JP6722553B2

JP6722553B2 - 緩衝構造体

Info

Publication number: JP6722553B2
Application number: JP2016174537A
Authority: JP
Inventors: 岡田　潤; 潤岡田
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2036-09-07
Also published as: JP2018040668A

Description

本発明は、キャスクの端部に外装される緩衝構造体に関する。

従来、原子炉等で使用された使用済燃料は、放射線量が所定のレベル以下となるまで、原子力発電所内に設けられた冷却プールにて保管された後、遮蔽機能および密封機能等を有するキャスクに収容され、中間貯蔵施設または燃料再処理施設等へと輸送される。キャスクには、輸送時等の万一の落下事故の際に、所定の遮蔽機能および密封機能等を維持することが要求される。

キャスクの落下時の機能維持は、キャスクの中心軸が鉛直方向を向く姿勢で落下する垂直落下、当該中心軸が水平方向を向く姿勢で落下する水平落下、および、当該中心軸が鉛直方向および水平方向に対して傾斜する方向を向く姿勢で落下するコーナー落下のそれぞれに対して要求される。そこで、キャスクが搬送される際には、特許文献１および特許文献２に示されるように、キャスクの上下端部の外面にキャスク用緩衝体が取り付けられ、万一の落下時にキャスクに加わる衝撃を低減する対策が取られる。

特開２００１−８３２９１号公報特開２０１４−１４５６７４号公報

近年、キャスクに収容されている被収容物（例えば、バスケットおよび使用済燃料）の遅れ落下衝撃によるキャスクへの影響を低減するために、キャスク用緩衝体の緩衝性能の向上が求められている。遅れ落下衝撃とは、キャスクが地面等に衝突した瞬間にはキャスク内において落下中である被収容物が、キャスクの上記衝突から遅れてキャスク内面に衝突する際に生じる衝撃である。また、キャスク落下時の使用済燃料への衝撃荷重を低減するためにも、キャスク用緩衝体の緩衝性能の向上が求められている。緩衝性能を向上させるためには、例えば、キャスク用緩衝体の密度を低くして大型化することが考えられるが、キャスクの輸送時のサイズ制限を考慮すると、キャスク用緩衝体の大型化には限界がある。また、特許文献１の木製のキャスク用緩衝体では、落下時に地面と衝突した部位、および、衝突部位の近傍の部位のみが破壊されるため、緩衝性能の向上に限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、キャスクに取り付けられる緩衝構造体を過剰に大型化することなく、キャスクに生じる衝撃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、燃料集合体が収容される柱状のキャスクの端部に外装される緩衝構造体であって、キャスクの長手方向の端面および側面に接する本体部と、前記本体部内に配置され、前記本体部よりも剛性が高い高剛性材料製の高剛性部とを備え、前記高剛性部が、前記本体部の全周に亘って分散する複数の高剛性要素を含む。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の緩衝構造体であって、前記複数の高剛性要素が、球状の高剛性要素を含む。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の緩衝構造体であって、前記複数の高剛性要素が、多面体状の高剛性要素を含む。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の緩衝構造体であって、前記複数の高剛性要素が、楕円球状の高剛性要素を含む。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の緩衝構造体であって、前記複数の高剛性要素が、第１の高剛性要素と、前記第１の高剛性要素よりも大きい第２の高剛性要素とを含む。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の緩衝構造体であって、前記複数の高剛性要素が、中空の高剛性要素を含む。

本発明では、キャスクに生じる衝撃を低減することができる。

一の実施の形態に係る緩衝構造体が取り付けられたキャスクを示す斜視図である。緩衝構造体の縦断面図である。緩衝底部の横断面図である。緩衝側部の横断面図である。緩衝底部の横断面図である。緩衝底部の横断面図である。緩衝構造体の要素モデルの重錘落下試験結果を示す図である。比較例の試験体の重錘落下試験結果を示す図である。関連技術に係る緩衝構造体の緩衝底部を示す横断面図である。緩衝側部の横断面図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係る緩衝構造体８が取り付けられたキャスク１を示す斜視図である。キャスク１は、使用済燃料集合体（以下、単に「燃料集合体」という。）を収容可能な柱状の容器である。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、図１中の上下方向を「長手方向」ともいう。

