JP2019032241A - キャスクおよび中性子遮蔽部の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】中性子遮蔽材の熱膨張により外筒等に生じる応力を低減する。【解決手段】キャスク１は、胴本体２と、外筒３と、複数のフィン４と、複数の中性子遮蔽部５とを備える。胴本体２は、中心軸を中心とする筒状であり、燃料集合体を収容可能である。外筒３は、胴本体２の周囲を囲む筒状である。複数のフィン４は、胴本体２と外筒３との間に形成される筒状空間４１において周方向に配列され、胴本体２の外周面２１１と外筒３の内周面３１１とを接続することにより、筒状空間４１を複数の分割空間４２に分割する。複数の中性子遮蔽部５は、複数の分割空間４２に充填された中性子遮蔽材を含む。各中性子遮蔽部５は、中心軸に沿う軸方向に延びるボイド部５９を備える。これにより、燃料集合体をキャスク１の内部に収容した際に、中性子遮蔽材の熱膨張により外筒３等に生じる応力を低減することができる。【選択図】図２
Description
本発明は、キャスクおよび中性子遮蔽部の作製方法に関する。
従来、原子炉から取り出された使用済燃料集合体（以下、単に「燃料集合体」という。）は、建屋内の貯蔵プールに保管され、数年〜十数年に亘って冷却される。その後、燃料集合体は、数十年に亘って中間貯蔵施設等で乾式貯蔵される。燃料集合体は、中性子やガンマ線等の放射線を放出し続けるため、専用の容器であるキャスクに収容された状態で輸送や乾式貯蔵が行われる。キャスクは、燃料集合体を収容する胴本体と、胴本体の周囲を囲む外筒と、胴本体と外筒との間において周方向に配列される複数のフィンとを備え、樹脂を含む中性子遮蔽材が、胴本体、外筒およびフィンにより区画される空間に充填される。中性子遮蔽材により、燃料集合体から発生する中性子がキャスク外に放出されることが抑制される。
なお、特許文献１および２では、燃料集合体の崩壊熱を効率的に外筒に伝えることが可能なキャスクが開示されている。当該キャスクでは、胴本体、外筒および伝熱フィンにより区画される空間に、別の場所で成形した中性子遮蔽体が挿入される。中性子遮蔽体は、アルミニウムまたは銅製のハニカム材の内部空間にレジン（中性子遮蔽材）を充填することにより形成される。
ところで、キャスクでは、中性子遮蔽材の熱膨張率が、胴本体および外筒に用いられる材料（例えば、炭素鋼）よりも大きいため、燃料集合体を内部に収容した際に、中性子遮蔽材の熱膨張により外筒等に大きな応力が生じる場合がある。このような応力は、キャスクの設計上、小さいことが好ましい。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、中性子遮蔽材の熱膨張により外筒等に生じる応力を低減することを目的としている。
請求項１に記載の発明は、キャスクであって、中心軸を中心とする筒状であり、燃料集合体を収容可能な胴本体と、前記胴本体の周囲を囲む筒状の外筒と、前記胴本体と前記外筒との間に形成される筒状空間において周方向に配列され、前記胴本体の外周面と前記外筒の内周面とを接続することにより、前記筒状空間を複数の分割空間に分割する複数のフィンと、前記複数の分割空間に充填された中性子遮蔽材を含む複数の中性子遮蔽部とを備え、各中性子遮蔽部が、前記中心軸に沿う軸方向に延びるボイド部を備える。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のキャスクであって、前記各中性子遮蔽部が、前記ボイド部である中空部を有する成形パイプ部と、前記成形パイプ部と分割空間の外縁との間に充填された中性子遮蔽材である充填部とをさらに備える。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のキャスクであって、前記成形パイプ部が、中性子遮蔽材の成形部材により形成される。
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載のキャスクであって、前記成形パイプ部が、前記軸方向に垂直な断面において、前記ボイド部の一方側に配置される第１プレキャスト部材と、前記断面において前記ボイド部の他方側に配置され、前記第１プレキャスト部材と結合することにより、前記第１プレキャスト部材と共に前記ボイド部の周囲を囲む第２プレキャスト部材とを備える。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のキャスクであって、前記第１プレキャスト部材と前記第２プレキャスト部材との結合部が、ラビリンス構造を有する。
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１つに記載のキャスクであって、前記軸方向に垂直な断面において、前記ボイド部が前記周方向に沿って延びる形状を有する。
