JP6698924B1

JP6698924B1 - 架台の設計方法及び架台

Info

Publication number: JP6698924B1
Application number: JP2019143296A
Authority: JP
Inventors: 浩平會田; 晃久岩崎; 小笠　勝; 勝小笠; 松原　亨; 亨松原; 雄一齋藤; 廣紀玉置
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2039-08-02
Also published as: JP2021025863A

Abstract

【課題】架台に対するキャスクの転倒を抑制すること。【解決手段】放射性物質収納容器が載置される架台を設計する架台の設計方法であって、放射性物質収納容器は、筒状の胴部と、胴部の一方側に設けられる断面円形状の底部と、を有し、架台は、底部が嵌め合わされる有底円形状の嵌合孔が形成されており、放射性物質収納容器の底部が嵌合孔に嵌め合わされた状態で、架台に対して放射性物質収納容器が傾斜した場合、底部が嵌合孔に対して３点で支持されるように、嵌合孔の直径及び深さを設計する第１の工程を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、放射性物質収納容器が載置される架台の設計方法及び架台に関するものである。

従来、放射性物質を収容する貯蔵容器を非固定状態の架台に固定したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。貯蔵容器は、固定金具を介して架台に固定される。架台は、床面に対して非固定状態となっている。また、架台の幅は、貯蔵容器の直径よりも大きくしてあり、転倒しにくくなっている。

特開２０１２−２８２３号公報

ところで、貯蔵容器等の放射性物質収納容器は、特許文献１とは異なる固定状態で固定される場合がある。具体的に、放射性物質収納容器の固定としては、床面に対して架台を固定すると共に、架台上に非固定状態で放射性物質収納容器を載置する固定がある。この場合、地震等によって放射性物質収納容器が架台に対して傾斜すると、転倒する可能性がある。

そこで、本発明は、架台に対する放射性物質収納容器の転倒を抑制することができる架台の設計方法及び架台を提供することを課題とする。

本発明の架台の設計方法は、放射性物質収納容器が載置される架台を設計する架台の設計方法であって、前記放射性物質収納容器は、筒状の胴部と、前記胴部の一方側に設けられる断面円形状の底部と、を有し、前記架台は、前記底部が嵌め合わされる有底円形状の嵌合孔が形成されており、前記放射性物質収納容器の前記底部が前記嵌合孔に嵌め合わされた状態で、前記架台に対して前記放射性物質収納容器が傾斜した場合、前記底部が前記嵌合孔に対して３点で支持されるように、前記嵌合孔の直径及び深さを設計する第１の工程を備える。

また、本発明の架台は、筒状の胴部と、前記胴部の一方側に設けられる断面円形状の底部とを有する放射性物質収納容器が載置される架台において、前記底部が嵌め合わされる有底円形状の嵌合孔が形成されており、前記嵌合孔の内径をＡとし、前記嵌合孔の深さをＢとし、前記底部の外径をＣとし、前記架台に対する前記放射性物質容器の傾斜角をθとすると、前記嵌合孔は、前記架台に対して前記放射性物質収納容器が傾斜し、前記底部が前記嵌合孔に対して３点で支持される場合、前記放射性物質収納容器の重心が転倒角を超えず、（１）式及び（２）式を満足する架台。
Ａ＝Ｃcosθ＋Ｂtanθ ・・・（１）
Ｂ＞Ｃsinθ ・・・（２）

本発明によれば、架台に対する放射性物質収納容器の転倒を抑制することができる。

図１は、本実施形態に係る架台に載置されたキャスクに関する概略構成図である。図２は、本実施形態に係る架台とキャスクとの寸法を示す説明図である。図３は、本実施形態に係る架台に対してキャスクが作用する力を示す説明図である。図４は、本実施形態に係る架台の設計方法に関するフローチャートである。図５は、本実施形態に係る架台の嵌合孔の内径及び深さに関する図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［本実施形態］
（架台及びキャスク）
図１は、本実施形態に係る架台に載置されたキャスクに関する概略構成図である。本実施形態に係る架台５は、放射性物質収納容器としてのキャスク１が載置されるものとなっている。キャスク１は、内部に放射性物質を収容する容器となっており、貯蔵施設に設置される。架台５は、貯蔵施設の設置面６に設置され、固定部材を用いて、設置面６に固定される。

（キャスク）
キャスク１は、円筒形状となっており、軸方向に延在して設けられている。キャスク１は、軸方向を鉛直方向として架台５上に設置される。キャスク１は、架台５に対して、固定部材による固定が行われず、非固定状態となっている。

