JP4221042B2

JP4221042B2 - 放射性物質格納容器

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Publication number: JP4221042B2
Application number: JP2007273711A
Authority: JP
Inventors: 勝成大園; 和雄浅田; 康弘坂口; 淳大野; 信二大亀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2008064767A

Description

この発明は、原子力発電に用いる燃料棒の集合体をリサイクルのために収納する放射性物質格納容器に関する。

リサイクル燃料集合体を原子力発電所から貯蔵施設まで輸送して、一定期間貯蔵しておくための所謂キャスクと呼ばれる放射性物質格納容器が知られている。通常キャスクは、ＰＷＲ用またはＢＷＲ用のリサイクル燃料集合体を内部に設けたバスケットの各セル内に収納し、このバスケットの周囲にはγ線遮蔽の胴本体と、その周囲にレジン層からなる中性子遮蔽体が設けた構造である。胴本体には伝熱フィンが複数設けられ、且つこれが前記中性子遮蔽体内を貫通して外容器の内面に接続されている。

また、従来のキャスクの一例としては、バスケットが薄肉の内容器に収納され、この内容器を厚肉の外容器内に収容したものが知られている（例えば特許文献１参照）。この内容器及び外容器により実質的に前記γ線を遮蔽する胴本体を構成する。密封性は内容器により維持されるので、外容器はγ線遮蔽機能を有していれば良い。従って、前記外容器は、複数の構成材料をボルトにより固定して容器状に組み立てられ、また内容器は、ステンレス製の筒体に底板を溶接した構造であり、そのフランジ部にて外容器の端面に固定される。また、バスケットは、例えば、中性子減速材を含む板材を交互に組み合わせて菓子折り状にし、これにより形成した格子内にステンレス製の角パイプを挿入した構造のものである。外容器と外筒および伝熱フィンとの間には、中性子遮蔽体が充填されている。

特開２０００−１３１４９１号公報（第３頁〜５頁、図１）

ところで、上記従来のキャスクでは、中性子遮蔽体を伝熱フィンおよび外筒と外容器とで区画する空間に充填しているのであるところ、リサイクル燃料集合体を収納したキャビティ内は２００℃前後にまで温度が上昇するため、中性子遮蔽体が軟化して、内部で流動化し、重力の影響で下に下がることで逆に上方に中性子遮蔽体が存在しない部分が生じ得る。

また、温度上昇により中性子遮蔽体が熱伸びを起こしてしまう。特に、リサイクル燃料集合体はその全長が５ｍ近くあり、当該中性子遮蔽体自身の長さも５ｍ以上に達し、キャスク軸方向の熱伸びは相当なものになる。しかしながら、上記キャスクの構成では、中性子遮蔽体の軸方向の伸びについて対策が不十分でその熱伸びを十分に吸収できないという問題点がある。

この発明は、中性子遮蔽体の欠損を防止できる、または中性子遮蔽体の軸方向の熱伸びを効果的に吸収できる放射性物質格納容器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、この発明による放射性物質格納容器は、放射線を遮蔽する有底一体形状の胴本体と、胴本体の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記胴本体、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間を分割板により軸方向に分割し、この分割空間に封入され且つプレキャストした中性子遮蔽体であるレジンと、前記胴本体のキャビティ内に設けられると共に、中性子減速材を含む材料からなり、リサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットとを備えることを特徴とする。また、好ましくは、前記分割板は斜め又は階段状に設ける。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、放射線を遮蔽する有底一体形状の胴本体と、胴本体の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記胴本体、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間に充填される中性子遮蔽体であるレジンと、前記空間を形成する部材の貯蔵姿勢において上部に設けたレジン注入口と、前記胴本体のキャビティ内に設けられると共に、中性子減速材を含む材料からなり、リサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットとを備えることを特徴とする。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、放射線を遮蔽する有底一体形状の胴本体と、胴本体の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記胴本体、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間に配置されると共に、プレキャストされており且つ一面にプレートを設け、当該プレートと前記胴本体または外筒との間に位置する弾性体を有する中性子遮蔽体であるレジンと、前記胴本体のキャビティ内に設けられると共に、中性子減速材を含む材料からなり、リサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットとを備えることを特徴とする。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、放射線を遮蔽する有底一体形状の胴本体と、胴本体の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記胴本体、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間にプレキャストレジンを配置すると共に、このプレキャストレジンの周囲に注入固化されたレジンとから構成された中性子遮蔽体と、前記胴本体のキャビティ内に設けられると共に、中性子減速材を含む材料からなり、リサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットとを備えることを特徴とする。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、放射線を遮蔽する有底一体形状の胴本体と、胴本体の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記胴本体、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間の内面に設けた離型材と、前記空間に入れた中性子遮蔽体と、前記胴本体のキャビティ内に設けられると共に、中性子減速材を含む材料からなる複数の角パイプを面合わせしてリサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットとを備えることを特徴とする。

この発明では、角パイプを用いてバスケットを構成すれば、角パイプ同士の面が互いに接触し、リサイクル燃料集合体の崩壊熱を効率的に伝達して胴本体に伝えることができる。このため、中性子遮蔽体の熱伸びを吸収する必要があり、係る要請に対して、空間内面に設けた離型材により中性子遮蔽体が軸方向に熱伸びを起こしても、当該離型材により中性子遮蔽体自体が滑ることで、当該熱伸びを吸収するようにする。また、この発明では、輸送中における落下等で内部に衝撃が加わった場合、角パイプが面合せして集まっているので、荷重に耐えやすくなる。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、有底一体容器形状の内容器と、内容器と共に放射線を遮蔽する胴本体を構成し且つ内容器の外側に設けた当該内容器より厚肉の外容器と、外容器の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記外容器、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間の内面に設けた離型材と、前記空間に入れた側方の中性子遮蔽体と、前記内容器のキャビティ内に設けられると共に、リサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットと、前記外容器の底部および内容器の開口に取り付ける蓋に設ける、両端側の中性子遮蔽体とを備えることを特徴とする。