請求項７に記載の発明は、キャスクにおける中性子遮蔽部の作製方法であって、前記キャスクが、中心軸を中心とする筒状であり、燃料集合体を収容可能な胴本体と、前記胴本体の周囲を囲む筒状の外筒と、前記胴本体と前記外筒との間に形成される筒状空間において周方向に配列され、前記胴本体の外周面と前記外筒の内周面とを接続することにより、前記筒状空間を複数の分割空間に分割する複数のフィンとを備え、前記中性子遮蔽部の作製方法が、前記中心軸に沿う軸方向に延びる中空部を有する成形パイプ部を分割空間内に配置する工程と、前記成形パイプ部と前記分割空間の外縁との間に、流動性を有する中性子遮蔽材を充填し、硬化させることにより充填部を形成する工程とを備える。
本発明によれば、中性子遮蔽材の熱膨張により外筒等に生じる応力を低減することができる。
図１は、本発明の一の実施の形態に係るキャスク１の外観を示す図である。キャスク１は、燃料集合体９（すなわち、使用済燃料集合体）を収容可能な容器である。キャスク１は、例えば、図１中の上下方向を向く中心軸Ｊ１を中心とする略円柱状である。以下の説明では、中心軸Ｊ１に沿う図１中の上下方向を「軸方向」ともいう。
図２および図３は、キャスク１の断面の一部（後述の外筒３の近傍）を示す図である。図２では、中心軸Ｊ１に垂直なキャスク１の断面を示し、図３では、中心軸Ｊ１を含むキャスク１の断面を示す。
キャスク１は、胴本体２と、外筒３と、複数のフィン（伝熱フィン）４と、複数の中性子遮蔽部５とを備える。胴本体２は、中心軸Ｊ１を中心とする筒状の容器である。胴本体２は、炭素鋼等の金属にて形成される。胴本体２は、本体側壁部２１と、２つの本体端部２２ａ，２２ｂとを備える。例えば、本体側壁部２１は、軸方向に延びる略円筒状である。各本体端部２２ａ，２２ｂは、略円柱状または略円板状である。軸方向における本体側壁部２１の両端開口は、２つの本体端部２２ａ，２２ｂによりそれぞれ閉塞される。図３の例では、双方の本体端部２２ａ，２２ｂが、着脱可能な蓋部である。本体端部２２ａ，２２ｂは、例えば、ボルト締めにより本体側壁部２１に固定される。胴本体２の設計によっては、一方の本体端部が本体側壁部２１と一体的に形成されてもよい。キャスク１では、蓋部である本体端部を取り外すことにより、胴本体２の内部に、複数の燃料集合体９（図１参照）が収容可能である。実際には、胴本体２の内部空間は、複数の燃料集合体９が互いに接触しないように、バスケットにより仕切られている。
外筒３は、中心軸Ｊ１を中心とする筒状であり、胴本体２の本体側壁部２１の周囲を囲む。外筒３は、炭素鋼等の金属にて形成される。外筒３は、外筒側壁部３１と、２つの外筒端部３２ａ，３２ｂ（図３参照）とを備える。例えば、外筒側壁部３１は、軸方向に延びる略円筒状であり、外筒側壁部３１の直径は、本体側壁部２１の直径よりも大きい。本体側壁部２１と外筒側壁部３１との間、すなわち、胴本体２の外周面２１１と外筒３の内周面３１１との間には、中心軸Ｊ１を中心とする筒状空間４１が形成される。中心軸Ｊ１に垂直な断面における筒状空間４１の形状は略円環状である。軸方向において筒状空間４１は外筒側壁部３１の全長に亘る。２つの外筒端部３２ａ，３２ｂは、略円環状であり、軸方向における筒状空間４１の両端は、外筒端部３２ａ，３２ｂによりそれぞれ閉塞（ほぼ密閉）される。外筒端部３２ａ，３２ｂは、例えば溶接等により外筒側壁部３１および本体側壁部２１に接合される。
複数のフィン４は、筒状空間４１において中心軸Ｊ１を中心とする周方向に配列される。複数のフィン４は、銅等の金属にて形成される。各フィン４は、胴本体２の外周面２１１と外筒３の内周面３１１とを接続する伝熱部材である。各フィン４は、例えば、本体側壁部２１および外筒側壁部３１に対して溶接される。胴本体２の外周面２１１に対する複数のフィン４の接続位置は、周方向にほぼ一定の間隔で配置される。外筒３の内周面３１１に対する複数のフィン４の接続位置も、周方向にほぼ一定の間隔で配置される。キャスク１では、複数のフィン４により筒状空間４１が複数の分割空間４２（図２参照）に分割される。各分割空間４２は、後述の中性子遮蔽材が充填される空間である。軸方向におけるフィン４の長さは、外筒３の長さよりも小さい。図３の例では、軸方向における外筒３の両端部にはフィン４は設けられず、外筒３の中央部のみにフィン４が設けられる。
