、容器本体２と板部材７との溶接が行われる。板部材７の第４面７２と容器本体２の表面２６とがすみ肉溶接される。本実施形態においては、１回のパスで溶接金属（溶接ビード）８１が等脚長となるように溶接が行われる。以上により、図９に示したように、フィン３が容器本体２に取付けられる。

以上説明したように、本実施形態においても、取付け部８Ｂは高い信頼性を得ることができる。本実施形態によれば、板部材７は、フィン３の第１面３１に接合され、第２面３２に接合されない。したがって、板部材７の低減化が図られ、キャスク１全体の重量の増大及び大型化が抑制される。また、コストの増大も抑制される。

また、フィン３の端面３３と容器本体２の表面２６とを突合わせた状態でフィン３と容器本体２とを摩擦攪拌接合により接合する作業は、良好な作業性を得られない可能性がある。本実施形態によれば、摩擦攪拌接合によりフィン３と板部材７とを接合した後、フィン３の端面３３及び板部材７の端面７３と、容器本体２の表面２６とを突合わせた状態で、板部材７と容器本体２との溶接を行うので、作業性良くフィン３を容器本体２に取り付けることができる。

また、工具９０と板部材７とが接触しないように、工具９０と板部材７との相対位置が調整されることにより、工具９０の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態においては、すみ肉溶接により生成される溶接金属８１の脚長Ｓは、フィン３の厚さｔｃ以上に定められている。したがって、フィン３の厚さｔｃに対して十分な脚長Ｓが得られるので、フィン３は容器本体２に安定して取付けられる。

なお、上述の各実施形態においては、容器本体２が炭素鋼製であることとした。容器本体２は、ステンレス鋼製でもよいし、低合金鋼（ニッケル鋼）製でもよい。同様に、外筒６が、ステンレス鋼製でもよいし、低合金鋼（ニッケル鋼）製でもよい。

なお、上述の各実施形態においては、フィン３が銅製であることとした。フィン３が、熱伝導性のよいアルミニウム製でもよいし、アルミニウム合金製でもよいし、マグネシウム製でもよいし、マグネシウム合金製でもよい。

なお、上述の各実施形態においては、取付け部（８など）が、フィン３を容器本体２（又は外筒６）に取付けるときの取付け部であることとした。上述の取付け部（継手構造）は、キャスク１における異種材料の継手構造に採用できる。すなわち、キャスク１が、第１材料製の第１部材（上述の実施形態においては容器本体に相当）と、第１材料とは異なる第２材料製の第２部材（上述の実施形態においてはフィンに相当）とを有する場合、第２部材に対して第１部材を取付ける継手構造に、上述の継手構造を採用してもよい。その場合、第１材料製の第１部材と第２材料製の中間部材（上述の実施形態においては板部材に相当）とを摩擦攪拌接合により接合する工程と、第１部材が接合された中間部材と第２材料製の第２部材とを溶接する工程とを経て、第１部材を第２材料に強固に取付けることができる。

また、第１部材（第１材料）の熱伝導率が中間部材（第２材料）の熱伝導率よりも高い場合、中間部材の厚さ（ｔｓ）を５ｍｍ以上に定めてもよい。また、中間部材と第２部材とがすみ肉溶接される場合、生成される溶接ビードが等脚長となるように中間部材の厚さ（ｔｓ）が定められてもよい。

また、第１部材が、第１面と、第１面の反対方向を向く第２面と、を有し、中間部材が、第１面に接合される第１中間部材と、第２面に接合される第２中間部材と、を含む場合、第１部材、第１中間部材、及び第２中間部材のそれぞれの端面と、第２部材の表面とが突合わされた状態で、中間部材と第２部材との溶接が行われてもよい。

また、第１中間部材と第１面とが接触し、第２中間部材と第２面とが接触した状態で、第１中間部材と第２中間部材との間において第１部材と接触した摩擦攪拌接合装置の工具を回転させることにより第１部材の少なくとも一部を塑性流動させて第１部材と第１中間部材及び第２中間部材のそれぞれとを接合してもよい。その場合、工具の直径Ｄは、第１部材の厚さｔｃ以下でもよい。工具が中間部材に接触しないように、摩擦攪拌接合が行われてもよい。

また、第１中間部材及び第２中間部材のそれぞれと第２部材とがすみ肉溶接される場合において、すみ肉溶接により生成される溶接金属の脚長Ｓは、第１部材の厚さｔｃの半分の値以上に定められてもよい。

また、第１部材が、第１面と、第１面の反対方向を向く第２面と、を有し、中間部材が第１面に接合され、第２面に接合されない場合において、第１部材及び中間部材のそれぞれの端面と、第２部材の表面とが突合わされた状態で、中間部材と第２部材との溶接が行われてもよい。その第１部材と中間部材とを摩擦攪拌接合する場合、中間部材と第１部材の第１面とが接触した状態で、第２面側に配置された工具を第１部材に接触させた状態で回転させることにより第１部材を塑性流動させて第１部材と中間部材とを接合させてもよい。その場合、工具と中間部材とが接触しないように、工具と中間部材との相対位置が調整されてもよい。また、その中間部材と第２部材とがすみ肉溶接される場合において、すみ肉溶接により生成される溶接金属の脚長Ｓは、第１部材の厚さｔｃ以上でもよい。