この発明では、側方に設けた中性子遮蔽体の軸方向の熱伸びを吸収する構造により、当該側方の中性子遮蔽体の健全性を確保し、更に外容器の底部および内容器の開口に取り付ける蓋に中性子遮蔽体を設けることで、中性子のトラップを確実に行うことができる。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、上記構成において、前記中性子遮蔽体は、熱伸び前の状態で少なくとも前記リサイクル燃料集合体からの中性子を外部に一定量以上出さないような長さに設定され、且つ外筒と短板とで形成する軸方向の熱伸びしろが、当該中性子遮蔽体の熱伸び量に適した寸法となっていることを特徴とする。

離型材により積極的に中性子遮蔽体を滑らせる場合、伸び前後おいて中性子のトラップが確実に行われなければならない。このため、熱伸び前の状態でも中性子を外部に一定量以上出さないような長さに設定するようにしている。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、上記構成において、前記中性子遮蔽体は、多数の小空間を有する保持体をレジンでモールド成型したものであることを特徴とする。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、上記構成において、前記伝熱フィンは、断面がカップ状でそのカップ内に離型材が設けられており、前記外筒に接するカップの頂部から所定ギャップをもって中性子遮蔽体の露呈面が存在することを特徴とする。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、放射線を遮蔽する有底一体形状の胴本体と、胴本体の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記胴本体、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間に入れられ、且つ多数の小空間を有する保持体をレジンでモールド成型した構成の中性子遮蔽体と、前記胴本体のキャビティ内に設けられると共に、リサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットとを備えることを特徴とする。

つぎの発明による放射性物質格納容器は、放射線を遮蔽する有底一体形状の胴本体と、胴本体の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、前記胴本体、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間に入れられた中性子遮蔽体と、前記胴本体のキャビティ内に設けられると共に、リサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットとを備え、前記伝熱フィンは、断面がカップ状であり、前記外筒に接するカップの頂部から所定ギャップをもって前記中性子遮蔽体の露呈面が存在することを特徴とする。

つぎの発明による放射性物質格納容器の製造方法は、放射性物質格納容器を構成するγ線を遮蔽する胴本体、この胴本体の周囲に熱的に接続する伝熱フィンおよび当該伝熱フィンに熱的に接続する外筒により区画される空間、に相当する形状の型内に、多数の小空間を有する保持体を挿入し、この中にレジンを充填することで前記小空間内にレジンを侵入させて、中性子遮蔽体を成型し、この中性子遮蔽体を前記空間内に挿入することを特徴とする。

つぎの発明による放射性物質格納容器の製造方法は、胴本体とその周囲に設けた外筒との間の空間にカップ状の伝熱フィンを複数配置して、その伝熱フィンが胴本体および外筒の両方に接触するようにする前に、伝熱フィンを床置きし、その状態でレジンを注入固化させて中性子遮蔽体を成型すると共に、その中性子遮蔽体の露呈面が伝熱フィンの頂部との間で所定のギャップを有するようにし、前記空間に当該伝熱フィンを挿入した状態で、前記伝熱フィンの頂部が外筒と接触し、且つ外筒と中性子遮蔽体との露呈面との間に熱膨張しろを形成させることを特徴とする。

以上からこの発明の放射性物質格納容器によれば、胴本体、伝熱フィンおよび外筒により区画される空間に離型材を設けることで、中性子遮蔽体自体が軸方向に滑るようになり、当該中性子遮蔽体の熱伸びをそれ自体の滑りにより吸収できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要件には、所謂当業者が置換可能かつ容易なもの或いは実質的同一のものが含まれる。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係るキャスクを示す軸方向断面図および径方向一部断面図である。このキャスクは、γ線を遮蔽する胴本体１と、胴本体１の周囲に配置した中性子遮蔽体２と、中性子遮蔽体２を収納する外筒３と、胴本体１のキャビティ４内に配置したバスケット５とから構成される。バスケット５は、複数の角パイプ６をキャビティ４内に収納した構成であり、原子力発電の燃料として用いたリサイクル燃料集合体を収納する複数のセル７を構成する。角パイプ６は、例えばアルミニウム材またはアルミニウム合金にボロン又はボロン化合物を添加した材料から構成される。ボロン添加は、アルミニウム母材と共に溶融しても良いし、アルミニウム粉末にボロン粉末を混合し、ミキサーによる混合またはメカニカルアロイングによる機械的合金化を施すようにしても良い。この角パイプ６は、ボロンアルミニウム合金のビレットをポートホールダイス等により押し出し成形される。

胴本体１は、主に密封機能を持つ内容器８と、主にγ線遮蔽機能を持つ外容器９とから構成される。内容器８は、外容器９に対して薄肉となっており且つ有底一体容器として成形されている。開口側端面には、蓋１０を取り付けるためのフランジ１１が形成されている。また、内容器８は、ステンレス鋼等の耐食性に優れた材料により構成される。内容器８は、密封性を有する必要があるところ、薄肉であるため有底容器として一体成形が可能なため継ぎ目が存在せず、且つ構造材料の健全性が保たれる限りで十分な密封性を有し、放射性物質が漏洩する等の問題が生じさせることがない。更に、底部分を筒部分に溶接しないことで、ＨＡＺの溶接硬化部の発生やステンレス鋼に多く見られる溶接割れ等の放射性物質の漏洩につながる問題を起こさない。なお、溶接により有底筒形状を形成する場合、溶接施工後の各種試験等の実施により溶接の健全性を十分に確認すればキャスクに適用できる。