図２に示すように、複数の中性子遮蔽部５は、複数の分割空間４２にそれぞれ設けられる。実際には、全ての分割空間４２に、中性子遮蔽部５が設けられる。各中性子遮蔽部５は、成形パイプ部５０と、充填部５５とを備える。成形パイプ部５０は、中性子遮蔽材により形成される。中性子遮蔽材は、例えば、水素を多く含有する高分子材料であり、「レジン」とも呼ばれる。中性子遮蔽材は、中性子を遮蔽することが可能である。中性子遮蔽材の一例は、ボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）および水酸化アルミニウムを混合したエポキシ樹脂である。中性子遮蔽材は、熱可塑性を有する。成形パイプ部５０は、軸方向に延びており、外筒３とほぼ同じ長さを有する。成形パイプ部５０は、軸方向の全長に亘って延びる中空部５９を有する。後述するように、成形パイプ部５０は、複数のプレキャスト部材５１，５２の組立体である。
充填部５５は、成形パイプ部５０と、本体側壁部２１、外筒側壁部３１およびフィン４との間、すなわち、成形パイプ部５０と分割空間４２の外縁との間に充填された中性子遮蔽材である。常温では、充填部５５は、中性子遮蔽材の硬化体である。好ましくは、充填部５５を構成する中性子遮蔽材は、成形パイプ部５０の中性子遮蔽材と同じ種類である。この場合、成形パイプ部５０および充填部５５は、ほぼ一体的であると捉えることができる。両者の境界は、必ずしも明確でなくてもよい。中性子遮蔽部５は、中性子遮蔽材により形成される中空構造体である。既述のように、軸方向における外筒３の両端部にはフィン４は設けられていないため、当該両端部では、複数の中性子遮蔽部５において充填部５５が周方向に連続する。以下の説明では、充填部５５の中性子遮蔽材と、成形パイプ部５０の中性子遮蔽材とが同じ種類であるものとするが、両者は、異なる種類であってもよい。
図４および図５は、１つの成形パイプ部５０を示す図である。図４では、軸方向に垂直な成形パイプ部５０の断面を示し、図５では、周方向に沿って見た成形パイプ部５０を示している。成形パイプ部５０は、複数のプレキャスト部材５１，５２を備える。各プレキャスト部材５１，５２は、外部の装置における中性子遮蔽材の成形（鋳造）により予め得られた長尺の成形部材であり、中性子遮蔽材の硬化体である。図４に示すように、軸方向に垂直な成形パイプ部５０の断面では、２つのプレキャスト部材５１，５２により中空部５９が囲まれる（形成される）。すなわち、成形パイプ部５０では、中空部５９の一方側に配置される第１プレキャスト部材５１と、中空部５９の他方側に配置され、第１プレキャスト部材５１と結合することにより、第１プレキャスト部材５１と共に中空部５９の周囲を囲む第２プレキャスト部材５２とが設けられる。第１プレキャスト部材５１において、中空部５９と反対側の外面５１１は、円弧状の外形を有する。分割空間４２では、第１プレキャスト部材５１の外面５１１が、外筒３の内周面３１１（図２参照）に沿うように配置される。また、第２プレキャスト部材５２において、中空部５９と反対側の外面５２１は、直線状の外形を有する。
図４に示す成形パイプ部５０の断面において、第１プレキャスト部材５１における外面５１１とは反対側の内面５１２には、略円弧状の凹部５１３が形成される。凹部５１３は、第２プレキャスト部材５２とは反対側に窪む。内面５１２において凹部５１３の両外側には、段差部５１４が設けられる。段差部５１４では、凹部５１３から離れた部位が、外面５１１とは反対側に突出する。段差部５１４の縁の形状は、Ｚ字状（蟻溝状）である。第２プレキャスト部材５２において外面５２１とは反対側の内面５２２には、略円弧状の凹部５２３が形成される。凹部５２３は、第１プレキャスト部材５１とは反対側に窪む。内面５２２において凹部５２３の両外側には、段差部５２４が設けられる。段差部５２４では、凹部５２３から離れた部位が、外面５２１側に窪む。段差部５２４の縁の形状は、Ｚ字状である。例えば、第１プレキャスト部材５１および第２プレキャスト部材５２の断面の形状は、軸方向に沿って一定である。
成形パイプ部５０では、第１プレキャスト部材５１の段差部５１４と、第２プレキャスト部材５２の段差部５２４とが互いに係合することにより、結合部５３が形成される。成形パイプ部５０の断面において、段差部５１４と段差部５２４との境界線は、Ｚ字状に複数回かつ鋭角に折り返されており、結合部５３はラビリンス構造を有する。第１プレキャスト部材５１と第２プレキャスト部材５２とが結合した状態では、第１プレキャスト部材５１の凹部５１３と、第２プレキャスト部材５２の凹部５２３とが互いに対向し、既述の中空部５９が形成される。軸方向に垂直な成形パイプ部５０の断面において、中空部５９は、周方向（図４中の略横方向）に沿って延びる形状を有する。周方向に垂直な径方向（図４中の略縦方向）における中空部５９の幅は、周方向の中央部において最大となり、各結合部５３に向かうに従って漸次減少する。各分割空間４２では、原則として、中空部５９および後述の補助ボイド部５８を除き、中性子遮蔽材が満たされている。以下の説明では、中空部５９を「ボイド部５９」と呼ぶ。