キャスク１は、放射線を遮蔽する遮蔽機能、放射性物質を密封する密封機能、燃料集合体を未臨界状態にて維持する未臨界維持機能、および、燃料集合体の熱を放散する除熱機能等を有する。キャスク１が搬送される際等には、キャスク１の長手方向の両側の端部に２つの緩衝構造体８が外装される。緩衝構造体８は、例えば、中心軸Ｊ１を中心とする有蓋円筒状または有底円筒状である。

図２は、一方の緩衝構造体８を中心軸Ｊ１を含む面で切断した縦断面図である。他方の緩衝構造体８の構造は、図２に示すものと略同じである。図２では、キャスク１の一部も合わせて描いている。緩衝構造体８は、本体部８１と、高剛性部８２とを備える。本体部８１は、キャスク１の長手方向の端面１１（すなわち、上面または下面）および側面１２に接する。本体部８１は、例えば、高分子材料製（例えば、木製または硬質ポリウレタンフォーム製）である。本体部８１の密度は、例えば、０．１ｇ／ｃｍ^３以上かつ０．９ｇ／ｃｍ^３以下である。

本体部８１は、緩衝底部８３と、緩衝側部８４とを備える。緩衝底部８３は、中心軸Ｊ１を中心とする略円板状の部位である。緩衝底部８３は、キャスク１の長手方向の端面１１に接する。緩衝底部８３は、キャスク１の端面１１の外縁から、中心軸Ｊ１を中心とする径方向（以下、単に「径方向」という。）外方へと広がる。緩衝底部８３は、中心軸Ｊ１を中心とする略円環板状であってもよい。緩衝底部８３が略円環板状である場合、例えば、緩衝底部８３の外径は、キャスク１の端面１１の直径よりも大きく、緩衝底部８３の内径は、キャスク１の端面１１の直径よりも小さい。なお、緩衝底部８３が略円環板状である場合、緩衝底部８３の内径は、キャスク１の端面１１の直径以上であってもよい。緩衝側部８４は、緩衝底部８３から長手方向に沿って筒状に突出する。緩衝側部８４は、中心軸Ｊ１を中心とする略円筒状の部位である。緩衝側部８４は、キャスク１の端面１１近傍において側面１２に接する。

図３は、本体部８１の緩衝底部８３を中心軸Ｊ１に垂直な面にて切断した横断面図である。図４は、本体部８１の緩衝側部８４の横断面図である。図２ないし図４に示すように、高剛性部８２は、本体部８１内に配置される。高剛性部８２は、本体部８１の全周に亘って分散する複数の高剛性要素８２１を含む。高剛性部８２（すなわち、複数の高剛性要素８２１）は、本体部８１よりも剛性が高い高剛性材料製である。高剛性要素８２１は、例えば、金属製の略球状の部材（すなわち、鋼球）である。高剛性部８２の密度は、本体部８１の密度よりも高い。各高剛性要素８２１の直径は、本体部８１の緩衝底部８３の直径よりも十分に小さい。高剛性要素８２１は、例えば、中実の部材である。複数の高剛性要素８２１は、例えば、互いに略同じ大きさであり、略同じ形状である。

図２および図３に示すように、緩衝底部８３では、複数の高剛性要素８２１が、例えば、中心軸Ｊ１を中心とする略同心円状に配置される。各円周上の高剛性要素８２１は、中心軸Ｊ１を中心とする周方向（以下、単に「周方向」という。）において、略等角度間隔に配置される。換言すれば、緩衝底部８３では、複数の高剛性要素８２１は周方向に略均等に配置される。緩衝底部８３では、複数の高剛性要素８２１は、緩衝底部８３の外周部のみに配置されてもよい。

図２および図４に示すように、緩衝側部８４では、複数の高剛性要素８２１が、例えば、中心軸Ｊ１を中心とする円周上に配置される。当該複数の高剛性要素８２１は、周方向において略等角度間隔に配置される。換言すれば、緩衝側部８４においても、複数の高剛性要素８２１は周方向に略均等に配置される。

図２ないし図４に示す例では、本体部８１において、複数の高剛性要素８２１は周方向に略均等に配置される。換言すれば、本体部８１の周方向の一部を所定の角度分だけ切り出した場合、当該部位に含まれる高剛性要素８２１の数は、周方向のいずれの部位においても略同じである。

図５および図６は、緩衝構造体８が取り付けられたキャスク１が水平落下した場合の緩衝構造体８の破壊の様子を示す図である。図５および図６では、本体部８１の緩衝底部８３の横断面を示す。なお、水平落下とは、上述のように、キャスク１の中心軸Ｊ１が略水平方向を向く姿勢で落下することを意味する。