キャスク１は、軸方向の中央に設けられる胴部１０と、胴部１０に対して軸方向の一方側（鉛直方向の上方側）に設けられる蓋部１１と、胴部１０に対して軸方向の他方側（鉛直方向の下方側）に設けられる底部１２とを有している。

蓋部１１及び底部１２は、軸方向に直交する面で切った断面において、径方向における直径が、胴部１０よりも小さい径となっている。換言すれば、胴部１０は、軸方向に直交する面で切った断面において、径方向における直径が、蓋部１１及び底部１２よりも大きい径となっている。このため、胴部１０は、蓋部１１及び底部１２に対して径方向の外側に突出した形状となっている。

また、キャスク１は、底部１２の直径（外径）が２ｍ前後あり、胴部１３の直径が底部１２の直径を上回る。また、キャスク１は、底部１２の底面から２．６ｍ前後の位置に重心があり、重量は１１０ｔｏｎ程度である。換言すれば、キャスク１の底部１２の直径は、キャスク１の底面から重心までの距離よりも短いものとなっている。

（架台）
架台５は、鉛直方向から見た平面視において、方形状に形成されている。架台５の上面には、キャスク１の底部１２が嵌め合わされる嵌合孔２１が形成されている。嵌合孔２１は、架台５の上面に対して凹状に窪んで形成される有底の孔となっており、鉛直方向から見た平面視において、円形状に形成されている。また、嵌合孔２１は、その周囲が縁部２２に囲まれることで形成されている。

嵌合孔２１は、その直径（内径）が、キャスク１の底部１２の直径よりもわずかに大きなものとなっており、キャスク１の底部１２の直径よりも＋４ｍｍ以下となる大きさとなっている。また、嵌合孔２１は、その深さが１００ｍｍ以上２３０ｍｍ以下となっている。

（架台の設計方法）
次に、図２から図４を参照して、架台５の設計方法について説明する。図２は、本実施形態に係る架台とキャスクとの寸法を示す説明図である。図３は、本実施形態に係る架台に対してキャスクが作用する力を示す説明図である。図４は、本実施形態に係る架台の設計方法に関するフローチャートである。

貯蔵施設の設置面６に固定された架台５上に非固定状態で載置されるキャスク１は、地震等の振動が与えられると、架台５に対して傾斜する可能性がある。キャスク１に与えられる振動は、各種の振動モードがあり、例えば、架台５に対してキャスク１が水平方向に滑る振動モード、架台５に対してキャスク１が鉛直方向及び水平方向に揺動する振動モード、架台５の嵌合孔２１に沿ってキャスク１が回転する振動モード等がある。架台５は、各種の振動モードであっても、キャスク１の転倒を抑制するように設計される。

架台５の設計方法では、ステップＳ１からステップＳ４が順に行われる。ステップＳ１（第１の工程）は、キャスク１の底部１２が嵌合孔２１に嵌め合わされた状態で、架台５に対してキャスク１が傾斜した場合、底部１２が嵌合孔２１に対して３点で支持されるように、嵌合孔２１の直径及び深さを設計する工程となっている。具体的に、ステップＳ１では、下記する３つの計算式に基づいて、嵌合孔２１の直径及び深さを設計している。ここで、図２に示す角度θは、架台５に対する（水平方向または鉛直方向を基準としたときの）キャスク１の傾斜角度である。また、図１に示す角度βは、キャスク１の重心及びキャスク１が傾く際の支点を結ぶ直線と、キャスク１の底面で構成される角度である。傾斜角度θは、予め規定された要求角度（クライテリア／転倒角）よりも小さくなるように設定され、（３）式にて表される。

θ＜クライテリア＝sin^−１cosβ ・・・（３）

キャスク１が傾斜角度θとなる場合、３点支持とするためには、下記する（１）式を満足するように、嵌合孔２１を設計する。ここで、３点支持とは、キャスク１が傾斜したときに３つの支持点で支持される構成であり、３つの支持点とは、底部１２の底面における下方側の端部と嵌合孔２１の底面とが接する点（図３のＨ）、底部１２の底面における上方側の端部と嵌合孔２１の側面とが接する点（図３のＧ）、底部１２の側面と縁部２２とが接する点（図３のＦ）である。このとき、嵌合孔２１の直径（内径）をＡとし、嵌合孔２１の深さをＢとし、底部１２の直径（外径）をＣとする。なお、底部１２の直径Ｃは、既知の値となっている。

Ａ＝Ｃcosθ＋Ｂtanθ ・・・（１）

（１）式に基づいて、嵌合孔２１の直径Ａと、嵌合孔２１の深さＢとが設計される。また、キャスク１が傾斜したときに、浮き上がった底部１２が嵌合孔２１から逸脱することを抑制するためには、下記する（２）式を満足するように嵌合孔２１を設計する。