図５に示すように、成形パイプ部５０では、複数の第１プレキャスト部材５１が軸方向に連結され、複数の第２プレキャスト部材５２も軸方向に連結される。複数の第１プレキャスト部材５１は、互いに同じ構造を有する。軸方向に隣接する２つの第１プレキャスト部材５１の端部は、接着剤により互いに接合され、当該２つの第１プレキャスト部材５１が連結される。接着剤は、中性子遮蔽材を含むことが好ましく、プレキャスト部材５１，５２および充填部５５と同種の中性子遮蔽材を含むことがより好ましい。複数の第２プレキャスト部材５２は、互いに同じ構造を有する。軸方向に隣接する２つの第２プレキャスト部材５２の端部は、接着剤により互いに接合され、当該２つの第２プレキャスト部材５２が連結される。軸方向において、複数の第１プレキャスト部材５１における各連結位置は、複数の第２プレキャスト部材５２におけるいずれの連結位置とも相違する。
図３に示すように、分割空間４２では、一方の外筒端部３２ａの近傍を除き、成形パイプ部５０の周囲に、中性子遮蔽材が充填部５５として充填される。分割空間４２において外筒端部３２ａと充填部５５の端面との間には、中性子遮蔽材が存在しない空間である補助ボイド部５８が設けられる。各分割空間４２において、ボイド部５９および補助ボイド部５８には空気が充填される。
キャスク１では、本体端部２２ａ，２２ｂにも、図示省略の中性子遮蔽材の部材（例えば、円板状の部材）が設けられる。燃料集合体９が胴本体２の内部に収容された際に、燃料集合体９から発生する中性子の外部への放出が、中性子遮蔽部５および本体端部２２ａ，２２ｂの中性子遮蔽材により遮蔽される。実際には、胴本体２の内部の燃料集合体９を中心とする全方向に対して中性子遮蔽材が配置される訳ではなく、例えば、補助ボイド部５８は、中性子が遮蔽されない遮蔽欠損部となる。
燃料集合体９が収容されたキャスク１では、燃料集合体９の崩壊熱等により胴本体２の温度が高くなり、これに伴い、複数の中性子遮蔽部５、複数のフィン４および外筒３の温度も高くなる。例えば、中性子遮蔽部５の温度は、中性子遮蔽材のガラス転移点よりも高い温度（１２０〜１３０℃）まで上昇する。このとき、中性子遮蔽材の熱膨張係数は、胴本体２、フィン４および外筒３を形成する金属材料の熱膨張係数よりも高く、中性子遮蔽材の体積は当該金属材料よりも大きく膨張する。また、中性子遮蔽材は、その温度がガラス転移点よりも高くなると、ゴム状態となる性質を有する。実際のキャスク１では、中性子遮蔽材の熱膨張により、図４中に二点鎖線にて示すように、軸方向に垂直なボイド部５９の断面積が小さくなるように中性子遮蔽部５（成形パイプ部５０および充填部５５）が変形する。詳細には、径方向におけるボイド部５９の幅の変化量は、周方向の中央部において最大となり、各結合部５３に向かうに従って漸次減少する。したがって、変形後におけるボイド部５９では、当該幅が周方向にほぼ一定、すなわち、ボイド部５９が、周方向に沿う略線状となる。
以上のように、中性子遮蔽部５では、ボイド部５９が潰れるように中性子遮蔽材が膨張することにより、中性子遮蔽材の熱膨張により外筒側壁部３１および本体側壁部２１に生じる応力が比較的小さくなる。換言すると、外筒側壁部３１および本体側壁部２１における熱応力が、ボイド部５９の収縮により吸収される。実際には、中性子遮蔽材は軸方向にも膨張する。このとき、補助ボイド部５８が小さくなるように、中性子遮蔽材が軸方向に伸びるため、外筒端部３２ａ，３２ｂに対して過度に大きな応力が生じることはない。
キャスク１の内部への燃料集合体９の収容から、数年〜数十年が経過すると、燃料集合体９の崩壊熱等が少なくなり、キャスク１の全体の温度も低下する。これにより、中性子遮蔽部５の中性子遮蔽材が収縮する。このとき、ボイド部５９内の空気の存在により、軸方向に垂直なボイド部５９の断面積が大きくなるように、ゴム状態の中性子遮蔽材が収縮する。すなわち、ボイド部５９が再生される。中性子遮蔽材の収縮により、補助ボイド部５８も同様に広がる。そして、中性子遮蔽部５の温度が、中性子遮蔽材のガラス転移点よりも低くなると、中性子遮蔽材が硬化する。中性子遮蔽材が硬化した状態では、中性子遮蔽部５の形状は、燃料集合体９の収容前とほぼ同じであり、予期しない大きな遮蔽欠損部が生じることはない。
次に、キャスク１における中性子遮蔽部５の作製について、図６を参照して説明する。中性子遮蔽部５の作製では、胴本体２の外周面２１１に複数のフィン４が取り付けられ、さらに、複数のフィン４に外筒３が取り付けられた製造途中のキャスク１が準備される（ステップＳ１１）。製造途中のキャスク１では、外筒側壁部３１および本体側壁部２１の一方の端部（図３中の下側の端部）に、外筒端部３２ｂが接合されており、他方の端部（図３中の上側の端部）には外筒端部３２ａは未だ接合されていない。製造途中のキャスク１は、外筒端部３２ｂを外筒側壁部３１よりも鉛直方向下側に配置した状態で保持される。上側から下方を向いて当該キャスク１を見た場合、図７に示すように、複数の分割空間４２は上方に開放された状態である。実際には、図３に示すように、本体側壁部２１の上部において径方向外側に突出するフランジ部２１２が設けられ、本体端部２２ａは、フランジ部２１２と軸方向に重なる部位を有する。図７および後述の図８では、複数の分割空間４２と軸方向に重なるフランジ部２１２および本体端部２２ａの上記部位の図示を省略している。