緩衝構造体８が落下して地面等と接触すると、まず、本体部８１の接地面近傍の部位が変形する。本体部８１の接地面近傍の部位は、例えば、落下方向（すなわち、径方向）に圧縮されて歪む。本体部８１の変形が進むと、接地面近傍の高剛性要素８２１と接地面とが接近する。これにより、図５に平行斜線を付して示すように、本体部８１のうち当該高剛性要素８２１の近傍の部位８１１に大きな負荷が加わり、当該部位８１１に局所的な著しい破壊が生じる。以下の説明では、本体部８１の部位８１１を「局所破壊領域８１１」と呼ぶ。図５では、本体部８１のうち局所破壊領域８１１以外の部位の平行斜線を省略する（図６においても同様）。

本体部８１の変形がさらに進むと、図６に示すように、接地面近傍に位置する高剛性要素８２１の数が、図５に示す状態よりも増加する。換言すれば、高剛性部８２が、図５に示す状態よりも接地面に相対的に近づく。そして、接地面近傍の複数の高剛性要素８２１が連成して本体部８１の破壊を進展させ、局所破壊領域８１１が拡大される。緩衝側部８４における破壊の様子も、図５および図６に示す例と略同様である。

このように、緩衝構造体８が、キャスク１の長手方向の端面１１および側面１２に接する本体部８１と、本体部８１内に配置され、本体部８１よりも剛性合高い高剛性材料製の高剛性部８２とを備えることにより、落下時のキャスク１および緩衝構造体８の位置エネルギーが、本体部８１の変形に加えて、高剛性要素８２１による本体部８１の局所的な著しい破壊、および、局所破壊領域８１１の拡大により大きく消費される。このため、本体部８１の圧縮方向の歪みを抑制し、本体部８１における圧縮応力の急激な増大を抑制することができる。その結果、緩衝構造体８の地面との衝突時にキャスク１に作用する加速度を低減することができ、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。

図７は、緩衝構造体８の要素モデルの重錘落下試験結果を示す図である。当該試験では、１辺が７０ｍｍの立方体の試験体に対して、３００ｋｇの重錘を３ｍの高さから落下させ、試験体により伝達される荷重を測定した。図７中の横軸は試験開始からの経過時間を示し、縦軸は試験体により伝達される荷重を示す（図８においても同様）。試験体は、緩衝構造体８の要素モデルとして、木製の立方体の上面に、直径１０ｍｍの９つの鋼球を配置したものである。図８は、緩衝構造体８と比較するために、木材のみにより形成された試験体を用いて同様の条件下で行った重錘落下試験結果を示す図である。図７および図８に示すように、緩衝構造体８の要素モデルである試験体では、木材のみにより形成された比較例の緩衝構造体に対応する試験体に比べて、伝達される荷重の最大値（すなわち、キャスク１に生じる衝撃に対応する値）が、約６０％に低減される。

上述のように、高剛性部８２は、本体部８１の全周に亘って分散する複数の高剛性要素８２１を含む。これにより、緩衝構造体８の周方向のいずれの部位が地面等に衝突した場合であっても、落下時にキャスク１に生じる衝撃を好適に低減することができる。また、複数の高剛性要素８２１は、周方向に実質的に均等に配置される。これにより、緩衝構造体８の周方向のいずれの部位が地面等に衝突した場合であっても、落下時にキャスク１に生じる衝撃をさらに好適に低減することができる。

上述の例では、複数の高剛性要素８２１が球状である。これにより、緩衝構造体８と地面等との衝突時に、高剛性要素８２１に対していずれの方向から力が加わった場合であっても、当該高剛性要素８２１の周囲に効率良く力を伝達することができる。その結果、本体部８１における局所破壊領域８１１を速やかに拡大することができ、落下時にキャスク１に生じる衝撃をさらに好適に低減することができる。なお、高剛性部８２では、複数の高剛性要素８２１が、球状の高剛性要素８２１を含んでいれば、全ての高剛性要素８２１が球状である必要はない。換言すれば、複数の高剛性要素８２１は、球状以外の形状を有する高剛性要素８２１を含んでいてもよい。この場合であっても、上述と略同様に、落下時にキャスク１に生じる衝撃をさらに好適に低減することができる。