外容器９は、安価な炭素鋼製であり且つ内容器８に比べて厚肉の有底容器形状であり、内容器８は外容器９の内側にシュリンクフィットされる。また、外容器９はγ線遮蔽機能を有すればよく、内容器８のような密封機能は要求されない。このため、外容器９は全てを一体成形する必要はなく、且つ構成部材同士を完全に溶接接合する必要もない。

このように、胴本体１を内容器８と外容器９から構成し、且つ内容器８にステンレス鋼等の耐食性を有し且つ密封機能を与え、その一方で外容器９には密封機能を与えず遮蔽機能を与え且つ安価な炭素鋼を用いることで、キャスク１００を簡単かつ安価に製造できる。また、外容器９の強度と密閉性を高めるために、底板１３を筒体１２に突合せ溶接するとなお良い。突合せ溶接には、高周波誘導溶接、高周波抵抗溶接或いはフラッシュ溶接等を用いる。この溶接により筒体１２と底板１３との当接面の略全面で溶接が行われるので、外容器９の密封性を向上させ且つ機械的強度を向上させる。

中性子遮蔽体２は、所定量の水素を含有したレジン１０２から構成され、胴本体１、外筒３および伝熱フィン１７により区画した空間（レジン充填空間１０５）に充填される。この空間１０５６は、軸方向に複数に分割されている。分割板１０１は、斜めに溶接されており、その材料は伝熱フィンと同じである。分割板１０１が斜めに溶接されているのは、次の理由による。図２は、中性子遮蔽体の軟化流動を示す説明図である。分割板１０１により区画された分割空間１０５には、同図（ａ）に示すように、予め別の場所でプレキャストされたレジン１０２が封入される。この状態では、分割板１０１が斜めになっているため、プレキャストレジン１０２は外容器９の外面に当接状態である。外筒３との間はボイド層１０６となっている。

次に、レジン１０２に熱が加わることでレジン１０２が軟化し、流動状態となる。このため、ボイド層１０６にレジン１０２が移動すると共に、重力の影響で下方に移動する。このため、上部に多少の空間１０７が発生することになるが、分割板１０１を斜めにしているので、当該空間１０７の分割板１０１を隔てた上側にもレジン１０２が存在することになるから、中性子が漏れることがない。同様の効果を奏する形状として、図３に示すように、分割板１０４を階段状にしても良い。この場合も、レジン１０２が流動化して上方に空間が発生しても、分割板１０４を隔てた上側にもレジン１０２が存在するため、中性子が漏れることがない。

また、外筒３と外容器９との間の分割空間１０５を複数に分割することで、上方にまとまったレジン１０２の欠損空間が生じるのを防止できる。即ち、分割板１０１のない状態で生じ得る上方の欠損空間を分割空間１０５で分担しており、小さくも生じ得るレジン欠損空間に起因したストリーミングは、分割板１０１を斜めに形成したり、階段状に形成することで解消できる。また、プレキャストレジン１０２を用いることでキャスクの製造を簡略化できる。レジン充填空間の全部にわたり液状のレジンを注入固化することは、鋳込み時間が長くなり、鋳込み装置も大型のものが必要になる。ところが、プレキャストレジン１０２は、個々は小型であるから成形しやすく鋳込み時間も短時間で済む。鋳込み装置も小型のもので足りる。そして、このプレキャストレジン１０２は、実際のキャスクの組立の際にはレジン充填空間１０５に挿入するだけでよい。

リサイクル燃焼集合体の崩壊熱は、まず角パイプ６により構成したバスケット５を伝わり、スペーサ１６を介して胴本体１に伝わる。胴本体１に伝わった熱は主に伝熱フィン１７を介して外筒３に伝わり、外部に放熱される。角パイプ６を用いてバスケット５を構成すると、相互に面接触していることから、熱伝達が効率的に行われる。また、スペーサ１６により胴本体１に対して実質的に接触状態となり、胴本体１への熱伝達も十分に行われる。中性子減速材からなる板材を交互に組んでその格子内にステンレス製の角パイプを挿入してバスケットを製作する場合、接触界面が多く存在することになるので、アルミニウム製の角パイプ６を面接触状態で集合したバスケット５に比べて、熱伝達性が劣るものとなる。

また、ボロンアルミニウム材を押出し成形した角パイプ６を集合させた構造のバスケット５を用いれば、内容器８のキャビティ形状が筒状であってもセル数を増やすことができる。例えばＢＷＲ燃料のリサイクル燃料集合体の場合は、一辺が１５０ｍｍ程度と既知である。このため、中性子減速材により構成した板材を格子状に組み合わせて、その格子内にステンレス製の角パイプを挿入するものに比べて、バスケット５を構成する材料の板厚を小さくでき、同じ内径のキャビティ４であれば、それだけセル数を増やすことができる。また、同じ収納体数であれば外径を小さくできる。即ち、外形が小さくなれば胴本体１の径を小さくできるので、キャスク１００を飛躍的に軽量化できるという利点がある。ＰＷＲ用のリサイクル燃料集合体の場合でも同様である。また、衝撃荷重を受けた場合、角パイプ６同士を集合し互いに面で密着した状態であれば、板材を格子状に組んだバスケットに比べて応力集中の発生部分が少なくなり、破損の危険性を極小化できる。