続いて、成形パイプ部５０が準備される（ステップＳ１２）。既述のように、成形パイプ部５０は、複数の第１プレキャスト部材５１および複数の第２プレキャスト部材５２の組立体である。成形パイプ部５０の組立では、第１プレキャスト部材５１および第２プレキャスト部材５２の一方の部材を他方の部材に対して軸方向（長手方向）に移動することにより、当該一方の部材の段差部が、当該他方の部材の段差部に嵌め込まれる。これにより、第１プレキャスト部材５１と第２プレキャスト部材５２とが結合される。上記作業は、複数の第１プレキャスト部材５１および複数の第２プレキャスト部材５２に対して繰り返されるとともに、複数の第１プレキャスト部材５１が軸方向に連結され、複数の第２プレキャスト部材５２も軸方向に連結される。その結果、軸方向に延びるボイド部５９を有する成形パイプ部５０が組み立てられる。
成形パイプ部５０の組立において、第１プレキャスト部材５１同士の連結、および、第２プレキャスト部材５２同士の連結には、接着剤が利用される。これにより、後述の充填部５５の形成の際に、第１プレキャスト部材５１同士の連結位置、および、第２プレキャスト部材５２同士の連結位置から、ボイド部５９内に中性子遮蔽材が浸入することが防止または抑制される。好ましい成形パイプ部５０では、軸方向において、第１プレキャスト部材５１同士の連結位置と、第２プレキャスト部材５２同士の連結位置とが異なる。したがって、第１プレキャスト部材５１同士を連結する際に、両者の段差部５１４を同じ第２プレキャスト部材５２の段差部５２４に嵌め込むことにより、両者の位置合わせが完了する。第２プレキャスト部材５２同士を連結する場合において同様である。なお、第１プレキャスト部材５１と第２プレキャスト部材５２との結合部５３には、当該接着剤は利用されない。結合部５３において当該接着剤が利用されてもよい。
成形パイプ部５０が準備されると、図８に示すように、製造途中のキャスク１の各分割空間４２内に成形パイプ部５０が配置される（ステップＳ１３）。既述のように、各分割空間４２は上方に開放された状態であり、成形パイプ部５０は、分割空間４２の上側から（図３中のフランジ部２１２の外縁と外筒側壁部３１の内周面３１１との間の隙間を介して）分割空間４２内に挿入可能である。分割空間４２内では、第１プレキャスト部材５１の外面５１１が、外筒３の内周面３１１と対向する。好ましいキャスク１では、第１プレキャスト部材５１の外面５１１の曲率が、外筒３の内周面３１１の曲率とほぼ同じであり、第１プレキャスト部材５１の外面５１１と外筒３の内周面３１１とがほぼ隙間なく接する。なお、第１プレキャスト部材５１と外筒３の内周面３１１との間に隙間が設けられてもよい。
続いて、筒状空間４１内に液状（またはペースト状）の中性子遮蔽材が流し込まれる。このとき、筒状空間４１の下方は、外筒端部３２ｂにより覆われており、中性子遮蔽材が外部に漏れ出すことはない。また、複数のフィン４の上側および下側から、中性子遮蔽材が周方向、すなわち、全ての分割空間４２に広がる。このとき、流し込まれた中性子遮蔽材により第２プレキャスト部材５２の外面５２１が第１プレキャスト部材５１に向かって押されるため、第１プレキャスト部材５１の段差部５１４と第２プレキャスト部材５２の段差部５２４（図４参照）とが密着する。その結果、段差部５１４，５２４間の隙間から中性子遮蔽材（詳細には、中性子遮蔽材に含まれる液状成分であり、クリアレジンとも呼ばれる。）がボイド部５９内に浸入することが防止または抑制される。既述のように、第１プレキャスト部材５１同士の連結位置、および、第２プレキャスト部材５２同士の連結位置には接着剤が充填されるため、中性子遮蔽材が当該連結位置からボイド部５９内に浸入することはない。なお、第１プレキャスト部材５１の外面５１１と外筒３の内周面３１１との間に中性子遮蔽材が浸入してもよい。