緩衝構造体８では、例えば、複数の高剛性要素８２１は、多面体状の高剛性要素８２１を含んでいてもよい。具体的には、例えば、正四面体、立方体または直方体の高剛性要素８２１が、複数の高剛性要素８２１に含まれる。多面体状の高剛性要素８２１により、高剛性要素８２１と本体部８１との接触面積を大きくすることができる。これにより、落下時のキャスク１および緩衝構造体８の位置エネルギーを、高剛性要素８２１と本体部８１との摩擦エネルギーとして大きく消費することができる。その結果、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。

緩衝構造体８では、例えば、複数の高剛性要素８２１は、楕円球状の高剛性要素８２１を含んでいてもよい。楕円球状の高剛性要素８２１の曲率が小さい部分により、緩衝構造体８と地面等との衝突時に高剛性要素８２１に加わる力を、周囲の比較的広い範囲に亘って伝達することができる。これにより、局所破壊領域８１１を大きくする（すなわち、緩衝構造体８の利用範囲を拡大する）ことができ、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。また、楕円球状の高剛性要素８２１の曲率が大きい部分により、緩衝構造体８と地面等との衝突時に高剛性要素８２１に加わる力を、本体部８１に効率良く伝達することができる。これにより、本体部８１の局所的な破壊を速やかに実現することができ、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。

複数の高剛性要素８２１は、例えば、第１の高剛性要素８２１と、当該第１の高剛性要素８２１よりも大きい第２の高剛性要素８２１とを含んでいてもよい。具体的には、例えば、第１の高剛性要素８２１は直径１０ｍｍの鋼球であり、第２の高剛性要素８２１は直径２０ｍｍの鋼球である。この場合、第２の高剛性要素８２１により、緩衝構造体８と地面等との衝突時に加わる力を、周囲の広い範囲に亘って伝達することができる。これにより、局所破壊領域８１１を大きくする（すなわち、緩衝構造体８の利用範囲を拡大する）ことができ、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。また、第１の高剛性要素８２１により、緩衝構造体８と地面等との衝突時に加わる力を、本体部８１に効率良く伝達することができる。これにより、本体部８１の局所的な破壊を速やかに実現することができ、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。

複数の高剛性要素８２１は、例えば、中空の高剛性要素８２１を含んでいてもよい。具体的には、例えば、中空の略球状の高剛性要素８２１が、複数の高剛性要素８２１に含まれる。中空の高剛性要素８２１により、緩衝構造体８と地面等との衝突時に本体部８１を局所的に破壊することができるとともに、中空の高剛性要素８２１が破壊されることにより、地面等との衝突時に緩衝構造体８に加わる力を吸収することもできる。その結果、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。

図９は、本発明の関連技術に係る緩衝構造体８ａの緩衝底部８３を示す横断面図である。図１０は、緩衝構造体８ａの緩衝側部８４の横断面図である。緩衝構造体８ａの形状は、図１に示す緩衝構造体８と略同様である。

図９および図１０に示すように、緩衝構造体８ａは、緩衝底部８３と、緩衝側部８４とを備える。緩衝底部８３は、キャスク１の長手方向の端面１１（図２参照）に接する。緩衝底部８３は、当該端面１１の外縁から径方向外方へと広がる。緩衝側部８４は、緩衝底部８３から長手方向に沿って筒状に突出してキャスク１の側面１２（図２参照）に接する。

緩衝構造体８ａでは、緩衝底部８３の外周部および緩衝側部８４のうち少なくとも一方の部位が、初期破壊部８５と、後続破壊部８６とを備える。初期破壊部８５は、当該少なくとも一方の部位の全周に亘って分散するとともに、衝撃力を受けた場合に衝撃荷重部（例えば、落下した場合に最初に地面に接触した部位）近傍において初期的に応力集中が生じて破壊される部位である。後続破壊部８６は、上記少なくとも一方の部位の全周に亘って分散するとともに、当該衝撃荷重部近傍において初期破壊部８５の破壊に続いて破壊される部位である。

これにより、落下時のキャスク１および緩衝構造体８ａの位置エネルギーが、緩衝構造体８ａの変形に加えて、初期破壊部８５近傍における緩衝構造体８ａの局所的な著しい破壊により大きく消費される。このため、緩衝構造体８ａの圧縮方向の歪みを抑制し、緩衝構造体８ａにおける圧縮応力の急激な増大を抑制することができる。その結果、緩衝構造体８ａの地面との衝突時にキャスク１（図１参照）に作用する加速度を低減することができ、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。