また、炭素鋼製の外容器９の表面は、ステンレス鋼のオーバレイによる防錆処理を施すのが好ましい。更に、外容器９の筒体１２に対して底板１３をボルト固定する場合は、内部への水分侵入を防止するため、接合部分に銅等の軟質金属を介在させ且つ外部にシリコン等によるシールを施すのが好ましい（図示省略）。これにより、内容器８と外容器９との間に水分が侵入し電食を起こすのを防止できる。更に、外容器９の底板１３を筒体１２に溶接する場合、電子ビーム溶接によりある程度の溶接深度を確保し、ある程度の密封性を持たせるようにしても良い。フランジ１１と外容器９端部との溶接も同様である。キャスク１００の密封性を更に高めると共に溶接負荷を軽減できる。

（実施の形態２）
図４は、この発明の実施の形態２に係るキャスクを示す一部軸方向断面図である。このキャスク２００では、実施の形態１にて説明したように中性子遮蔽材であるレジンの流動により、レジン充填空間の上方にレジンの欠損空間２０１が生じ得る。そこで、キャスク２００を貯蔵した後、一定期間経過してからレジン充填空間に欠損空間２０１が生じた場合、端板３ａに設けたレジン注入口２０２から液状のレジンを注入し、当該欠損空間２０１にレジンを補充するようにする。端板３ａのレジン注入口２０２はボルト２０３により栓ができるようになっている。このようにすれば、レジン欠損空間２０１を消滅させ得るので、中性子の遮蔽を確実に行える。

（実施の形態３）
図５は、この発明の実施の形態３に係るキャスクの中性子遮蔽体を示す斜視図および一部断面図である。このキャスクは、上記実施の形態１のキャスク１００の中性子遮蔽体であるレジン３０１を別の場所で予めプレキャストし、同図（ａ）に示すように、一面（外筒側の面）にプレート３０２を張着し、そのプレート３０２に弾性体３０３が設けたものである。この弾性体３０３は、例えば同図に示したような断面がＣ形状の棒状体３０３ａであり、この開口側がプレート３０２に略平行な方向に取り付けられている。

この中性子遮蔽体３０１を、同図（ｂ）に示すように、外容器９、外筒３および伝熱フィン１７により形成するレジン充填空間３０４に挿入し、弾性体３０４の弾性力によりレジン３０１を外容器９に押し付けるようにする。また、この弾性体３０３は、熱伝導性の良い材料によって製作することで放熱性の向上にも寄与できる。この弾性体３０３は、キャスク内の温度上昇によりレジン３０１が軟化して流動状態になっても、その弾性力によりプレート３０２を介してレジン３０１を押し付けているので、レジン３０１が流動化しても初期状態を維持することができる。即ち、レジン３０１の流動化によりボイド層となっている部分にレジン３０１が流入するのを、前記プレート３０２により抑制し、これによりボイド層に流動する体積分だけ欠損空間が生じるのを結果的に防止している。

このため、レジン充填空間３０４の上方に大きな欠損空間が生じないから、中性子の遮蔽を確実に行える。また、弾性体３０３の形状は、断面Ｃ形状の上記棒状体３０３ａに限定されない。例えば図６（ａ）に示すように、断面が波形状の板材３０３ｂであっても良い。この中性子遮蔽体３０１をレジン充填空間３０４に挿入することで、同図（ｂ）に示すように、弾性体３０３がプレート３０２を介してレジン３０１を外容器９に押し付けるように作用する。このため、レジン３０１が流動化しても上部に大きな欠損空間を生じさせない。また、波形状の板材３０３ｂによれば、プレート３０２と外筒３との接触面積が大きくなるので、これらの間での熱伝導効率が良くなる。なお、上記実施の形態では、レジン３０１と外筒２との間に弾性体３０３を配置挿入したが、外容器９とレジン３０１との間に弾性体３０３を配置してもよい。

（実施の形態４）
図７は、この発明の実施の形態４に係るキャスクを示す一部軸方向断面図である。図８は、図７に示したキャスクの一部径方向断面図である。このキャスク４００は、実施の形態１のキャスクと略同様の構成であるが、レジン充填空間４０４にプレキャストしたレジン４０１を挿入し、充填空間４０４とレジン４０１との間の空間を液状のレジン４０２を注入することで埋めるようにした点が異なる。プレキャストレジン４０１は、軸方向に数個に分割されており、別の場所で製作され、レジン充填空間４０４に挿入される。プレキャストレジン４０１の上部に突起４０３が設けられている。突起４０３により上側のレジン４０１との間に所定の間隔をあけることで、図９に示すように、液状のレジン４０２が当該プレキャストレジン４０１とプレキャストレジン４０１との間に流入し易くできる。

このように、プレキャストレジン４０１をレジン充填空間４０４に挿入し、その充填空間４０４とプレキャストレジン４０１との隙間に液晶のレジン４０２を注入固化させることで、当該レジン充填空間４０４内には、隙間なくレジン４０１，４０２を充填することができる。液状のレジン４０２は、端板３ａのレジン注入口４０５から注入される。また、プレキャストしたものをレジン充填空間４０４に挿入してから隙間を埋めるようにすれば、レジン４０２の鋳込み時間を大幅に短縮できる。即ち、レジン充填空間４０４の全部に液状のレジンを注入固化させる場合、その可使時間を考慮しながら大型の鋳込み装置により作業を行う必要があるが、この発明によれば、別途小型のプレキャストレジン４０１を成形しておき、隙間の鋳込みは少量の液状のレジン４０２で済むので、鋳込み装置を小型化できるし、鋳込み時間は大幅に削減される。