Ｂ＞Ｃsinθ ・・・（２）

このように、ステップＳ１では、上記の（３）式を満たしつつ、（１）式及び（２）式の計算式を用いて、嵌合孔２１を設計する。具体的に、ステップＳ１では、上記の（１）式から（３）式の３つの計算式を用いることで、嵌合孔２１の直径及び深さは、一例として、図５に示すものとなる。図５は、本実施形態に係る架台の嵌合孔の内径及び深さに関する図である。図５に示すように、嵌合孔２１の内径が、キャスク１の底部１２の外径よりも、０．１ｍｍ以上１ｍｍ未満の範囲において大きい場合、嵌合孔２１の深さは、３０ｍｍ以上となる。嵌合孔２１の内径が、キャスク１の底部１２の外径よりも、１ｍｍ以上２ｍｍ未満の範囲において大きい場合、嵌合孔２１の深さは、７０ｍｍ以上となる。嵌合孔２１の内径が、キャスク１の底部１２の外径よりも、２ｍｍ以上３ｍｍ未満の範囲において大きい場合、嵌合孔２１の深さは、１００ｍｍ以上となる。嵌合孔２１の内径が、キャスク１の底部１２の外径よりも、３ｍｍ以上４ｍｍ未満の範囲において大きい場合、嵌合孔２１の深さは、１２０ｍｍ以上となる。嵌合孔２１の内径が、キャスク１の底部１２の外径よりも、４ｍｍ以上５ｍｍ未満の範囲において大きい場合、嵌合孔２１の深さは、１４０ｍｍ以上となる。嵌合孔２１の内径が、キャスク１の底部１２の外径よりも、５ｍｍ以上６ｍｍ未満の範囲において大きい場合、嵌合孔２１の深さは、１５０ｍｍ以上となる。嵌合孔２１の内径が、キャスク１の底部１２の外径よりも、６ｍｍ以上７ｍｍ未満の範囲において大きい場合、嵌合孔２１の深さは、１７０ｍｍ以上となる。

ステップＳ２（第２の工程）は、熱膨張するキャスク１の底部１２が嵌め合わされるように、嵌合孔２１の直径Ａを設計する工程となっている。ここで、上記したようにキャスク１の内部には放射性物質が収納されていることから、放射性物質が発する熱によりキャスク１の底部１２は熱膨張する。このため、架台５の嵌合孔２１の直径Ａは、熱膨張したキャスク１の底部１２の外径よりも大きくなるように、下記する（４）式を満足するように設計される。ここで、αは、線膨張係数であり、Ｔは、キャスク１の底部１２の温度であり、Ｔ_０は、基準温度となっている。

Ｃ｛１＋α（Ｔ−Ｔ_０）｝＜Ａ・・・（４）

このように、ステップＳ２では、上記の（４）式の計算式を用いて、嵌合孔２１を設計する。

ステップＳ３（第３の工程）は、胴部１０の底面と、架台５の上面との間の距離が０よりも大きくなるように、嵌合孔２１の深さを設計する工程となっている。架台５に対してキャスク１が傾斜すると、胴部１０が架台５に接触する可能性がある。このため、架台５の嵌合孔２１の深さＢは、胴部１０と架台５とが接触しないように、下記する（５）式を満足するように設計される。ここで、Ｄは、底部１２の軸方向における長さであり、Ｅは、径方向における底部１２の側面から胴部１０の側面までの長さである。

Ｄcosθ−Ｅsinθ−Ｂ＞０・・・（５）

このように、ステップＳ３では、上記の（５）式の計算式を用いて、嵌合孔２１を設計する。具体的に、ステップＳ３では、上記の（５）式の計算式を用いることで、嵌合孔２１の深さＢを２３０ｍｍ以下の範囲としている。

ステップＳ４（第４の工程）は、架台５に対してキャスク１が傾斜した場合、底部１２から嵌合孔２１を形成する縁部２２に与えられる応力が、予め規定された要求応力（クライテリア）以下となるように、架台５の強度を設計する工程となっている。具体的に、ステップＳ４では、底部１２から縁部２２の断面に与えられる最大応力が、架台５を形成する材料の設計引張強さ（Ｓｕ）以下となるように設計する。架台５に対してキャスク１が傾斜すると、底部１２が２つの支持点Ｇ、Ｆにおいて縁部２２と接触する。このとき、縁部２２による支持機能を維持すべく、下記する（６）式から（１０）式を満足するように設計される。ここで、縁部２２の底面側における応力をσとすると、応力σは、予め規定されたクライテリア以下となるように設定され、（６）式にて表される。