緩衝構造体８ａは、例えば、内部に複数の空洞（ボイド）８５１が設けられた高分子材料製（例えば、木製または硬質ポリウレタンフォーム製）の部材である。緩衝構造体８ａでは、各空洞８５１の周囲の部位が初期破壊部８５であり、初期破壊部８５の周囲の部位（すなわち、空洞８５１から離れた部位）が後続破壊部８６である。複数の空洞８５１は、上述の複数の高剛性要素８２１と同様に配置される。空洞８５１の形状は、例えば、球状、多面体状または楕円球状である。空洞８５１の大きさは１種類であってもよく、２種類以上であってもよい。

緩衝構造体８ａでは、空洞８５１に代えて、周囲の部位よりも密度が低い低密度部が設けられてもよい。この場合、低密度部およびその周囲の部位が初期破壊部８５であり、初期破壊部８５の周囲の部位が後続破壊部８６である。あるいは、空洞８５１に代えて、周囲の部位よりも剛性が低い（すなわち、柔らかい）低剛性部が設けられてもよい。この場合、低剛性部およびその周囲の部位が初期破壊部８５であり、初期破壊部８５の周囲の部位が後続破壊部８６である。

上述の緩衝構造体８，８ａでは、様々な変更が可能である。

図１ないし図４に示す緩衝構造体８では、本体部８１は、木製または硬質ウレタンフォーム製には限定されず、例えば、発泡アルミニウム製であってもよい。また本体部８１は、ハニカム構造を有する金属製であってもよい。図９および図１０に示す緩衝構造体８ａも同様に、例えば、発泡アルミニウム製であってもよく、ハニカム構造を有する金属製であってもよい。

緩衝構造体８では、例えば、本体部８１の表面が金属板等により被覆されてもよい。緩衝構造体８ａでも同様に、緩衝底部８３および緩衝側部８４の表面が金属板等により被覆されてもよい。

緩衝構造体８では、高剛性部８２に含まれる複数の高剛性要素８２１の形状、構造および大きさは、１種類のみであってもよく、２種類以上であってもよい。

本発明の関連技術では、高剛性部８２は、必ずしも複数の高剛性要素８２１を含む必要はなく、１つの高剛性部８２のみが本体部８１内に配置されてもよい。本発明に係る緩衝構造体８では、高剛性部８２は、少なくともその一部が本体部８１内に配置されていればよく、高剛性部８２の一部が本体部８１の表面に露出していてもよい。この場合であっても、上記と同様に、落下時にキャスク１に生じる衝撃を低減することができる。

緩衝構造体８では、高剛性部８２は、本体部８１のいずれの部位に配置されていてもよいが、好ましくは、緩衝底部８３の外周部および緩衝側部８４のうち少なくとも一方の部位に配置される。より好ましくは、高剛性部８２は、緩衝底部８３の外周部および緩衝側部８４の双方に配置される。さらに好ましくは、高剛性部８２は、緩衝底部８３の外周部以外の部位にも配置される。

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
８，８ａ緩衝構造体
９燃料集合体
１１（キャスクの）端面
１２（キャスクの）側面
８１本体部
８２高剛性部
８３緩衝底部
８４緩衝側部
８５初期破壊部
８６後続破壊部
８２１高剛性要素

Claims

燃料集合体が収容される柱状のキャスクの端部に外装される緩衝構造体であって、
キャスクの長手方向の端面および側面に接する本体部と、
前記本体部内に配置され、前記本体部よりも剛性が高い高剛性材料製の高剛性部と、
を備え、
前記高剛性部が、前記本体部の全周に亘って分散する複数の高剛性要素を含むことを特徴とする緩衝構造体。
請求項１に記載の緩衝構造体であって、
前記複数の高剛性要素が、球状の高剛性要素を含むことを特徴とする緩衝構造体。
請求項１または２に記載の緩衝構造体であって、
前記複数の高剛性要素が、多面体状の高剛性要素を含むことを特徴とする緩衝構造体。
請求項１ないし３のいずれかに記載の緩衝構造体であって、
前記複数の高剛性要素が、楕円球状の高剛性要素を含むことを特徴とする緩衝構造体。
請求項１ないし４のいずれかに記載の緩衝構造体であって、
前記複数の高剛性要素が、
第１の高剛性要素と、
前記第１の高剛性要素よりも大きい第２の高剛性要素と、
を含むことを特徴とする緩衝構造体。
請求項１ないし５のいずれかに記載の緩衝構造体であって、
前記複数の高剛性要素が、中空の高剛性要素を含むことを特徴とする緩衝構造体。