図１０は、このキャスクの別の変形例を示す軸方向断面図である。このキャスク４５０では、レジン充填空間４０４の内面に離型材４０６を塗布した点に特徴がある。この離型材４０６は、例えば、シリコン系のものや、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を原料としたものなどからなる。離型材４０６の他、中性子遮蔽体２であるレジン４０１，４０２を全体的に軸方向に滑らせることができること、２００℃付近までの高温に耐えうることの条件を満たす材料を用いることができる。離型材４０６を設けることで、中性子遮蔽体２の熱伸びは、当該中性子遮蔽体２自体が軸方向に滑ることで吸収できる。このため、中性子遮蔽体２の軸方向の熱伸びに起因した構造体の応力を緩和できる。

離型材４０６としては、例えば「ＭＯＵＬＤＲＥＬＥＡＳＥＱＺ１３」（商品名：ナガセケムテックス株式会社）などを挙げることができる。

（実施の形態５）
図１１は、この発明の実施の形態１に係るキャスクを示す軸方向断面図である。図１２は、図１１に示したキャスクの径方向断面図である。このキャスク５００は、γ線を遮蔽する胴本体５０１と、胴本体５０１の周囲に配置した中性子遮蔽体５０２と、中性子遮蔽体５０２を収納する外筒５０３と、胴本体５０１のキャビティ５０４内に配置したバスケット５０５とから構成される。バスケット５０５は、複数の角パイプ５０６をキャビティ５０４内に収納した構成であり、原子力発電の燃料として用いたリサイクル燃料集合体を収納する複数のセル５０７を構成する。角パイプ５０６は、例えばアルミニウム材またはアルミニウム合金にボロン又はボロン化合物を添加した材料から構成される。ボロン添加は、アルミニウム母材と共に溶融しても良いし、アルミニウム粉末にボロン粉末を混合し、ミキサーによる混合またはメカニカルアロイングによる機械的合金化を施すようにしても良い。この角パイプ５０６は、ボロンアルミニウム合金のビレットをポートホールダイス等により押し出し成形される。

胴本体５０１は、主に密封機能を持つ内容器５０８と、主にγ線遮蔽機能を持つ外容器５０９とから構成される。内容器５０８は、外容器５０９に対して薄肉となっており且つ有底一体容器として成形されている。開口側端面には、蓋５１０を取り付けるためのフランジ５１１が形成されている。また、内容器５０８は、ステンレス鋼等の耐食性に優れた材料により構成される。内容器５０８は、密封性を有する必要があるところ、薄肉であるため有底容器として一体成形が可能なため継ぎ目が存在せず、且つ構造材料の健全性が保たれる限りで十分な密封性を有し、放射性物質が漏洩する等の問題が生じさせることがない。更に、底部分を筒部分に溶接しないことで、ＨＡＺの溶接硬化部の発生やステンレス鋼に多く見られる溶接割れ等の放射性物質の漏洩につながる問題を起こさない。なお、溶接により有底筒形状を形成する場合、溶接施工後の各種試験等の実施により溶接の健全性を十分に確認すればキャスクに適用できる。

外容器５０９は、安価な炭素鋼製であり且つ内容器５０８に比べて厚肉の有底容器形状であり、内容器５０８は外容器５０９の内側にシュリンクフィットされる。また、外容器５０９はγ線遮蔽機能を有すればよく、内容器５０８のような密封機能は要求されない。このため、外容器５０９は全てを一体成形する必要はなく、且つ構成部材同士を完全に溶接接合する必要もない。例えば図１４の（ａ）に示すように、筒体５１２に対して底板５１３を隅肉溶接（溶接部５１４）により固定するようにできる。また、図示しないが、筒体５１２に対して底板５１３をボルト固定しても良い。

更に図１２において点線で示すように、外容器５０９は軸方向に分割されており、各分割体５０９ａ同士をボルトや溶接により固定するようにすることもできる。この場合、内容器５０８の外側から外容器５０９の分割体５０９ａを貼り付けるようにして固定できるので、内容器５０８の外容器５０９に対するシュリンクフィット作業の必要はない。このように、胴本体５０１を内容器５０８と外容器５０９から構成し、且つ内容器５０８にステンレス鋼等の耐食性を有し且つ密封機能を与え、その一方で外容器５０９には密封機能を与えず遮蔽機能を与え且つ安価な炭素鋼を用いることで、キャスク５００を簡単かつ安価に製造できる。また、外容器５０９の強度と密閉性を高めるために、底板５１３を筒体５１２に突合せ溶接するとなお良い。突合せ溶接には、高周波誘導溶接、高周波抵抗溶接或いはフラッシュ溶接等を用いる。この溶接により筒体５１２と底板５１３との当接面の略全面で溶接が行われるので、外容器５０９の密封性を向上させ且つ機械的強度を向上させる。

内容器５０８のフランジ５１１は、図１４の（ｂ）に示すように、外容器５０９の端面５０９ｂに当接し且つ隅肉溶接（溶接部５１５）により固定されている。更に、フランジ側にシール溝を設けて、当該シール溝に金属ガスケットを配置しても良い（図示省略）。また、フランジ５１１の内側には、蓋５１０のインロー部（５１０ａ）を挿入するため、段部５１１ａ設けられている。フランジ５１１は、有底容器を一体成形した後、開口側端部に溶接される。なお、熱間にて深絞り加工する際にダイスで拘持しておくことで一体成形することもできる。この場合は、内容器５０８の全体から溶接部を除去できるので、内容器５０８の密封性等の性能が更に向上する。

バスケット５０５を構成する角パイプ５０６と胴本体５０１のキャビティ５０４との間には、スペーサ５１６が介装されている。このスペーサ５１６は、リサイクル燃料集合体の崩壊熱を角パイプ５０６から胴本体５０１に効率的に伝熱させ得る。角パイプ５０６同士の結束は、外部で予めバンド等で結束してキャビティ５０４内に挿入しても良いし、前記スペーサ５１６を用いてキャビティ５０４内部で角パイプ５０６を拘束するようにしても良い。また、内容器５０８の内側に予めスペーサ５１６をスポット溶接しても良い。