外筒側壁部３１の上端面（図３参照）から所定距離だけ下方の位置に、液状（またはペースト状）の中性子遮蔽材の液面が形成されるまで、複数の分割空間４２内に中性子遮蔽材が流し込まれ、その後、中性子遮蔽材の流し込みが停止される。液状の中性子遮蔽材には硬化剤が添加されており、所定時間が経過することにより、中性子遮蔽材が硬化する。以上のように、各分割空間４２の外縁と成形パイプ部５０との間に、流動性を有する中性子遮蔽材を充填し、硬化させることにより充填部５５が形成される（ステップＳ１４）。これにより、複数の中性子遮蔽部５の作製が完了する。実際には、軸方向においてフィン４が設けられていない範囲では、複数の中性子遮蔽部５において充填部５５が周方向に連続する。複数の中性子遮蔽部５は、複数の分割空間４２に充填された中性子遮蔽材をそれぞれ含む。中性子遮蔽部５の作製後、外筒側壁部３１および本体側壁部２１の上側の端部に、外筒端部３２ａが接合され、分割空間４２の上方が閉塞される。
次に、中性子遮蔽部５を模擬した試験体を用いた実験について述べる。試験体は、金属製の所定の容器内に成形パイプ部を配置し、その周囲に中性子遮蔽材を充填して充填部を形成したものである。ここでは、図９に示す成形パイプ部５０を用いた。図９では、軸方向に沿って見た成形パイプ部５０を示している。当該成形パイプ部５０では、細長い矩形のボイド部５９が設けられ、図４の段差部５１４，５２４は省略される。詳細には、第２プレキャスト部材５２の内面５２２において、一定の深さの凹部５２３が設けられ、第１プレキャスト部材５１の内面５１２には、凹部は設けられない。また、第２プレキャスト部材５２の内面５２２において、当該凹部５２３の両外側には切欠き部５２５が設けられ、切欠き部５２５に接着剤を塗布することにより、第１プレキャスト部材５１と第２プレキャスト部材５２とが結合される。試験体を収容する容器には、成形パイプ部５０のボイド部５９が観察可能な窓が設けられる。
本実験では、燃料集合体９を収容したキャスク１において生じる温度変化と同様の温度変化を、試験体に対して再現した。具体的には、まず、試験体を恒温槽内で２０℃から１５０℃まで加熱し、その後、所定時間の間、１５０℃で保持した。このとき、容器の窓を介して成形パイプ部５０のボイド部５９が小さくなることを確認した。実際には、図９の縦方向におけるボイド部５９の幅は、図９の横方向における中央部において、端部よりも小さくなった。また、容器に生じるひずみから算出した圧力（熱膨張する中性子遮蔽材が容器に及ぼす圧力）は、１ＭＰａ未満であった。続いて、恒温槽の温度を１５０℃から２０℃まで下げた。このとき、ボイド部５９の大きさが元に戻る（実験前の大きさに戻る）ことを確認した。
一方、容器の内部を中性子遮蔽材で満たした場合、すなわち、中性子遮蔽部５にボイド部５９を設けない場合の同様の実験では、熱膨張する中性子遮蔽材が容器に及ぼす圧力は８ＭＰａ以上であった。したがって、ボイド部５９を設けた試験体では、中性子遮蔽材の熱膨張により容器に生じる応力を低減することができるといえる。
ここで、成形パイプ部５０を省略した比較例のキャスクを想定する。比較例のキャスクでは、補助ボイド部５８を除き、分割空間４２の全体に中性子遮蔽材が隙間なく充填されて中性子遮蔽部が構成される。当該中性子遮蔽部では、軸方向に垂直な断面が中実である。したがって、燃料集合体９が胴本体２の内部に収容された際に、中性子遮蔽部の中性子遮蔽材の熱膨張により、外筒側壁部３１および本体側壁部２１において大きな応力が生じる。また、軸方向における中性子遮蔽材の伸びも大きくなるため、補助ボイド部５８も予め大きく設計する必要がある。換言すると、中性子遮蔽部が熱膨張していない状態において、大きな遮蔽欠損部（補助ボイド部５８）を設ける必要があり、比較例のキャスクの中性子遮蔽性能が低下する。また、燃料集合体９の崩壊熱等が少なくなり、中性子遮蔽部の温度が低下すると、軸方向に垂直な中性子遮蔽部の断面積（中実の断面の面積）が小さくなるように、中性子遮蔽材が収縮する。このとき、フィン４と中性子遮蔽部との間に隙間が生じて、予期しない遮蔽欠損部が発生する可能性がある。
一方、図２のキャスク１では、各中性子遮蔽部５が、軸方向に延びるとともに、周囲が中性子遮蔽材により直接的に囲まれるボイド部５９を備える。これにより、中性子遮蔽材の熱膨張がボイド部５９により吸収され、中性子遮蔽材の熱膨張により外筒３等に生じる応力を低減することができる。また、遮蔽欠損部である補助ボイド部５８の大きさ（体積）を小さくすることができる。さらに、キャスク１の温度が上昇した後、低下した際に、ボイド部５９が再生されて中性子遮蔽部５が膨張前の形状に戻ることにより、予期しない遮蔽欠損部が生じることを抑制することができる。
キャスク１では、軸方向に垂直な断面において、ボイド部５９が周方向に沿って延びる形状を有する。これにより、中性子遮蔽部５において、中性子の遮蔽率に関係する中性子遮蔽材の径方向の合計厚さが、周方向に大きくばらつくことを抑制することができる。また、周方向の中央部における幅が、周方向の端部における幅よりも大きい図４のボイド部５９は、中性子遮蔽材の熱膨張により周方向に沿う略線状となる。これにより、不必要に大きなボイド部５９の形成を抑制して、キャスク１の大型化を抑制することができる。