σ≦クライテリア・・・（６）

また、支持点Ｆにおける荷重をＦ_Ｆとすると、荷重Ｆ_Ｆは、（７）式で表され、同様に、支持点Ｇにおける荷重をＦ_Ｇとすると、荷重Ｆ_Ｇは、（８）式で表される。ここで、Ｋは、剛性であり、ｘは、変位である。

Ｆ_Ｆ＝Ｋ_Ｆ・ｘ_Ｆ・・・（７）
Ｆ_Ｇ＝Ｋ_Ｇ・ｘ_Ｇ・・・（８）

そして、変位ｘ_Ｆ及び変位ｘ_Ｇは、（９）式及び（１０）式の連立方程式を解くことで算出される。ここで、（９）式は、支持点Ｈを中心に回転運動するキャスク１の運動エネルギーに関する式である。ｌ_Ｈは、支持点Ｈにおける慣性モーメントであり、ωは、支持点Ｈを中心とする角速度である。このため、支持点Ｈを中心に回転運動するキャスク１の運動エネルギーは、「ｌ_Ｈ・ω^２／２」で表される。このとき、キャスク１の運動エネルギーは、支持点Ｆにおける運動エネルギーと、支持点Ｇにおける運動エネルギーと、回転前後におけるキャスク１の位置エネルギーの変位分との総和となり、（９）式で表される。ここで、ｍは、キャスク１の質量であり、ｇは、重力加速度である。

ｌ_Ｈ・ω^２／２＝Ｋ_Ｆ・ｘ_Ｆ ^２／２＋Ｋ_Ｇ・ｘ_Ｇ ^２／２＋ｍ・ｇ・（キャスクの重心位置の変位量）・・・（９）

また、重心Ｏを中心とする支持点Ｆの回転モーメントと、重心Ｏを中心とする支持点Ｇの回転モーメント及び支持点Ｈの回転モーメントの合計とは釣り合うことから、（１０）式が成立する。ここで、ｈ_Ｆは、重心Ｏから支持点Ｆまでの鉛直方向における腕の長さであり、ｈ_Ｇは、重心Ｏから支持点Ｇまでの鉛直方向における腕の長さであり、ｌは、重心Ｏから支持点Ｈまでの水平方向における腕の長さである。

Ｆ_Ｆ・ｈ_Ｆ＝Ｆ_Ｇ・ｈ_Ｇ＋ｍ・ｇ・ｌ・・・（１０）

このように、ステップＳ４では、上記の（６）式から（１０）式の計算式を用いて、縁部２２の剛性を設計する。具体的に、ステップＳ４では、上記の（６）式から（１０）式の計算式を用いることで、縁部２２の底面側における応力σを、予め規定されたクライテリア以下となるように設計する。

そして、架台５の設計方法では、ステップＳ１からステップＳ４を行うことで、所定の形状となる架台５を設計して、一連の工程を終了する。

以上のように、本実施形態では、キャスク１が載置される架台５を設計する架台５の設計方法であって、キャスク１は、筒状の胴部１０と、胴部１０の一方側に設けられる断面円形状の底部１２と、を有し、架台５は、底部１２が嵌め合わされる有底円形状の嵌合孔２１が形成されており、キャスク１の底部１２が嵌合孔２１に嵌め合わされた状態で、架台５に対してキャスク１が傾斜した場合、底部１２が嵌合孔２１に対して３点で支持されるように、嵌合孔２１の直径Ａ及び深さＢを設計するステップＳ１を備える。

また、本実施形態では、筒状の胴部１０と、胴部１０の一方側に設けられる断面円形状の底部１２とを有するキャスク１が載置される架台５において、底部１２が嵌め合わされる有底円形状の嵌合孔２１が形成され、嵌合孔２１は、架台５に対してキャスク１が傾斜し、底部１２が嵌合孔２１に対して３点で支持される場合、キャスク１の重心Ｏが転倒角を超えず、（１）式及び（２）式を満足する形状となる。具体例として、嵌合孔２１の直径Ａ及び深さＢは、図５に示すとおりとなる。

この構成によれば、キャスク１の底部１２が嵌合孔２１に対して３点で支持されるように、嵌合孔２１の直径Ａ及び深さＢを設計することができる。このため、キャスク１が転倒することを抑制することができる架台５を設計することができる。