中性子遮蔽体５０２は、所定量の水素を含有したレジンから構成され、図１８に示すように、胴本体５０１と外筒５０３との間に設けた複数の伝熱パイプ５１７の中に充填成形される。伝熱パイプ５１７は、熱伝導性の高い材料、例えば銅やアルミニウムにより製作される。また、伝熱パイプ５１７の内側表面には、離型材５４１が設けられている。この離型材５４１は、例えば、シリコン系のものや、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を原料としたものなどからなる。離型材５４１の他、中性子遮蔽体５０２を全体的に軸方向に滑らせることができること、２００℃付近までの高温に耐えうることの条件を満たす材料を用いることができる。離型材４０６としては、例えば「ＭＯＵＬＤＲＥＬＥＡＳＥＱＺ１３」（商品名：ナガセケムテックス株式会社）などを挙げることができる。

また、離型材５４１は、伝熱パイプ５４１の内面の一部のみに設けても良い。この離型材５４１を設けることで、中性子遮蔽体５０２の熱伸びは、当該中性子遮蔽体５０２自体が軸方向に滑ることで吸収できる。このため、中性子遮蔽体５０２の軸方向の熱伸びに起因した構造体の応力を緩和できる。また、この中性子遮蔽体５０２の熱伸び分だけ、外筒５０３の一方側（起立状態で上になる側）には、外筒５０３とその端板５０３ａで区画した、図１１に示すような逃げ空間５４２が設けられている。また、中性子遮蔽体５０２は、熱伸びしていない状態でも中性子を確実に遮蔽して、キャスク端部で中性子が一定量以上外部に出ないようにする。

ここで、リサイクル燃焼集合体の崩壊熱は、まず角パイプ５０６により構成したバスケット５０５を伝わり、スペーサ５１６を介して胴本体５０１に伝わる。胴本体５０１に伝わった熱は主に伝熱パイプ５１７を介して外筒５０３に伝わり、外部に放熱される。角パイプ５０６を用いてバスケット５０５を構成すると、相互に面接触していることから、熱伝達が効率的に行われる。また、スペーサ５１６により胴本体５０１に対して実質的に接触状態となり、胴本体５０１への熱伝達も十分に行われる。中性子減速材からなる板材を交互に組んでその格子内にステンレス製の角パイプを挿入してバスケットを製作する場合、接触界面が多く存在することになるので、アルミニウム製の角パイプ５０６を面接触状態で集合したバスケット５０５に比べて、熱伝達性が劣るものとなる。

図１３は、胴本体に蓋を取り付けた状態を示す断面図である。蓋５１０は、図１４の（ｃ）に示すように、２枚の円形板材５１０ａ，５１０ｂを張り合わせた構造であり、インロー部を構成する板材５１０ａの径が小さくなっている。この２枚の円形板材５１０ａ，５１０ｂは外部から溶接されている（溶接部５１９）。また、内容器５０８のフランジ５１１に当接する面５１０ｃには、金属ガスケットを介装するシール溝５２０が形成されている。蓋５１０は、インロー部をフランジ５１１の段部５１１ａに入れ込み、その周縁においてフランジ５１１に対し複数のボルト５２１で固定されている。ボルト５２１は、フランジ５１１のみに螺合しており前記外容器５０９の端部には至っていない。

また、蓋５１０は、図１５に示すように、円形板材５１０ａ，５１０ｂの一方に中性子遮蔽材５２２を充填封入した構造であっても良い。その場合、図示しない補助遮蔽体はフランジ５１１の周囲のみに装着すれば良い。また、図１６に示すように、蓋を二重に構成しても良い。具体的には、内容器５０８のフランジ５１１に２段の当接面５１１ｂ，５１１ｃを加工形成し、第一の当接面５１１ｂに一次蓋５２３のシール面５２３ａが密着する。一次蓋５２３には、シール溝５２４内に金属ガスケット５２５を介装して、その周縁にて複数のボルト５２６で固定されている。

また、二次蓋５２７も同様に、シール溝５２８内に金属ガスケット５２９を介装し、その周縁にて複数のボルト５３０で固定されている。更に二次蓋５２７には、中性子遮蔽材５３１が封入されている。一次蓋５２３と二次蓋５２７との間は、若干の空間５３２が形成され且つ当該空間５３２にはヘリウムガスが空気圧より高い圧力を持って封入される。この空間５３２内の圧力は図示しない圧力センサにより監視されている。このように、蓋を二重構造にして空間にヘリウムガス等の検査ガスを導入することで、キャスク内部の放射性物質の漏洩を確実に防止できる。また、キャビティ５０４の内部は負圧ととなり、前記空間５３２が正圧となることから、キャビティ５０４の内部からのリークが防止され且つそのリークは空間内の圧力により検出できる。更に、内容器５０８のフランジ５１１に二重蓋を設けることで、内容器５０８による密封性を確実なものとする。

また、図１７に示すように、二次蓋５２７（または一次蓋；図示省略）に突起５３３を設け、キャスク５００の落下などで二次蓋５２７に荷重が加わるときに、二次蓋５２７および一次蓋５２３が互いに接触するようにすることで、二次蓋５２７および一次蓋５２３の両方で荷重を受けられる構造としても良い。また、突起５３３を設けることで蓋同士の間に空間５３２を確保することもできるので、内部に検査ガスを充填できる。また、図示しないが、突起５３３となる部材を別途製作し、前記二次蓋５２７または一次蓋５２３に取り付けるようにしても良い。例えば二次蓋５２７の当接面５２７ａを基準とし、突起５３３の頂部５３３ａはマイナス公差で加工することで、上記荷重が加わった場合に両蓋５２３，５２７が接触するようになる。具体的には、５６０体前後のリサイクル燃料集合体を収納するキャスクの場合、突起５３３の頂部５３３ａと対向面５２３ｂとの隙間が０．５ｍｍ以下となるようにするのが好ましい。突起５３３は、径方向に放射状に設けてもよいし、渦巻状に設けても良い。また、散点的または規則的に複数の突起５３３を設けても良い。