各中性子遮蔽部５では、中性子遮蔽材の成形部材により形成され、ボイド部５９である中空部を有する成形パイプ部５０と、成形パイプ部５０と分割空間４２の外縁との間に充填された中性子遮蔽材である充填部５５とが設けられる。これにより、ボイド部５９を有する中性子遮蔽部５を容易に作製することができる。成形パイプ部５０の中性子遮蔽材と、充填部５５の中性子遮蔽材とが同じ種類であることにより、成形パイプ部５０と充填部５５との親和性を向上することができ、両者の間に、予期しない隙間（遮蔽欠損部）等が生じることを防止または抑制することができる。
ところで、例えば、特開２００４−１２５７６３号公報および特開２００１−３１８１８７号公報（上記特許文献１および２）のように、アルミニウムまたは銅製のハニカム材の内部空間に中性子遮蔽材を充填した中性子遮蔽体を、キャスクの分割空間において用いることも考えられる。しかしながら、このような中性子遮蔽体では、中性子遮蔽材の熱膨張によりハニカム材が変形することがあり、中性子遮蔽体の温度の低下により中性子遮蔽材が収縮した際に、ハニカム材と中性子遮蔽材との間に、予期しない隙間（遮蔽欠損部）が生じてしまう。また、分割空間では、ハニカム材の分だけ中性子遮蔽材の合計厚さが小さくなる。
これに対し、キャスク１では、成形パイプ部５０自体が中性子遮蔽材により形成されるため、他の種類の材料により形成された部材の存在により、中性子遮蔽材の合計厚さ（中性子の遮蔽率）が小さくなることを防止することができる。また、既述のように、中性子遮蔽材が収縮する際に、ボイド部５９が再生するため、予期しない遮蔽欠損部が発生することを抑制することができる。
中性子遮蔽部５の作製では、成形パイプ部５０が分割プレキャスト（複数のプレキャスト部材５１，５２）により形成されることにより、成形パイプ部５０を一体的に形成する場合に比べて、成形パイプ部５０を容易に取り扱うことができる。また、段差部５１４と段差部５２４とを嵌め合わせることにより、第１プレキャスト部材５１と第２プレキャスト部材５２とが結合されるため、両者の位置合わせを容易に行うことができる。
第１プレキャスト部材５１と第２プレキャスト部材５２との結合部５３が、ラビリンス構造を有することにより、充填部５５の形成時に液状（またはペースト状）の中性子遮蔽材がボイド部５９内に浸入することを防止または抑制することができる。また、結合部５３において接着剤を使用しないことにより、接着剤の使用量を少なくして、中性子遮蔽部５の作製に要するコストを削減することができる。さらに、接着剤の塗布や硬化等に要する時間を短縮して、成形パイプ部５０の組立に要する時間を短縮することができる。なお、図９の成形パイプ部５０では、切欠き部５２５に接着剤を隙間なく塗布することにより、第１プレキャスト部材５１と第２プレキャスト部材５２との間の隙間から中性子遮蔽材がボイド部５９内に浸入することが防止または抑制される。
上記キャスク１および中性子遮蔽部５の作製方法では様々な変形が可能である。
成形パイプ部５０において、ボイド部５９の幅が周方向の中央部において最大となり、周方向の端部に向かうに従って漸次減少する他の形状が採用されてもよい。図１０は、このような成形パイプ部５０の一例であり、当該成形パイプ部５０では、ボイド部５９が周方向に沿って延びる菱形である。このように、ボイド部５９の形状は適宜変更されてよい。ボイド部５９が周方向に沿って延びる形状を有する図４、図９および図１０の成形パイプ部５０（並びに、後述の図１１および図１２の成形パイプ部５０）では、中性子遮蔽材の径方向の合計厚さが、周方向に大きくばらつくことを抑制することができる。
成形パイプ部５０において複数のボイド部５９が設けられてもよい。図１１に示す例では、それぞれが軸方向に延びる２つのボイド部５９が周方向に並んで設けられる。また、図１２に示すように、各分割空間４２において複数の（図１２では、２つの）成形パイプ部５０が周方向に配列されてもよい。成形パイプ部５０の設計によっては、軸方向の位置に応じて、ボイド部５９の断面形状および大きさが変更されてもよい。
分割空間４２において、ボイド部５９は、必ずしも外筒３近傍に設けられる必要はなく、例えば、胴本体２の近傍に設けられてもよい。このような中性子遮蔽部５は、図６のステップＳ１３において、分割空間４２内における成形パイプ部５０の位置を変更するのみで容易に作製可能である。