また、本実施形態では、熱膨張するキャスク１の底部１２が嵌め合わされるように、嵌合孔２１の直径Ａを設計するステップＳ２を、さらに備える。

また、本実施形態では、嵌合孔２１は、熱膨張するキャスク１の底部１２の直径Ｃよりも大きくなっている。

この構成によれば、熱膨張するキャスク１の底部１２を嵌合孔２１に嵌め合わせるように、嵌合孔２１の直径Ａを設計することができる。

また、本実施形態では、キャスク１は、径方向において胴部１０が底部１２よりも外側に突出しており、架台５と対向する胴部１０の底面と、胴部１０の底面と対向する架台５の上面との間の距離が０よりも大きくなるように、嵌合孔２１の深さＢを設計するステップＳ３を、さらに備える。

また、本実施形態では、キャスク１は、径方向において胴部１０が底部１２よりも外側に突出しており、嵌合孔２１は、架台５と対向する胴部１０の底面と、胴部１０の底面と対向する架台５の上面との間の距離が０よりも大きくなる深さＢとなっている。

この構成によれば、キャスク１の胴部１０と架台５とが非接触となるように、嵌合孔２１の深さＢを設計することができる。

また、本実施形態では、嵌合孔２１は、周囲に設けられる縁部２２によって形成され、架台５に対してキャスク１が傾斜した場合、底部１２から縁部２２の断面に与えられる最大応力が、架台を形成する材料の設計引張強さ（Ｓｕ）以下となるように、架台５の強度を設計するステップＳ４を、さらに備える。

また、本実施形態では、嵌合孔２１は、上記の（６）式から（１０）式の計算式を用いることで、縁部２２の底面側における応力σを、予め規定されたクライテリア以下となるように設計する。

この構成によれば、架台５に対してキャスク１が傾斜した場合であっても、縁部２２が損失することなく、キャスク１の支持を維持することができる。

１キャスク
５架台
６設置面
１０胴部
１１蓋部
１２底部
２１嵌合孔
２２縁部

Claims

放射性物質収納容器が載置される架台を設計する架台の設計方法であって、
前記放射性物質収納容器は、筒状の胴部と、前記胴部の一方側に設けられる断面円形状の底部と、を有し、径方向において前記胴部が前記底部よりも外側に突出しており、
前記架台は、前記底部が嵌め合わされる有底円形状の嵌合孔が形成されており、
前記放射性物質収納容器の前記底部が前記嵌合孔に嵌め合わされた状態で、前記架台に対して前記放射性物質収納容器が傾斜した場合、前記底部が前記嵌合孔に対して３点で支持されるように、前記嵌合孔の直径及び深さを設計する第１の工程と、
前記架台と対向する前記胴部の底面と、前記胴部の前記底面と対向する前記架台の上面との間の距離が０よりも大きくなるように、前記嵌合孔の深さを設計する第３の工程と、を備える架台の設計方法。
熱膨張する前記放射性物質収納容器の前記底部が嵌め合わされるように、前記嵌合孔の直径を設計する第２の工程を、さらに備える請求項１に記載の架台の設計方法。
前記嵌合孔は、周囲に設けられる縁部によって形成され、
前記架台に対して前記放射性物質収納容器が傾斜した場合、前記底部から前記縁部に与えられる応力が、予め規定された要求応力以下となるように、前記縁部の強度を設計する第４の工程を、さらに備える請求項１または２に記載の架台の設計方法。
筒状の胴部と、前記胴部の一方側に設けられる断面円形状の底部とを有する放射性物質収納容器が載置される架台において、
前記放射性物質収納容器は、径方向において前記胴部が前記底部よりも外側に突出しており、
前記底部が嵌め合わされる有底円形状の嵌合孔が形成されており、
前記嵌合孔の内径をＡとし、前記嵌合孔の深さをＢとし、前記底部の外径をＣとし、前記架台に対する前記放射性物質収納容器の傾斜角度をθとすると、
前記嵌合孔は、前記架台に対して前記放射性物質収納容器が傾斜し、前記底部が前記嵌合孔に対して３点で支持される場合、前記放射性物質収納容器の重心が転倒角を超えず、（１）式及び（２）式を満足し、かつ、前記架台と対向する前記胴部の底面と、前記胴部の前記底面と対向する前記架台の上面との間の距離が０よりも大きくなる深さとなっている架台。
Ａ＝Ｃcosθ＋Ｂtanθ ・・・（１）
Ｂ＞Ｃsinθ ・・・（２）
前記嵌合孔は、熱膨張する前記放射性物質収納容器の前記底部の直径よりも大きい請求項４に記載の架台。
前記嵌合孔は、周囲に設けられる縁部によって形成され、前記底部から前記縁部に与えられる応力が、前記架台を形成する材料の設計引張強さ（Su）以下となる請求項４または５に記載の架台。