また、ボロンアルミニウム材を押出し成形した角パイプ６を集合させた構造のバスケット５０５を用いれば、内容器５０８のキャビティ形状が筒状であってもセル数を増やすことができる。例えばＢＷＲ燃料のリサイクル燃料集合体の場合は、一辺が１５０ｍｍ程度と既知である。このため、中性子減速材により構成した板材を格子状に組み合わせて、その格子内にステンレス製の角パイプを挿入するものに比べて、バスケット５０５を構成する材料の板厚を小さくでき、同じ内径のキャビティ５０４であれば、それだけセル数を増やすことができる。また、同じ収納体数であれば外径を小さくできる。即ち、外形が小さくなれば胴本体５０１の径を小さくできるので、キャスク５００を飛躍的に軽量化できるという利点がある。ＰＷＲ用のリサイクル燃料集合体の場合でも同様である。また、衝撃荷重を受けた場合、角パイプ５０６同士を集合し互いに面で密着した状態であれば、板材を格子状に組んだバスケットに比べて応力集中の発生部分が少なくなり、破損の危険性を極小化できる。

また、炭素鋼製の外容器５０９の表面は、ステンレス鋼のオーバレイによる防錆処理を施すのが好ましい。更に、外容器５０９の筒体５１２に対して底板５１３をボルト固定する場合は、内部への水分侵入を防止するため、接合部分に銅等の軟質金属を介在させ且つ外部にシリコン等によるシールを施すのが好ましい（図示省略）。これにより、内容器５０８と外容器５０９との間に水分が侵入し電食を起こすのを防止できる。更に、このような処理は、外容器５０９を複数の分割体５０９ａで構成する場合において、相互にボルト固定するときにも同様に行うのが好ましい。更に、外容器５０９の底板５１３を筒体５１２に溶接する場合、電子ビーム溶接によりある程度の溶接深度を確保し、ある程度の密封性を持たせるようにしても良い。フランジ５１１と外容器５０９端部との溶接も同様である。キャスク５００の密封性を更に高めると共に溶接負荷を軽減できる。

図１９は、上記キャスクの変形例を示す断面図である。同図（ａ）に示すように、上記伝熱パイプ５４３は、ストリーミング対策として断面が階段形状になっている。伝熱パイプ５４３の段部５４３ａは、隣接する伝熱パイプ５４３の段部５４３ｂと嵌り合うようになる。また、伝熱パイプ５４３の内側面には、離型材５４４が当該伝熱パイプ５４３の形状に沿って設けられる。中性子遮蔽体５４５は、係る伝熱パイプ５４３の中に充填形成される。このようにすれば、中性子遮蔽体５４５の軸方向の熱伸びを吸収できると共に、中性子の遮蔽を確実に行うことができる。また、同図（ｂ）に示すように、伝熱パイプ５４６を断面が略台形となるようにし、隣接する反対向きに設置した伝熱パイプ５４６と面接触するように配置する。また、伝熱パイプ５４６の内側面には、離型材５４７が設けられている。また、この離型材５４７を設けた伝熱パイプ５４６の中に中性子遮蔽体５４８を充填形成する。この場合も同様に、中性子遮蔽体５４５の軸方向の熱伸びを吸収できると共に、中性子の遮蔽を確実に行うことができる。

（実施の形態６）
図２０は、この発明の実施の形態６に係るキャスクを示す斜視図である。このキャスク６００では、内容器５０８と外容器５０９とから胴本体５０１を構成しており、外容器５０９の外周に複数の伝熱フィン５５０が接合しており、更にこの伝熱フィン５５０は外筒５０３の内面に接合されている。また、外容器５０９、外筒５０３および伝熱フィン５５０により区画される空間５５１には、別の場所で成形した中性子遮蔽体５５２が挿入される。また、空間５５１の内面には、離型材５５５が設けられている。この中性子遮蔽体５５２は、アルミニウム又は銅製のハニカム材の内部空間にレジンを充填した構成である。図２１は、この中性子遮蔽体５５２の製造方法を示す説明図である。同図（ａ）に示すように、中性子遮蔽体５５２の形状を成形する筒状の割り型５５３内に、同形状のハニカム材５５４を入れる。

次に、同図（ｂ）に示すように、割り型５５３内に２液混合用の所定の液状材料を充填し、内部のハニカム材５５４の内部空間に入り込ませる。なお、ハニカムの寸法は、レジンを構成する液体が内部に侵入できる程度のものとする。そして、所定の反応時間だけ待ち、同図（ｃ）に示すように、割り型５５３を分割して内部で成形した中性子遮蔽体５５２を取り出す。このように成形した中性子遮蔽体５５２は、ハニカム材５５４の内部にレジンが充填された構造となる。