成形パイプ部５０を構成する成形部材は、切削等の機械加工により形成されてもよい。成形パイプ部５０は、１つの成形部材により構成されてもよい。また、軸方向の各位置において成形パイプ部５０が、３以上の成形部材により構成されてもよい。成形パイプ部５０が、中性子遮蔽材以外の材料により形成されてもよい。当該材料は、通常、中性子遮蔽材として用いられない材料であり、例えば、ボロンやカドミウムを含まない樹脂等である。当該材料も、中性子遮蔽材と同様に、温度の上昇によりゴム状態となる性質を有することが好ましい。これにより、キャスク１の温度が上昇した後、低下した際に、ボイド部５９を再生して、遮蔽欠損部が発生することを抑制することができる。
上記キャスク１では、軸方向における外筒３の両端部において、複数の中性子遮蔽部５の充填部５５が周方向に連続するが、各フィン４が外筒３の一端から他端まで延びる場合等、複数の中性子遮蔽部５が互いに不連続な状態で存在してもよい。
例えば、軸方向に垂直なキャスク１の断面において、胴本体２の外周面２１１に対する複数のフィン４の傾きが、周方向に漸次変更され、複数の分割空間４２の形状が互いに相違してもよい。この場合でも、中性子遮蔽部５の上記作製方法では、成形パイプ部５０を外部の装置にて作製し、成形パイプ部５０と分割空間４２の外縁との間に、流動性を有する中性子遮蔽材を充填して充填部５５を形成するため、複数の中性子遮蔽部５を適切に作製することができる。キャスク１の設計によっては、外形が分割空間４２に合わせて形成された成形パイプ部５０を当該分割空間４２に挿入することにより、中性子遮蔽部５が作製されてもよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
１ キャスク
２ 胴本体
３ 外筒
４ フィン
５ 中性子遮蔽部
９ 燃料集合体
４１ 筒状空間
４２ 分割空間
５０ 成形パイプ部
５１，５２ プレキャスト部材
５３ 結合部
５５ 充填部
５９ ボイド部（中空部）
２１１ （胴本体の）外周面
３１１ （外筒の）内周面
Ｊ１ 中心軸
Ｓ１１〜Ｓ１４ ステップ
２ 胴本体
３ 外筒
４ フィン
５ 中性子遮蔽部
９ 燃料集合体
４１ 筒状空間
４２ 分割空間
５０ 成形パイプ部
５１，５２ プレキャスト部材
５３ 結合部
５５ 充填部
５９ ボイド部（中空部）
２１１ （胴本体の）外周面
３１１ （外筒の）内周面
Ｊ１ 中心軸
Ｓ１１〜Ｓ１４ ステップ
Claims (7)
- キャスクであって、
中心軸を中心とする筒状であり、燃料集合体を収容可能な胴本体と、
前記胴本体の周囲を囲む筒状の外筒と、
前記胴本体と前記外筒との間に形成される筒状空間において周方向に配列され、前記胴本体の外周面と前記外筒の内周面とを接続することにより、前記筒状空間を複数の分割空間に分割する複数のフィンと、
前記複数の分割空間に充填された中性子遮蔽材を含む複数の中性子遮蔽部と、
を備え、
各中性子遮蔽部が、前記中心軸に沿う軸方向に延びるボイド部を備えることを特徴とするキャスク。 - 請求項１に記載のキャスクであって、
前記各中性子遮蔽部が、
前記ボイド部である中空部を有する成形パイプ部と、
前記成形パイプ部と分割空間の外縁との間に充填された中性子遮蔽材である充填部と、
をさらに備えることを特徴とするキャスク。 - 請求項２に記載のキャスクであって、
前記成形パイプ部が、中性子遮蔽材の成形部材により形成されることを特徴とするキャスク。 - 請求項２または３に記載のキャスクであって、
前記成形パイプ部が、
前記軸方向に垂直な断面において、前記ボイド部の一方側に配置される第１プレキャスト部材と、
前記断面において前記ボイド部の他方側に配置され、前記第１プレキャスト部材と結合することにより、前記第１プレキャスト部材と共に前記ボイド部の周囲を囲む第２プレキャスト部材と、
を備えることを特徴とするキャスク。 - 請求項４に記載のキャスクであって、
前記第１プレキャスト部材と前記第２プレキャスト部材との結合部が、ラビリンス構造を有することを特徴とするキャスク。 - 請求項１ないし５のいずれか１つに記載のキャスクであって、
前記軸方向に垂直な断面において、前記ボイド部が前記周方向に沿って延びる形状を有することを特徴とするキャスク。 - キャスクにおける中性子遮蔽部の作製方法であって、
前記キャスクが、
中心軸を中心とする筒状であり、燃料集合体を収容可能な胴本体と、
前記胴本体の周囲を囲む筒状の外筒と、
前記胴本体と前記外筒との間に形成される筒状空間において周方向に配列され、前記胴本体の外周面と前記外筒の内周面とを接続することにより、前記筒状空間を複数の分割空間に分割する複数のフィンと、
を備え、
前記中性子遮蔽部の作製方法が、
前記中心軸に沿う軸方向に延びる中空部を有する成形パイプ部を分割空間内に配置する工程と、
前記成形パイプ部と前記分割空間の外縁との間に、流動性を有する中性子遮蔽材を充填し、硬化させることにより充填部を形成する工程と、
を備えることを特徴とする中性子遮蔽部の作製方法。
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