１ キャスク（放射性物質収納容器）
２ 容器本体
３ フィン
４ 蓋
５ バスケット
６ 外筒
７ 板部材
８ 取付け部（継手構造）
１１ カバー部材
１２ レジン（中性子遮蔽体）
１３ トラニオン
２１ 胴部
２２ 底部
２３ 内部空間（キャビティ）
２４ 開口部
２５ レジン（中性子遮蔽体）
２６ 表面（外周面）
３１ 第１面
３２ 第２面
３３ 端面
４１ 一次蓋
４２ 二次蓋
４３ レジン（中性子遮蔽体）
５１ バスケット
７１ 第３面
７２ 第４面
７３ 端面
８１ 溶接金属（溶接ビード）
９０ 工具
７０１ 第１板部材
７０２ 第２板部材
Ｇ 間隙
Ｄ 直径
Ｓ 脚長
Ｓ１ 脚長
Ｓ２ 脚長
ｔｃ 厚さ
ｔｓ 厚さ

Claims (11)

1. 銅製のフィンと鋼製又はニッケル基合金製の部材とを摩擦攪拌接合により接合する工程と、
   前記フィンが接合された前記部材と放射性物質収納容器の鋼製の容器本体とを溶接する工程と、
   を含むフィンの取付け方法。
2. 前記部材は板部材を含み、
   前記板部材の厚さをｔｓとしたとき、
   ｔｓ ≧ ５ｍｍ、
   の条件を満たす請求項１に記載のフィンの取付け方法。
3. 前記部材は板部材を含み、
   前記板部材と前記容器本体とがすみ肉溶接され、
   前記すみ肉溶接により生成されるビードが等脚長となるように前記板部材の厚さｔｓが定められる請求項１に記載のフィンの取付け方法。
4. 前記フィンは、第１面と、前記第１面の反対方向を向く第２面と、を有し、
   前記部材は、前記第１面に接合される第１部材と、前記第２面に接合される第２部材と、を含み、
   前記フィン、前記第１部材、及び前記第２部材のそれぞれの端面と、前記容器本体の表面とが突合わされた状態で、前記溶接が行われる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のフィンの取付け方法。
5. 前記第１部材と前記第１面とが接触し、前記第２部材と前記第２面とが接触した状態で、前記第１部材と前記第２部材との間において前記フィンと接触した工具を回転させることにより前記フィンの少なくとも一部を塑性流動させて前記フィンと前記第１部材及び前記第２部材のそれぞれとを接合することを含み、
   前記工具の直径をＤ、前記フィンの厚さをｔｃとしたとき、
   ｔｃ ≧ Ｄ、
   の条件を満たす請求項４に記載のフィンの取付け方法。
6. 前記第１部材及び前記第２部材のそれぞれと前記容器本体とがすみ肉溶接され、
   前記すみ肉溶接により生成される溶接金属の脚長をＳ、前記フィンの厚さをｔｃとしたとき、
   Ｓ ≧ ｔｃ／２、
   の条件を満たす請求項４に記載のフィンの取付け方法。
7. 前記フィンは、第１面と、前記第１面の反対方向を向く第２面と、を有し、
   前記部材は、前記第１面に接合され、前記第２面に接合されず、
   前記フィン及び前記部材のそれぞれの端面と、前記容器本体の表面とが突合わされた状態で、前記溶接が行われる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のフィンの取付け方法。
8. 前記部材と前記第１面とが接触した状態で、前記第２面側に配置され、前記フィンと接触した工具を回転させることにより前記フィンを塑性流動させて前記フィンと前記部材とを接合することを含み、
   前記工具と前記部材とが接触しないように、前記工具と前記部材との相対位置が調整される請求項７に記載のフィンの取付け方法。
9. 前記部材と前記容器本体とがすみ肉溶接され、
   前記すみ肉溶接により生成される溶接金属の脚長をＳ、前記フィンの厚さをｔｃとしたとき、
   Ｓ ≧ ｔｃ、
   の条件を満たす請求項７に記載のフィンの取付け方法。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のフィンの取付け方法により前記フィンを前記放射性物質収納容器の前記容器本体に取り付けることを含む放射性物質収納容器の製造方法。
11. 放射性物質が収納される鋼製の容器本体と、
    前記容器本体の表面に接触するように配置される銅製のフィンと、
    摩擦攪拌接合により前記フィンの少なくとも一部と接合される鋼製又はニッケル基合金製の部材と、
    を備え、
    前記部材と前記容器本体の少なくとも一部とが溶接されている放射性物質収納容器。

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