図２２は、中性子遮蔽体５５２を空間５５１に挿入した状態を示す断面図である。このように、離型材５５５を設けた空間５５１内に中性子遮蔽体５５２を挿入することで、当該中性子遮蔽体５５２の軸方向の熱膨張は中性子遮蔽体５５２自体が滑ることで吸収される。また、ハニカム材５５４のハニカム内にレジンを充填した構造であるため、この中性子遮蔽体５５２自体の熱伝導性が極めて高いものとなり、キャスク内部の崩壊熱を効率的に外筒５０３に伝えることができるようになる。なお、上記例では離型材５５５を空間５５１内に設けた構成を示したが、中性子遮蔽体５５２を成形後に挿入するため、予め当該中性子遮蔽体５５２の周囲に離型材を塗布しておいても良い。また、離型材５５５を省略した構成を採用しても良い。即ち、ハニカム材５５４にレジンを充填する場合、中性子遮蔽体５５２の外周面にはハニカム材５５４の素材が露出しており、空間５５１の内面に対してある程度滑ることができるからであり、一方、ハニカム内にレジンを充填することでその膨張はまずハニカム材５５４により阻害され、レジンのみの場合に比べて膨張し難いためである。

なお、上記ではハニカム材５５４を用いて中性子遮蔽体５５２をモールド成形したが、ハニカム材のほかに、レジンが侵入できる小空間を多数有するレジン保持体、あるいは内部空間を有するスケルトン状の構造体であれば用いることができる。例えば、矩形の板状体を格子状に組み合わせたものであってもよいし、長尺の波状板を並べて組み合わせたものでも良い。

（実施の形態７）
図２３は、この発明の実施の形態７に係るキャスクを示す径方向の一部断面図である。このキャスク７００は、中性子遮蔽体を長尺カップ状の伝熱フィン７０１内にレジンを充填固化した後、外容器５０９と外筒５０３との間に差し込んだ構成である。図２４は、中性子遮蔽体の成形方法を示す説明図である。この中性子遮蔽体７０２は、同図（ａ）に示すように、長尺カップ状の伝熱フィン７０１を水平に置き、この中に液状の所定の溶剤を入れて混合固化させる。伝熱フィン７０１は、アルミニウムまたは銅等の熱伝導性の良い材料で製作する。

ここで、レジンを充填量は、同図（ｂ）に示すように、伝熱フィン７０１の頂部７０１ａから若干下の当たりまでとする（ギャップＧ）。これは、伝熱フィン７０１を外容器５０９と外筒５０３との間に差し込んだ状態で、伝熱フィン７０１の頂部７０１ａは外筒５０３の内面に接触させようにするが、その一方で中性子遮蔽体７０２の露呈面（伝熱フィン７０１と接触していない部分）が外筒７０３の内面に接触せず、熱膨張しろ７０４が形成されるようにするためである。このようにすれば、熱膨張しろ７０４を容易に作ることができる。伝熱フィン７０１は隣接する伝熱フィン７０１同士で接触して、外容器５０９と外筒５０３との空間で固定される。なお、同図（ａ）に示した長尺カップ状の伝熱フィン７０１は、その両側の壁は仮のものとしても良い。即ち、レジンを流動充填するときは壁として用い、レジンが固化した後は取り外すようにしても良い。

また、同図（ｃ）に示すように、伝熱フィン７０１の内面に離型材７０３を塗布してからレジンを充填するようにしても良い。このようにすれば、前記効果に加えて、中性子遮蔽体７０２の軸方向の熱膨張を中性子遮蔽体７０２自体が滑ることで吸収できるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係るキャスクを示す軸方向断面図および径方向一部断面図である。中性子遮蔽体の軟化流動を示す説明図である。図１のキャスクの変形例を示す説明図である。この発明の実施の形態２に係るキャスクを示す一部軸方向断面図である。この発明の実施の形態３に係るキャスクの中性子遮蔽体を示す斜視図および一部断面図である。図５に示すキャスクの変形例を示す説明図である。この発明の実施の形態４に係るキャスクを示す一部軸方向断面図である。図７に示したキャスクの一部径方向断面図である。図７のキャスクのレジンの流動を示す説明図である。キャスクの別の変形例を示す軸方向断面図である。この発明の実施の形態５に係るキャスクを示す軸方向断面図である。図１１に示したキャスクの径方向断面図である。胴本体に蓋を取り付けた状態を示す断面図である。キャスク各部の拡大図である。図１１に示したキャスクの変形例を示す説明図である。図１１に示したキャスクの変形例を示す説明図である。図１１に示したキャスクの変形例を示す説明図である。中性子遮蔽体を挿入する伝熱パイプ等を示す説明図である。図１１に示したキャスクの変形例を示す断面図である。この発明の実施の形態６に係るキャスクを示す斜視図である。この中性子遮蔽体の製造方法を示す説明図である。中性子遮蔽体を空間に挿入した状態を示す断面図である。この発明の実施の形態７に係るキャスクを示す径方向の一部断面図である。中性子遮蔽体の成形方法を示す説明図である。

符号の説明

１００キャスク
１胴本体
２中性子遮蔽体
３外筒
４キャビティ
５バスケット
６角パイプ
７セル
８内容器
９外容器
１０蓋
１１フランジ
１２筒体
１３底板
１７伝熱パイプ
４１離型材
４２逃げ空間

Claims

放射線を遮蔽する有底一体形状の胴本体と、
前記胴本体の周囲に複数の伝熱フィンを介して設けられた外筒と、
前記胴本体、前記伝熱フィンおよび前記外筒により区画される空間において、軸方向に複数配置されたプレキャストレジンと、前記プレキャストレジンの周囲に注入固化されたレジンとから構成された中性子遮蔽体と、
前記胴本体のキャビティ内に設けられると共に、アルミニウム材またはアルミニウム合金にボロン又はボロン化合物を添加した材料からなり、リサイクル燃料集合体を収納する複数のセルを構成するバスケットと、を備え、
前記各プレキャストレジンは、軸方向の一端部に突起が設けられていることを特徴とする放射性物質格納容器。